基于嵌入式的UPS電源遠程監控系統的研究

康麗杰，李 慧，馬 媛，張曉博

(石家莊信息工程職業學院通信工程系，河北石家莊050035)

基于嵌入式的UPS電源遠程監控系統的研究

康麗杰，李 慧，馬 媛，張曉博

(石家莊信息工程職業學院通信工程系，河北石家莊050035)

對不間斷電源(UPS)電源系統進行實時監控，根據相應的運行狀態對其進行故障預測及診斷是保證UPS系統安全、穩定、可靠運行的重要保證。以嵌入式系統為基礎，在Linux平臺上實現了基于以太網的遠程監控模塊，完成了分布式UPS系統的五遙功能。

分布式UPS；以太網；監控系統；嵌入式

電源模塊以及作為備用電源的不間斷電源(UPS)系統是通信機房、移動通信基站和各種服務器等系統可靠運行的必備設施之一[1]。隨著通信事業及互聯網的蓬勃發展，相應領域的電源規模不斷擴大，這一方面對UPS系統運行的可靠性和穩定性提出了更高的要求；另一方面，UPS的系統組成體系也發生了較大變化，由過去的集中式改為了分布式。這些變化都給UPS的監管帶來了更大的困難，急需一種更新、更先進的監控方式完成監控任務。

以現場電源和UPS系統作為節點主體，以適當的通信網絡、硬件設施、通信協議作為網絡構成，組成分布式遠程監控系統，為整個分布式UPS系統提供實時、全面及有效的監控和管理已成為一種必然的趨勢[1]。本文以嵌入式系統為基礎，在Linux平臺上實現了基于以太網的遠程監控模塊，完成了分布式UPS系統的五遙功能。

1 分布式UPS系統整體結構

UPS的供電方式主要有兩種，集中式供電和分布式供電。集中式供電系統的全部負載由一臺足夠容量的UPS供電，優點是可靠性高，成本較低，節省空間，設備管理也相對簡單。而集中式供電的缺點就是設備負擔重，一旦UPS出現問題，整個系統容易出現癱瘓，而解決的辦法是設置雙UPS，互為備份使用。

分布式供電系統利用幾臺或若干臺小功率的UPS為系統供電，每臺UPS負責系統的一部分負載。分布式供電的優點是設備配置靈活，系統擴充簡單，但UPS臺數的增加為系統的管理和維護帶來了一定的困難和復雜性，因此需要一套完善的分布式管理系統與之相對應。

2 遠程監控系統整體設計

分布式UPS電源監控系統的主要任務是采集UPS模塊的參數，利用通信網絡將數據實時上傳，由監控服務器對數據進行處理、分析，并由終端進行顯示。此外，當系統出現異常情況時，由系統自動或工作人員通過終端下達控制命令，以控制系統的運行。

需要采集的數據有：系統運行狀態參數(母線電壓、UPS輸入輸出頻率、逆變器輸出狀態等)、并聯運行狀態、出廠設備參數等信息。利用各種傳感器采集這些信息，發送至現場控制器，現場控制器與因特網相連，實現遠程監控的目的。具體系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

UPS按所處地理位置形成不同的區域，每個區域按照實際需要可以選擇不同的底層通信組網方式。如圖1所示，區域1中利用無線傳感網構建無線數據傳輸方式，具體技術可以選擇Wifi、藍牙、ZigBee等方式。相比較而言，Wifi的可靠性和傳輸速度占優，組網方式靈活，成本相對較高；藍牙成本不高，傳輸速度也較快，但節點個數受到限制，對設備情況較復雜的場合不太適應；ZigBee成本低、功耗小、自組織網絡形式靈活多樣，節點個數多，適應性強，但是傳輸速度不快，不太適合需要視頻或圖像監控的場所。區域2中所列出的底層通信方式為CAN總線方式，是一種應用最為廣泛的現場總線形式，較之RS-485分布式系統而言，CAN總線形式具有通信實時性、可靠性強的優勢。同時，相比于其他幾種現場總線，CAN總線形式具有通信速率高、容易實現和性價比高等優點。但是總線形式一般布線都比較繁瑣，不能應用在布線困難和設備經常變動的場合。

每個區域以一個單片機為核心，接無線傳感網的形式可以安裝相應的無線射頻芯片，其他總線形式安裝相應的控制模塊就可。各個區域的單片機以RS-485形式與嵌入式芯片相連，完成采集數據的傳輸。嵌入式芯片可能選用64位或32位的ARM芯片，其主要作用是完成通信協議的轉換，起到網關的作用。嵌入式芯片與服務器相連，將采集的數據傳送至服務器的數據庫中。服務器以數據庫的方式存儲實時采集數據，除此之外，設備的出廠參數、歷史數據等也存儲于服務器。嵌入式ARM芯片上安裝相應的網卡，以實現數據的遠程傳輸。

