基于ARM的嵌入式電能計量系統(tǒng)設(shè)計
摘要:針對高校學生宿舍電能計量控制系統(tǒng)不方便學生實時查詢的狀況,分析了網(wǎng)絡(luò)電能計量集采控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),以ARM芯片和Linux操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計了嵌入式電能數(shù)據(jù)采集終端及Web服務(wù)器,采用該嵌入式電能計量系統(tǒng)能方便地進行電能數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)查詢和管理。
1 引言
高校學生宿舍用電控制系統(tǒng)采用智能電能計量集采控制系統(tǒng),一般學校 已統(tǒng)一規(guī)劃購置到位。但在使用時發(fā)現(xiàn)學生只是被動地被管理, 學生并不能 直觀了解相關(guān)用電數(shù)據(jù),不方便查詢和提醒剩余電量,宿舍經(jīng)常在不知不覺 中突然停電,如果在傍晚或者周末,電工沒有上班,停電后不能及時買電, 只能在黑暗中度過了,嚴重影響了學生的正常生活。考慮到學生上網(wǎng)方便, 如果學生能夠隨時通過網(wǎng)站查詢到自己房間的剩余電量,及時買電就可避免 以上情況。本文設(shè)計了一個既能接入宿舍電量采集系統(tǒng)又能接入校內(nèi) Intranet 信息網(wǎng)絡(luò)的嵌入式電能計量及查詢系統(tǒng),在電能數(shù)據(jù)采集終端 (ERTU)采用嵌入式ARM2410 芯片和嵌入式實時操作系統(tǒng)Linux,在linux 的 基礎(chǔ)上結(jié)合嵌入式Web 服務(wù)器技術(shù),構(gòu)成完整的嵌入式系統(tǒng)Web 服務(wù)器,將 其作為數(shù)據(jù)采集器嵌入到在現(xiàn)有的電能計量集采控制系統(tǒng)中,既可以與管理計算機之間傳輸數(shù)據(jù),也可以供學生登陸實時查詢用電信息。
2 電能計量系統(tǒng)設(shè)計
電能計量系統(tǒng)框圖如圖1 所示,在遠程電能數(shù)據(jù)采集終端(ERTU)采用嵌 入式CPU 和嵌入式實時linux 構(gòu)成完整的嵌入式系統(tǒng),在linux 的基礎(chǔ)上結(jié) 合嵌入式Web 服務(wù)器技術(shù),可實現(xiàn)實時、動態(tài)的交互查詢功能。ERTU 采用定 時或者實時啟動抄表任務(wù),通過RS-485 總線讀取智能電能表內(nèi)的電量信息和事件信息,支持標準的RS-485 串口數(shù)據(jù)輸出。每一個ERTU 裝置都可以接 多路RS-485 總線,這樣就可以同時采集多路的電能表信息。利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò) 硬件基礎(chǔ),方便地建立基于TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的Internet/Intranet 網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)。Web 技術(shù)允許任意地點的用戶通過瀏覽器接入網(wǎng)絡(luò),通過電能計量管理 工作站訪問嵌入式Web 服務(wù)器,管理和維護電能數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù),包括 查詢各宿舍的實時用電情況、根據(jù)輸入金額確定宿舍使用電能量、啟動電能 表給宿舍供電、根據(jù)需要遠程斷開相關(guān)宿舍的用電開關(guān)。學生通過計算機網(wǎng) 絡(luò)訪問電能數(shù)據(jù)采集終端及Web 服務(wù)器,查詢自己宿舍的實時用電情況,以 便及時買電,避免出現(xiàn)意外斷電情況。買電方式可以采用讓管理人員從電能 計量管理工作站充值,也可以采用充值卡方式買電,只要在網(wǎng)上輸入卡號和 密碼就可以充值實現(xiàn)買電。
3 電能數(shù)據(jù)采集終端及Web 服務(wù)器設(shè)計
3.1 硬件系統(tǒng)
電能數(shù)據(jù)采集終端及Web 服務(wù)器硬件系統(tǒng)框圖如圖2 所示,由于嵌入式微 處理器采用精簡的實時多任務(wù)內(nèi)核,負責各個功能任務(wù)的管理,以滿足電能 表性能不斷擴展所需要增加的功能。同時嵌入式微處理器具備網(wǎng)絡(luò)通信功能, 可以方便地擴展為遠程測控中使用的基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能儀器。在嵌 入式微處理器所擁有的硬件資源基礎(chǔ)上建構(gòu)嵌入式Web 平臺,允許管理員在 任意地點通過Web 瀏覽器訪問電能數(shù)據(jù),實現(xiàn)跨平臺的遠程控制和管理。
