摘  要： 針對(duì)箱式變壓器監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采集周圍環(huán)境溫度、濕度、局部放電量以及噪聲的目標(biāo)，將ARM11與溫濕度采集模塊AM2301相結(jié)合，通過對(duì)基于ARM11嵌入式開發(fā)板驅(qū)動(dòng)程序的編寫與加載，實(shí)現(xiàn)溫、濕度的采集。將溫度數(shù)據(jù)作為無線測溫模塊的定標(biāo)數(shù)據(jù)，通過開發(fā)板的串口與無線測溫、局部放電和噪聲采集設(shè)備的通信來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸配電線的溫度、變壓器局部放電量和噪聲的實(shí)時(shí)采集，最后通過網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。
關(guān)鍵詞： 變壓器；AM2301；嵌入式；環(huán)境參數(shù)監(jiān)測；網(wǎng)絡(luò)傳輸

    城市各居民區(qū)的箱式變電站是所轄區(qū)用戶安全用電的基本設(shè)施。隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，對(duì)供電系統(tǒng)的要求也越來越高。對(duì)箱式變電站環(huán)境和設(shè)備的監(jiān)測，是保障變電站設(shè)備安全可靠運(yùn)行的必要手段。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測依靠串行總線來完成上位機(jī)與數(shù)字設(shè)備之間的通信，由上位機(jī)直接對(duì)數(shù)字設(shè)備進(jìn)行控制。但這已經(jīng)越來越顯示出它的局限性：成本較高、不易擴(kuò)展等。嵌入式設(shè)備性能的提高及因特網(wǎng)的飛速發(fā)展，為這些問題提出了新的解決方案，文中設(shè)計(jì)了以嵌入式計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、測控單元和傳輸網(wǎng)絡(luò)為基本構(gòu)成的監(jiān)測系統(tǒng)，為變配電系統(tǒng)建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，用監(jiān)測結(jié)果作為對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控的依據(jù)，在電力監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。
1 嵌入式箱變監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
    根據(jù)箱變監(jiān)測環(huán)境指標(biāo)的要求，該箱變監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本功能：
    (1)穩(wěn)定可靠地采集各個(gè)環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)；
    (2)對(duì)各環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集相對(duì)獨(dú)立，相互之間無干擾；
    (3)與監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸；
    (4)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能夠自動(dòng)重啟，確保系統(tǒng)長期可靠運(yùn)行。
    根據(jù)箱變環(huán)境的監(jiān)測需要，本系統(tǒng)采用體積小、功能強(qiáng)大的嵌入式開發(fā)板作為主要的硬件環(huán)境，與溫濕度檢測模塊、局部放電數(shù)據(jù)采集模塊和噪聲采集模塊相結(jié)合，并通過網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心遠(yuǎn)程通信來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能，硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 開發(fā)板硬件介紹
    本系統(tǒng)選用Friendly ARM研制的Tiny6410開發(fā)板，其中核心板所用處理器是基于ARM11的S3C6410，板載資源有256 MB DDR RAM，2 GB SLC Nand Flash存儲(chǔ)器，底板還提供了LCD觸摸屏、USB接口、SD卡、3個(gè)通用異步串行口、網(wǎng)絡(luò)接口等功能支持。
3 軟件平臺(tái)
    嵌入式操作系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大、多任務(wù)而且性能穩(wěn)定的Linux操作系統(tǒng)，保障了良好的可裁剪和移植性，同時(shí)也便于對(duì)新增設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行移植開發(fā)。內(nèi)核版本是Linux2.6.38，經(jīng)實(shí)際檢測，該系統(tǒng)可在S3C6410硬件平臺(tái)上可靠運(yùn)行。
    對(duì)硬件平臺(tái)上運(yùn)行的程序進(jìn)行編譯，需要在PC上建立交叉編譯環(huán)境，本次設(shè)計(jì)的交叉編譯環(huán)境建立在 Linux Fedora 15 操作系統(tǒng)上，使用arm-linux-gcc-v6作為交叉編譯器。交叉編譯產(chǎn)生的可執(zhí)行文件和驅(qū)動(dòng)程序模塊通過U盤存入嵌入式系統(tǒng)的閃存里。先通過insmod命令加載驅(qū)動(dòng)程序模塊到操作系統(tǒng)內(nèi)核中，再運(yùn)行數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用C語言編程，以多線程和模塊化的設(shè)計(jì)方法，可以使數(shù)據(jù)采集、控制輸出和系統(tǒng)通信同時(shí)進(jìn)行[1]，其主要流程如圖2所示。其中采集輸配電線溫度、噪聲和局部放電主要通過串口與設(shè)備通信來獲得數(shù)據(jù)。讀取環(huán)境溫、濕度則是應(yīng)用程序通過Linux文件系統(tǒng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)AM2301讀取溫濕度測量數(shù)據(jù)，最后將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過加工處理后，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)測中心。

