電氣設(shè)備的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙 晶，湯宏穎，周建振 ，丁聰聰

（1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，昆明 650500；2.中國(guó)電信滄州分公司，滄州 061000；3.南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，株洲 412000）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，電氣自動(dòng)化程度的日益提高，電氣設(shè)備的智能化管理已成為電氣行業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)。其中，裝置控制室與配電室之間的信息檢測(cè)，在現(xiàn)代化電氣智能管理中顯得尤為重要。尤其在一些重要場(chǎng)所，如石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置中，需要更直觀方便地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電流、電壓進(jìn)行了解，同時(shí)設(shè)備的變位控制命令即電機(jī)的啟動(dòng)或容許啟動(dòng)、停機(jī)等動(dòng)作，也需要做一個(gè)記錄，以便后續(xù)的管理和查詢。

本文所介紹的智能網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，能有效地進(jìn)行裝置控制室與變配電室之間的信息指令監(jiān)測(cè)，并對(duì)被控電機(jī)等用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；可以滿足生產(chǎn)實(shí)際使用要求，提高電氣智能化管理，有效地降低操作時(shí)間及成本，使生產(chǎn)過(guò)程中的電氣控制更加安全、便捷、可靠。

本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面，以高性能微處理器ARM為核心，通過(guò)可以觸控的顯示屏進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，并輔以相應(yīng)的外圍接口電路進(jìn)行通訊和信號(hào)采集。在軟件設(shè)計(jì)方面，采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，應(yīng)用Linux嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高度智能化、提高了系統(tǒng)的可靠性，體現(xiàn)了該系統(tǒng)的靈活性和智能性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

近年來(lái)，嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中以ARM處理器發(fā)展最為突出，ARM被公認(rèn)為業(yè)界領(lǐng)先的，優(yōu)秀的32位嵌入式處理器結(jié)構(gòu)。ARM系列處理器憑借高性能、低成本和低功耗等特點(diǎn)，在嵌入式領(lǐng)域占據(jù)了絕對(duì)市場(chǎng)份額[1-2]。系統(tǒng)選用的是ARM9處理器S3C2440，被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

嵌入式智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要用到的智能設(shè)備有RS485通訊管理機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)EDS-205、帶有RS485接口的智能IO（輸入輸出）信號(hào)采集模塊STC-101、多個(gè)中間繼電器、多臺(tái)24 V直流電源和觸控顯示屏。本文為了展示方便，將多路電路簡(jiǎn)化為2路為例進(jìn)行說(shuō)明，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為1個(gè)3層的分布，分為控制層、通訊層和采集層。其中上層為控制層，由一個(gè)嵌入式主控制器和1臺(tái)8寸的觸控顯示屏作為人機(jī)交互操作平臺(tái)，它們之間連接有RS232總線。嵌入式主控制器通過(guò)RS232總線將電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電流、電壓和上位機(jī)所發(fā)出的控制命令信息傳輸?shù)接|控顯示屏并顯示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

中間層為通訊層，它由以太網(wǎng)交換機(jī)連接的多個(gè)485通訊管理機(jī)組成。以太網(wǎng)交換機(jī)采用EDS-205 5口非網(wǎng)管交換機(jī)，作為嵌入式主控制器與其他通信設(shè)備連接的中間節(jié)點(diǎn)，它可以擴(kuò)展出5個(gè)通信網(wǎng)口，能夠通過(guò)以太網(wǎng)連接多個(gè)485管理機(jī)。485通訊管理器可以同時(shí)連接多個(gè)從機(jī)設(shè)備（電機(jī)綜合保護(hù)器和輸入輸出采集模塊STC-101），以Modbus通訊方式同時(shí)接收多臺(tái)從機(jī)設(shè)備傳送回來(lái)的信息。其中STC-101支持Modbus協(xié)議，具有16路接口，能夠滿足采集多路電路信息，并自帶有10 M/100 M以太網(wǎng)口、RS485和RS232接口，能夠和交換機(jī)直接通訊，以滿足實(shí)際需要。

底層是采集層，控制室的上位機(jī)通過(guò)控制中間繼電器的線圈來(lái)控制電機(jī)及其他用電設(shè)備的起動(dòng)和停止。STC-101 IO（輸入輸出）智能采集模塊用來(lái)采集中間繼電器的啟停信號(hào)，再將記錄的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)備查。RS485通信管理器還可以通過(guò)485總線連接采集層中帶有RS485接口的電機(jī)綜合保護(hù)器，用來(lái)采集電機(jī)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)、電壓、電流等信息。

