基于ARM+Linux的光网络高速抄表网络系统设计

肖 监，王玉萍，刘 磊，桂 专（贵州电力科学研究院，贵阳 550000）

基于ARM+Linux的光网络高速抄表网络系统设计

肖 监，王玉萍，刘 磊，桂 专
（贵州电力科学研究院，贵阳 550000）

目前智能用电系统中，居民用户远程抄表一般使用低压电力载波信道，电力载波信道不稳定，导致抄读数据少，成功率低。针对此问题，以ARM9 AT91SAM9G25芯片硬件平台和光纤作通信通道，以IEC62056协议通信协议为基础，设计了高速、稳定、系统灵活的抄表网络。光纤使用无源光纤EPON，通信协议使用IEC62056协议，自描述，自协商，自接入。应用结果证明：系统能够极大提高抄表效率、抄表可靠性及灵活性。

ARM9；光纤；Linux系统；高速；抄表网络

在智能用电居民集中抄表领域，目前主要使用远程抄表取代最初的人工上门抄读。远程抄表一般使用低压电力线载波，但受到通信信道稳定性差、带宽低的影响，对居民用户的数据采集时，一天只能抄读一个数据，用于数据监控和费用结算。随着智能用电系统要求逐步提升，电网需要逐步实现居民用户用电数据的实时监控，因此必须使用稳定、高速的通信通道及设备取代当前抄表方式。EPON无源光纤通信具有通信距离远、通信带宽高、不易干扰、技术成熟、施工便利等特点，可以满足高速、稳定的抄表要求［1］。本系统设计使用ARM9芯片作为主CPU，具有体积小、功耗低、成本低、性能优、外设资源充足、文档丰富及嵌入式应用多等优点，因而得到广泛应用。嵌入式Linux操作系统由于代码开源、可移植、软硬件可裁剪，支持各种应用平台，被广泛应用到嵌入式系统中［2］。IEC62056是国际IEC电工协会公开发布的能源信息领域通信标准及协议，具有多层自动协商、密匙认证、自接入等特点，能较大提高系统兼容性和灵活性［3］。因此，本文以ARM9为系统硬件平台，嵌入Linux系统为软件平台，以IEC62056为通信协议，光纤为通信通道，设计了网络高速抄表系统。

1 系统架构

系统设计框图如图1所示，为整个系统通信框架图。

图1 光纤抄表系统架构图

图1中，集中器终端通过网口和光纤终端（OLT）连接，OLT连接光纤，光纤通过分光器扩展为多条光纤（比例有1∶8、1∶16、1∶32等），光纤连接到各个光纤电能表上，终端通过光纤网络和电能表通信。EPON设备无源光纤可现实20 km可靠通信。无源光纤属于纯物理光传输，不会受外部环境干扰，运行稳定，维护便利［4］。一个集中器可以带一个OLT，每个OLT可以带1 024块电能表，实现5 min所有电能表数据轮询一遍，抄表稳定，速率较电力载波方式提高了近万倍，满足实时运行数据监控需求。

2 硬件平台

硬件系统框架如图2所示。

图2 系统硬件架构

图2中，终端以32位ARM9为硬件核心，400 M的运行主频，所有外设之间的交互，通过CPU高速协调处理（部分DMA处理除外）。CPU和外设之间，除部分遥信、遥控、直流量、脉冲等直接使用GPIO端子，其他部分使用总线通信，包括CPU和内存、时钟、网卡芯片、串口，Flash等外设。终端使用Linux系统为软件平台，建立多进程及多线程运行系统。终端各个功能模块使用独立的线程运行管理，各线程并行处理。各外设一般使用中断方式，合理分配终端的处理器资源，提高响应速度。

3 软件架构

软件系统框架如图3所示。

图3 系统软件架构图

图3中，终端软件设计主要以系统数据库为基础进行数据的交换，系统数据库包括实时运行数据库和任务数据库。实时数据库中包括了运行参数、当前数据、控制参数、扩展参数等，保存在内存中，任务数据库包括终端抄读电能表的历史曲线数据，保存在外部固态Flash上，并按照软件算法，终端一次读取100条记录到内存中，满足抄读历史曲线数据抄读的需求，终端其他线程需要终端当前数据或状态时，直接读取数据库相应的数据项，终端其他线程运行产生新的数据项时，及时保存到终端数据库中。

