基于以太网的电能耗用远程监控系统设计

以太网

基于以太网的电能耗用远程监控系统设计

徐爱钧ａ，徐阳ｂ

（ａ．长江大学电子信息学院；ｂ．长江大学计算机科学学院，湖北荆州４３４０２３）摘要：设计了一种基于以太网的电能耗用远程监测管理系统，实现对远程用户电能耗用的无人值守自动监测，数据传送迅速可靠。以ＡＲＭ核处理器ＬＰＣ２１４８为核心设计的电能耗用监控仪具有嵌入式Ｗｅｂ服务器功能，可以十分方便地接入以太网，组成电能耗用远程监测管理系统。文中给出了系统基本组成原理、仪器硬件接口和软件设计方法。系统通过ＴＣＰ／ＩＰ协议进行交互式通信，监控仪能及时响应主机呼叫，整个系统工作稳定可靠。关键词：以太网；嵌入式系统；Ｗｅｂ服务器；电能耗用中图分类号：ＴＭ７６

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００１－１３９０（２００８）０３－００２８－０３

Ｄｅｓｉｇｎｏｆｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｐｏｗｅｒ

ｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｅｔｈｅｒｎｅｔ

ＸＵＡｉ－ｊｕｎａ，ＸＵＹａｎｇｂ

（ａ．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，

ｂ．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，ＹａｎｇｔｚｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎｇｚｈｏｕ４３４０２３，Ｈｕｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｐｏｗｅｒｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＥｔｈｅｒｎｅｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｔｃａｎｍｏｎｉｔｏｒｒｅｍｏｔｅｃｏｎｓｕｍｅｒ’ｓｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ，ａｎｄｔｈｅｍｏｎｉ－ｔｏｒｄａｔａｃａｎｂｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｑｕｉｃｋｌｙａｎｄｒｅｌｉａｂｌｙ．ＴｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｅｍｂｅｄｄｅｄＷｅｂｓｅｒｖｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎＡＲＭｃｏｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓＬＰＣ２１４８．ＩｔｃａｎｂｅｖｅｒｙｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔａｃｃｅｓｓｔｏＬＡＮ，ｃｏｍｐｌｅｔｅａｒｅｍｏｔｅｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｂａ－ｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｙｓｔｅｍｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｉｓｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｒｅａｌｉｚｅｓｉｎｔｅｒ－ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＴＣＰ／ＩＰ，ｍｏｎｉｔｏｒｓｃａｎｒｅｓｐｏｎｄｔｈｅｍａｉｎｅｎｇｉｎｅｃａｌｌｐｒｏｍｐｔｌｙ，ａｎｄｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｗｏｒｋｓｓｔａｂｌｙａｎｄｒｅｌｉａｂｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｔｈｅｒｎｅｔ，ｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍ，ＷＥＢｓｅｒｖｅｒ，ｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ

０

引

言

１系统总体结构

图１所示为利用以太网络［１］实现的分布式电能耗

由抄表员逐个查抄电表的方法来了解与管理用户耗电量，费时费力，而且难免存在漏查或偷逃电费的现象。利用以太网组成电能耗用远程管理系统，实现对分散用户耗电量的集中管理，可以有效提高电力管理调度效率。一个有效的电能耗用远程管理系统可以通过以太网实现对某一地区或部门耗电量数据的自动采集、分析计算、存档、显示以及规定用户的用电总量，对用户供电线路进行拉闸、合闸控制，加强对电力资源的合理利用与有效管理，让有限的资源充分发挥作用，实现电力调度和计划用电的自动化。

－－

用远程监测管理系统总体结构。ＰＣ机作为中心管理站的上位主机，分布在各个用电单位的电能耗用监控仪为下位从机，主机与从机之间通过网络进行通信，监控多个从机送来的各种耗电数据，并将收集到的数据信息进行分类存档、显示或打印处理，必要时操作人员还可以对某一电能耗用监控仪下达负荷超载报警、拉闸、合闸等命令。各单位安装的电能耗用监控仪对本单位回馈电线的电压、电流、功率因数、耗电量等参数进行实时测量，按耗电高峰和低谷时间进行分时

