基于ARM9的嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

 電力監(jiān)控系統(tǒng)又稱電力SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)或遠動系統(tǒng)，是在對供電系統(tǒng)設(shè)備的遠程狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集和遠程控制的需求基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。用于實現(xiàn)對沿線各變電所內(nèi)主要電氣設(shè)備的遙控、遙信、遙測、遙調(diào)和遙視等功能。它對提高電網(wǎng)運行的可靠性、安全性與經(jīng)濟效益，減輕調(diào)度員的負擔，實現(xiàn)電力調(diào)度自動化與現(xiàn)代化，提高調(diào)度的效率和水平等方面有著不可替代的作用。電力系統(tǒng)的特點是站點比較分散，而站點的正常運行又十分重要，一旦站點出現(xiàn)任何異常情況，監(jiān)控系統(tǒng)需要把實時數(shù)據(jù)（溫度、風力、震動、電壓等）傳送到調(diào)度員手中，以便及時采取應(yīng)對措施。傳統(tǒng)的人工監(jiān)控現(xiàn)場不僅浪費大量的人力物力，而且效率十分低下[1]。ARM微處理器是一種高性能、低功耗的32位微處理器，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。ARM9代表了ARM公司主流的處理器,在數(shù)字消費品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等方面應(yīng)用廣泛。本文設(shè)計了一種新型的嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)以Linux操作系統(tǒng)和ARM9硬件平臺為核心實現(xiàn)了現(xiàn)場的實時監(jiān)控，并通過GPRS模塊及時地把數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進行儲存處理。同時，監(jiān)控中心一旦接收到新的數(shù)據(jù)，馬上以短消息形式發(fā)送到手機（MT）上，而手機也可以向監(jiān)控中心發(fā)送查詢請求，監(jiān)控中心通過認證其權(quán)限大小向其發(fā)送數(shù)據(jù)。
1 系統(tǒng)組成及原理
1.1 數(shù)據(jù)采集端
      如圖1所示，整個系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)控終端、GSM網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)交換中心，監(jiān)控中心、移動接收終端五部分組成。

　　一般情況下，由本地監(jiān)測系統(tǒng)采用SM業(yè)務(wù)發(fā)送變電所的工況數(shù)據(jù)。當變電所出現(xiàn)故障時，變電所本地監(jiān)測系統(tǒng)主動呼叫遠程監(jiān)測計算機并建立數(shù)據(jù)連接，發(fā)送報警信息;根據(jù)實際生產(chǎn)中的需要，生產(chǎn)管理人員可以決定何時建立GSM數(shù)據(jù)電路連接，進行實時監(jiān)測。
　　本系統(tǒng)的發(fā)送端如圖2所示。其中，控制單元的芯片選用S3C2410嵌入式處理器，該處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核、采用0.18 μm制造工藝的32位微控制器。該處理器基本特性:獨立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache、MMU、支持TFT的LCD控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer、I/O口、RTC、8路10位ADC、Touch Screen接口、I²C-BUS 接口、I²S-BUS接口、2個USB主機、1個USB設(shè)備、SD主機、MMC接口及2路SPI。S3C2410處理器最高可運行在203 MHz頻率下。

　　GPRS模塊采用SIMCOM公司出品的工業(yè)級模塊SIM300C，該模塊支持GPRS與內(nèi)嵌TCP協(xié)議。它是一個完整的手機模塊,屬于移動設(shè)備端,負責與GSM、GPRS 網(wǎng)絡(luò)進行信令交換。通過串口可以實現(xiàn)對它的控制并進行數(shù)據(jù)傳輸,包括短信息和GPRS等。該模塊需要一張開通GPRS 業(yè)務(wù)的SIM卡與其配套使用。
1.2 服務(wù)器端
    鑒于電力系統(tǒng)的特殊性,其監(jiān)控中心不允許直接接入Internet，所以需要一個數(shù)據(jù)交換中心來進行數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)發(fā)。信息采集點的控制器定時或根據(jù)監(jiān)控中心的指令把數(shù)據(jù)由GSM/GPRS模塊經(jīng)過GSM網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進行儲存處理。
1.3 數(shù)據(jù)發(fā)布端
    監(jiān)控中心一旦接收到新的數(shù)據(jù)，馬上通過短消息形式發(fā)送到值班人員手機（MT）上。而值班人員也可通過手機向監(jiān)控中心發(fā)出查詢請求，監(jiān)控中心通過認證其權(quán)限大小向其發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖3所示。

