1電力自動抄表系統

我國社會經濟的快速增長直接促進了電力工業的迅猛發展，電力需求不斷增加，供應日趨緊張，如今的電力系統已成為一個龐大復雜的多元化系統。為了保證電網正確、安全的商業化運營，必須有一套計量精確、功能強大的電能計量計費系統。

運用最新的計算機技術，可以實現對電力系統中的各種計量設備（表計）的自動抄表。這是電力工業信息化發展的總趨勢，自動化抄表系統不僅節約了大量的人力和時間，能快捷、準確地傳遞信息，減少人工抄表誤差，提高工作效率，而且也是全面實現發、輸、配電網用戶電能量的自動采集、分析與計費功能的自動化系統，是電網推行商業化運營和管理、電力走向市場的技術保障。

典型的電能計量自動抄表系統主要由前端采集子系統、通信子系統和中心處理子系統等三部分組成，如圖1。

電能表數據采集器是前端采集子系統的主要組成部分，電能表數據的采集一般分為脈沖采集型和通過串行口直接連接于集中器的數據采集型兩種形式。脈沖采集型利用電能表本身提供的脈沖或者通過加裝光電轉換器，利用電能表表盤轉數轉換成脈沖信號，計算電量。

通信子系統是把數據傳送到控制中心的信道。為了適應不同的環境條件以及成本要求，通信子系統的構成有多種方案。按照通信介質的不同，通信子系統主要有、無線傳輸、電話線傳輸和低壓電力線載波傳輸等四種。

中心處理子系統主要由中心處理工作站以及相應的軟件構成，是整個電能計量自動抄表系統的最上層，所有用戶的用電信息通過信道匯集到這里，管理人員利用軟件對數據進行匯總和分析，作出相應的決策。如果硬件允許，還可直接向下級集中器或電能表發出指令，從而對用戶的用電行為實施控制，如停、送電遠程操作。

2嵌入式的強大功能

后PC時代，隨著嵌入式系統的廣泛應用，嵌入式操作系統也越來越受到重視。嵌入式操作系統具有結構小巧、實時性強、穩定性高等特點。目前，商用嵌入式操作系統比較多，如 Vxworks，QNX，Nucleaus，WinCE等，但價格都很昂貴，并不適合廣泛應用。嵌入式Linux為這個問題提供了良好的，其開放的源代碼、強大的技術支持、良好的可擴展性及對眾多硬件的支持都是它嵌入化的優勢。

電能表數據采集器一般都掛接1～16路電能表，實現對它們的輪流電量采集，任務繁重。現在通用的大多采用8位技術實現，存在處理速度偏低，抄表時間過長，處理任務單一，存儲空間過小等問題，已難以適應現在電力計量復雜化、實時化的趨勢。因此，將高性能的CPU處理器和多任務操作系統應用于自動抄表系統中，結合嵌入式操作系統來實現新型的數據采集器，可以大幅度地提高系統整體性能。基于嵌入式Linux的多任務機制，可以在多個進程調度下實現對電能表的同時采集，處理速度大為提高，并且基于高速的處理器，可以連接大容量的和FLAS存儲器，大大提高了系統的數據存儲空間。為電力計量計費的準確、實時操作提供了可靠的技術保證。

3無線通信方式的優越性

現在應用的遠程抄表系統很多都是利用電話網進行數據傳輸，基于“點對點”的傳輸模式。但是這種“點對點”的模式效率低，抄表中心需要逐個進行讀表操作。為了提高抄表速度，抄表主機往往使用多個和多根電話線，這又增加了成本。

無線抄表方式是指集中器的上行信道采用無線通信或集中器與移動抄表設備采用無線通信。通用分組無線業務（ packet radio ，GPRS），它是在現有的GSM網絡基礎上疊加了一個新的網絡，并且充分利用了現有移動通信網的設備，在GSM網絡上增加一些硬件設備和軟件升級，形成一個新的網絡邏輯實體。由于其基礎是使用現有的GSM網絡設備及頻率資源，是GSM話音通信的增值，成本低。該技術有永遠在線、按實際使用量收費、網絡現成、覆蓋完善、安全可靠等優點，很適合行業用戶遠程數據采集的使用。

方案設計中，在數據發送端使用GPRS無線智能傳輸模塊，數據接收端使用專線方式（與當地移動的核心交換系統直接連接GGSN）。這樣只有數據發送端走移動的空中信道資源，另外的數據接收端則走專線方式。這種應用方式下表現的結果非常穩定和可靠，時延非常小（1～ s），完全可以滿足電力行業的需要。在服務端其實是一臺服務器，通過通信軟件來完成與大量的數據發送端（可以上千個）的及時通信，可以通過配置在Linux或下的多進程（或單進程下的多線程）來保證服務端的穩定和可靠，即便在某個或幾個數據發送端失效的情況下依然保證服務端能服務于其它的數據發送端，而且完全可以同時接收數據和發送命令或控制指令給數據接受端。

