文獻標識碼： B
電力監(jiān)控系統(tǒng)又稱電力SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)或遠動系統(tǒng)，是在對供電系統(tǒng)設備的遠程狀態(tài)監(jiān)視、數據采集和遠程控制的需求基礎上發(fā)展起來的。用于實現對沿線各變電所內主要電氣設備的遙控、遙信、遙測、遙調和遙視等功能。它對提高電網運行的可靠性、安全性與經濟效益，減輕調度員的負擔，實現電力調度自動化與現代化，提高調度的效率和水平等方面有著不可替代的作用。電力系統(tǒng)的特點是站點比較分散，而站點的正常運行又十分重要，一旦站點出現任何異常情況，監(jiān)控系統(tǒng)需要把實時數據（溫度、風力、震動、電壓等）傳送到調度員手中，以便及時采取應對措施。傳統(tǒng)的人工監(jiān)控現場不僅浪費大量的人力物力，而且效率十分低下[1]。ARM微處理器是一種高性能、低功耗的32位微處理器，廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)。ARM9代表了ARM公司主流的處理器,在數字消費品、成像設備、工業(yè)控制、存儲設備和網絡設備等方面應用廣泛。本文設計了一種新型的嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)以Linux操作系統(tǒng)和ARM9硬件平臺為核心實現了現場的實時監(jiān)控，并通過GPRS模塊及時地把數據傳送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對數據進行儲存處理。同時，監(jiān)控中心一旦接收到新的數據，馬上以短消息形式發(fā)送到手機（MT）上，而手機也可以向監(jiān)控中心發(fā)送查詢請求，監(jiān)控中心通過認證其權限大小向其發(fā)送數據。
1 系統(tǒng)組成及原理
1.1 數據采集端
如圖1所示，整個系統(tǒng)由現場監(jiān)控終端、GSM網絡、數據交換中心，監(jiān)控中心、移動接收終端五部分組成。
一般情況下，由本地監(jiān)測系統(tǒng)采用SM業(yè)務發(fā)送變電所的工況數據。當變電所出現故障時，變電所本地監(jiān)測系統(tǒng)主動呼叫遠程監(jiān)測計算機并建立數據連接，發(fā)送報警信息;根據實際生產中的需要，生產管理人員可以決定何時建立GSM數據電路連接，進行實時監(jiān)測。
本系統(tǒng)的發(fā)送端如圖2所示。其中，控制單元的芯片選用S3C2410嵌入式處理器，該處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核、采用0.18 μm制造工藝的32位微控制器。該處理器基本特性:獨立的16 KB指令Cache和16 KB數據Cache、MMU、支持TFT的LCD控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer、I/O口、RTC、8路10位ADC、Touch Screen接口、I2C-BUS 接口、I2S-BUS接口、2個USB主機、1個USB設備、SD主機、MMC接口及2路SPI。S3C2410處理器最高可運行在203 MHz頻率下。
GPRS模塊采用SIMCOM公司出品的工業(yè)級模塊SIM300C，該模塊支持GPRS與內嵌TCP協(xié)議。它是一個完整的手機模塊,屬于移動設備端,負責與GSM、GPRS 網絡進行信令交換。通過串口可以實現對它的控制并進行數據傳輸,包括短信息和GPRS等。該模塊需要一張開通GPRS 業(yè)務的SIM卡與其配套使用。
1.2 服務器端
鑒于電力系統(tǒng)的特殊性,其監(jiān)控中心不允許直接接入Internet，所以需要一個數據交換中心來進行數據處理轉發(fā)。信息采集點的控制器定時或根據監(jiān)控中心的指令把數據由GSM/GPRS模塊經過GSM網絡傳送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對數據進行儲存處理。
1.3 數據發(fā)布端
監(jiān)控中心一旦接收到新的數據，馬上通過短消息形式發(fā)送到值班人員手機（MT）上。而值班人員也可通過手機向監(jiān)控中心發(fā)出查詢請求，監(jiān)控中心通過認證其權限大小向其發(fā)送數據。如圖3所示。
2 操作系統(tǒng)定制
設計中嵌入式操作系統(tǒng)選用Linux。Linux是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)，它充分利用了X86 CPU的任務切換機制，實現了真正多任務、多用戶環(huán)境，允許多個用戶同時執(zhí)行不同的程序，并且可以給緊急任務以較高的優(yōu)先級，特別適用于嵌入式系統(tǒng)。應用程序開發(fā)工具則采用ADS1.2(ARM Developer Suite)[2]。