1.2 嵌入式智能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)的嵌入式控制器主要有以下功能：

（1）轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)發(fā)出的控制命令（起動(dòng)、停機(jī)、容許起動(dòng)）參與電機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行控制；

（2）采集、記錄和存儲(chǔ)上位機(jī)控制信號(hào)動(dòng)作變化（記錄上位機(jī)發(fā)出的指令），并記錄發(fā)生時(shí)間和性質(zhì)，以備日后事故查詢，且信號(hào)采集動(dòng)作不影響原設(shè)備功能。

（3）以服務(wù)器模式巡檢下面的以太網(wǎng)交換機(jī)連接的485通訊管理機(jī)，并從STC-101模塊采集線路狀態(tài)，同時(shí)從電機(jī)綜合保護(hù)器中可以獲取電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、電壓、電流等信息，用RS485總線或以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)儲(chǔ)存和顯示，同時(shí)數(shù)據(jù)也可以通過(guò)U盤導(dǎo)出；

（4）有統(tǒng)計(jì)查詢動(dòng)作數(shù)據(jù)記錄的功能，可供工作人員分析處理；

（5）通過(guò)觸控顯示屏在本地顯示監(jiān)控線路狀態(tài)，查詢上位機(jī)變位數(shù)據(jù)，并且可以進(jìn)一步設(shè)置采集到的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的內(nèi)容信息。

2 硬件電路介紹

2.1 嵌入式控制器介紹

嵌入式主控制器主要是以ARM9為核心，采用Linux嵌入式作為操作系統(tǒng)平臺(tái)，其外圍電路主要包括128 MB內(nèi)存、256 MB Flash閃存、RS232顯示器接口、RS485串行接口、時(shí)鐘脈沖電路、CAN總線接口、100 MB通訊網(wǎng)口、SD卡儲(chǔ)存和USB接口等。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主控制器的主要功能和各外圍電路的作用為

（1）RTC時(shí)鐘脈沖電路具有啟動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)時(shí)、提供系統(tǒng)時(shí)鐘的作用；

（2）128 MB內(nèi)存和256 MB閃存用來(lái)儲(chǔ)存應(yīng)用程序和參數(shù)設(shè)置的數(shù)據(jù)；

（3）SD卡用于存儲(chǔ)設(shè)備信號(hào)數(shù)據(jù)記錄；

（4）RS485串口作為通信接口與信號(hào)控制室的上位機(jī)進(jìn)行通訊，485通訊管理機(jī)通過(guò)RS485總線獲取各個(gè)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、電壓、電流等信息；

圖2 嵌入式控制器Fig.2 Embedded controller

（5）RS232串口為主控制器與觸控顯示屏的通訊接口；

（6）USB接口方便用U盤把所儲(chǔ)存的設(shè)備記錄拷出，為后續(xù)系統(tǒng)升級(jí)和寫(xiě)系統(tǒng)內(nèi)核服務(wù)[3]。

2.2 智能通訊模塊和智能采集模塊

以太網(wǎng)交換機(jī)采用的是EDS-205交換機(jī)，它是一種5口工業(yè)非網(wǎng)管以太網(wǎng)交換機(jī)，支持IEEE802.3/802.3u/802.3x，即（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定傳輸速度為10 M/100 Mb/s），同時(shí)支持全/半雙工的工作方式。并且具有MDI/MDI-X自適應(yīng)RJ-45端口，RJ-45端口可作為網(wǎng)絡(luò)通信接口[4]。

RS485通訊管理器NPort5430為串口設(shè)備連接到以太網(wǎng)提供了便捷的傳輸方式，只需要簡(jiǎn)單的配置就可將現(xiàn)存的串口設(shè)備連接上網(wǎng)絡(luò)，它可以在串口和以太網(wǎng)接口之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。其主要組成有10 M/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)口，4個(gè)串口，支持RS232和RS485總線通訊，支持Socket操作模式，包括TCP Server、TCP Client和 UDP協(xié)議，支持網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP MIB-II，并具有隔離保護(hù)功能。

