CN208141584U - 一种能源计量数据在线采集与监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种能源计量数据在线采集与监控系统，由两大部分构成，一部分是以MCU控制模块为中心的硬件平台；另一部分是以主站为中心的管理中心平台，其特征在于，硬件平台包括嵌入式控制器电路、RS‑485通信电路、GPRS通信电路、电力载波通信电路、时钟电路、显示电路、电源电路、键盘输入电路、JTAG调试电路和存储电路；RS‑485通信电路，GPRS通信电路，电力载波通信电路通过串口连接MCU；DS3231时钟电路通过I2C连接MCU，键盘输入电路通过MCU的通用IO口相连，JTAG电路，FLASH存储电路通过SPI总线与MCU相连，显示电路通过总线扩展接口连接MCU。采集器共采用了RS‑485通信电路和电力载波通信电路二种通信方式。适用和兼容这两种通信方式，能够在绝大多数智能电表环境中使用。

Description

一种能源计量数据在线采集与监控系统

技术领域

本实用新型属于自动化仪表技术领域，涉及能源数据采集，该系统尤其适合对用电信息进行数据采集，分析和控制。

背景技术

近年来国内外许多国家都在大力开展电力信息采集器的研发工作，其发展可谓之迅速。在我国，实现电能数据采集及数据管理的方法有很多种，现行的采集方案及管理模式都是在特定场景下诞生的阶段性产物，在实际运行过程中由于现场环境的复杂和多变，通信成功率、准确率、实时性都得不到可靠的保障，适用范围也有一定的限制。因此实现方便、高效、智能、实时、稳定的电力信息采集器具有积极的意义。

现有技术中也有解决此类问题的专利申请，如：

CN201210502090.5《一种具有采集功能的ONU设备》，包括采集MCU模块、存储器、RS-485接口、以太网交换模块和ONU模块芯片，采集MCU模块分别与存储器、RS-485接口、以太网交换模块连接，以太网交换模块与ONU模块芯片连接，RS-485接口与采用DL/T645通信规约的电能表连接。这种设备可直接进行电力信息采集，并且在本地通信网使用EPON技术实现光通信。EPON 网络的高带宽、高可靠性以及网络化的应用将使得用电信息采集系统的物理网络具有极高的容量，可以很容易的拓展业务范围和内容，提供增值服务。

CN201110376408.5《一种多通信技术式电力信息采集控制方法》，先用监控系统启动建立电力信息采集网络节点档案，将指令数据通过通信接口配置下发网络节点的物理端口号和地址，选择以太网的基于TCP/IP通信协议的通信网络，硬件模块即插即用；监控系统下发的指令经信息采集控制单元判断网络节点的物理端口号，自动配置进入通信模式，系统调用相应的通信组网协议后，系统完成电力信息采集的通信网络组网，实现基于多通信技术式电力信息采集控制；其硬件组成结构合理，原理可靠，软件配置科学，数据采集准确，通讯成功率高，覆盖范围广，可有效地实现对电力系统信息采集的控制。

CN201210560527.0《一种表地址自动上传抄表终端的搜集方法》，启动抄表系统，建立电力信息采集电能表档案；下发命令给抄表终端搜集所有电能表通信地址；抄表终端收到命令后给RS485总线上所有的RS485电能表下发广播命令抄收电能表通信地址；RS485电能表收到广播命令后开始延时，电能表依次按不同的延时时间通过RS485总线通信向抄表终端自动上报各自的通信地址；抄表终端收到所有上传的通信地址并进行保存后将搜集的电能表通信地址自动上报抄表系统，实现表地址搜集；其工艺过程简单，抄表效率高，节省人力，数据可靠，便于工程施工调试人员系统调试。

CN201710254661.0《一种基于物联网的电力信息采集与转发系统及设备》，该系统包括：数据采集模块，包括电能采集芯片，用于采集用户的电力信息；数据处理模块，包括主芯片，用于处理所述电能采集芯片传输的所述电力信息；数据转发模块，用于通过Wi-Fi将所述电力信息转发至云服务器并由所述云服务器转发至移动终端显示。本发明集电力采集，处理，转发于一体，结合云服务器与移动终端，形成一个完整的物联网架构，获取数据不仅仅依赖智能电表，用于可以通过移动终端获取综合全面的家庭用电状况，有效避免电能浪费，提升电能资源利用效率，响应国家的节能减排低碳生活的号召。

