基于嵌入式L inux的远程自动抄表集中器嵌软设计目录1 自动抄表系统概述21.1 市场背景21.2 研究现状21.3 通信方式及其特点21.4 自动抄表系统结构42 集中器系统概述52.1 集中器工作原理52.2 集中器系统功能63 集中器系统程序设计73.1 集中器程序整体结构73.2 上行通信73.3 下行通信73.4 液晶显示83.5 特殊任务处理93.6 当前进程及主要功能104 结论与展望114.1 结论114.2 展望114.3 仍需进行的工作115 工作内容和成果126 素质模型和自我评价126.1 素质模型126.2 自我评价121自动抄表系统概述1.1市场背景电力作为国家的支柱产业，一直持续稳定地发展着。随着国民经济的不断提 高，国内电力事业有了前所未有的发展，电力资源的需求也迅速增长。在电力工 业飞速发展的同时，各个部门对信息技术的需求也在日益增多，高科技信息技术 的注入为电力事业的发展提供了强有力的基础和保障，为电力企业的正常运行提 供高效管理服务。为了能够更好地为经营决策提供有力的数据依据，采用计算机 技术来实现电力部门数据的信息化和自动化势在必行。现行抄表收费管理模式：人工抄表收费方式、IC卡收费方式、自动抄表收费 方式。国内很多地区，尤其是欠发达地区，用户电表数据抄收工作还完全是人工 上门抄表完成。人工操作虽然容易实现和管理，但是不可避免地也会遇到效率低 下，错误率高，难以监控等众多问题，使得人工抄表管理模式不能适应电力体制 的改革，也直接阻碍了诸如阶梯电价、预支电费等先进管理模式的推行。特别是 在我国信息化技术的普及之后，人工抄表的方式显得日益落后。同时，对于电力 企业部门，也希望新技术的发展能够解决他们实际工作当中遇到的抄表难、收费 难、准确性和及时性得不到可靠的保障的问题，从而实现既方便用户，又提高工 作效率和管理水平，对于加强用电管理，防止国家电力资源的流失等都具有积极 的意义。自动抄表技术就是在技术与管理两方面函待进步、改革的迫切下需求应运而 生的，伴随信息化技术的发展而发展，日益受到关注。1.2研究现状自动抄表，是利用电子技术、传感器技术、自动控制技术、计算机及通讯等 技术，通过专用设备对表计进行读取及数据处理的过程。自动抄表系统是不需要 人员到现场，就能完成抄读用户电能数据并分析、统计和计算的智能化管理系统。电子式电能表的发展起始于20世纪70-80年代的日本，但是由于组装电子 式电能表的元件质量问题，使电子式电能表的可靠性、抗干扰性等方面表现出很 多的弊病，大大影响了电子式电能表的大规模推广和应用的进程。20世纪80年 代中后期，随着大规模集成电路的出现与制造新技术的发展，电子式电能表在各 种现场环境下的工作可靠性问题得到解决。电子式电能表的发展，有力地推动了 远程抄表技术的发展。1988年，美国弗吉尼亚电力公司为电能表抄表员装备了 手持式微机，将用户消耗的电能数据一次性经键盘存入微机，在其中完成统计与 处理等。1992年，埃及开罗配电公司开发出双模式住宅电能监视抄表系统，它 是一个用于自动记录、获取和处理电能消耗数据的完整系统，从而使抄表工作进 入到自动化时代。1.3通信方式及其特点电能自动抄表系统数据通信方式的选取，需综合考虑多方面因素，如地理环 境特点，用户用电行为，具体安装单位其他相应设备等的技术水平，管理体制， 以及投资成本等。从目前比较成熟的几种通信手段来看，不同通信方式又有其不 同的适应环境。目前，国内外自动抄表系统主要有以下几种方式：1.3.1 红外线通信红外线通信技术是一种以红外光为载体，通过其在空中传播来传输数据信息 的技术。它的特点是能非接触地读取仪表的数据，操作简单方便，数据传输可靠， 成本较低；但传输距离较短，一般只有8-10米，对方位性要求高，且基于其构 建的通信系统的自动化程度较低，仍需人工手持抄表终端到表计附近抄表。