一种基于冗余总线的用电采集方法、模组化终端及系统与流程

本发明涉及用电信息采集技术，尤其涉及一种基于冗余总线的低电压用电信息采集方法、模块化终端及系统。

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通信模块构成，通信模块受控于主控单元，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。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于冗余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，提出一种基于冗余总线的用电信息采集方法步骤包括：

第一步，初始化，各采集模块通过总线控制单元向主控模块发送注册信息；所述主控模块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，若所述主控模块故障，则直接由所述总线控制模块通过通信模块接收所述主站的任务指令，并根据所述总线控制模块的接口向对应的采集模块下达对应的任务指令；否则，由所述主控模块根据其获得的注册信息和主站的任务指令，通过总线控制单元向对应的采集模块下达任务指令；跳转至第三步；

第三步，所述各采集模块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，所述总线控制单元还实时查询所述各采集模块的工作状态：若所述采集模块的工作状态异常次数超过阈值C(C为正整数)，则重新发送对应的任务指令至出现异常的所述采集模块并上报，重复上述第二步至第三步；若向所述采集模块重新发送过N次(N为正整数)所述任务指令，则由所述总线控制模块关闭对应的采集模块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采集模块，由其他采集模块代替出现异常的采集模块工作。

进一步，上述用电信息采集方法中，所述的注册信息包括：本采集模块的地址、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，所述本采集模块的属性至少包括本采集模块采集的信息的地址集合以及采集的信息的内容。所述的本采集模块与其他采集模块间的关联关系主要包括本模块所采集的用电信息的上游或下游数据关系，与本采集模块具有相同、相近或可相互替代的功能的其他采集模块与本采集模块之间的对应关系。

进一步，上述用电信息采集方法中，还包括更新任务的步骤：当所述主控模块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，并向对应的采集模块重新下达任务指令，所述各采集模块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。

其次，为实现上述目的，还提出一种基于冗余总线的用电信息采集终端，包括：总线控制单元和至少一个采集模块，其特征在于，还包括通信模块，所述总线控制单元通过冗余总线与所述各采集模块、通信模块或上级模块连接。这里的上级模块包括但不限于主控模块、主站或上级服务器等。

所述总线控制单元包括相互连接的以太网交换机和主控制器；所述以太网交换机的对下接口连接所述各采集模块和所述通信模块，用于向对应的采集模块下达任务指令，获取所述各采集模块的接口电平，控制所述各采集模块的电源，并在所述上级模块故障时通过所述通信模块向所述上级模块上传所述以太网交换机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，上传所述以太网交换机的对下接口获得的用电信息，或上传所述以太网交换机各对下接口的电平或工作状态；所述太网交换机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交换机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，上传所述以太网交换机的对下接口获得的用电信息，或上传所述以太网交换机各对下接口的电平或工作状态；所述主控制器用于，控制所述以太网交换机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交换机各对下接口控制对应采集模块；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通信模块进行交互；这里的工作状态包括正常工作、重启、关闭或异常等等。

所述各采集模块包括以太网接口、通信接口以及微控制单元，所述通信接口通过SPI总线(串行外设接口总线Serial Peripheral Interface)与所述微控制单元连接，所述微控制单元还与所述以太网接口连接；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；所述以太网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，上传本采集模块的工作状态，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以太网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采集模块的工作状态。

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接口在本采集模块关闭时与所述冗余总线隔离。

其中，所述冗余总线至少包括以太网总线或CAN总线中的一种或几种。

进一步的，上述用电信息采集终端中，还包括主控模块，所述主控模块包括同时与主控芯片连接的PHY芯片(Physical Layer，物理层芯片)、以太网模块和存储模块，所述主控模块通过所述PHY芯片连接隔离总线与所述总线控制单元进行数据交互，所述以太网模块用于与上级模块通信，所述主控芯片用于接收PHY芯片获得的注册信息、用电信息和工作状态，将所述注册信息、用电信息和工作状态存储至所述存储模块，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PHY芯片向所述总线控制单元下达所述任务指令。

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块或与所述总线控制单元连接，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。

本发明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总线控制单元、主控模块、主站、通信模块和至少一个采集模块，所述主站通过以太网与所述主控模块连接或通过所述通信模块直接与所述各采集模块交互，所述主控模块通过隔离总线与所述总线控制单元连接，所述总线控制单元通过以太网或CAN总线与所述各采集模块连接，所述各采集模块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；

