基于物聯網的通信電源監控系統的設計

茍志堅，王太宏，張恩迪，游運喜

(1.中國人民解放軍95437部隊，四川南充637400；2.湖南大學微納光電器件及應用教育部重點實驗室，湖南長沙410082)

基于物聯網的通信電源監控系統的設計

茍志堅1,2，王太宏2，張恩迪2，游運喜2

(1.中國人民解放軍95437部隊，四川南充637400；2.湖南大學微納光電器件及應用教育部重點實驗室，湖南長沙410082)

針對當前通信電源監控系統不夠智能、應用不方便的問題，以ARM9為核心處理器，結合Zig Bee無線網絡，設計了一個遠程監控系統。該系統利用電壓和電流互感器采集通信電源輸入端的電能質量數據、利用溫濕度傳感器采集電源環境的溫濕度數據，結合紅外傳感器與圖像傳感器實現基站進出人員視頻圖像采集，通過Zig Bee無線傳感網絡將傳感數據傳輸到服務器，基于B/S模式實現遠程實時監控。測試表明，該系統有高可靠、功能實用全面、應用更靈活等優點。

ARM；通信電源；溫濕度傳感器；紅外傳感器；圖像傳感器

我國通信行業發展迅速，通信網絡設施設備正在不斷地更新換代。基站通信電源擔負著通信網絡各個節點的供電任務，是通信質量保證的基礎，隨著通信行業的發展，對其的要求也越來越高[1]。目前我國用于移動通信的基站有數百萬個，地域覆蓋范圍廣，多數基站建設在偏遠山村，處于無人值守狀態，對基站的通信電源進行動態監控非常必要[2]，但傳統的通信電源監控系統功能單一、應用范圍小，已不能滿足日益增長的需求。

當前，監控技術主要以的嵌入式監控為主，服務器搭建有C/S模式[3]和B/S模式[4]兩種。物聯網是物與物相聯接的網絡，是互聯網的深入，物聯網通過各種智能傳感器采集信息，感知狀態，并結合互聯網進行數據、命令等的傳輸，并根據需要操控各種控制機件[5]。本文結合電能質量傳感器、圖像傳感器、紅外傳感器、溫濕度傳感器，利用物聯網技術提出了一種對通信電源供電質量、電源環境溫濕度和基站進出人員圖像監控的多功能智能遠程監控系統。與傳統通信電源監控系統相比，該系統數據采集更豐富全面、監控操作更方便便捷，應用范圍更廣泛。

1 系統總體設計

系統總體設計如圖1所示。電能質量傳感器、紅外傳感器和溫濕度傳感器將采集的數據通過Zig Bee無線網絡傳輸到以ARM9為核心的S3C2440處理器上，視頻傳感器通過有線與S3C2440連接，再在S3C2440上搭建服務器，既實現本地監控中心實時監控，又能與互聯網聯接，實現用戶可以通過任意網絡設備進行實時監控。

圖1 系統總設計圖

2 硬件設計與實現

2.1 ARM處理器硬件構成

ARM處理器是本系統的核心，本系統采用三星公司的S3C2440處理器，它的資源豐富，常被各種應用系統采用[6]。S3C2440可以運行定制的Linux嵌入式操作系統，其硬件組成如圖2所示。系統以太網芯片是DM9000A，Zig Bee芯片是TI出產的CC2530；視頻傳感器是中微星的zc301 USB攝像頭。zc301操控便捷，在ARM的操作系統中加載zc301的驅動，通過簡單的命令就能對其進行打開、關閉等操控。

圖2 S3C2440處理器的硬件框圖

2.2 無線傳感硬件組成

為了增加系統應用的靈活性，系統的大部分傳感器采集的數據都利用由Zig Bee組建的無線網絡進行傳輸。無線傳感模塊由傳感電路模塊、處理器模塊、CC2530、電源和時鐘構成，如圖3所示。

圖3 Zigbee無線傳感網絡硬件框圖

傳感電路負責對目標信息進行采集和調理，并將得到的模擬信號傳到處理器進行A/D轉換；處理器還控制路由通信、功耗管理、節點運行控制，以保證無線通信暢通；電源負責供電；時鐘模塊為處理器提供時鐘頻率；CC2530負責與系統的其他節點通信。