因此， 这种通信方式适合在计量仪表相对集中的城市居民区的电能抄表系统构建中采 用。1.3.2 RS-485总线通信基于RS-485总线实现数据通信，是目前国内应用最多的一种电能自动抄表 通信方式。RS-485接口在一个通道上可进行半双工通信，只需两根线便可实现双 向通信，可很方便地构成一点对多点或多点之间的相互通信网络，可满足一个采 集终端与多块电能表之间通信的需求。基于RS-485总线通信的特点是少结点（一般不多于100点）、短巨离（一般几 百米）、可规范布线，而在多结点、长距离（数千米）、任意分布的民用电能表通 信中，这种通信方式难以可靠应用，且存在布线工程量大、信道易损坏、故障排 除困难、恢复慢、信道维护工作量大等不足。1.3.3 低压电力线载波通信低压电力线载波通信的工作原理，是发送端先将需传输的数据信息调制为高 频信号（一般为50kHz500 kHz）,再经功率放大后耦合叠加到电力线上进行传 输；而接收端从电力线上经耦合器获得载波信号，经过滤波、放大、解调等处理， 将测得的实用数据信息再送至微处理器。这种通信方式的优点是不必租用线路或占用通信频段等，节省了铺设信道的 投资；缺点是由于电力线不是专为通信所设计，其特性在很多方面难以直接满足 载波通信的要求，突出表现在工作环境恶劣、信号衰减大、干扰强，因此在实际 应用中往往需要采取另外措施，以克服上述缺点和不足。电力线载波通信的最大优势，就是可利用无所不在的供电网作为通信媒介， 这是世界上分布范围最广的、最现成的通信媒介资源。并且构建电能抄表系统简 洁，成本低廉，如果技术成熟，将是电能自动抄表系统的最佳通信媒介资源。成 功的电力线载波通信还会促进信息家电和智能家庭的进步和发展，而信息家电和 智能家庭被许多人预测将形成继PC时代之后的又一次更大规模的技术革命。目前扩频技术的发展，为低压电力线载波通信方式的应用提供了有力支撑。 考虑到我国供电网建设的密度很高，该通信方式很可能在未来的电能自动抄表通 信中得到更有效的应用。1.3.4 无线微波通信无线微波通信是在某个频点上以散射通信方式进行无线通信，适用于用户分 散且范围广的场合。这种通信方式的优点是传输频带较宽，通信容量较大（可与 几千块电能表通信），通信距离远（几十千米，可通过中继站延伸）；而主要缺点 是需申请频点使用权，且如果频点选择不合理，相邻信道间会相互干扰。1.3.5 GPRS 通信GPRS是通用分组无线业务，它是在GSM网络和技术上发展起来的一种数据 承载和传输方式，通过进一步在GSM网络中增加数据设备，这种通信方式可提 供高速数据类应用。GPRS特别适用于间断、突发或频繁、少量的数据传输，也 适于偶尔的大数据量传输。GPRS系统理论上可实现高达171.2Kbps速率的吞吐 量，而GSM的最高速率仅为9.6KbpSo并且，由于GPRS实时在线，控制中心并 不需要安装GPRS模块，而只需连上互联网即可。中国移动现有的GPRS网络与 Internet的通信，是通过中国移动的数据通信网关实现的，其对用户是透明的， 可直接使用。因此，GPRS终端可与电能自动抄表系统管理中心的客户端直接进 行通信。1.3.6 ZigBee 通信ZigBee是一种无线连接技术的商业化命名，它支持星型、网状和簇状结构3 种主要的自组织无线网络类型，具备强大的设备联网功能。特别是网状结构，具 有很强的网络健壮性和系统可靠性。基于ZigBee构建电能抄表系统具有的特点 是，无需铺设通信线路，各设备之间实现无线自动组网连接，系统安装成本低； 因系统并无控制线路，故可避免恶意破坏；通信各模块具有高集成度、高可靠性、 低功耗、低成本、体积小及维护方便等优点。基于ZigBee通信的抄表方式使用 国际通用的免费频段（2. 