基于ARM的UPS電源網絡監控系統的研究

【摘要】 隨著UPS電源網絡監控系統的廣泛應用，UPS以其自身的優勢在供電系統中得到認可。然而傳統UP電源監控系統在應用過程中并未真正實現支撐工業控制網絡速率的目標。對此現狀要求在UPS電源網絡監控中注重Internet與嵌入式系統的結合，使監控任務向更廣的空間進行擴展。本文主要對UPS電源的基本概述、UPS監控系統方案分析以及基于ARM的監控系統硬件與軟件設計進行探析。

【關鍵詞】 UPS 網絡監控系統 嵌入式系統 設計

前言：作為不間斷電源，UPS近年來在計算機應用系統、電力系統以及工業生產控制系統中的應用日益廣泛。尤其在電子技術以及網絡技術的快速發展下，使UPS在工作效率以及遠程故障監控方面逐漸完善。但其中UPS監控系統傳統構建采集體系所采用的主要為LON-WORK等總線結構，使采集過程中的網絡拓撲結構不具備較強的靈活性，對此需要以ARM為基礎對該監控系統進行設計以提高其穩定性與可靠性。因此，對以ARM為基礎的UPS電源網絡監控系統進行設計分析具有十分重要的意義。

一、UPS網絡監控系統的基本概述

提及UPS網絡監控系統，首先需對UPS進行分析，其源于Uninterruptible power supply一詞，指為介于交流電網與負載間存在的電子裝置，能夠使交流供電電源在發生故障的情況下保證對負載繼續供電。在構成部分上主要包括整流器、逆變器、蓄電池以及靜態開關等。而在長期發展過程中，UPS更傾向于向綠色無污染、智能化、小型化、高可靠性、電池管理的完善以及控制電路數字化方向發展。尤其在智能化技術中由于以往信號處理能力以及相關通信技術等因素的限制，使其中的監控系統多采用模擬方式，進而使模擬信號很難促進監控系統應用的發展。對此在實踐研究中發現可在UPS網絡監控中引入嵌入式系統，其將計算機技術作為基礎，通過軟硬件自身的可靠性以及功能性等使UPS網絡監控系統更加完善。根據嵌入式系統的特征以及傳統UPS監控系統的現狀，可將以嵌入式系統為基礎的網絡監控系統設計意義歸納為：首先，監控系統可構建于存在網絡的地方，減少布線費用與維護費用。其次，通過對中間環節如代理服務器以及網關的減少，使安裝難度降低。再次，應用嵌入式操作系統后，監控軟件開始以B/S模式取代C/S模式，用戶操作僅需利用瀏覽器便可完成。最后，通信信道利用效率以及設備的通信速率得到很大程度的提高[1]。

二、UPS監控系統設計分析

作為信息與控制網絡相結合的產物，網絡監控系統本身以計算機網絡系統為基礎，通過本地與遠端的組成使其基本的軟硬件能夠滿足現代自動化控制以及網絡監控功能需求。在嵌入式技術的引入下，使傳統UPS電源監控中應用的現場總線技術結合現代Internet技術，促進網絡監控功能的完善。

2.1 UPS網絡監控系統的具體分析

UPS網絡監控系統在構成上主要包括現場控制與數據通信兩方面系統，在設計過程中要求現場控制系統能夠穩定運行，使用戶通過訪問Internet便能實現對系統運行的相關參數信息進行遠程瀏覽并對其中需要改動的運行參數隨時調整，同時需注意UPS監控系統具備較強的安全性。對此設計中對該系統也提出了較高的技術要求，如UPS電源運行參數可通過網絡終端實現實時監控，而且為其他操作功能如自動開機與關機或故障報警等得以實現，需引入一定的接口，使用戶與UPS電源間通信能夠滿足網絡監控要求[2]。

2.2 UPS電源與網絡監控系統間的通信

監控系統的遠程控制自動化得以實現很大程度上得益于現場總線，由于對現場總線設計的標準并未統一且其自身具有較高的性能價格比，在長期應用過程中逐漸產生CAN，即控制器局部網。作為現場總線的一部分，CAN現場總線網與其他通信網存在較大的差異，具體體現在：第一，將全網廣播作為基礎，目標地址不存于所傳送的文件中，而且能夠通過多站接收等方式過濾其中無用的文件。第二，注重數據安全性，使控制系統滿足數據可靠傳輸的基本要求。以往的監控系統中多采用集中式、分布式以及集散式監控系統，盡管對信息的管理取得一定的成效，但多存在處理數據效果不佳且效率較低的缺點，所以為使用監控系統基本要求，設計中選用以ARM為基礎的處理器，并以CAN協議為運行現場總線。另外，在通信方式上，所選擇的方式也主要以CAN總線網絡為主，在系統中運行的原理主要指各從節點由主節點進行監控，主節點在發布指令的同時也能對從節點處相關數據進行處理，同時，各從節點需在主節點指令的基礎上將運行信息顯示出來并將檢測數據向主節點傳輸。此外，節點間的串行通信主要由CAN接口電路負責，可利滿足CAN線路電阻的兩只標準電阻[3]。