CC2530內置256 kB的高速閃存，8 kB的RAM，具有49 dB的鄰道抑制能力，具有5通道通信能力。

2.3 電能質量傳感電路

目前，有相當部分的基站處在偏遠的山村，其供電質量波動大，配置電能質量傳感模塊對通信電源輸入端進行實時監控非常必要。系統利用電壓、電流互感器從通信電源輸入端上得到電能質量信號，再將其變換成適合A/D的小信號，對其濾波后再進行A/D轉換，再利用DSP對轉換的結果進行換算，最后通過Zig Bee模塊發送。

該模塊的A/D芯片采用功耗低、傳輸速度高的ADS8364，其具有6路同步采樣和16位高速模數轉換的能力。DSP采用TI出產的TMS320F2812，其工作頻率為150 MHz，有三條數據總線和地址總線，自帶18 K RAM，能勝任較復雜的數據處理工作。TMS320F2812與ADS8364的連接電路如圖4所示。

圖4 TMS320F2812與ADS8364的連接電路圖

2.4 溫濕度傳感電路

系統的溫、濕度傳感模塊選用插針式的DHT91。DHT91模塊有A/D轉換電路和串行接口電路，實現類I2C協議通信，其測量的精度較高、性能可靠穩定，濕度的測量范圍和精度分別為0～100%RH和3.0%RH，溫度的測量范圍和精度分別為－40～+123.8℃和±0.4℃。其連接電路如圖5所示。

圖5 DHT91連接電路圖

2.5 紅外傳感器

本系統的紅外感應模式為HR-SR501，該模塊配置的探頭是高靈敏度的LHI778；其典型靜態電流為50 μA，功耗低；具有自動光敏控制、自主溫度補償的功能。其連接電路與DHT91連接電路類似。

3 軟件設計與實現

系統的軟件設計主要包括ARM處理器軟件設計、Zig Bee無線傳感網絡設計、各傳感模塊軟件設計、B/S結構的遠程動態網頁軟件設計。

3.1 ARM處理器軟件設計

系統的ARM處理器運行內核版本為2.6.32的Linux操作系統。ARM處理器傳感數據收集和上傳的運行流程如圖6所示。

圖6 ARM處理器的運行流程圖

將各種傳感數據發送到網絡是ARM處理器的工作之一，系統采用TCP/IP協議進行數據傳輸，數據傳輸程序利用Socket套接字進行開發。

3.2 Zig Bee無線傳感網絡設計

Zig Bee無線網絡具有三種拓撲結構[7]。根據具體應用的不同，系統中的無線傳感單元的數量也不一樣，所以系統設計必須考慮數據沖撞的情況。系統采用星型拓撲網絡結構，ARM處理器模塊上的節點定為網絡的主節點，其它無線傳感單元為從節點。當主節點接到控制命令后，向對應的從節點發送喚醒命令，從節點接到喚醒命令后根據命令進行數據傳輸或其它操控。該星型拓撲網絡結構在有效避免消息碰撞的前提下，具有低功耗的優點。

3.3 電能質量采集

通信電源的輸入端的電壓和電流都是周期性函數，都滿足狄里赫利條件，可對其進行傅里葉分解，從而得出諧波含有率、畸變率和電壓電流不平衡度等參數[8]。系統利用TMS320F2812進行傅里葉變換和參數提取。電能質量采集模塊運行流程如圖7所示。

圖7 電能質量采集流程圖

3.4 紅外感應響應與視頻圖像采集傳輸

當人侵入HR-SR501紅外感應模塊的感應范圍內，HR-SR501發生電平轉換，通過Zig Bee無線網絡傳輸給ARM處理器，ARM處理器打開視頻圖像采集設備，捕捉侵入人員視頻圖像，并儲存和發送。視頻圖像采集設備也可以由本地客戶端和遠程網頁客戶端進行開啟、關閉等操控。

視頻圖像采集設備調用Video4linux接口函數實現視頻圖像捕捉。其流程是在設備初始化完成后分別建立圖像采集線程和視頻圖像傳送監聽進程。圖像數據利用Socket套接字基于TCP協議傳輸。系統視頻圖像采集發送可以同時進行。

在本地客戶端安裝Spcaview顯示程序，系統還可以直接將視頻圖像顯示，并具有手動捕捉、運動檢測等功能；利用C語言編寫鼠標捕捉程序并與web服務器程序配合，具有遠程捕捉監控畫面功能。