42. 8 GHz ISM）,并采用抗干扰能力强的直序扩频传输 方式。美国能源部近期公布的美国智能电网改造方案中，对家庭住宅内电器与电能 表的通信初步选定为“Zigbee/HomePlug通信方式。我国现阶段对Zigbee技术 的研究还处于起步阶段。1.4自动抄表系统结构自动抄表系统的基本结构如图1所不。从结构上看，目前典型电能自动抄表系统可分为四层网络结构，呈金字塔 形分布，具体地，第一层也就是最底层，就是用户终端，由数量众多的用户电能 表组成，负责记录用户的基本用电信息；第二层是采集终端，它连接用户电能表 与上层的集中器，可根据上层命令定时或实时地采集用户电能表存储的数据，并 将所采集到的数据传送至上层。具体应用时，可根据实际情况决定一个采集终端 所控制的用户电能表数量，例如，对四至六层的所谓多层住宅，一栋楼的总用户 数较少，可一栋楼安装一个采集终端；而对于小高层和高层住宅，用户数较多， 则可在一栋楼的每个单元分别安装一个采集终端。第三层是集中器，其功能是定 时或实时向采集器下达抄表命令，接收采集器上传的电能量等数据，并将其存储 在非易失性存储器中，以供上层控制中心随时调用，或根据控制中心的命令完成 相应操作。第四层为控制中心，它是整个系统的最上层，其功能有很多，主要通 过整个系统层层相连的通信网络实现对系统各部分的控制与管理，可定时或实时 抄收系统中每块电能表记录的用电数据，并通过与供电系统联网，实现电费的计 算和收缴等。集中器在整个系统中起到了承上启下的作用，其中抄表主要通过电力载波线 完成，与主站通信主要通过GPRS/CDMA网络完成，均无需专门铺网布线。整个 抄表和电费的计算过程全部为自动化操作，无需人为参与。图1自动抄表系统基本结构不意图2集中器系统概述2.1集中器工作原理集中器采用了高速的32位ARM以及基于此控制器上的嵌入式Linux操作系 统，低功耗、抗震动和抗干扰能力强，具有丰富的接口资源，易于功能扩展。同 时，通过带光电隔离的RS485总线，低压电力线载波采集电能表数据，将各种数 据存储在大容量的FLASH中。通过先进的GPRS/CDMA公用无线通信技术，可在 远方主站设置参数，召测实时数据、历史数据、告警事件，装置能够将产生的告 警事件主动上报。数据处理单元GPRS无皴通讯模块仁）本地RS232庞电。 通讯接口似太网口1图2 系统工作原理示意图2.2集中器系统功能在本设计中电能表数据集中器所对应的下行设备是支持“部颁645规约”的 智能电能表，按照645规约要求的方式进行直接通信。为满足要求，集中器设计应具有以下功能：2.2.1 通信功能上行通信支持GPRS/CDMA通信、以太网通信、RS232通信、RS485通信； 下行通信支持RS485抄表、支持多种载波抄表。2.2.2 自动抄表功能可以按照配置的抄表内容、抄表间隔，自动进行抄表。支持645-97和645-07 规约的电表。2.2.3 监测和告警功能定时采集用户用电的电流、电压，功率等数据，判断用户用电的异常情况， 提供电网运行状态等，并可根据设置对异常情况进行告警。2.2.4 数据存储功能可按照设置的内容，对需要抄表的数据项进行存储，并按规定的天数进行记 录。2.2.5 任务上报功能可按照配置的发送基准时间、定时发送周期、上报数据项等定时上报1类Z2 类数据任务。2.2.6 对时功能可通过主站对集中器进行校时，集中器可对电表进行广播校时。2.2.7 升级功能可通过本地或远程方式，对集中器程序进行升级。3集中器系统程序设计3.1集中器程序整体结构集中器的主要功能是实现数据采集，保存相应的采集信息，并最终上传给主 站。由于集中器设计时考虑到最大的适应用户的要求，所采取通信方式较多，如 GPRS通信、红外通信、RS232通信、485通信、载波通信通信形式。程序设