基于以太网的嵌入式远程抄表系统设计

陈 辉，周文超，魏永强，闫冠宇，李 明，杨龙凡

（1.河南中美铝业有限公司 河南 郑州 452477；2.中化国际（控股）股份有限公司 北京 100045）

现代工业的发展离不开电，电的质量对公司的生产乃至经济效益极其重要。我公司是用电大户，每天按时间段要去各个车间抄表，再把抄得的数据汇报给中心站以计算每日用电度数及产生的电费。由于厂区大、电表多且分散，每日抄表计算约要花去一个小时的时间，不仅浪费时间、占用劳动力，而且由于各种原因数据准确度不高，影响各车间每天生产成本结算。鉴于此，笔者研制了一种基于以太网的嵌入式远程抄表系统，为电工岗位上的工作者带来了极大的方便，同时通过对大型设备运行时段的优化降低公司综合用电成本。

1 系统总体结构

本系统集电量数据采集、显示、打印和远程抄表于一体，图1为抄表系统结构图。嵌入式监控单元通过RS485总线读取数字电表的实时数据信息并在LCD/触摸屏上显示，通过嵌入式采集单元所带的微型打印机接口连接打印机进行打印，同时嵌入式采集单元通过以太网将采集到的电量数据上传至抄表主机进行显示、存储，从而达到现场采集与远程抄表的目的。

2 硬件设计

基于嵌入式系统稳定可靠、精度高、扩展灵活等优点而广泛应用于工业领域。本系统采用嵌入式ARM9为核心的工控板，硬件结构图如图2所示。该系统硬件设计简单、可靠，外接接口丰富。

图1 抄表系统结构图Fig.1 Structure diagram of meter reading system

图2 系统硬件结构Fig.2 System hardware structure

2.1 AT91SAM9261S

AT91SAM9261S是一款工业级品质的以ARM926EJ-S处理器为核心的32位超低功耗微控制器，可直接驱动触摸屏。外设包括实时定时器，3个32位并行I／O、SD卡，3个USART，SPI等。以AT91SAM9261S为主处理器的EM9161工控板是一款面向工业自动化领域的高性价比的嵌入式主板，带有1路以太网口，4路标准UART串口和多种总线。本系统选用EM9161工控板为嵌入式采集单元。

2.2 RS485总线

RS485接口[1]是标准的工业现场总线接口，RS485收发器采用平衡发送和差分接收因而抑制共模干扰的能力强，传输距离远。RS485总线一般最大支持32个节点，本系统中的数字电表是带有RS485接口的全数字电子表，可直接挂接在RS485总线上。每个RS485模块可以挂32个数字电表。

2.3 以太网接口

EM9161工控板上的以太网接口[2-3]为标准的RJ45插座，硬件电路图如图3所示。EM9161工控板上引出的以太网信号经过11F-05到RJ45插座上，其中11F-05为RJ45集成网络隔离变压器，主要起信号传输、阻抗匹配、信号杂波抑制和高电压隔离等作用。以太网的RJ45插座上自带指示灯，绿灯为LINK灯，黄灯为100 M灯。

3 软件设计

本抄表系统软件采用WINCE操作系统[4]进行开发。WINCE是微软公司著名的多线程实时操作系统，是目前嵌入式领域的主流操作系统之一。它包括了以TCP/IP为特色的完整的网络通讯协议，并提供了基于TCP/IP应用协议的服务器程序，如FTP Server、Web Server等等很实用的软件程序。EM9161工控板已嵌入正版Windows CE5.0实时多任务操作系统。Windows CE 5.0具有核心操作系统组件和强大的开发和测试工具，它为嵌入式开放人员提供了一套统一的工具，以构建、调试和部署基于Windows CE的自定义设备。本系统因其需要存储的数据结构简单、数据量较小，故使用WINCE自带的数据库，该数据库系统最多支持4种排序索引。主程序流程图如图4所示。

图3 以太网接口硬件电路图Fig.3 Hardware circuit diagram of circuit Ethernet interface

图4 主程序流程图Fig.4 Flow chart of main program

3.1 DL/T645通信规约

我国电力系统中常用的DL/T645通信规约[1]将24小时的电价划分为尖、峰、平、谷4个时间段。尖峰时期是用电量高的时间，用电用户多且用电量大，电网会出现供电不足，系统频率下降；平峰时期是用电量正常合理的使用，电网供电充足，频率稳定；低谷时期就是夜间低谷，此时电网会出现电能过剩，频率上升，同样会造成不平衡。按时段定电价，那么峰时比平时要高0.2～0.3元，比谷时要高0.5元左右，所以合理安排用电时段可以大大降低用电费用，提高经济效益。

