基于ARM9的水壩安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 鵬 王 剛 李奇茂 李 寧

(云南大學(xué)信息學(xué)院1，云南 昆明 650091;宣威革香河水電開發(fā)有限責(zé)任公司2，云南 宣威 655400)

0 引言

在云南省，各種規(guī)模的水電站以及農(nóng)田水利設(shè)施遍布于全省各地。一些大中型水電站，由于建設(shè)資金充足，配套了壩體的安全監(jiān)測系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集。而對于大部分小型水電站以及中小型水庫而言，它們雖然按規(guī)范要求都布置了大壩安全監(jiān)測點(diǎn)，但監(jiān)測數(shù)據(jù)仍然處于人工記錄分析階段，不能有效及時(shí)地發(fā)現(xiàn)大壩安全隱患，這就直接影響到水利樞紐或水電站的安全運(yùn)行，因而有必要建設(shè)自動(dòng)化的安全監(jiān)測系統(tǒng)。

解決以上問題的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小型水電站以及中小型水庫安全監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、可視化、數(shù)字化和智能化［1－4］。因此，亟需針對上述水壩開發(fā)一套低成本、安裝方便、數(shù)據(jù)接口豐富、具有采集及分析功能的自動(dòng)化安全監(jiān)測系統(tǒng)。本文以云南宣威達(dá)開水電站壩體安全監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)為應(yīng)用背景，基于ARM9嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)采集終端與處理控制中心相分離的網(wǎng)絡(luò)化水壩安全監(jiān)測平臺(tái)。

1 系統(tǒng)介紹

本文設(shè)計(jì)的水壩安全監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 水壩安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of monitoring system for dam safety

數(shù)據(jù)采集終端位于水壩現(xiàn)場，由于基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)接口豐富，驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)比較方便，無論是通過有線方式傳輸?shù)哪M量信號(hào)還是通過MCU與無線模塊通信的數(shù)字信號(hào)，都可以較為便利地實(shí)現(xiàn)壩體的多傳感數(shù)據(jù)(滲流、形變、水位等)與數(shù)據(jù)采集終端之間的互連互傳。

尤為重要的是基于ARM9的嵌入式平臺(tái)帶有以太網(wǎng)接口，且上游水文站與監(jiān)控管理中心處于同一局域網(wǎng)。因此，數(shù)據(jù)采集終端與上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)、上游水文站之間的數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化傳輸。

這種數(shù)據(jù)采集終端與監(jiān)控管理中心相分離的網(wǎng)絡(luò)化水壩安全監(jiān)測平臺(tái)使得數(shù)據(jù)采集器的小型化和便攜式成為了可能，并且具有很好的易擴(kuò)展性，因此，它特別適合應(yīng)用于監(jiān)測點(diǎn)不太多的中小型水電站壩體的安全監(jiān)測。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集需求

宣威達(dá)開電站大壩的安全監(jiān)測采集數(shù)據(jù)主要有水位、應(yīng)力、溫度、滲流和壩體變形等，本文所設(shè)計(jì)的安全監(jiān)測系統(tǒng)需采集的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 達(dá)開電站水壩監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.1 The data of monitoring system for Dakai dam

目前，水電站壩體安全監(jiān)測系統(tǒng)中大多采用的是以8位或16位單片機(jī)為內(nèi)核的硬件系統(tǒng)。設(shè)計(jì)一套基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相對比較容易，且能達(dá)到一般的技術(shù)要求，但也存在著存儲(chǔ)容量小、獨(dú)立工作能力較弱、數(shù)據(jù)接口單一以及人機(jī)交互復(fù)雜等缺點(diǎn)。此外，基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集終端不具有底層的操作系統(tǒng)，若要開發(fā)較為復(fù)雜的人機(jī)接口或數(shù)據(jù)接口功能，其軟件的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，且系統(tǒng)在使用過程中若要求發(fā)生很小的改變，都要對整個(gè)系統(tǒng)做較大的改動(dòng)。因此，軟件升級(jí)較為困難。而對于中小型水壩而言，雖然監(jiān)測數(shù)據(jù)采集點(diǎn)不太多，但傳感器輸出信號(hào)的種類卻多種多樣，且不同的水壩有不同的需求。因而，開發(fā)一套接口豐富、適應(yīng)性強(qiáng)、可變更升級(jí)的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)成為亟待解決的問題。

