基于Web服務(wù)器的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：基于三星公司的ARM11芯片S3c6410和可剪裁可移植的Linux操作系統(tǒng)，搭配51單片機(jī)構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的監(jiān)控。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多路電網(wǎng)欠壓、過(guò)壓狀態(tài)的判定，并實(shí)時(shí)地采集環(huán)境畫(huà)面和溫度，采用TCP／IP通信協(xié)議連接到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)利用Web頁(yè)面的方式動(dòng)態(tài)顯示電網(wǎng)狀態(tài)、溫度和環(huán)境畫(huà)面等信息的功能。
關(guān)鍵詞：ARM；嵌入式系統(tǒng)；Web服務(wù)器；電網(wǎng)監(jiān)控

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)非常重要的組成部分，普遍應(yīng)用于商業(yè)和辦公領(lǐng)域的以太網(wǎng)也逐漸進(jìn)入了控制方面；在工業(yè)控制領(lǐng)域，智能設(shè)備、儀器儀表和傳感器方面均有向嵌入式網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備過(guò)渡的趨勢(shì)，所以以太網(wǎng)與監(jiān)控的結(jié)合已經(jīng)成為一種必然。只要在嵌入式設(shè)備中配上網(wǎng)絡(luò)通訊接口協(xié)議，得到TCP／IP協(xié)議的支持接入Internet網(wǎng)絡(luò)，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)以及共享。而隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，用電量劇增，使得對(duì)電網(wǎng)的監(jiān)控提出了更高的要求。
設(shè)計(jì)了一種電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合51單片機(jī)以及嵌入式傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，組建成一個(gè)小型的Web服務(wù)器直接將各項(xiàng)數(shù)據(jù)(包括三相電狀態(tài)、溫度、外界實(shí)時(shí)畫(huà)面等)，通過(guò)Internet提供給客戶機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷功能。該系統(tǒng)配置靈活方便，又很好的實(shí)現(xiàn)了資源的共享，具有極為廣泛的應(yīng)用前景。

1 嵌入式技術(shù)在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
基于ARM—Web技術(shù)的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的作用主要是監(jiān)測(cè)各路電網(wǎng)的狀態(tài)(正常、過(guò)壓、欠壓)以及環(huán)境的溫度，連同實(shí)時(shí)畫(huà)面上傳到Inter net網(wǎng)絡(luò)，用戶在獲得登陸權(quán)限后，就可以遠(yuǎn)程觀測(cè)配電柜的各項(xiàng)參數(shù)，電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1(注：U1a，U1b，U1c分別為電網(wǎng)U1的a，b，c三相電壓，電網(wǎng)U2同U1類(lèi)似)。

由于各電網(wǎng)的三相電電氣特性相似，所以本文只針對(duì)其中的一相電展開(kāi)。
電網(wǎng)的各相電經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路、采樣調(diào)理電路后，得到各相電的狀態(tài)信息量，51單片機(jī)通過(guò)對(duì)各狀態(tài)信息量的接收與邏輯判斷過(guò)程后，將最終的電網(wǎng)狀態(tài)連同環(huán)境溫度信息通過(guò)485總線一并傳給上位機(jī)S3c6410，上述電路構(gòu)成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)給上位機(jī)搭配另外的節(jié)點(diǎn)后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)。上位機(jī)S3c6410搭載USB攝像頭，可實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)附近外界環(huán)境實(shí)時(shí)畫(huà)面的捕捉，搭載溫度傳感器后，實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)，通過(guò)DM9000A芯片和Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)的接入，最終遠(yuǎn)程用戶通過(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)各電網(wǎng)狀態(tài)及環(huán)境各參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 電壓轉(zhuǎn)換電路及采樣調(diào)理電路
設(shè)計(jì)中省略了大部分電路采用到的A／D采樣部分，原因是對(duì)于50 Hz頻率交流電壓電流進(jìn)行采樣，需要較高采樣頻率(幾兆到十幾兆赫茲)，通過(guò)對(duì)此查閱相關(guān)資料后得出，DSP以高速的數(shù)據(jù)能力顯得很是優(yōu)越，但是DSP芯片及其外圍電路的成本相比單片機(jī)要高很多，綜合考慮后，省略了A／D轉(zhuǎn)換部分。之所以不采用將調(diào)理過(guò)的信號(hào)直接接入到ARM芯片上，是為了盡量多的節(jié)省ARM芯片上資源。對(duì)于三相電網(wǎng)的每一相狀態(tài)都需要51單片機(jī)對(duì)應(yīng)的2個(gè)I／O完成，總工需要6個(gè)I／O，如果配電柜內(nèi)存在多個(gè)三相電網(wǎng)需要檢測(cè)，經(jīng)調(diào)理后直接接入ARM芯片，將會(huì)占去很多額外的資源，而且不利于長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸。

