專利名稱：：一種低壓電力線寬帶載波集中器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種低壓電力線寬帶載波集中器，它能夠通過無線通信技術(shù)接收管理中心下發(fā)的指令，通過低壓電力線寬帶載波技術(shù)接收采集器(專門用于采集用戶電能表電量信息的設(shè)備)上傳的用戶電量，再通過無線通信技術(shù)將用戶電量發(fā)送給管理中心。其中，涉及到嵌入式Linux操作系統(tǒng)技術(shù)、寬帶電力線載波技術(shù)、基于GPRS(通用無線分組業(yè)務(wù))的無線通信技術(shù)、嵌入式數(shù)據(jù)庫技術(shù)、多路I/O復(fù)用技術(shù)，屬于電力系統(tǒng)自動抄表
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：在我國電力工業(yè)快速發(fā)展的同時，電力體制改革也逐步深入，電力系統(tǒng)商業(yè)化運營對電業(yè)局的運行和調(diào)度水平提出了更高要求，不僅需要準(zhǔn)確、準(zhǔn)時抄錄用電戶的用電量，計算線損，做好線路的優(yōu)化，還需要了解每天的用電曲線，做好負(fù)荷預(yù)測，為電廠或者電站進(jìn)行有效的反饋，使其能更有效地制定計劃發(fā)電。因此，傳統(tǒng)的人工抄表的計量方式已經(jīng)不能滿足商業(yè)化運營的要求。目前，國內(nèi)現(xiàn)有的電能表自動抄表系統(tǒng)，從電能表、采集器到集中器大都采取485布線、窄帶低頻電力線載波或無線通信方式。這些抄表系統(tǒng)普遍存在施工難度大、帶寬過窄、速率過低、實時性差、不能實現(xiàn)雙向快速通信等問題，難以滿足供電企業(yè)建設(shè)“用電信息一體化采集平臺”的要求，更不能滿足用電預(yù)付費、斷復(fù)電和防竊電等高層次的管理要求。針對以上問題，提出采用低壓電力線寬帶載波通信新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用抄表系統(tǒng)，由于電力線寬帶載波通信技術(shù)采用了OFDM(正交頻分復(fù)用)、DMT(多載波調(diào)制)等調(diào)制技術(shù)，解決了長期以來電力線載波通信技術(shù)不穩(wěn)定、不可靠、信號衰減大、傳輸帶寬和距離受限制等問題。集中器在整個寬帶載波抄表系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，是整個抄表系統(tǒng)的橋梁，決定著系統(tǒng)的整體性能。
發(fā)明內(nèi)容1、目的本發(fā)明的目的是提供一種低壓電力線寬帶載波集中器，它采用嵌入式設(shè)計，將嵌入式微控制器技術(shù)、寬帶電力線載波技術(shù)、GPRS無線通信技術(shù)、嵌入式數(shù)據(jù)庫技術(shù)、多路I/O復(fù)用技術(shù)等功能集成于一體，可以現(xiàn)場通過GPRS通信模塊接收管理中心下發(fā)的抄表指令，抄收用戶電量數(shù)據(jù)，并將用戶電量數(shù)據(jù)通過GPRS通信模塊發(fā)送到管理中心。2、技術(shù)方案本發(fā)明一種低壓電力線寬帶載波集中器，它是由硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)兩大部分構(gòu)成，其中硬件結(jié)構(gòu)是整個低壓電力線寬帶載波集中器的硬件平臺，軟件結(jié)構(gòu)是基于此硬件平臺下開發(fā)的驅(qū)動程序與應(yīng)用程序，軟件結(jié)構(gòu)操控硬件結(jié)構(gòu)。(1)硬件結(jié)構(gòu)現(xiàn)在大多集中器采用單片機技術(shù)實現(xiàn)，但存在處理速度偏低，抄表時間長，處理任務(wù)單一，存儲空間過小等問題，已難以適應(yīng)當(dāng)前電力計量復(fù)雜化、實時化的趨勢。因此，將高性能的嵌入式處理器和多任務(wù)操作系統(tǒng)應(yīng)用于自動抄表系統(tǒng)中，實現(xiàn)新型的寬帶載波集中4器，可以大幅度地提高系統(tǒng)的整體性能。如圖1所示，本發(fā)明一種低壓電力線寬帶載波集中器，其整個集中器硬件結(jié)構(gòu)由微控制器單元、數(shù)據(jù)存儲單元、電量存儲單元、電力線網(wǎng)橋通信單元、GPRS通信單元、電源模塊單元六部分組成；它們之間的連接關(guān)系是微控制器單元與數(shù)據(jù)存儲單元采用數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線連接；微控制器單元與電量存儲單元采用數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線連接；微控制器單元與電力線網(wǎng)橋通信單元采用以太網(wǎng)連接；微控制器單元與GPRS通信單元采用485總線連接；微控制器單元與電源模塊單元采用電源總線連接。其中微控制器單元是整個集中器的核心，它控制數(shù)據(jù)存儲單元、電量存儲單元、電力線網(wǎng)橋單元與GPRS通信單元的有序運行，數(shù)據(jù)存儲單元主要實現(xiàn)內(nèi)核鏡像、文件系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序的存儲，電量存儲單元主要實現(xiàn)用戶電量數(shù)據(jù)的同步存儲，電力線網(wǎng)橋通信單元主要實現(xiàn)該集中器與采集器之間的數(shù)據(jù)交互，GPRS通信單元主要實現(xiàn)集中器與管理中心的數(shù)據(jù)交互，電源模塊單元主要實現(xiàn)為整個集中器硬件部分提供所需電源。所述微控制器單元是采用三星基于ARM920T內(nèi)核的32位嵌入式微處理器，最高工作頻率可達(dá)533MHz；其帶有MMU內(nèi)存管理單元可支持WindowsCE、Linux等嵌入式操作系統(tǒng)，具有豐富的片上資源，如IXD、DMA控制器，以及USB、以太網(wǎng)、UART、攝像頭、觸摸屏等接所述數(shù)據(jù)存儲單元是采用一片三星的存儲芯片(64MXm3it)，用于儲存系統(tǒng)的BootLoader、OS內(nèi)核鏡像、文件系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序；采用兩片三星的存儲芯片(4MX16bitX4Banks)構(gòu)成64MB的同步動態(tài)隨機存取存儲器(即SDRAM)，用于加載Linux操作系統(tǒng)和運行應(yīng)用程序。