專利名稱：基于arm9的智能電網(wǎng)管理電能表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種智能電網(wǎng)管理終端，尤其是基于ARM9的智能電網(wǎng)管理電能表。
背景技術(shù)：
隨著市場(chǎng)化改革推進(jìn)，數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展，氣候變化加劇，環(huán)境監(jiān)管要求日趨嚴(yán)格以及各國能源政策的調(diào)整，電網(wǎng)與電力市場(chǎng)、客戶之間的關(guān)系越來越緊密?？蛻魧?duì)電能質(zhì)量的要求逐步提高，可再生能源等分散式發(fā)電資源數(shù)量不斷增加，傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以滿足這些發(fā)展要求。為此，人們提出發(fā)展智能電網(wǎng)的設(shè)想，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級(jí)換代。對(duì)電網(wǎng)的改造及建設(shè)明顯提速，按照加強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的總體要求，保證智能電網(wǎng)建設(shè)規(guī)范有序推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)電力用戶用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)“全覆蓋、全采集、全預(yù)付費(fèi)”的總體目標(biāo)，規(guī)范統(tǒng)一用電信息采集系統(tǒng)及主站、采集終端、通信單元的功能配置、型式結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)、通信協(xié)議、安全認(rèn)證、檢驗(yàn)方法、建設(shè)及運(yùn)行管理等條款要求和市場(chǎng)需求日益增加的推動(dòng)下，因此具有智能電網(wǎng)管理功能的電能表也就具有了廣泛的市場(chǎng)，但目前尚無合適的產(chǎn)品推出。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于ARM9的智能電網(wǎng)管理電能表，與目前的電能表相比功能更強(qiáng)、安全程度更高、運(yùn)行更穩(wěn)定，在嵌入式Linux操作系統(tǒng)的支持下，還能夠?qū)崿F(xiàn)電能表數(shù)據(jù)抄錄、數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理、GPRS無線通信傳輸?shù)裙δ埽瑥亩鴮?shí)現(xiàn)用戶主站對(duì)用戶用電信息的智能采集和負(fù)荷控制等功能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種基于ARM9的智能電網(wǎng)管理電能表，包括CPU和與該CPU連接的電能計(jì)量芯片，其特別之處在于，所述CPU為ARM9嵌入式微處理器，該ARM9嵌入式微處理器還分別與隨機(jī)存儲(chǔ)器和非易失存儲(chǔ)器連接，還包括一 GPRS無線通信模塊，該GPRS無線通信模塊通過接口電路與ARM9嵌入式微處理器連接從而實(shí)現(xiàn)基于GPRS的雙向無線通信。其中ARM9嵌入式微處理器還與采用國密SMl算法支持的專用ESAM模塊連接。本實(shí)用新型采用基于ARM9嵌入式CPU技術(shù)和嵌入式Linux操作系統(tǒng)技術(shù)為支撐的智能電網(wǎng)管理終端，其有益效果其一是通過基于ARM9嵌入式CPU技術(shù)的硬件電路設(shè)計(jì)為運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)Linux創(chuàng)造了硬件基礎(chǔ)；其二是采用多線程的編程方式解決了多任務(wù)執(zhí)行、多數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，改變了運(yùn)行速度慢、故障率高、數(shù)據(jù)易丟失等缺點(diǎn)；還能夠通過GPRS無線通訊功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的用電情況和電網(wǎng)的運(yùn)行情況，通過主站定制任務(wù)的監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)召測(cè)，可以分析用電情況和電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)；三是便于統(tǒng)計(jì)線損，能夠?qū)崟r(shí)抄回用戶的用電量，以便準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)線損；四是采用國密SMl算法支持的專用ESAM模塊， 為參數(shù)修改和負(fù)荷控制報(bào)文進(jìn)行加解密，保證控制的安全性；五是功能齊全、操作簡(jiǎn)單。

