分布式服務(wù)器電流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

陳鑫麗，郝潤科，張 艷

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

隨著我國互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)的普及，IDC機(jī)房的數(shù)量和其中的服務(wù)器隨著其業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展而迅速擴(kuò)大，計量呈幾何級增長。為了緩解不斷攀升的用電成本問題，針對IDC機(jī)房服務(wù)器租用業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，對每個向外出租的服務(wù)器用電量進(jìn)行分別計量和監(jiān)測進(jìn)而計費(fèi)成為了電信運(yùn)營商的一種管理方式。本文設(shè)計了一種分布式服務(wù)器電流監(jiān)測系統(tǒng)，對整個IDC大樓分布的服務(wù)器電流實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化在線監(jiān)測，進(jìn)而對電流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，便于對不同租用者進(jìn)行電費(fèi)計量，實(shí)時監(jiān)測每個服務(wù)器的用電情況，預(yù)防用電超過安全范圍而導(dǎo)致的危險事故，以及對服務(wù)器或供電設(shè)備的用電歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢分析，為管理部門提供決策依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1 系統(tǒng)框圖

如圖1所示，分布式服務(wù)器電流監(jiān)測系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，分別為前端電流互感器、電流采集器、監(jiān)測中心的服務(wù)器和控制臺。其中電流互感器采用霍爾器件，用于實(shí)時采集服務(wù)器電流并輸出采樣信號；采集器是為本系統(tǒng)專門設(shè)計的硬件設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)IDC大樓機(jī)房內(nèi)服務(wù)器電流的實(shí)時采集、計算處理、數(shù)據(jù)上傳、與監(jiān)測中心通信等功能的集成；監(jiān)測中心服務(wù)器為整個后臺提供數(shù)據(jù)庫程序，是負(fù)責(zé)收集和存儲的數(shù)據(jù)中心；控制臺軟件完成日常維護(hù)和數(shù)據(jù)查詢功能。

2電流互感器

霍爾電流傳感器具有優(yōu)越的電性能，具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和不損失被測電路能量等諸多優(yōu)點(diǎn)。

本系統(tǒng)采用閉環(huán)型霍爾電流傳感器,型號為TKC50BA/BR，可直接測量交流電流、直流電流以及脈沖電流等，額定輸入電流為50 A，輸出信號的額定電壓為4±1%V。

3 電流采集器

3.1 硬件電路設(shè)計

電流采集器硬件電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電流采集器硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖

電流采集器采用基于ARM Cortex-M3架構(gòu)的STM32F103微處理芯片。由于STM32芯片的供電范圍是2.0～3.6 V，所以在STM32處理器的供電引腳和5 V開關(guān)電源之間增加一電壓調(diào)節(jié)電路，以提供合適的供電電壓。在STM32處理器上外擴(kuò)了網(wǎng)絡(luò)接口芯片以提供以太網(wǎng)接口。電流采集器內(nèi)集成了WiFi模塊接口電路，可為電流采集器增添WiFi數(shù)據(jù)模塊支持。電路中內(nèi)置了GPRS通信模塊接口電路，電流采集器與監(jiān)測中心之間的通信還可以采用移動蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的通信方式。

系統(tǒng)調(diào)試接口，用于實(shí)現(xiàn)電流采集器軟件程序的下載與在線調(diào)試的功能。RS232有線/無線通信電路主要作用是電流采集器的配置以及測試功能。E2PROM存儲電路的主要功能一是將自身的IP地址信息以及自身參數(shù)配置信息永久地存儲以供每次設(shè)備重啟時調(diào)用；二是將電路非正常工作時的故障信息儲存在E2PROM存儲電路里，方便以后故障排查時讀取或測試狀態(tài)下通過串口讀取。

3.1.1 霍爾電流傳感器輸入電路及A/D調(diào)理采樣電路

每個電流采集器可輸入32路霍爾電流傳感器信號，為了節(jié)省處理器引腳與電子元器件，將這32路信號首先經(jīng)過32個運(yùn)放調(diào)理電路后經(jīng)由4個8選1模擬多路復(fù)用器縮減為4路，然后再將4路信號經(jīng)過同樣模擬多路復(fù)用器縮減為1路，這樣只需通過控制模擬多路復(fù)用器的選通功能即可依次將32路信號連接至下級電路。設(shè)計中模擬多路復(fù)用器選用型號為ADG508AKR的芯片，電路如圖3所示。

圖3 模擬多路復(fù)用器電路圖

選通的信號經(jīng)過運(yùn)放調(diào)理電路后送入有效值交流轉(zhuǎn)換直流芯片，轉(zhuǎn)換為直流電壓后接入16位的高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片，處理器的SPI接口通過光耦和A/D芯片通信，將A/D轉(zhuǎn)換接口通過光耦與A/D芯片通信，將A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入處理器中。本設(shè)計使用了型號為AD7705的2通道的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，A/D采集電路如圖4所示。