实用新型内容

鉴于现有技术在通信稳定性和线路干扰等方面还存在不足，本实用新型针对这一个问题设计了电力信息采集器，设计的电力信息采集器在很大程度上解决了通信稳定性和线路干扰问题，通过集成多种通信方式使得系统的适用范围得到了很大的扩展，设计的电力信息采集器具有很明显的市场应用价值。本实用新型的目的提供一种能源计量数据在线采集与监控系统。

一种能源计量数据在线采集与监控系统，由两大部分构成，一部分是以MCU 控制模块为中心的硬件平台；另一部分是以主站为中心的管理中心平台，其特征在于，硬件平台包括嵌入式控制器电路、RS-485通信电路、GPRS通信电路、电力电力载波通信电路、时钟电路、显示电路、电源电路、键盘输入电路、JTAG 调试电路和存储电路；

RS-485通信电路，GPRS通信电路，电力载波通信电路通过串口连接MCU； DS3231时钟电路通过I2C连接MCU，键盘输入电路通过MCU的通用IO口相连，JTAG电路，FLASH存储电路通过SPI总线与MCU相连，显示电路通过总线扩展接口连接MCU；

采集器共采用了二种通信方式，二种通信方式都采用串口进行数据通信， RS-485通信电路将信号调制成对称的形式以平衡发送的方式进行信号的传输，然后以差分的方式进行接收，采用主从结构的半双工通信模式；电力载波通信电路是以电力线为传输介质的载波通信方式。

进一步，GPRS通信电路设置成能拆卸的模块，时钟电路采用时钟芯片 DS3231，通过I²C总线与微控制器相连；系统通过对FLASH的扩展来实现系统对存储容量的需求，FLASH通过SPI(串行外设接口Serial Peripheral Interface) 总线和微控制器相连；电源电路采用电源转换隔离设置；存储电路中的主控制选用外部FLASH存储器。

进一步，采集器与智能表计之间的通信除了采用RS-485方式外，还设计了以电力线为传输介质的载波通信方式，利用已有低压电力线进行数据传输的载波通信，载波电路由载波芯片、信号放大电路、滤波电路、耦合电路、过零检测电路、电源及限流电路六个部分组成。

进一步，管理中心平台与采集器之间建立的是问答方式的通信，以管理中心平台为主站，采集器为从站，采集器接收主站下发指令并做出相应操作，采集器能主动向管理中心平台上传数据；电表和采集器之间采用半双工通信方式，采集器为主站，电表为从站，采集器通过向电表发送指令来控制通信链路的建立和解除；电表和采集器都具有唯一的通信地址。

一种能源计量数据在线采集与监控系统扩展为，由两大部分构成，一部分是以MCU(Microcontroller Unit)控制模块为中心的硬件平台；另一部分是以主站为中心的管理中心平台，管理中心平台能通过GPRS模块对采集器进行远程管理，硬件平台能通过485方式和载波方式对智能表计进行数据采集并上报至管理中心，硬件平台包括嵌入式控制器电路、RS-485通信电路、GPRS通信电路、电力电力载波通信电路、时钟电路、显示电路、电源电路、键盘输入电路、JTAG (Joint Test Action Group)调试电路和存储电路；采集器共采用了二种通信方式，二种通信方式都采用串口进行数据通信，RS-485通信电路将信号调制成对称的形式以平衡发送的方式进行信号的传输，然后以差分的方式进行接收，采用主从结构的半双工通信模式；电力电力载波通信电路是以电力线为传输介质的载波通信方式。

进一步，GPRS通信电路设置成能拆卸的模块，时钟电路采用时钟芯片 DS3231，通过I²C总线与微控制器相连；系统通过对FLASH的扩展来实现系统对存储容量的需求，FLASH通过SPI(Serial Peripheral Interface)总线和微控制器相连；电源电路采用电源转换隔离设置；存储电路中的主控制选用外部 FLASH存储器；

进一步，采集器与智能表计之间的通信除了采用RS-485方式外，还设计了以电力线为传输介质的载波通信方式，利用已有低压电力线进行数据传输的载波通信，载波电路由载波芯片、信号放大电路、滤波电路、耦合电路、过零检测电路、电源及限流电路六个部分组成。