所述電力線網(wǎng)橋通信單元是選用廣東珠海天瑞公司自主研發(fā)的200M加強版電力線網(wǎng)橋模塊，它采用西班牙DS2芯片組，它利用原有低壓電力線，以200Mbps的物理層通訊速率構(gòu)建局域網(wǎng)或接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)通信。具有免布線、組網(wǎng)方便快捷、終端靈活移動等優(yōu)點。電力線網(wǎng)橋工作原理將以太網(wǎng)接口過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換變成模擬信號，用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制到2M-32M頻率帶寬的1536個載波上，由模擬前端對信號進(jìn)行濾波和自適應(yīng)功率放大，再從PLC信號接口耦合到電力線進(jìn)行傳輸；將電力線上用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制到2M-32M頻率帶寬的1536個載波信號從PLC接口提取出來，進(jìn)行濾波和自適應(yīng)功率放大后解調(diào)節(jié)、A/D轉(zhuǎn)換、最后還原為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)接口輸出進(jìn)行傳輸，實現(xiàn)借助電力線傳輸數(shù)據(jù)。在電力線通信端具有網(wǎng)絡(luò)配置、網(wǎng)絡(luò)診斷和分析、應(yīng)答重傳機制、載波偵聽、10級以下的中繼和最佳路由選擇。電力線網(wǎng)橋模塊具有10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口、獨立的電力線寬帶載波信號耦合接口、對電力線寬帶載波信號具有自動動態(tài)增益調(diào)整功能、功率自動調(diào)整，能防止不同網(wǎng)絡(luò)間的干擾、具有自動中繼與線路優(yōu)化功能、能夠避免廣播風(fēng)暴與網(wǎng)絡(luò)環(huán)回等優(yōu)點。所述GPRS通信單元是采用山東力創(chuàng)科技有限公司開發(fā)的通信單元，它為用戶提供高速、永遠(yuǎn)在線、透明數(shù)據(jù)傳輸通道。該通信單元是基于中國移動通訊運營商的GSM/GPRS通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)備，采用當(dāng)今前沿內(nèi)核技術(shù)設(shè)計的一款工業(yè)級無線通訊終端產(chǎn)品，適用于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的各種室內(nèi)或野外惡劣環(huán)境，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的透明傳輸。模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-485接口與集中器RS-485接口連接、插入SIM卡、接上5V電源即可正常工作，模塊上電后自動撥號上網(wǎng)，穩(wěn)定在線、斷線自動重?fù)?，按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量大小產(chǎn)生費用，沒有數(shù)據(jù)流量時不產(chǎn)生費用。5所述電量存儲單元為該集中器提供了大容量用戶電量存儲，它可以根據(jù)需要靈活選擇。所述電源模塊單元是采用將220V交流電經(jīng)變壓器、整流、濾波后輸出兩路5V直流電壓，2路5V直流電壓通過兩片電壓芯片轉(zhuǎn)換為2路3.3V，一路3.3V電壓對控制器及外圍電路器件供電，另一路3.3V電壓對GPRS模塊供電，單獨供電最大程度避免了外圍電路給控制器帶來的影響。由于S3C2440需要3.3V和1.3V兩種電壓，故再利用一片電壓芯片將3.3V轉(zhuǎn)成1.3V。電源系統(tǒng)為整個集中器的各個部分提供5V、3.3V和1.3V電壓。其中，該微控制器單元的型號是ARM9S3CM40；其中，該數(shù)據(jù)存儲單元采用一片存儲芯片的型號是K9F1208，兩片存儲芯片的型號是HY57V561620；其中，該電力線網(wǎng)橋通信單元的型號是TR-DLQ03C；其中，該GPRS通信單元的型號是LQ8110；其中，該電量存儲單元根據(jù)需要選擇SD卡或U盤作為集中器外部存儲器；其中，該電源模塊單元采用兩片電壓芯片的型號是AS^15_33，一片電壓芯片的型號是LM1117-ADJ。(2)軟件結(jié)構(gòu)集中器與管理中心通信采用GPRS無線通信方式，被動的接收管理中心下發(fā)的指令和數(shù)據(jù)，暫存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后調(diào)用協(xié)議處理函數(shù)，根據(jù)協(xié)議規(guī)定，判斷管理中心發(fā)來的是何種指令，并作出相應(yīng)的應(yīng)答。集中器與采集器通信采用主動下發(fā)抄表指令并接收電表數(shù)據(jù)的方式。在沒有與管理中心通信的時候，集中器進(jìn)行自動控制，完成抄表前的參數(shù)設(shè)置，再根據(jù)管理中心所下發(fā)的抄表起始時間和間隔、抄表路徑進(jìn)行自動抄表。根據(jù)設(shè)置判斷是否應(yīng)該把抄到的數(shù)據(jù)按照一定的格式凍結(jié)到嵌入式數(shù)據(jù)庫，以便管理中心隨時提取電表電量數(shù)據(jù)。同時，對繼電器分合指令進(jìn)行判斷，完成對電表的供電、斷電操作。本發(fā)明的低壓電力線寬帶載波集中器，其軟件架構(gòu)示意圖如圖2所示。軟件結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)調(diào)度、電力線網(wǎng)橋模塊、RS485驅(qū)動模塊、GPRS無線通信模塊、嵌入式數(shù)據(jù)庫模塊等部分組成。