4.1 看門狗設(shè)計(jì)
    看門狗程序模塊直接調(diào)用內(nèi)核中已經(jīng)存在的看門狗驅(qū)動(dòng)程序，在應(yīng)用程序中通過“/dev/watchdog”文件設(shè)備節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行訪問。使用ioctl()來設(shè)定看門狗定時(shí)器的時(shí)間，并及時(shí)進(jìn)行喂狗操作。當(dāng)因采集或傳輸?shù)饶K發(fā)生故障而不能及時(shí)進(jìn)行喂狗操作時(shí)，就會(huì)在達(dá)到設(shè)定時(shí)間后自動(dòng)重啟開發(fā)板，開發(fā)板重啟后自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)程序，達(dá)到長期自動(dòng)運(yùn)行的目的。
4.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)
    網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)時(shí)性需要選擇了基于UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸。本系統(tǒng)采用單播——客戶機(jī)/服務(wù)器模型。為了提高系統(tǒng)的安全性，與監(jiān)控中心商定了加密密文格式，只有當(dāng)收到正確命令后才將采集的數(shù)據(jù)與加密內(nèi)容發(fā)送給監(jiān)控中心，提高了安全性。在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，當(dāng)創(chuàng)建套接字并綁定端口后，會(huì)一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，判斷是否為監(jiān)控端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，若是則發(fā)送采集的數(shù)據(jù)，回到監(jiān)聽狀態(tài)，等下一次命令到來。
4.3 AM2301驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
    AM2301數(shù)字溫濕度傳感器采用簡化的單總線通信協(xié)議，溫度的量程范圍為：-40 ℃~+80 ℃，濕度的量程范圍為：0%~100%RH[2]。3個(gè)引腳的功能如表1所示。本系統(tǒng)將DATA引腳接到S3C6410的GPE3，并通過5.1 kΩ上拉電阻與VDD連接后一起接到+5 V電源，將GND引腳接地即完成線路連接。

    本系統(tǒng)將AM2301作為一個(gè)字符設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在Linux中，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)是以文件的形式進(jìn)行管理，其驅(qū)動(dòng)需要完成打開、讀寫等類似針對(duì)文件的功能操作，而且可以通過在/dev目錄下的文件系統(tǒng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問[3]。字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要由字符設(shè)備加載與卸載函數(shù)和字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)file_operation結(jié)構(gòu)體中的成員函數(shù)組成并通常至少要實(shí)現(xiàn)open、write、read和close系統(tǒng)調(diào)用[4]。
    設(shè)計(jì)移植AM2301驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，根據(jù)其底層具體硬件特性和單總線通信協(xié)議，驅(qū)動(dòng)程序主要由函數(shù)am2301_init(設(shè)備注冊(cè))、am2301_exit(設(shè)備注銷)、file_operation、ReadByte(讀一個(gè)字節(jié))、am2301_read(讀取完整的溫、濕度測量數(shù)據(jù))構(gòu)成。由于內(nèi)核空間與用戶空間的內(nèi)存是不能直接互訪的，應(yīng)用程序可以通過fd=open()打開文件設(shè)備的方式來訪問驅(qū)動(dòng)程序，并通過read(fd，&buffer，size)來讀取采集到的數(shù)據(jù)。驅(qū)動(dòng)采集溫、濕度的流程圖如圖3所示。
    讀取溫、濕度數(shù)據(jù)采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次傳輸數(shù)據(jù)為40 bit。傳感器中讀出的溫、濕度值是實(shí)際溫、濕度值的10倍。具體格式如下：
    40 bit數(shù)據(jù)=16 bit濕度數(shù)據(jù)+16 bit溫度數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)和，例如接收到40 bit數(shù)據(jù)為：
    0000 0010 1000 1101 0000 0001 0010 0001 1011 0001，若前4個(gè)字節(jié)的累加和與最后1個(gè)字節(jié)相等，如：0000 0010+1000 1101+0000 0001+0010 0001=1011 0001(校驗(yàn)位)，則接收數(shù)據(jù)正確。由前32位的數(shù)據(jù)計(jì)算可得：
    濕度：0000 0010 1000 1101=653 =>65.3%RH
    溫度：0000 0001 0010 0001=289 =>28.9℃
    在驅(qū)動(dòng)程序的編寫中，因需要直接訪問開發(fā)板引腳，故需掌握基于S3C6410的GPIO操作。如配置GPIO方向(gpio_direction_output())、讀取GPIO的值(gpio_get_value())、釋放GPIO(gpio_free())等。

