基于智能家庭網(wǎng)關(guān)的電表監(jiān)測系統(tǒng)

1、. 基于智能家庭網(wǎng)關(guān)的電表監(jiān)測系統(tǒng)【大比特導(dǎo)讀】該家庭網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)采用當(dāng)今比擬流行的linu* 系統(tǒng),圖形界面可以自行編譯安裝。linu* 系統(tǒng)的核可裁剪,設(shè)備驅(qū)動完備,應(yīng)用程序可移植性好,開發(fā)本錢低,周期短。該家庭網(wǎng)關(guān)技術(shù)成熟穩(wěn)定,本錢低,其市場前景廣闊.基于智能家庭網(wǎng)關(guān)的電表監(jiān)測系統(tǒng),可同時采集多路脈沖量和模擬量,集數(shù)據(jù)采集與無線通訊為一體。該系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)采用嵌入式芯片,利用藍(lán)牙技術(shù)的無線傳輸,先將計(jì)費(fèi)電表的信號傳輸?shù)街悄芗彝ゾW(wǎng)關(guān)中,再通過Internet 網(wǎng)絡(luò),可直接傳輸?shù)轿飿I(yè)公司或電業(yè)管理的調(diào)度部門的計(jì)算機(jī)中。該家庭網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)采用當(dāng)今比擬流行的linu* 系統(tǒng),圖形界面可以自行

2、編譯安裝。linu* 系統(tǒng)的核可裁剪,設(shè)備驅(qū)動完備,應(yīng)用程序可移植性好,開發(fā)本錢低,周期短。該家庭網(wǎng)關(guān)技術(shù)成熟穩(wěn)定,本錢低,其市場前景廣闊。引言傳統(tǒng)的電表抄表都是人工操作,費(fèi)時費(fèi)力,增加了統(tǒng)計(jì)計(jì)量的工作量。如果能夠利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將抄表功能集成于家庭網(wǎng)關(guān)中,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能抄表。電表監(jiān)測系統(tǒng)功能主要由數(shù)據(jù)采集、用戶查詢、時段分析、故障監(jiān)控等幾個局部組成。數(shù)據(jù)采集主要進(jìn)展單表數(shù)據(jù)抄表,并對數(shù)據(jù)進(jìn)展加工處理。用戶查詢主要進(jìn)展日用量日、月、年查詢,月用量月、年查詢,年用量年查詢,凍結(jié)數(shù)據(jù)查詢分析。故障監(jiān)控主要進(jìn)展查詢分析用戶表計(jì)各種故障, 電表監(jiān)測系統(tǒng)各種故障及網(wǎng)絡(luò)通信故障、信號線故障等。家庭網(wǎng)關(guān)采用li

3、nu* 系統(tǒng),由于源代碼開放等特性,使得開發(fā)人員更加便利的擴(kuò)展家庭網(wǎng)關(guān)的功能, 更可以在現(xiàn)有的網(wǎng)關(guān)的根底上將電表監(jiān)測系統(tǒng)模塊添加進(jìn)去, 使得用戶的家庭網(wǎng)關(guān)得到增值效勞。利用藍(lán)牙技術(shù)的無線傳輸、傳輸距離短(10m 之)和抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn),先將計(jì)費(fèi)電表的直流信號通過加載的BlueTooth 芯片無線傳輸?shù)街悄芗彝ゾW(wǎng)關(guān)中,通過Internet 網(wǎng)絡(luò),直接傳輸?shù)轿飿I(yè)公司或電業(yè)管理的調(diào)度部門后, 便可輸入到計(jì)算機(jī)中完成網(wǎng)上任一用戶的電費(fèi)自動查詢。也以與現(xiàn)有的電費(fèi)收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相連接,以及與電網(wǎng)的調(diào)度指揮中心相連接成一個完整的用電管理網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙芯片僅為9mm9mm,可以直接嵌入數(shù)字電表中。其工作采用2400