3.5 溫濕度采集

DHT91溫濕度處理器的工作狀態由SCK線和DATA線上的時序控制。其溫濕度數據采集流程是收到采集命令后，采集數據，完成后發出“采集完成”信號，然后在網絡暢通的情況下將數據傳出，然后采集下一組數據。

3.6 Web交互頁面設計

系統的服務器采用B/S架構。實現遠程用戶打開瀏覽器頁面，輸入服務器網絡地址就可查看各傳感設備采集的數據。服務器利用遵循HTTP協議的Boa服務器程序搭建，Boa是支持cgi的單任務嵌入式服務器。通信電源監控的遠程訪問量小，采用單任務服務器能很好的滿足應用要求。

Web用戶端采用ajax異步交互與服務器的cgi進程通信。當遠程用戶提交連接請求，XMLHttpRequest對象將先建立異步通信機制，然后采用get方式將連接請求提交至服務器的cgi函數，同時創建響應函數以處理cgi函數的響應。視頻通信利用SwingWorker創建線程，通過套接字實現。

Web頁面利用html和applet腳本語言編寫，主要有視頻監視、溫濕度數據顯示、電能質量數據顯示和操控部件等四部分。Web頁面如圖8所示，頁面右上是日期和時間，右下是操作記錄，左邊有四個選項供用戶選擇，分別是：“電能質量”、“溫/濕度”、“視頻圖像”和“控制”。

圖8 系統Web監控頁面

4 結束語

本文基于物聯網技術，設計了一個新型的通信電源監控系統。系統采用S3C2440核心處理部件，搭配TMS320F2812、DHT91、HR-SR501、zc301等芯片實現了電能質量數據采集、溫濕度數據采集、圖像數據采集等功能；系統利用Zig Bee組建無線網絡用于傳輸各傳感模塊的數據，避免了傳統監控網絡的布線工作，應用更加靈活方便；系統還搭建B/S模式服務器實現了遠程監測和操控，監控操作更加方便快捷。測試表現，系統功能強大、實用價值高。

[1]王文亮，路一平.基于Web的通信電源監控系統的研究與設計[J].電源技術，2010,34(6):598-599.

[2]鄧海麗，劉澤軍，劉敏.基于ARM的通信電源監控系統的設計[J].電源技術，2013，37(10):1865-1866.

[3]梁志勇，戴勝華.基于C/S模式的煤礦監控系統的應用研究[J].鐵路計算機應用，2011(3):30-34.

[4]劉嬌，劉佳欣，唐磊.基于B/S的通信電源監控系統軟件設計與實現[J].電源技術，2013(1):136-137.

[5]田鈞，龍冬陽.物聯網感知行為統一表達模型研究[J].計算機工程與應用，2014,50(1):53-57.

[6]堯平.基于嵌入式Web技術的遠程監控系統研究[D].長沙：中南大學，2012.

[7]張國軍，鄭麗媛，張俊.基于物聯網的瓦斯監控系統[J].傳感器與微系統，2013，32(1):125-127.

[8]馬麗萍，張衛國.基于ZigBee的電能質量監測系統的研究與設計[J].電源技術，2012,36(8):1192-1193.

Design of monitoring system for communication power supply based on Internet of things

GOU Zhi-jian1,2,WANG Tai-hong2,ZHANG En-di2,YOU Yun-xi2
(1.Unit 95437 of the PLA,Nanchong Sichuan 637400,China;2.Key Laboratory for Micro-Nano Optoelectronic Devices of Ministry of Education,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China)

To overcome the shortcomings of the existing monitoring system for base station communication power supply,a high performance remote monitoring system was designed using the ARM9 processor and Zig Bee.The voltage and current transformers were used to collect quality data of communication power's input;the infrared sensors and image sensors were combined together to get images;the temperature and humidity sensors were also used in the proposed system.Zig Bee wireless sensor network was used to send sensor data to the server;the remote real-time monitoring was realized based on B/S.The test results show that the system has the advantages of high performance,multifunction and high flexibility of application.

ARM;communication power;temperature and humidity sensor;infrared sensor;image sensor

TM 769

A

1002-087 X(2016)08-1686-03

2016-01-06

國家科技支撐計劃資助項目(2012BAD35B06)

茍志堅(1986—)，男，四川省人，碩士生，主要研究方向為嵌入式系統及其應用。