隨著芯片技術(shù)和嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展，上述問題將越來越容易得到解決。本文設(shè)計(jì)的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器是以ARM-Linux為開發(fā)平臺(tái)，基于ARM9 系列處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的［3－4］。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于現(xiàn)場傳感器在大壩的位置分布不同，有的傳感器采集信號(hào)可以通過預(yù)先埋設(shè)的線路傳輸至水泵房，而有的則需要用特定設(shè)備到傳感器安放現(xiàn)場人工測量后進(jìn)行記錄。對于前者，我們通過有線的方式采集傳感器數(shù)據(jù)，而對于后者，我們則在傳感器現(xiàn)場加裝單片機(jī)處理系統(tǒng)(MCU)，使采集數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送至位于水泵房的數(shù)據(jù)采集器(ARM)。因此，基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用來實(shí)現(xiàn)對有線傳感器數(shù)據(jù)(模擬量)和無線傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并把采集數(shù)據(jù)打包后通過以太網(wǎng)傳送給上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

圖2 采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The hardware structure of the acquisition system

本文選取了S3C2440的ARM9芯片。該芯片為32位嵌入式微處理器，系統(tǒng)工作頻率為200 MIPS(180 MHz);SDRAM容量為64 MB，F(xiàn)lash容量為10 MB，其中8 MB為Program Flash，2 MB為boot Linux Flash;芯片支持10/100 Mbit以太網(wǎng)，支持TCP/IP、UDP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并帶有RS-232串口通信接口。

針對達(dá)開電站監(jiān)測量模擬信號(hào)較多的特點(diǎn)，S3C2440芯片內(nèi)部集成了一個(gè)8路的10位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率為10 bit。該轉(zhuǎn)換器可以通過軟件設(shè)置為Sleep模式，這樣可以減少功率的損失，最大轉(zhuǎn)換率為500 kS/s/10。假定CPU主時(shí)鐘的頻率為50 MHz，并且將A/C采用預(yù)分頻寄存器(ADCPSR)置為49，則采樣一次數(shù)據(jù)(一次A/D轉(zhuǎn)換)的時(shí)間大約為5 μs。而本系統(tǒng)中僅要求60 s采集一次大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，由此可見，該芯片采集轉(zhuǎn)換模擬量數(shù)據(jù)的速度已滿足大壩安全監(jiān)測中的要求。

此外，通過多路選擇開關(guān)的模擬量輸入信號(hào)采用光耦隔離方式，避免了現(xiàn)場信號(hào)對數(shù)據(jù)采集設(shè)備正常工作產(chǎn)生的干擾，提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

根據(jù)革香河水電站壩體傳感器放置的特點(diǎn)，圖2中無線收發(fā)模塊采用NRF905，空曠地帶的傳輸距離可達(dá)到2500 m左右。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，基于ARM9(S3C2440)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分利用其CPU外部豐富的接口功能，使得監(jiān)測平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信更加可靠、合理，且易于擴(kuò)展，系統(tǒng)集成度更高、體積更小，達(dá)到了便攜式的要求。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要有3部分:ARMLinux開發(fā)平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用程序。

Linux操作系統(tǒng)與Unix相似，是一個(gè)以內(nèi)核為基礎(chǔ)、完全內(nèi)存保護(hù)的多任務(wù)多進(jìn)程操作系統(tǒng)，其內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡(luò)支持，而不必像其他操作系統(tǒng)要外掛TCP/IP或UDP協(xié)議包。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序部分主要包括:①系統(tǒng)初始化;②啟動(dòng)/關(guān)閉采集設(shè)備;③中斷服務(wù)程序;④應(yīng)用層控制接口;⑤應(yīng)用層數(shù)據(jù)接口。

應(yīng)用程序部分主要實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)采集過程并將數(shù)據(jù)打包向服務(wù)器發(fā)送的功能。其中，發(fā)送協(xié)議采用了UDP廣播方式，可同時(shí)傳輸給多臺(tái)上位機(jī)接收。

2.4 監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)性測試與分析

基于ARM9的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上游水文站及上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通過快速以太網(wǎng)進(jìn)行互連互傳，雖然以太網(wǎng)技術(shù)比較成熟且費(fèi)用低廉，但本文所設(shè)計(jì)的水電站壩體安全監(jiān)測平臺(tái)存在下面2個(gè)問題［5］。

① 傳輸?shù)拇_定性問題:以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是基于沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議(CSMA/CD)以及二進(jìn)制指數(shù)退避算法。該算法被認(rèn)為是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信算法，因此，不能直接用于實(shí)時(shí)性要求高的通信環(huán)境。

