基于C++的電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)

秦小英

(宣化科技職業(yè)學(xué)院，河北張家口075100)

基于C++的電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)

秦小英

(宣化科技職業(yè)學(xué)院，河北張家口075100)

對(duì)電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行了分析，詳細(xì)設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，選擇了合適的電源數(shù)據(jù)采集方式和底層通信方式，并介紹了利用C++實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的過程。

電源；遠(yuǎn)程監(jiān)控；嵌入式；C++

遠(yuǎn)程監(jiān)控主要包括兩大部分：一部分是遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；另一部分是遠(yuǎn)程控制。因此遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)離不開計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)控制等技術(shù)的快速發(fā)展。而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動(dòng)化程度更強(qiáng)、智能化水平更高的監(jiān)控技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，使遠(yuǎn)程監(jiān)控成為工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)系統(tǒng)、智能家居、安防體系等生產(chǎn)生活場(chǎng)合所必不可少的保障手段。

與此同時(shí)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也使我們的生產(chǎn)和生活越來越離不開電力的供應(yīng)。電源工作的可靠性、穩(wěn)定性和相應(yīng)的工作效率直接地影響著我們生產(chǎn)生活的方方面面，因此，加強(qiáng)對(duì)電源系統(tǒng)的有效監(jiān)控，是保障國(guó)民生產(chǎn)和人民生活順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。

目前，電源模塊的設(shè)計(jì)日益復(fù)雜，逐漸向低成本、高實(shí)時(shí)性、高可靠性、高效率和可支持熱插拔方向發(fā)展[1]。這一發(fā)展方向也為電源的監(jiān)控提出了更高的要求，而過去基于單片機(jī)的控制方式已不能滿足相應(yīng)的要求。因此，利用嵌入式系統(tǒng)，采用C++語言，構(gòu)建一套高效低耗的電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是生產(chǎn)過程的基本需要。

1 系統(tǒng)功能分析及整體設(shè)計(jì)

電源監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象主要有三類：(1)交流配電系統(tǒng)：監(jiān)控的參數(shù)主要有三相輸入輸出電壓、重要的開關(guān)量狀態(tài)、故障告警設(shè)備狀態(tài)；(2)直流配電系統(tǒng)：直流配電設(shè)備的輸入輸出電壓、電流模擬量數(shù)值、直流輸出告警(過壓、欠壓、開關(guān)、熔絲狀態(tài)等)；(3)整流器設(shè)備：整流器設(shè)備的電壓、電流、設(shè)備溫度、均浮充狀態(tài)、限流或非限流、啟動(dòng)停止、告警等狀態(tài)。其主要的系統(tǒng)功能有：(1)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能：實(shí)時(shí)監(jiān)控分為兩個(gè)層次，一個(gè)是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控部分，主要應(yīng)用于重要的電源設(shè)備，為自動(dòng)監(jiān)控提供必要的基礎(chǔ)；另一個(gè)是遠(yuǎn)程監(jiān)控，電源系統(tǒng)中的所有設(shè)備均增加遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。監(jiān)控的第一步是對(duì)電源運(yùn)行狀態(tài)的采集、顯示和分析；同時(shí)還能夠利用上位機(jī)發(fā)出控制命令，用來控制相應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行或停止。(2)告警功能：對(duì)于超過工作閾值的設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)追蹤并報(bào)警，同時(shí)記錄故障信息(包括位置、程序等)，上報(bào)至上位機(jī)，在上位機(jī)上顯示相關(guān)信息，并采取控制措施。對(duì)于具有現(xiàn)場(chǎng)控制功能的重要設(shè)備，如果超過預(yù)定時(shí)間沒有接收到上位機(jī)控制指令，則依據(jù)底層驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制程序直接進(jìn)行自動(dòng)的啟/停控制。(3)報(bào)表功能：對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并可以依據(jù)用戶的需求設(shè)置報(bào)表顯示、打印輸出等功能，同時(shí)，還能夠靈活地輸出各種類型的圖形。(4)系統(tǒng)管理功能：系統(tǒng)的各種設(shè)置功能及用戶權(quán)限的管理等。

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)采集及控制模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的采集及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的源頭和結(jié)尾。這兩部分的工作狀態(tài)直接影響著整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的工作性能。在本設(shè)計(jì)中，這兩部分的功能由電源采集及控制模塊來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，整個(gè)模塊的核心采用DSP數(shù)字信號(hào)處理器，所選的型號(hào)TMS320LF2407，主要的作用是對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行初步分析，當(dāng)重要設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)值超過了相應(yīng)的閾值，DSP啟動(dòng)控制裝置實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)控制功能，從而可以縮短處理故障的時(shí)間。各個(gè)設(shè)備與DSP之間采用無線傳感網(wǎng)進(jìn)行連接，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用星形結(jié)構(gòu)，采用的技術(shù)是短距離通信ZigBee技術(shù)，工作在2.4 GHz頻段，芯片選用CC2530。處于整個(gè)星形結(jié)構(gòu)中心的是協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)把網(wǎng)絡(luò)中的其他終端節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)傳送給DSP芯片，CC2530與TMS320LF2407之間采用RS232進(jìn)行連接。

