嵌入式電力控制系統中監控子系統的設計與實現

奚小寧

（西安奇維科技有限公司，陜西 西安710119）

0 引 言

隨著信息技術的不斷發展，數字型產品得到了大面積的推廣，其中以嵌入式系統為基礎的各種產品所具有的功能也愈發強大，并且應用逐漸廣泛。在當前巨大市場需求的推動之下，企業和社會對嵌入式產品的要求也不斷提升。現階段，在工業控制行業中使用的嵌入型系統急需應用一類監控軟件，從而可以方便、高效以及快速地研發出能夠完美適應多種場合的新型監控程序。

1 嵌入系統的基本闡述

嵌入式系統中應用是核心，計算機信息技術是基礎，其中的軟硬件均可被裁減，極適合應用到對功能、成本、功耗、可靠性以及體積等具有極為嚴格要求的先進計算機系統中。通常情況下，嵌入型微處理器、嵌入式的操作系統、外圍硬件裝置以及用戶應用程序是嵌入式系統最為主要的4個組成部分，也是該系統控制、管理以及監視其他設備的根本所在。不管是8位單片機還是具有較高處理性能水平的32位的處理器都可以形成嵌入型系統，然而當前絕大多數被認為具有較好發展前景的嵌入型系統都應當具備以下條件。即將一個具有出色性能水平的處理器當作系統的基礎硬件，將一個能夠進行多任務操作的系統作為綜合性平臺[1]。

2 嵌入型電力控制系統中的監控子系統整體結構框架

對于現代化的電力控制系統而言，要想有效設計其所包含的監控子系統，需要避免在監控數據的傳輸和線路的架設等領域投入過多人力和物力，并以此為基礎設計出一種將電力線載波通信和嵌入式完美融合的新型技術。當前此類技術已經在生產、檢測以及管理等諸多領域中得到了廣泛的應用。目前所設計的監控子系統通常為C/S模式，核心結構框架以監控服務器和監控客戶端為主，并且其中部分服務器的IP地址還需要做額外的固定處理，此外服務器和客戶端間連接時所使用的為UDP通信協議，可以有效且準確地實現監控數據和信息的輸送。傳感器模塊、電力線載波通信模塊以及嵌入型處理器（即CPU）模塊是監控服務器最為核心的3個組成部分，而客戶端對應的功能需要借助PC機進行實現[2]。

3 嵌入型電力監控系統中硬件部分

在嵌入型電力監控系統中往往挑選工控機和商用PC當作服務器，現場大量的實時信息數據需要進行迅速、及時且準確地傳輸。通信模塊最為主要的任務是實時收集與整合現場數據，同時借助嵌入型的CPU科學處理所收集到的相關數據，并應用輸出模塊將對應的控制指令發送出去。在嵌入型電力監控系統中硬件部分通常包括嵌入型CPU、液晶顯示屏、鼠標、通信控制以及鍵盤等幾個部分。

通信控制組件的硬件邏輯如圖1所示，該部分整合了模擬量的輸入輸出和數字量的輸入輸出，還具有定時器和計數器等諸多功能。輸入的無線信號會直接或者通過變送器等間接地接入到對應的信息數據通信控制模塊中，然后再由該模塊對數據做轉化處理，最后提交至系統做最終的分析、控制、處理以及決策。

圖1 通信控制組件的硬件邏輯

4 軟件設計與實現

4.1 監控系統核心部分的設計

由于該系統有著極強的復用性和可擴展性，因此其通過以組件為基礎方式進行深度開發時，系統整體可被分成諸多小組件，每一個組件依據組件分層的體系框架組成。通常，組件的分層體系框架包含表示層、業務邏輯層、通信層以及數據層共4層，組件的表現形式包括源代碼包、Lib和DLL。系統整體以Win CE操作系統為基礎，使用標準化的編程語言C++，借助該系列的開發工具來進行對應的開發和研究，并通過Together Architect工具進行建模，而數據庫則是開源型數據庫SQLite[3]。

按照監控系統的功能需求、范疇差異以及復用需求等，可以將監控系統細分成多個不同的組件，如工程的初始化組件、通信組件、系統事件信息的查看組件、界面組件、數據字典組件、子站狀態查詢組件以及歷史數據的服務組件等。在上述組件中，因為界面系統自身具有著較好的交互特性和集成組態，所以可以將其作為一個粒度相對偏大的組件進行設計。界面系統可以借助業務邏輯層的處理，同時按照系統特征需求主動地向服務代理設置或獲取相關的信息數據，被動地接收由服務代理發送的文件信息和數據，完成所提供的信息數據與服務系統間的交互工作[4]。

