基于ARM9的嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、基于ARM9的嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(yuǎn)動系統(tǒng)，是在對供電系統(tǒng)設(shè)備的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制的需求基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。用于實(shí)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(yùn)行的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)效益，減輕調(diào)度員的負(fù)擔(dān)，實(shí)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(diǎn)是站點(diǎn)比較分散，而站點(diǎn)的正常運(yùn)行又十分重要，一旦站點(diǎn)出現(xiàn)任何異常情況，監(jiān)控系統(tǒng)需要把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（溫度、風(fēng)力、震動、電

2、壓等）傳送到調(diào)度員手中，以便及時(shí)采取應(yīng)對措施。傳統(tǒng)的人工監(jiān)控現(xiàn)場不僅浪費(fèi)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(fèi)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(jì)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(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過GPRS模塊及時(shí)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(jìn)行儲存處理。同時(shí)，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(jī)（MT）上，而手機(jī)也可以向監(jiān)控中心發(fā)送查詢請求，監(jiān)控中心通過認(rèn)證其權(quán)限大小

3、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(gè)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(dāng)變電所出現(xiàn)故障時(shí)，變電所本地監(jiān)測系統(tǒng)主動呼叫遠(yuǎn)程監(jiān)測計(jì)算機(jī)并建立數(shù)據(jù)連接，發(fā)送報(bào)警信息;根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的需要，生產(chǎn)管理人員可以決定何時(shí)建立GSM數(shù)據(jù)電路連接，進(jìn)行實(shí)時(shí)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0.1

4、8 m制造工藝的32位微控制器。該處理器基本特性:獨(dú)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(gè)USB主機(jī)、1個(gè)USB設(shè)備、SD主機(jī)、MMC接口及2路SPI。S3C2410處理器最高可運(yùn)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(gè)完整的手機(jī)模塊,屬于移動設(shè)備端,負(fù)責(zé)與GSM、GP

5、RS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信令交換。通過串口可以實(shí)現(xiàn)對它的控制并進(jìn)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(gè)數(shù)據(jù)交換中心來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)發(fā)。信息采集點(diǎn)的控制器定時(shí)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(jìn)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(jī)（MT）上。而值班人員也可通過手機(jī)向監(jiān)控中心

6、發(fā)出查詢請求，監(jiān)控中心通過認(rèn)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(jì)中嵌入式操作系統(tǒng)選用Linux。Linux是一套免費(fèi)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(jī)制，實(shí)現(xiàn)了真正多任務(wù)、多用戶環(huán)境，允許多個(gè)用戶同時(shí)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。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(jī),而PC機(jī)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(jī)上生成能夠在ARM上運(yùn)行的軟件，這就要求構(gòu)建交叉編譯環(huán)境。本

7、設(shè)計(jì)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(jī)上的Bios，是系統(tǒng)啟動時(shí)運(yùn)行的第一個(gè)程序，主要作用就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)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(gè)良好的環(huán)境，然后加載操作系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)同樣使用開源項(xiàng)目U-boot。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(shí)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) 

8、60;  根文件系統(tǒng)是指Linux系統(tǒng)啟動時(shí)所使用的第一個(gè)文件系統(tǒng)，在啟動內(nèi)核時(shí)需要掛載根文件系統(tǒng)來支持外部設(shè)備，以及裝載和運(yùn)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(jì)3.1 信息采集點(diǎn)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(dāng)信息采集點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)，監(jiān)控中心維護(hù)接入的每個(gè)信息

9、采集點(diǎn)的IP地址和序號,并且根據(jù)需要定時(shí)向某個(gè)信息采集點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)請求,信息采集點(diǎn)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(xì)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

10、輸?shù)?其主要功能是實(shí)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(jìn)行處理、對調(diào)度人員進(jìn)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(jī)進(jìn)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

11、 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

12、區(qū)讀指定個(gè)數(shù)的字符int  WINAPI sio_write(int port, char *buf, int len);                      /寫指定個(gè)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);      

13、60;              /中斷函數(shù)，當(dāng)接收到指定個(gè)數(shù)字符時(shí)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(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行信息交互，傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且價(jià)格低廉，具有很高的實(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)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(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2005，26（11）：3053-3055.3   文志成.GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)M