具有WIFI通讯功能的电能表

1.一种具有WIFI通讯功能的电能表，该电能表硬件具体包括：ARM中央处理器、FLASH芯片、SDRAM、电源芯片、电能计量芯片、电压互感器、电流互感器、液晶显示屏、继电器及WIFI无线网卡，其中：
ARM中央处理器，通过NAND Flash控制器连接FLASH芯片，通过内存控制器与两片SDRAM连接；通过接口与WIFI无线网卡连接；通过GPIO接口与液晶显示屏、继电器相连；通过SPI接口与电能计量芯片的输出端相连；
WIFI无线网卡与ARM中央处理器互连；
电能计量芯片，通过差分电压输入管脚和差分电流输入管脚分别连接该电压互感器、电流互感器的输出端，通过SPI接口与ARM中央处理器相连；
电源芯片，5V电源输出端连接电能计量芯片和液晶显示屏的电源输入端；经LM1086转换成3.3V电源输出并且连接ARM中央处理器、FLASH芯片及两片SDRAM的电源输入端；
继电器，其输出端与外部电网的电压/电流输入端相连；
液晶显示屏，通过GPIO接口连接ARM中央处理器；
电压互感器、电流互感器，各自的输入端分别与外部电网相连；
其中，所述的ARM中央处理器为32位的S3C2440A；
所述的电能计量芯片为CS5460A；
其特征在于：电能表运行具体流程如下：
a、硬件初始化和嵌入式Linux操作系统初始化：
本电能表的硬件和嵌入式Linux操作系统初始化过程如下：电能表采用中央处理器S3C2440A的NAND Flash引导模式，该模式采用一种Stepping Stone的方式实现；在Linux操作系统启动时首先把NAND Flash首地址4K的代码拷贝到片内的Stepping Stone，该区域是被映射到0x0地址的SRAM中，然后在SRAM中运行这部分拷过来的代码，来完成电能表的启动；Stepping Stone只有4K，采用一种分阶段引导的策略，即：将启动过程分为阶段A和阶段B；
阶段A包含硬件初始化代码，采用汇编语言实现；该阶段包括以下步骤：
1)硬件初始化；
2)完成对片外SDRAM的初始化，SDRAM即为阶段B运行所需的RAM空间；
3)拷贝启动过程阶段B代码到SDRAM空间中；
4)跳转到阶段B的C程序入口点；
阶段B包括以下步骤：
1)初始化本阶段要使用到的硬件设备；
2)检测Linux操作系统内存映射；
3)将内核映像从FLASH芯片上读到SDRAM中；
4)为内核设置启动参数；
5)调用内核；
b、当未接到各种中断请求时，中央处理器S3C2440A循环执行喂看门狗程序、执行显示本月累计电量值的显示程序、判断是否更新时段、读电能计量芯片CS5460A的电流瞬时寄存器和电压瞬时寄存器的值以判断是否该过电流或过电压或欠压断电保护，完成以上功能后主程序随时准备接受外部中断；
c、当接收到上位机通讯中断请求时，响应中断并调用WIFI通讯处理程序进行处理：
如果是接收到抄表指令则将存储到FLASH芯片中的电量、本地MAC地址信息通过WIFI无线通讯模块发送给上位机；
如果接收到上位机发送的实时电价参数调整指令则调用本地程序进行电价参数的调整；
如果接收到上位机发送的限电/送电指令则调用程序通过GPIO接口控制继电器断电或送电；
之后返回主程序；
d、主程序等待采样结束时的中断；当电能计量芯片CS5460A的电能输出引脚和电能方向指示器引脚输出脉冲时，中断程序根据记忆在中央处理器S3C2440A时钟里的时段参数以及实时时钟的值来判断当前的时段类型，S3C2440A响应外部中断进行电量的累加，并将结果存放到外部扩展的FLASH芯片中，然后退出中断程序进入过程b。

具有WIFI通讯功能的电能表\n技术领域：\n[0001] 本发明涉及一种具有WIFI通讯功能的电能表，具体是指一种利用WIFI(Wireless Fidelity)无线网络进行信息交换的电能表。属于智能电能表和远程自动抄表领域。\n背景技术：\n[0002] 随着科技的进步和网络技术的发展，利用各种先进的网络技术进行居民用户水、电、煤气三表的远程抄收和管理已经成为可能。传统的手工抄表技术一方面要耗费巨大的人力物力，带来入户安全等附加问题，另一方面，管理部门无法实时的采集和记录用户用水、电、煤气的各种数据，无法实现系统远程自动化管理。随着电价的改革，供电部门为迅速出账，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、分时电量和负荷曲线等，自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。所以利用各种通讯技术进行远程自动抄表(Automatic Meter Reading，简称AMR)和管理已是大势所趋。