2.3網絡監控系統與Internet的通信

在研究網絡監控系統與Internet通信中，常用的結構主要包括C/S與B/S兩種結構。設計過程中可對二者進行比較應用，如在安全性方面。C/S在控制信息安全方面表現的能力較為突出，所以適合應用于高度機密的系統中。而B/S應用中采用的安全措施多集中在加密或身份認證等形式，不具備較強的安全控制能力。在開發成本方面，應用C/S需要操作人員具備較高的技術水平，而且數據交互服務的實現應利用專門的服務器。相比之下，B/S應用的成本較低，很大程度上只需利用瀏覽器與操作系統便能實現對信息的管理。另外，在可重用性與可擴展性等方面，B/S自身獨立的功能以及系統無縫升級都具備較強的優勢。所以比較而言，設計過程中采用的應主要以B/S模式為主，可以促進監控系統的長遠發展[4]。

三、UPS電源網絡監控系統的硬件分析

以ARM為基礎的網絡監控系統設計過程中所涉及的部分主要包括ARM數字控制系統、以太網接口模塊以及CAN總線接口模塊等組成部分。在進行硬件設計過程中考慮的主要為處理器的選型、系統硬件電路設計以及設計中的關鍵問題等方面。

3.1從處理器選型角度

處理器選型中考慮的主要為ARM內核處理器，其本身具有成本與功耗低、性能與效率高的優勢。但需注意保證ARM微處理器在內核方面應根據用戶的實際需求選擇具有MMU功能的芯片或其他具備MMU功能的處理器。而且在系統工作頻率方面應注重ARM微處理器所具備的處理能力，以此為依據合理選擇系統工作頻率。另外除ARM微處理器外，由于AMR芯片在不同領域中應用的特征不同，所以可使其他功能模塊進行擴展，能在芯片中實現集成，如IIS接口、USB接口等，簡化電路設計的同時促進可靠性的提高[5]。

3.2從系統硬件電路角度

設計電源電路中，為使系統電源電路設計得以簡化，需注重系統輸入電壓滿足一定要求。而且設計中也可引入NAND Flash接口電路，其本身作為具有低成本與高集成度優勢的存儲器，將ROM與RAM的優勢集于一身，能夠防止掉電后出現信息丟失的情況。同時，硬件中的單元電路可選擇SDRAM，其應用在微機處理系統中盡管不具備掉電后保持數據的性能，但在容量、成本以及存取速度方面具有明顯的優勢。另外，網絡控制器的選擇方面可以以太網接口模塊為主，使其無論在全雙工模式或半雙控模式下能夠支持系統中相應的協議，常見的接口卡芯片主要為CS8900，利用實際的工作原理實現系統的電路連接。除此之外，系統硬件設計中電源電路問題還需考慮到CAN總線接口模塊以及人機交互的模塊，確保UPS控制系統設計能夠保證系統電源的穩定性[6]。

四、UPS電源網絡監控系統軟件分析

4.1系統應用的軟件技術

網絡監控系統軟件的設計主要為使遠程現場監控的目標得以實現，所以其軟件技術要求主要體現在三方面，即：檢測UPS運行狀態并對其中如斷電、電池電壓過低或溫度較高等進行報警；系統管理中具備查閱、記錄、轉逆變等功能；可將系統的通信方式以及通信時間等進行設定[7]。

4.2監控系統軟件設計關鍵問題

以ARM為基礎的UPS電源網絡監控系統設計過程中需注重系統中的一系列關鍵問題。具體包括：首先，進行linux系統移植并構建系統開發環境。其主要體現在系統引導加載程序bootloader設計、linux系統移植以及交叉編譯環境的開發等方面。其次，CAN接口模塊的設計。設計中可引用MCP2510，其能夠將擴展后的信息幀進行發送或接收，并具備管理信息與過濾接收信息的功能，但引用過程中需注意對MCP2510寄存器函數進行讀寫，分析驅動初始化部分以及實際操作函數。再次，注重嵌入式系統中的QT圖形用戶界面。設計時可通過對QT開發工具以及GUI的分析進行GUI平臺的搭建。最后，嵌入式WEB SEVER與數據庫SQLITE的設計。其中嵌入式WEB服務器要求與Internet保持連接，實現遠程數據的采集與監控。而數據庫SQLITE設計的步驟主要通過構建后端數據庫、制作頁面與表單并完成GGI程序的編寫[8]。

結論：以ARM為基礎的UPS電源網絡監控系統是促進監控系統應用完善的必然途徑。通過文中的設計實踐充分說明其能夠實現監控系統的基本功能，但需注意其采用的硬件與軟件應滿足系統的基本要求，并引用B/S模式使系統在線監控得以實現，這樣才可保證UPS電源監控維護成本降低，促進其安全可靠的運行。

參 考 文 獻

[1]周曉明. 基于ARM的UPS電源網絡監控系統的分析[D].安徽理工大學，2010.

[2]趙鑫. 基于ARM的UPS電源網絡監控系統的設計[J]. 電源技術，2014，12：2408-2409.

[3]周曉明，祝龍記. 基于ARM的UPS電源網絡監控系統的研制[J]. 電子質量，2010，04：15-16+22.

[4]王登峰. 基于ARM9的UPS局域網監控系統研究與實現[D].華南理工大學，2010.

[5]孫夢宇. 基于ARM的電子負載網絡監控系統的研究與設計[D].南京航空航天大學，2010.

[6]李勇. 基于Internet的UPS遠程網絡監控系統的研究與開發[D].湖南大學，2003.

[7]邱勇. 基于ARM的熱浸鍍鋅實時網絡監控系統的設計[D].西華大學，2012.

[8]吳光華. 基于ARM的數字電源監控系統的研究與實現[D].中國科學院研究生院（近代物理研究所），2014.