一種適用于無(wú)人值守臺(tái)站電源控制器的研究與實(shí)現(xiàn)

張 蕾，李瑞卿，信世民，郭學(xué)增

（河北省地震局興濟(jì)地震臺(tái)，河北 滄州 061721）

0 引言

隨著智能化管理的不斷推進(jìn)，中國(guó)無(wú)人值守地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站數(shù)量日益增加。在日常維護(hù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)無(wú)人值守臺(tái)站儀器出現(xiàn)通訊故障時(shí)，大部分故障是由于儀器本身軟件等原因造成儀器出現(xiàn)死機(jī)的情況，而此類故障僅僅通過(guò)對(duì)故障儀器進(jìn)行斷電重啟操作即可解決。但由于無(wú)人值守臺(tái)站大多地處偏遠(yuǎn)，維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)既需要耗費(fèi)大量時(shí)間，同時(shí)也加大了運(yùn)維成本。市面上出售的遠(yuǎn)程遙控電源雖具有遠(yuǎn)程控制電源重啟功能，但無(wú)法自動(dòng)判斷儀器是否處于死機(jī)狀態(tài)，不能及時(shí)排除故障，造成儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)大量缺測(cè)。

針對(duì)以上問(wèn)題，研制了一款適用于無(wú)人值守臺(tái)站的電源控制器，并經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，設(shè)備運(yùn)行效果良好。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

控制器使用Arduino Uno開(kāi)發(fā)板、繼電器元器件等設(shè)備，通過(guò)控制通斷模塊、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊、儀器狀態(tài)判斷模塊、遠(yuǎn)程控制模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制電源通斷。

Arduino是2005年1月由米蘭交互設(shè)計(jì)學(xué)院的兩位教師David Cuartielles和Massimo Banzi聯(lián)合創(chuàng)建，是一塊基于開(kāi)放原始代碼的Simple I/O平臺(tái)[1-2]，并且具有使用類似Java、C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境?？梢钥焖偈褂肁rduino語(yǔ)言與Flash或Processing等軟件完成互動(dòng)作品[3]。

Arduino包含2個(gè)主要的部分：硬件部分是可以用來(lái)做電路連接的Arduino電路板；另外一個(gè)則是Arduino IDE（集成開(kāi)發(fā)環(huán)境）[4]。只要在IDE中編寫(xiě)程序代碼，將程序上傳到Arduino電路板后，板子上的微控制器可以通過(guò)Arduino的編程語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序，編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器。對(duì)Arduino的編程是利用 Arduino編程語(yǔ)言(基于 Wiring)和Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境(基于 Processing)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[5]。基于Arduino的項(xiàng)目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上運(yùn)行的軟件，它們之間進(jìn)行通信(比如 Flash, Processing，MaxMSP)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

使用Arduino單片機(jī)可以完全不需要了解其內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)和寄存器設(shè)置，軟件語(yǔ)言僅僅需要掌握少數(shù)幾個(gè)指令，而且指令的可讀性也強(qiáng)，稍微有C語(yǔ)言的編程基礎(chǔ)即可以編寫(xiě)程序，在Arduino IDE中集成了大量實(shí)例程序，對(duì)需要的功能進(jìn)行相應(yīng)修改即可實(shí)現(xiàn)。重要一點(diǎn)是Arduino燒錄代碼不需要燒錄器，直接用USB線就可以完成下載調(diào)試，方式簡(jiǎn)單，而且Arduino的核心芯片也支持ISP功能。這樣的好處在于，燒錄程序時(shí)單片機(jī)不需要拔離系統(tǒng)電路，節(jié)省時(shí)間與額外成本[6]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 設(shè)計(jì)原理

當(dāng)需要監(jiān)控的設(shè)備同時(shí)存在交流和直流2種供電方式時(shí)，我們無(wú)法僅僅依靠切斷、重連直流電源的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行關(guān)機(jī)重啟。所以假設(shè)所監(jiān)控的設(shè)備只有電瓶直流供電，在電瓶和儀器之間的線路上安裝控制端，當(dāng)通過(guò)控制端無(wú)法訪問(wèn)所監(jiān)控的設(shè)備時(shí)，我們認(rèn)定該設(shè)備為死機(jī)狀態(tài)。這時(shí)通過(guò)管理端向控制端發(fā)送信號(hào)，使控制端的繼電器進(jìn)行斷開(kāi)和閉合操作，從而達(dá)到對(duì)儀器的斷電重啟效果。具體設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)圖1。

圖 1 無(wú)人值守臺(tái)站智能電源控制器設(shè)計(jì)原理圖

2.2 技術(shù)方案

1）管理端啟動(dòng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)檢測(cè)控制端與設(shè)備端當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

2）控制端監(jiān)控設(shè)備，即每隔a秒嘗試打開(kāi)設(shè)備端的管理頁(yè)面。

3）當(dāng)頁(yè)面可以正常打開(kāi)時(shí)，控制端向管理端返回正常信號(hào)，管理端發(fā)送正常信號(hào)給控制端，控制端繼電器保持聯(lián)通狀態(tài)；當(dāng)頁(yè)面不能正常打開(kāi)時(shí)，控制端向管理端返回報(bào)警信號(hào)，管理端向控制端發(fā)送命令，控制端控制繼電器斷開(kāi)，b秒后重連，重連后控制端返回監(jiān)控狀態(tài)（圖2）。

