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基于Web服务器的电网监控系统的设计

作者:时间:2016-10-08来源:网络收藏

摘要:基于三星公司的11芯片S3c6410和可剪裁可移植的Linux操作系统,搭配51单片机构建嵌入式,实现对电网的监控。该系统可实现多路电网欠压、过压状态的判定,并实时地采集环境画面和温度,采用TCP/IP通信协议连接到远程计算机上,实现了在远程计算机利用Web页面的方式动态显示电网状态、温度和环境画面等信息的功能。
关键词:

随着计算机技术的飞速发展,已经成为计算机技术领域的一个非常重要的组成部分,普遍应用于商业和办公领域的以太网也逐渐进入了控制方面;在工业控制领域,智能设备、仪器仪表和传感器方面均有向嵌入式网络化设备过渡的趋势,所以以太网与监控的结合已经成为一种必然。只要在嵌入式设备中配上网络通讯接口协议,得到TCP/IP协议的支持接入Internet网络,便可实现数据的监测以及共享。而随着经济的迅速发展,用电量剧增,使得对电网的监控提出了更高的要求。
设计了一种电网的远程监控系统,该系统结合51单片机以及嵌入式传感器进行数据采集与处理,组建成一个小型的直接将各项数据(包括三相电状态、温度、外界实时画面等),通过Internet提供给客户机,实现对电网的实时监测与故障诊断功能。该系统配置灵活方便,又很好的实现了资源的共享,具有极为广泛的应用前景。

1 嵌入式技术在系统中的应用
基于—Web技术的系统的作用主要是监测各路电网的状态(正常、过压、欠压)以及环境的温度,连同实时画面上传到Inter net网络,用户在获得登陆权限后,就可以远程观测配电柜的各项参数,电网监控系统总体结构框图如图1(注:U1a,U1b,U1c分别为电网U1的a,b,c三相电压,电网U2同U1类似)。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201610/305973.htm

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由于各电网的三相电电气特性相似,所以本文只针对其中的一相电展开。
电网的各相电经过电压转换电路、采样调理电路后,得到各相电的状态信息量,51单片机通过对各状态信息量的接收与逻辑判断过程后,将最终的电网状态连同环境温度信息通过485总线一并传给上位机S3c6410,上述电路构成一个节点,通过给上位机搭配另外的节点后,可实现对电网节点网络的监测。上位机S3c6410搭载USB摄像头,可实现对上位机附近外界环境实时画面的捕捉,搭载温度传感器后,实现对上位机环境温度的监测,通过DM9000A芯片和Web服务器实现对以太网的接入,最终远程用户通过浏览器实现对各电网状态及环境各参数的监测。

2 硬件电路设计
2.1 电压转换电路及采样调理电路
设计中省略了大部分电路采用到的A/D采样部分,原因是对于50 Hz频率交流电压电流进行采样,需要较高采样频率(几兆到十几兆赫兹),通过对此查阅相关资料后得出,DSP以高速的数据能力显得很是优越,但是DSP芯片及其外围电路的成本相比单片机要高很多,综合考虑后,省略了A/D转换部分。之所以不采用将调理过的信号直接接入到ARM芯片上,是为了尽量多的节省ARM芯片上资源。对于三相电网的每一相状态都需要51单片机对应的2个I/O完成,总工需要6个I/O,如果配电柜内存在多个三相电网需要检测,经调理后直接接入ARM芯片,将会占去很多额外的资源,而且不利于长距离的数据传输。

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如图2,电网的220VAC电压由R1、R2两端输入,经变压器和分压电阻后,通过调节可变电阻R4,可以最大限度的减小电阻误差或者变压器漏磁等情况带来的偏差,最终在a1端输出10 VAC左右的电压,采样电路接收电压转换电路输出的10V交流电,经两级滤波后,交流电的幅度将变得很平滑,近似直流电,再经分压过程,输入到运算比较器的负极,通过设定电路中各分压电阻以及基准电压的值,当出现过压或者欠压情况时,原酸比较器的输出端将由高电平转为低电平。

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通过实验,将过压基准设为4.70±0.01 V,欠压基准设为2.40±0.01 V。
2.2 温度和视频采样电路
温度采集传感器采用PT100,铂热电阻,阻值随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100 Ω,在100℃时它的阻值约为138.5 Ω。其RT曲线图如图4,当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100 Ω,它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但他们之间的关系并不是简单的正比的关系,而更应该趋近于一条抛物线。常见的PT100感温元件有陶瓷元件,玻璃元件,云母元件,它们由铂丝分别绕在陶瓷骨架,玻璃骨架,云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成。通过对PT100两端电压的采集,经AD0809转换芯片后,接入51单片机,最终实现对节点环境温度的采集。工作原理如图5,具体电路原理不再具体介绍。