系統(tǒng)調(diào)度負(fù)責(zé)整個軟件系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，首先，操作系統(tǒng)加載RS485驅(qū)動模塊，再通過GPRS無線通信模塊等待接收管理中心向集中器發(fā)送的抄表指令，集中器接收到抄表指令后調(diào)用電力線網(wǎng)橋模塊將指令轉(zhuǎn)發(fā)給采集器，等待采集器將用戶電量采集完畢后再次調(diào)用電力線網(wǎng)橋模塊將采集器數(shù)據(jù)全部接收，然后調(diào)用嵌入式數(shù)據(jù)庫模塊將數(shù)據(jù)按照指定的格式存入數(shù)據(jù)庫，存儲操作完成之后再將數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信模塊發(fā)送給管理中心。所述系統(tǒng)調(diào)度是整個軟件系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)調(diào)度是由Linux內(nèi)核以及應(yīng)用程序的主函數(shù)組成。它負(fù)責(zé)整個軟件系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，其它模塊的操作任務(wù)的發(fā)出與控制都是由系統(tǒng)調(diào)度來完成的。所述電力線網(wǎng)橋模塊由設(shè)置IP及端口、創(chuàng)建套接字、綁定套接字、監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)、等待連接、申明fd_set讀集合、讀集合清零、網(wǎng)口設(shè)備加入讀集合、寫網(wǎng)口設(shè)備文件、讀網(wǎng)口設(shè)備文件等部分組成，它負(fù)責(zé)集中器與電力線網(wǎng)橋通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行通信，由于集中器需要與多臺采集終端通過電力線網(wǎng)橋進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以將集中器作為服務(wù)器端，采集終端作為客戶端。網(wǎng)絡(luò)通信采用的協(xié)議有TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，TCP傳輸控制協(xié)議是一種面向連接的協(xié)議，當(dāng)我們的網(wǎng)絡(luò)程序使用這個協(xié)議的時候，網(wǎng)絡(luò)可以保證我們的集中器端和采集器端的連接是可靠的、安全的；UDP數(shù)據(jù)用戶報協(xié)議是一種非面向連接的協(xié)議，這種協(xié)議并不能保證我們的網(wǎng)絡(luò)程序連接是可靠的，所以本項目采用TCP協(xié)議。為了實現(xiàn)集中器端與采集器端的通信，集中器端和采集器端都必須創(chuàng)建套接字，集中器端在創(chuàng)建套接字后，需要指定監(jiān)聽的端口來等待采集器，因此還要將套接字與端口號進(jìn)行綁定，之后集中器處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待采集器來連接指定端口，當(dāng)接收到采集器的連接請求后，集中器調(diào)用接收函數(shù)來建立與采集器間的通信，在成功建立通信后，就可以使用讀函數(shù)寫函數(shù)進(jìn)行通信。電力線網(wǎng)橋流程圖如圖3所示。所述RS485驅(qū)動模塊是由端口初始化、與應(yīng)用程序相對應(yīng)的open函數(shù)、與應(yīng)用程序相對應(yīng)的ioctl函數(shù)，與應(yīng)用程序相對應(yīng)的close函數(shù)、創(chuàng)建file_operations結(jié)構(gòu)體、驅(qū)動模塊的加載、驅(qū)動模塊的卸載等部分組成，它主要負(fù)責(zé)RS485的接收與發(fā)送使能端之間的切換，驅(qū)動程序按照字符設(shè)備驅(qū)動的模式編寫。所述GPRS無線通信模塊是由打開串口設(shè)備文件、串口初始化設(shè)置、打開GPRS設(shè)備文件、GPRS接收或者發(fā)送狀態(tài)的設(shè)置、申明fd_set讀集合、讀集合清零、串口設(shè)備加入讀集合、延時、讀串口設(shè)備文件、寫串口設(shè)備文件等部分組成，它主要負(fù)責(zé)集中器與管理中心的通信，集中器與GPRS模塊采用485接口通信，485通信與RS232通信的區(qū)別在于控制器需要通過IO端口控制485的接收與發(fā)送，所以集中器與GPRS模塊通信的程序由設(shè)備驅(qū)動程序與應(yīng)用程序組成。驅(qū)動程序按照字符設(shè)備驅(qū)動程序的模式編寫，以模塊的形式加載到內(nèi)核中；應(yīng)用程序主要完成串口參數(shù)的設(shè)置、調(diào)用驅(qū)動程序、讀寫串口數(shù)據(jù)。在Linux下進(jìn)行串口通信首先需要打開串口設(shè)備文件，使用open函數(shù)打開串口，對于串口的打開操作必須使用0_N0CTTY參數(shù)，該參數(shù)表示如果打開的是一個終端設(shè)備，程序不會成為對應(yīng)這個端口的控制終端；設(shè)置串口通信參數(shù)，主要包括波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位、數(shù)據(jù)流控制等；讀寫串口是通過使用read函數(shù)和write函數(shù)實現(xiàn)，在對串口進(jìn)行讀操作時使用了select函數(shù)達(dá)到多路復(fù)用的目的。應(yīng)用程序流程圖如圖4所示。所述嵌入式數(shù)據(jù)庫模塊是由打開數(shù)據(jù)庫、創(chuàng)建表格、插入數(shù)據(jù)、查詢數(shù)據(jù)等部分組成，它用于將用戶電量存儲，本發(fā)明采用當(dāng)今前沿的嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫技術(shù)，它的目標(biāo)是盡量簡單，因此它拋棄了傳統(tǒng)企業(yè)級數(shù)據(jù)庫的種種復(fù)雜特性，只實現(xiàn)對于數(shù)據(jù)庫而言必備的功能。