基于物聯(lián)網(wǎng)的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的設計

茍志堅，王太宏，張恩迪，游運喜

(1.中國人民解放軍95437部隊，四川南充637400；2.湖南大學微納光電器件及應用教育部重點實驗室，湖南長沙410082)

基于物聯(lián)網(wǎng)的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的設計

茍志堅1,2，王太宏2，張恩迪2，游運喜2

(1.中國人民解放軍95437部隊，四川南充637400；2.湖南大學微納光電器件及應用教育部重點實驗室，湖南長沙410082)

針對當前通信電源監(jiān)控系統(tǒng)不夠智能、應用不方便的問題，以ARM9為核心處理器，結合Zig Bee無線網(wǎng)絡，設計了一個遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用電壓和電流互感器采集通信電源輸入端的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)、利用溫濕度傳感器采集電源環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，結合紅外傳感器與圖像傳感器實現(xiàn)基站進出人員視頻圖像采集，通過Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡將傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌?，基于B/S模式實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。測試表明，該系統(tǒng)有高可靠、功能實用全面、應用更靈活等優(yōu)點。

ARM；通信電源；溫濕度傳感器；紅外傳感器；圖像傳感器

我國通信行業(yè)發(fā)展迅速，通信網(wǎng)絡設施設備正在不斷地更新?lián)Q代?；就ㄐ烹娫磽撝ㄐ啪W(wǎng)絡各個節(jié)點的供電任務，是通信質(zhì)量保證的基礎，隨著通信行業(yè)的發(fā)展，對其的要求也越來越高[1]。目前我國用于移動通信的基站有數(shù)百萬個，地域覆蓋范圍廣，多數(shù)基站建設在偏遠山村，處于無人值守狀態(tài)，對基站的通信電源進行動態(tài)監(jiān)控非常必要[2]，但傳統(tǒng)的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)功能單一、應用范圍小，已不能滿足日益增長的需求。

當前，監(jiān)控技術主要以的嵌入式監(jiān)控為主，服務器搭建有C/S模式[3]和B/S模式[4]兩種。物聯(lián)網(wǎng)是物與物相聯(lián)接的網(wǎng)絡，是互聯(lián)網(wǎng)的深入，物聯(lián)網(wǎng)通過各種智能傳感器采集信息，感知狀態(tài)，并結合互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)、命令等的傳輸，并根據(jù)需要操控各種控制機件[5]。本文結合電能質(zhì)量傳感器、圖像傳感器、紅外傳感器、溫濕度傳感器，利用物聯(lián)網(wǎng)技術提出了一種對通信電源供電質(zhì)量、電源環(huán)境溫濕度和基站進出人員圖像監(jiān)控的多功能智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)通信電源監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集更豐富全面、監(jiān)控操作更方便便捷，應用范圍更廣泛。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體設計如圖1所示。電能質(zhì)量傳感器、紅外傳感器和溫濕度傳感器將采集的數(shù)據(jù)通過Zig Bee無線網(wǎng)絡傳輸?shù)揭訟RM9為核心的S3C2440處理器上，視頻傳感器通過有線與S3C2440連接，再在S3C2440上搭建服務器，既實現(xiàn)本地監(jiān)控中心實時監(jiān)控，又能與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接，實現(xiàn)用戶可以通過任意網(wǎng)絡設備進行實時監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總設計圖

2 硬件設計與實現(xiàn)

2.1 ARM處理器硬件構成

ARM處理器是本系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)采用三星公司的S3C2440處理器，它的資源豐富，常被各種應用系統(tǒng)采用[6]。S3C2440可以運行定制的Linux嵌入式操作系統(tǒng)，其硬件組成如圖2所示。系統(tǒng)以太網(wǎng)芯片是DM9000A，Zig Bee芯片是TI出產(chǎn)的CC2530；視頻傳感器是中微星的zc301 USB攝像頭。zc301操控便捷，在ARM的操作系統(tǒng)中加載zc301的驅(qū)動，通過簡單的命令就能對其進行打開、關閉等操控。

圖2 S3C2440處理器的硬件框圖

2.2 無線傳感硬件組成

為了增加系統(tǒng)應用的靈活性，系統(tǒng)的大部分傳感器采集的數(shù)據(jù)都利用由Zig Bee組建的無線網(wǎng)絡進行傳輸。無線傳感模塊由傳感電路模塊、處理器模塊、CC2530、電源和時鐘構成，如圖3所示。

圖3 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡硬件框圖

傳感電路負責對目標信息進行采集和調(diào)理，并將得到的模擬信號傳到處理器進行A/D轉換；處理器還控制路由通信、功耗管理、節(jié)點運行控制，以保證無線通信暢通；電源負責供電；時鐘模塊為處理器提供時鐘頻率；CC2530負責與系統(tǒng)的其他節(jié)點通信。

