CN206961310U - 一种基于can总线的用电信息采集终端及其模组化采集系统 - Google Patents

Abstract

一种基于CAN总线的用电信息采集终端及其模组化采集系统，属于低压用电信息采集领域。所述装置的各功能模组可独立运行，控制其下采集装置与CAN总线或与带有冗余功能的各CAN通讯接口进行交互。所述CAN总线由主控模组控制，检测各模块的工作状态，同时，在主控模组正常工作时负责与主控模组的数据交互；在主控模组异常情况下，还直接通过各功能模组与CAN通讯接口协同工作上传用电信息(即，直采模式)。由于各功能模组之间通过总线互连，具备同类功能的功能模组之间相互进行冗余备份；当一功能模组出现问题时，总线控制单元能够根据故障模块的工作状态及时关断其电源和总线连接，避免因个别故障模块造成的总线故障，保证数据采集的及时与稳定。

Description

一种基于CAN总线的用电信息采集终端及其模组化采集系统

技术领域

本实用新型涉及用电信息采集技术，尤其涉及一种基于CAN总线的用电信息采集终端及其模组化采集系统。

背景技术

用电信息采集系统从2009年国家电网颁布标准，开始全面建设，至今采集覆盖率已经达97％以上，基本实现“全覆盖、全采集、全费控”的建设目标。有力支持了营销自动化水平的提高，建成了覆盖全国的采集网络，构成了最大的物联网，为电网的进一步发展与优化提供了数据支撑。采集系统在物联系统的基础层主要由采集对象、采集器、集中器组成。采集对象包括各类低压用户的电表、电能质量监测装置等，采集器负责将一定范围内的采集表计数据集中再上传至集中器，集中器将采集上来的表计数据上传至主站系统。这三个部分组成一个基本的采集单位，集中器的功能与性能决定着系统的功能的实现。

在目前的系统中，集中器通常采取一个主控单元外扩CAN通讯接口构成，CAN通讯接口受控于主控单元，需要预先有处理器进行参数配置，不能独立控制相关采集单元运行。在主控单元出现故障的情况下，其通信功能将因主控单元上传信道的阻断而失效。

随着用电信息采集范围的扩大，在气表、水表、充电桩等其他电能监测领域的需求越来越大，现有的采集终端不仅在功能上不能满足要求，在运行可靠性上也无法达到实际使用要求。尤其，现有的终端为整体式架构，各个部分之间耦合性强，一个部分出现问题对整个终端影响很大。具体而言，系统中某采集单元发生故障后，其输出的高电平将会阻塞整个系统总线，造成其他采集单元的数据无法进行有效传输。

目前的用电信息采集系统在功能上，要求所述用电信息采集终端不仅能满足表计装置外的其他行业的采集对象的要求，而且需要其面对更为复杂的用电设备，有的装置要求实时监控，需要更大的数据带宽。由于数据量增大，此数据并不一定需要主控单元处理。将这些数据上传至运算能力更为强大的服务器不失为一种有效而简便的方式。但这同样需要所述用电信息采集终端具备更高的可靠度。为满足用电信息采集范围的扩大，以及采集数据带宽的增加，现有的采集终端，其功能以及其工作的可靠性均无法达到要求。

因此，目前急需一种能够灵活进行多通道采集数据，且具备一定的灵活度，并且工作可靠的用电信息采集技术。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于CAN总线的用电信息采集方法、装置及系统。

首先，为实现上述目的，提出一种基于CAN总线的用电信息采集终端，包括：主控模组和至少一个功能模组，其特征在于，所述主控模组通过CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线与所述各功能模组或上级模块连接。这里的上级模块包括但不限于主控模组、主站或上级服务器等。

所述主控模组包括相互连接的以太网模块和主控制器(例如，主控芯片)；所述CAN通讯接口的对下接口(或对外接口)连接所述各功能模组，用于向对应的功能模组下达任务指令，获取所述各功能模组的接口电平，控制所述各功能模组的电源，并在所述上级模块故障时通过所述CAN 通讯接口向所述上级模块上传所述以太网模块的对下接口获得的注册信息，接收所述上级模块下达的任务指令，上传所述以太网模块的对下接口获得的用电信息，或上传所述以太网模块各对下接口的电平或工作状态；所述以太网模块的对上接口连接所述上级模块，用于向所述上级模块上传所述以太网模块的对下接口获得的注册信息，接收所述上级模块下达的任务指令，上传所述以太网模块的对下接口获得的用电信息，或上传所述以太网模块各对下接口的电平或工作状态；所述主控模组用于，控制所述以太网模块和所述CAN通讯接口进行对上或对下通信：在上级模块正常工作时，所述主控制器用于根据上级模块的任务指令通过所述以太网模块各对下接口控制对应功能模组；在上级模块异常时，所述主控制器用于控制所述各采样模块通过所述CAN通讯接口进行交互；这里的工作状态包括正常工作、重启、关闭或异常等等。

