基于物联网的智能电表采集系统设计※＊

亢红波，许宏科

（1.长安大学 电子与控制工程学院，西安710064；2.西安邮电大学）

亢红波（讲师），研究方向为智能测控。

引 言

物联网已逐渐走进智能电网的时代，传统的电表（包括电子式电表）已远远落后于发展需求，智能电表将成为一个不可或缺的重要环节。目前市场流行多种传输方式的远程抄表系统，如现场总线方式［1］、专用光纤网络方式、电话交换网络方式［2］、Internet方式［3］、无线数传电台方式、GPRS方式［4－7］，这些方式在成本、功耗等方面各有其优缺点［8］。

本文设计的基于物联网的智能电表采集系统，遵循DL／T645－2007《多功能电能表通信协议》、GB／T19582－2008《基于Modbus协议的工业自动化网络规范》等规范标准，采用超低功耗控制设计思想，通过Modbus总线网络与互联网络的本地融合，实现双流向、远距离、全自动、高可靠的智能仪表数据采集，丰富了智能电表系统的内涵。

1 系统整体介绍

基于物联网的智能电表采集系统结构如图1 所示。采集系统包括：智能仪表节点、数据采集终端设备、监控上位机。智能仪表节点包括遵循各类规范标准的智能仪表，完成命令接收（要数命令、配置命令），以及数据上传（数据信息、本地信息）等功能，可选用标准工业化设备；数据采集终端设备是整个网络的核心，实现仪表数据采集、数据处理、协议转换、TCP／IP网络协议封装打包及数据上传、远程命令下发、本地存储调试等功能；监控上位机完成数据的归档、融合、显示、查询，必要时辅以专家系统，以实现相应的控制动作，系统也包含了相应的用户安全设计。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件设计原则

系统硬件设计以功耗、可靠性为基本评价标准，同时还需兼顾现场的供电、维护等条件，主要包括：

①低功耗设计：采用低功耗主控器与外围功能元件；

图1 系统结构图

②多方案供电设计：除外部电源适配器供电外，还配备了后备电池（关键单元配专用电池）；

③易维护性设计：预留本地调试接口，可进行现场维护，还可通过远程网络授权维护；

④抗干扰及稳定性设计：选用抗电磁干扰设计器件，电路合理分区布局，电源的滤波与抗噪，合理利用看门狗，系统环境温湿度监测与处理等。

2.2 数据采集终端设备硬件设计

数据采集终端设备的组成框图如图2所示。

图2 数据采集终端设备组成框图

硬件采用模块化的电路设计，包括微控制器最小系统模块、网络模块、RS485总线传输模块、数据存储模块、系统调试模块、电源管理模块、RTC电路模块等部分。

2.2.1 微控制器最小系统设计

系统选取飞思卡尔超低功耗微控制器KL46为主控芯片，其有3个UART、2个SPI和2个I2C接口，并集成了高速模拟比较器和功能强大的定时器，完全满足本系统设计要求。KL46最小系统包括了复位电路、晶振电路、JTAG接口电路。微控制器最小系统原理图略——编者注。

2.2.2 网络模块设计

网络模块以ENC28J60为主芯片，与MCU 通过SPI接口进行通信，输入／输出信号有：RST 复位信号、INT 中断信号、WOL 唤醒信号及CLKOUT 时钟输出信号，如图3所示。

图中R13～R20 均为上拉电阻，对主控制器KL46到芯片ENC28J60之间的信号做上拉处理，避免高阻态的出现；C12为1μF 的极性电容，作为电源的滤波；而TPOUT＋、TPOUT－以及TPIN＋、TPIN－则为网络传输的差分信号线，这4根跳线将接入到网络变压器进行电压转换后，再传输。

网络接口选用HR911105A 的RJ45接口，其内部含有网络信号的电压保护及转换电路，客观上也减少了PCB的设计负担。

2.2.3 数据存储模块设计

数据存储模块选用超小型大容量SD 记忆卡为载体，其原理略——编者注。

2.2.4 RS485总线电路设计

RS485总线电路分为两个RS485总线模块部分：数据采集部分和数据上传部分。如图4所示，RS485传输芯片采用Maxim 公司生产的MAX3072，具有3.3V 的供电特性，可支持高达256个节点的通信。

2.2.5 电源管理电路设计

系统在设计时考虑到功耗及抗干扰因素，需要分别对3部分电路进行稳压设计：核心部分（主控制器、调试端口、时钟芯片），采集部分（RS485总线采集的芯片设备），以及网络部分（ENC28J60 网络芯片、数据上传部分及SD卡）。

为了解决工业环境的电源供电问题，系统利用LM2940的5V 稳压芯片，可以满足6～26V 电源的DC直流输入和备用电池充电输入，其前级可采用AC／DC 模块，备用电池接口具备防反接设计。电源、开关电路及3.3V稳压电路设计略——编者注。

图3 网络模块电路

图4 RS485电路

3 系统软件设计

系统软件设计采用服务式层次化程序设计思路，针对不同的模块，编写相应的驱动代码与通信协议代码。利用ARM 内核的NVIC 对系统不同的服务进程进行任务调度，从而实现了简单的多任务处理过程，同时通过优化程序代码结构，系统对资源的利用率和对任务的响应速度都得到了极大的提升。