信號(hào)采集層主要由中間繼電器和IO采集模塊組成，其中IO采集模塊采用RS485 IO采集模塊STC-101，它有16路開(kāi)關(guān)量光電隔離輸入，支持脈沖計(jì)數(shù)及SOE（事件順序記錄）；且具有標(biāo)準(zhǔn)的RS485和RS232通信口，支持Modbus協(xié)議的ASCII和RTU 2種方式。它的可靠性高，具有較強(qiáng)的抗干擾能力[5]。

2.3 智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的原理

首先，介紹一下采集上位機(jī)的控制指令信息的過(guò)程。當(dāng)控制室的上位機(jī)發(fā)出控制指令時(shí)，根據(jù)控制指令，接通指定的接點(diǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的中間繼電器的線圈。中間繼電器有2組觸點(diǎn)，主觸點(diǎn)參與電機(jī)控制，可以接成“啟動(dòng)”、“關(guān)閉”或“運(yùn)行啟動(dòng)”3 種回路。輔助觸點(diǎn)接STC-101，作為上位機(jī)指令變位記錄儲(chǔ)存使用，STC-101它通過(guò)485總線將數(shù)據(jù)傳輸給485通訊管理機(jī)。

然后，介紹電機(jī)等設(shè)備狀態(tài)、電壓、電流的采集與傳輸。電機(jī)所帶有的綜合保護(hù)器自帶RS485接口，運(yùn)行狀態(tài)、電壓、電流等信息可通過(guò)485總線傳輸給485通訊管理機(jī)。每個(gè)485通訊管理機(jī)都是嵌入式主控制器的從機(jī)，從機(jī)將所接收到的數(shù)據(jù)再通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給以太網(wǎng)交換機(jī)EDS-205，它再以Modbus協(xié)議的主-從通訊方式通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給嵌入式主控制器，在嵌入式主控制器上儲(chǔ)存并顯示，嵌入式主控制器也可以通過(guò)485總線或以太網(wǎng)與控制室的上位機(jī)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 Linux操作系統(tǒng)及性能分析

Linux嵌入式操作系統(tǒng)憑借廣泛的移植性，支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以及其非?？煽康姆€(wěn)定性，在工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。

隨著Linux在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用的推廣，嵌入式Linux的實(shí)時(shí)性得到很大提高。相對(duì)于傳統(tǒng)的Linux，Linux2.6中通過(guò)配置就可以搶占高優(yōu)先級(jí)內(nèi)核空間進(jìn)程的資源[6-7]，從而增強(qiáng)實(shí)時(shí)性能。為了更好地滿足用戶很多實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求，還需要在內(nèi)核中增加延遲鎖[8]，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

由于嵌入式系統(tǒng)的硬件是隨具體應(yīng)用而定的，因此對(duì)應(yīng)不同的嵌入式系統(tǒng)，為配合具體硬件的工作目的，需要對(duì)已有的內(nèi)核代碼進(jìn)行裁剪，去除本系統(tǒng)不需要的硬件系統(tǒng)，刪除用不到的功能模塊，裁剪后可以有很明顯的性能提高[9]。

3.2 應(yīng)用程序的編寫(xiě)

3.2.1 基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)通信

本系統(tǒng)采用在工業(yè)中廣泛使用的Modbus協(xié)議來(lái)進(jìn)行主控制器和各個(gè)通訊設(shè)備之間的通信。Modbus協(xié)議按主從方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，采用的是主機(jī)查詢和從機(jī)回復(fù)的消息結(jié)構(gòu)[10-11]。

主控制器從以太網(wǎng)交換機(jī)中接收采集來(lái)的數(shù)據(jù)，需要借助以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，以太網(wǎng)是應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，它符合IEEE802.3協(xié)議。以太網(wǎng)通信需要借助Socket編程才可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，用戶可以借助Socket所具有的通信技術(shù)，再加上一些受計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制的API，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)指定設(shè)備的控制[12]。以太網(wǎng)套接字的創(chuàng)建采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)套接字操作來(lái)完成，其分為服務(wù)端和客戶端程序，主要有以下步驟[13]：

（1）套接字初始化。其中包括創(chuàng)建Socket套接字、綁定端口地址，Bind（）函數(shù)用來(lái)綁定一個(gè)口號(hào)到套接字，Bind（）函數(shù)在套接字與所指定的口號(hào)之間建立一個(gè)連接；