SQLite數(shù)據(jù)庫具有以下優(yōu)點零配置，不需要任何管理性的配置過程、支持SQL92標(biāo)準(zhǔn)、所有數(shù)據(jù)存放到單獨的文件中，支持的最大文件可達(dá)2TB，體積小、檢索效率高、簡單易用的API接口。在使用SQLite數(shù)據(jù)庫之前先要把它移植到Linux操作系統(tǒng)中，然后在應(yīng)用程序中聲明sqlite關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針，執(zhí)行Sqlite3_0pen函數(shù)打開數(shù)據(jù)庫，如果數(shù)據(jù)庫已經(jīng)存在則直接打開現(xiàn)存的數(shù)據(jù)庫，否則創(chuàng)建一個新的數(shù)據(jù)庫，通過sqlite3_exec函數(shù)執(zhí)行create語句創(chuàng)建表格，在每次接收到采集器上傳的定時用戶電量數(shù)據(jù)后，通過Sqlite3_exeC函數(shù)執(zhí)行insert語句將用戶電量數(shù)據(jù)存儲在表格中，當(dāng)管理中心需要查詢某一整點時刻的用戶歷史電量時，應(yīng)用程序通過sqlite3_get_table函數(shù)執(zhí)行select語句查詢出歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫軟件流程圖如圖5所示。本發(fā)明的低壓電力線寬帶載波集中器，其主要工作過程如下集中器上電運行初始化程序，等待管理中心向集中器發(fā)送抄表指令(包括定時抄表時間間隔、抄表路徑)，接7收到抄表指令后，集中器將抄表指令轉(zhuǎn)發(fā)給采集器，等待采集器將臺區(qū)內(nèi)所有的用戶電量采集完畢，集中器接收完所有的用戶電量后，先將用戶表號、用戶電量以及抄表時間存入SD卡或者外掛U盤存儲器，等待數(shù)據(jù)存儲完畢后將用戶表號、用戶電量以及抄表時間再轉(zhuǎn)發(fā)給管理中心，這樣一次抄表過程結(jié)束；同時集中器還具有用戶歷史電量查詢功能，管理中心向集中器發(fā)送抄表指令(包括所需查詢的電表表號以及抄表時間)，集中器接收到抄表指令后立即啟動數(shù)據(jù)庫查詢程序，根據(jù)電表表號及抄表時間查詢對應(yīng)的用戶電量，并將查詢結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給管理中心。3、優(yōu)點及功效本發(fā)明一種低壓電力線寬帶載波集中器，其優(yōu)點和有益效果如下1.設(shè)備主要電子模塊單元設(shè)計采用較好的抗電磁干擾電路，排除電磁干擾的影響；2.通過電力線寬帶載波技術(shù)實現(xiàn)與采集器通信，具有傳輸速率快、可靠性高、實時性強等優(yōu)點；3.采用GPRS無線通信技術(shù)有效地解決了集中器與管理中心之間遠(yuǎn)距離傳輸問題；4.采用嵌入式數(shù)據(jù)庫對用戶電量進(jìn)行管理，有效地解決了國內(nèi)目前集中器在存儲用戶電量時存儲速度慢、存儲容量小等諸多問題；5.采用當(dāng)今前沿的多路I/O復(fù)用技術(shù)，避免了集中器在接收采集器或者管理中心發(fā)送來的消息時程序陷入阻塞狀態(tài)；圖1本發(fā)明硬件結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明軟件架構(gòu)示意3寬帶載波電力線網(wǎng)橋流程示意4GPRS應(yīng)用程序流程示意5數(shù)據(jù)庫軟件流程示意中符號說明如下1微控制器單元；2數(shù)據(jù)存儲單元；3電量存儲單元；4電力線網(wǎng)橋通信單元；5GPRS通信單元；6電源模塊單元；7系統(tǒng)調(diào)度；8電力線網(wǎng)橋模塊；9RS485驅(qū)動模塊；10GPRS無線通信模塊；11嵌入式數(shù)據(jù)庫模塊。具體實施例方式本發(fā)明一種低壓電力線寬帶載波集中器，它是由硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)兩大部分構(gòu)成軟件結(jié)構(gòu)操控硬件結(jié)構(gòu)。(1)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個集中器硬件結(jié)構(gòu)由微控制器單元1、數(shù)據(jù)存儲單元2、電量存儲單元3、電力線網(wǎng)橋通信單元4、GPRS通信單元5、電源模塊單元6組成。微控制器單元1與數(shù)據(jù)存儲單元2采用數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線連接；微控制器單元1與電量存儲單元38采用數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線連接；微控制器單元1與電力線網(wǎng)橋通信單元4采用以太網(wǎng)連接；微控制器單元1與GPRS通信單元5采用485總線連接；微控制器單元1與電源模塊單元6采用電源總線連接。其中微控制器單元1是整個集中器的核心，它控制數(shù)據(jù)存儲單元2、電量存儲單元3、電力線網(wǎng)橋單元4與GPRS通信單元5的有序運行，數(shù)據(jù)存儲單元2主要實現(xiàn)內(nèi)核鏡像、文件系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序的存儲，電量存儲單元3主要實現(xiàn)用戶電量數(shù)據(jù)的同步存儲，電力線網(wǎng)橋通信單元4主要實現(xiàn)集中器與采集器之間的數(shù)據(jù)交互，GPRS通信單元5主要實現(xiàn)集中器與管理中心的數(shù)據(jù)交互，電源模塊單元6主要實現(xiàn)為整個集中器硬件部分提供所需電源。