基于ARM的UPS電源網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的研究

夏西泉

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院應(yīng)用電子學(xué)院，重慶401331)

作為不間斷電源，UPS 在生產(chǎn)控制、電力變電、各種計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。近幾年來，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，UPS 的功能也日趨完善，一方面表現(xiàn)在自身工作效率的提高，例如功耗降低、諧波得到抑制、功率密度有較大程度提高，從而有助于實(shí)現(xiàn)UPS 設(shè)備綠色化性能的改造；而另一方面，遠(yuǎn)程監(jiān)控與智能故障識別功能的應(yīng)用也為UPS 的可靠運(yùn)行提供了有效保障。

傳統(tǒng)的UPS 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)大多以集散控制系統(tǒng)或現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)的形式來構(gòu)建底層UPS 運(yùn)行參數(shù)的采集體系，用到的大多數(shù)技術(shù)為CAN 總線或LON-WORK 總線結(jié)構(gòu)[1]。應(yīng)用現(xiàn)場總線的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是因?yàn)槠渫ㄐ沤橘|(zhì)的傳輸速度已經(jīng)能夠達(dá)到支撐工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的速率，而且結(jié)點(diǎn)分散，彼此之間無明顯功能約束，成為目前應(yīng)用最多的一種形式[2]。但是隨著無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，各種以無線傳感網(wǎng)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)在功能和性能上已不輸于現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，同時(shí)，無線傳感網(wǎng)具有現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)所無法實(shí)現(xiàn)的采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，增加或減少監(jiān)測點(diǎn)簡單容易的優(yōu)點(diǎn)，成為取代現(xiàn)場總線的重要方式。

本文主要針對UPS 系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，構(gòu)建了基于無線傳感網(wǎng)且在底層設(shè)有嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用ARM Cortex-M3 為主控芯片，對無線傳感器各結(jié)點(diǎn)所傳送過來的檢測值進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)對UPS 電源的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，其控制系統(tǒng)模塊架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

對于一個(gè)功能完善的UPS 監(jiān)控系統(tǒng)而言，需要對UPS 的整流濾波電路、蓄電池組、充電電路、逆變器電路、校正電路等運(yùn)行的電流、電壓、功率、功率因素、溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，采集由無線傳感網(wǎng)來完成，采集的數(shù)據(jù)送入主控芯片，進(jìn)行前期的數(shù)據(jù)處理，相關(guān)系統(tǒng)的模塊框圖如圖2 所示。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要完成市電及UPS 運(yùn)行狀態(tài)信號檢測電路的設(shè)計(jì)。對于市電而言，需要檢測的信號有市電的電流、電壓、頻率、相位；對于UPS 而言，需要檢測的信號有UPS 充電電流及電壓、輸出電流、輸出電壓及溫度、蓄電池組的充放電狀態(tài)等數(shù)據(jù)。如圖2 所示，系統(tǒng)處理器采用ST 公司推出的基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的32 位處理器STM32F107，該處理器運(yùn)行頻率為72 MHz，內(nèi)置256 kB Flash、64 kB SRAM，且有完善的RJ145 網(wǎng)絡(luò)接口及ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)通訊接口，具有配置靈活、性能出色、功耗低等特性，能有效地實(shí)現(xiàn)UPS 在線監(jiān)控的功能要求。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件框圖

