魏旭來(lái)，王紅蕾

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽(yáng)550025）

引 言

隨著全球能源問(wèn)題與環(huán)境問(wèn)題凸顯，電能作為清潔高效的二次能源在經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展中扮演著越來(lái)越重要的角色。我國(guó)對(duì)電能的需求逐年上升，但是在現(xiàn)有的技術(shù)條件中一直存在著電能浪費(fèi)嚴(yán)重、利用率不高的現(xiàn)象［1］。因此，如何改變?nèi)藗兇肢E型的用電方式、提高電能的利用率，將會(huì)是電網(wǎng)發(fā)展主流方向。以節(jié)約的方式緩解能源與環(huán)境問(wèn)題也將會(huì)是我國(guó)的長(zhǎng)期發(fā)展政策［4］。

本文設(shè)計(jì)的智能小區(qū)用電通信網(wǎng)絡(luò)涉及智能用電的相關(guān)領(lǐng)域，用電信息的采集是其中的一個(gè)分支［2］。通過(guò)設(shè)計(jì)由CAN網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)互連而成的智能小區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)小區(qū)用戶和電力管理部門的信息暢通和實(shí)時(shí)交互，為智能用電的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：第一，研究智能小區(qū)底層現(xiàn)場(chǎng)總線和上層以太網(wǎng)的互聯(lián)；第二，設(shè)計(jì)一款高性能的小區(qū)集中器，硬件上以32位ARM處理器為核心，軟件上以嵌入式操作系統(tǒng)為核心；第三，研究CAN總線在用電信息網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用，以解決國(guó)內(nèi)普遍采用的相對(duì)簡(jiǎn)易卻并不適合大規(guī)模組網(wǎng)的RS－485總線存在的問(wèn)題［3］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)從總體上分為三個(gè)部分：第一部分為以智能電表為核心的用戶節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)用戶用電情況的計(jì)量、存儲(chǔ)、按時(shí)上傳以及其他一些功能；第二部分為小區(qū)集中器，負(fù)責(zé)收集小區(qū)各個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)上傳的用戶用電信息，并對(duì)采集的信息進(jìn)行有序的存儲(chǔ)管理；第三部分為用電管理部門的上位機(jī)服務(wù)器系統(tǒng)，通過(guò)以太網(wǎng)與各個(gè)小區(qū)集中器相連，并能夠通過(guò)客戶端訪問(wèn)各小區(qū)集中器整理好的用戶節(jié)點(diǎn)的用電信息，實(shí)現(xiàn)用電管理部門對(duì)小區(qū)用戶的信息化管理。其中，底層的通信網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線搭建，上層的通信網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)搭建，最終實(shí)現(xiàn)CAN總線與以太網(wǎng)的異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)的信息暢通。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)主要由小區(qū)集中器和用戶節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，小區(qū)集中器通過(guò)CAN總線采集用戶節(jié)點(diǎn)的用電信息，并將用電信息有序地存儲(chǔ)管理。管理部門上位機(jī)可以通過(guò)以太網(wǎng)訪問(wèn)查看，小區(qū)用戶也可以通過(guò)集中器的人機(jī)交互界面訪問(wèn)查看集中器中的用電信息。用戶節(jié)點(diǎn)用于模擬智能小區(qū)用戶家中的智能電表，它主要負(fù)責(zé)記錄用戶的用電信息并將用電信息通過(guò)CAN總線上傳。實(shí)驗(yàn)中用戶節(jié)點(diǎn)的電能測(cè)量模塊用電位器代替，其計(jì)量的用電信息用電位器的電壓值來(lái)模擬。電位器的電壓值和實(shí)際用電信息本質(zhì)上都屬于模擬量，在實(shí)驗(yàn)中可以等價(jià)處理，不影響研究結(jié)果。小區(qū)集中器和用戶節(jié)點(diǎn)的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 集中器和用戶節(jié)點(diǎn)的總體硬件架構(gòu)

小區(qū)集中器處理核心選型S3C2440A作為主控芯片；存儲(chǔ)模塊主要分為外部存儲(chǔ)器和內(nèi)部存儲(chǔ)器，外部存儲(chǔ)器芯片選用K9F1208作為Nand Flash存儲(chǔ)芯片，內(nèi)部存儲(chǔ)器選用H57V2562GTR作為同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器；以太網(wǎng)接口模塊選用CS8900A芯片作為以太網(wǎng)控制器；CAN總線接口模塊由CAN總線控制器和CAN總線收發(fā)器構(gòu)成，CAN總線控制器選用MCP2510，CAN總線收發(fā)器選用TJA1050。用戶節(jié)點(diǎn)的硬件核心選用STM32F10X處理器；人機(jī)交互模塊的硬件核心選用ILI9325DTFT液晶顯示驅(qū)動(dòng)芯片；CAN總線收發(fā)器選用SN65HVD230，其供電電壓為3.3V，可以直接與集成在主控芯片上的CAN總線控制器相連。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 小區(qū)集中器軟件設(shè)計(jì)