进一步，管理中心平台与采集器之间建立的是问答方式的通信，以管理中心平台为主站，采集器为从站，采集器接收主站下发指令并做出相应操作，采集器能主动向管理中心平台上传数据；电表和采集器之间采用半双工通信方式，采集器为主站，电表为从站，采集器通过向电表发送指令来控制通信链路的建立和解除；电表和采集器都具有唯一的通信地址。在通信主程序设计中，当采集器的串口接收到管理中心下发的命令时，GPRS串口中断接收标志位将会被置位。

进一步，在通信主程序中，当检测到GPRS串口中断接收标志位有效时，便会调用通信管理程序实现对管理中心下发数据的响应；

首先判断主站下发的数据是否成功接收，如果接收失败则返回，如果成功则对数据进行协议解析并对数据的类型进行判断；数据的类型主要分为两类，一类是对采集器的相关操作指令，一类是对电表的操作指令；如果主站下发的指令是针对采集器的，则根据指令信息做出相关操作并返回相关数据即可；若指令是对电表进行操作，就必须进行协议转换，转换成电表能够识别的下行通信协议，然后调用本地通信程序，对电表发出相应指令信息，电表返回的数据在发送给主站之前必须依据上行通信协议对数据进行帧组装。

进一步，系统上电后首先进行初始化，配置相关变量，之后会进入循环监控任务，循环监控任务通过对串口中断信号的监测以及对系统时间和抄表时间的对比来更新相关标志位的状态；当检测到满足采集要求，将相应标志位置一，指示当前需要采集的数据类型；多任务状态采集线程在检测到各个状态标志位有效时便会激发相应抄表程序的运行；多任务状态采集线程会根据设置好的参数对各项抄表任务进行轮循，捕捉相关状态量的变化，当检测到相应标志位处于有效状态，便会启动相应的抄表子程序。

进一步，抄表子程序是将组装好的数据帧通过串口传输给智能电表，接收电表返回的信息，根据电表返回的信息判断是否需要补抄并对抄表情况做好记录；为了尽量实现100％可靠抄录，每一个抄表子程序都设计了补抄机制，第一次抄表失败后将有两次机会重抄，如果重抄仍然失败，则放弃抄表，并将抄表失败标志位置位，记录下抄表失败的时间和电表配置信息。

进一步，抄表程序被调用后，485模块/载波模块将从休眠模式切换到正常工作模式，然后调用数据处理模块对下发的命令按照DL/T645-2007协议进行帧组装，组装好的数据帧通过串口发送给电能表；超时未接收到数据或是接收到的数据校验不通过，则采用补抄机制，反之则保存抄录到的数据并置抄表失败标志位为零；定时抄收模式下，抄表完成后首先应对数据进行协议转换，之后调用远程通信程序将抄录到的数据上传至管理中心；如果是透传任务，则不需要对数据进行协议解析，而是直接将数据转发给管理中心，再由管理中心站对接收到的数据进行双重解析。

进一步，载波通信方式中的还增加了中继自动抄表，如果开启中继自动抄表功能，系统会对抄录三次都失败的电能表进行自动中继搜索；自动中继搜索包括无穷搜索和半自动搜索两种方式，无穷搜索是通过对各载波电表的轮询，利用排列组合的方法将所有可能的中继路径都抄收一次，直到正确抄收为止；半自动中继则是根据抄收情况来设定中继路径，这样可以排除一些不符合条件的中继路径，提高中继路径搜索的准确性。

进一步，系统通信协议分为下行通信协议和上行通信协议；

下行通信协议采用DT/L 645-2007协议标准，645规约的数据帧格式中每帧包括起始符、从站地址信息、控制码、数据长度、用户数据信息、检验码和结束符。其中控制码的低5位为功能码，反应了采集器下发动作指令的属性，包括对电表数据、地址、通信速率的读写，对电表数据、事件、最大需量的清零，及对电表数据的冻结和广播校时；