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计度［２］。监控仪在显示各种测量参数的同时还将其储存在大容量的ＭＭＣ／ＳＤ卡上，当接收到上位机命令时将这些参数通过网络发送给上位机。

采用较高精度的互感器，将电网中的电压、电流变换成１Ｖ左右的交流信号，同时使监控仪与强电隔离，交流信号经过整形滤波后送入ＬＰＣ２１４８片内Ａ／Ｄ转换器，完成对电压、电流及功率因数等的测量。采用脉冲电能表测量电能实际耗用量，并通过ＬＰＣ２１４８的外部中断输入端ＥＩＮＴ３送给ＣＰＵ进行处理。ＬＰＣ２１４８片内集成了一个低功耗实时时钟，ＣＰＵ根据实时时钟提供的时间按高峰和低谷时间对耗电量进行分时计度，计算出瞬时电量、整点电量、总需量等参数。实时时钟具有自掉电保护功能，停电期间时钟不停摆，从而保证对耗电量分时计度的准确性。若耗电量超出给定总用电量，将通过片内ＤＡＣ端口输出语音报警信号。如果上位机发来拉闸命令，则通过继电器和交流接触器输出拉闸信号，限制用电。利用ＬＰＣ２１４８的

图１远程监控系统总体框图

电能耗用监控仪的安装数量和分布范围不同，与中心站的距离一般为几公里到几十公里，一台上位机与多台下位机组成分散式多机系统。为了保证上、下机之间通信的可靠性，监控仪采用ＡＲＭ核处理器为核心设计，具有嵌入式ＷＥＢ服务器［３］功能，每台监控仪分配一个确定的网络地址，可以实现无人值守自动通信。每当收到上位机发来的呼叫命令后自动将各种电能耗用监测数据发送给上位机，同时根据上位机发来的命令，决定是否继续进行耗电量监测，或者向用户发出耗电负荷超载等各种警示信息，甚至进行拉闸断电操作。

ＳＰＩ接口扩展ＭＭＣ／ＳＤ卡作为外部非易失性存储器。

所有测量参数都存储在ＭＭＣ／ＳＤ卡中，一旦收到主机呼叫可马上通过以太网发送出去。ＭＭＣ／ＳＤ卡中还可以保存监控仪的网络ＩＰ地址、网卡物理地址、以及更新的网页数据等，需要时可对卡进行及时更换。

网络接口采用Ｒｅａｌｔｅｋ公司的ＮＥ２０００兼容芯片

２电能耗用监控仪硬件设计

以ＡＲＭ核处理器ＬＰＣ２１４８［４］设计的电能耗用监

控仪硬件结构如图２所示，ＬＰＣ２１４８带有５１２ＫＢ的片内高速Ｆｌａｓｈ存储器和４０ＫＢ的片内ＳＲＡＭ，内置了

ＲＴＬ８０１９ＡＳ，它内置了１０ＢＡＳＥ－Ｔ收发器，外接一个隔离低通滤波器，通过ＲＪ－４５标准端口接入以太网。ＬＰＣ２１４８的大容量片上ＲＡＭ存储器为ＴＣＰ／ＩＰ协议

栈的实现和数据处理提供了足够的存储空间。通过网络进行数据传输之前，先要设置ＲＴＬ８０１９ＡＳ的工作方式和工作状态，通过对地址及数据端口的读写操作来完成以太网帧的接收与发送。ＲＴＬ８０１９ＡＳ内部具有远程ＤＭＡ接口、本地ＤＭＡ接口、ＭＡＣ（介质访问控制）逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口。处理器收发数据只需对远程ＤＭＡ操作，本地ＤＭＡ接口是

