基于ARM的嵌入式電能計量系統設計
摘要： 針對高校學生宿舍電能計量控制系統不方便學生實時查詢的狀況,分析了網絡電能計量集采控制系統的系統結構,以ARM芯片和Linux操作系統為基礎設計了嵌入式電能數據采集終端及Web服務器,采用該嵌入式電能計量系統能方便地進行電能數據網絡查詢和管理。
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摘要：針對高校學生宿舍電能計量控制系統不方便學生實時查詢的狀況,分析了網絡電能計量集采控制系統的系統結構,以ARM芯片和Linux操作系統為基礎設計了嵌入式電能數據采集終端及Web服務器,采用該嵌入式電能計量系統能方便地進行電能數據網絡查詢和管理。
1 引言
高校學生宿舍用電控制系統采用智能電能計量集采控制系統,一般學校 已統一規劃購置到位。但在使用時發現學生只是被動地被管理, 學生并不能 直觀了解相關用電數據，不方便查詢和提醒剩余電量，宿舍經常在不知不覺 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。考慮到學生上網方便， 如果學生能夠隨時通過網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。本文設計了一個既能接入宿舍電量采集系統又能接入校內 Intranet 信息網絡的嵌入式電能計量及查詢系統，在電能數據采集終端 (ERTU)采用嵌入式ARM2410 芯片和嵌入式實時操作系統Linux，在linux 的 基礎上結合嵌入式Web 服務器技術，構成完整的嵌入式系統Web 服務器，將 其作為數據采集器嵌入到在現有的電能計量集采控制系統中，既可以與管理計算機之間傳輸數據，也可以供學生登陸實時查詢用電信息。
2 電能計量系統設計
電能計量系統框圖如圖1 所示，在遠程電能數據采集終端(ERTU)采用嵌 入式CPU 和嵌入式實時linux 構成完整的嵌入式系統,在linux 的基礎上結 合嵌入式Web 服務器技術,可實現實時、動態的交互查詢功能。ERTU 采用定 時或者實時啟動抄表任務,通過RS-485 總線讀取智能電能表內的電量信息和事件信息,支持標準的RS-485 串口數據輸出。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。利用現有的網絡 硬件基礎，方便地建立基于TCP/IP 網絡協議的Internet/Intranet 網絡系 統。Web 技術允許任意地點的用戶通過瀏覽器接入網絡，通過電能計量管理 工作站訪問嵌入式Web 服務器，管理和維護電能數據采集終端的數據，包括 查詢各宿舍的實時用電情況、根據輸入金額確定宿舍使用電能量、啟動電能 表給宿舍供電、根據需要遠程斷開相關宿舍的用電開關。學生通過計算機網 絡訪問電能數據采集終端及Web 服務器，查詢自己宿舍的實時用電情況，以 便及時買電，避免出現意外斷電情況。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，只要在網上輸入卡號和 密碼就可以充值實現買電。
3 電能數據采集終端及Web 服務器設計
3.1 硬件系統
電能數據采集終端及Web 服務器硬件系統框圖如圖2 所示，由于嵌入式微 處理器采用精簡的實時多任務內核,負責各個功能任務的管理,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絡通信功能, 可以方便地擴展為遠程測控中使用的基于TCP/IP 的網絡化智能儀器。在嵌 入式微處理器所擁有的硬件資源基礎上建構嵌入式Web 平臺,允許管理員在 任意地點通過Web 瀏覽器訪問電能數據,實現跨平臺的遠程控制和管理。
S3C2410X 微處理器是一款由Samsung 公司設計的基于ARM920T 核的16/32 位RISC 處理器，工作頻率203MHz，內部16KB 數據Cache，16KB 指令Cache， 帶MMU、外部存儲器控制器，內置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 位的數據寬度，工作電壓一般為3.3V。系 統中使用Winbond 公司的存儲容量為64M 字節的存儲芯片，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 位數據寬度。
Flas 存儲器采用INTEL 的存儲容量為64M 字節的存儲芯片，16 位數據 寬度。僅需單3.3V 電壓即可完成在系統的編程與擦除操作，通過對其內部 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、按扇區擦除以及其他操作。
采用RTL8019AS 芯片作為以太網接口芯片，該芯片是NE2000 兼容的網 卡芯片，Linux 內核中的TCP/IP 協議支持NE2000 兼容的網卡芯片。通過以 太網接口與計算機網絡連接,實現數據的遠程傳輸。 現在的電能表，正在由傳統的機械式電能表向全電子式電能表轉換，電 能數據采集終端的設計要考慮接納各種電能表，但高校學生宿舍電能計量系 統可以一次性地更新為電子式電能表，所以只設計嵌入式CPU 通過現場總線接口與現代電子式表計接口,讀取多個電能表計量數據。
3.2 軟件設計
在電能計量應用軟件方面,充分利用嵌入式linux 體積小、固化容易、 現場實時反應能力強、軟件層次模塊化、可移植性好的優點。將電能計量軟 件劃分為抄表管理、數據庫管理、參數設置、系統設置、通訊模塊等子任務 軟件模塊,由嵌入式linux 負責任務調度和管理。同時應用嵌入式Web 服務 器技術,運行小型精簡的服務器程序使得遠程用戶隨時可以通過瀏覽器獲取 Web 服務器的信息,進而實現遠程實時控制、維護。
由于Web 用戶界面是標準化的,節約了不同操作系統平臺定制人機界面的開發、培訓和維護費用,在降低成本的同時,提高了效率。系統軟件組成如圖3 所示。HTTP 引擎響應用戶的請求、通過虛擬文件系統訪問靜態數據信息、通 過應用程序接口得到動態數據信息。
虛擬文件系統為嵌入式Web 服務器提供 虛擬文件服務。通過虛擬文件系統將Java,GIF,PDF,HTML 以及文本等文件編 譯為Web 服務器認可的代碼。配置模塊使系統管理員能夠從任何一臺標準的 Web 瀏覽器上設置嵌入式Web 服務器的參數。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，尤其是對網絡設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。還可以對請求數據采取加密措施 實現安全保護功能。應用程序接口模塊實現和嵌入式電能計量應用系統的數 據交換，電能計量應用系統與嵌入式操作系統通信，實現對嵌入系統的配置、 監視和控制。
4 結論
嵌入式的電能計量系統是當前電能數據遠程抄送、統計、查詢、買電等現 代數字網絡式電能計量管理系統的主要應用方向，基于ARM 的嵌入式電能計 量系統在高校宿舍應用中，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功能。
論文創新點：設計電能數據采集終端并設置Web 服務器，可以通過瀏覽器 實時查詢用電數據。
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