    通過AM2301采集環(huán)境的溫濕度，其中溫度數(shù)據(jù)作為無線測溫設(shè)備的定標(biāo)數(shù)據(jù)，通過無線測溫模塊與ARM11的串口通信來采集輸配電線的溫度。
    將驅(qū)動(dòng)模塊和交叉編譯生成的可執(zhí)行文件放在開發(fā)板“/etc/init.d”目錄下的“rcS”腳本文件下運(yùn)行，這樣完成了開發(fā)板啟動(dòng)后自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)程序的功能。配合看門狗技術(shù)的運(yùn)用，使系統(tǒng)在異常情況下能自動(dòng)恢復(fù)，提高了系統(tǒng)的可靠性和自維護(hù)性。
4.4 數(shù)據(jù)通信
    網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽傳送數(shù)據(jù)與采集溫濕度、局部放電、噪聲等模塊在不同線程中獨(dú)立并行運(yùn)行。其中采集輸配電線溫度、局部放電與噪聲通過開發(fā)板的串口通信實(shí)現(xiàn)，根據(jù)采集設(shè)備的通信協(xié)議設(shè)置其串口。在Linux中，串口文件位于“/dev”下，直接通過open()打開串口，設(shè)置串口可通過設(shè)置struct termios結(jié)構(gòu)體的各成員來實(shí)現(xiàn)。
    串口程序設(shè)計(jì)的基本步驟：(1)打開設(shè)備文件open()；(2)獲取當(dāng)前設(shè)備方式tcgetattr()；(3)設(shè)置termios成員c_
lflag、c_oflag、c_cflag等；(4)使用cfsetispeed和cfsetospeed通信設(shè)置波特率；(5)使用tcsetattr設(shè)置設(shè)備工作方式。當(dāng)串口設(shè)置好后，直接通過read()和write()即可與采集設(shè)備通信，通過發(fā)送命令獲得采集數(shù)據(jù)。
4.5 多線程控制
    為了使各模塊之間獨(dú)立運(yùn)行并提高采集的效率和監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)采用多個(gè)線程并行通信的方式來實(shí)現(xiàn)控制。不同的線程間可以直接訪問其他線程的數(shù)據(jù)[6]，簡化了控制的難度，其中采集環(huán)境溫度和濕度ThreadTH()、輸配電線溫度Threadtem()、噪聲Threadnoise()、局部放電threadJF()分別由4個(gè)線程進(jìn)行控制，另外再創(chuàng)建一個(gè)線程Threadcontrl()來控制采集的4個(gè)線程。當(dāng)4個(gè)線程中任何一個(gè)采集模塊出現(xiàn)故障時(shí)，控制線程將結(jié)束該線程并重新創(chuàng)建新的線程來進(jìn)行采集。其線程控制結(jié)構(gòu)圖如圖5所示?？刂品椒椋焊鞑杉K每完成一次采集就獲得一次系統(tǒng)時(shí)間，控制模塊也實(shí)時(shí)獲得系統(tǒng)時(shí)間，將控制模塊中獲得的時(shí)間與采集模塊中的時(shí)間間隔相比較，超過一定設(shè)定值后，則認(rèn)為該采集模塊出現(xiàn)故障，控制線程會(huì)結(jié)束該線程，延時(shí)片刻重新創(chuàng)建新線程進(jìn)行采集。

    本系統(tǒng)選擇采用基于S3C6410為主處理器的開發(fā)平臺(tái)和開源的Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)，并完成交叉工具鏈的生成、驅(qū)動(dòng)程序的加載等。完成了AM2301驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)，將驅(qū)動(dòng)程序移植到嵌入式開發(fā)板中，實(shí)現(xiàn)溫、濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集功能。將采集溫/濕度、局部放電與采集噪聲各模塊相結(jié)合，完成了實(shí)時(shí)采集箱變環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，并通過線程實(shí)時(shí)控制方法和一系列措施確保系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，并具良好的擴(kuò)展性和通用性。
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