所述主控模块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所述总线控制单元；所述主控模块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，并向所述总线控制单元重新下达任务指令；

所述总线控制单元用于上传其获得的用电信息、注册信息，并实时查询所述各采集模块的工作状态信息，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采集模块；所述总线控制单元还用于在所述主控模块(2)故障时通过所述通信模块直接接收所述主站的任务指令，并向对应的采集模块下达对应的任务指令；

所述各采集模块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，所述总线控制单元在查询到所述采集模块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采集模块并上报；若向所述采集模块重新发送过N次所述任务指令，则由所述总线控制模块关闭对应的采集模块，上报，并根据所述注册信息查找具备同样功能的其他采集模块，由其他采集模块代替出现异常的采集模块工作。

应当注意的是，由于CAN总线同样具备冗余功能，上述发明内容中的以太网连接均可以采用CAN总线进行替换。具体的替换部件包括：主控模块中的以太网模块、PHY芯片，总线控制单元中的以太网交换机、各采集模块中的以太网接口，和通信模块中的以太网接口。采用CAN总线配合CAN总线架构中相应的硬件，替代这些模块，依旧能够实现本发明采集用电信息的功能。

有益效果

本发明，在各采集模块内设置微控制单元，并在总线中设置控制单元，通过总线控制单元与通信模块之间的配合，可以在主控模块故障的情况下，保证其下各采集模块依旧能够独立正常工作，并通过所述通信模块将各采集模块的数据上报至主站，同时，直接接受主站的指令。提高了系统的稳定性。

进一步的，所述总线控制单元实时查询各采集模块的工作状态，并对出现异常的采集模块进行重启或者隔离。这样，个别采集模块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，由于系统各采集模块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。

本发明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，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

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

图1为根据本发明用电信息采集系统架构示意的

图2为根据本发明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

以下结合附图对本发明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发明，并不用于限定本发明。

图1为根据本发明的用电信息采集系统架构示意图，系统包括：主站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总线控制单元1、主控模块2、通信模块5和至少一个采集模块3。

所述主站4通过以太网与所述主控模块2连接或通过所述通信模块5直接与所述各采集模块3交互，所述主控模块2通过隔离总线与所述总线控制单元1连接，所述总线控制单元1通过以太网或CAN总线与所述各采集模块3连接，所述各采集模块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；

所述主控模块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所述总线控制单元；所述主控模块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，并向所述总线控制单元重新下达任务指令；

所述总线控制单元1用于上传其获得的用电信息、注册信息，并实时查询所述各采集模块的工作状态信息，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采集模块3；所述总线控制单元1还用于在所述主控模块2故障时通过所述通信模块5直接接收所述主站的任务指令，并向对应的采集模块下达对应的任务指令；

所述各采集模块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，上述所述总线控制单元1在查询到所述采集模块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采集模块3并上报；若向所述采集模块3重新发送过N＝3次所述任务指令，则由所述总线控制单元1关闭对应的采集模块3，上报，并根据所述注册信息查找具备同样功能的其他采集模块3，由其他采集模块3代替出现异常的采集模块3工作。这样，通过各采集模块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，由于总线控制单元1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总线控制单元1通信模块5和至少一个采集模块3的架构模式。总线控制单元1过冗余总线与所述各采集模块3、通信模块5或上级模块连接。这里的“上级模块”包括上面系统中的主控模块1、主站或上级服务器等。

所述总线控制单元1包括相互连接的以太网交换机和主控制器(STM207)；所述以太网交换机的对下接口连接所述各采集模块3和所述通信模块5，用于向对应的采集模块3下达任务指令，获取所述各采集模块3的接口电平，控制所述各采集模块3的电源，并在所述上级模块故障时通过所述通信模块5向所述上级模块上传所述以太网交换机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，上传所述以太网交换机的对下接口获得的用电信息，或上传所述以太网交换机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)；所述太网交换机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交换机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，上传所述以太网交换机的对下接口获得的用电信息，或上传所述以太网交换机各对下接口的电平或工作状态；所述主控制器用于，控制所述以太网交换机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交换机各对下接口控制对应采集模块；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3通过所述通信模块5进行交互；