圖2 數(shù)據(jù)采集及控制模塊框圖

整個(gè)電源的數(shù)據(jù)采集主要是電壓、電流和溫度等信息。電壓的采集選用PT03C-2/2電壓互感器，電流采集選用CT03-5/2.5電流互感器，溫度選用DTH溫度傳感器。PT03C-2/2和CT03-5/2.5采集來的數(shù)據(jù)傳送至SAMES SA9904B。作為測(cè)量電壓、電流、頻率、測(cè)量有功與無功電能的主流芯片，SAMES SA9904B包含了與微控制器通訊的集成SPI串行接口。各相測(cè)得的有功與無功電能，電源電壓與頻率可經(jīng)由SPI接口從24位元暫存器取得。當(dāng)全負(fù)載時(shí)SA9904B有功與無功電能暫存器可保存積存的電能至少52 s。由于電流互感器和電壓互感器的采集閾值超過了SA9904B，所以在互感器和SA9904B之間需要增加信號(hào)調(diào)理電路。信號(hào)調(diào)理電路的作用：一方面可以把采集信號(hào)轉(zhuǎn)化為SA9904B芯片可以接收的范圍；另一方面信號(hào)調(diào)理電路還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種互感器所采集信號(hào)的濾波。這些采集數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)理后傳送至SA9904B，再經(jīng)過SA9904B芯片內(nèi)部的轉(zhuǎn)換模塊對(duì)電流和電壓進(jìn)行模/數(shù)變換和數(shù)字運(yùn)算，得到有功電能、無功電能和頻率等值，最后利用SPI接口將這些電氣量值傳送至芯片CC2530，再經(jīng)過無線傳感網(wǎng)傳送至TMS320LF2407，從而得到最終的測(cè)量值。

3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

當(dāng)數(shù)據(jù)從CC2530協(xié)調(diào)器傳送至TMS320LF2407中后，利用CAN總線的形式將數(shù)據(jù)傳送至嵌入式網(wǎng)關(guān)。在本設(shè)計(jì)中，CAN收發(fā)器選用的是PCA82C250，網(wǎng)關(guān)選用的是S3C6410，由S3C6410將數(shù)據(jù)傳送至Internet網(wǎng)，再經(jīng)Internet網(wǎng)傳送入上層的監(jiān)控中心(圖3)。

圖3 網(wǎng)關(guān)原理圖

在穩(wěn)定的硬件支持下，網(wǎng)關(guān)所要實(shí)現(xiàn)的功能就是將各DSP芯片從底層無線傳感網(wǎng)采集來的數(shù)據(jù)上傳至上層服務(wù)器，同時(shí)獲取服務(wù)器下傳的數(shù)據(jù)和命令到底層的數(shù)據(jù)傳感網(wǎng)。在數(shù)據(jù)的傳遞過程中，由于底層DSP與網(wǎng)關(guān)之間所應(yīng)用的通信方式是CAN現(xiàn)場(chǎng)總線形式，而在網(wǎng)關(guān)與上層服務(wù)器中間所采用的是Internet網(wǎng)，這就需要在兩種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議間搭建相應(yīng)的數(shù)據(jù)通道。

搭建一個(gè)數(shù)據(jù)通道的前提是在網(wǎng)關(guān)上移植一個(gè)合適的操作系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)所選用的操作系統(tǒng)是Linux，并采用使用socket套接字，利用TCP/IP完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸。

4 基于C++的服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)的功能是實(shí)現(xiàn)下層數(shù)據(jù)與上層數(shù)據(jù)的傳遞，而整個(gè)系統(tǒng)的控制核心是服務(wù)器與客戶機(jī)所組成的上層監(jiān)控體系[2]。本設(shè)計(jì)利用C++語言來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境采用Qt。

服務(wù)器的主要實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)創(chuàng)建QtcpServer對(duì)象，并開始監(jiān)聽

為了整體的實(shí)現(xiàn)便利，這里創(chuàng)建了Server類，下面是實(shí)現(xiàn)的構(gòu)造函數(shù)：

(2)實(shí)現(xiàn)incomingConnection函數(shù)

該函數(shù)是系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的函數(shù)，如果有新的連接，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用該函數(shù)，本程序中的實(shí)現(xiàn)如下：

(3)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收的槽函數(shù)，并連接相應(yīng)的信號(hào)

由第二步的實(shí)現(xiàn)也可以看到，本程序是用多線程實(shí)現(xiàn)多客戶端連接的。而數(shù)據(jù)接收函數(shù)當(dāng)然就是在線程中創(chuàng)建：

和客戶端不同的是，如果socket連接斷開，不需要重新連接，只需要將socket鏈表中對(duì)應(yīng)的socket刪除，并提示斷開連接即可。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)下層采用無線傳感網(wǎng)、DSP、CAN總線及嵌入式網(wǎng)關(guān)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了底層數(shù)據(jù)的采集和傳輸，上層服務(wù)器用C++語言實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能。經(jīng)測(cè)試證明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，數(shù)據(jù)的傳輸、處理過程流暢，遠(yuǎn)程控制效果良好。

[1]賞星耀，項(xiàng)新建．雙電源智能自動(dòng)切換系統(tǒng)的研究[J]．機(jī)電工程，2006(7)：18-19.

[2]曲延濱，王建平.基于CAN總線和DSP的變電站監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003(12)：86-88.

Development of power supply remote monitoring system based on C++

QIN Xiao-ying
(Xuanhua Science&Technology Vocational College,Zhangjiakou Hebei 075100,China)

The main function of the remote monitoring system for power supply was analyzed.The overall structure and network structure of the monitoring system was designed.The right power source data acquisition way and underlying communication mode were chosen.The realization of related functions with C++language was introduced.

power supply;remote monitoring;embedded type;C++

TM 762

A

1002-087 X(2016)08-1706-03

2016-03-09

秦小英(1973—)，女，河北省人，本科，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)教學(xué)。