如圖2，電網(wǎng)的220VAC電壓由R1、R2兩端輸入，經(jīng)變壓器和分壓電阻后，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻R4，可以最大限度的減小電阻誤差或者變壓器漏磁等情況帶來(lái)的偏差，最終在a1端輸出10 VAC左右的電壓，采樣電路接收電壓轉(zhuǎn)換電路輸出的10V交流電，經(jīng)兩級(jí)濾波后，交流電的幅度將變得很平滑，近似直流電，再經(jīng)分壓過(guò)程，輸入到運(yùn)算比較器的負(fù)極，通過(guò)設(shè)定電路中各分壓電阻以及基準(zhǔn)電壓的值，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓或者欠壓情況時(shí)，原酸比較器的輸出端將由高電平轉(zhuǎn)為低電平。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，將過(guò)壓基準(zhǔn)設(shè)為4．70±0．01 V，欠壓基準(zhǔn)設(shè)為2．40±0．01 V。
2．2 溫度和視頻采樣電路
溫度采集傳感器采用PT100，鉑熱電阻，阻值隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0℃時(shí)阻值為100 Ω，在100℃時(shí)它的阻值約為138．5 Ω。其RT曲線圖如圖4，當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100 Ω，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成近似勻速的增長(zhǎng)。但他們之間的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的正比的關(guān)系，而更應(yīng)該趨近于一條拋物線。常見(jiàn)的PT100感溫元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它們由鉑絲分別繞在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再經(jīng)過(guò)復(fù)雜的工藝加工而成。通過(guò)對(duì)PT100兩端電壓的采集，經(jīng)AD0809轉(zhuǎn)換芯片后，接入51單片機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)環(huán)境溫度的采集。工作原理如圖5，具體電路原理不再具體介紹。

視頻采集方面利用zc301型攝像頭接入S3c6410的USB接口，采用開(kāi)源代碼mipeg-streamer完成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)S3c6410外界環(huán)境畫(huà)面的實(shí)時(shí)采集功能。
2．3 51單片機(jī)電路
電網(wǎng)的采樣監(jiān)測(cè)功能由采樣調(diào)理電路和51單片機(jī)搭配實(shí)現(xiàn)，通過(guò)模擬電路的調(diào)理過(guò)程，得到51單片機(jī)I／O口可以識(shí)別的高低電平(高電平大約為+5V，低電平大約為0V)，51單片機(jī)通過(guò)識(shí)別輸入電平，判定電網(wǎng)每一相電的工作狀態(tài)。為了提高精確度，電網(wǎng)的每一相電的狀態(tài)判定對(duì)應(yīng)51單片機(jī)的2個(gè)I／O口，一個(gè)I／O口用來(lái)判定該相是否過(guò)壓，另一個(gè)I／O口用來(lái)判定該相是否欠壓，通過(guò)組合邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)該路電網(wǎng)正常，欠壓和過(guò)壓三態(tài)的判定。51單片機(jī)綜合邏輯關(guān)系如表1所示。

