基于ARM 的化工企業(yè)電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐 超，王 軻，田 豆，王鵬飛，任垚煜

（1. 西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2. 陜西省油氣井測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的嵌入式設(shè)備應(yīng)用于化工企業(yè)用電安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[1-2]，隨著中國(guó)工業(yè)化水平的提高和國(guó)民生活質(zhì)量的提升，化工產(chǎn)品的使用量急劇增加，大型化工企業(yè)數(shù)量快速增加因用電安全引發(fā)的事故時(shí)有發(fā)生，企業(yè)財(cái)產(chǎn)以及員工生命安全受到潛在威脅。工業(yè)電表數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是為防止因用電安全引發(fā)事故而設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)相電流、相電壓、電壓頻率、功率等電表主要數(shù)據(jù)的采集。通過(guò)對(duì)采集到的化工企業(yè)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析來(lái)判斷是否存在用電危險(xiǎn)。一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常通過(guò)警示措施提示現(xiàn)場(chǎng)工作人員和企業(yè)管理部門(mén)。本系統(tǒng)使用的電表型號(hào)為臺(tái)儀電子DTS1187-SDG 三項(xiàng)四線型，通訊方式為以太網(wǎng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：通過(guò)ARM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)相電壓、相電流、有功功率、電壓頻率等主要參數(shù)采集，按照設(shè)備編號(hào)以及時(shí)間順序存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)；實(shí)現(xiàn)B/S 模型WEB 服務(wù)器構(gòu)建主頁(yè)，用戶(hù)可登陸主頁(yè)查看當(dāng)前數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理中心通過(guò)485 總線接收電表數(shù)據(jù)，每5min 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)更新，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)本地LCD 以圖形化界面進(jìn)行顯示，可通過(guò)觸摸屏查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了電表數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理終端設(shè)計(jì)、UI 界面設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)接收處理終端和采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)采集結(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)了參數(shù)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、傳輸?shù)裙δ堋?通過(guò)對(duì)相電流、相電壓、電壓頻率、功率等主要參數(shù)的采集與存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)B/S 模型WEB服務(wù)器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)布到查詢(xún)頁(yè)面供用戶(hù)查詢(xún)。采集節(jié)點(diǎn)以5min 為時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并逐一進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。本系統(tǒng)支持當(dāng)日、一周內(nèi)、一月內(nèi)歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)，可通過(guò)本地觸摸屏進(jìn)行查詢(xún)?cè)O(shè)置。

2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本節(jié)點(diǎn)主要組成包括電表測(cè)量模塊、ARM 核心處理模塊、WEB 服務(wù)器模塊。整體框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)整體框圖

電表測(cè)量模塊測(cè)得當(dāng)前電力的相關(guān)數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPIO 接口電路發(fā)送給ARM 核心處理芯片。主控芯片接收到數(shù)據(jù)后將解析好的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編程及其它相關(guān)程序一路按設(shè)備編號(hào)和時(shí)間順序存入數(shù)據(jù)庫(kù)[3]，一路將數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入控制頁(yè)面，方便本地用戶(hù)查看，最后一路利用WEB 服務(wù)端等待網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)訪問(wèn)查詢(xún)。

2.1 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集模塊硬件主要包括三星4412 最小系統(tǒng)和臺(tái)儀電子DTS1187-SDG 三項(xiàng)四線型智能電表。電表可實(shí)時(shí)測(cè)量輸入電的各個(gè)參數(shù)，系統(tǒng)軟件會(huì)在固定時(shí)間間隔發(fā)出指令從電表對(duì)應(yīng)接口讀取電表各項(xiàng)參數(shù)，主控芯片只需要從GPIO 引腳讀取數(shù)據(jù)即可。