低壓電力線寬帶載波集中器的主要工作過程如下集中器通過電源模塊單元6提供的電源上電啟動初始化程序，通過GPRS通信單元5等待管理中心向集中器發(fā)送抄表指令(包括定時抄表時間間隔、抄表路徑)，接收到抄表指令后，集中器將抄表指令通過電力線網(wǎng)橋通信單元4轉(zhuǎn)發(fā)給采集器，等待采集器將臺區(qū)內(nèi)所有的用戶電量采集完畢，集中器通過電力線網(wǎng)橋通信單元4接收完所有的用戶電量后，調(diào)用電量存儲單元3將用戶表號、用戶電量以及抄表時間存入SD卡或者外掛U盤存儲器，等待數(shù)據(jù)存儲完畢后將用戶表號、用戶電量以及抄表時間通過GPRS通信單元5轉(zhuǎn)發(fā)給管理中心，這樣一次抄表過程結(jié)束；同時集中器還具有用戶歷史電量查詢功能，管理中心通過GPRS通信單元5向集中器發(fā)送抄表指令(包括所需查詢的電表表號以及抄表時間)，集中器接收到抄表指令后立即調(diào)用電量存儲單元3啟動數(shù)據(jù)庫查詢程序，根據(jù)電表表號及抄表時間查詢對應(yīng)的用戶電量，并將查詢結(jié)果通過GPRS通信單元5轉(zhuǎn)發(fā)給管理中心。所述微控制器單元1是采用三星ARM9S3CM40處理器，它是基于ARM920T內(nèi)核的32位嵌入式微處理器，最高工作頻率可達(dá)533MHz；其帶有MMU內(nèi)存管理單元可支持WindowsCE.Linux等嵌入式操作系統(tǒng)，具有豐富的片上資源，如IXD、DMA控制器，以及USB、以太網(wǎng)、UART、攝像頭、觸摸屏等接口。所述數(shù)據(jù)存儲單元2是采用一片三星的K9F1208芯片(64MX8bit)，用于儲存系統(tǒng)的BootLoader,OS內(nèi)核鏡像、文件系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序；采用兩片三星的HY57V561620芯片(4MX16bitX4Banks)構(gòu)成64MB的SDRAM(同步動態(tài)隨機存取存儲器)，用于加載Linux操作系統(tǒng)和運行應(yīng)用程序。所述電量存儲單元3為集中器提供了大容量用戶電量存儲，可以根據(jù)需要靈活選擇SD卡或者U盤作為集中器外部存儲器。所述寬帶電力線網(wǎng)橋單元4是選用珠海天瑞公司自主研發(fā)的200M加強版電力線網(wǎng)橋TR-DLQ03C模塊，它采用西班牙DS2芯片組，它利用原有低壓電力線，以200Mbps的物理層通訊速率構(gòu)建局域網(wǎng)或接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)通信。具有免布線、組網(wǎng)方便快捷、終端靈活移動等優(yōu)點。電力線網(wǎng)橋工作原理將以太網(wǎng)接口過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換變成模擬信號，用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制到2M-32M頻率帶寬的1536個載波上，由模擬前端對信號進(jìn)行濾波和自適應(yīng)功率放大，再從PLC信號接口耦合到電力線進(jìn)行傳輸;將電力線上用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制到2M-32M頻率帶寬的1536個載波信號從PLC接口提取出來，進(jìn)行濾波和自適應(yīng)功率放大后解調(diào)節(jié)、A/D轉(zhuǎn)換、最后還原為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)接口輸出進(jìn)行傳輸，實現(xiàn)借助電力線傳輸數(shù)據(jù)。在電力線通信端具有網(wǎng)絡(luò)配置、網(wǎng)絡(luò)診斷和分析、應(yīng)答重傳機制、載波偵聽、10級以下的中繼和最佳路由選擇。電力線網(wǎng)橋模塊具有10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口、獨立的電力線寬帶載波信號耦合接口、對電力線寬帶載波信號9具有自動動態(tài)增益調(diào)整功能、功率自動調(diào)整，能防止不同網(wǎng)絡(luò)間的干擾、具有自動中繼與線路優(yōu)化功能、能夠避免廣播風(fēng)暴與網(wǎng)絡(luò)環(huán)回等優(yōu)點。所述GPRS通信單元5是采用山東力創(chuàng)科技有限公司開發(fā)的LQ8110，它為用戶提供高速、永遠(yuǎn)在線、透明數(shù)據(jù)傳輸通道。LQ8110是基于中國移動通訊運營商的GSM/GPRS通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)備，采用當(dāng)今前沿內(nèi)核技術(shù)設(shè)計的一款工業(yè)級無線通訊終端產(chǎn)品，適用于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的各種室內(nèi)或野外惡劣環(huán)境，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的透明傳輸。模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-485接口與集中器RS-485接口連接、插入SIM卡、接上5V電源即可正常工作，模塊上電后自動撥號上網(wǎng)，穩(wěn)定在線、斷線自動重?fù)?，按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量大小產(chǎn)生費用，沒有數(shù)據(jù)流量時不產(chǎn)生費用。所述電源模塊單元6是采用將220V交流電經(jīng)變壓器、整流、濾波后輸出兩路5V直流電壓，2路5V直流電壓通過兩片AS^15-33電壓芯片轉(zhuǎn)換為2路3.3V，一路3.3V電壓對控制器及外圍電路器件供電，另一路3.3V電壓對GPRS模塊供電，單獨供電最大程度避免了外圍電路給控制器帶來的影響。由于S3C2440需要3.3V和1.3V兩種電壓，故再利用一片LM1117-ADJ將3.3V轉(zhuǎn)成1.3V。電源系統(tǒng)為整個集中器的各個部分提供5V、3.3V和1.3V電壓。