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视频采集方面利用zc301型摄像头接入S3c6410的USB接口,采用开源代码mipeg-streamer完成,主要实现对上位机S3c6410外界环境画面的实时采集功能。
2.3 51单片机电路
电网的采样监测功能由采样调理电路和51单片机搭配实现,通过模拟电路的调理过程,得到51单片机I/O口可以识别的高低电平(高电平大约为+5V,低电平大约为0V),51单片机通过识别输入电平,判定电网每一相电的工作状态。为了提高精确度,电网的每一相电的状态判定对应51单片机的2个I/O口,一个I/O口用来判定该相是否过压,另一个I/O口用来判定该相是否欠压,通过组合逻辑判断,实现对该路电网正常,欠压和过压三态的判定。51单片机综合逻辑关系如表1所示。

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2.4 外围通信接口电路
外围通信接口电路的设计主要由485总线接口电路,USB接口电路和以太网接口电路3部分组成。
1)485总线是典型的串行通讯标准,1.RS-485的电气特性:逻辑“1”以两线间的电压差为+(2~6)V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V表示。RS-485的数据最高传输速率为10 Mbps。RS485接口组成的半双工网络一般只需二根连线,所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干扰能力增强,即抗噪声干扰性好。最大传输距离标准值为4 000英尺(约1 219 m),实际上可达3 000米,另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器,即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性,长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。
2)USB接口分为主/从2种模式,USB主模式可连接U盘、打印机等USB接口设备,USB从模式接口可实现系统和上位机的通信,本文主要利用USB接口实现由摄像头到ARM芯片的通信。
3)以太网接口实现检测结果并通过网络发送给其他设备,DM9000A是集成和高效的10/100MHz自适应网卡芯片。DM9000A与ARM芯片连接,可以通过数据、地址和控制三总线进行连接并实现数据的转换。在对DM9000A读写之前,ARM芯片需要通过控制总线和地址总线提供DM9000A正确的读写时序,实现正确寻址。分别设置片选,工作模式后,才能完成数据的准确交换。

3 系统的软件设计
软件系统如图6所示,主要包括软件开发环境的构建、设备驱动和应用开发环境的开发。为使设备能够正常工作,SD卡,矩阵键盘,USB设备,LCD屏,网口,485总线等驱动程序均以模块的方式加载到内核中。应用程序主要分为:外围的通信接口程序,键盘和LCD屏的控制程序等。

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本电网监控系统的工作流程是首先对电网各相电的参数进行采集,然后将信号量传给51单片机,经单片机对信号量的处理后得出状态结果,再通过485总线将其传输给ARM芯片,将结果存储在EEPROM中,并可将有关参数和分析结果嵌入到存储在EEPROM中的事先定制好的网页中,同时采集环境的温度和实时画面并上传,供客户机通过Internet网络访问,通信主程序流程如图7所示。

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Linux下嵌入式Web服务器主要有3个:httpd、thttpd和Boa。http和Boa都支持认证、CGI等,功能比较全。本系统以Boa搭配Cgic作为服务器。Boa是一个单任务的hupd服务器,源码开发、系能高。随着internet技术的不断发展,在嵌入式设备的管理与交互中,B/S(即Brows er/Server浏览器/服务器机构)结构成为目前的主流。通过对Boa和Cgic源代码的操作,最后得到可执行文件Boa和CGIC库libcgic.a。
通过调试辅助程序capture和测试程序cgictest.cgi,可以验证生成CGIC库的正确性。将capture和cgictest.cgi复制到开发板的CGI程序目录下,用浏览器访问这个Cgi文件,可以看到页面,表示CGIC库和测试脚本都移植成功。为了能够在ARM上运行Web服务器Boa,需要完成对其运行环境、参数等进行设置,并将最终的配置文件Boa.conf置于工作目录下。

4 结束语
基于Web服务器的电网监控系统利用51单片机及采样调理电路实现对各电网状态的判定,通过485总线将结果传输给S3c6410芯片,同时采集环境温度及实时画面,S3c6410结合DM9000A芯片实现了TCP/IP协议栈,相比8位的MCU,大大的缩减了工作量,并提高了系统的可靠性。基于Web服务器的电网监控系统具有良好的联网和信息共享的功能,也具有测量精度高,硬件电路简单,操作简单的特点,因此本系统具有广泛的发展空间。



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