一種以嵌入式Internet技術為基礎的電網遠程監(jiān)測系統(tǒng)淺析

引言

社會的不斷進步和科學技術的飛速發(fā)展，為電力系統(tǒng)的發(fā)展和進步提供了廣闊的空間和新的技術手段，對于電網的監(jiān)測也提出了新的挑戰(zhàn)。以往的電網監(jiān)測裝置普遍是基于單片機開發(fā)的，在特定時間或地點進行電網的監(jiān)測操作，精度較低，實時性不高。隨著電網不斷擴大，原本的監(jiān)測裝置己很難滿足實際需要。

本系統(tǒng)基于近年來新興的嵌入式Internet技術將嵌入式系統(tǒng)與Internet結合，把PHILIPS公司生產的ARM7微處理器作為系統(tǒng)實現的核心器件，同時利用以太網接口芯片構建一個嵌入式網絡系統(tǒng)并將其運用到電網遠程監(jiān)測中。整個設計符合電網遠程監(jiān)測的要求，并克服了傳統(tǒng)模式的監(jiān)測方式，以其優(yōu)異的性能應用于電網遠程監(jiān)測系統(tǒng)中。

1. 系統(tǒng)總體設計

基于嵌入式Internet技術的電網遠程監(jiān)測系統(tǒng)是電網監(jiān)測研究領域的一個嶄新的方向。目前為了將嵌入式系統(tǒng)與Internet結合常用的嵌入式Internet技術實現方案主要有以下幾種：［1］

第一種方案是單片機應用系統(tǒng)內部支持TCP／IP協(xié)議，它實質上由MCU及內部固化TCP／IP協(xié)議的芯片組成應用系統(tǒng)的核心。此方案中，由于單片機使用了TCP／IP協(xié)議芯片，因此［1］需要大容量的程序存儲器，而且要求MCU有較高的運行速度。應用系統(tǒng)的設計工程師還必須熟悉TCP／IP協(xié)議和相關的接口，軟件設計復雜，工作量大。

第二種方案是采用嵌入式微控制器結合通用的網絡接口芯片的方法，解決以微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)接入Internet的問題。

本系統(tǒng)將第二種方案應用于電網遠程監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與實現，把監(jiān)測裝置作為以太網中的一個獨立的節(jié)點，使其擁有自己的IP地址，而任何授權的工作站都可以通過Internet實時瀏覽在線信息。整個電網遠程監(jiān)測系統(tǒng)的結構如圖1，其中用戶層是遠程監(jiān)測主機，負責實時監(jiān)測電網運行參數確保電網運行安全。應用層為采用嵌入式Internet技術設計開發(fā)的電網遠程監(jiān)測系統(tǒng)，每個監(jiān)測設備分配一個獨立的IP，方便用戶層進行數據監(jiān)測。數據層則為分布在各地的待監(jiān)測的電網，提供電網運行參數。

2. 系統(tǒng)的硬件平臺

硬件平臺是實現嵌入式Internet接入的基礎，本文提出的電網遠程監(jiān)測系統(tǒng)的硬件平臺采用ARM7代替了傳統(tǒng)的CPU，同時在外圍接入電流電壓監(jiān)測模塊、功率因數監(jiān)測模塊、鍵盤輸入模塊、以及網絡通信模塊，整個系統(tǒng)的硬件平臺結構圖如圖2。其中微處理器部分采用基于ARM7TDMI內核的LPC2290，它擁有16 kB 片內靜態(tài)RAM，32 位定時器、8 路10 位ADC，并且擁有多個串行接口，包括2個UART、高速I2C 接口和2個SPI接口，通過配置總線，LPC2290 最多可提供76個GPIO。由于LPC2290內置了寬范圍的串行通信接口，因此在通信網關、協(xié)議轉換器，遠程監(jiān)測以及其它各種類型的應用中非常適合。

網絡通信模塊是實現嵌入式系統(tǒng)與Internet互聯的關鍵，本系統(tǒng)采用的是通用的以太網控制芯片DM9000E，它是MAC、PHY、MMU三合一的網絡芯片，精度高、速度快，具有10M/100M自適應、16KB大容量FIFO、4路多功能GPIO、掉電特性、全雙工工作等功能。由于它擁有3種等級的掉電模式，所以是作為網絡設備的理想選擇，在全雙工模式下，如果連接到一個同樣是全雙工的交換機或集線器，則可以實現同時接收和發(fā)送。通過該芯片可實現嵌入式系統(tǒng)與Internet的互聯。

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇

嵌入式操作系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，它具有實時性強、可靠性高等特點，在嵌入式系統(tǒng)中應用廣泛。商用的嵌入式實時操作系統(tǒng)比如Vxworks、Nucleaus、QNX等價格比較昂貴，一般不適宜廣泛應用。μC Linux是從Linux 2.0/2.4內核派生而來［2］，適用于沒有虛擬內存或內存管理單元（MMU）的處理器，它在標準的Linux基礎上進行了適當的裁剪和優(yōu)化，體積很小，而且保留了Linux的大多數的優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網絡功能，并內嵌了TCP/ IP 協(xié)議。考慮到嵌入式μＣLinux的以上優(yōu)點，本系統(tǒng)選擇采用嵌入式μＣLinux作為嵌入式的實時操作系統(tǒng)。

