基于嵌入式的UPS電源遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究

康麗杰，李 慧，馬 媛，張曉博

(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院通信工程系，河北石家莊050035)

基于嵌入式的UPS電源遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究

康麗杰，李 慧，馬 媛，張曉博

(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院通信工程系，河北石家莊050035)

對不間斷電源(UPS)電源系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，根據(jù)相應(yīng)的運行狀態(tài)對其進行故障預(yù)測及診斷是保證UPS系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運行的重要保證。以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在Linux平臺上實現(xiàn)了基于以太網(wǎng)的遠程監(jiān)控模塊，完成了分布式UPS系統(tǒng)的五遙功能。

分布式UPS；以太網(wǎng)；監(jiān)控系統(tǒng)；嵌入式

電源模塊以及作為備用電源的不間斷電源(UPS)系統(tǒng)是通信機房、移動通信基站和各種服務(wù)器等系統(tǒng)可靠運行的必備設(shè)施之一[1]。隨著通信事業(yè)及互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，相應(yīng)領(lǐng)域的電源規(guī)模不斷擴大，這一方面對UPS系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性提出了更高的要求；另一方面，UPS的系統(tǒng)組成體系也發(fā)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(jiān)管帶來了更大的困難，急需一種更新、更先進的監(jiān)控方式完成監(jiān)控任務(wù)。

以現(xiàn)場電源和UPS系統(tǒng)作為節(jié)點主體，以適當(dāng)?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)、硬件設(shè)施、通信協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，組成分布式遠程監(jiān)控系統(tǒng)，為整個分布式UPS系統(tǒng)提供實時、全面及有效的監(jiān)控和管理已成為一種必然的趨勢[1]。本文以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在Linux平臺上實現(xiàn)了基于以太網(wǎng)的遠程監(jiān)控模塊，完成了分布式UPS系統(tǒng)的五遙功能。

1 分布式UPS系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

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(tǒng)的全部負載由一臺足夠容量的UPS供電，優(yōu)點是可靠性高，成本較低，節(jié)省空間，設(shè)備管理也相對簡單。而集中式供電的缺點就是設(shè)備負擔(dān)重，一旦UPS出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)容易出現(xiàn)癱瘓，而解決的辦法是設(shè)置雙UPS，互為備份使用。

分布式供電系統(tǒng)利用幾臺或若干臺小功率的UPS為系統(tǒng)供電，每臺UPS負責(zé)系統(tǒng)的一部分負載。分布式供電的優(yōu)點是設(shè)備配置靈活，系統(tǒng)擴充簡單，但UPS臺數(shù)的增加為系統(tǒng)的管理和維護帶來了一定的困難和復(fù)雜性，因此需要一套完善的分布式管理系統(tǒng)與之相對應(yīng)。

2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計

分布式UPS電源監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是采集UPS模塊的參數(shù)，利用通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實時上傳，由監(jiān)控服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行處理、分析，并由終端進行顯示。此外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，由系統(tǒng)自動或工作人員通過終端下達控制命令，以控制系統(tǒng)的運行。

需要采集的數(shù)據(jù)有：系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)(母線電壓、UPS輸入輸出頻率、逆變器輸出狀態(tài)等)、并聯(lián)運行狀態(tài)、出廠設(shè)備參數(shù)等信息。利用各種傳感器采集這些信息，發(fā)送至現(xiàn)場控制器，現(xiàn)場控制器與因特網(wǎng)相連，實現(xiàn)遠程監(jiān)控的目的。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

UPS按所處地理位置形成不同的區(qū)域，每個區(qū)域按照實際需要可以選擇不同的底層通信組網(wǎng)方式。如圖1所示，區(qū)域1中利用無線傳感網(wǎng)構(gòu)建無線數(shù)據(jù)傳輸方式，具體技術(shù)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(yōu)，組網(wǎng)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(jié)點個數(shù)受到限制，對設(shè)備情況較復(fù)雜的場合不太適應(yīng)；ZigBee成本低、功耗小、自組織網(wǎng)絡(luò)形式靈活多樣，節(jié)點個數(shù)多，適應(yīng)性強，但是傳輸速度不快，不太適合需要視頻或圖像監(jiān)控的場所。區(qū)域2中所列出的底層通信方式為CAN總線方式，是一種應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線形式，較之RS-485分布式系統(tǒng)而言，CAN總線形式具有通信實時性、可靠性強的優(yōu)勢。同時，相比于其他幾種現(xiàn)場總線，CAN總線形式具有通信速率高、容易實現(xiàn)和性價比高等優(yōu)點。但是總線形式一般布線都比較繁瑣，不能應(yīng)用在布線困難和設(shè)備經(jīng)常變動的場合。