3.1 系统服务

系统软件设计采用服务式程序设计，故系统设备将以服务进程的方式运行，由以下几部分组成。

3.1.1 初始化服务

初始化服务分为多个不同的初始化过程，并按照一定的顺序进行，当完成所有初始化后，该服务将自行关闭。

①内核初始化：微控制器芯片ARM 内核初始化、RAM 空间初始化，分配堆栈区、中断向量表等系统使用空间；

②内部驱动初始化：初始化PLL、GPIO、UART、SPI、PIT、LPTMR等；

③外部设备初始化：利用已初始化完成的芯片驱动，控制 ENC28J60、 SD 卡、MAX13432、DS3234 等 一 系 列外部器件，同时进行设备的开机自检，保证设备正常，待后续服务使用；

④参数初始化：使用内部Flash和时钟芯片DS3234中的RAM 进行参数存储，以备掉电时的参数保存，当系统启动时要对参数进行重新加载。

⑤协议初始化：芯片器件之间的通信以及网络上的通信都需要不同的协议，根据获取的参数初始化相应的协议功能。

3.1.2 后台调试服务

后台调试服务在系统初始化完成后启动，负责指令的识别及相应的处理并返回结果，服务启动后将驻留后台。服务主要通过UART 接口负责通信和调试，当网络传输服务开启后将会接入该服务，利用特定的TCP、UDP端口进行网络指令和响应的传输。

3.1.3 文件系统服务

文件系统服务在SD 卡初始化完成后启用，负责SD卡等外部存储设备的文件读写。利用开源的FatFs文件系统，通过已初始化好的SD 卡程序接口，对外部存储器进行文件系统的操作和管理。服务主要以后台等待的方式存在，只有对外部存储设备进行操作时在前台运行。

3.1.4 网络传输服务

网络传输服务以TCP／IP协议栈为主，整个协议栈存在于主控制器中。网络传输服务启动后，将接管ENC28J60以太网控制器的控制权，所有网络数据都将由该服务处理。该服务启动后将首先运行DHCP请求，以自动获取IP。获得分配的IP后，服务将在后台等待网络数据。

3.1.5 数据采集服务

数据采集服务为整个系统中唯一一个长期处于前台的服务程序，仅当其他服务程序均正常启动时运行，主要负责RS485总线上的数据收发，发送节点终端的查询数据包。接收到数据后，首先调用文件系统服务，将数据写入外部存储器，然后再调用网络传输服务，将数据组包发送给服务器。

3.2 软件设计

系统软件采用层次化结构的设计思想。利用层次分明的结构进行程序设计，有利于代码的编写、阅读、修改。从芯片的底层驱动开始，层层往上，程序结构框图如图5 所示。下层结构向上层提供函数接口，上层结构利用下层提供的接口进行控制操作。

图5 程序结构框图

3.2.1 TCP／IP网络协议

系统采用的TCP／IP网络协议为独立设计编写，而考虑到单片机的资源利用问题，精简了大部分无用的子协议，以最少的资源完成最大的功能。协议报文，TCP 连接，动态获取IP过程略——编者注。

3.2.2 存储设备驱动

系统需要利用SD卡作为外部存储设备，再加上文件系统，以对外部存储器进行文件管理操作。

SD卡驱动略——编者注。在外部存储器中，存储的均为0、1组成的二进制数据，进行操作时为了方便而需要转换成十六进制数据，但是与在操作系统中进行的文件操作仍有很大区别。通过文件系统，用户可以方便地对存储器进行分区、创建文件、写入文件、读取文件、删除文件等操作。

FatFs是一个开源的、专门为嵌入式系统研发的通用FAT 文件系统，全代码由ANSI C编写完成，具有完全分离的磁盘I／O 操作、独立的硬件体系结构。其结构略——编者注。

移植FatFs时仅需修改ffconf.h和diskio.c文件，根据系统的需求，修改ffconf.h文件中不同的宏定义即可。

3.3 上位机设计

相关管理中心的上位监控机对整个系统进行管理监控，完成数据采集、命令下发、远程配置、数据融合、能耗分析等功能。利用VC和SQLserver数据库开发，此处不再赘述。

结 语

本文设计的基于物联网的智能电表采集系统，实现了对现场设备电气参数实时采集及监控，灵活地结合了当前智能电表的现场总线传输规范和网络传输方式，实现了真正意义上的双向数据通信，是智能电网发展的新方向，为电网安全运行提供了更可靠的支撑手段，同时，也为能耗控制提供了保证。

编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

［1］邢应春.远程集中抄表系统技术研究与开发应用［D］.合肥：合肥工业大学，2007.

［2］孔建华.智能远程抄表系统的设计与开发［D］.南京：南京理工大学，2005.

［3］李兰春.基于ARM 的GPRS数据采集传输系统［D］.太原：太原理工大学，2012.

［4］ChinE Lin，Chih－Ching Li.A Real Time GPRS Surveillance System Using the Embedded System［J］.Journal of Aerospace Computing，Information and Communication，2004（1）：44－59.

［5］杨威.利用GPRS 网络实现远程监控［J］.航空制造技术，2010（22）：114－116.

［6］吴双，徐琦，赵珂，等.基于GPRS技术的远程智能抄表系统设计与研究［J］.电子设计工程，2011（12）：66－67.

［7］Musheng Y，Yu Z，Rong C.Study on wireless remote monitoring system based on GPRS［C］／／Wireless Communications，Networking and Mobile Computing，2008.

［8］吕晓东.基于GPRS M 络的远程抄表系统软件设计［D］.南京：南京理工大学，2014.