采集器在收到电表数据后，对数据进行协议解析并存储，在对数据包的解析过程中，如果发生错误，则将抄表失败标志位置1，表示抄表失败；

上行通信协议采用国家电网制定的Q/GDW376.1-2009，376.1协议的数据帧格式中一帧数据包含四个部分：报头文、用户数据区、帧校验和和结束符；长度L由两个字节组成，最低两位D1、D0为协议标识位，本协议分别用1和0 来表示,长度L余下的14位D2～D15用来反映用户数据的长度，使用BIN编码方式，是用户数据区的字节总数和；帧校验和是数据用户区全部字节的八位位组算术和；链路用户数据层的功能码由八位二进制码组成，不同的组合分别代表不同的服务功能，包括确认/否认报文、复位命令、身份认证、链路接口检测、参数设置、参数查询、控制命令、数据请求、文件传输和数据转发；其中请求数据类型主要分为3类：请求1类数据即实时数据、请求2类数据即历史数据、请求3类数据即事件数据，这三类数据根据数据标识的不同囊括了所有需要采集的电能信息；由于报文长度的限制不能在一帧内传输完的数据帧可以分成多帧传输，帧序列域SEQ则反映出了各帧之间传输序列的变化规则，占用一个字节；数据标识由DA1，DA2，DT1，DT2四个字节组成，DA2采用二进制编码表示255 个信息点组，DA1表示每一个信息点组对应的1～8个信息点，共同构成8*255 个信息点标识。

本实用新型能够实时采集、存储、监测及分析各种能源计量数据的自动化控制系统，主要由智能表计、采集器、管理中心三个部分组成。智能电表主要实现对电能数据信息的分类计量、存储和显示，具有信息交互功能，和采集器相连，将电能数据传输给采集器并受到采集器实时监测与控制；采集器是能源计量数据采集系统的核心装置，是通过建立通信信道将采集到的电能数据上传到信息管理中心，并接收管理中心下发的指令，实现对采集器本身和电能表的控制；信息管理中心作为整个系统的管理设备负责将采集器上传的数据分类汇总，生成数据曲线，为节能计划提供有效的数据支持。

本实用新型主要创造性技术体现在：

1本实用新型采用RS485和电力载波两种通信方式进行数据采集。国内大多数智能电表使用RS85方式和电力载波进行通信，本实用新型能够适用和兼容这两种通信方式，使得本系统能够在绝大多数智能电表环境中使用。

2本实用新型采用GPRS进行数据通信和命令上传。本实用新型考虑到偏远地区无法使用以太网，因此在系统中加设了GPRS通信装置，使系统能够适用任何环境。

3本实用新型管理中心具有远程控制、管理和检测功能。本实用新型考虑到维修和抄读表计成本，加设了网络管理中心，使得系统能够在任一一个具有网络的区域管理、远程控制和检测采集器，以降低采集器的维修和人工抄读数据的成本。

4本实用新型具有丰富的人机交互接口。

5兼容电力通信协议标准。

附图说明

图1是本实用新型能源计量数据在线采集系统整体示意图；

图2是本实用新型采集器硬件方案框图；

图3是本实用新型通信主程序流程图；

图4是本实用新型多任务状态采集的基本流程；

图5是本实用新型抄表任务流程图；

图6是本实用新型载波中继抄表流程图；

图7是本实用新型GPRS通信任务流程；

图8是本实用新型645协议帧格式；

图9是本实用新型645协议解析流程图；

图10是本实用新型376.1协议帧。

具体实施方式

通过以下具体实施例对本实用新型作进一步说明，但所述实施例仅用于说明本实用新型而不是限制本实用新型。

实施例1

如图1，一种能源计量数据在线采集与监控系统,主要由智能表计、采集器、管理中心三部分组成，其功能主要包括：数据抄收、数据传输、数据存储与清理、自动校时、参数查询与设置、事件记录、安全保护。

1、数据抄收：数据的抄收主要包括三种方式：实时抄收、定时抄收、自动补抄。实时抄收要求数据采集器能够应管理中心的要求，在指定时刻读取指定采集点的状态信息、相关数据和时间参数。定时抄收是指根据管理中心设置好的参数进行周期自动抄收，当抄表时间和抄表周期确定后，系统会在抄表时刻到来之际自动对指定的电能表进行各类数据的抄收，抄收成功后自动计算下次抄表时间，进入下次抄表任务。自动补抄要求数据采集器能自动对抄收失败的数据进行补抄，补抄的结果应及时向管理中心汇报。

2、数据传输：接收到的数据需准确无误，通信需具备良好的稳定性和可靠性，设备之间的通信应满足相关规约的要求，电力信息采集器的规约库应该可更新以支持更多的协议。

3、事件记录：电力信息采集器应具备事件记录功能，能够分类存储各项事件信息，主要包括采集器参数变更的记录，数据采集失败的记录，电能表异常状态记录，时钟超差记录等，通常将事件分为告警事件和一般事件。如果发生事件告警，电力信息采集器应能主动上报给管理中心，告警事件主要包括电表走停、负荷过载、时钟异常、电能表飞走等。上报的内容包括异常电能表地址、异常类型、时间、异常事件发生时电能表的即时数据(三相电压、三相电流、有功功率、无功功率)；当采集终端无法主动上报事件时，可等到管理中心下一次访问时在发给管理中心的应答数据中将要求访问位ACD置“1”，表示终端有重要事情等待访问。电力采集终端应可以记录至少500条近期发生的事件。