所述各功能模组包括CAN总线接口、通信接口以及微控制单元，所述通信接口通过USART总线(通用同步/异步串行接收/发送器，Universal Synchronous/AsynchronousReceiver/Transmitter)与所述微控制单元连接，所述微控制单元还与所述CAN总线接口连接；所述通信接口用于接收用电信息、对应接口的电平或工作状态；所述CAN总线接口用于上传所述微控制单元的注册信息，上传所述通信接口获得的用电信息，上传本功能模组的工作状态，接收所述总线控制单元下达的任务指令；所述微控制单元用于控制所述CAN总线接口和所述通信接口进行对上或对对下通信，根据所述任务指令控制本功能模组的工作状态。

进一步，上述用电信息采集终端中，所述的通信接口包括RS485 接口、CAN接口、载波通信接口、无线网络接口、小无线通信接口、遥控接口、遥信接口中的一种或多种，其中，所述RS485接口或所述CAN 接口在本功能模组关闭时与所述CAN总线隔离。

进一步的，上述用电信息采集终端中，还包括显示单元，所述显示单元与所述主控模组连接，用于显示所述用电信息采集终端的信息，并对所述用电信息采集终端进行设置。

本实用新型基于上述方法还提供一种用电信息采集系统，包括主站和至少一个用电信息采集终端，其特征在于，所述用电信息采集终端包括以太网模块、主控芯片、存储芯片、CAN通讯接口和至少一个功能模组，所述主站与所述以太网模块连接，所述主控模组通过CAN通讯接口与所述各功能模组连接，所述各功能模组包括至少一种通信接口；所述主站用于根据其接收的注册信息或更新任务请求下达任务指令、接收采集的用电信息和工作状态信息；

所述用电信息采集终端用于上传其获得的用电信息、注册信息和工作状态信息，按照所述注册信息和工作状态信息将其接收到的任务指令下达至其下的功能模组；所述用电信息采集终端还用于在接收到更新任务请求后，将所述更新任务请求上传至主站，接收所述主站重新下达的任务指令，并向所述各功能模组重新下达任务指令；

所述各功能模组用于在接收到所述任务指令后，根据所述任务指令采集对应的用电信息，上报其工作状态。

进一步的，上述用电信息采集系统中，所述主控芯片在查询到所述功能模组的工作状态异常次数超过阈值C，则重新发送对应的任务指令至所述出现异常的功能模组并上报；若向所述功能模组重新发送过N 次所述任务指令，则由所述总线控制模块关闭对应的功能模组，上报，并根据所述注册信息查找具备同样功能的其他功能模组，由其他功能模组代替出现异常的功能模组工作。

有益效果

本实用新型，在各功能模组内设置微控制单元，并在CAN总线中设置控制单元(主控芯片)，通过CAN通讯接口之间的配合，可以在任意功能模组故障的情况下，保证其下各功能模组依旧能够独立正常工作，并将各功能模组的数据上报至主站，同时，直接接受主站的指令。提高了系统的稳定性。

进一步的，所述用电信息采集终端实时查询各功能模组的工作状态，并对出现异常的功能模组进行重启或者隔离。这样，个别功能模组的故障不至于影响整个用电信息采集系统运行。用电信息数据不至于由于个别模块的故障而淹没在故障所造成的总线短路信号中。

更进一步，由于系统各功能模组可连接的采集终端有重复。在某些模块无法工作时，系统可以方便地根据其存储的注册信息寻找可代替故障终端的其他终端。进一步提高系统的稳定性。

同时，由于整个系统内，其注册信息可实时更新，用户可灵活地在采集现场对用电信息采集系统进行重新配置。这样的设计更加符合用户需求，也更加人性化。可以显著提高系统配置的效率。且，由于系统采用以太网和CAN总线传输各项数据，带宽比传统的电力线或485总线传输方式更宽，因此，数据传输速率更高，也更加能够满足日益增长的用电信息采集需求。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本实用新型的实施例一起，用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为根据本实用新型用电信息采集系统架构示意的

