基于云端的遠(yuǎn)程電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王照

（廣州供電局有限公司白云供電局，廣東 廣州 510410）

電源作為電子系統(tǒng)及設(shè)備中不可缺少的部分，其故障具有突發(fā)性、緊迫性以及破壞性[1]。系統(tǒng)內(nèi)電源一旦發(fā)生故障，必然影響系統(tǒng)功能并中斷系統(tǒng)的正常運(yùn)行，如果無法及時(shí)對故障進(jìn)行可靠處理，還可能引發(fā)嚴(yán)重的二次危害[2]。因此對于電源的監(jiān)控是十分必要的，并且要求對電源的監(jiān)控應(yīng)具有良好的實(shí)時(shí)性與可靠性，同時(shí)還要保留記錄以便對故障進(jìn)行追溯與分析。鑒于上述原因，本文提出了一種基于云端的遠(yuǎn)程電源監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)由云端服務(wù)器可跨平臺實(shí)現(xiàn)對電源的可靠監(jiān)控以及對電源數(shù)據(jù)的存儲。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控端、云端服務(wù)器以及電源監(jiān)控終端三部分構(gòu)成，以以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

遠(yuǎn)程監(jiān)控端的主要功能為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互與控制輸入。云端服務(wù)器不僅具有數(shù)據(jù)通信的中轉(zhuǎn)功能，通過建立數(shù)據(jù)庫對電源的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，可實(shí)現(xiàn)對故障的追溯與分析功能。通過采用B/S架構(gòu)的軟件設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程監(jiān)控端可以由任何具有瀏覽器功能的設(shè)備來充當(dāng)，可以跨平臺地對電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[3]。電源控制終端是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其主要功能為對電源數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，進(jìn)行片上決斷生成異常報(bào)警信息，并將生成的數(shù)據(jù)與報(bào)警信息上傳至云端服務(wù)器作為數(shù)據(jù)儲備。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)針對遠(yuǎn)程電源監(jiān)控的要求設(shè)計(jì)了電源監(jiān)控終端。電源監(jiān)控終端是實(shí)現(xiàn)電源監(jiān)控的核心功能單元，采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方案，由主控模塊、通信模塊、數(shù)采模塊以及電源控制模塊構(gòu)成，電源監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)如圖1虛線框內(nèi)所示。

主控模塊主要由BCM2837為核心的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，BCM2837具有豐富的運(yùn)算資源以及接口資源[4]，可以有效保證終端數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與電源控制的可靠性。在通信模塊設(shè)計(jì)上，采用百兆以太網(wǎng)作為電源控制終端的入網(wǎng)接口，這種冗余的數(shù)據(jù)吞吐量設(shè)計(jì)可以降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)。主控模塊通過傳輸模塊上傳電源數(shù)據(jù)，并接受控制指令。電源控制模塊接收主控模塊的控制信號并調(diào)節(jié)各路電源的輸出。數(shù)采模塊對電源的電參數(shù)與環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集。數(shù)采模塊采集到電源的相關(guān)數(shù)據(jù)后，經(jīng)過主控模塊的處理與編碼，通過通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器。

電參數(shù)檢測電路主要采集輸出電源的電壓、電流等信息。為了降低電路的復(fù)雜度并提高測算精度[5]，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電參數(shù)檢測電路，如圖2所示。

圖2 電參數(shù)檢測電路

采用數(shù)字輸出的電能計(jì)量芯片ADE77581進(jìn)行電參數(shù)檢測。ADE77581芯片能夠?qū)崿F(xiàn)對電流、電壓有效值的測量及計(jì)算，對有功功率、無功功率、視在功率進(jìn)行運(yùn)算，并具有SPI接口，可將測算所得的電參數(shù)以數(shù)字信號直接傳入主控模塊進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)采用隔離電路將ADE77581的輸出與主控模塊隔離開，以防止突發(fā)情況下燒毀主控模塊。采用ADUM1401隔離芯片可以起到信號隔離的作用并實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電源數(shù)據(jù)存儲與管理

為實(shí)現(xiàn)電源的集中維護(hù)與管理，提高監(jiān)控效率，本系統(tǒng)通過建立電源數(shù)據(jù)的云端服務(wù)器來對電源數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與管理。隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間與接入設(shè)備的增加，系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)也越來越多，為了解決數(shù)據(jù)保存與存儲開銷之間的矛盾，在數(shù)據(jù)維護(hù)方面采取以數(shù)據(jù)存在時(shí)間以及故障異常作為保留權(quán)重的策略。用戶較為關(guān)心新的數(shù)據(jù)，但為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，歷史數(shù)據(jù)也需要進(jìn)行存儲，因此本系統(tǒng)以數(shù)據(jù)存留時(shí)間作為權(quán)重來判斷數(shù)據(jù)是否需要保留。通過數(shù)據(jù)存在時(shí)間設(shè)定數(shù)據(jù)留存采樣間隔，數(shù)據(jù)存在時(shí)間越久采樣間隔就越大，采樣需要留存的數(shù)據(jù)就越少。同時(shí)，故障與異常發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)也是用戶所關(guān)心的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)留存采樣時(shí)，著重采樣故障或異常發(fā)生期間的數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)存留采樣策略示意圖

3.2 電源監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

電源監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)對電源信息數(shù)據(jù)的采編，與云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，接收云端服務(wù)器控制指令并對電源輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)以及對異常故障情況進(jìn)行反饋報(bào)警等功能。為實(shí)現(xiàn)上述功能，對電源監(jiān)控終端的控制軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

軟件控制流程如下所述：終端上電后首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化包括對電能計(jì)量芯片初始化配置、溫濕度傳感器初始化、以太網(wǎng)的初始化設(shè)置、加載用戶配置等。初始化完成后，首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)檢測判斷終端是否已入網(wǎng)，如果已入網(wǎng)則連接云端服務(wù)器。連接服務(wù)器成功則判斷是否接收到控制指令，并根據(jù)指令對電源進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。無論終端是否已連接服務(wù)器，都進(jìn)行以下操作：首先采集電源電參數(shù)數(shù)據(jù)與電源環(huán)境數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與編碼，依照預(yù)設(shè)閾值對數(shù)據(jù)進(jìn)行判決，超出閾值則生成故障異常報(bào)警信息，之后進(jìn)行是否連接服務(wù)器的在線判斷，如果終端在線則將生成的數(shù)據(jù)與報(bào)警信息進(jìn)行上傳，之后重復(fù)上述數(shù)據(jù)采集與處理過程；如果終端不在線則將數(shù)據(jù)與報(bào)警信息存儲于本地，等待連接服務(wù)器后一并上傳。

4 結(jié)束語

針對遠(yuǎn)程電源監(jiān)控的難題，本文提出了基于云端的遠(yuǎn)程電源監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案。在現(xiàn)場的電源監(jiān)控端和遠(yuǎn)程監(jiān)控端之間建立云端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了電源數(shù)據(jù)的可靠存儲、實(shí)時(shí)檢測以及對電源的及時(shí)控制。本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一種基于BCM2837的電源控制終端，使得對現(xiàn)場電源檢測控制的工作效率得到提高，更好地為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)。