4、参数设置和查询：管理中心可远程或通过人机交互界面对采集终端的参数进行设置或查询，主要包括对采集方案(包括釆集周期、抄表时间、釆集数据项等)、表计档案(包括表计地址、釆集点编号、通信协议、釆集方案、波特率等)、通讯信道(包括通信协议、IP地址、通信方式、心跳周期等)的设置和查询。除此之外还可以对密码进行重置，对磁盘容量进行查询。因此系统需要有较好的人机交互系统，以方便工作人员通过人机交互界面查看和修改系统的各项参数，实时监测系统的运行和命令执行情况。

5、系统校时：数据冻结、告警事件的记录以及其他信息的记录都需要整个系统保持时钟信息的同步。因此系统应支持管理中心的远程校时，管理中心站定期发送校时指令，对其所属的电力信息采集终端进行校时，电力信息采集终端再通过下行信道对智能电表进行校时，校时时间可通过后台管理中心随意设置，对时后时钟的时差应该不大于±1s。

6、安全保护：为了保证数据的安全，无论是本地操作还是远程操作，都应具备密码保护功能，只有输入正确的密码，才能对数据采集系统进行相应的控制，从而防止非法操作；上传的数据需应对按照加密算法进行加密。

7、数据存储与清理：数据采集终端通过信道将数据传送给管理中心有一定的时间间隔，抄收到数据后立刻传输可能会发生数据的丢失和错误，数据采集终端如果可以对各项数据进行分类存储，在管理中心需要时，再将这些数据上传，则可以降低数据丢失的概率，提高数据的准确性。具体需要存储的数据类型如表1所示。数据采集终端除了需要存储电能数据外，还应对采集终端和智能表计运行状态、相关配置等信息进行存储。为了提高数据的准确性，动态数据的存储都应带上时间标识。数据采集终端存储系统的容量应能满足对上述数据的存储需求，各项数据根据类型的不同可以在相应时段内存储。即使在掉电的情况下，采集终端的各项参数在发生变动后也应实时保存。数据采集终端存储的数据占用磁盘规定空间之后，能对数据进行清理，自动删除部分数据，被删除的数据按时间先后进行。

表1 存储数据类型

Tab1 Data memory type

系统硬件如图2所示，包括嵌入式控制器电路、RS-485通信电路、GPRS通信电路、电力电力载波通信电路、时钟电路、显示电路、电源电路、键盘输入电路、JTAG调试电路和存储电路。

以嵌入式控制器电路为核心，RS485与载波模块构成数据采集系统，对智能电表进行数据采集；时钟、按键和显示电路组成人机交互系统，用户可通过键盘操作采集器，实现用户想用的功能；JTAG电路用于系统调试；存储电路用于存储用户信息和系统参数。

RS-485通信电路，GPRS通信电路，电力载波通信电路通过串口连接MCU； DS3231时钟电路通过I2C连接MCU，按键电路通过MCU的通用IO口相连， JTAG电路，FLASH存储电路通过SPI总线与MCU相连，液晶电路通过总线扩展接口连接MCU。

采集装置共采用了二种通信方式，用于适应不同环境的需求，二种通信方式都采用串口进行数据通信，其中设计了三路RS-485通信电路，用于满足系统对采集电表数量的要求。为了提高系统的通信兼容性，GPRS通信电路单独制板，设计成一个独立可拆卸的模块，方便用其他通信模块代替。为了更加直观的对采集器和智能电表的信息进行查询和设置，系统选用320*240大小的液晶屏来显示采集器的各种信息，以6键键盘来实现信息输入。时钟电路采用DALLAS公司的高精度、低成本时钟芯片DS3231，通过I²C总线与微控制器相连。系统通过对FLASH的扩展来实现系统对存储容量的需求，Flash通过SPI总线和微控制器相连。

