基于嵌入式的UPS电源远程监控系统的研究

2016-03-11康丽杰张晓博

电源技术 2016年4期

关键词：网关以太网串口

康丽杰，李慧，马媛，张晓博

(石家庄信息工程职业学院通信工程系，河北石家庄050035)

基于嵌入式的UPS电源远程监控系统的研究

康丽杰，李慧，马媛，张晓博

(石家庄信息工程职业学院通信工程系，河北石家庄050035)

对不间断电源(UPS)电源系统进行实时监控，根据相应的运行状态对其进行故障预测及诊断是保证UPS系统安全、稳定、可靠运行的重要保证。以嵌入式系统为基础，在Linux平台上实现了基于以太网的远程监控模块，完成了分布式UPS系统的五遥功能。

分布式UPS；以太网；监控系统；嵌入式

电源模块以及作为备用电源的不间断电源(UPS)系统是通信机房、移动通信基站和各种服务器等系统可靠运行的必备设施之一[1]。随着通信事业及互联网的蓬勃发展，相应领域的电源规模不断扩大，这一方面对UPS系统运行的可靠性和稳定性提出了更高的要求；另一方面，UPS的系统组成体系也发生了较大变化，由过去的集中式改为了分布式。这些变化都给UPS的监管带来了更大的困难，急需一种更新、更先进的监控方式完成监控任务。

以现场电源和UPS系统作为节点主体，以适当的通信网络、硬件设施、通信协议作为网络构成，组成分布式远程监控系统，为整个分布式UPS系统提供实时、全面及有效的监控和管理已成为一种必然的趋势[1]。本文以嵌入式系统为基础，在Linux平台上实现了基于以太网的远程监控模块，完成了分布式UPS系统的五遥功能。

1 分布式UPS系统整体结构

UPS的供电方式主要有两种，集中式供电和分布式供电。集中式供电系统的全部负载由一台足够容量的UPS供电，优点是可靠性高，成本较低，节省空间，设备管理也相对简单。而集中式供电的缺点就是设备负担重，一旦UPS出现问题，整个系统容易出现瘫痪，而解决的办法是设置双UPS，互为备份使用。

分布式供电系统利用几台或若干台小功率的UPS为系统供电，每台UPS负责系统的一部分负载。分布式供电的优点是设备配置灵活，系统扩充简单，但UPS台数的增加为系统的管理和维护带来了一定的困难和复杂性，因此需要一套完善的分布式管理系统与之相对应。

2 远程监控系统整体设计

分布式UPS电源监控系统的主要任务是采集UPS模块的参数，利用通信网络将数据实时上传，由监控服务器对数据进行处理、分析，并由终端进行显示。此外，当系统出现异常情况时，由系统自动或工作人员通过终端下达控制命令，以控制系统的运行。

需要采集的数据有：系统运行状态参数(母线电压、UPS输入输出频率、逆变器输出状态等)、并联运行状态、出厂设备参数等信息。利用各种传感器采集这些信息，发送至现场控制器，现场控制器与因特网相连，实现远程监控的目的。具体系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

UPS按所处地理位置形成不同的区域，每个区域按照实际需要可以选择不同的底层通信组网方式。如图1所示，区域1中利用无线传感网构建无线数据传输方式，具体技术可以选择Wifi、蓝牙、ZigBee等方式。相比较而言，Wifi的可靠性和传输速度占优，组网方式灵活，成本相对较高；蓝牙成本不高，传输速度也较快，但节点个数受到限制，对设备情况较复杂的场合不太适应；ZigBee成本低、功耗小、自组织网络形式灵活多样，节点个数多，适应性强，但是传输速度不快，不太适合需要视频或图像监控的场所。区域2中所列出的底层通信方式为CAN总线方式，是一种应用最为广泛的现场总线形式，较之RS-485分布式系统而言，CAN总线形式具有通信实时性、可靠性强的优势。同时，相比于其他几种现场总线，CAN总线形式具有通信速率高、容易实现和性价比高等优点。但是总线形式一般布线都比较繁琐，不能应用在布线困难和设备经常变动的场合。