3.2 TCP/IP协议

TCP／TP协议[3，5]一个使用非常普遍的网络互联标准协议，可使Internet上的数据快速安全准确的传输。TCP/TP的参考模型有4层，分别是：应用层、传输层、网络层、链路层。以太网是Internet上广泛使用的局域网，不仅完全支持TCP/IP协议，通信速率高（10～100 Mbps），而且组网成本低、可靠性高。本抄表系统只需给每个数字电表设置一个IP，抄表主机通过IP地址就可以和数字电表进行通信，非常方便。

3.3 RS485通讯

因RS485为半双工数据通讯模式，数据的收发不能同时进行。为了保证数据收发不冲突，硬件上是通过方向切换来实现的，相应地软件上必须将收发的过程严格地分开。

封装两个类来实现DL645通信规约：一个用于串口通信的Serial类，主要完成打开、关闭和收发串口数据等功能。一个用于实现DL645规约链路层DL645的类，它主要提供设置通信地址，超时时间等信息，并完成通信帧的打包、解包、错误较验和数据帧的收发等功能。

基于485半双工通信的特点，使用一个函数Transmit（）完成数据的收发。一个完整的数据接收发送过程如下：

1）应用层调用DL645类的Transmit（）函数，并将发送的数据送给 Transmit（）函数；

2）在Transmit（）函数中对数据打包，增加帧起始符、帧结束符、校验码等信息，使其符合DL645规约；

3）调用串口通信Serial类的 WritePort（）函数，发送一帧数据；

4）等待数据接收。遇到下列情况之一时函数返回：①接收到一帧完整数据；②接收超时；③较验出错；④通信出错。

数据接收时，Serial类的中断处理函数收到数据，直接调用 DL645类中的 Receive（）函数，在 Receive（）函数中完成一帧数据的解包工作。

3.4 抄表主界面

以型号为PD204E-2S4的江阴表为例，依据尖峰平谷用电制度设计抄表界面[6]如图5所示。

图5 抄表主机界面Fig.5 Meter reading mainframe interface

抄表主机界面主要功能有系统初始化、参数设置、自动抄表、停止抄表和数据库查询。其中参数设置可以设置当前时间和自动抄表周期，可以设置为每隔一个小时抄一次表，最长可设置为每日抄表一次；数据库查询可以查询近一个月的电量使用情况。在数字电表界面中，可以按对时按钮来和抄表主机时间同步，与抄表主机之间建立连接、断开连接并向抄表主机发送数据。

4 结束语

文中详细介绍了嵌入式远程抄表系统的软硬件设计，系统硬件设计简单可靠，软件采用WINCE操作系统，代码少且可移植性强运行速度快。本抄表系统可以抄多种电子表，给电工人员提供了很大的方便，同时根据用电制度安排大型设备的运行时段优化生产减低用电成本，在电费上涨的情况下也能将用电费用控制在预算内。

[1]赵同生，曹冰.组建自动抄表系统存在的几个问题[J].电测与仪表，2002（12）:4-7，55.

ZHAO Tong-sheng，CAO Bing.The exist several problems of forming automatic meter reading system[J].Electrical Measurement and Instrumentation，2002 （12）:4-7，55.

[2]鲍军民.基于ENC28J60控制器的智能仪表以太网接口设计[J].新特器件应用，2007，9（11）:1-5.

BAO Jun-min.Design of intelligent instrument Ethernet Interface based on ENC28J60 controller[J].New Special Device Applications，2007，9 （11）:1-5.

[3]赵莲清，李海涛，王树东，等.基于以太网的嵌入式远程电力自动抄表系统[J].中国农村水利水电，2008（6）:78-80.

ZHAO Lian-qing，LI Hai-tao，WANG Shu-dong，et al.Embedded Ethernet-based remote automatic meter reading system power[J].China’s Rural Water Conservancy and Hydro-power，2008（6）:78-80.

[4]华清远见嵌入式培训中心.Windows CE嵌入式开发标准教程[M].北京:人民邮电业出版社，2010.

[5]兰少华，杨余旺，吕建勇.TCP／IP网络与协议[M].北京：清华大学出版社，2006.

[6]汪兵，李存斌，陈鹏.EVC高级编程及其应用开发[M].北京:中国水利水电出版社，2005.