基于51單片機及嵌入式傳感器的電網監(jiān)控系統(tǒng)設計淺析

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經成為計算機技術領域的一個非常重要的組成部分，普遍應用于商業(yè)和辦公領域的以太網也逐漸進入了控制方面；在工業(yè)控制領域，智能設備、儀器儀表和傳感器方面均有向嵌入式網絡化設備過渡的趨勢，所以以太網與監(jiān)控的結合已經成為一種必然。只要在嵌入式設備中配上網絡通訊接口協(xié)議，得到TCP／IP協(xié)議的支持接入Internet網絡，便可實現(xiàn)數(shù)據的監(jiān)測以及共享。而隨著經濟的迅速發(fā)展，用電量劇增，使得對電網的監(jiān)控提出了更高的要求。

設計了一種電網的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)結合51單片機以及嵌入式傳感器進行數(shù)據采集與處理，組建成一個小型的Web服務器直接將各項數(shù)據（包括三相電狀態(tài)、溫度、外界實時畫面等），通過Internet提供給客戶機，實現(xiàn)對電網的實時監(jiān)測與故障診斷功能。該系統(tǒng)配置靈活方便，又很好的實現(xiàn)了資源的共享，具有極為廣泛的應用前景。

1 嵌入式技術在電網監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

基于ARM—Web技術的電網監(jiān)控系統(tǒng)的作用主要是監(jiān)測各路電網的狀態(tài)（正常、過壓、欠壓）以及環(huán)境的溫度，連同實時畫面上傳到Inter net網絡，用戶在獲得登陸權限后，就可以遠程觀測配電柜的各項參數(shù)，電網監(jiān)控系統(tǒng)總體結構框圖如圖1（注：U1a，U1b，U1c分別為電網U1的a，b，c三相電壓，電網U2同U1類似）。

由于各電網的三相電電氣特性相似，所以本文只針對其中的一相電展開。

電網的各相電經過電壓轉換電路、采樣調理電路后，得到各相電的狀態(tài)信息量，51單片機通過對各狀態(tài)信息量的接收與邏輯判斷過程后，將最終的電網狀態(tài)連同環(huán)境溫度信息通過485總線一并傳給上位機S3c6410，上述電路構成一個節(jié)點，通過給上位機搭配另外的節(jié)點后，可實現(xiàn)對電網節(jié)點網絡的監(jiān)測。上位機S3c6410搭載USB攝像頭，可實現(xiàn)對上位機附近外界環(huán)境實時畫面的捕捉，搭載溫度傳感器后，實現(xiàn)對上位機環(huán)境溫度的監(jiān)測，通過DM9000A芯片和Web服務器實現(xiàn)對以太網的接入，最終遠程用戶通過瀏覽器實現(xiàn)對各電網狀態(tài)及環(huán)境各參數(shù)的監(jiān)測。

2 硬件電路設計

2．1 電壓轉換電路及采樣調理電路

設計中省略了大部分電路采用到的A／D采樣部分，原因是對于50 Hz頻率交流電壓電流進行采樣，需要較高采樣頻率（幾兆到十幾兆赫茲），通過對此查閱相關資料后得出，DSP以高速的數(shù)據能力顯得很是優(yōu)越，但是DSP芯片及其外圍電路的成本相比單片機要高很多，綜合考慮后，省略了A／D轉換部分。之所以不采用將調理過的信號直接接入到ARM芯片上，是為了盡量多的節(jié)省ARM芯片上資源。對于三相電網的每一相狀態(tài)都需要51單片機對應的2個I／O完成，總工需要6個I／O，如果配電柜內存在多個三相電網需要檢測，經調理后直接接入ARM芯片，將會占去很多額外的資源，而且不利于長距離的數(shù)據傳輸。

如圖2，電網的220VAC電壓由R1、R2兩端輸入，經變壓器和分壓電阻后，通過調節(jié)可變電阻R4，可以最大限度的減小電阻誤差或者變壓器漏磁等情況帶來的偏差，最終在a1端輸出10 VAC左右的電壓，采樣電路接收電壓轉換電路輸出的10V交流電，經兩級濾波后，交流電的幅度將變得很平滑，近似直流電，再經分壓過程，輸入到運算比較器的負極，通過設定電路中各分壓電阻以及基準電壓的值，當出現(xiàn)過壓或者欠壓情況時，原酸比較器的輸出端將由高電平轉為低電平。

通過實驗，將過壓基準設為4．70±0．01 V，欠壓基準設為2．40±0．01 V。

2．2 溫度和視頻采樣電路

溫度采集傳感器采用PT100，鉑熱電阻，阻值隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0℃時阻值為100 Ω，在100℃時它的阻值約為138．5 Ω。其RT曲線圖如圖4，當PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100 Ω，它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速的增長。但他們之間的關系并不是簡單的正比的關系，而更應該趨近于一條拋物線。常見的PT100感溫元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它們由鉑絲分別繞在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再經過復雜的工藝加工而成。通過對PT100兩端電壓的采集，經AD0809轉換芯片后，接入51單片機，最終實現(xiàn)對節(jié)點環(huán)境溫度的采集。工作原理如圖5，具體電路原理不再具體介紹。