S3C2410X 微處理器是一款由Samsung 公司設(shè)計的基于ARM920T 核的16/32 位RISC 處理器,工作頻率203MHz,內(nèi)部16KB 數(shù)據(jù)Cache,16KB 指令Cache, 帶MMU、外部存儲器控制器,內(nèi)置LCD 控制器,NAND FLASH 控制器,SD/MMC 接口支持,4 個DMA 通道,3 通道UART,1 個多主I2C 總線控制器,1 個IIS 總線控制器,4 通道PWM 定時器及一個內(nèi)部定時器,117 個通用I/O 口, 24 個外部中斷源,兩個USB 主/一個USB 從,8 通道10 位ADC,實時時鐘及看 門狗定時器等,內(nèi)核工作電壓1.8V,I/O 及存儲器3.3V。
目前常用的SDRAM 為8 位/16 位的數(shù)據(jù)寬度,工作電壓一般為3.3V。系 統(tǒng)中使用Winbond 公司的存儲容量為64M 字節(jié)的存儲芯片,工作電壓為 3.3V , 兼容LVTTL 接口, 支持自動刷新( Auto-Refresh ) 和自刷新 (Self-Refresh),16 位數(shù)據(jù)寬度。
Flas 存儲器采用INTEL 的存儲容量為64M 字節(jié)的存儲芯片,16 位數(shù)據(jù) 寬度。僅需單3.3V 電壓即可完成在系統(tǒng)的編程與擦除操作,通過對其內(nèi)部 的命令寄存器寫入標準的命令序列,可對Flash 進行編程(燒寫)、整片擦 除、按扇區(qū)擦除以及其他操作。
采用RTL8019AS 芯片作為以太網(wǎng)接口芯片,該芯片是NE2000 兼容的網(wǎng) 卡芯片,Linux 內(nèi)核中的TCP/IP 協(xié)議支持NE2000 兼容的網(wǎng)卡芯片。通過以 太網(wǎng)接口與計算機網(wǎng)絡(luò)連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。 現(xiàn)在的電能表,正在由傳統(tǒng)的機械式電能表向全電子式電能表轉(zhuǎn)換,電 能數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計要考慮接納各種電能表,但高校學生宿舍電能計量系 統(tǒng)可以一次性地更新為電子式電能表,所以只設(shè)計嵌入式CPU 通過現(xiàn)場總線接口與現(xiàn)代電子式表計接口,讀取多個電能表計量數(shù)據(jù)。
3.2 軟件設(shè)計
在電能計量應(yīng)用軟件方面,充分利用嵌入式linux 體積小、固化容易、 現(xiàn)場實時反應(yīng)能力強、軟件層次模塊化、可移植性好的優(yōu)點。將電能計量軟 件劃分為抄表管理、數(shù)據(jù)庫管理、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置、通訊模塊等子任務(wù) 軟件模塊,由嵌入式linux 負責任務(wù)調(diào)度和管理。同時應(yīng)用嵌入式Web 服務(wù) 器技術(shù),運行小型精簡的服務(wù)器程序使得遠程用戶隨時可以通過瀏覽器獲取 Web 服務(wù)器的信息,進而實現(xiàn)遠程實時控制、維護。
由于Web 用戶界面是標準化的,節(jié)約了不同操作系統(tǒng)平臺定制人機界面的開發(fā)、培訓和維護費用,在降低成本的同時,提高了效率。系統(tǒng)軟件組成如圖3 所示。HTTP 引擎響應(yīng)用戶的請求、通過虛擬文件系統(tǒng)訪問靜態(tài)數(shù)據(jù)信息、通 過應(yīng)用程序接口得到動態(tài)數(shù)據(jù)信息。
虛擬文件系統(tǒng)為嵌入式Web 服務(wù)器提供 虛擬文件服務(wù)。通過虛擬文件系統(tǒng)將Java,GIF,PDF,HTML 以及文本等文件編 譯為Web 服務(wù)器認可的代碼。配置模塊使系統(tǒng)管理員能夠從任何一臺標準的 Web 瀏覽器上設(shè)置嵌入式Web 服務(wù)器的參數(shù)。配置模塊對標準瀏覽器是開放 的,這就使得安全問題非常重要,尤其是對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置和控制信息的訪 問成為安全保護的重點。安全模塊通過在服務(wù)器上定義安全域和對每個安全 域定義的用戶名/密碼等敏感信息的保護。還可以對請求數(shù)據(jù)采取加密措施 實現(xiàn)安全保護功能。應(yīng)用程序接口模塊實現(xiàn)和嵌入式電能計量應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù) 據(jù)交換,電能計量應(yīng)用系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)通信,實現(xiàn)對嵌入系統(tǒng)的配置、 監(jiān)視和控制。
4 結(jié)論
嵌入式的電能計量系統(tǒng)是當前電能數(shù)據(jù)遠程抄送、統(tǒng)計、查詢、買電等現(xiàn) 代數(shù)字網(wǎng)絡(luò)式電能計量管理系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向,基于ARM 的嵌入式電能計 量系統(tǒng)在高校宿舍應(yīng)用中,具有電能管理的所有功能,并且能夠讓學生實時 查詢宿舍用電情況,還可通過修改軟件擴充系統(tǒng)功能。
論文創(chuàng)新點:設(shè)計電能數(shù)據(jù)采集終端并設(shè)置Web 服務(wù)器,可以通過瀏覽器 實時查詢用電數(shù)據(jù)。