2．4 外圍通信接口電路
外圍通信接口電路的設(shè)計(jì)主要由485總線接口電路，USB接口電路和以太網(wǎng)接口電路3部分組成。
1)485總線是典型的串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，1．RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2～6)V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2～6)V表示。RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mbps。RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4 000英尺(約1 219 m)，實(shí)際上可達(dá)3 000米，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。
2)USB接口分為主／從2種模式，USB主模式可連接U盤(pán)、打印機(jī)等USB接口設(shè)備，USB從模式接口可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和上位機(jī)的通信，本文主要利用USB接口實(shí)現(xiàn)由攝像頭到ARM芯片的通信。
3)以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給其他設(shè)備，DM9000A是集成和高效的10／100MHz自適應(yīng)網(wǎng)卡芯片。DM9000A與ARM芯片連接，可以通過(guò)數(shù)據(jù)、地址和控制三總線進(jìn)行連接并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。在對(duì)DM9000A讀寫(xiě)之前，ARM芯片需要通過(guò)控制總線和地址總線提供DM9000A正確的讀寫(xiě)時(shí)序，實(shí)現(xiàn)正確尋址。分別設(shè)置片選，工作模式后，才能完成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確交換。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)如圖6所示，主要包括軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的構(gòu)建、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境的開(kāi)發(fā)。為使設(shè)備能夠正常工作，SD卡，矩陣鍵盤(pán)，USB設(shè)備，LCD屏，網(wǎng)口，485總線等驅(qū)動(dòng)程序均以模塊的方式加載到內(nèi)核中。應(yīng)用程序主要分為：外圍的通信接口程序，鍵盤(pán)和LCD屏的控制程序等。

本電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程是首先對(duì)電網(wǎng)各相電的參數(shù)進(jìn)行采集，然后將信號(hào)量傳給51單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)對(duì)信號(hào)量的處理后得出狀態(tài)結(jié)果，再通過(guò)485總線將其傳輸給ARM芯片，將結(jié)果存儲(chǔ)在EEPROM中，并可將有關(guān)參數(shù)和分析結(jié)果嵌入到存儲(chǔ)在EEPROM中的事先定制好的網(wǎng)頁(yè)中，同時(shí)采集環(huán)境的溫度和實(shí)時(shí)畫(huà)面并上傳，供客戶機(jī)通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，通信主程序流程如圖7所示。

Linux下嵌入式Web服務(wù)器主要有3個(gè)：httpd、thttpd和Boa。http和Boa都支持認(rèn)證、CGI等，功能比較全。本系統(tǒng)以Boa搭配Cgic作為服務(wù)器。Boa是一個(gè)單任務(wù)的hupd服務(wù)器，源碼開(kāi)發(fā)、系能高。隨著internet技術(shù)的不斷發(fā)展，在嵌入式設(shè)備的管理與交互中，B／S(即Brows er／Server瀏覽器／服務(wù)器機(jī)構(gòu))結(jié)構(gòu)成為目前的主流。通過(guò)對(duì)Boa和Cgic源代碼的操作，最后得到可執(zhí)行文件Boa和CGIC庫(kù)libcgic.a。
通過(guò)調(diào)試輔助程序capture和測(cè)試程序cgictest．cgi，可以驗(yàn)證生成CGIC庫(kù)的正確性。將capture和cgictest．cgi復(fù)制到開(kāi)發(fā)板的CGI程序目錄下，用瀏覽器訪問(wèn)這個(gè)Cgi文件，可以看到頁(yè)面，表示CGIC庫(kù)和測(cè)試腳本都移植成功。為了能夠在ARM上運(yùn)行Web服務(wù)器Boa，需要完成對(duì)其運(yùn)行環(huán)境、參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，并將最終的配置文件Boa．conf置于工作目錄下。

4 結(jié)束語(yǔ)
基于Web服務(wù)器的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)利用51單片機(jī)及采樣調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)各電網(wǎng)狀態(tài)的判定，通過(guò)485總線將結(jié)果傳輸給S3c6410芯片，同時(shí)采集環(huán)境溫度及實(shí)時(shí)畫(huà)面，S3c6410結(jié)合DM9000A芯片實(shí)現(xiàn)了TCP／IP協(xié)議棧，相比8位的MCU，大大的縮減了工作量，并提高了系統(tǒng)的可靠性?；赪eb服務(wù)器的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的聯(lián)網(wǎng)和信息共享的功能，也具有測(cè)量精度高，硬件電路簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因此本系統(tǒng)具有廣泛的發(fā)展空間。