基于VPN的通信電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

唐良運(yùn)，蕭展輝

（南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtal Priate Nework，VPN）是一種虛擬的網(wǎng)絡(luò)線路，可以通過加密代碼或轉(zhuǎn)換訪問IP地址的形式連接通信網(wǎng)絡(luò)，具有加密公共區(qū)域的功能。此外，VPN以協(xié)議為主要分類方式，可以通過電腦、手機(jī)等智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)，具有低成本、高回報的特點(diǎn)。VPN中任意兩個節(jié)點(diǎn)沒有傳統(tǒng)兩端物理鏈的限制，而是基于公共網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)平臺完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。通過VPN技術(shù)不僅可以共享網(wǎng)絡(luò)，還可以加密內(nèi)容，同時需要身份驗(yàn)證來保證操作的安全性[1]。

1 硬件設(shè)計

1.1 整流器

整流器是可以開啟或關(guān)閉遠(yuǎn)程監(jiān)控電流的機(jī)器，保證通信電源的電流在安全范圍之內(nèi)。若超出或低于安全電流，整流器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控的功能[2]。當(dāng)出現(xiàn)通信問題時，整流器也會根據(jù)當(dāng)前狀況迅速作出反應(yīng)，最大可能降低故障程度[3]。監(jiān)測人員在崗的情況下必須手動關(guān)機(jī)，監(jiān)測人員不在時需要切斷通信主電源，自動關(guān)機(jī)，連接通信電源后再自動開機(jī)。在所有監(jiān)控裝置均處于啟動狀態(tài)時，開機(jī)電流是關(guān)機(jī)電流的4.5倍，容易導(dǎo)致自動關(guān)機(jī)，而整流器會對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測到系統(tǒng)處于開機(jī)狀態(tài)時，忽略自動關(guān)機(jī)提示。

1.2 CIP-51微控制器

在微控制器設(shè)計方面，采用831系列單片機(jī)。與標(biāo)準(zhǔn)852系列單片機(jī)不同的是，831系列微控制器的外圍元件提高了速度，并采用流水線模式執(zhí)行命令[4]。在標(biāo)準(zhǔn)852系列單片機(jī)的編程語言中，需要10個或20個時鐘周期，周期時間較長、執(zhí)行命令能力和控制能力較弱。而CIP-51微控制器采用831系列單片機(jī)的編程語言后，時鐘周期縮短為4個或6個，速度得到了提升。在CIP-51微控制器內(nèi)部擁有222條指令，控制處理速度最快可以達(dá)到50 MIPS。通過進(jìn)一步改進(jìn)CIP-51微控制器，提高了CIP-51微控制器的整體性能，添加了遠(yuǎn)程監(jiān)控處理性能，減少了MCU的干預(yù)，起到了提高遠(yuǎn)程監(jiān)控效率的作用。

2 軟件設(shè)計

2.1 建立遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備采集模塊

監(jiān)控設(shè)備采集模塊可以分為3種，即傳統(tǒng)的單一設(shè)備采集模塊FLSU、專用的智能轉(zhuǎn)換器UPC以及根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控特性建立的采集模塊BCMS。一般采集模塊是通過傳統(tǒng)的單一設(shè)備采集監(jiān)控信息，利用智能轉(zhuǎn)換器接連少量設(shè)備，采集速度慢、監(jiān)控信息傳輸慢。而本文設(shè)計的采集模塊可以通過UPC轉(zhuǎn)換到BCMS中，期間可以接連多個設(shè)備，并對各個設(shè)備逐一監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備信息的采集[5]。在采集期間，使用較為簡易的UPS供電方式，解決設(shè)備關(guān)機(jī)而不能繼續(xù)采集的難題。遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)不使用微機(jī)站，而是利用通信基站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[6]。

2.2 設(shè)置通信電源遠(yuǎn)程監(jiān)控指標(biāo)

在設(shè)置遠(yuǎn)程監(jiān)控指標(biāo)時，利用轉(zhuǎn)換代碼對監(jiān)控精度、通信電源電壓以及響應(yīng)時間等指標(biāo)進(jìn)行加密、轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的遠(yuǎn)程控制[7-9]。本文設(shè)計的系統(tǒng)可以利用VPN的加密代碼，轉(zhuǎn)換IP地址，將響應(yīng)時間降低至1～2 s。時鐘監(jiān)控指標(biāo)是指，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與全網(wǎng)時鐘保持同步，由于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)會接入GPS時鐘同步網(wǎng)絡(luò)，因此遠(yuǎn)程監(jiān)控誤差會在0.1～1 ms。圖像監(jiān)控指標(biāo)是指通信電源采用VPN傳輸實(shí)時視頻，其中傳輸圖像指標(biāo)為1 920 K，圖像傳輸速率指標(biāo)可達(dá)30 幀/s。當(dāng)圖像和監(jiān)控數(shù)據(jù)的E1線路傳輸帶寬為128K 6s時，38.4K用于傳輸功率監(jiān)控，76.8K用于傳輸圖像監(jiān)控，圖像傳輸速率可以達(dá)到1幀/3 s。按照遠(yuǎn)程監(jiān)控的先后順序和級別，依次顯示監(jiān)控指標(biāo)，沒有遺漏，超出監(jiān)控指標(biāo)，即為故障，起到及時處理問題的作用。