4、2483.5MHz 的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻段,該頻段沒有其它系統(tǒng)的固定信號干擾,同時該頻段向公眾開放,頻段在全球圍有效。但同時ISM 頻段作為開放頻段, 使用其中的任何頻段都會遇到不可預(yù)測的隨機(jī)干擾源(如*些家用電器、無繩和汽車開門器等)。因此,對外部和其它藍(lán)牙用戶的干擾源要不同的技術(shù)加以處理。藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的無線連接工作,提供了接入數(shù)據(jù)網(wǎng)的功能,并且具有外圍設(shè)備接口。藍(lán)牙系統(tǒng)采用基于包的傳輸:將信息流分片(組)打包,在每一時隙只發(fā)送一個數(shù)據(jù)包。所有數(shù)據(jù)包格式均一樣,開場為一接入碼,接下來是,最后是負(fù)載數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程智能抄的便利性能夠有效提高電力公司的工作效率,必將帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。

5、1 硬件設(shè)計(jì)電表監(jiān)測系統(tǒng)采用了單片機(jī)中斷技術(shù),實(shí)時性好、系統(tǒng)效率高,能耗較低。采用的轉(zhuǎn)速編碼器可直接應(yīng)用于現(xiàn)在普遍安裝在千家萬戶的機(jī)械鋁盤式電度表上,方便用戶升級。家庭網(wǎng)關(guān)采用自行編譯安裝的u-boot、Linu* kernel 以及文件系統(tǒng), 降低了整機(jī)本錢,并且因此裁減了核中不需要的功能,提高了系統(tǒng)的效率。電表監(jiān)測系統(tǒng)由單片機(jī)通過接收電表鋁盤脈沖計(jì)數(shù), 從而計(jì)算出電表的相對電度值W。單片機(jī)將W 值寫入存儲器,每隔一段時間或者應(yīng)用戶請求通過藍(lán)牙模塊發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)。該系統(tǒng)可外接繼電器, 當(dāng)遇到電流過載時, 可實(shí)現(xiàn)自動跳閘。當(dāng)檢測到家庭電網(wǎng)處于平安狀態(tài)時,可自動合上電閘。電表監(jiān)測系統(tǒng)采用藍(lán)牙數(shù)據(jù)

6、傳輸,實(shí)現(xiàn)了無線通信,防止了繁瑣的朱凌云: 副教授布線。家庭網(wǎng)關(guān)中置了無線藍(lán)牙控制器,通過藍(lán)牙通信協(xié)議與電表端的藍(lán)牙設(shè)備之間進(jìn)展數(shù)據(jù)交換,實(shí)時/定時獲得電表數(shù)據(jù)。家庭網(wǎng)關(guān)是連接家庭中彼此孤立分散的子網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)用具、實(shí)現(xiàn)信息的交互和共享,并將家庭網(wǎng)和外部網(wǎng)連接,實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)絡(luò)互通和鑒權(quán)的設(shè)備。該家庭網(wǎng)關(guān)將采用現(xiàn)今比擬流行的linu* 系統(tǒng),并且自己編譯安裝,盡量降低本錢。實(shí)現(xiàn)家庭部組網(wǎng)方面,可采用Zigbee無線通信標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)關(guān)通過家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)或者GPRS 無線方式連接Internet。網(wǎng)關(guān)全部采用無線通信方式,可以防止家庭布線的零亂無序,方便了網(wǎng)關(guān)在家庭中的布置,同時使該網(wǎng)關(guān)不僅能夠應(yīng)用于家庭,也適用

7、于企業(yè)級用戶。電表監(jiān)測控制系統(tǒng)構(gòu)造如圖1:(1)家庭網(wǎng)關(guān)家庭網(wǎng)關(guān)由微控制器(ARM 芯片)、GPRS 模塊、藍(lán)牙模塊等模塊組成。家庭網(wǎng)關(guān)采用arm 開發(fā)板,型號為at91sam9263。該核心板硬件采用BGA(球柵陣列)封裝ATMEL AT91SAM9263 處理器,核為ARM926EJ-S arm,主頻200MHz;板載2 片16M*16bits SDRAM,133MHZ,共64MB;板載64M 8 Bits NandFlash(K9F1208),可根據(jù)用戶要求選配其他容量Nandflash 或工業(yè)級芯片; 板載2MBDataFlash;板載獨(dú)立視頻緩沖16M*16bits SDRAM。AT