系统对数据智能化、快速、实时采集与传输的需求，以及工作环境的强干扰性等特点，本实用新型使用嵌入式微控制器作为系统的核心处理器。一方面可以提高系统的集成度和可移植性，另一方面嵌入式微控制器内部集成了各种强大的功能和外设，适用于复杂多变系统的控制。为满足系统的需求，使用ST公司的 STM32F103ZET6增强型芯片。

GPRS通信电路是电力信息采集器实现上行通信的主要方式，系统通过 GPRS模块接入Internet，再将读取的各项数据信息和事件记录传输给管理中心，管理中心通过同样的数据通道下发指令给采集器，从而实现采集器与管理中心之间的双向通信。

为了适应不同的应用环境，在实用新型的设计中，采集器与智能表计之间的通信除了采用RS-485方式外，还设计了以电力线为传输介质的载波通信方式，这样在不方便铺设新线路的应用环境下，利用已有低压电力线进行数据传输的载波通信就显得至关重要，这样既节约了成本，又方便人们的操作。本系统设计的载波电路由载波芯片、信号放大电路、滤波电路、耦合电路、过零检测电路、电源及限流电路六个部分组成。

考虑到载波通信环境的多变性和复杂性，本实用新型设计的电力信息采集器还应具备其他更加稳定的下行通信方式。RS-485总线通信将信号调制成对称的形式以平衡发送的方式进行信号的传输，然后以差分的方式进行接收，这样能够更好的抑制共模信号的干扰，其采用主从结构的半双工通信模式，能挂载多个负载设备，能够很好的满足本系统对于通信的需求。

本系统电源模块采用电源转换隔离的方法，用不同的电源转换电路得到各个模块所需的独立供电电压，极大的避免了模块之间的相互干扰。

为了能够实时方便的对数据进行查询和设置，系统需具备人机交互功能，电力信息采集器需要显示的内容较多，除了文字的显示之外还需要显示图片，因此选用320*240分辨率的2.8寸液晶显示屏作为电力信息采集器的人机界面。

存储模块为满足对日冻结、月冻结、曲线等数据的存储要求，采集器必须要有较大的非易失性存储空间，主控制器自带的512KB片内Flash明显不能满足系统对存储容量的需求，因此选用外部FLASH存储器。

一、通信主程序设计

管理中心站与采集器之间建立的是问答方式的通信，以管理中心站为主站，采集器为从站，采集器接收主站下发的指令并做出相应操作，采集器也可以主动向管理中心上传数据。电表和采集器之间采用半双工通信方式，采集器为主站，电表为从站，采集器可以通过向电表发送指令来控制通信链路的建立和解除。电表和采集器都具有唯一的通信地址。

不论是采集器与主站之间的上行通信还是采集器与表计之间的下行通信都必须按照一定的通讯规约才能实现数据通信，系统虽然采用了不同的通信方式且都有各自的规范性通讯规约，但所有通信都是通过串口来实现，其实现通信的大致流程是相似的，只是具体的处理方式不尽相同而已。在通信主程序设计中，当采集器的串口接收到管理中心下发的命令时，GPRS串口中断接收标志位将会被置位。在主程序中，当检测到GPRS串口中断接收标志位有效时，便会调用通信管理程序实现对管理中心下发数据的响应，通信任务的具体实现过程见图3。

首先判断主站下发的数据是否成功接收，如果接收失败则返回，如果成功则对数据进行协议解析并对数据的类型进行判断。数据的类型主要分为两类，一类是对采集器的相关操作指令，一类是是对电表的操作指令。如果主站下发的指令是针对采集器的，则根据指令信息做出相关操作并返回相关数据即可；若指令是对电表进行操作，就必须进行协议转换，转换成电表能够识别的下行通信协议，然后调用本地通信程序，对电表发出相应指令信息，电表返回的数据在发送给主站之前必须依据上行通信协议对数据进行帧组装。

模块开始运行后，多任务状态采集线程会根据设置好的参数对各项抄表任务进行轮循，捕捉相关状态量的变化，当检测到相应标志位处于有效状态，便会启动相应的抄表子程序，图4给出了多任务状态采集的基本流程。

系统上电后首先进行初始化，配置相关变量，之后会进入循环监控任务，循环监控任务通过对串口中断信号的监测以及对系统时间和抄表时间的对比来更新相关标志位的状态。当检测到满足采集要求，将相应标志位置一，指示当前需要采集的数据类型。多任务状态采集线程在检测到各个状态标志位有效时便会激发相应抄表程序的运行。