ＵＳＢ２．０全速接口、２个ＵＡＲＴ、ＳＰＩ、ＳＳＰ、Ｉ２Ｃ、２个３２

位定时器、２个多路１０位ＡＤＣ、１个１０位ＤＡＣ、ＰＷＭ通道、４５个高速ＧＰＩＯ以及多达９个边沿或电平触发

的外部中断管脚，为提高应用系统的可靠性、降低功耗、减小成本等提供了方便。ＬＰＣ２１４８具有ＡＲＭ和

Ｔｈｕｍｂ指令集，采用流水线处理技术，能在执行指令

期间预处理下一条指令，极大地提高了指令执行效率，为需要快速传输数据的网络应用提供了可能。

ＲＴＬ８０１９ＡＳ与网线的连接通道，完成控制器与网线的

数据交换。

ＭＡＣ完成以下功能：当处理器向网上发送

数据时，先将一帧数据通过远程ＤＭＡ通道送到ＲＴＬ８０１９ＡＳ中的发送缓存区，然后发出传送命令；当ＲＴＬ８０１９ＡＳ发送完上一帧数据后，再开始发送当前帧数据。ＲＴＬ８０１９ＡＳ接收到的数据通过ＭＡＣ比较、ＣＲＣ校验后，由ＦＩＦＯ存到接

收缓冲区；收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器。ＦＩＦＯ逻辑对收发数据作１６字节的缓冲，以减少对本地ＤＭＡ请求的频率。

ＲＴＬ８０１９ＡＳ的工作参数进行设置完毕后，系统

进入正常工作状态，执行与以太网连接的相关

图２

监控仪硬件结构图

功能。

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３系统软件设计

基于以太网的电能耗用远程监测管理系统软件

成功，信息就沿该连接传送，直至传送完毕或断开连接。ＨＴＴＰ在端口８０上使用ＴＣＰ的服务传递来自以太网和数据终端的数据，并对数据作打包拆包处理。

设计采用了μＣ／ＯＳＩＩ［５］嵌入式实时操作系统，根据监控功能需要设计如下任务：（１）开关量输入输出任务，每隔１０ｍｓ采样一次各种开关量状态，包括电能表脉冲、系统掉电和加电等信号，采用延时方法滤除边沿抖动以获得开关量的有效状态，并根据主机发来的命令输出拉闸或合闸控制信号；（２）电流／电压采样任务，每隔３０分钟采样并计算线路的电压和电流和功率因数值；（３）瞬时电量计算任务，计算瞬时电功率、当前的峰电量、谷电量、耗电度数等；（４）电量计算任务，包括耗用电度数、峰／谷电量、有功／２４小时整点电功率、无功电量、功率因数、电网负荷率以及总需量等；（５）远程通信任务，接收并执行中心站主机发来的命令，包括时间和工作参数设置、耗电量参数传送、状态查询以及传送各种命令。

软件设计中远程通信是一个重点，本设计采用嵌入式ＴＣＰ／ＩＰ协议［６］来实现远程通信功能。ＴＣＰ／ＩＰ协议分为四层：链路层、网络层、传输层和应用层，保证以太网上数据的准确快速传输。

链路层由以太网控制器ＲＴＬ８０１９ＡＳ实现，数据通信采用ＩＥＥＥ８０２．３标准。它只处理接收地址与本机物理地址相同或为广播地址的以太帧，并且只处理

４结束语

基于以太网的电能耗用远程监测管理系统，通过

以太网实现分站中监控仪与中心站主机之间的远程通信，监控仪采用ＡＲＭ核处理器ＬＰＣ２１４８为核心，采用嵌入式ＴＣＰ／ＩＰ协议，可以很方便地将现场设备所采集的各种数据通过网络快速传递给上位机。由于

ＬＰＣ２１４８处理器自身的限制，在具体实现嵌入式ＴＣＰ／ＩＰ协议的过程中，不能简单地直接照搬在ＵＮＩＸ上实

现的ＴＣＰ／ＩＰ协议源码，而应当根据需要进行适当裁剪，综合来说应作如下考虑：对ＴＣＰ／ＩＰ协议进行适当的简化，在远程监测管理系统中根据具体情况只实现与需要有关的部分，对不使用的协议不予支持。ＴＣＰ／

