数据网关在电能计量管理系统中的设计

朱山川

(安徽省滁州职业技术学院 电气工程学院，安徽 滁州 239000)

随着经济发展，我国电力的发展也越来越迅速，提高电能计量的准确性不仅提高了电能的使用效率、企业的生产利益、保障了消费者的权益，还提高了企业生产的安全性[1]。本项目对现代信息化和网络化程度都较高的电能计量管理系统中所必须配备的数据网关进行了设计和研究，该网关可靠性、安全性、实时性均可满足电量计量管理系统的工作要求。

1 硬件设计

1.1 数据网关功能分析

本项目所涉及到的电能管理系统结构(见图1)，数据网关在系统中可通过485串口实现和电表的通讯，通过以太网接口实现和服务器的通讯，通过本地接口完成相关参数设置的功能。该数据网关通过在通讯接口中使用接地屏蔽层，通讯中采用MD5校验等方法提高系统的可靠性；通过在通讯过程中使用AES算法保障系统的安全性；依靠命令查询模式，通过中断来进行响应保证系统的实时性；硬件设计时利用ARM芯片CPU的低功耗特性来降低网关的功耗。

图1 电能管理系统结构示意图

图2 数据网关结构框图

1.2 数据网关硬件系统结构框图设计

本项目设计的网关系统采用嵌入式系统进行开发，硬件系统的结构框图设计(见图2)。该网关系统采用philips出品的LPC2292型号ARM芯片作为CPU，并设计相关配套外围电路来实现数据网关的各项功能。LPC2292是一款基于16/32位ARM7TDMI-S、具有支持实时仿真和跟踪的CPU并带有256 kB嵌入的高速flash存储器[2]。该芯片具有运行速度快、功耗低、内置串行通信接口能特点，符合数据网关的工作要求。

1.3 通信结构模块设计

本网关系统需要使用RS232、RS485串口和以太网通信接口进行通信。其中，RS232通信接口使用光耦6N137芯片和MAX232芯片配合设计；RS485通信接口使用3个光耦6N137芯片和1个485收发器设计；以太网通信采用IEEE802.3标准，由于CPU芯片没有内置以太网通信模块，因此在设计时选用CS8900A芯片来实现以太网通信模块的设计。CS8900A支持8位、16位的微处理器，传输速率为10 Mbps[3]。以以太网通信接口为例，其芯片外围电路设计(见图3)。

图3 网卡外围电路图

1.4 外围存储器模块设计

本系统为保证数据存储的容量，采用外扩存储器的方式进行数据存储，具体分为两种：flash型存储器和ram型存储器。其中flash存储器采用samsung出品的32 MB容量K9F5608芯片，该芯片，具有8位I/O0～I/O7数据输入输出接口，方便和单片机数据口进行连接[4]；ram存储器采用lyontek出品的128 kB容量LY61L1024芯片。

1.5 电源模块设计

在本系统中，需要使用5V、3.3V 1.8V三种直流电压。，在设计时通过交直流转换电路实现三种电压值的电源隔离，该模块其中一部分提供5 V电压，另一部分实现将5V电压转换为3.3V和1.8V电压，电路设计图(见图4)。

图4 电源模块电路设计图

1.6 看门狗及复位模块

为提高系统工作可靠性，本系统设计有看门狗及复位模块，具体采用CAT823芯片来实现，电路设计图(见图5)。

1.7 系统时钟电路模块

本系统时钟电路模块采用实时时钟芯片是X1226，X1226具有时钟和日历的功能，日历可正确通过2099年，具有自动闰年修正[5]。其中X1、X2引脚接晶振。正常工作时系统时钟电路由系统电源供电；当掉电时由电池供电，保证系统时钟电路正常运行。

图5 看门狗及复位模块电路设计图

2 软件设计

由于数据网关的核心工作是接收数字式电表发来的电能数据并对其进行处理，同时上传至数据中心，实现电能管理的数字化和信息化。[6]因此结合功能要求，对数据网关软件系统设计流程图(见图6)。在具体软件功能实现方面，将软件系统功能分为串口模块、存储器模块、数据处理模块、看门狗模块、实时时钟模块等功能模块。

图6 网关软件设计总体框图

2.1 串口模块软件设计

串口模块分为UART0和UART1两部分，其中UART0部分主要完成和数字电表的通信，UART1部分主要完成和设置器的通信，完成网关编号、IP地址等参数的设置。以UART0为例，其采用DL/T645—1997多功能电能表通信规约，采用中断方式接收电表数据[7]。程序主要分为2个部分：第1部分使用的是查询命令发送函数，主要通过网关给相应的电表发送查询命令，完成校验和接收到的数据比较工作。网关发送查询命令的软件流程设计图(见图7)。

图7 网关发送查询命令软件设计流程图

第2部分是中断接收函数，主要完成对接收数据的校验工作。判断接收数据是否正确，如正确，则将数据存储到对应的位置，同时查询电表号加1，启动对下一个电表的查询；如错误，网关重新发送查询命令，累计错误达两次时，查询电表号加1，开始查询下一个电表，直至电表号加1后大于该网关所带的电表数为止。

2.2 数据处理模块软件设计

图8为数据处理模块软件设计流程。数据处理模块完成的主要工作是根据数据网关与电表的通讯协议，解包从电表接收的数据，并存储到指定的缓冲区中。其数据使用XML数据格式，并采用MD5算法进行校验，采用AES对数据进行加密后上传。

图8 数据处理模块软件设计流程图

2.3 存储器模块软件设计

存储器模块软件设计主要针对外扩存储器模块，其中外扩ram存储器主要完成缓存功能，只需要对存储空间控制做出合理分配即可，外扩flash存储器软件设计主要包括对数据的读、写和擦除3个部分。

2.4 TCP/IP协议的剪裁和实现

结合本项目硬件设计中使用嵌入式系统进行开发的特点，对TCP/IP协议进行了剪裁和实现，只保留与系统功能有关的协议，并对部分协议进行简化。例如ARP协议只保留支持以太网的功能，其他功能全部剪裁掉等[8-9]。简化后的协议仍符合标准规定，具体实现内容包括以太网协议、ARP协议、IP协议、ICMP协议的实现等。以ICMP协议为例，与完整的ICMP协议可以完成检查目的地址、数据控制、检查路由等各种功能不同，本系统中只保留ICMP协议中测试网络是否联通的功能，具体协议实现流程图(见图9)。

图9 ICMP协议实现流程图

3 结 语

本项目所设计的智能数据网关系统对数据的采集及时可靠，既可以完成命令查询数据工作，又可以完成主动定时查询数据工作，采集周期可在10～60 min之间任意配置，由于设计了外置存储器，可以实现数据在网络部分传输故障时的数据保存。经运行测试，该网管系统通信方便可靠，作为电量计量管理系统的重要组成部分，可以配合管理系统完成对电表信息和各项数据的传输、存储和处理，具有较好的实用价值。