从图4中可以看出整个线程都处在一个等待有效标志位的状态下。多任务状态采集线程运行后按顺序对实时抄表和透传任务(Reading_Current)、曲线数据抄表(Resding_15Min)、重点用户数据抄表(reading_1hour)、日抄表 (Reading_Day)、月抄表(Reading_Month)标志位进行轮循，当检测到标志位有效时，则启动相应的抄表子程序，抄表完成后返回状态采集程序继续轮循。如果一轮监测下来所有标志位都为零，则本地通信模块将进入休眠模式，1秒钟后进入又自动开始监测任务。这样可以避免不必要的重复监测，节约CPU资源从而提高运行效率。

二、抄表子程序设计

抄表子程序的主要功能是将组装好的数据帧通过串口传输给智能电表，接收电表返回的信息，根据电表返回的信息判断是否需要补抄并对抄表情况做好记录。不论是实时抄表还是定时抄表(曲线抄表、月抄表、日抄表、重点用户抄表)，抄表的过程都是类似的，只是抄录的数据类型和时间不同而已。为了尽量实现 100％可靠抄录，每一个抄表子程序都设计了补抄机制，第一次抄表失败后将有两次机会重抄，如果重抄仍然失败，则放弃抄表，并将抄表失败标志位置位，记录下抄表失败的时间和电表配置信息。对于载波通信方式而言，对3次抄收都失败的电表还会进行自动中继抄表。

三、无中继抄表

抄表程序的具体实现过程如图5所示，抄表程序被调用后，485模块/载波模块将从休眠模式切换到正常工作模式，然后调用数据处理模块对下发的命令按照 DL/T645-2007协议进行帧组装，组装好的数据帧通过串口发送给电能表。超时未接收到数据或是接收到的数据校验不通过，则采用补抄机制，反之则保存抄录到的数据并置抄表失败标志位为零。定时抄收模式下，抄表完成后首先应对数据进行协议转换，之后调用远程通信程序将抄录到的数据上传至管理中心。如果是透传任务，则不需要对数据进行协议解析，而是直接将数据转发给管理中心，再由管理中心站对接收到的数据进行双重解析。

四、载波中继抄表

本实用新型设计的采集器下行通信采用RS-485和载波通信相结合的方式， 485总线方式不支持中继自动抄表，其抄表过程已在上面进行了详细的介绍。而载波抄表在上面介绍的抄表基础上还增加了中继自动抄表功能，如果开启中继自动抄表功能，系统会对抄录三次都失败的电能表进行自动中继搜索。自动中继搜索包括无穷搜索和半自动搜索两种方式，无穷搜索是通过对各载波电表的轮询，利用排列组合的方法将所有可能的中继路径都抄收一次，直到正确抄收为止。半自动中继则是根据抄收情况来设定中继路径，这样可以排除一些不符合条件的中继路径，提高中继路径搜索的准确性，进而大大缩短中继程序运行的时间，提高中继效率。本系统选用半自动中继方式，其具体实现过程如图6所示。载波中继抄表流程图Fig6 The flow chart of carrier-relaying meter reading。

进入载波中继抄表程序后，首先应配置好相关参数，包括中继级数和抄表等待时间，系统只支持四级中继，其中无中继抄表等待时间设置为3秒，一级、二级、三级、四级分别设置为4秒、6秒、7.5秒、9秒。之后便按照管理中心下发的中继链路表对所有抄收失败的电表进行点抄，按照中继级数从小到大的顺序进行。抄收结束后如果还有未抄到的电表则将中继库里抄到的无中继电表按顺序作为各个未抄到表的一级中继，如果抄收成功将该中继链路取代原有管理中心下发的中继链路。同理，进行二级、三级、四级中继抄表，如果中继抄表结束后有部分电表未抄收成功则放弃抄录，将抄表失败标志置位，记录下电表相关信息上报管理中心。

五、GPRS通信任务的实现

如图7所示，模块上电后首先检查SIM卡是否正常，查询网络的信号强度，检测网络是否成功注册以及GPRS网络是否附着，在以上全部都正常的情况下通过串口向主站发送AT指令便可以建立TCP/IP连接。为了缩短TCP连接建立的时间，可以在此之前先设置好APN，激活移动场景并获取本地IP。选择TCP作为网络层之上的传输协议，是为了弥补IP连接的不可靠性，为数据传输提供面向连接的、灵活的、可靠的字节流传输方法^[46]。TCP连接成功后通信双方会建立一条逻辑连接，通过包序列号和相应的确认(ACK)保证数据传输的可靠性。TCP通信具有超时重传功能，若果长时间没有收到返回确认信息就认为通信数据包已丢失，并重新传输。TCP在连接的过程中要完成三次握手来同步通信双方所发送数据的初始序列号。