圖4 A/D采集電路

3.1.2 以太網(wǎng)接口電路

電流采集器與監(jiān)測中心之間采用TCP/IP協(xié)議通信，需要在采集器硬件電路中設(shè)計以太網(wǎng)通信模塊。本設(shè)計使用了型號為ENC28J60的以太網(wǎng)控制芯片，與目前大多數(shù)符合IEEE 802.3協(xié)議規(guī)定的以太網(wǎng)控制芯片相比，ENC28J60采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，只需將其芯片上的SPI引腳和STM32的SPI引腳對應(yīng)相連，RESET引腳直接與STM32的復(fù)位引腳NRST相連，中斷引腳可直接連接至STM32任一中斷引腳上，即可實(shí)現(xiàn)通信。使用ENC28J60可很大程度上簡化電路設(shè)計，并減小所占用PCB板的空間。以太網(wǎng)通信電路的硬件設(shè)計如圖5所示。整個電路由時鐘振蕩器、復(fù)位電路、輸入/輸出電平、變壓器等構(gòu)成。

3.1.3 其他外圍電路

與處理器相連的其他外圍電路主要有供電電路、系統(tǒng)調(diào)試接口電路、RS232通信電路、E2PROM存儲電路、WiFi模塊接口電路和GPRS模塊接口電路等。

圖5 以太網(wǎng)通信接口電路

3.2 軟件設(shè)計

電流采集器軟件使用C語言編寫，在RealView MDK下開發(fā)完成。其主要功能有：電流采集、數(shù)據(jù)通信和參數(shù)更新等。

電流采集器軟件以μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，上電啟動后，進(jìn)行μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)的初始化，隨后進(jìn)入設(shè)定的任務(wù)程序，μCOS-Ⅱ的任務(wù)型設(shè)計為程序的模塊化設(shè)計提供了簡便的思路，每個任務(wù)是電流采集器程序的核心?；讦藽OS-Ⅱ的電流采集器軟件主程序流程圖如圖6所示。

軟件運(yùn)行后，電流采集器服務(wù)程序與監(jiān)測中心服務(wù)器程序、控制臺程序與監(jiān)測中心服務(wù)器程序均建立TCP/IP通信并維持；監(jiān)測中心服務(wù)后臺程序定時采集電流采集器設(shè)備的電流值及連接狀態(tài)并寫入數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)出現(xiàn)告警信息時就將信息存至數(shù)據(jù)庫，等待每次控制臺程序的讀取或命令。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2.1 監(jiān)測中心的服務(wù)器

監(jiān)測中心的服務(wù)器是整個監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的中樞，負(fù)責(zé)接收電流采集器上傳的數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)等信息并寫入數(shù)據(jù)庫，同時向各采集器下傳控制指令的運(yùn)行參數(shù)，并提供面向控制臺軟件的數(shù)據(jù)訪問與命令接收，其核心是服務(wù)器后臺的數(shù)據(jù)通信軟件與數(shù)據(jù)庫管理軟件。整個服務(wù)器數(shù)據(jù)通信軟件的流程圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)通信軟件流程圖

3.2.2 控制臺電流監(jiān)測軟件

控制臺電流監(jiān)測軟件是為用戶提供良好的人機(jī)交互界面，軟件開發(fā)選用了Microsoft公司的Visual Studio 2005開發(fā)工具。在人機(jī)交互界面上采用事件觸發(fā)的模式編寫軟件，按下特定的按鈕觸發(fā)相應(yīng)的程序。軟件按功能被劃分為前臺的顯示、查詢、控制、參數(shù)設(shè)置、報表以及后臺的通信程序幾大模塊。

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果與分析

對整個系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室調(diào)試并初步通過后，將其安裝在IDC機(jī)房內(nèi)，在配電柜上測量8個服務(wù)器機(jī)柜電源實(shí)際的電流有效值，并與控制臺軟件顯示的監(jiān)測值進(jìn)行對比分析，數(shù)據(jù)對比與誤差如表1所示。因?yàn)槊總€服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)安裝有A、B兩路電源分別為其內(nèi)設(shè)備供電，故表中每個機(jī)柜測量時分為A路和B路。

表1 調(diào)試結(jié)果對比

在表1中，2I01的B路和2I18的A路有實(shí)測電流值而監(jiān)測電流值為0，經(jīng)分析與排查得知原因是：此型號的霍爾電流傳感器在測量過小電流時，其靈敏度不高，這是由于忽略了將服務(wù)器機(jī)柜電源線在傳感器上繞3圈以增大電流強(qiáng)度、提高測量精度的措施，從而導(dǎo)致測量的小電流無顯示的問題。2I01的A路數(shù)據(jù)誤差過大同樣是由于忽略了傳感器上電源線繞3圈的措施，導(dǎo)致顯示數(shù)據(jù)只有實(shí)際值的1/3左右。另外2I04的A、B路、2I09的B路以及2I17的B路數(shù)據(jù)和配電柜測得的實(shí)際數(shù)據(jù)相比過小，且超過可接受范圍，經(jīng)排查原因是在布線安裝電流傳感器位置不得當(dāng)所導(dǎo)致。最佳的安裝位置是電流垂直通過霍爾傳感器測量面。其他組數(shù)據(jù)的誤差均小于5%，處于設(shè)計要求的范圍之內(nèi)。

本文介紹了基于STM32的分布式服務(wù)器電流監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。設(shè)計中本著可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的原則，達(dá)到集中監(jiān)測分布在IDC內(nèi)服務(wù)器機(jī)柜電流有效值大小的目的。電流采集器的微處理器采用了基于ARM-Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器 STM32F03，其最高工作頻率可達(dá)到72 MHz，并且內(nèi)嵌成熟穩(wěn)定的μCOS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)，能滿足實(shí)時采集服務(wù)器機(jī)柜電流有效值和其他實(shí)時任務(wù)的要求。

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