(2)軟件結(jié)構(gòu)集中器與管理中心通信采用GPRS無線通信方式，被動的接收管理中心下發(fā)的指令和數(shù)據(jù)，暫存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后調(diào)用協(xié)議處理函數(shù)，根據(jù)協(xié)議規(guī)定，判斷管理中心發(fā)來的是何種指令，并作出相應(yīng)的應(yīng)答。集中器與采集器通信采用主動下發(fā)抄表指令并接收電表數(shù)據(jù)的方式。在沒有與管理中心通信的時候，集中器進(jìn)行自動控制，完成抄表前的參數(shù)設(shè)置，再根據(jù)管理中心所下發(fā)的抄表起始時間和間隔、抄表路徑進(jìn)行自動抄表。根據(jù)設(shè)置判斷是否應(yīng)該把抄到的數(shù)據(jù)按照一定的格式凍結(jié)到嵌入式數(shù)據(jù)庫，以便管理中心隨時提取電表電量數(shù)據(jù)。同時，對繼電器分合指令進(jìn)行判斷，完成對電表的供電、斷電操作。見圖2，軟件結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)調(diào)度7、電力線網(wǎng)橋模塊8、RS485驅(qū)動模塊9、GPRS無線通信模塊10、嵌入式數(shù)據(jù)庫模塊11等部分組成。系統(tǒng)調(diào)度7負(fù)責(zé)整個軟件系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，首先，操作系統(tǒng)加載RS485驅(qū)動模塊9，再通過GPRS無線通信模塊10等待接收管理中心向集中器發(fā)送的抄表指令，集中器接收到抄表指令后調(diào)用電力線網(wǎng)橋模塊8將指令轉(zhuǎn)發(fā)給采集器，等待采集器將用戶電量采集完畢后再次調(diào)用電力線網(wǎng)橋模塊8將采集器數(shù)據(jù)全部接收，然后調(diào)用嵌入式數(shù)據(jù)庫模塊11將數(shù)據(jù)按照指定的格式存入數(shù)據(jù)庫，存儲操作完成之后再將數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信模塊10發(fā)送給管理中心。所述系統(tǒng)調(diào)度7是整個軟件系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)整個軟件系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，其它模塊的操作任務(wù)的發(fā)出與控制都是由系統(tǒng)調(diào)度來完成的。所述電力線網(wǎng)橋模塊8負(fù)責(zé)集中器與電力線網(wǎng)橋通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行通信，由于集中器需要與多臺采集終端通過電力線網(wǎng)橋進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以將集中器作為服務(wù)器端，采集終端作為客戶端。網(wǎng)絡(luò)通信采用的協(xié)議有TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，TCP傳輸控制協(xié)議是一種面向連接的協(xié)議，當(dāng)我們的網(wǎng)絡(luò)程序使用這個協(xié)議的時候，網(wǎng)絡(luò)可以保證我們的集中器端和采集器端的連接是可靠的、安全的；UDP數(shù)據(jù)用戶報協(xié)議是一種非面向連接的協(xié)議，這種協(xié)議并不能保證我們的網(wǎng)絡(luò)程序連接是可靠的，所以本項目采用TCP協(xié)議。為了實現(xiàn)集中器端與采集器端的通信，集中器端和采集器端都必須創(chuàng)建套接字，集中器端在創(chuàng)建套接字后，需要指定監(jiān)聽的端口來等待采集器，因此還要將套接字與端口號進(jìn)行綁定，之后集中器處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待采集器來連接指定端口，當(dāng)接收到采集器的連接請求后，集中器調(diào)用接收函數(shù)來建立與采集器間的通信，在成功建立通信后，就可以使用讀函數(shù)寫函數(shù)進(jìn)行通信。電力線網(wǎng)橋流程圖如圖3所示。所述RS485驅(qū)動模塊9主要負(fù)責(zé)RS485的接收與發(fā)送使能端之間的切換，驅(qū)動程序按照字符設(shè)備驅(qū)動的模式編寫。所述GPRS無線通信模塊10主要負(fù)責(zé)集中器與管理中心的通信，集中器與GPRS模塊采用485接口通信，485通信與RS232通信的區(qū)別在于控制器需要通過IO端口控制485的接收與發(fā)送，所以集中器與GPRS模塊通信的程序由設(shè)備驅(qū)動程序與應(yīng)用程序組成。驅(qū)動程序按照字符設(shè)備驅(qū)動程序的模式編寫，以模塊的形式加載到內(nèi)核中；應(yīng)用程序主要完成串口參數(shù)的設(shè)置、調(diào)用驅(qū)動程序、讀寫串口數(shù)據(jù)。在Linux下進(jìn)行串口通信首先需要打開串口設(shè)備文件，使用open函數(shù)打開串口，對于串口的打開操作必須使用0_N0CTTY參數(shù)，該參數(shù)表示如果打開的是一個終端設(shè)備，程序不會成為對應(yīng)這個端口的控制終端；設(shè)置串口通信參數(shù)，主要包括波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位、數(shù)據(jù)流控制等；讀寫串口是通過使用read函數(shù)和write函數(shù)實現(xiàn)，在對串口進(jìn)行讀操作時使用了select函數(shù)達(dá)到多路復(fù)用的目的。圖4是GPRS應(yīng)用程序流程示意圖。所述嵌入式數(shù)據(jù)庫模塊11用于將用戶電量存儲，本發(fā)明采用當(dāng)今前沿的嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫技術(shù)，它的目標(biāo)是盡量簡單，因此它拋棄了傳統(tǒng)企業(yè)級數(shù)據(jù)庫的種種復(fù)雜特性，只實現(xiàn)對于數(shù)據(jù)庫而言必備的功能。