六、通信协议

(一)下行通信协议

下行通信采用DT/L 645-2007协议标准，其规定了智能表计与电力信息采集器进行通信时的数据帧格式，为不同电表制造商统一了通信标准，从而提高了设备的兼容性，它是目前我国所有电能表都必须严格遵守的唯一标准。645规约的数据帧格式如图8所示(Fig8 The frame format of 645 communication protocol)，每帧包括起始符、从站地址信息、控制码、数据长度、用户数据信息、检验码、结束符。其中控制码的低5位为功能码，反应了采集器下发动作指令的属性，主要包括对电表数据、地址、通信速率的读写，对电表数据、事件、最大需量的清零，对电表数据的冻结和广播校时等。

采集器在收到电表数据后，对数据进行协议解析并存储，解析过程如图9所示。在对数据包的解析过程中，如果发生错误，则将抄表失败标志位置1，表示抄表失败。

(二)上行通信协议

上行通信协议采用国家电网制定的Q/GDW376.1-2009，协议规定了电力信息采集器与管理中心之间进行通信的数据帧格式、数据编码及传输规则。376.1 协议的数据帧格式如图10所示(Fig10 The frame format of 376.1 communication protocol)。

一帧数据包含四个部分：报头文、用户数据区、帧校验和、结束符。长度L 由两个字节组成，最低两位(D1、D0)为协议标识位，本协议分别用1和0来表示,长度L余下的14位(D2～D15)用来反映用户数据的长度，使用BIN编码方式，是用户数据区的字节总数和。帧校验和是数据用户区全部字节的八位位组算术和。链路用户数据层的功能码由八位二进制码组成，不同的组合分别代表不同的服务功能，主要包括确认/否认报文、复位命令、身份认证、链路接口检测、参数设置、参数查询、控制命令、数据请求、文件传输、数据转发等。其中请求数据类型主要分为3类：请求1类数据(实时数据)、请求2类数据(历史数据)、请求3类数据(事件数据)，这三类数据根据数据标识的不同囊括了所有需要采集的电能信息。由于报文长度的限制不能在一帧内传输完的数据帧可以分成多帧传输，帧序列域SEQ则反映出了各帧之间传输序列的变化规则，占用一个字节。数据标识由四个字节组成(DA1，DA2，DT1，DT2)，DA2采用二进制编码表示255个信息点组，DA1表示每一个信息点组对应的1～8个信息点，共同构成2040(8*255)个信息点标识。

需要说明的是，以上所述只是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种能源计量数据在线采集与监控系统，由两大部分构成，一部分是以MCU控制模块为中心的硬件平台；另一部分是以主站为中心的管理中心平台，其特征在于，硬件平台包括嵌入式控制器电路、RS-485通信电路、GPRS通信电路、电力电力载波通信电路、时钟电路、显示电路、电源电路、键盘输入电路、JTAG调试电路和存储电路；

RS-485通信电路，GPRS通信电路，电力载波通信电路通过串口连接MCU；DS3231时钟电路通过I2C连接MCU，键盘输入电路通过MCU的通用IO口相连，JTAG电路，FLASH存储电路通过SPI总线与MCU相连，显示电路通过总线扩展接口连接MCU；

采集器共采用了二种通信方式，二种通信方式都采用串口进行数据通信，电力载波通信电路是以电力线为传输介质的载波通信方式。

2.根据权利要求1所述的一种能源计量数据在线采集与监控系统，其特征在于，GPRS通信电路设置成能拆卸的模块，时钟电路采用时钟芯片DS3231，通过I²C总线与微控制器相连； FLASH通过SPI总线和微控制器相连；电源电路采用电源转换隔离设置；存储电路中的主控制选用外部FLASH存储器。

3.根据权利要求1所述的一种能源计量数据在线采集与监控系统，其特征在于，采集器与智能表计之间的通信除了采用RS-485方式外，还设计了以电力线为传输介质的载波通信方式，载波电路由载波芯片、信号放大电路、滤波电路、耦合电路、过零检测电路、电源及限流电路六个部分组成。