ＩＰ协议的特点决定了要想很好地实现它，必须有一个

实时多任务操作系统的支持，我们采用嵌入式实时操作系统μＣ／ＯＳＩＩ获得了理想的效果。监控仪采用

ＡＲＭ核处理器ＬＰＣ２１４８作为主ＣＰＵ，以其片内ＳＲＡＭ作为公用内存，必须进行合理的内存分配。一个最大的以太网数据包有１．５Ｋ字节，分配一包数据的缓冲区就要１．５Ｋ字节。为此，我们分配一个２５６×６＝１５３６个字节的固定的ＲＡＭ单元来存放收到的以太

网数据包，收到一包就处理一包，有效地提高了数据处理速度。

参

考

文

献

［１］黄强，周东泳，李拓，Ｊ．Ｓ．Ｓｍｉｔｈ．基于以太网的控制器网络的嵌入式网关开发［Ｊ］．电子技术应用，２００７，（１）：３３－３６．

ＡＲＰ和ＩＰ数据报。

网络层实现ＩＰ、ＡＲＰ协议，还要实现能报告数据传输差错等情况的ＩＣＭＰ协议。

传输层实现传输控制协议ＴＣＰ或用户数据协议ＵＤＰ。其中ＴＣＰ协议只用于支持ＨＴＴＰ超文本传输，

由于监控仪在连接时一直处于被动服务状态，设计中省去了ＳＹＮ－ＳＥＮＴ状态，让它已开始就处于ＬＩＳＴＥＮ状态，监听来自远程客户端的连接请求，可以更为有效地服务于远程客户。编程实现ＴＣＰ协议的难点在于建立连接和终止连接的具体过程。ＴＣＰ协议是一个面向连接的协议，连接的双方无论是哪一方向另一方发三次握手”在双方之间建立一送数据，都必须先通过“

条连接，完成数据传输之后再通过“四次握手”终止连接。连接建立后ＴＣＰ就可以发送数据块，称为数据段。当ＴＣＰ发出一个段后，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。另外，ＴＣＰ还将对数据进行校验和检查。

应用层实现ＨＴＴＰ协议，实现现场监测和远程用户的交互式数据交换。ＨＴＴＰ仅涉及在一个ＴＣＰ连接中网络数据传输的文本信息交换，与ＴＣＰ相比，ＨＴＴＰ非常简单，请求和应答是一行或多行文本，如果请求

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［２］毛善国，朱新建．复费率电能表技术［Ｍ］．长沙：国防科技大学出版社，１９９５．

［３］陶雄飞，刘卫忠，邹雪城．基于嵌入式ＷＥＢ服务器的数字电视接收终端的设计［Ｊ］．电子技术应用，２００６，（７）：４１－４４．

［４］周立功，张华．深入浅出ＡＲＭ７—ＬＰＣ２１３ｘ／２１４ｘ［Ｍ］．北京航空航天大学出版社，２００６．

Ｃ／ＯＳＩＩ（第二版）［５］ＪｅａｎＪ．Ｌａｂｒｏｓｓｅ．邵贝贝译．嵌入式实时操作系统μ［Ｍ］．北京航空航天大学出版社，２００３．

［６］ＨｅａｔｈｅｒＯｓｔｅｒｌｏｈ著．张金祥译．ＴＣＰ／ＩＰＰｒｉｍｅｒＰｌｕｓ中文版［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００２．作者简介：

徐爱钧（１９５６－），男，教授，硕士研究生导师，中国科协湖北省自动化学会理事，主要研究方向为电力系统自动化、嵌入式系统与智能化仪器仪表、模糊控制理论等。Ｅｍａｉｌ：ａｊｘｕ＠１６３．ｃｏｍ

徐阳（１９８４－），男，硕士研究生，主要研究方向为计算机与嵌入式系统应用，网络安全等。

收稿日期：２００７－１２－１５

（田春雨编发）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/v1m4.html