[0008]附圖1為本實(shí)用新型的邏輯原理框圖；附圖2為本實(shí)用新型在Linux操作系統(tǒng)支持下的運(yùn)行原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖來對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明如圖1所示，本實(shí)用新型的電能表由單相電能計(jì)量芯片、ARM9嵌入式微處理器、功率指示燈、報(bào)警指示燈、跳間指示燈、LCD顯示器、隨機(jī)存儲(chǔ)器(采用RAM)和非易失存儲(chǔ)器 (采用NAND FLASH)、電源系統(tǒng)、繼電器、紅外接收發(fā)射管、RS485通信、以太網(wǎng)接口電路、USB 接口等集成在一塊PCB板上，以及一個(gè)可方便插拔的GPRS無線通信模塊。整個(gè)PCB板裝在一個(gè)阻燃的塑料表殼里，用自攻螺絲固定，罩殼與底殼通過螺絲固定在一起。本實(shí)用新型利用GPRS無線通信模塊傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)和遠(yuǎn)程控制功能。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分為一般數(shù)據(jù)和加密數(shù)據(jù)，修改終端參數(shù)和控制負(fù)荷指令數(shù)據(jù)為加密數(shù)據(jù)，召測(cè)用戶用電信息數(shù)據(jù)為一般數(shù)據(jù)，再傳輸?shù)倪^程中不需要加密。采用了認(rèn)證和加密的算法，數(shù)據(jù)安全性高。傳輸?shù)倪^程為發(fā)送端將根據(jù)功能需要將數(shù)據(jù)加密后進(jìn)行發(fā)送，接收端將收到的數(shù)據(jù)解密后再進(jìn)行必要的操作，并對(duì)發(fā)送端發(fā)出確認(rèn)數(shù)據(jù)通知操作成功或失敗。比如主站要修改終端的運(yùn)行參數(shù)，先將報(bào)文采用國密算法SMl加密后以明文加 MAC的形式通過GPRS通信鏈路發(fā)送給智能電網(wǎng)管理終端(電能表)，智能電網(wǎng)管理終端將收到的報(bào)文通過專用ESAM模塊解密后判斷操作內(nèi)容，根據(jù)報(bào)文命令對(duì)自身參數(shù)進(jìn)行修改。 其次，主站根據(jù)用戶用電信息需要對(duì)用戶負(fù)載進(jìn)行控制，采用同樣的方法將命令發(fā)給智能電網(wǎng)管理終端，智能電網(wǎng)管理終端根據(jù)命令要求切斷或接通用戶負(fù)載。對(duì)于一般數(shù)據(jù)的傳送，主站以明文的方式向終端發(fā)出請(qǐng)求，終端根據(jù)接收到的命令要求，回復(fù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)給主站。實(shí)現(xiàn)主站對(duì)用戶用電信息的管理和用電狀況的控制。本實(shí)用新型的工作原理是一是電能計(jì)量芯片采集電網(wǎng)實(shí)時(shí)參數(shù)，ARM9嵌入式微處理器通過SPI接口將電能計(jì)量芯片采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)算處理，并將分析處理后的數(shù)據(jù)保存在RAM區(qū)域和存儲(chǔ)器內(nèi)；二是ARM9嵌入式微處理器通過控制GPRS無線通信模塊，將收到的報(bào)文進(jìn)行分類處理，若接收到的報(bào)文是參數(shù)修改命令或者負(fù)荷控制命令首先通過基于國密算法SMl的專用 ESAM模塊進(jìn)行解密，讓后做出相應(yīng)處理并對(duì)主站進(jìn)行報(bào)文回復(fù)；若接收到的報(bào)文是一般數(shù)據(jù)召測(cè)，終端按照命令要求對(duì)請(qǐng)求數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理并通過GPRS無線通信模塊發(fā)送給主站。三是ARM9嵌入式CUP通過RS485總線在DL/T645-2007多功能電表通信規(guī)約的支持下， 對(duì)在線的多功能電表進(jìn)行數(shù)據(jù)抄錄。四是ARM9嵌入式微處理器通過點(diǎn)陣LCD將終端的運(yùn)行參數(shù)和部分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示給現(xiàn)場(chǎng)用戶。五是用戶還可以通過鍵盤配合LCD顯示和終端實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；六是用戶還可以通過紅外接口對(duì)終端信息進(jìn)行修改。本實(shí)用新型中GPRS通信模塊采用美國ENFORA公司的ENF0RA0306，與外圍設(shè)計(jì)的單獨(dú)的電源電路和電平轉(zhuǎn)換電路配合組成了 GPRS通信功能，微處理器采用美國ATMEL公司出品的AT91SAM9260CUARM9嵌入式微處理器，主要根據(jù)計(jì)量參數(shù)記錄表的所有事件、負(fù)責(zé)與外部存儲(chǔ)器、ESAM模塊和CPU卡及LCD驅(qū)動(dòng)GPRS等模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以及硬時(shí)鐘 RX8025T、月、日總結(jié)等功能管理。