小區(qū)集中器的軟件架構(gòu)以Linux操作系統(tǒng)為軟件核心，在內(nèi)核層上設(shè)計(jì)Linux的CAN總線驅(qū)動(dòng)程序、移植以太網(wǎng)控制芯片驅(qū)動(dòng)用以向應(yīng)用程序提供操作硬件設(shè)備的接口；在應(yīng)用層上移植嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)計(jì)CAN總線數(shù)據(jù)采集管理程序用以有序地采集和管理用戶的用電信息；移植Boa服務(wù)器、設(shè)計(jì)CGI網(wǎng)關(guān)程序提供以太網(wǎng)的 Web服務(wù)，使上位機(jī)可以通過(guò)Web瀏覽器訪問(wèn)小區(qū)集中器。其主要的軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 小區(qū)集中器主要軟件架構(gòu)

小區(qū)集中器正常工作時(shí)，運(yùn)行在操作系統(tǒng)中的應(yīng)用程序會(huì)監(jiān)聽CAN總線上的數(shù)據(jù)，一旦總線上有用戶節(jié)點(diǎn)發(fā)送的CAN總線數(shù)據(jù)幀，該程序會(huì)將該數(shù)據(jù)幀采集到集中器中并保存在系統(tǒng)中的臨時(shí)文件里。數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序會(huì)和采集程序協(xié)同起來(lái)，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)將臨時(shí)文件中用戶最新信息放入SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)中。時(shí)間間隔可調(diào)整，其主要工作流程如圖4所示。

圖4 小區(qū)集中器工作流程

程序首先初始化一段數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用來(lái)存儲(chǔ)從CAN總線設(shè)備上讀取的數(shù)據(jù)；然后，打開CAN總線設(shè)備文件得到其描述符并調(diào)用read函數(shù)讀取該設(shè)備。當(dāng)總線上沒(méi)有子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀時(shí)，程序阻塞并進(jìn)入等待隊(duì)列。反之，將得到的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)并進(jìn)行處理，得到CAN總線數(shù)據(jù)幀的ID號(hào)和用電信息；之后，根據(jù)ID號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)送用戶，將最新的數(shù)據(jù)信息更新到相應(yīng)的存儲(chǔ)文本（如用戶1對(duì)應(yīng)useradvice1.txt文本文件）；最后通過(guò)系統(tǒng)時(shí)間判斷時(shí)間間隔，如果大于或等于預(yù)定時(shí)間間隔則將最新信息插入數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)用戶的表單中。

3.2 用戶節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

用戶節(jié)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電位器數(shù)據(jù)采集模塊能夠產(chǎn)生一個(gè)用于模擬用戶用電信息的模擬量，經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換模塊采集到處理器SRAM中；人機(jī)交互模塊將采集到SRAM中的電壓值在液晶屏上顯示出來(lái)；按鍵控制模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用戶節(jié)點(diǎn)用電信息發(fā)送啟動(dòng)和發(fā)送關(guān)斷進(jìn)行控制；在發(fā)送啟動(dòng)時(shí)CAN總線接口模塊將存儲(chǔ)在SRAM中的最新電壓值通過(guò)CAN總線接口向CAN總線上發(fā)送，對(duì)應(yīng)的用戶會(huì)包裹上相應(yīng)的幀ID號(hào)。其軟件設(shè)計(jì)包含用電信息A／D轉(zhuǎn)換程序、液晶顯示程序、按鍵控制程序和CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)程序等。其主要工作流程如圖5所示。

圖5 用戶節(jié)點(diǎn)主要工作流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，用戶節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為5ms，兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)同時(shí)工作，通過(guò)其液晶顯示模塊觀察到他們分別發(fā)送的不同的電壓值。

圖6所示為通過(guò)串口觀察到小區(qū)集中器多兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的信息采集情況，小區(qū)集中器會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)的ID號(hào)對(duì)其進(jìn)行分類存儲(chǔ)。整個(gè)系統(tǒng)工作情況良好。

圖6 CAN總線數(shù)據(jù)采集過(guò)程

上位機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)和小區(qū)集中器相連接，在上位機(jī)Web瀏覽器地址欄中輸入小區(qū)集中器的IP地址，可以登陸小區(qū)集中器對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)。圖7所示為上位機(jī)對(duì)底層用戶節(jié)點(diǎn)用電信息進(jìn)行監(jiān)視。

結(jié) 語(yǔ)

今后進(jìn)一步的工作中，子節(jié)點(diǎn)可以增加網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況計(jì)算出最佳的發(fā)送速率，有效預(yù)防網(wǎng)絡(luò)上可能存在的數(shù)據(jù)擁堵狀況；小區(qū)集中器可以增加實(shí)時(shí)電價(jià)計(jì)量環(huán)節(jié)，根據(jù)從管理部門下載的實(shí)時(shí)電價(jià)方案和用戶用電信息的時(shí)間戳，計(jì)算出用戶按照該方案的日用電消費(fèi)情況，初步實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)用戶合理用電；在小區(qū)集中器的Boa服務(wù)器和CGI腳本的設(shè)計(jì)中，可以增加權(quán)限管理環(huán)節(jié)，對(duì)訪問(wèn)者的IP地址進(jìn)行權(quán)限審查并匹配登陸的用戶名和密碼，初步解決系統(tǒng)的安全防范問(wèn)題。

圖7 上位機(jī)采集界面

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