監控系統的遠程終端(客戶端)可以選擇PC機，也可以選擇移動終端。這些監控客戶端接收來自于服務器所傳送的數據。監控客戶端用來觀察UPS電源運行數據，接收系統報警信息，發出控制命令。這些控制命令發送至網關，轉發至各個區域的主控單片機，由單片機的I/O口發出相應的控制命令指揮繼電器等電磁開關實現電路的通斷。

3 系統硬件設計

系統的硬件設計是功能實現的基礎。在本設計中，ARM芯片的選型是關鍵，本系統所選用的是S3C6410，具體結構如圖2所示，ARM網關選用的芯片是S3C6410，是一款低功率、高性價比、高性能的用于通用處理的RSIC處理器。S3C6410包括優化的外部存儲器接口，該接口能滿足在高端通信服務中的數據帶寬要求。外接端口分為兩路，一路可接高速FLASH存儲器，選用的FLASH存儲器是K9F2G08，用于存放網關程序及其它程序；另一路接 SDRAM內存，選用的是HY57V561620，主要用于存放嵌入式操作系統。

圖2 嵌入式網關結構圖

該網絡所采用的是以太網通信方式構建工業以太網監控體系。在S3C6410中接CS8900模塊實現相應的通信功能。以太網是現有局域網采用的最常用的通信協議標準。底層所使用的通信協議是與IEEE802.3相類似的Ethernet 802.3協議，之上采用TCP/IP[2]。由于S3C6410的存儲空間的局限性，TCP/IP協議需要進行精簡，去掉不必要的子協議，以便提高網關的運行效率。

S3C6410與下層單片機之間采用RS-485總線進行相連，一方面有利于完成長距離的信息傳輸；另一方面RS-485總線的傳輸速率較高，S3C6410對底層單片機的巡檢周期可以大大縮短，只需0.05 s就可完成，有利于在UPS運行出現異常時，立即產生報警信號。服務器與網關之間采用RS-232串口通信進行相連。

4 系統軟件設計

在穩定硬件的支持下，網關所要實現的功能是將下層采集網傳來的數據發到服務器，同時獲取服務器下傳的控制命令。網絡的實現除必要的硬件設置外，還需要在S3C6410上移植一個合適的操作系統。

目前，運行在嵌入式系統中的操作系統主要有兩種：linux和Android系統。因為裸板操作過于復雜，本系統在這兩種系統中選用了Android 4.2系統。

底層與網關之間的通信采用串口通信。由于系統使用的是Android 4.2系統，要開發在Android系統上的網關程序，該網關程序需要調用串口驅動等C語言函數，因此在Android的應用層和底層之間需要有一個JNI技術的支持，以便實現網絡的功能。

串口功能的實現主要是調用本地的函數接口。在Android工程中，創建了專門的串口操作的類SerialTool，并繼承HardwareControler類。在接收串口數據的方式上使用定時器輪詢的方式，只是這里添加了判斷串口斷開的和重連的措施，具體方法為：

因為底層沒有設計專門判斷串口是否斷開的函數，所以本方法的實現是判斷連續五次沒有收到數據就說明串口已經斷開，然后利用定時器進行重連。

利用以上方法，可以方便地實現嵌入式網關的相應功能，具有通信穩定、可靠性強的特點。

5 結論

本系統經實地利用30臺分布式UPS進行測試，每10臺一組，第一組無線傳感網采用ZigBee，第二、三組采用CAN形式與嵌入式芯片相連。測試結果表明，系統運行安全性高，數據傳輸速度快，控制方式靈活，可以有效地提高監控效率。

[1]張慧熙，孫亞萍.實時遠程電源和UPS監控網絡節點機硬件設計與實現[J].計算機測量與控制，2010(1)：142-144.

[2]孔興.基于以太網的低壓配電監控系統設計方法研究[D].大連：大連理工大學，2006：36-39.

Research of remote monitoring system of embedded UPS

It is the important guarantee of safe， stable and reliable operation that the real-time monitoring and the corresponding fault prediction and diagnosis to the UPS system according to the operation.The remote monitoring on the Linux platform was realized based on the embedded system. The five remote functions for distributed UPS system were completed.

distributed UPS;Ethernet;monitoring system;embedded mode

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0876-02

2015-09-16

康麗杰(1980—)，女，河北省人，講師，主要研究方向為通信、電子。