图2为根据本实用新型的用电信息采集方法流程图；

图3为现有的用电信息采集系统框图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1为根据本实用新型的用电信息采集系统架构示意图，系统包括：主站4和至少一个用电信息采集终端。

其中，用电信息采集终端包括以太网模块、主控芯片、存储芯片、 CAN通讯接口1和至少一个功能模组3。

所述主站4与所述以太网模块连接进行交互，所述主控模组2通过CAN隔离总线与所述总线控制单元1连接，所述主控模组2通过CAN 通讯接口与所述各功能模组3连接，所述各功能模组包括至少一种通信接口用于连接电表等采集设备；

所述主站用于根据其接收的注册信息或更新任务请求下达任务指令、接收采集的用电信息和工作状态信息；

所述用电信息采集终端的主控模组2用于上传其获得的用电信息、注册信息和工作状态信息，按照所述注册信息和工作状态信息将其接收到的任务指令下达至其下的各功能模组3；所述主控模组2还用于在接收到更新任务请求后，将所述更新任务请求上传至主站，接收所述主站重新下达的任务指令，并向对应的功能模组3重新下达任务指令；

所述主控芯片上传其获得的用电信息、注册信息，并实时控制查询所述各功能模组的工作状态信息，按照所述注册信息和工作状态信息将其接收到的任务指令下达至对应的各功能模组3；所述主控芯片还用于在某功能模组3故障时控制其他功能模组，向可能接替相同任务的功能模组下达对应的任务指令；

所述各功能模组用于在接收到所述任务指令后，根据所述任务指令采集对应的用电信息，上报其工作状态。

上述每一个模块之间协同工作的模式可通过图1的步骤流程具体得知。具体的，上述所述用电信息采集终端在查询到所述功能模组3 的工作状态异常次数超过阈值C＝3，则重新发送对应的任务指令至所述出现异常的功能模组3并上报；若向所述功能模组3重新发送过N＝3 次所述任务指令，则由主控模组2关闭对应的功能模组3，上报，并根据所述注册信息查找具备同样功能的其他功能模组3，由其他功能模组3代替出现异常的功能模组3工作。这样，通过各功能模组之间的无缝衔接配合，实现对用电信息的冗余备份，增加系统的容错能力。并且，由于主控模组2可以在检测到模块异常时及时断开故障模块与总线的连接(关闭对应模块的电源)，因此，可以有效避免个别模块故障对整个总线通讯造成的影响。

进一步地，上述用电信息采集终端还可以简化为仅仅包含以太网模块、主控芯片、存储芯片、CAN通讯接口1和至少一个功能模组3的架构模式。主控芯片通过冗余总线(CAN总线)与所述各功能模组3连接。这里的“上级模块”包括上面系统中的主站或上级服务器等。

所述主控模组2包括相互连接的以太网模块LAN9720和主控芯片 (AM3359)；所述以太网模块对上连接类似于主站4的上级模块。所述 CAN总线接口选用CTM1051，连接所述各功能模组3，用于向对应的功能模组3下达任务指令，获取所述各功能模组3的接口电平，控制所述各功能模组3的电源，并在所述上级模块故障时通过所述CAN通讯接口 1向所述上级模块上传所述注册信息，接收所述上级模块下达的任务指令，上传所述以太网模块的对下接口获得的用电信息，或上传所述以太网模块各对下接口的电平或工作状态(工作状态包括对应模块正常工作、重启、关闭、异常等状态)；所述以太网模块的对上接口连接所述上级模块，用于向所述上级模块上传CAN通讯接口1对下接口获得的注册信息，接收所述上级模块下达的任务指令，上传本模组获得的用电信息，或上传所述CAN通讯接口各对下接口的电平或工作状态；所述主控芯片主要选用如AM3359一类的ARM芯片，用于，控制所述以太网模块进行对上或对下通信：在上级模块正常工作时，所述主控制器用于根据上级模块的任务指令通过所述以太网模块各对下接口控制对应功能模组；在某模块异常时，所述控制对应功能模组3通过所述CAN通讯接口1顶替异常模组完成工作；