現(xiàn)場信號的采集利用各種傳感器節(jié)點(diǎn)收集起來，經(jīng)無線傳感網(wǎng)傳送至底層匯聚結(jié)點(diǎn)，無線傳感網(wǎng)采用ZigBee 技術(shù)來完成，工作頻率為2.4 GHz，收發(fā)模塊采用CC2530 來擔(dān)任，各設(shè)備之間的通信使用IEEE802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)，為了保證系統(tǒng)的可靠性，組網(wǎng)方式采用樹狀結(jié)構(gòu)，根結(jié)點(diǎn)設(shè)置為協(xié)調(diào)器，使用分布式地址方案分配網(wǎng)絡(luò)地址，新加入節(jié)點(diǎn)由相應(yīng)的父結(jié)點(diǎn)為其自動分配一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)地址；樹狀結(jié)構(gòu)的各個(gè)終端結(jié)點(diǎn)均為采集結(jié)點(diǎn)，各采集結(jié)點(diǎn)將設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集完成后，向上傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，而協(xié)調(diào)器再將數(shù)據(jù)向上匯總至主控電路，由STM32F107 完成數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理和遠(yuǎn)程傳送。當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送來控制命令時(shí)，由STM32F107 主控芯片進(jìn)行系統(tǒng)命令的分析，并由主控芯片向下將命令發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)再將命令傳送至控制節(jié)點(diǎn)，完成遠(yuǎn)程控制。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建先從協(xié)調(diào)器開始，該協(xié)調(diào)器所轄區(qū)內(nèi)的其他ZigBee 節(jié)點(diǎn)作為該協(xié)調(diào)器的從屬終端節(jié)點(diǎn)或路由器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)本設(shè)計(jì)采用通過MAC 層關(guān)聯(lián)的方式來支持新節(jié)點(diǎn)的加入。當(dāng)有新的ZigBee 節(jié)點(diǎn)需要加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)首先會主動掃描查找該網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中所存在的協(xié)調(diào)器，如果在所規(guī)定的掃描期限內(nèi)沒有檢測到信道的信標(biāo)，則表示該網(wǎng)絡(luò)中沒有協(xié)調(diào)器，在這種情況下可能自行建立自已的協(xié)調(diào)器，自行組網(wǎng)；如果在掃描期限內(nèi)檢測到信標(biāo)，就可以進(jìn)一步獲得協(xié)調(diào)器的有關(guān)信息，同時(shí)依據(jù)協(xié)調(diào)器相關(guān)信息利用發(fā)送關(guān)聯(lián)請求命令向協(xié)調(diào)器發(fā)出連接請求。協(xié)調(diào)器收到請求后立即回復(fù)一個(gè)確認(rèn)幀(ACK)，與此同時(shí)將節(jié)點(diǎn)的連接請求發(fā)送至其上層，協(xié)調(diào)器MAC 層的上層接收到連接指示原語后，根據(jù)系統(tǒng)的資源情況決定是否同意新結(jié)點(diǎn)的加入，如果同意，則向申請加入節(jié)點(diǎn)的MAC 層發(fā)送響應(yīng)，并對其MAC 層進(jìn)行相應(yīng)的屬性設(shè)置。如果系統(tǒng)資源緊張，則申請節(jié)點(diǎn)經(jīng)過一個(gè)時(shí)間間隔等待后再進(jìn)行相應(yīng)的信標(biāo)掃標(biāo)。

3 ZigBee路由算法的確定

ZigBee 是一種短距離、低功耗的無線傳輸技術(shù)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕驹O(shè)計(jì)采用樹狀網(wǎng)絡(luò)(Cluster-Tree)與無線自組網(wǎng)按需平面距離矢量路由協(xié)議(AODV)的改進(jìn)版AODVjr 相結(jié)合的路由算法。

按照算法的基本思路，本系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分成四種：協(xié)調(diào)器(Coordinator)、資源充足節(jié)點(diǎn)(RN+)、資源受限節(jié)點(diǎn)(RN－)和終端結(jié)點(diǎn)(RFD)。具體執(zhí)行過程是：首先對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行掃描，以確定節(jié)點(diǎn)的基本性質(zhì)，如果結(jié)點(diǎn)是RN+節(jié)點(diǎn)，則采用AODVjr協(xié)議進(jìn)行路由的選擇，如果是RN－節(jié)點(diǎn)，則轉(zhuǎn)向采用Cluster-Tree 協(xié)議進(jìn)行路由選擇。仿真證明，采用Cluster-Tree 和AODVjr 相結(jié)合的路由協(xié)議在保證分組遞交率的情況下，比單獨(dú)使用其中一種路由協(xié)議具有更低的控制開銷和平均時(shí)延。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)了基于無線傳感網(wǎng)的UPS 實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)采用ARM Cortex-M3 為主控芯片，對無線傳感器各結(jié)點(diǎn)所傳送過來的檢測值進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理，保證了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。同時(shí)還對無線傳感網(wǎng)的ZigBee的組網(wǎng)形式、路由算法等問題進(jìn)行了深入的討論，對實(shí)際應(yīng)用具有良好的參考價(jià)值。

[1]劉曉霞.實(shí)時(shí)在線UPS 電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與分析[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2013，24：262-263.

[2]季鵬，喬衛(wèi)民，敬嵐，等.嵌入式遠(yuǎn)程電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)工程，2005(6)：196-198.