4 应用程序设计

网络点对点抄读主流程如图4所示。

图4 点对点抄表主流程

图4中，终端为实现和大量电能表之间点对点通信，使用网口和OLT设备连接，通过OLT经过分光器连接到各个电能表上，终端和电能表的通信可以使用TCP或UDP通信方式，终端根据需求主动发送通信帧，并等待电能表应答，终端使用时间片轮询的方式，保证数据抄读效率。

网络点对点抄读详细流程如图5所示。

图5 点对点抄表详细流程

图5中，终端对电能表的抄读控制，通过该流程算法，终端搜索需要抄读的电能表及电能表数据项，在一个周期对10只以上的电能表发起抄读请求帧，并在一个周期查询电能表返回数据帧，对返回帧的IP和端口，匹配到相应的电能表上，将抄读到的数据存储到数据库中。

5 试验结果

通过终端程序实现，搭建系统图1中的框架试验局，并接入大量光纤表和电脑模拟电能表，通过电能表自动协商接入到终端设备中，终端在每个周期自动采集电能表数据，并使用终端软件对终端抄读的数据进行抄读，分析数据的稳定性和采集速度。

试验过程中，将终端和电能表及光通信网络设备OLT、分光器、电能表模拟表等接入，通过电脑网路抓包软件监控光纤/网络中通信数据帧，并分析帧信息，电能表和终端通信协商使用要求的IEC62056协议接入，自动协商接入终端网络，终端根据协商结果自动维护电能表档案库，并在每个抄表周期，主动抄读电能表数据。

试验结果表明，基于ARM9硬件平台，在嵌入式Linux操作系统下，通过光纤网络，IEC62056协议抄读电能表数据，能实现高速、稳定、灵活的抄表需求，满足系统实时大量抄表需求，系统高效、灵活、可靠，具有广泛的应用价值。

［1］ Daniel P Bovet，Marco Cesati.Understanding the Linux Kernel［M］.3rd Edition.USA：O′Reilly Media，Inc，2005.

［2］ 中国电信集团公司.EPON/GPON技术问答［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［3］ 国家质量监督检验检疫总局，IEC.Electricity metering-Data exchange for meter reading，tariff and laod control Part 53：COSEM application layer［S］.

［4］ 王庆，胡卫，程博雅，等.光纤接入网规划设计手册［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［5］ Karim Yaghmour，Jon Master，Gilad Ben-yossef.Building Embedded Linux Systems［M］.USA：O′Reilly Media，Inc，2008.

［6］ Gary R Wright，W Richard Stevens，TCP/IP Illustrated Volume 2：The Implementation［M］.USA：Addison-Wesley Proffessional，2011.

［7］ W Richard Stevens.TCP/IP Illustrated Volume 3：TCP for Transactions，HTTP，NNTP，and the UNIX Domain Protocols［M］.USA：Addison-Wesley Proffessional，1996.

High-speed optical network meter reading system based on ARM and Linux

XIAO Jian，WANG Yu⁃ping，LIU Lei，GUI Zhuan
（Guizhou Electric Power Science Institute，Guiyang 550000，China；）

At present，in the intelligent power system，the remote meter reading of resident users generally use low power line carrier channel（PLC）.The PLC channel is not steady，causes few meter data，low communication success rate.To solve this problem，the optical network meter reading system is designed in embedded linux operating system on ARM9 AT91SAM9G25 chip.Based on communication protocol follow IEC62056，it designs high speed，steady，flexible system of meter reading network.The fibre-optical uses EPON communication fellow IEC62056.It can realize auto negotiation，automatic access.The experiment results confirm that the system can greatly improve the efficiency of meter reading，reliability and flexibility of the system.

ARM9；optical fiber；Linux system；high speed；meter reading network

2015-11-30

TM933.47

B

10.3969/j.issn.1009-1831.2016.04.012