② 傳輸?shù)目煽啃詥栴}:以太網(wǎng)采用超時(shí)重發(fā)機(jī)制，因此，會(huì)引發(fā)單點(diǎn)故障擴(kuò)散現(xiàn)象;另外，無差錯(cuò)的TCP協(xié)議往往會(huì)因?yàn)椤叭挝帐帧辈呗栽斐赏ㄐ抛枞?，策略失敗還會(huì)引發(fā)通信故障。

針對以上問題，本文在設(shè)計(jì)上采取了以下2個(gè)措施。

① 在網(wǎng)絡(luò)傳輸層選用“不可靠”的UDP協(xié)議(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，沒有握手信息和回告信息)，為后續(xù)在用戶層設(shè)計(jì)靈活的通信策略打下基礎(chǔ)。

② 在用戶層的通信報(bào)文設(shè)計(jì)中加入時(shí)間信息、序列號(hào)信息、確認(rèn)信息和狀態(tài)控制信息，實(shí)現(xiàn)“可以控制”的可靠通信。收發(fā)數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

圖3 收發(fā)數(shù)據(jù)幀格式Fig.3 Formats of the data frames of sending and receiving

根據(jù)所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求［6］，本文設(shè)計(jì)了如圖4所示的實(shí)時(shí)性測試仿真平臺(tái)，并在基于UDP協(xié)議通信方式下，以一定頻率發(fā)送定量數(shù)據(jù)對ARM實(shí)驗(yàn)開發(fā)板和上游水文站仿真平臺(tái)、上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)進(jìn)行了測試［7］，觀察數(shù)據(jù)錯(cuò)漏包率和傳輸時(shí)延情況是否滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 實(shí)時(shí)性測試仿真平臺(tái)Fig.4 The simulation platform for real-time performance test

圖4中:仿真平臺(tái)均為主頻2.2 GHz的PC機(jī)，網(wǎng)卡為TP-Link 100 M快速以太網(wǎng)卡，交換機(jī)使用TP-Link 10 M/100 M快速Switch，共有12個(gè)端口，傳輸介質(zhì)為5類UTP。仿真平臺(tái)與交換機(jī)的連線距離約為15 m。

測試方法為:實(shí)驗(yàn)板及上游水文站仿真平臺(tái)同時(shí)向上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)發(fā)送500～2000個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，發(fā)送周期為100 ms，每次測試共發(fā)送10000次。

上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)接收到的數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)漏包及時(shí)延的情況如表2所示。

表2 以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性測試結(jié)果Tab.2 The results of real-time testing for Ethernet

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及上游水文站每60 s向上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送一次約600字節(jié)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。因此，其實(shí)時(shí)性滿足性能指標(biāo)要求。

3 上位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

上位監(jiān)控系統(tǒng)是水壩安全監(jiān)測后續(xù)處理系統(tǒng)，主要對已采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理和備份，以便于用戶查詢與統(tǒng)計(jì)。本系統(tǒng)是一個(gè)集通信、解包、分析、后備和人機(jī)交互平臺(tái)為一體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其為水壩管理人員和設(shè)計(jì)人員提供實(shí)時(shí)監(jiān)測信息及數(shù)據(jù)，并對壩體的安全性、穩(wěn)定性做出初步的分析，為災(zāi)害的防治提供決策支持。

上位監(jiān)控系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 上位監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.5 The software framework of host computerized monitoring

本文基于C/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行上位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，開發(fā)工具選用了對數(shù)據(jù)庫操作快捷方便的PowerBuilder軟件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Server。軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能包括系統(tǒng)管理、工程信息概況、數(shù)據(jù)處理與分析、監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫管理等，通過對變形、滲流、滲壓、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等各類大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算分析，進(jìn)行安全評估。該系統(tǒng)還能夠?qū)误w的概貌、監(jiān)測布置圖、實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線以及報(bào)警狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，也可對歷史的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和離線分析。

4 結(jié)束語

本文以云南宣威達(dá)開水電站壩體安全監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)為應(yīng)用背景，針對中小型水站及水庫壩體安全監(jiān)測的特點(diǎn)和需求，設(shè)計(jì)了基于ARM9嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化壩體安全監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了庫水位、應(yīng)力、溫度、滲流、壩體變形以及上游水文站和監(jiān)控中心數(shù)據(jù)的互連互傳，并能夠通過上位監(jiān)控系統(tǒng)，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，為相關(guān)的安全隱患的防治提供決策支持。系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集終端和處理分析中心相分離的模式，使得數(shù)據(jù)采集器的小型化和便攜式成為可能，并且具有易擴(kuò)展性，特別適合于監(jiān)測點(diǎn)不太多的中小型水電站壩體的安全監(jiān)測。

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