在欧美等发达国家，利用RF(Radio Frequency)抄表和利用PLC(Power Line carrierCommunication)进行抄表已比较成熟。但是由于居民居住形式和网络等基础设施等环境的不同，目前它们在我国实际使用并不多见。\n[0003] 国内传统电能表的通信方式一般选择红外抄表、485串口传输等通信方式进行抄表。红外通信距离很近，一般不超过20米；而485通信需要另外铺设电缆，这对已经建好的居民小区等是非常困难的。这些传统通信方式已经满足不了目前远程抄表的需要。目前也有一些论文探讨基于以太网通讯的电能表和基于GPRS通讯的电能表，但是基于以太网的方式需要在楼道和家庭内布线，前期要穿墙打孔，后期要有专门的人员维护线缆接触不良的问题以及进行网络和安全管理，前期建设费用和后期维护费用仍然巨大。基于GPRS的电能表要借用中国移动的通讯网络进行通讯，因而要不停地向中国移动交费，运行费用让一般用户难以承受。\n[0004] 当前，无线通信与互联网是发展最为迅猛的通信系统和信息网络。其中由于WIFI无线宽带通讯不用布线，使用无需申请使用许可的2.4GHz左右的无线频段，被业界公认为是解决“最后100米接入问题”的理想方案；另外采用WIFI方式通讯可在小区内组成局域网，局域网内的通讯是不用交费的。前期不用布线，后期维护也很方便，大大降低建设和维护费用。另外上端可基于FTTH(Fiber To The Home)接入、网线接入、无线接入等多种方式接入互联网，可根据实际情况灵活的选择上层接入方案。因此采用WIFI方式通讯的电能表和远程抄表方案，对解决居民等用户用电数据的远程抄收以及电能负荷等的远程管理和监控将是一个较好的选择。\n[0005] WIFI是一种适用于办公室和家庭、小高层大楼中使用的中短距离无线技术。该技术基于IEEE 802.11标准，可使用2.4GHz附近的频段，该频段目前尚属无需申请使用许可的无线频段。其目前正在使用的通信标准为IEEE 802.11a、IEEE802.11b和IEEE 802.11g。\n2006年1月，高速下一代WIFI标准802.11n草案通过。WIFI技术的突出优势在于：\n[0006] 其一，WIFI无线电波的覆盖范围较广。基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右，约合15米，而且透过承重墙进行数据传输效果不理想；而WIFI的传输范围为室外最大300m，室内有障碍的情况下最大100m，家庭范围内自不用说，就是在整栋小高层的大楼中也可使用。\n[0007] 其二，费用比较低廉。只要在楼道合适位置放置一台具有抄表功能的WIFI抄表终端，此单元的百米以内的带有WIFI通讯模块的电能表即可与之抄表通讯。也就是说，不用耗费资金来进行网络布线接入，从而节省了前期建设大量的成本。同时也能克服后期有线维护困难的问题。同时带有WIFI通讯模块的电能表与WIFI抄表终端在小区内可组成局域网，可节省大量的运行费用。\n[0008] 第三，便于扩充，每个WIFI抄表终端最多可支持100个无线连接。从面向NGN(Next Generation Network)的角度分析，在未来，不用重新布线，抄表终端即可与家中安装有无线网卡的家用电器等联网通讯，除了抄表以外，还可实现IPTV、安防控制、远程医疗、信息家电等功能，从而真正的实现数字家庭。\n[0009] 因此采用WIFI技术进行抄表数据的通讯与采用有线技术相比，可降低建设成本，缩短业务开通时间，加快城市及农村等偏远地区的信息化建设，尤其适用于旧城区改造、新建小区、有线通讯不方便或不发达的地区、广大的农村等地区的抄表通讯。\n[0010] 目前北京、上海等大城市正在采用WIFI和WIMAX(WorldwideInteroperability for Microwave Access)技术建设无线城市，其它的大中城市也纷纷计划建设。无线城市的建设为采用WIFI进行通讯的电能表的应用提供了一种新的网络接入形式，加上目前已有的有线宽带转接WIFI接入形式，采用WIFI进行通讯的电能表在远程抄表领域可以预见将有较为广阔的市场前景。\n[0011] 发明目的：\n[0012] 本发明的目的在于提供一种具有WIFI通讯功能的电能表，为电能表的远程抄表的实现提出一种较为经济有效的方式。以节省前期另行建立有线通信网络和后期有线维护的费用，实现宽带无线网络资源的免费共享和用户电能数据的远程实时管理，大大节省资源成本。