4自動抄表系統的硬件實現

從總體上看，此嵌入式系統由5個軟、硬件子系統組成，它們分別是中央處理器子系統、存儲子系統、通信子系統、輸入輸出子系統和操作系統子系統。該系統硬件框圖見圖2。

4.1嵌入式微處理器

考慮到上面的各種通信協議對于計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，支持CP/IP等協議將占用大量系統資源。同時，相對于有線網絡，無線網絡的帶寬小，網絡延時較大，連接可靠性低。這些都對嵌入式系統的微處理器提出了較高的要求。因此，采用了公司的2位微處理器作為嵌入式系統的 CPU，主頻達100 Mz，適合于計算量較大的應用環境。

內部集成了微處理器和一些控制領域的常用外圍組件，特別適用于通信產品。包括器件的適應性，擴展能力和集成度等。集成了兩個處理塊，一是嵌入的核，另一個是通信處理模塊（communications processor ，CPM）。通信處理模塊支持4個串行通信控制器（serial communication ，SCC），實際上它有8個串行通道： 4個SCC，2個串行管理控制器（serial management channels，SMC），一個串行外圍（serial peripheral ，SPI）和一個I2C（inter　integrated ）接口。

4.2嵌入式操作系統

嵌入式操作系統具有結構小巧，實時性強，穩定性高的特點。嵌入式Linux除了具有以上特點之外還有源代碼開放、可制定性強、支持多種芯片等優點。在網絡通信方面：支持CP/IP及協議并提供通信協議動態掛接技術，以及操作系統內部的進程通信應用接口技術。采用穩定的.4內核，并對它進行合理的裁減和加載，作為操作平臺。

4.3通信子系統

通信子系統由西門子公司的MC5模塊構成。它實現了GSM/GPRS通信功能。GPRS低層基于IP協議，用戶可以隨時隨地接入Internet。采用GPRS作為嵌入式系統中的無線傳輸層，將從根本上解決目前移動Internet費用高而速率低的瓶頸問題。同時在鏈路層，采用PPP協議。PPP協議作為Linux操作系統的一個重要組成部分，能夠支持在串行線上的CP/IP的使用，這就使用戶可以通過串口與GPRS模塊通信，并通過GPRS網絡連入Internet中。

5系統軟件設計

嵌入式系統軟件設計部分主要包括操作系統，驅動程序，應用程序。通過編譯內核，刪除不需要的功能模塊，再重新配置，可以使操作系統顯著減小，從而縮減對資源的使用。由于系統需要CPU通過串口完成對GSM/GPRS模塊的控制以及和它的數據通信，以實現Internet的接入。所以要求Linux內核保留對串口和網絡協議CP/IP，PPP的支持。

PPP協議是在串行連接上運行IP以及網絡協議的一種機制，使用PPP可以把基于Linux的嵌入式系統連接到一臺PPP服務器上，并可訪問該服務器上連接的網絡資源。在Linux中，PPP的運行需要兩類程序：PPP驅動程序和pppd程序。使用腳本程序ppp-on可以非常方便快捷的控制，登陸到遠程主機并啟動pppd。在接入過程中，CPU通過串行口SCC1向MC5模塊發送A命令，完成GPRS網絡的初始化工程。附著到GPRS網絡之后，可以通過PPP協議接入移動網關，進而實現移動Internet平臺。

同時為了保證抄表事件的順利完成，必須采取Linux多任務執行的方式進行軟件規劃。多任務的執行基于多進程運行原理，這使得數據采集器可以在同一時間抄多個表以及完成數據的存儲、轉發工作。建立后臺監測進程，用來完成GPRS數據通道的建立、檢測與重連；建立通信進程，完成網絡通道接口的綁定、監聽、已采集數據的發送、主站通信數據的接收等工作；為每個MPC860串口建立電能表數據采集進程，負責讀取每一路電能表的能量寄存器值、分時數據等。系統軟件流程圖如圖3。

電能表采集程序采用任務驅動機制，設定1 min時間間隔找一次任務，高級別任務可以打斷低級別任務。同1 min時間段內可有若干任務，按任務級別排序進入任務隊列，依次執行。任務有兩層重試，即包重試和任務重試，重試次數可設定。

采集程序包括兩部分：初始化和主流程。初始化部分清除各種標志，從設置文件讀電能表和能量寄存器信息寫入RAM盤文件，生成能量寄存器文件（如果不存在）并寫入電能表類型。主流程如圖4所示。

6結束語

本文介紹的基于嵌入式Linux系統的電力遠程自動抄表裝置，集嵌入式計算機技術、網絡技術和通信技術為一體，采用高性能的CPU、先進的無線通信模塊，應用GPRS作為數據傳輸平臺，實現了嵌入式系統與Internet的結合。由于Linux的強大多任務處理功能，使得表計采集器可以連接更多總線和電能表路數，同時大大提高了現場抄表的效率，電力自動抄表系統整體性能有了大幅提高。可以預見，代表著計算機領域發展方向的嵌入式OS技術，將在電力系統中發揮越來越大的作用。