SQLite數(shù)據(jù)庫具有以下優(yōu)點零配置，不需要任何管理性的配置過程、支持SQL92標(biāo)準(zhǔn)、所有數(shù)據(jù)存放到單獨的文件中，支持的最大文件可達(dá)2TB，體積小、檢索效率高、簡單易用的API接口。在使用SQLite數(shù)據(jù)庫之前先要把它移植到Linux操作系統(tǒng)中，然后在應(yīng)用程序中聲明sqlite關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針，執(zhí)行Sqlite3_0pen函數(shù)打開數(shù)據(jù)庫，如果數(shù)據(jù)庫已經(jīng)存在則直接打開現(xiàn)存的數(shù)據(jù)庫，否則創(chuàng)建一個新的數(shù)據(jù)庫，通過Sqlite3_exeC函數(shù)執(zhí)行create語句創(chuàng)建表格，在每次接收到采集器上傳的定時用戶電量數(shù)據(jù)后，通過Sqlite3_exeC函數(shù)執(zhí)行insert語句將用戶電量數(shù)據(jù)存儲在表格中，當(dāng)管理中心需要查詢某一整點時刻的用戶歷史電量時，應(yīng)用程序通過sqlite3_get_table函數(shù)執(zhí)行select語句查詢出歷史數(shù)據(jù)。圖5是數(shù)據(jù)庫軟件流程示意圖。當(dāng)集中器工作時，先按照集中器中默認(rèn)的定時抄表時間間隔和抄表路徑抄收采集器的用戶電量，等待采集器將用戶電量上傳完畢以后，啟動嵌入式數(shù)據(jù)庫存儲操作，將用戶電表表號、用戶電量數(shù)據(jù)、抄表時間同步存入數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)數(shù)據(jù)庫存儲操作結(jié)束以后，將RS485總線切換到發(fā)送狀態(tài)，將用戶電表表號、用戶電量數(shù)據(jù)、抄表時間按照規(guī)定的通信協(xié)議通過GPRS無線通信發(fā)送給管理中心，再將將RS485總線切換到接收狀態(tài)；管理中心能夠重新設(shè)定抄表時間間隔，并可以選擇以下四種操作類型定時立即抄表、定時歷史抄表、單次立即抄表、單次歷史抄表，將以上操作按照規(guī)定的通信協(xié)議通過GPRS無線通信發(fā)送給集中器，集中器接收到管理中心下發(fā)的抄表指令之后，判斷指令是立即抄表還是歷史抄表，如果是歷史抄表，則啟動數(shù)據(jù)庫查詢操作，將查詢到的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的通信協(xié)議通過GPRS無線通信發(fā)送給管理中心，如果為立即抄表，則按照規(guī)定的通信協(xié)議將指令通過寬帶電力線網(wǎng)橋模塊發(fā)送給采集器，采集器接收到集中器下發(fā)的抄表指令之后，按照指令要求采集用戶電量，采集完全部用戶電量后，將用戶電量數(shù)據(jù)通過寬帶電力線網(wǎng)橋模塊上傳給集中器，集中器接收到數(shù)據(jù)后先執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲操作，再將用戶電量數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信發(fā)送給管理中心。權(quán)利要求1.一種低壓電力線寬帶載波集中器，其特征在于它是由硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)兩大部分構(gòu)成，該硬件結(jié)構(gòu)是整個低壓電力線寬帶載波集中器的硬件平臺，該軟件結(jié)構(gòu)是基于此硬件平臺下開發(fā)的驅(qū)動程序與應(yīng)用程序，軟件結(jié)構(gòu)操控硬件結(jié)構(gòu)；所述硬件結(jié)構(gòu)，由微控制器單元、數(shù)據(jù)存儲單元、電量存儲單元、電力線網(wǎng)橋通信單元、GPRS通信單元和電源模塊單元六部分組成，其中，微控制器單元與數(shù)據(jù)存儲單元采用數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線連接；微控制器單元與電量存儲單元采用數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線連接；微控制器單元與電力線網(wǎng)橋通信單元采用以太網(wǎng)連接；微控制器單元與GPRS通信單元采用485總線連接；微控制器單元與電源模塊單元采用電源總線連接；該微控制器單元是整個集中器的核心，它控制數(shù)據(jù)存儲單元、電量存儲單元、電力線網(wǎng)橋單元與GPRS通信單元的有序運行，該數(shù)據(jù)存儲單元實現(xiàn)內(nèi)核鏡像、文件系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序的存儲，該電量存儲單元實現(xiàn)用戶電量數(shù)據(jù)的同步存儲，該電力線網(wǎng)橋通信單元實現(xiàn)集中器與采集器之間的數(shù)據(jù)交互，該GPRS通信單元實現(xiàn)集中器與管理中心的數(shù)據(jù)交互，該電源模塊單元實現(xiàn)為整個集中器硬件部分提供所需電源；所述軟件結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)調(diào)度、電力線網(wǎng)橋模塊、RS485驅(qū)動模塊、GPRS無線通信模塊和嵌入式數(shù)據(jù)庫模塊組成；其間關(guān)系是系統(tǒng)調(diào)度負(fù)責(zé)整個軟件系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，操作系統(tǒng)加載RS485驅(qū)動模塊，再通過GPRS無線通信模塊等待接收管理中心向集中器發(fā)送的抄表指令，集中器接收到抄表指令后調(diào)用電力線網(wǎng)橋模塊將指令轉(zhuǎn)發(fā)給采集器，等待采集器將用戶電量采集完畢后再次調(diào