所述各功能模组包括CAN总线接口、通信接口(W5500、CAN口、RS485、小无线等接口)以及微控制单元(MCU)，所述通信接口通过 USART总线与所述微控制单元连接，所述微控制单元还与所述CAN总线接口连接；所述通信接口用于接收用电信息、对应接口的电平或工作状态；所述CAN总线接口用于上传所述微控制单元的注册信息，上传所述通信接口获得的用电信息，上传本功能模组的工作状态，接收所述总线控制单元1下达的任务指令；所述微控制单元用于控制所述CAN总线接口和所述通信接口进行对上或对对下通信，根据所述任务指令控制本功能模组的工作状态。也就是说，各功能模组，可以在系统中其他模组故障的情况下，通过CAN总线故障的模组实现同样的功能。各功能模组的数据不受故障的影响，均能够及时上报至主站，进一步加强整体系统的容错能力，使得数据传输更加稳定可靠。所述注册信息可根据各接口地址以及对应接口的电平情况确定。

主控模组和CAN总线控制做在一个单元内，CAN总线物理接口采用带隔离的CAN总线方式。由于各功能模块之间可通过总线沟通，具备相同功能的采集装置之间相互进行冗余备份(CAN+软件处理)；当采集装置出现问题时，CAN总线控制单元能够根据其工作状态及时关断其电源，避免因个别故障模块造成的总线拥堵。

功能模组采集数据通讯口采用高速485总线。高速485总线比普通485总线速度要快1个数量级。普通485一般：Kbps级、高速485 达到：Mbps级。由于功能模块采用高速485与下级通讯，更保证系统总线的冗余性。

更进一步地，上述的通信接口包括RS485接口、CAN接口、载波通信接口、无线网络接口(例如，GPRS网络接口、4G网络接口或CAN总线接口)、小无线通信接口、遥控接口、遥信接口中的一种或多种，其中，所述RS485接口或所述CAN接口在本功能模组关闭时与所述CAN总线隔离。功能模组接入后，将自动获取IP地址，建立TCP连接，向主控模组/主站注册，申请采集任务，实现自动采集、控制功能。这样可以保证功能模组能够兼容绝大多数的用电信息采集器，例如，图3 所示，现有集中器或采集器下的各单相电能表、三相电能表、水表以及其他用户表记。因此，本实施例所提供的用电信息采集终端完全可以替代现有技术中的集中器或采集器，而且具备现有集中器或采集器均无法达到的容错性能，数据传输更为稳定，整体效率更高。

具体而言，所述RS485接口负责采集具备RS485通信接口的用电设备如单、三相表等，遥信功能模组就地采集遥信信息，如断路器开关节点、设备的闭锁节点等，遥控输出模块实现本地的开关量输出控制，如断路器的合闸、设备电源的启动等，CAN通讯接口负责采集具有CAN 通信接口的用电设备如充电桩等，宽带与窄带模块负责采集载波表，小无线模块采集具备小无线通信接口的设备如水表采集器、气表采集器等， GPRS、以太网CAN通讯接口为上行通信，与主站交互信息。各个功能模块在初始化过程中向主站注册并申请任务，然后自动执行。

同时，本实施例中所提供的用电信息采集终端所述主控模组2接收注册信息、用电信息和工作状态后，将所述注册信息、用电信息和工作状态存储至所述存储芯片EMMC，并通过所述以太网模块上传；所述主控芯片还用于通过所述以太网模块获取任务指令，并通过所述 CTM1051芯片向所述功能模组下达。各功能模组的主芯片为STM32F207，具有CAN总线接口，载波模块的通信控制芯片为Hi3911，小无线通信芯片为SX1212，通信距离大于500米。

再进一步地，为便于用户获知用电信息采集终端的工作情况并进行设置，所述用电信息采集终端还可包括显示单元9，所述显示单元9 与所述主控模组2连接，用于显示所述用电信息采集终端的信息，并对所述用电信息采集终端进行设置。

图2为上述终端的整体工作流程示意图：

第一步，初始化，各功能模组通过CAN通讯接口1向主控模组发送注册信息；所述主控模组根据其获得的注册信息向主站请求任务指令；跳转至第二步；

第二步，由所述主控模组根据其获得的注册信息和主站的任务指令，通过CAN通讯接口向对应的功能模组下达任务指令；跳转至第三步；

第三步，所述各功能模组在接收到所述任务指令后，根据所述任务指令采集对应的用电信息和工作状态，并上传；

与所述第二步或第三步同步，所述主控模组2还实时查询所述各功能模组的工作状态：若所述功能模组的工作状态异常次数超过阈值C，则重新发送对应的任务指令至出现异常的所述功能模组并上报，重复上述第二步至第三步；若向所述功能模组重新发送过N次所述任务指令，则由所述主控芯片关闭对应的功能模组的电源以及总线连接，并上报，然后根据所述注册信息查找具备同样功能的其他功能模组，由其他功能模组代替出现异常的功能模组工作。