視頻采集方面利用zc301型攝像頭接入S3c6410的USB接口，采用開源代碼mipeg-streamer完成，主要實現(xiàn)對上位機S3c6410外界環(huán)境畫面的實時采集功能。

2．3 51單片機電路

電網的采樣監(jiān)測功能由采樣調理電路和51單片機搭配實現(xiàn)，通過模擬電路的調理過程，得到51單片機I／O口可以識別的高低電平（高電平大約為+5V，低電平大約為0V），51單片機通過識別輸入電平，判定電網每一相電的工作狀態(tài)。為了提高精確度，電網的每一相電的狀態(tài)判定對應51單片機的2個I／O口，一個I／O口用來判定該相是否過壓，另一個I／O口用來判定該相是否欠壓，通過組合邏輯判斷，實現(xiàn)對該路電網正常，欠壓和過壓三態(tài)的判定。51單片機綜合邏輯關系如表1所示。

2．4 外圍通信接口電路

外圍通信接口電路的設計主要由485總線接口電路，USB接口電路和以太網接口電路3部分組成。

1）485總線是典型的串行通訊標準，1．RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2～6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2～6）V表示。RS-485的數(shù)據最高傳輸速率為10 Mbps。RS485接口組成的半雙工網絡一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。最大傳輸距離標準值為4 000英尺（約1 219 m），實際上可達3 000米，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設備網絡。因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。

2）USB接口分為主／從2種模式，USB主模式可連接U盤、打印機等USB接口設備，USB從模式接口可實現(xiàn)系統(tǒng)和上位機的通信，本文主要利用USB接口實現(xiàn)由攝像頭到ARM芯片的通信。

3）以太網接口實現(xiàn)檢測結果并通過網絡發(fā)送給其他設備，DM9000A是集成和高效的10／100MHz自適應網卡芯片。DM9000A與ARM芯片連接，可以通過數(shù)據、地址和控制三總線進行連接并實現(xiàn)數(shù)據的轉換。在對DM9000A讀寫之前，ARM芯片需要通過控制總線和地址總線提供DM9000A正確的讀寫時序，實現(xiàn)正確尋址。分別設置片選，工作模式后，才能完成數(shù)據的準確交換。

3 系統(tǒng)的軟件設計

軟件系統(tǒng)如圖6所示，主要包括軟件開發(fā)環(huán)境的構建、設備驅動和應用開發(fā)環(huán)境的開發(fā)。為使設備能夠正常工作，SD卡，矩陣鍵盤，USB設備，LCD屏，網口，485總線等驅動程序均以模塊的方式加載到內核中。應用程序主要分為：外圍的通信接口程序，鍵盤和LCD屏的控制程序等。

本電網監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程是首先對電網各相電的參數(shù)進行采集，然后將信號量傳給51單片機，經單片機對信號量的處理后得出狀態(tài)結果，再通過485總線將其傳輸給ARM芯片，將結果存儲在EEPROM中，并可將有關參數(shù)和分析結果嵌入到存儲在EEPROM中的事先定制好的網頁中，同時采集環(huán)境的溫度和實時畫面并上傳，供客戶機通過Internet網絡訪問，通信主程序流程如圖7所示。

Linux下嵌入式Web服務器主要有3個：httpd、thttpd和Boa。http和Boa都支持認證、CGI等，功能比較全。本系統(tǒng)以Boa搭配Cgic作為服務器。Boa是一個單任務的hupd服務器，源碼開發(fā)、系能高。隨著internet技術的不斷發(fā)展，在嵌入式設備的管理與交互中，B／S（即Brows er／Server瀏覽器／服務器機構）結構成為目前的主流。通過對Boa和Cgic源代碼的操作，最后得到可執(zhí)行文件Boa和CGIC庫libcgic.a。

通過調試輔助程序capture和測試程序cgictest．cgi，可以驗證生成CGIC庫的正確性。將capture和cgictest．cgi復制到開發(fā)板的CGI程序目錄下，用瀏覽器訪問這個Cgi文件，可以看到頁面，表示CGIC庫和測試腳本都移植成功。為了能夠在ARM上運行Web服務器Boa，需要完成對其運行環(huán)境、參數(shù)等進行設置，并將最終的配置文件Boa．conf置于工作目錄下。

4 結束語

基于Web服務器的電網監(jiān)控系統(tǒng)利用51單片機及采樣調理電路實現(xiàn)對各電網狀態(tài)的判定，通過485總線將結果傳輸給S3c6410芯片，同時采集環(huán)境溫度及實時畫面，S3c6410結合DM9000A芯片實現(xiàn)了TCP／IP協(xié)議棧，相比8位的MCU，大大的縮減了工作量，并提高了系統(tǒng)的可靠性。基于Web服務器的電網監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的聯(lián)網和信息共享的功能，也具有測量精度高，硬件電路簡單，操作簡單的特點，因此本系統(tǒng)具有廣泛的發(fā)展空間。