（2）初始化一個(gè)連接。客戶端必須發(fā)送Connect（）函數(shù)來(lái)指定套接字號(hào)、遠(yuǎn)端IP地址和遠(yuǎn)端監(jiān)聽(tīng)口號(hào)，向服務(wù)端發(fā)送連接請(qǐng)求的信息；

（3）服務(wù)端使用Listen（）函數(shù)監(jiān)聽(tīng)是否有遠(yuǎn)程的客戶端申請(qǐng)與本地進(jìn)程通信，當(dāng)檢測(cè)到客戶端的連接請(qǐng)求時(shí)，利用Accept（）函數(shù)發(fā)送響應(yīng)到指定客戶端；

（4）Send（）和 Receive（）函數(shù)專門用于已經(jīng)連接的套接字進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；

（5）完成通信后，關(guān)閉監(jiān)聽(tīng)并釋放與上位機(jī)的Socket連接。具體程序流程圖如圖3所示。

圖3 Socket通訊程序流程圖Fig.3 Program flow chart of Socket communication

3.2.2 RS485串口數(shù)據(jù)通迅的程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中，RS485串口通信不僅負(fù)責(zé)交換機(jī)與485通訊管理機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)在主控制器與上位機(jī)之間也可以用RS485串口通信，所以串口通訊在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。上位機(jī)與主控制器之間的RS485串口通訊程序流程圖如圖4所示。

圖4 上位機(jī)通過(guò)串口讀取數(shù)據(jù)的程序流程圖Fig.4 Program flow chart of the host computer via the serial port to read the data

3.2.3 USB端口導(dǎo)出數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)除了能夠?qū)?shù)據(jù)傳送到控制室的PC機(jī)上顯示，還可以通過(guò)USB端口將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。導(dǎo)出程序如下：

3.2.4 數(shù)據(jù)采集及處理模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要包括對(duì)數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存和查詢檢索功能。

嵌入式主控制器與其他通訊設(shè)備之間的通訊都是依照Modbus協(xié)議來(lái)編寫(xiě)通信程序。在本系統(tǒng)中，IO信號(hào)采集STC-101和電機(jī)綜合保護(hù)器等通訊模塊為從設(shè)備，從設(shè)備利用ARM的DMA控制方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸[13]。

嵌入式主控制器主動(dòng)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)中的通信，連續(xù)地向各個(gè)從設(shè)備發(fā)送命令；各個(gè)從設(shè)備根據(jù)接收到的命令給主控制器以相應(yīng)的回應(yīng)信息。主控制器的程序根據(jù)接收的數(shù)據(jù)判斷是否接收到從設(shè)備的回應(yīng)，為增強(qiáng)可靠性，程序中設(shè)置了2個(gè)超時(shí)檢測(cè)，一個(gè)是檢測(cè)從設(shè)備回應(yīng)超時(shí)，另一個(gè)是檢測(cè)一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的時(shí)間接收不到字符，就認(rèn)為接收結(jié)束[11]。程序中還增加了錯(cuò)誤處理，主要是對(duì)地址碼和CRC碼的錯(cuò)誤及通訊故障進(jìn)行處理。主控制器的數(shù)據(jù)傳輸程序流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集及處理流程圖Fig.5 Flow chart of data acquisition and processing

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于ARM9的嵌入式電氣設(shè)備遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中主要有數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)展示等。其采用Modbus協(xié)議作為通訊協(xié)議，采用具有強(qiáng)大功能和豐富接口的ARM9作為嵌入式控制器，具有操作簡(jiǎn)單、使用方便、能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境等特點(diǎn)，為控制室的操作人員與工廠設(shè)備之間搭建了橋梁，使得操作人員能夠更加清晰直觀地看見(jiàn)其發(fā)出的控制命令是否能夠被電機(jī)設(shè)備準(zhǔn)確執(zhí)行，同時(shí)也逐條記錄了所發(fā)出的控制命令，為以后的數(shù)據(jù)查詢提供了依據(jù)。

設(shè)計(jì)成果已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用到了工廠設(shè)備的電機(jī)信息采集中，本系統(tǒng)具有非常高的穩(wěn)定性和可靠性，可以應(yīng)用到如礦井、鍋爐房等條件較惡劣的環(huán)境中，具有一定的實(shí)際意義。

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