8、91SAM9263 核心板有220MIPS 的運(yùn)算性能,有2D 圖形協(xié)處理器,提升顯示性能;更低的核電壓,支持低電壓存儲器;支持LINU*2.4、LINU*2.6、WINCE5.0 等主流嵌入式操作系統(tǒng);最大支持2048*2048 分辨率TFT-LCD, 同是擴(kuò)展VGA 輸出;具有AC97 編解碼器接口;具有更多可用的I/O 口;置CAN 總線控制器;支持大容量工業(yè)級NandFlash;支持SD 卡/CF 卡儲存容量擴(kuò)展;該核心板有能力連接多種存設(shè)備,大容量硬盤設(shè)備,嵌入有LCD 控制器,圖像傳感器接口,標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口,多媒體卡接口,CAN 控制器。兩個EBI 使ARM9 CPU 和圖形處理器可

9、同時、并行工作:一個是系統(tǒng)存接口,另一個則是人機(jī)接口。第二個接口使LCD 控制器和CPU 無需共享存, 同時使可用的CPUMIPS 增長20%到40%,從而具有超強(qiáng)的顯示功能。(2)通信接口在該電表監(jiān)測系統(tǒng)方案中, 電表監(jiān)測系統(tǒng)與家庭網(wǎng)關(guān)之間的通信我們采用藍(lán)牙無線連接,免去了繁瑣的布線問題。該電表監(jiān)測系統(tǒng)使用的藍(lán)牙芯片是已經(jīng)商品化的藍(lán)牙模塊, 采用國春的GC-232-1 型100 米藍(lán)牙串口適配器。該藍(lán)牙芯片,符合V1.2 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)28mm * 15mm * 2.35mm,體積尺寸緊湊,自帶高效板載天線,透明串口,可與各種藍(lán)牙適配器、藍(lán)牙手機(jī)配對使用,也可主從一對使用。該藍(lán)牙串口模

10、塊工作電壓3.3V 到5V,引出RS232 串口,配對成功信號LED 引腳, 主機(jī)模塊還引出重新搜尋新從機(jī)引腳(默認(rèn)時主機(jī)和從機(jī)配對地址會記憶下來,下次有多個藍(lán)牙同時出現(xiàn)是主時機(jī)直接尋找以前配對過的從機(jī), 如果給此腳高電脈沖則放棄記憶)。出廠時默認(rèn)軟件包含AT 命令集。GC-232-1 型藍(lán)牙模塊具有HCIUART 傳輸層, 和ARM 主機(jī)相連接只需要通過RS232 串口即可,非常方便。GC-232-1 型藍(lán)牙串口適配器采用GC-04 藍(lán)牙模塊,加裝功率擴(kuò)展電路、TTL電平至RS232 電平轉(zhuǎn)換電路、電源電路等,支持主、從模式自動建鏈透明串口傳輸,與PDA 通訊等多種模式,置天線,射頻性能出色

11、,是標(biāo)準(zhǔn)的CLASS1 藍(lán)牙串口適配器,通信距離100 米。該藍(lán)牙串口適配器采用標(biāo)準(zhǔn)RS232 串行接口,標(biāo)準(zhǔn)9 針插頭;串口速率支持:300bps-115200bps;支持一對一配對使用;也支持單端應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)與PDA 置藍(lán)牙、筆記本置藍(lán)牙及USB 藍(lán)牙適配器的串口通訊;電源可外接也可通過DB9 引腳供電;LED電源指示、鏈路工作狀態(tài)指示;置天線;支持串口直通,無線串口并接功能; 頻段:2.40GHz2.48GHz ,ISM Band; 藍(lán)牙協(xié)議:BlueTooth V1.2,兼容V1.1;功率等級:Class1;操作電壓:5V9V;端口:RS232 口(300bps-115200bps)。由

12、于藍(lán)牙模塊和ARM 都采用了+3.3V 電源供電,故其接口間不存在電平差異,不需要電平轉(zhuǎn)換。藍(lán)牙模塊UART 接口的發(fā)送端UART T* 接ARM9263 的UART0 接收端R*D0,而藍(lán)牙模塊的UART 接口的接收端UART R* 接ARM9263 的UART0 的發(fā)送端T*D0。2 軟件設(shè)計(jì)在at91sam9263ek 開發(fā)板上編譯安裝linu* 操作系統(tǒng)作為軟件平臺。linu* 核已經(jīng)支持at91sam9263 核心板,定義文件在核目錄樹中的arch/ arm/ mach-at91/ board-sam9263ek.c 和arch/ arm/ mach -at91/ at91sam92