CC2530內(nèi)置256 kB的高速閃存，8 kB的RAM，具有49 dB的鄰道抑制能力，具有5通道通信能力。

2.3 電能質(zhì)量傳感電路

目前，有相當部分的基站處在偏遠的山村，其供電質(zhì)量波動大，配置電能質(zhì)量傳感模塊對通信電源輸入端進行實時監(jiān)控非常必要。系統(tǒng)利用電壓、電流互感器從通信電源輸入端上得到電能質(zhì)量信號，再將其變換成適合A/D的小信號，對其濾波后再進行A/D轉換，再利用DSP對轉換的結果進行換算，最后通過Zig Bee模塊發(fā)送。

該模塊的A/D芯片采用功耗低、傳輸速度高的ADS8364，其具有6路同步采樣和16位高速模數(shù)轉換的能力。DSP采用TI出產(chǎn)的TMS320F2812，其工作頻率為150 MHz，有三條數(shù)據(jù)總線和地址總線，自帶18 K RAM，能勝任較復雜的數(shù)據(jù)處理工作。TMS320F2812與ADS8364的連接電路如圖4所示。

圖4 TMS320F2812與ADS8364的連接電路圖

2.4 溫濕度傳感電路

系統(tǒng)的溫、濕度傳感模塊選用插針式的DHT91。DHT91模塊有A/D轉換電路和串行接口電路，實現(xiàn)類I2C協(xié)議通信，其測量的精度較高、性能可靠穩(wěn)定，濕度的測量范圍和精度分別為0～100%RH和3.0%RH，溫度的測量范圍和精度分別為－40～+123.8℃和±0.4℃。其連接電路如圖5所示。

圖5 DHT91連接電路圖

2.5 紅外傳感器

本系統(tǒng)的紅外感應模式為HR-SR501，該模塊配置的探頭是高靈敏度的LHI778；其典型靜態(tài)電流為50 μA，功耗低；具有自動光敏控制、自主溫度補償?shù)墓δ?。其連接電路與DHT91連接電路類似。

3 軟件設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設計主要包括ARM處理器軟件設計、Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡設計、各傳感模塊軟件設計、B/S結構的遠程動態(tài)網(wǎng)頁軟件設計。

3.1 ARM處理器軟件設計

系統(tǒng)的ARM處理器運行內(nèi)核版本為2.6.32的Linux操作系統(tǒng)。ARM處理器傳感數(shù)據(jù)收集和上傳的運行流程如圖6所示。

圖6 ARM處理器的運行流程圖

將各種傳感數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡是ARM處理器的工作之一，系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸程序利用Socket套接字進行開發(fā)。

3.2 Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡設計

Zig Bee無線網(wǎng)絡具有三種拓撲結構[7]。根據(jù)具體應用的不同，系統(tǒng)中的無線傳感單元的數(shù)量也不一樣，所以系統(tǒng)設計必須考慮數(shù)據(jù)沖撞的情況。系統(tǒng)采用星型拓撲網(wǎng)絡結構，ARM處理器模塊上的節(jié)點定為網(wǎng)絡的主節(jié)點，其它無線傳感單元為從節(jié)點。當主節(jié)點接到控制命令后，向?qū)膹墓?jié)點發(fā)送喚醒命令，從節(jié)點接到喚醒命令后根據(jù)命令進行數(shù)據(jù)傳輸或其它操控。該星型拓撲網(wǎng)絡結構在有效避免消息碰撞的前提下，具有低功耗的優(yōu)點。

3.3 電能質(zhì)量采集

通信電源的輸入端的電壓和電流都是周期性函數(shù)，都滿足狄里赫利條件，可對其進行傅里葉分解，從而得出諧波含有率、畸變率和電壓電流不平衡度等參數(shù)[8]。系統(tǒng)利用TMS320F2812進行傅里葉變換和參數(shù)提取。電能質(zhì)量采集模塊運行流程如圖7所示。

圖7 電能質(zhì)量采集流程圖

3.4 紅外感應響應與視頻圖像采集傳輸

當人侵入HR-SR501紅外感應模塊的感應范圍內(nèi)，HR-SR501發(fā)生電平轉換，通過Zig Bee無線網(wǎng)絡傳輸給ARM處理器，ARM處理器打開視頻圖像采集設備，捕捉侵入人員視頻圖像，并儲存和發(fā)送。視頻圖像采集設備也可以由本地客戶端和遠程網(wǎng)頁客戶端進行開啟、關閉等操控。

視頻圖像采集設備調(diào)用Video4linux接口函數(shù)實現(xiàn)視頻圖像捕捉。其流程是在設備初始化完成后分別建立圖像采集線程和視頻圖像傳送監(jiān)聽進程。圖像數(shù)據(jù)利用Socket套接字基于TCP協(xié)議傳輸。系統(tǒng)視頻圖像采集發(fā)送可以同時進行。