)用電力線網(wǎng)橋模塊將采集器數(shù)據(jù)全部接收，然后調(diào)用嵌入式數(shù)據(jù)庫模塊將數(shù)據(jù)按照指定的格式存入數(shù)據(jù)庫，存儲操作完成之后再將數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信模塊發(fā)送給管理中心；該系統(tǒng)調(diào)度是整個軟件系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)調(diào)度是由Linux內(nèi)核以及應(yīng)用程序的主函數(shù)組成，它負(fù)責(zé)整個軟件系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，其它模塊的操作任務(wù)的發(fā)出與控制都是由系統(tǒng)調(diào)度來完成的；該電力線網(wǎng)橋模塊由設(shè)置IP及端口、創(chuàng)建套接字、綁定套接字、監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)、等待連接、申明fd_set讀集合、讀集合清零、網(wǎng)口設(shè)備加入讀集合、寫網(wǎng)口設(shè)備文件和讀網(wǎng)口設(shè)備文件組成，它負(fù)責(zé)集中器與電力線網(wǎng)橋通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)通信采用的協(xié)議有TCP協(xié)議和UDP協(xié)議；該RS485驅(qū)動模塊是由端口初始化、與應(yīng)用程序相對應(yīng)的open函數(shù)、與應(yīng)用程序相對應(yīng)的ioctl函數(shù)、與應(yīng)用程序相對應(yīng)的close函數(shù)、創(chuàng)建file_operations結(jié)構(gòu)體、驅(qū)動模塊的加載和驅(qū)動模塊的卸載組成，它主要負(fù)責(zé)RS485的接收與發(fā)送使能端之間的切換，驅(qū)動程序按照字符設(shè)備驅(qū)動的模式編寫；該GPRS無線通信模塊是由打開串口設(shè)備文件、串口初始化設(shè)置、打開GPRS設(shè)備文件、GPRS接收或者發(fā)送狀態(tài)的設(shè)置、申明fd_set讀集合、讀集合清零、串口設(shè)備加入讀集合、延時、讀串口設(shè)備文件和寫串口設(shè)備文件組成，它負(fù)責(zé)集中器與管理中心的通信，集中器與GPRS模塊采用485接口通信，所以集中器與GPRS模塊通信的程序由設(shè)備驅(qū)動程序與應(yīng)用程序組成；驅(qū)動程序按照字符設(shè)備驅(qū)動程序的模式編寫，以模塊的形式加載到內(nèi)核中；應(yīng)用程序主要完成串口參數(shù)的設(shè)置、調(diào)用驅(qū)動程序、讀寫串口數(shù)據(jù)；該嵌入式數(shù)據(jù)庫模塊是由打開數(shù)據(jù)庫、創(chuàng)建表格、插入數(shù)據(jù)和查詢數(shù)據(jù)組成，它用于將用戶電量存儲，采用嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫技術(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓電力線寬帶載波集中器，其特征在于該微控制器單元的型號是ARM9S3C2440。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓電力線寬帶載波集中器，其特征在于該數(shù)據(jù)存儲單元采用一片存儲芯片的型號是K9F1208，兩片存儲芯片的型號是HY57V561620。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓電力線寬帶載波集中器，其特征在于該電力線網(wǎng)橋通信單元的型號是TR-DU103C。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓電力線寬帶載波集中器，其特征在于該GPRS通信單元的型號是U18110。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓電力線寬帶載波集中器，其特征在于該電量存儲單元根據(jù)需要選擇SD卡或U盤作為集中器外部存儲器。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓電力線寬帶載波集中器，其特征在于該電源模塊單元采用兩片電壓芯片的型號是AS^15-33，一片電壓芯片的型號是LM1117-ADJ。全文摘要本發(fā)明一種低壓電力線寬帶載波集中器，它是由硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)兩大部分構(gòu)成；硬件結(jié)構(gòu)由微控制器單元、數(shù)據(jù)存儲單元、電量存儲單元、電力線網(wǎng)橋通信單元、GPRS通信單元、電源模塊單元組成；軟件結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)調(diào)度、電力線網(wǎng)橋模塊、RS485驅(qū)動模塊、GPRS無線通信模塊、嵌入式數(shù)據(jù)庫模塊組成。它采用嵌入式設(shè)計，將嵌入式微控制器技術(shù)、寬帶電力線載波技術(shù)、GPRS無線通信技術(shù)、嵌入式數(shù)據(jù)庫技術(shù)、多路I/O復(fù)用技術(shù)等功能集成于一體，現(xiàn)場通過GPRS通信模塊接收管理中心下發(fā)的抄表指令，并將用戶數(shù)據(jù)通過GPRS通信模塊發(fā)送到管理中心。該集中器操作簡單，使用方便，在電力系統(tǒng)自動抄表
技術(shù)領(lǐng)域：
里具有實用價值和應(yīng)用前景。文檔編號G08C19/00GK102194309SQ201110118458公開日2011年9月21日申請日期2011年5月9日優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日發(fā)明者胡曉光,陳可申請人:北京航空航天大學(xué)