另外還有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收、發(fā)送LED指示燈，指示智能管理終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主站管理系統(tǒng)通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)智能管理終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、預(yù)購電量寫入、數(shù)據(jù)抄讀等操作，智能終端也可以主動(dòng)上報(bào)定制的任務(wù)及異常情況，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用了全新的認(rèn)證、加密、校驗(yàn)等手段，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩愿?，傳輸可靠。本?shí)用新型的主要特點(diǎn)如下a)采用基于ATMELE91SAM9260CU的ARM9CPU和嵌入式Linux等先進(jìn)技術(shù)，在多線程、多任務(wù)的編程理念的支持下，使智能管理終端處理并行處理復(fù)雜的任務(wù)成為了可能，大大的提高了 CPU的工作效率。CPU是以時(shí)間片的方式為進(jìn)程分配CUP處理時(shí)間的，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程以同步的方式去完成幾件事情時(shí)，此進(jìn)程必須完成了第一件事情以后再做第二件事， 如此按順序地向CPU請(qǐng)求完成要做的事情。在此單線程的工作模式下，如果把CUP看作是一共有100個(gè)時(shí)間片的話，CPU可能一直都只是花了其中的10個(gè)時(shí)間片來處理當(dāng)前進(jìn)程所要做的事情，只是用到了 CPU的10%的時(shí)間片，而其他時(shí)間都白白浪費(fèi)了，當(dāng)然，實(shí)際上CPU 的工作模式還是做完一件事以后再去做另一件事，只是CUP的處理速度非?？欤芸炀吞幚硗瓿伤?qǐng)求的情事。為了提高CPU的使用率，采用多線程的方式去同時(shí)完成幾件事情而互不干擾，如當(dāng)前進(jìn)程要完成三件事情1、2、3，那么CPU會(huì)分別用10%的時(shí)間來同時(shí)處理這 3件事情，從而讓CPU的使用率達(dá)到了 30%，大大地提高了 CPU的利用率。多線程的好處在處理一些特殊的場(chǎng)合其優(yōu)勢(shì)尤其明顯。比如智能管理終端上傳數(shù)據(jù)，要一邊上傳一邊還要抄錄并保存電表數(shù)據(jù)，在這種情況下，如果沒有用多線程的話，沒有意外的話一般都會(huì)把主線程阻塞，比如抄表子程序會(huì)停下來抄表任務(wù)，等待數(shù)據(jù)上傳完畢后在進(jìn)行抄表任務(wù)，這樣很有可能丟掉那個(gè)時(shí)刻的電表數(shù)據(jù)。采用多線程這樣的問題就迎刃而解。在此技術(shù)的支持下，終端的智能化和多功能化避免了多塊MCU共同工作的局面。b)嵌入式Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用使很多難以處理的問題得以解決。Linux是一套免費(fèi)使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)，它可以應(yīng)用于基于Intel x86系列CPU或者各種嵌入式CPU例如ARM9的計(jì)算機(jī)上。這個(gè)系統(tǒng)是由全世界各地的成千上萬的程序員設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的。其目的是建立不受任何商品化軟件的版權(quán)制約的、全世界都能自由使用的Unix兼容產(chǎn)品。Linux以它的高效性和靈活性著稱。它能夠在PC計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)全部的Unix特性，具有多任務(wù)、多用戶的能力。Linux是在GNU公共許可權(quán)限下免費(fèi)獲得的，是一個(gè)符合POSIX 標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)軟件包不僅包括完整的Linux操作系統(tǒng)，而且還包括了文本編輯器、高級(jí)語言編譯器等應(yīng)用軟件。它還包括帶有多個(gè)窗口管理器的X-Windows圖形用戶界面，如同我們使用Windows NT—樣，允許我們使用窗口、圖標(biāo)和菜單對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。Linux之所以受到廣大計(jì)算機(jī)愛好者的喜愛，主要原因有兩個(gè)，一是它屬于自由軟件，用戶不用支付任何費(fèi)用就可以獲得它和它的源代碼，并且可以根據(jù)自己的需要對(duì)它進(jìn)行必要的修改，無償對(duì)它使用，無約束地繼續(xù)傳播。