在本地客戶端安裝Spcaview顯示程序，系統(tǒng)還可以直接將視頻圖像顯示，并具有手動捕捉、運動檢測等功能；利用C語言編寫鼠標捕捉程序并與web服務器程序配合，具有遠程捕捉監(jiān)控畫面功能。

3.5 溫濕度采集

DHT91溫濕度處理器的工作狀態(tài)由SCK線和DATA線上的時序控制。其溫濕度數(shù)據(jù)采集流程是收到采集命令后，采集數(shù)據(jù)，完成后發(fā)出“采集完成”信號，然后在網(wǎng)絡暢通的情況下將數(shù)據(jù)傳出，然后采集下一組數(shù)據(jù)。

3.6 Web交互頁面設計

系統(tǒng)的服務器采用B/S架構。實現(xiàn)遠程用戶打開瀏覽器頁面，輸入服務器網(wǎng)絡地址就可查看各傳感設備采集的數(shù)據(jù)。服務器利用遵循HTTP協(xié)議的Boa服務器程序搭建，Boa是支持cgi的單任務嵌入式服務器。通信電源監(jiān)控的遠程訪問量小，采用單任務服務器能很好的滿足應用要求。

Web用戶端采用ajax異步交互與服務器的cgi進程通信。當遠程用戶提交連接請求，XMLHttpRequest對象將先建立異步通信機制，然后采用get方式將連接請求提交至服務器的cgi函數(shù)，同時創(chuàng)建響應函數(shù)以處理cgi函數(shù)的響應。視頻通信利用SwingWorker創(chuàng)建線程，通過套接字實現(xiàn)。

Web頁面利用html和applet腳本語言編寫，主要有視頻監(jiān)視、溫濕度數(shù)據(jù)顯示、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)顯示和操控部件等四部分。Web頁面如圖8所示，頁面右上是日期和時間，右下是操作記錄，左邊有四個選項供用戶選擇，分別是：“電能質(zhì)量”、“溫/濕度”、“視頻圖像”和“控制”。

圖8 系統(tǒng)Web監(jiān)控頁面

4 結束語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術，設計了一個新型的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用S3C2440核心處理部件，搭配TMS320F2812、DHT91、HR-SR501、zc301等芯片實現(xiàn)了電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、溫濕度數(shù)據(jù)采集、圖像數(shù)據(jù)采集等功能；系統(tǒng)利用Zig Bee組建無線網(wǎng)絡用于傳輸各傳感模塊的數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡的布線工作，應用更加靈活方便；系統(tǒng)還搭建B/S模式服務器實現(xiàn)了遠程監(jiān)測和操控，監(jiān)控操作更加方便快捷。測試表現(xiàn)，系統(tǒng)功能強大、實用價值高。

[1]王文亮，路一平.基于Web的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計[J].電源技術，2010,34(6):598-599.

[2]鄧海麗，劉澤軍，劉敏.基于ARM的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].電源技術，2013，37(10):1865-1866.

[3]梁志勇，戴勝華.基于C/S模式的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的應用研究[J].鐵路計算機應用，2011(3):30-34.

[4]劉嬌，劉佳欣，唐磊.基于B/S的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)[J].電源技術，2013(1):136-137.

[5]田鈞，龍冬陽.物聯(lián)網(wǎng)感知行為統(tǒng)一表達模型研究[J].計算機工程與應用，2014,50(1):53-57.

[6]堯平.基于嵌入式Web技術的遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].長沙：中南大學，2012.

[7]張國軍，鄭麗媛，張俊.基于物聯(lián)網(wǎng)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(1):125-127.

[8]馬麗萍，張衛(wèi)國.基于ZigBee的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計[J].電源技術，2012,36(8):1192-1193.

Design of monitoring system for communication power supply based on Internet of things

GOU Zhi-jian1,2,WANG Tai-hong2,ZHANG En-di2,YOU Yun-xi2
(1.Unit 95437 of the PLA,Nanchong Sichuan 637400,China;2.Key Laboratory for Micro-Nano Optoelectronic Devices of Ministry of Education,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China)

To overcome the shortcomings of the existing monitoring system for base station communication power supply,a high performance remote monitoring system was designed using the ARM9 processor and Zig Bee.The voltage and current transformers were used to collect quality data of communication power's input;the infrared sensors and image sensors were combined together to get images;the temperature and humidity sensors were also used in the proposed system.Zig Bee wireless sensor network was used to send sensor data to the server;the remote real-time monitoring was realized based on B/S.The test results show that the system has the advantages of high performance,multifunction and high flexibility of application.

ARM;communication power;temperature and humidity sensor;infrared sensor;image sensor

TM 769

A

1002-087 X(2016)08-1686-03

2016-01-06

國家科技支撐計劃資助項目(2012BAD35B06)

茍志堅(1986—)，男，四川省人，碩士生，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)及其應用。