每个区域以一个单片机为核心，接无线传感网的形式可以安装相应的无线射频芯片，其他总线形式安装相应的控制模块就可。各个区域的单片机以RS-485形式与嵌入式芯片相连，完成采集数据的传输。嵌入式芯片可能选用64位或32位的ARM芯片，其主要作用是完成通信协议的转换，起到网关的作用。嵌入式芯片与服务器相连，将采集的数据传送至服务器的数据库中。服务器以数据库的方式存储实时采集数据，除此之外，设备的出厂参数、历史数据等也存储于服务器。嵌入式ARM芯片上安装相应的网卡，以实现数据的远程传输。

监控系统的远程终端(客户端)可以选择PC机，也可以选择移动终端。这些监控客户端接收来自于服务器所传送的数据。监控客户端用来观察UPS电源运行数据，接收系统报警信息，发出控制命令。这些控制命令发送至网关，转发至各个区域的主控单片机，由单片机的I/O口发出相应的控制命令指挥继电器等电磁开关实现电路的通断。

3 系统硬件设计

系统的硬件设计是功能实现的基础。在本设计中，ARM芯片的选型是关键，本系统所选用的是S3C6410，具体结构如图2所示，ARM网关选用的芯片是S3C6410，是一款低功率、高性价比、高性能的用于通用处理的RSIC处理器。S3C6410包括优化的外部存储器接口，该接口能满足在高端通信服务中的数据带宽要求。外接端口分为两路，一路可接高速FLASH存储器，选用的FLASH存储器是K9F2G08，用于存放网关程序及其它程序；另一路接 SDRAM内存，选用的是HY57V561620，主要用于存放嵌入式操作系统。

图2 嵌入式网关结构图

该网络所采用的是以太网通信方式构建工业以太网监控体系。在S3C6410中接CS8900模块实现相应的通信功能。以太网是现有局域网采用的最常用的通信协议标准。底层所使用的通信协议是与IEEE802.3相类似的Ethernet 802.3协议，之上采用TCP/IP[2]。由于S3C6410的存储空间的局限性，TCP/IP协议需要进行精简，去掉不必要的子协议，以便提高网关的运行效率。

S3C6410与下层单片机之间采用RS-485总线进行相连，一方面有利于完成长距离的信息传输；另一方面RS-485总线的传输速率较高，S3C6410对底层单片机的巡检周期可以大大缩短，只需0.05 s就可完成，有利于在UPS运行出现异常时，立即产生报警信号。服务器与网关之间采用RS-232串口通信进行相连。

4 系统软件设计

在稳定硬件的支持下，网关所要实现的功能是将下层采集网传来的数据发到服务器，同时获取服务器下传的控制命令。网络的实现除必要的硬件设置外，还需要在S3C6410上移植一个合适的操作系统。

目前，运行在嵌入式系统中的操作系统主要有两种：linux和Android系统。因为裸板操作过于复杂，本系统在这两种系统中选用了Android 4.2系统。

底层与网关之间的通信采用串口通信。由于系统使用的是Android 4.2系统，要开发在Android系统上的网关程序，该网关程序需要调用串口驱动等C语言函数，因此在Android的应用层和底层之间需要有一个JNI技术的支持，以便实现网络的功能。

串口功能的实现主要是调用本地的函数接口。在Android工程中，创建了专门的串口操作的类SerialTool，并继承HardwareControler类。在接收串口数据的方式上使用定时器轮询的方式，只是这里添加了判断串口断开的和重连的措施，具体方法为：

因为底层没有设计专门判断串口是否断开的函数，所以本方法的实现是判断连续五次没有收到数据就说明串口已经断开，然后利用定时器进行重连。

利用以上方法，可以方便地实现嵌入式网关的相应功能，具有通信稳定、可靠性强的特点。

5 结论

本系统经实地利用30台分布式UPS进行测试，每10台一组，第一组无线传感网采用ZigBee，第二、三组采用CAN形式与嵌入式芯片相连。测试结果表明，系统运行安全性高，数据传输速度快，控制方式灵活，可以有效地提高监控效率。

[1]张慧熙，孙亚萍.实时远程电源和UPS监控网络节点机硬件设计与实现[J].计算机测量与控制，2010(1)：142-144.

[2]孔兴.基于以太网的低压配电监控系统设计方法研究[D].大连：大连理工大学，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

1002-087 X(2016)04-0876-02