本項(xiàng)目使用的嵌入式Linux操作系統(tǒng)是Linux 操作系統(tǒng)運(yùn)行在嵌入式CPU ARM9的上的版本，它保留了 Linux操作系統(tǒng)大部分功能，使智能終端在以太網(wǎng)方面和USB方面的應(yīng)用成為了可能。本智能終端使用的嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核集成了以太網(wǎng)開發(fā)必備的TCP/IP協(xié)議站系統(tǒng)，為主站和終端的以太網(wǎng)通信功能提供了有力的支持，在GPRS通信模塊無法工作的情況下，以以太網(wǎng)的通信方式完成傳輸任務(wù)成為可能。其次，用戶還可以根據(jù)自己的需要，通過USB接口，將終端內(nèi)部重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于外部移動(dòng)存鼠設(shè)備上，例如U盤等。c)遠(yuǎn)程控制功能由于智能管理終端具有GPRS通信接口，可時(shí)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控電能表的用電情況，針對(duì)用電異常的負(fù)載可實(shí)行遠(yuǎn)程控制，切斷供電。d)自動(dòng)化集中管理智能管理終端的GPRS通信接口配合完善的用戶后臺(tái)主站管理系統(tǒng)，組成自動(dòng)化集中管理，采用計(jì)算機(jī)管理，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確方便，更能時(shí)實(shí)監(jiān)控電表用電情況，能及時(shí)準(zhǔn)確的獲得用電管理、收費(fèi)管理、用電線損統(tǒng)計(jì)、分析及電力安全運(yùn)行等各方面的信息。e)智能安全認(rèn)證采用基于國密算法SMl的智能安全認(rèn)證ESAM系統(tǒng)，該系統(tǒng)明文加MAC的形式，將主站下發(fā)的參數(shù)修改命令、負(fù)載控制命令進(jìn)行加密，智能管理終端通過操作專用ESAM解密電路對(duì)下發(fā)報(bào)文進(jìn)行解密，合法報(bào)文及時(shí)相應(yīng)，不合法報(bào)文丟棄，這樣提高了主站終端核心功能控制和修改的安全性，解決了非法修改參數(shù)和控制的不安全隱患；f)費(fèi)率控制功能計(jì)費(fèi)方式有分時(shí)電價(jià)和階梯電價(jià)，分時(shí)電價(jià)電能表根據(jù)尖、峰、 平、谷各費(fèi)率的正、反向用電量累加和，分別按相應(yīng)費(fèi)率的電價(jià)實(shí)行數(shù)據(jù)分類。用戶主站根據(jù)用戶用電信息和費(fèi)率信息，通過智能電網(wǎng)管理中斷實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制；g)瞬時(shí)參量測(cè)量智能管理終端可測(cè)量電壓、火線電流、零線電流、功率、功率因數(shù)等參量。本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求1.一種基于ARM9的智能電網(wǎng)管理電能表，包括CPU和與該CPU連接的電能計(jì)量芯片， 其特征在于所述CPU為ARM9嵌入式微處理器，該ARM9嵌入式微處理器還分別與隨機(jī)存儲(chǔ)器和非易失存儲(chǔ)器連接，還包括一 GPRS無線通信模塊，該GPRS無線通信模塊通過接口電路與ARM9嵌入式微處理器連接從而實(shí)現(xiàn)基于GPRS的雙向無線通信。
2.如權(quán)利要求1所述的基于ARM9的智能電網(wǎng)管理電能表，其特征在于其中ARM9嵌入式微處理器還與采用國密SMl算法支持的專用ESAM模塊連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種智能電網(wǎng)管理終端，尤其是基于ARM9的智能電網(wǎng)管理電能表，包括CPU和與該CPU連接的電能計(jì)量芯片，其特點(diǎn)是，所述CPU為ARM9嵌入式微處理器，該ARM9嵌入式微處理器還分別與隨機(jī)存儲(chǔ)器和非易失存儲(chǔ)器連接，還包括一GPRS無線通信模塊，該GPRS無線通信模塊通過接口電路與ARM9嵌入式微處理器連接從而實(shí)現(xiàn)基于GPRS的雙向無線通信。本實(shí)用新型采用基于ARM9嵌入式CPU技術(shù)和嵌入式Linux操作系統(tǒng)技術(shù)為支撐的智能電網(wǎng)管理終端，通過基于ARM9嵌入式CPU技術(shù)的硬件電路設(shè)計(jì)為運(yùn)行Linux創(chuàng)造了硬件基礎(chǔ)，采用多線程的編程方式解決了多任務(wù)執(zhí)行、多數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。
文檔編號(hào)G01R22/06GK202066906SQ20102068780
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者關(guān)海洋, 南權(quán), 李建煒, 杜佳平 申請(qǐng)人:寧夏隆基寧光儀表有限公司