2.3 基于VPN設(shè)計遠(yuǎn)程監(jiān)控組網(wǎng)

基于VPN設(shè)計3種組網(wǎng)模式。

第一種，連接VPN形成通信虛擬與電話通信的點(diǎn)對點(diǎn)連接。利用現(xiàn)有的監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)，連接網(wǎng)絡(luò)解調(diào)器，通過監(jiān)控畫面與VPN建立連接，實(shí)時電話通信，是風(fēng)險較低的組網(wǎng)模式。

第二種，通過VPN進(jìn)入虛擬網(wǎng)絡(luò)中。這種組網(wǎng)模式利用現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)，在通信電源中央與遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備上各安裝一個網(wǎng)絡(luò)解調(diào)器，并將通信電源與遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備接入Internet，通過Internet建立與VPN的聯(lián)系。由于VPN是虛擬網(wǎng)絡(luò)，是對通信過程進(jìn)行加密處理或?qū)νㄐ盼募M(jìn)行壓縮處理的網(wǎng)絡(luò)模式，同時擁有防火墻與監(jiān)管設(shè)備，防止網(wǎng)絡(luò)病毒或有害信息破壞本文設(shè)計的系統(tǒng)性能，因此通信安全性更高，成本也在可接受范圍內(nèi)[10]。

第三種，通過GPS定位實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的組網(wǎng)模式。利用無線通信網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，在無線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控設(shè)備中安裝GPS定位軟件，通過GPS了解雙方的位置，通過網(wǎng)絡(luò)通信的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。這種組網(wǎng)模式實(shí)現(xiàn)程度較低，需要在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的條件下進(jìn)行，傳輸效率低、監(jiān)控效果差。3種組網(wǎng)模式的比較如表1所示。

如表1所示，3種組網(wǎng)模式中，第一種與第三種組網(wǎng)模式安全性能偏低，成本也較高，應(yīng)用條件比較苛刻，遠(yuǎn)程監(jiān)控速度也比較慢。由于通信地點(diǎn)不同，無線網(wǎng)絡(luò)不一定會覆蓋，電話也可能出現(xiàn)信號差的可能。第一、第三種組網(wǎng)模式可靠性差，不適用于本文設(shè)計的新系統(tǒng)。而第二種組網(wǎng)模式安全性能高，同時擁有防火墻與監(jiān)管設(shè)備，防止網(wǎng)絡(luò)病毒或有害信息損害系統(tǒng)性能，且成本較低，適用于任何應(yīng)用條件，是比較適用于本系統(tǒng)的組網(wǎng)模式。

表1 3種組網(wǎng)模式的比較

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試是系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵流程，通過測試本文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)在多個監(jiān)控頁面的運(yùn)行情況，驗(yàn)證系統(tǒng)的性能是否良好。

3.1 測試過程

檢測通信電源是否短路，同時保證整流器與CIP-51微控制器可以正常工作。調(diào)試監(jiān)控指標(biāo)，連接通信電源網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)入監(jiān)控頁面。

3.2 測試結(jié)果

進(jìn)入網(wǎng)頁后，可以通過刷新頁面得到實(shí)時數(shù)據(jù)顯示，具體頁面信息如圖1所示。

圖1 通信電源遠(yuǎn)程監(jiān)控頁面

根據(jù)圖1可知，本文設(shè)計的系統(tǒng)可以在電腦上獲取監(jiān)控頁面，可以清晰地監(jiān)測電源電壓、溫度等情況。此系統(tǒng)也可以通過智能手機(jī)監(jiān)測，與電腦得出的監(jiān)控結(jié)果相同，由此可知本文設(shè)計的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以在電腦、手機(jī)、終端等頁面，實(shí)現(xiàn)多平臺的遠(yuǎn)程監(jiān)控模式，并且可以實(shí)時更新監(jiān)控數(shù)據(jù)，設(shè)備溫度等功能，測試效果良好

4 結(jié) 論

本文設(shè)計的通信電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的限制，通過整流器與CIP-51微控制器等硬件的設(shè)計，得到了更加精準(zhǔn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備。同時，建立采集模塊，可以完善遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的信息。基于VPN設(shè)計的通信電源遠(yuǎn)程監(jiān)控組網(wǎng)，在傳統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上優(yōu)化安全性能。同時對新系統(tǒng)進(jìn)行測試，通過電腦、手機(jī)、終端等頁面均能得到監(jiān)控信息，且內(nèi)置的刷新功能可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時刷新監(jiān)控，更加多樣化的遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了遠(yuǎn)程監(jiān)控效率，降低了新系統(tǒng)的開發(fā)難度，使系統(tǒng)資源得到最大化的利用。