基于ARM的UPS電源網絡監控系統的研究

夏西泉

(重慶電子工程職業學院應用電子學院，重慶401331)

作為不間斷電源，UPS 在生產控制、電力變電、各種計算機應用系統中應用非常廣泛。近幾年來，隨著電力電子技術的快速發展，UPS 的功能也日趨完善，一方面表現在自身工作效率的提高，例如功耗降低、諧波得到抑制、功率密度有較大程度提高，從而有助于實現UPS 設備綠色化性能的改造；而另一方面，遠程監控與智能故障識別功能的應用也為UPS 的可靠運行提供了有效保障。

傳統的UPS 遠程監控系統大多以集散控制系統或現場總線結構的形式來構建底層UPS 運行參數的采集體系，用到的大多數技術為CAN 總線或LON-WORK 總線結構[1]。應用現場總線的遠程監控系統是因為其通信介質的傳輸速度已經能夠達到支撐工業控制網絡的速率，而且結點分散，彼此之間無明顯功能約束，成為目前應用最多的一種形式[2]。但是隨著無線傳輸技術的發展，各種以無線傳感網為基礎數據采集網的通信網絡在功能和性能上已不輸于現場總線結構，同時，無線傳感網具有現場總線結構所無法實現的采集網絡拓撲結構靈活，增加或減少監測點簡單容易的優點，成為取代現場總線的重要方式。

本文主要針對UPS 系統的各項運行參數，構建了基于無線傳感網且在底層設有嵌入式系統的遠程數據監控系統。

1 系統總體結構設計

本設計采用ARM Cortex-M3 為主控芯片，對無線傳感器各結點所傳送過來的檢測值進行基礎數據的處理，實現對UPS 電源的實時在線監控，其控制系統模塊架構如圖1 所示。

圖1 遠程監控系統總體結構圖

對于一個功能完善的UPS 監控系統而言，需要對UPS 的整流濾波電路、蓄電池組、充電電路、逆變器電路、校正電路等運行的電流、電壓、功率、功率因素、溫度、濕度等參數進行數據的采集，采集由無線傳感網來完成，采集的數據送入主控芯片，進行前期的數據處理，相關系統的模塊框圖如圖2 所示。

2 系統硬件結構設計

系統硬件主要完成市電及UPS 運行狀態信號檢測電路的設計。對于市電而言，需要檢測的信號有市電的電流、電壓、頻率、相位；對于UPS 而言，需要檢測的信號有UPS 充電電流及電壓、輸出電流、輸出電壓及溫度、蓄電池組的充放電狀態等數據。如圖2 所示，系統處理器采用ST 公司推出的基于ARM Cortex-M3 內核的32 位處理器STM32F107，該處理器運行頻率為72 MHz，內置256 kB Flash、64 kB SRAM，且有完善的RJ145 網絡接口及ZigBee 無線網絡通訊接口，具有配置靈活、性能出色、功耗低等特性，能有效地實現UPS 在線監控的功能要求。

圖2 監控系統硬件框圖

現場信號的采集利用各種傳感器節點收集起來，經無線傳感網傳送至底層匯聚結點，無線傳感網采用ZigBee 技術來完成，工作頻率為2.4 GHz，收發模塊采用CC2530 來擔任，各設備之間的通信使用IEEE802.15.4 無線標準，為了保證系統的可靠性，組網方式采用樹狀結構，根結點設置為協調器，使用分布式地址方案分配網絡地址，新加入節點由相應的父結點為其自動分配一個唯一的網絡地址；樹狀結構的各個終端結點均為采集結點，各采集結點將設備的運行數據采集完成后，向上傳送給協調器節點，而協調器再將數據向上匯總至主控電路，由STM32F107 完成數據的進一步處理和遠程傳送。當遠程監控中心發送來控制命令時，由STM32F107 主控芯片進行系統命令的分析，并由主控芯片向下將命令發送至網絡的協調器節點，協調器節點再將命令傳送至控制節點，完成遠程控制。

整個網絡的構建先從協調器開始，該協調器所轄區內的其他ZigBee 節點作為該協調器的從屬終端節點或路由器節點，同時本設計采用通過MAC 層關聯的方式來支持新節點的加入。當有新的ZigBee 節點需要加入網絡時，該節點首先會主動掃描查找該網絡當中所存在的協調器，如果在所規定的掃描期限內沒有檢測到信道的信標，則表示該網絡中沒有協調器，在這種情況下可能自行建立自已的協調器，自行組網；如果在掃描期限內檢測到信標，就可以進一步獲得協調器的有關信息，同時依據協調器相關信息利用發送關聯請求命令向協調器發出連接請求。協調器收到請求后立即回復一個確認幀(ACK)，與此同時將節點的連接請求發送至其上層，協調器MAC 層的上層接收到連接指示原語后，根據系統的資源情況決定是否同意新結點的加入，如果同意，則向申請加入節點的MAC 層發送響應，并對其MAC 層進行相應的屬性設置。如果系統資源緊張，則申請節點經過一個時間間隔等待后再進行相應的信標掃標。

3 ZigBee路由算法的確定

ZigBee 是一種短距離、低功耗的無線傳輸技術，為了保證數據傳輸的安全性和可靠性，本設計采用樹狀網絡(Cluster-Tree)與無線自組網按需平面距離矢量路由協議(AODV)的改進版AODVjr 相結合的路由算法。

按照算法的基本思路，本系統中的網絡節點分成四種：協調器(Coordinator)、資源充足節點(RN+)、資源受限節點(RN－)和終端結點(RFD)。具體執行過程是：首先對節點進行掃描，以確定節點的基本性質，如果結點是RN+節點，則采用AODVjr協議進行路由的選擇，如果是RN－節點，則轉向采用Cluster-Tree 協議進行路由選擇。仿真證明，采用Cluster-Tree 和AODVjr 相結合的路由協議在保證分組遞交率的情況下，比單獨使用其中一種路由協議具有更低的控制開銷和平均時延。

4 總結

本系統采用嵌入式技術設計了基于無線傳感網的UPS 實時監測系統。該設計采用ARM Cortex-M3 為主控芯片，對無線傳感器各結點所傳送過來的檢測值進行基礎數據的處理，保證了系統的可靠性和實時性。同時還對無線傳感網的ZigBee的組網形式、路由算法等問題進行了深入的討論，對實際應用具有良好的參考價值。

[1]劉曉霞.實時在線UPS 電源監控系統硬件設計與分析[J].計算機工程與應用，2013，24：262-263.

[2]季鵬，喬衛民，敬嵐，等.嵌入式遠程電源監控系統的設計和開發[J].計算機工程，2005(6)：196-198.