\n[0013] 本发明为一种具有WIFI通讯功能的电能表，其硬件设计如下：\n[0014] 该电能表具体包括：\n[0015] ARM中央处理器、FLASH芯片、SDRAM、电源芯片、电能计量芯片、电压互感器、电流互感器、液晶显示屏、继电器及WIFI无线网卡，其中：\n[0016] ●ARM中央处理器，通过NAND Flash控制器(NAND Flash Controller)连接FLASH芯片，通过内存控制器(Memory Controller)与两片SDRAM连接；通过USB串口与WIFI无线网卡连接；通过GPIO接口与液晶显示屏、继电器相连；通过SPI接口与电能计量芯片的输出端相连。\n[0017] ●电压互感器、电流互感器，各自的输入端分别与外部电网相连。\n[0018] ●电能计量芯片，通过差分电压/电流输入管脚分别连接该电压互感器、电流互感器的输出端，通过SPI接口与ARM中央处理器相连。\n[0019] ●电源芯片，5V电源输出端连接电能计量芯片和液晶显示屏的电源输入端；经LM1086转换成3.3V电源输出并且连接ARM中央处理器、FLASH芯片及两片SDRAM的电源输入端。\n[0020] ●继电器，其输出端与该外部电网的电压/电流输入端相连。\n[0021] ●液晶显示屏，通过GPIO连接ARM中央处理器。\n[0022] ●WIFI无线网卡，通过USB接口与ARM中央处理器互连。\n[0023] 其中，所述的ARM中央处理器为32位的S3C2440A。\n[0024] 其中，所述的FLASH芯片为64M的K9F1208。\n[0025] 其中，所述的SDRAM为32M的Hynix561620。\n[0026] 其中，所述的电源芯片为LM7805、LM1086。\n[0027] 其中，所述的电能计量芯片为CS5460A。\n[0028] 其中，所述的电压互感器为SCT254FK。\n[0029] 其中，所述的电流互感器为SPT204E。\n[0030] 其中，所述的继电器为HHC67F。\n[0031] 其中，所述的WIFI无线网卡为VIAVT6656。\n[0032] 本发明的电能表的工作原理是：首先由采样电路中的电流互感器、电压互感器把电路中的电压和电流转变成电能计量芯片所需要的输入电流和输入电压范围之内。电能计量芯片根据其内部的瞬时电压和瞬时电流计算瞬时功率，再输出脉冲计数器计算电能。然后将电流、电压、电能和功率传给ARM中央处理器(能量值通过脉冲输出)，ARM中央处理器将这些数据存储到FLASH芯片上，并通过GPIO口控制液晶屏使之显示电量等信息。ARM中央处理器还可与上位机(抄表终端)WIFI通讯模块进行通讯：在接收到抄表指令后将用电量等信息通过WIFI通讯模块发送给上位机；接收到限电/送电指令之后通过继电器限电或送电，接收到修改实时电价等指令修改存储到扩展NAND Flash中的相应参数等。\n[0033] 本发明为一种具有WIFI通讯功能的电能表，其优点及功效在于：采用WIFI进行通讯的电能表以及采用WIFI技术构建远程抄表网络与采用有线技术相比，首先免除布线的麻烦，不需要破坏建筑物、架线等，可降低前期建设成本和后期维护成本，采用无线的方式是传统有线网络方式成本的1/4；其次安装快速，可以缩短业务开通时间，加快城市及农村等偏远地区的信息化建设；第三具有灵活的扩展性，可方便的扩充无线抄表点。本技术尤其适用于旧城区改造、新建小区，有线通讯不方便或不发达的地区构建远程抄表系统。\n[0034] 目前北京、上海等大城市正在采用WIFI和WIMAX(WorldwideInteroperability for Microwave Access)技术建设无线城市，其它的大中城市也纷纷计划建设。无线城市的建设为采用WIFI进行通讯的电能表的应用提供了一种新的网络接入形式，加上目前已有的有线宽带转接WIFI接入形式，采用WIFI进行通讯的电能表在远程抄表领域可以预见将有较为广阔的市场前景。\n附图说明：\n[0035] 图1所示为本发明电能表的硬件组成框图\n[0036] 图2所示为本发明电能表运行程序流程图\n具体实施方式：\n[0037] 下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。\n[0038] 请参阅图1，本发明的电能表，其硬件电路采用32位ARM9处理器S3C2440A作为系统中央处理器(CPU)，负责对整个系统的控制和信息的处理。电源部分由电源芯片LM7805来稳定变压器产生的5V直流电压，提供给电能计量芯片CS5460A、液晶显示屏LCM1602使用，并可经电源芯片LM1086转换成3.3V直流电压提供给中央处理器S3C2440A、外接\n64MFLASH芯片K9F1208及两片32M的SDRAM Hynix561620作为工作电压。