所述各采集模块包括以太网接口、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SPI总线与所述微控制单元连接，所述微控制单元还与所述以太网接口连接；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；所述以太网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，上传本采集模块的工作状态，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以太网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采集模块的工作状态。也就是说，各采集模块与主站之间，可以在主控模块2缺失的情况下，直接通过总线控制单元1所连接的通信模块5实现与主站4之间的交互。通信模块5可通过总线控制单元1沟通主站与各采集模块，这样的设计，可以保证各采集模块的数据不受主控模块故障的影响，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。

上述的以太网交换机，以太网SWITCH，具备8路100M端口，内部背板总线达到2G，满足多个模块的信息交互，选用作为STMF207控制芯片,检测、控制SWITCH的工作模式，监测各模块的接入、通信状态等信息，当模块接入时给模块上电，并采集模块的工作电流，避免模块的错误接入，通过实时监测，对出现故障的模块从工作电流和PHY层的寄存器状态判断模块的具体故障位置并上传至主控或主站(当主控模块故障时)，同时关闭故障模块的电源，经过显示操作单元发出告警信息。

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网络接口或以太网接口)、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接口在本采集模块关闭时与所述冗余总线隔离。采集模块接入后，将自动获取IP地址，建立TCP连接，向主控模块/主站注册，申请采集任务，实现自动采集、控制功能。这样可以保证采集模块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。

更具体，本实施例中的冗余总线为太网总线或CAN总线。这两种总线在提供冗余性能的同时，足够满足一般用电信息传输过程中对于带宽的需求。并且，本领域技术人员可以通过上述的分析得知，上述实施例中的以太网连接均可采用CAN总线中的类似模块进行替换。

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，遥信采集模块就地采集遥信信息，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通信模块负责采集具有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、以太网通信模块为上行通信，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还可包括主控模块2(AM3369或类似的ARM芯片)，所述主控模块包括同时与主控芯片连接的PHY芯片(如AR8033)、以太网模块(如LAN9720)和存储模块，所述主控模块2通过所述PHY芯片连接隔离总线与所述总线控制单元进行数据交互，所述以太网模块用于与上级模块通信，所述主控芯片用于接收PHY芯片获得的注册信息、用电信息和工作状态，将所述注册信息、用电信息和工作状态存储至所述存储模块，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PHY芯片向所述总线控制单元1下达所述任务指令。主控模块所选用的AM3359芯片，具有512M内存，4GB FLASH,工作主频800MHz，MICRON MT41K2 56M16TW DDR3内存芯片，8GbEMMC，满足采集终端的本地业务处理，AM3359具备两路千兆以太网MAC接口，一路通过AR8033与总线控制单元连接，一路通过LAN8720作为本地通信接口，留与用户下载保存在EMMC上的用电记录，主控模块保存主站的任务指令，实时段采集客户的用电信息，保存至EMMC内，主控模块2与显示操作单元9通信，显示用户的设备状态、接收相关的查询命令。各功能模块的主芯片为STM32F207，具有以太网接口，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与所述主控模块2或与所述总线控制单元1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，各采集模块通过总线控制单元(1)向主控模块发送注册信息；所述主控模块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，若所述主控模块故障，则直接由所述总线控制模块通过通信模块接收所述主站的任务指令，并根据所述总线控制模块的接口向对应的采集模块下达对应的任务指令；否则，由所述主控模块根据其获得的注册信息和主站的任务指令，通过总线控制单元向对应的采集模块下达任务指令；跳转至第三步；

第三步，所述各采集模块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，所述总线控制单元(1)还实时查询所述各采集模块的工作状态：若所述采集模块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采集模块并上报，重复上述第二步至第三步；若向所述采集模块重新发送过N次所述任务指令，则由所述总线控制模块关闭对应的采集模块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采集模块，由其他采集模块代替出现异常的采集模块工作。

其中，所述注册信息包括：本采集模块的地址、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，所述本采集模块的属性至少包括本采集模块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，与本采集模块具有相同、相近或可相互替代的功能的其他采集模块与本采集模块之间的对应关系。

而且，所述主控模块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，并向对应的采集模块重新下达任务指令，所述各采集模块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。

本发明技术方案的优点主要体现在：本发明为系统中各模块提供并列的多种通道，对系统中的采集模块和主控模块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：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。