4.2 數據字典的構建

在設計嵌入型電力控制系統內的監控子系統時，設計數據字典可以給構建和使用數據庫提供所需的框架結構，給讀取其中相關數據信息提供一定的便利。通常，數據字典組件往往以表格形式呈現，并以表格來對子站實時數據和歷史數據等開展相關操作，如顯示歷史和實時數據庫內信息、讀取歷史和實時的信息庫以及完成實時和歷史等數據庫的整合與查詢等。

構建數據字典較為簡便，先借助系統主窗口來打開實時數據的字典頁面，此時窗口便會顯示出由RT Data View所發送的信息，與此同時發出第一次的實時信息數據請求。服務代理組件是實時信息數據請求接收端，此組件將變量與緩存中的具體情況當作調整依據，并且在了解對應需求的前提下對數據做返回處理。時鐘會被當作整體流程的多次觸發點，不需要再進行反復的訂閱就能夠直接從代理組件緩存中獲取，同時將獲取到的信息返回到監控頁面，進而在系統正常運行過程中完成對于實施數據的操作與刷新顯示等工作。

4.3 信息庫的設計和實現

信息庫最為主要的一個功能即儲存經過專業服務器分析和處理的信息數據。在儲存的過程中，通常會先依據相關規則來對它做分類和排序等程序化處理，從而為后續的數據讀取和數據維護等工作打下良好基礎，并以此提升數據信息庫的相應速度和效率。設計嵌入型電力系統中的監控子系統時，需要切實考慮到信息庫在其實際監控和運行控制過程中所具有的提供相關依據的重要作用，為此建議在實時信息庫中應用PI，將oracle應用到歷史信息庫中，從而實現相關數據的科學有序管理。對于上述信息庫而言，具有著靈活多變、功能齊全以及應用編程的接口豐富等諸多特點，可以為嵌入型電力控制系統內的監控子系統大規模的信息數據儲存打下堅實基礎。按照有關的設計經驗可以發現，相較于其他類型的信息庫，SQL Server和MySQL等信息庫較小，但是如果系統監控的信息數據規模相對偏小時，同樣可以進行應用。

文章中所介紹的嵌入型電力控制系統內監控子系統信息庫的設計與實現，考慮了控制信息、輸出與輸入的模擬量以及輸入與輸出的開關量等信息的儲存和處理。在實際設計的過程中，為了最大程度預防由于信息庫產生超負荷存儲而引起加劇系統運行的負荷與壓力，進而降低信息庫的相應速度的現象，因此在原歷史數據中設置了對應的操作刪除程序，一旦數據存儲時間到達預先設定的時間后，系統便對相關數據做自動刪除處理。

4.4 監控信息數據的收集

按照使用的具體要求，往往會在嵌入型電力控制系統監控子系統中布置一些不同類型的傳感器，收集到用戶所需要的監控數據與信息。以當前較為常見的視頻監控來說，監控系統首先需要收集到原始的視頻圖像信息，而本文所介紹的結構框架中，有關功能能夠借助嵌入型ARM處理模塊和USB接口等實現對視頻傳感設備采集到的圖像信息做有效且準確地讀取。另外，將V4L2作為內核驅動，將Linux作為嵌入型電力系統中監控子系統的操作系統能夠為視頻圖像信息收集提供切實有效的接口，并借助該通用接口操作函數，全面采集視頻傳感裝置中的原始圖像。

4.5 測試嵌入型電力控制系統內的監控子系統

將文章所介紹的監控子系統設計方案應用到某一個嵌入型電力控制系統內部的視頻監控子系統中，經過一段時間的實踐后發現，視頻傳輸的像素可以達到320×240。在系統中接收播放的客戶端是電腦端，視頻播放的幀率可以達到30 f/s。另外文章在設計監控子系統時還引進了全新的電力線載波通信技術，該技術可以借助電力線網絡數據等檢測視頻監控子系統視頻通信的速率，將測試的距離設置成5 m、10 m、15 m以及20 m，最終所取得的通信速率呈現出顯著降低的趨勢。收集到數據中的最大數值是175 Mb/s，最小值僅為85 Mb/s。

通過上述實踐可以得出，設計的嵌入型電力控制系統中的監控子系統可以滿足圖像清晰、通信速率較高以及數據信息的傳輸延遲較低等設計要求，可以有效提高多路視頻在同一時間的傳輸效果，提供一個相對可靠且科學的技術保障。

5 結 論

盡管所設計系統的各項功能均得到了良好實現，但由于研究時間較短，因此仍存在較多的缺陷。例如，當前系統所具有的監控功能相對單調，所采用的接口盡管操作便捷，但是相應的操作時間卻極長，而且采集的范圍也相對較窄。但如果使用更為先進的芯片，那么最終所取得的效果必然也將更為出色。另外，該系統還能夠通過外接傳感裝置全方位監控工業現場，以此來實現信息數據的融合并提升檢測的科學性與全面性。