4）為避免多次連續(xù)斷電重啟對(duì)設(shè)備造成損壞，當(dāng)控制端連續(xù)嘗試斷電重啟N次后，控制器不再嘗試斷電重啟，并發(fā)送信號(hào)給管理端報(bào)警。

3 硬件連接與軟件設(shè)置

3.1 硬件連接

圖 2 無(wú)人值守臺(tái)站智能電源控制器邏輯判斷流程圖

將控制端進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置及調(diào)試完成后接入電源及網(wǎng)絡(luò)，然后將接入設(shè)備直流供電的蓄電池電源線的正極引線斷開(kāi)，并將斷開(kāi)以后的接頭分別接入控制端繼電器的2個(gè)接口中。如儀器設(shè)備本身還帶有交流供電接口，則務(wù)必將交流供電接口空置，以免控制器斷開(kāi)直流電源后，無(wú)法達(dá)到儀器斷電重啟效果。

3.2 軟件設(shè)置

1）在需要安裝控制端軟件的電腦上安裝管理軟件，由于管理軟件未對(duì)注冊(cè)表有修改要求，所以將管理軟件壓縮包解壓至任意盤(pán)符根目錄下即可。

管理軟件壓縮包內(nèi)包含監(jiān)測(cè)程序.exe、forSet.exe、macinedb.madb、set.ini、tubiao.ico及說(shuō)明.txt共6個(gè)文件。其中，監(jiān)測(cè)程序.exe文件為主程序文件，forSet.exe文件為控制端的參數(shù)配置文件，macinedb.madb文件為管理多個(gè)管理端及監(jiān)控軟件密碼的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，set.ini文件為管理端參數(shù)配置文件，tubiao.ico為圖標(biāo)文件，說(shuō)明.txt為管理端使用說(shuō)明文件。

2）將電源控制器控制端通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口連接線連接電腦，打開(kāi)管理端目錄下的forset.exe文件，對(duì)控制端進(jìn)行IP、端口等參數(shù)設(shè)置（圖3）。調(diào)試設(shè)置完成后斷開(kāi)連接。

打開(kāi)set.ini，在該文件里對(duì)管理端軟件的檢查間隔時(shí)間、重啟次數(shù)限制、重啟等待時(shí)間及提示間隔時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。

3）管理端設(shè)置結(jié)束后，打開(kāi)監(jiān)測(cè)程序。監(jiān)測(cè)軟件啟動(dòng)時(shí)，輸入登陸密碼，即時(shí)加載測(cè)試設(shè)備信息。初次使用時(shí)，需要進(jìn)入設(shè)備管理選擇界面對(duì)控制端及需要監(jiān)控的設(shè)備信息進(jìn)行登記（圖4）。

在監(jiān)測(cè)程序中可以通過(guò)增加、修改、測(cè)試、刪除等功能鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制端相應(yīng)設(shè)備的管理操作。每次進(jìn)入設(shè)備管理及退出后自動(dòng)刷新設(shè)備列表，每間隔指定時(shí)間都會(huì)對(duì)列表內(nèi)檢測(cè)網(wǎng)址進(jìn)行檢測(cè)。

圖 3 電源控制器參數(shù)設(shè)置界面

圖 4 設(shè)備管理設(shè)置界面

4 應(yīng)用情況

石家莊中心臺(tái)下屬有無(wú)極、小馬村、河間、黃驊、滄縣5個(gè)無(wú)人值守流體觀測(cè)站，以河間、黃驊、滄縣3個(gè)無(wú)人值守流體觀測(cè)站為例，其距離石家莊中心臺(tái)的距離分別為：214.1 km，246.2 km及291.8 km。即使現(xiàn)在由興濟(jì)地震臺(tái)負(fù)責(zé)運(yùn)維，這3個(gè)流體井觀測(cè)臺(tái)站距離興濟(jì)地震臺(tái)最遠(yuǎn)的也約90 km。而從這3個(gè)流體井的運(yùn)維記錄上來(lái)看，2016年全年共有運(yùn)維記錄38次，其中通訊故障18次，而僅到場(chǎng)對(duì)儀器進(jìn)行斷電重啟操作即解決的故障就有12次。經(jīng)將電源控制器安裝至滄縣井觀測(cè)站后，近2年通訊故障次數(shù)明顯下降，根據(jù)管理端軟件記錄來(lái)看，因死機(jī)造成的通訊故障次數(shù)為5次，均在5分鐘內(nèi)通過(guò)電源控制器自行重啟解決。實(shí)際測(cè)試情況表明，該電源控制器有效減少了因儀器死機(jī)造成的觀測(cè)數(shù)據(jù)缺測(cè)情況，并降低了維護(hù)成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

研制的電源控制器基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)死機(jī)設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控記錄及自動(dòng)斷電重啟功能，而且可以根據(jù)需要在管理端添加多個(gè)控制設(shè)備，達(dá)到管理多個(gè)無(wú)人值守臺(tái)站多個(gè)設(shè)備的功能，同時(shí)可以在管理端人為對(duì)控制端發(fā)送命令達(dá)到人為斷電重啟功能，實(shí)用性強(qiáng)。

該電源控制器硬件部分安裝簡(jiǎn)單，軟件部分在WindowsXP及以上版本操作系統(tǒng)下均可運(yùn)行。其實(shí)際應(yīng)用已成為運(yùn)維人員解決通訊故障的有效手段，減少因死機(jī)造成觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺測(cè)的現(xiàn)象，并在一定程度上降低了儀器維護(hù)成本。