2 操作系統(tǒng)定制
　 設(shè)計中嵌入式操作系統(tǒng)選用Linux。Linux是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)，它充分利用了X86 CPU的任務(wù)切換機制，實現(xiàn)了真正多任務(wù)、多用戶環(huán)境，允許多個用戶同時執(zhí)行不同的程序，并且可以給緊急任務(wù)以較高的優(yōu)先級，特別適用于嵌入式系統(tǒng)。應(yīng)用程序開發(fā)工具則采用ADS1.2(ARM Developer Suite)[2]。
2.1構(gòu)建交叉編譯環(huán)境
　　由于嵌入式硬件上無法安裝所需要的編譯器，所以只能借助于PC機,而PC機和嵌入式硬件基于兩種不同的處理器類型，因此需要在PC機上生成能夠在ARM上運行的軟件，這就要求構(gòu)建交叉編譯環(huán)境。本設(shè)計選用開源Crosstool來構(gòu)建交叉編譯工具鏈[2]。
2.2 移植Bootloader
    Bootloader類似于PC機上的Bios，是系統(tǒng)啟動時運行的第一個程序，主要作用就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前，初始化硬件設(shè)備，屏蔽中斷，設(shè)置啟動參數(shù)等，為操作系統(tǒng)創(chuàng)造一個良好的環(huán)境，然后加載操作系統(tǒng)。本設(shè)計同樣使用開源項目U-boot。[!--empirenews.page--]
2.3 內(nèi)核移植
    盡管最新的Linux內(nèi)核已經(jīng)增加了對S3C2410 CPU的支持，但是仍然需要根據(jù)實際需要對內(nèi)核做一些修改，并且重新配置、編譯生成新的內(nèi)核映像。
2.4 定制根文件系統(tǒng)
    根文件系統(tǒng)是指Linux系統(tǒng)啟動時所使用的第一個文件系統(tǒng)，在啟動內(nèi)核時需要掛載根文件系統(tǒng)來支持外部設(shè)備，以及裝載和運行內(nèi)核模塊與應(yīng)用程序。通常，定制根文件系統(tǒng)需要以下步驟:創(chuàng)建空的目錄樹、移植BusyBox、選擇必要的動態(tài)共享庫、初始化腳本等。
3 軟件設(shè)計
3.1 信息采集點與監(jiān)控中心的通信
    GPRS模塊的控制通過AT指令完成，而模塊與監(jiān)控中心的通信則由WinSock完成。當信息采集點傳送數(shù)據(jù)時，GPRS模塊會根據(jù)預(yù)先設(shè)定在其內(nèi)部的IP地址來主動訪問監(jiān)控中心服務(wù)器，通過防火墻和監(jiān)控中心建立TCP/IP鏈路[3]。同時，監(jiān)控中心維護接入的每個信息采集點的IP地址和序號,并且根據(jù)需要定時向某個信息采集點發(fā)出數(shù)據(jù)請求,信息采集點接收到請求后作出響應(yīng)，完成通信過程[4]。具體協(xié)議棧如表1所示。

3.2 監(jiān)控中心軟件結(jié)構(gòu)
    監(jiān)控中心軟件結(jié)構(gòu)共分為3層：操作系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件層、系統(tǒng)軟件支持層和基礎(chǔ)應(yīng)用層。
    (1) 操作系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件層
　　操作系統(tǒng)為使用者屏蔽了底層硬件的具體細節(jié)，程序員可以利用底層硬件提供的函數(shù)開發(fā)包來為上層軟件服務(wù)。
    (2) 系統(tǒng)支持軟件層
    系統(tǒng)支持軟件層包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、電力系統(tǒng)模型、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)?其主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)，并為上層軟件服務(wù)。
    (3) 基礎(chǔ)應(yīng)用層
    基礎(chǔ)應(yīng)用層的主要功能是將采集到的數(shù)據(jù)進行處理、對調(diào)度人員進行管理并通過GUI界面顯示出來[5]。
　 監(jiān)控中心如圖4所示。

3.3 管理中心與調(diào)度員的通信
    在數(shù)據(jù)發(fā)布端，無線模塊通過RS232與上位機進行通信，采用串口異步通信，波特率為9 600 Kb/s。串口程序使用的是MOXA公司的Pcomm串口通信庫，Pcomm提供了簡單方便的串口操作函數(shù)，常用的函數(shù)有：
　　int  WINAPI sio_ioctl(int port, int baud, int mode);
                      //設(shè)置串口參數(shù)，包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等
　　int  WINAPI sio_read(int port, char *buf, int len);
                      //從輸入緩沖區(qū)讀指定個數(shù)的字符
　　int  WINAPI sio_write(int port, char *buf, int len);
                      //寫指定個數(shù)的字符到輸出緩沖區(qū)
　　int  WINAPI sio_cnt_irq(int port, VOID (CALLBACK *func)(int port), int count);
                     //中斷函數(shù)，當接收到指定個數(shù)字符時響應(yīng)事件
    本系統(tǒng)基于S3C2410平臺和Linux操作系統(tǒng)，通過SIM300C經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠程監(jiān)控中心進行信息交互，傳輸距離遠、可靠性高、實時性強，并且價格低廉，具有很高的實用價值。
參考文獻
[1]   汪明虎，歐文盛. ARM嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)入門(第1版)[M].北京：中國電力出版社,2008.
[2]   全茜，鄭雪峰.基于GPRS的電力線路監(jiān)控系統(tǒng)[J].計算機工程與設(shè)計, 2005，26（11）：3053-3055.
[3]   文志成.GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.
[4]   ANDREW  S T. 計算機網(wǎng)絡(luò)(第4版)[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2004.
[5]   BLANCHETTE J, SUMMERFIELD M著. C++ GUI Qt4 編程(第2版).閆鋒欣,譯.北京：電子工業(yè)出版社.2008.