三星4412 最小系統(tǒng)是以高端的ARM Cortex-A9 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，內(nèi)建32/32KB 數(shù)據(jù)/指令一級(jí)緩存、1MB 的二級(jí)緩存，GPU 采用Mali 400 MP 四核圖形處理器，支持2D/3D 圖形加速可顯示高清大尺寸圖形，四核處理器在達(dá)到雙核雙倍性能的同時(shí)，功耗卻只有雙核的80%，所以此芯片非常適合用于高端物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)。

2.2 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要包含搭建WEB服務(wù)器、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)。B/S 模型WEB 服務(wù)器的搭建是通過(guò)SOCKET 套接字的創(chuàng)建、BIND 綁定服務(wù)器的IP 地址、LISTEN 監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)端用戶(hù)的訪問(wèn)請(qǐng)求等步驟完成。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端有用戶(hù)查詢(xún)請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器會(huì)自動(dòng)按照用戶(hù)需求在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)HTTP 協(xié)議發(fā)送至客戶(hù)瀏覽器，達(dá)到實(shí)時(shí)查詢(xún)數(shù)據(jù)的目的。

2.2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)中，當(dāng)主控芯片上電之后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化的操作，其主要目的是完成SOCKET 套接字的創(chuàng)建，端口號(hào)的綁定，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)等任務(wù)。程序設(shè)計(jì)為雙線程，主線程持續(xù)監(jiān)聽(tīng)瀏覽器端發(fā)送的請(qǐng)求，子線程主要完成將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。程序框圖如圖2 所示。

圖2 主程序框圖

2.2.2 WEB 服務(wù)器設(shè)計(jì)

當(dāng)程序執(zhí)行到服務(wù)器模塊時(shí)，系統(tǒng)將創(chuàng)建監(jiān)聽(tīng)套接字隨時(shí)等待客戶(hù)的連接請(qǐng)求，收到客戶(hù)瀏覽器的接入請(qǐng)求時(shí)程序自動(dòng)打開(kāi)一個(gè)預(yù)先編寫(xiě)好的HTML 模板，并將填入實(shí)時(shí)采集到的電表數(shù)據(jù)發(fā)回給客戶(hù)瀏覽器，至此客戶(hù)就完成一次實(shí)時(shí)查詢(xún)數(shù)據(jù)的流程；最后系統(tǒng)關(guān)閉SOCKET 通信套接字。具體流程如圖3 所示。

3 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊主要包括4412 主控制芯片、LCD 顯示屏、報(bào)警模塊。數(shù)據(jù)處理模塊框圖如圖4 所示。

圖3 WEB 服務(wù)器流程圖

數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)485 總線獲取電表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，并采用framebuffer 繪屏技術(shù)將檢測(cè)結(jié)果以柱狀圖的形式繪制在LCD 屏上，在Linux 系統(tǒng)下一切設(shè)備皆文件，在繪制屏幕時(shí)使用open 函數(shù)打開(kāi)屏幕設(shè)備文件，調(diào)用read、write函數(shù)按照預(yù)先標(biāo)定的坐標(biāo)基準(zhǔn)值繪制對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)即可在LCD 屏幕上繪出當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)柱狀圖。當(dāng)檢測(cè)到某項(xiàng)數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)先設(shè)置的閾值時(shí)則系統(tǒng)觸發(fā)報(bào)警器提示管理人員及時(shí)排查險(xiǎn)情；系統(tǒng)報(bào)警模塊選擇4412 板載的蜂鳴器，通過(guò)軟件在不同情況下設(shè)置PWM0 引腳值即可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

4 結(jié)語(yǔ)

圖4 數(shù)據(jù)處理模塊框圖

本系統(tǒng)以三星Exynos4412 芯片為核心，設(shè)計(jì)并完成整套簡(jiǎn)易而實(shí)用的智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因其是基于嵌入式微控制器開(kāi)發(fā)，具有很好的功能擴(kuò)展性?xún)?yōu)勢(shì)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速興起，該系統(tǒng)能很好的滿(mǎn)足用戶(hù)以及管理人員隨時(shí)獲取電表數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患的需求，因此本系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。