3.2 Web服務器的實現

在電網遠程監(jiān)測系統(tǒng)中，嵌入式Web服務器技術將有效降低系統(tǒng)運行維護費用，提高系統(tǒng)管理水平 ［3］。本系統(tǒng)將嵌入式Web服務器以及B/S結構模型相結合。其中B/S結構中最底層為數據層，負責從采集電網數據；中間層為信息處理系統(tǒng)，負責將電網中的實時參數寫入掛接在這一層的Web服務器中，然后對數據進行統(tǒng)計、分析等處理，最后將處理過的數據實時的以網頁的形式發(fā)送到第三層客戶端，客戶端可以通過瀏覽器直接監(jiān)測電網運行參數，實現了電網遠程監(jiān)測系統(tǒng)。

嵌入式Web服務器（Embedded Web Server，簡稱EWS）是實現電網遠程監(jiān)測的重要組成部分和關鍵技術，利用嵌入式Web服務器可對電網進行監(jiān)測和實時參數的傳輸［4］。嵌入式web服務器通過CGI接口或其他方法，可以在HTML文件或表單中運行代碼，供RAM讀/寫數據。在μＣLinux下，本系統(tǒng)選擇使用一個支持CGI的、非常適合于嵌入式系統(tǒng)的Boa Web Server。在Boa Web Server使用時需要對與Boa相關的文件做一些配置和修改：

1） 建立存放目錄

由于μClinux默認的根文件系統(tǒng)romfs是只讀的，不能用mkdir等命令來新建目錄，故應在編譯內核前先建好要用到的目錄，這通過修改。。/μClinux-dist/vendors/Philips/LPC2200/Makefile文件來實現。在ROMFS_DIRS=bin dev etc home lib mnt proc usr var的后邊增加home/cgi-bin，這樣修改后編譯內核，編譯好的根文件系統(tǒng)romfs中就包含這些目錄了。

2） 指定Web服務器的根目錄路徑。

進入。。/μClinux-dist/user/boa/src/目錄，通過修改defines.h文件中#define SERVER ROOT “/home/”語句來指定SERVER ROOT。

3） 修改boa.conf文件。修改。。/μClinux-dist/user/boa/examples/boa.conf主要內容如下：

Part 80

User 0

Group 0

ServerName μClinux

DocumentRoot /home/ /*設定存放路徑*/

Directoryindex index.html

MimeType /home/mime.types

ScriptAlias /cgi-bin/ /home/cgi-bin/

AddType text/plain.txt /*可支持的文件類型*/

AddType image/gif.gif

AddType text/html.html

AddType text/html.htm

AddType image/jpeg.jpeg

這樣指定后，index.html為遠程瀏覽客戶訪問Web Server所看到的首頁默認值。把C編寫的CGI程序編譯成二進制文件，存放到。。 /home/cgi-bin/目錄下。Boa.conf和mime.types文件必須放到Web服務器根目錄下，也就是把bao.conf和mime.types復制到“。。/μClinux-dist/romfs/home/”目錄下。然后在。。/μClinux-dist/Vendors/Philip/LPC2200/inittab里修改，在“inet:unknown:/bin/inetd”后加“boa:unknown： /bin/boa /home/”。

配置完成后，重新編譯內核。把編譯好的內核下載到ARM硬件平臺，啟動μClinux操作系統(tǒng)，完成IP配置，運行Boa Web Server，然后就可以通過瀏覽器訪問網頁了。

3.3 用戶與主機間安全交互的實現

為了在μCLinux系統(tǒng)中實現網頁的實時刷新，得到實時電網參數，實現客戶端與電網監(jiān)測系統(tǒng)之間的交互，本系統(tǒng)采用了CGI的方法。當客戶端采用FORM POST形式向Boa服務器發(fā)出CGI請求時，服務器守護進程啟動相應的CGI程序，CGI程序通過CONTENT—LENGTH獲取客戶端傳輸數據的字節(jié)數，通過STDIN讀取客戶端傳輸數據，這些數據一般是客戶端在表單中輸入的簡單的監(jiān)控信息。CGI獲取這些信息后通過串行通信將這些信息發(fā)送到電網監(jiān)測系統(tǒng)中，等待監(jiān)測系統(tǒng)模塊的應答消息，最后生成網頁文件，并且將返回結果嵌入到網頁文件中，通過cgi—send—string函數將此網頁發(fā)送給客戶端瀏覽器。一段時間后客戶端瀏覽器會再次向服務器發(fā)送一個CGI請求，相應的CGI函數會查詢最新的數據，刷新后將新數據發(fā)送給客戶端瀏覽器。這樣周而復始，實現了網頁的刷新功能，從而保證了遠程監(jiān)測數據的實時性，實現客戶端與電網監(jiān)測系統(tǒng)之間的交互。客戶端通過CGI接口與電網監(jiān)測系統(tǒng)之間交互的關系如圖3所示［5］。