13、63_devices.c 以及arch/ arm/mach-at91/ at91sam9263.c 里面。家庭網(wǎng)關(guān)按照SSL 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議, 經(jīng)寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸電表數(shù)據(jù)到電力公司。SSL 協(xié)議位于TCP/IP 協(xié)議與各種應(yīng)用層協(xié)議之間,為數(shù)據(jù)通訊提供平安支持。SSL 協(xié)議可分為兩層:SSL 記錄協(xié)議(SSL Record Protocol),它建立在可靠的傳輸協(xié)議(如TCP)之上,為高層協(xié)議提供數(shù)據(jù)封裝、壓縮、加密等根本功能的支持;SSL握手協(xié)議(SSL Handshake Protocol):它建立在SSL 記錄協(xié)議之上,用于在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸開場前,通訊雙方進(jìn)展身份認(rèn)證、協(xié)商加密算法、交換加密密

14、鑰等。電表監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應(yīng)該采用基于設(shè)備地址的加密方式,以設(shè)備號或者設(shè)備地址作為Key,與家庭網(wǎng)關(guān)之間進(jìn)展數(shù)據(jù)平安傳輸。(1)電表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與家庭網(wǎng)關(guān)的藍(lán)牙連接:家庭網(wǎng)關(guān)端作為電表監(jiān)測系統(tǒng)的效勞器, 需要同時處理收發(fā)數(shù)據(jù),因而該程序需要進(jìn)展多進(jìn)程程序設(shè)計(jì)。多進(jìn)程編程的好處是顯而易見的,不僅能夠解決串口中斷的處理,還能夠?qū)崿F(xiàn)更好的執(zhí)行效率,提高系統(tǒng)的實(shí)時性。同目前的許多藍(lán)牙連接效勞類似, 設(shè)置口令是為了無線網(wǎng)絡(luò)平安考慮。在實(shí)際編程實(shí)現(xiàn)時可以給設(shè)備分配地址,主從設(shè)備之間用設(shè)備地址互相確認(rèn)身份。電表監(jiān)測系統(tǒng)與家庭網(wǎng)關(guān)的軟件流程如圖2。(2)電表監(jiān)測系統(tǒng)客戶端程序單片機(jī)上電后初始化串口參數(shù)、藍(lán)牙模塊

15、,進(jìn)展中斷處理,準(zhǔn)備接收或者發(fā)送數(shù)據(jù),等待命令以及執(zhí)行命令。為了最大化單片機(jī)的使用效率,該方案采用中斷處理的方式來讀取電表數(shù)據(jù)、藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù),以及響應(yīng)藍(lán)牙模塊的命令請求。在該程序中,需要以下函數(shù)模塊:單片機(jī)初始化C51_INIT();藍(lán)牙模塊初始化BLUETOOTH_INIT();中斷初始化IRT_INIT();讀取電表數(shù)據(jù)READ_METER();發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)SEND_DATA(char*s); 對需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)展加密, 以保證數(shù)據(jù)的平安性,ENCRY_DATA(char *s);接收指令函數(shù)RECV_CMD();指令分析并執(zhí)行函數(shù)E*E_CMD()。在主函數(shù)main()里面,我們要中斷處

16、理單片機(jī)的中斷:電表的脈沖,進(jìn)展脈沖計(jì)數(shù);獲得藍(lán)牙端的信息/命令;處理信息/命令;發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)定一個全局變量flag,作為我們處理的標(biāo)志。每一個中斷里面改寫該標(biāo)志值。在主函數(shù)里面循環(huán)處理不同標(biāo)志值的分支情況。單片機(jī)通過中斷對周邊的設(shè)備進(jìn)展操作, 最大化電表監(jiān)測系統(tǒng)的效率。在斷電以及家庭網(wǎng)關(guān)請求跳閘等緊急情況下,應(yīng)能及時處理中斷請求,而不是等待用戶請求數(shù)據(jù)繁瑣的過程。單片機(jī)通過中斷對周邊的設(shè)備進(jìn)展操作, 最大化電表監(jiān)測系統(tǒng)的效率。在斷電以及家庭網(wǎng)關(guān)請求跳閘等緊急情況下,應(yīng)能及時處理中斷請求,而不是等待用戶請求數(shù)據(jù)繁瑣的過程。電表監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程如圖3。3 調(diào)試(1)編譯安裝嵌入式linu*

