基于i.MX6的多通道數(shù)據(jù)監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

羅貴舟 李志鵬 韋國歆

摘要：隨著電力機(jī)房承載業(yè)務(wù)的增多，智能傳感設(shè)備得到廣泛部署使用，其在傳統(tǒng)監(jiān)控領(lǐng)域，監(jiān)控裝置的接入能力和協(xié)議適配性面臨新的挑戰(zhàn)。本文以ARM Cortex-A9架構(gòu)的恩智浦i.MX6為核心板，擴(kuò)展多通道物理串行接口，并在Linux操作系統(tǒng)中構(gòu)建基于規(guī)約和通道引擎的多線程協(xié)議轉(zhuǎn)換框架，實(shí)現(xiàn)傳感設(shè)備的并行物理接入、多線程協(xié)議解析。經(jīng)過第三方檢測和電網(wǎng)機(jī)房實(shí)際投運(yùn)表明該裝置接入能力強(qiáng)，傳感協(xié)議適配性好，滿足實(shí)際電力機(jī)房數(shù)據(jù)監(jiān)控需要。

關(guān)鍵詞：i.MX6;Cortex-A9;多通道;Linux;機(jī)房監(jiān)控

0 引言

電力機(jī)房作為保證電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施，直接關(guān)系電網(wǎng)信息、通信以及通道安全。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，面向機(jī)房基礎(chǔ)資源智能設(shè)備得到大規(guī)模應(yīng)用，包括溫度傳感、濕度傳感、水浸傳感、煙霧傳感、電流傳感、電壓傳感以及監(jiān)控裝置本體等，用戶通過中心主站業(yè)務(wù)平臺遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)房設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)告警、歷史告警、工況以及查看運(yùn)行曲線，實(shí)現(xiàn)無人值守目的。目前傳感器投運(yùn)數(shù)量和種類眾多，早期機(jī)房部署的傳統(tǒng)數(shù)采裝置普遍選用MCU或者低端CPU配置，導(dǎo)致外設(shè)接口少，擴(kuò)展性弱，且多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性差，已很難滿足機(jī)房監(jiān)控業(yè)務(wù)的集中管理。

本文綜合考慮成本、性能以及實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性，選用ARM Cortex-A9架構(gòu)的恩智浦i.MX6為核心板，擴(kuò)展多路串行外設(shè)接口，滿足機(jī)房站點(diǎn)智能以及非智能傳感設(shè)備的并行接入，并設(shè)計(jì)開發(fā)了基于Linux操作系統(tǒng)的規(guī)約和通道的多線程協(xié)議適配框架，在內(nèi)存承載范圍內(nèi)，可同時(shí)滿足50多個(gè)協(xié)議并行解析，有效減輕站點(diǎn)新增傳感設(shè)備接入難度以及減少協(xié)議維護(hù)周期，使機(jī)房基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確上送至業(yè)務(wù)平臺。裝置實(shí)現(xiàn)電力機(jī)房環(huán)境、動(dòng)力量傳感器采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、告警處理、信息展示以及通信。

1 裝置整體方案

機(jī)房基礎(chǔ)資源監(jiān)控裝置作為機(jī)房監(jiān)控部署架構(gòu)中的監(jiān)控單元，下接傳感，上接平臺，其運(yùn)行穩(wěn)定性影響整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。首先需要考慮的其安全性和穩(wěn)定性，選用的i.MX6[1]為工業(yè)級核心板硬件平臺，行業(yè)中應(yīng)用較多，穩(wěn)定性較好，擴(kuò)展232/485進(jìn)行全電氣隔離，并板載南瑞全自主的國網(wǎng)加密芯片，實(shí)現(xiàn)軟、硬件閉環(huán)防護(hù)。軟件除了參照國網(wǎng)漏洞、安全功能規(guī)范外，在服務(wù)中增加業(yè)務(wù)喂狗服務(wù)，使主板在異常狀態(tài)下，硬件能夠自復(fù)位。其次需要考慮對外接口，采用CPU+CPLD+串行集成芯片擴(kuò)展多路串行接口，且232/485模式可軟調(diào)。為便于現(xiàn)場實(shí)施人員維護(hù)，裝置軟件采用B/S架構(gòu)，操作方面，界面友好。

2 硬件設(shè)計(jì)

裝置硬件主要由核心板、主板和電源組成，其架構(gòu)如圖1所示：

i.MX6核心板最小系統(tǒng)主要包括：四核1G主頻、1G內(nèi)存電源管理[2]，其內(nèi)部集成一個(gè)MAC，外部通過擴(kuò)展一個(gè)AR8031 phy實(shí)現(xiàn)一路千兆網(wǎng)口，再使用Intel 82574芯片擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)另一路千兆網(wǎng)口。為實(shí)現(xiàn)無線移動(dòng)通信功能，采用標(biāo)準(zhǔn)的MINI PCIE接插件擴(kuò)展4G模塊。通過CPU+CPLD+串行集成芯片擴(kuò)展出了多路業(yè)務(wù)串口，實(shí)現(xiàn)一個(gè)站房傳感設(shè)備的全覆蓋。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件架構(gòu)