2.1構建交叉編譯環(huán)境
由于嵌入式硬件上無法安裝所需要的編譯器，所以只能借助于PC機,而PC機和嵌入式硬件基于兩種不同的處理器類型，因此需要在PC機上生成能夠在ARM上運行的軟件，這就要求構建交叉編譯環(huán)境。本設計選用開源Crosstool來構建交叉編譯工具鏈[2]。
2.2 移植Bootloader
Bootloader類似于PC機上的Bios，是系統(tǒng)啟動時運行的第一個程序，主要作用就是在操作系統(tǒng)內核運行之前，初始化硬件設備，屏蔽中斷，設置啟動參數等，為操作系統(tǒng)創(chuàng)造一個良好的環(huán)境，然后加載操作系統(tǒng)。本設計同樣使用開源項目U-boot。
2.3 內核移植
盡管最新的Linux內核已經增加了對S3C2410 CPU的支持，但是仍然需要根據實際需要對內核做一些修改，并且重新配置、編譯生成新的內核映像。
2.4 定制根文件系統(tǒng)
根文件系統(tǒng)是指Linux系統(tǒng)啟動時所使用的第一個文件系統(tǒng)，在啟動內核時需要掛載根文件系統(tǒng)來支持外部設備，以及裝載和運行內核模塊與應用程序。通常，定制根文件系統(tǒng)需要以下步驟:創(chuàng)建空的目錄樹、移植BusyBox、選擇必要的動態(tài)共享庫、初始化腳本等。
3 軟件設計
3.1 信息采集點與監(jiān)控中心的通信
GPRS模塊的控制通過AT指令完成，而模塊與監(jiān)控中心的通信則由WinSock完成。當信息采集點傳送數據時，GPRS模塊會根據預先設定在其內部的IP地址來主動訪問監(jiān)控中心服務器，通過防火墻和監(jiān)控中心建立TCP/IP鏈路[3]。同時，監(jiān)控中心維護接入的每個信息采集點的IP地址和序號,并且根據需要定時向某個信息采集點發(fā)出數據請求,信息采集點接收到請求后作出響應，完成通信過程[4]。具體協(xié)議棧如表1所示。
3.2 監(jiān)控中心軟件結構
監(jiān)控中心軟件結構共分為3層：操作系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件層、系統(tǒng)軟件支持層和基礎應用層。
(1) 操作系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件層
操作系統(tǒng)為使用者屏蔽了底層硬件的具體細節(jié)，程序員可以利用底層硬件提供的函數開發(fā)包來為上層軟件服務。
(2) 系統(tǒng)支持軟件層
系統(tǒng)支持軟件層包括數據庫系統(tǒng)、電力系統(tǒng)模型、數據采集和傳輸等,其主要功能是實現數據存儲和轉發(fā)，并為上層軟件服務。
(3) 基礎應用層
基礎應用層的主要功能是將采集到的數據進行處理、對調度人員進行管理并通過GUI界面顯示出來[5]。
監(jiān)控中心如圖4所示。
3.3 管理中心與調度員的通信
在數據發(fā)布端，無線模塊通過RS232與上位機進行通信，采用串口異步通信，波特率為9 600 Kb/s。串口程序使用的是MOXA公司的Pcomm串口通信庫，Pcomm提供了簡單方便的串口操作函數，常用的函數有：
int WINAPI sio_ioctl(int port, int baud, int mode);
//設置串口參數，包括波特率、數據位、停止位等
int WINAPI sio_read(int port, char *buf, int len);
//從輸入緩沖區(qū)讀指定個數的字符
int WINAPI sio_write(int port, char *buf, int len);
//寫指定個數的字符到輸出緩沖區(qū)
int WINAPI sio_cnt_irq(int port, VOID (CALLBACK *func)(int port), int count);
//中斷函數，當接收到指定個數字符時響應事件
本系統(tǒng)基于S3C2410平臺和Linux操作系統(tǒng)，通過SIM300C經GPRS網絡與遠程監(jiān)控中心進行信息交互，傳輸距離遠、可靠性高、實時性強，并且價格低廉，具有很高的實用價值。
參考文獻
[1] 汪明虎，歐文盛. ARM嵌入式Linux應用開發(fā)入門(第1版)[M].北京：中國電力出版社,2008.
[2] 全茜，鄭雪峰.基于GPRS的電力線路監(jiān)控系統(tǒng)[J].計算機工程與設計, 2005，26（11）：3053-3055.
[3] 文志成.GPRS網絡技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.
[4] ANDREW S T. 計算機網絡(第4版)[M].北京：清華大學出版社, 2004.
[5] BLANCHETTE J, SUMMERFIELD M著. C++ GUI Qt4 編程(第2版).閆鋒欣,譯.北京：電子工業(yè)出版社.2008.