每個區(qū)域以一個單片機為核心，接無線傳感網(wǎng)的形式可以安裝相應(yīng)的無線射頻芯片，其他總線形式安裝相應(yīng)的控制模塊就可。各個區(qū)域的單片機以RS-485形式與嵌入式芯片相連，完成采集數(shù)據(jù)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(xié)議的轉(zhuǎn)換，起到網(wǎng)關(guān)的作用。嵌入式芯片與服務(wù)器相連，將采集的數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。服務(wù)器以數(shù)據(jù)庫的方式存儲實時采集數(shù)據(jù)，除此之外，設(shè)備的出廠參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)等也存儲于服務(wù)器。嵌入式ARM芯片上安裝相應(yīng)的網(wǎng)卡，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。

監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控客戶端接收來自于服務(wù)器所傳送的數(shù)據(jù)。監(jiān)控客戶端用來觀察UPS電源運行數(shù)據(jù)，接收系統(tǒng)報警信息，發(fā)出控制命令。這些控制命令發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，轉(zhuǎn)發(fā)至各個區(qū)域的主控單片機，由單片機的I/O口發(fā)出相應(yīng)的控制命令指揮繼電器等電磁開關(guān)實現(xiàn)電路的通斷。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計是功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。在本設(shè)計中，ARM芯片的選型是關(guān)鍵，本系統(tǒng)所選用的是S3C6410，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，ARM網(wǎng)關(guān)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(yōu)化的外部存儲器接口，該接口能滿足在高端通信服務(wù)中的數(shù)據(jù)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(wǎng)關(guān)程序及其它程序；另一路接 SDRAM內(nèi)存，選用的是HY57V561620，主要用于存放嵌入式操作系統(tǒng)。

圖2 嵌入式網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

該網(wǎng)絡(luò)所采用的是以太網(wǎng)通信方式構(gòu)建工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控體系。在S3C6410中接CS8900模塊實現(xiàn)相應(yīng)的通信功能。以太網(wǎng)是現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最常用的通信協(xié)議標準。底層所使用的通信協(xié)議是與IEEE802.3相類似的Ethernet 802.3協(xié)議，之上采用TCP/IP[2]。由于S3C6410的存儲空間的局限性，TCP/IP協(xié)議需要進行精簡，去掉不必要的子協(xié)議，以便提高網(wǎng)關(guān)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(xiàn)異常時，立即產(chǎn)生報警信號。服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)之間采用RS-232串口通信進行相連。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在穩(wěn)定硬件的支持下，網(wǎng)關(guān)所要實現(xiàn)的功能是將下層采集網(wǎng)傳來的數(shù)據(jù)發(fā)到服務(wù)器，同時獲取服務(wù)器下傳的控制命令。網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)除必要的硬件設(shè)置外，還需要在S3C6410上移植一個合適的操作系統(tǒng)。

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

底層與網(wǎng)關(guān)之間的通信采用串口通信。由于系統(tǒng)使用的是Android 4.2系統(tǒng)，要開發(fā)在Android系統(tǒng)上的網(wǎng)關(guān)程序，該網(wǎng)關(guān)程序需要調(diào)用串口驅(qū)動等C語言函數(shù)，因此在Android的應(yīng)用層和底層之間需要有一個JNI技術(shù)的支持，以便實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的功能。

串口功能的實現(xiàn)主要是調(diào)用本地的函數(shù)接口。在Android工程中，創(chuàng)建了專門的串口操作的類SerialTool，并繼承HardwareControler類。在接收串口數(shù)據(jù)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(shè)計專門判斷串口是否斷開的函數(shù)，所以本方法的實現(xiàn)是判斷連續(xù)五次沒有收到數(shù)據(jù)就說明串口已經(jīng)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(xiàn)嵌入式網(wǎng)關(guān)的相應(yīng)功能，具有通信穩(wěn)定、可靠性強的特點。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)經(jīng)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(wǎng)采用ZigBee，第二、三組采用CAN形式與嵌入式芯片相連。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運行安全性高，數(shù)據(jù)傳輸速度快，控制方式靈活，可以有效地提高監(jiān)控效率。

[1]張慧熙，孫亞萍.實時遠程電源和UPS監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機硬件設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2010(1)：142-144.

[2]孔興.基于以太網(wǎng)的低壓配電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方法研究[D].大連：大連理工大學(xué)，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。