17、系統(tǒng)編譯安裝嵌入式linu* 系統(tǒng), 使用的linu* 發(fā)行版為ubuntu8.10,編譯器為自行編譯安裝的arm-linu*-gcc,版本為。編譯Bootstrap:如果要在at91sam9263ek 開發(fā)板上啟動linu*,需要在dataflash 上面燒寫B(tài)ootstrap 程序。Bootstrap 可以說是u-boot 的引導(dǎo)程序。編譯u-boot 引導(dǎo)程序: 編譯u-boot: 切換當(dāng)前工作目錄到u-boot 源代碼目錄樹下, 然后執(zhí)行:make at91sam9263ek_config& make燒寫u-boot:最后將源文件主目錄下生成的u-boot.bin 燒錄到datafla

18、sh 的0*8400 地址。這個地址在bootstrap 的相應(yīng)的頭文件board/ at91sam9263ek/ dataflash/ at91sam9263ek.h 中定義。修改核文件: 核中的代碼是一種平臺的默認(rèn)配置,與at91sam9263 開發(fā)板的一些參數(shù)不太一樣,所以需要把相關(guān)的參數(shù)修改一致。配置核: 使用如下命令進(jìn)展圖形菜單配置:make ARCH=arm CROSS_PILE=arm-linu*- menuconfig,選擇退出并保存配置信息。這樣就完成了核的配置,在編譯核之前將u-boot下的tools/mkimage 復(fù)制到/bin 目錄下, 否則會報(bào)錯找不到mkimage

19、 命令。然后執(zhí)行make ARCH=arm CROSS_PILE=arm-linu*- uImage 編譯, 等編譯完成后, 在核目錄樹下arch/arm/boot 里將會生成uImage 核鏡像文件。燒錄: 將生成的uImage 文件燒寫到nandflash 的0*200000。燒寫linu* 文件系統(tǒng):使用nfs 加載文件系統(tǒng),首先將開發(fā)板通過nfs 的方式加載host 端的nfs 文件系統(tǒng)(對host 端操作),再準(zhǔn)備文件系統(tǒng)(對host 端操作),修改ARM 開發(fā)板的啟動參數(shù)(通過kermit 對ARM 開發(fā)板進(jìn)展操作),進(jìn)入系統(tǒng)后(nfs 方式),查看nandflash 的分區(qū)情況(

20、通過kermit 對ARM 開發(fā)板進(jìn)展操作),燒寫文件系統(tǒng)。設(shè)置u-boot 參數(shù)自動加載文件系統(tǒng):保存設(shè)置,然后重啟開發(fā)板,即可直接登陸到linu* 文件系統(tǒng)了。(2)電表監(jiān)測系統(tǒng)的硬件連接和程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)器材有AT89C51 單片機(jī)、串口藍(lán)牙模塊等。主機(jī)系統(tǒng)Windows *p,開發(fā)環(huán)境使用的是Keil Uvision2。翻開Uvision2 軟件,選擇Project,選擇新建工程,建立一個新的工程,保存為meter_read.uv2;在選擇CPU 類型時,選擇ATMEL公司的AT89C51;建一個文件,保存為bluetooth.c,并將該文件添加到meter_read.uv2 工程中;選擇

21、保存位置,并鍵入需要保存的文件名。將剛剛新建的文件bluetooth.c 添加到該工程中, 就可以在bluetooth.c 文件中編寫我們的電表監(jiān)測系統(tǒng)的程序了。編寫延遲函數(shù)、讀電表的脈沖、重置電表、讀藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù)、處理家庭網(wǎng)關(guān)的命令程序,保證編譯通過沒有告警。通過串口工具燒寫到單片機(jī)部存儲器中,上電后運(yùn)行。在這里還不能直接看到結(jié)果, 需要完成家庭網(wǎng)關(guān)端效勞器后,可以查看電表監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)的變化。(3)家庭網(wǎng)關(guān)效勞器程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)器材有at91sam9263 核心開發(fā)板一塊、串口藍(lán)牙模塊,以及相關(guān)的連接線、USB 轉(zhuǎn)串口線等。系統(tǒng)采用Ubuntu 8.10 版本,linu* 核版本號為2.6.27-7; 編譯器采用自行編譯的armlinu*-gc