其中，所述注册信息包括：本功能模组的地址、属性、能够完成的任务以及与其他模块的关联关系中的一种或几种；其中，所述本功能模组的属性至少包括本功能模组采集的信息的地址集合以及采集的信息的内容。这里的关联关系包括：本模块所采集的用电信息的上游或下游数据关系，与本功能模组具有相同、相近或可相互替代的功能的其他功能模组与本功能模组之间的对应关系。

而且，所述主控模组或所述总线控制单元在接收到更新任务请求后，将所述更新任务请求上传至主站，接收所述主站重新下达的任务指令，并向对应的功能模组重新下达任务指令，所述各功能模组根据其接收到的任务指令采集对应的用电信息和工作状态。

区别于现有技术，由于各模块电源可独立控制，可关闭相关不要实时采集的模块电源，减小系统功耗，最低可降至1W，在批量使用的情况下相比于现有终端可节约大量电能，降低了使用成本。

本实用新型技术方案的优点主要体现在：本实用新型为系统中各模块提供并列的多种通道，对系统中的功能模组和主控模组均提供具备冗余功能的相应模块，在个别模块发生异常时，能够及时通过总线控制单元获取的电平情况发现异常，并及时针对异常情况进行相应的隔离以及冗余备份处理。同时，由于总线控制单元能够针对系统的运转情况实时调整各模块，并将各模块的工作情况及时上报，因此，本系统可以不受现有系统配置的限制，直接在现场针对用户需求进行个性化配置，且用户可根据当前需求实时更改相应配置，为系统带来更多的灵活性。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于CAN总线的用电信息采集终端，包括主控模组(2)和至少一个功能模组(3)，其特征在于，所述主控模组(2)通过CAN总线与所述各功能模组(3)连接，

所述主控模组(2)包括相互连接的以太网模块和主控芯片，所述主控芯片同时还与存储芯片和CAN通讯接口(1)相连，所述以太网模块的对上接口连接所述用电信息采集终端的上级装置，所述CAN通讯接口(1)的对外接口连接所述功能模组(3)；

所述各功能模组包括CAN总线接口、通信接口以及微控制单元，所述通信接口通过USART总线与所述微控制单元连接，所述微控制单元还与所述CAN总线接口连接。

2.如权利要求1所述的基于CAN总线的用电信息采集终端，其特征在于，所述通信接口包括RS485接口、CAN接口、载波通信接口、无线网络接口、小无线通信接口、遥控接口、遥信接口中的一种或多种，其中，所述RS485接口或所述CAN接口在本功能模组关闭时与所述CAN总线隔离。

3.如权利要求1所述的基于CAN总线的用电信息采集终端，其特征在于，所述用电信息采集终端还包括显示单元(9)，所述显示单元(9)与所述主控模组(2)连接，用于显示所述用电信息采集终端的信息，并对所述用电信息采集终端进行设置。

4.一种基于CAN总线的用电信息模组化采集系统，包括主站(4)和至少一个具有如权利要求1所述结构的用电信息采集终端，其特征在于，所述用电信息采集终端包括以太网模块、主控芯片、存储芯片、CAN通讯接口(1)和至少一个功能模组(3)，所述主站(4)与所述以太网模块连接，所述主控模组(2)通过CAN通讯接口(1)与所述各功能模组(3)连接，所述各功能模组包括至少一种通信接口。

5.如权利要求4所述的基于CAN总线的用电信息模组化采集系统，其特征在于，所述主控模组(2)中，所述主控芯片还与显示单元(9) 连接。

6.如权利要求4所述的基于CAN总线的用电信息模组化采集系统，其特征在于，所述主控模组(2)中以太网模块选用LAN9720芯片。

7.如权利要求6所述的基于CAN总线的用电信息模组化采集系统，其特征在于，所述功能模组中，所述主控芯片为ARM芯片。

8.如权利要求6所述的基于CAN总线的用电信息模组化采集系统，其特征在于，所述功能模组中，所述存储芯片为EMMC芯片。

9.如权利要求6所述的基于CAN总线的用电信息模组化采集系统，其特征在于，所述功能模组中，所述CAN通讯接口为CTM1051芯片。

10.如权利要求6所述的基于CAN总线的用电信息模组化采集系统，其特征在于，所述功能模组中，所述通讯接口为SB75176B芯片。