基于ARM的嵌入式电能计量系统设计

摘要：针对高校学生宿舍电能计量控制系统不方便学生实时查询的状况,分析了网络电能计量集采控制系统的系统结构,以ARM芯片和Linux操作系统为基础设计了嵌入式电能数据采集终端及Web服务器,采用该嵌入式电能计量系统能方便地进行电能数据网络查询和管理。

1 引言

高校学生宿舍用电控制系统采用智能电能计量集采控制系统,一般学校 已统一规划购置到位。但在使用时发现学生只是被动地被管理, 学生并不能 直观了解相关用电数据，不方便查询和提醒剩余电量，宿舍经常在不知不觉 中突然停电，如果在傍晚或者周末,电工没有上班，停电后不能及时买电, 只能在黑暗中度过了,严重影响了学生的正常生活。考虑到学生上网方便， 如果学生能够随时通过网站查询到自己房间的剩余电量，及时买电就可避免 以上情况。本文设计了一个既能接入宿舍电量采集系统又能接入校内 Intranet 信息网络的嵌入式电能计量及查询系统，在电能数据采集终端 (ERTU)采用嵌入式ARM2410 芯片和嵌入式实时操作系统Linux，在linux 的 基础上结合嵌入式Web 服务器技术，构成完整的嵌入式系统Web 服务器，将 其作为数据采集器嵌入到在现有的电能计量集采控制系统中，既可以与管理计算机之间传输数据，也可以供学生登陆实时查询用电信息。

2 电能计量系统设计

电能计量系统框图如图1 所示，在远程电能数据采集终端(ERTU)采用嵌 入式CPU 和嵌入式实时linux 构成完整的嵌入式系统,在linux 的基础上结 合嵌入式Web 服务器技术,可实现实时、动态的交互查询功能。ERTU 采用定 时或者实时启动抄表任务,通过RS-485 总线读取智能电能表内的电量信息和事件信息,支持标准的RS-485 串口数据输出。每一个ERTU 装置都可以接 多路RS-485 总线,这样就可以同时采集多路的电能表信息。利用现有的网络 硬件基础，方便地建立基于TCP/IP 网络协议的Internet/Intranet 网络系 统。Web 技术允许任意地点的用户通过浏览器接入网络，通过电能计量管理 工作站访问嵌入式Web 服务器，管理和维护电能数据采集终端的数据，包括 查询各宿舍的实时用电情况、根据输入金额确定宿舍使用电能量、启动电能 表给宿舍供电、根据需要远程断开相关宿舍的用电开关。学生通过计算机网 络访问电能数据采集终端及Web 服务器，查询自己宿舍的实时用电情况，以 便及时买电，避免出现意外断电情况。买电方式可以采用让管理人员从电能 计量管理工作站充值，也可以采用充值卡方式买电，只要在网上输入卡号和 密码就可以充值实现买电。

3 电能数据采集终端及Web 服务器设计

3.1 硬件系统

电能数据采集终端及Web 服务器硬件系统框图如图2 所示，由于嵌入式微 处理器采用精简的实时多任务内核,负责各个功能任务的管理,以满足电能 表性能不断扩展所需要增加的功能。同时嵌入式微处理器具备网络通信功能, 可以方便地扩展为远程测控中使用的基于TCP/IP 的网络化智能仪器。在嵌 入式微处理器所拥有的硬件资源基础上建构嵌入式Web 平台,允许管理员在 任意地点通过Web 浏览器访问电能数据,实现跨平台的远程控制和管理。

S3C2410X 微处理器是一款由Samsung 公司设计的基于ARM920T 核的16/32 位RISC 处理器，工作频率203MHz，内部16KB 数据Cache，16KB 指令Cache， 带MMU、外部存储器控制器，内置LCD 控制器，NAND FLASH 控制器，SD/MMC 接口支持，4 个DMA 通道，3 通道UART，1 个多主I2C 总线控制器，1 个IIS 总线控制器，4 通道PWM 定时器及一个内部定时器，117 个通用I/O 口， 24 个外部中断源，两个USB 主/一个USB 从，8 通道10 位ADC，实时时钟及看 门狗定时器等，内核工作电压1.8V，I/O 及存储器3.3V。

目前常用的SDRAM 为8 位/16 位的数据宽度，工作电压一般为3.3V。系 统中使用Winbond 公司的存储容量为64M 字节的存储芯片，工作电压为 3.3V ， 兼容LVTTL 接口， 支持自动刷新（ Auto-Refresh ） 和自刷新 （Self-Refresh），16 位数据宽度。

Flas 存储器采用INTEL 的存储容量为64M 字节的存储芯片，16 位数据 宽度。仅需单3.3V 电压即可完成在系统的编程与擦除操作，通过对其内部 的命令寄存器写入标准的命令序列，可对Flash 进行编程（烧写）、整片擦 除、按扇区擦除以及其他操作。

采用RTL8019AS 芯片作为以太网接口芯片，该芯片是NE2000 兼容的网 卡芯片，Linux 内核中的TCP/IP 协议支持NE2000 兼容的网卡芯片。通过以 太网接口与计算机网络连接,实现数据的远程传输。 现在的电能表，正在由传统的机械式电能表向全电子式电能表转换，电 能数据采集终端的设计要考虑接纳各种电能表，但高校学生宿舍电能计量系 统可以一次性地更新为电子式电能表，所以只设计嵌入式CPU 通过现场总线接口与现代电子式表计接口,读取多个电能表计量数据。

3.2 软件设计

在电能计量应用软件方面,充分利用嵌入式linux 体积小、固化容易、 现场实时反应能力强、软件层次模块化、可移植性好的优点。将电能计量软 件划分为抄表管理、数据库管理、参数设置、系统设置、通讯模块等子任务 软件模块,由嵌入式linux 负责任务调度和管理。同时应用嵌入式Web 服务 器技术,运行小型精简的服务器程序使得远程用户随时可以通过浏览器获取 Web 服务器的信息,进而实现远程实时控制、维护。

由于Web 用户界面是标准化的,节约了不同操作系统平台定制人机界面的开发、培训和维护费用,在降低成本的同时,提高了效率。系统软件组成如图3 所示。HTTP 引擎响应用户的请求、通过虚拟文件系统访问静态数据信息、通 过应用程序接口得到动态数据信息。

虚拟文件系统为嵌入式Web 服务器提供 虚拟文件服务。通过虚拟文件系统将Java,GIF,PDF,HTML 以及文本等文件编 译为Web 服务器认可的代码。配置模块使系统管理员能够从任何一台标准的 Web 浏览器上设置嵌入式Web 服务器的参数。配置模块对标准浏览器是开放 的，这就使得安全问题非常重要，尤其是对网络设备的配置和控制信息的访 问成为安全保护的重点。安全模块通过在服务器上定义安全域和对每个安全 域定义的用户名/密码等敏感信息的保护。还可以对请求数据采取加密措施 实现安全保护功能。应用程序接口模块实现和嵌入式电能计量应用系统的数 据交换，电能计量应用系统与嵌入式操作系统通信，实现对嵌入系统的配置、 监视和控制。

4 结论

嵌入式的电能计量系统是当前电能数据远程抄送、统计、查询、买电等现 代数字网络式电能计量管理系统的主要应用方向，基于ARM 的嵌入式电能计 量系统在高校宿舍应用中，具有电能管理的所有功能，并且能够让学生实时 查询宿舍用电情况，还可通过修改软件扩充系统功能。

论文创新点：设计电能数据采集终端并设置Web 服务器，可以通过浏览器 实时查询用电数据。