电能计量芯片CS5460A通过电流互感器SCT254FK和电压互感器SPT204E从电线上采集到电流和电压的小信号，通过计算得到电流有效值、电压有效值、功率值及电量等各种参数。中央处理器S3C2440A通过SPI接口读取电能计量芯片CS5460A计算得到的所有电能参数进行处理，并存储到NAND FLASH芯片K9F1208中。其中通过通用管脚GPIO将数据输出到字符型液晶显示屏LCM1602，并可根据条件决定是否通过继电器HHC67F断电或者送电。系统通过WIFI无线通信方式与上位机通信。WIFI无线网卡采用威盛公司的基于802.11b协议的VIA VT6656，它通过USB接口与中央处理器S3C2440A连接，实现网络通讯。\n[0039] 为了方便实现WIFI无线通讯功能，本电能表的ARM应用系统采用基于嵌入式Linux操作系统的方式。在硬件装置实现的基础上，系统还要实现嵌入式Linux下的硬件驱动和用户任务的处理。硬件驱动主要包括SPI、USB、通过USB转接的WIFI通讯模块的驱动。\n其中SPI和USB的驱动嵌入式Linux系统已经自带，USB转接的WIFI通讯模块VIA VT6656的驱动由威盛公司提供。\n[0040] 本发明电能表系统运行流程如下：\n[0041] 先硬件初始化和嵌入式Linux操作系统初始化，之后进入用户任务的处理：一方面随时处理来自电能计量芯片的中断，检测到之后计算电量并存储；另一方面随时检测上位机是否发来集抄指令，检测到之后进行相应的处理并通过WIFI通讯模块进行通讯。如图\n2所示，具体流程如下：\n[0042] 1、硬件初始化和嵌入式Linux操作系统初始化：\n[0043] 本电能表的硬件和嵌入式LINUX操作系统初始化(Bootloader)过程如下：本系统采用中央处理器S3C2440的NAND Flash引导模式，该模式采用一种Stepping Stone的方式实现。在系统启动时首先把NAND Flash首地址4K的代码拷贝到片内的Stepping Stone，该区域是被映射到0x0地址的SRAM中，然后在SRAM中运行这部分拷过来的代码，来完成系统的启动。Stepping Stone只有4K，无法满足引导系统的要求，所以采用一种分阶段引导的策略，即：将启动过程分为阶段A和阶段B。\n[0044] 阶段A主要包含硬件初始化代码，采用汇编语言实现。该阶段包括以下步骤：\n[0045] 1)硬件初始化。\n[0046] 2)完成对片外SDRAM的初始化，SDRAM即为阶段B运行所需的RAM空间。\n[0047] 3)拷贝Bootloader阶段B代码到SDRAM空间中。\n[0048] 4)跳转到阶段B的C程序入口点。\n[0049] 阶段B用C语言实现，这样可以实现更复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。包括以下步骤：\n[0050] 1)初始化本阶段要使用到的硬件设备。\n[0051] 2)检测系统内存映射。\n[0052] 3)将内核映像和从Flash上读到SDRAM中。\n[0053] 4)为内核设置启动参数。\n[0054] 5)调用内核。\n[0055] 2、当未接到各种中断请求时，中央处理器S3C2440A循环执行喂看门狗程序、执行显示本月累计电量直的显示程序、判断是否更新时段、读电能计量芯片CS5460A的电流瞬时寄存器和电压瞬时寄存器的值以判断是否该过电流或过电压或欠压断电保护。完成以上功能后程序随时准备接受外部中断。\n[0056] 3、当接收到上位机通讯中断请求时，响应中断并调用WIFI通讯处理程序进行处理：\n[0057] ●如果是接收到抄表指令则将将存储到FLASH芯片中的电量、本地MAC地址等信息通过WIFI无线通讯模块发送给上位机；\n[0058] ●如果接收到上位机发送的实时电价等参数调整指令则调用本地程序进行电价等参数的调整；\n[0059] ●如果接收到上位机发送的限电/送电指令则调用程序通过GPIO接口控制继电器断电或送电。\n[0060] 之后返回主程序。\n[0061] 4、主程序等待采样结束时的中断。当电能计量芯片CS5460A的电能输出引脚(EOUT)和电能方向指示器引脚(EDIR)输出脉冲时，中断程序根据记忆在中央处理器S3C2440A时钟里的时段参数以及实时时钟的值来判断当前的时段类型，S3C2440A响应外部中断进行电量的累加，并将结果存放到外部扩展的Flash存储器中，然后退出中断服务程序进入过程2。