本裝置嵌入式系統(tǒng)軟件包含多線程適配框架軟件（NRSys）[3 4]和規(guī)約軟件兩大部分。規(guī)約軟件分為兩類，一類規(guī)約程序作為設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊（采集規(guī)約），通過協(xié)議語言實(shí)現(xiàn)針對智能設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和命令交互功能，是裝置與智能設(shè)備的接口;另一類規(guī)約程序用于與上位機(jī)管理系統(tǒng)通訊（通信規(guī)約），將采集的設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸給上位系統(tǒng)，并接收上位指令，實(shí)現(xiàn)上位系統(tǒng)對設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和命令交互功能，是裝置與上位系統(tǒng)的接口。多線程適配框架軟件由規(guī)約和通道線程組成，實(shí)現(xiàn)裝置系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)，是規(guī)約程序運(yùn)行的平臺，為規(guī)約進(jìn)程提供參數(shù)供給、監(jiān)控維護(hù)、內(nèi)部信息交互等運(yùn)行條件，使裝置成為一個(gè)具有通訊服務(wù)功能的實(shí)體。系統(tǒng)軟件主要包括NRSys，CSpy，CConfigManager，CWebsocket，CSQLiteManager和SCREEN_MANAGER模塊，如圖2所示。其中CSpy為裝置自管理模塊，實(shí)現(xiàn)裝置磁盤、內(nèi)存、CPU以及軟件運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，CConfigManager是配置管理模塊，實(shí)現(xiàn)了裝置license、固件升級、網(wǎng)口管理、串口管理的等靈活配置;CWebsocket是web后臺服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了配置查詢、點(diǎn)位數(shù)據(jù)查詢、告警查詢、時(shí)間同步等功能，它為web界面提供了一套自定義的，基于Websocket通訊協(xié)議及JSON對象的簡單通信接口。Websocket子系統(tǒng)的存在使得前端WEB界面的開發(fā)和后臺服務(wù)進(jìn)程充分解耦，使得WEB界面的開發(fā)人員無需充分了解業(yè)務(wù)邏輯，也能高效地進(jìn)行軟件開發(fā)。CSQLiteManager為數(shù)據(jù)庫模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、告警、配置入庫以及查詢功能，SCREEN_MANAGER實(shí)現(xiàn)裝置與終端LCD的信息交互。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫服務(wù)由CSQLiteManager單例對象和SQLite3數(shù)據(jù)庫提供。在NRSys的程序框架中，數(shù)據(jù)的查詢操作頻率較低，一般在程序啟動(dòng)時(shí)加載配置或用戶在web上查詢配置，但需要及時(shí)響應(yīng)，而數(shù)據(jù)的插入、修改操作頻率較高，如數(shù)據(jù)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)記錄，告警信息記錄等，對數(shù)據(jù)庫服務(wù)子系統(tǒng)的IO性能提出較高要求。因此CSQLiteManager在設(shè)計(jì)時(shí)分別實(shí)現(xiàn)了同步查詢和異步操作接口，保證用戶體驗(yàn)的同時(shí)更注重IO效率。CSQLiteManager對外接口主要包含：

insert_request（）函數(shù)提供異步接口，用戶將對數(shù)據(jù)庫的操作封裝為一個(gè)DBReq結(jié)構(gòu)插入到數(shù)據(jù)庫異步操作隊(duì)列中，由數(shù)據(jù)庫服務(wù)線程負(fù)責(zé)實(shí)際的IO操作。

excute（）函數(shù)提供同步接口，用戶將查詢操作封裝為一個(gè)DBQuery結(jié)構(gòu)，函數(shù)將執(zhí)行結(jié)構(gòu)存放于該結(jié)構(gòu)中，在IO完成時(shí)同步返回給用戶。

異步操作使用了QWaitCondition用于事件響應(yīng)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)線程在無異步插入請求時(shí)處于空閑狀態(tài)，并不消耗CPU資源，在緩存中存在異步插入請求時(shí)全速運(yùn)行，保證數(shù)據(jù)及時(shí)地寫入數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)子系統(tǒng)使用一個(gè)FIFO用于保存異步請求，在一般情況下，總是采用先提交，先處理的原則進(jìn)行事務(wù)處理。然后，用戶可以設(shè)置提交的優(yōu)先級，用于某些緊急事務(wù)的優(yōu)先處理。例如：告警事件的插入操作總是高于數(shù)據(jù)的周期存儲操作。

4 測試與分析

設(shè)備通過國網(wǎng)電科院實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中心型試試驗(yàn)，在江蘇、四川、河南、河北等省市的中心局站信息機(jī)房和500kV、220kV等不同電壓等級通信機(jī)房部署投運(yùn)，目前已接入環(huán)境量（溫濕度、水浸、煙感）、動(dòng)力量（蓄電池、交直流電源）以及控制量（空調(diào)）協(xié)議的加載解析、數(shù)據(jù)監(jiān)控，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新≤5s，告警準(zhǔn)備率100%。

5 結(jié)束語

本文選用恩智浦的工業(yè)級i.MX6為核心板，擴(kuò)展出了多路串口使一臺設(shè)備滿足一個(gè)站房范圍內(nèi)被采設(shè)備的全接入，嵌入式軟件由規(guī)約和通道構(gòu)建出適配性強(qiáng)的協(xié)議加載框架，并調(diào)度自管理、配置管理、WEB后臺模塊以及數(shù)據(jù)庫模塊，最終實(shí)現(xiàn)裝置在電力站房中的采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、告警處理、信息展示以及通信功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]數(shù)據(jù)手冊：i.MX 6Dual/6Quad Applications Processors for Consumer Products.2018-11-6。

[2]馮思維， 段金杰， 詹志明. 基于iMx6UL的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙噪聲檢測系統(tǒng)[J]. 軟件， 2021， 42（4）：3.

[3]鄭于海， 亓凌， 于涵誠，等. 一種多協(xié)議適配的物聯(lián)網(wǎng)終端及其協(xié)議自適應(yīng)方法， CN111586027A[P]. 2020.

[4]不公告發(fā)明人. 一種快速適配協(xié)議變更的解析方法，裝置及系統(tǒng)：， CN111343201A[P]. 2020.