基于嵌入式Internet技術(shù)的電網(wǎng)遠程監測系統
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社會(huì )的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，為電力系統的發(fā)展和進(jìn)步提供了廣闊的空間和新的技術(shù)手段，對于電網(wǎng)的監測也提出了新的挑戰。以往的電網(wǎng)監測裝置普遍是基于單片機開(kāi)發(fā)的，在特定時(shí)間或地點(diǎn)進(jìn)行電網(wǎng)的監測操作，精度較低，實(shí)時(shí)性不高。隨著(zhù)電網(wǎng)不斷擴大，原本的監測裝置己很難滿(mǎn)足實(shí)際需要。
本系統基于近年來(lái)新興的嵌入式Internet技術(shù)將嵌入式系統與Internet結合，把PHILIPS公司生產(chǎn)的ARM7微處理器作為系統實(shí)現的核心器件，同時(shí)利用以太網(wǎng)接口芯片構建一個(gè)嵌入式網(wǎng)絡(luò )系統并將其運用到電網(wǎng)遠程監測中。整個(gè)設計符合電網(wǎng)遠程監測的要求，并克服了傳統模式的監測方式，以其優(yōu)異的性能應用于電網(wǎng)遠程監測系統中。
1. 系統總體設計
基于嵌入式Internet技術(shù)的電網(wǎng)遠程監測系統是電網(wǎng)監測研究領(lǐng)域的一個(gè)嶄新的方向。目前為了將嵌入式系統與Internet結合常用的嵌入式Internet技術(shù)實(shí)現方案主要有以下幾種:[1]
第一種方案是單片機應用系統內部支持TCP／IP協(xié)議，它實(shí)質(zhì)上由MCU及內部固化TCP／IP協(xié)議的芯片組成應用系統的核心。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。應用系統的設計工程師還必須熟悉TCP／IP協(xié)議和相關(guān)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(wǎng)絡(luò )接口芯片的方法，解決以微控制器為核心的嵌入式系統接入Internet的問(wèn)題。
本系統將第二種方案應用于電網(wǎng)遠程監測系統的開(kāi)發(fā)與實(shí)現，把監測裝置作為以太網(wǎng)中的一個(gè)獨立的節點(diǎn)，使其擁有自己的IP地址，而任何授權的工作站都可以通過(guò)Internet實(shí)時(shí)瀏覽在線(xiàn)信息。整個(gè)電網(wǎng)遠程監測系統的結構如圖1，其中用戶(hù)層是遠程監測主機，負責實(shí)時(shí)監測電網(wǎng)運行參數確保電網(wǎng)運行安全。應用層為采用嵌入式Internet技術(shù)設計開(kāi)發(fā)的電網(wǎng)遠程監測系統，每個(gè)監測設備分配一個(gè)獨立的IP，方便用戶(hù)層進(jìn)行數據監測。數據層則為分布在各地的待監測的電網(wǎng)，提供電網(wǎng)運行參數。
Fig1. Composition chart of electric network remote monitoring system
2. 系統的硬件平臺
硬件平臺是實(shí)現嵌入式Internet接入的基礎，本文提出的電網(wǎng)遠程監測系統的硬件平臺采用ARM7代替了傳統的CPU,同時(shí)在外圍接入電流電壓監測模塊、功率因數監測模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、以及網(wǎng)絡(luò )通信模塊，整個(gè)系統的硬件平臺結構圖如圖2。其中微處理器部分采用基于A(yíng)RM7TDMI內核的LPC2290，它擁有16 kB 片內靜態(tài)RAM，32 位定時(shí)器、8 路10 位ADC，并且擁有多個(gè)串行接口，包括2個(gè)UART、高速I(mǎi)2C 接口和2個(gè)SPI接口，通過(guò)配置總線(xiàn)，LPC2290 最多可提供76個(gè)GPIO。由于LPC2290內置了寬范圍的串行通信接口，因此在通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉換器，遠程監測以及其它各種類(lèi)型的應用中非常適合。
網(wǎng)絡(luò )通信模塊是實(shí)現嵌入式系統與Internet互聯(lián)的關(guān)鍵，本系統采用的是通用的以太網(wǎng)控制芯片DM9000E，它是MAC、PHY、MMU三合一的網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )設備的理想選擇，在全雙工模式下，如果連接到一個(gè)同樣是全雙工的交換機或集線(xiàn)器，則可以實(shí)現同時(shí)接收和發(fā)送。通過(guò)該芯片可實(shí)現嵌入式系統與Internet的互聯(lián)。
Fig.2 Hardware platform of the system 3. 系統的軟件實(shí)現
3.1 嵌入式操作系統的選擇
嵌入式操作系統是整個(gè)嵌入式系統的核心，它具有實(shí)時(shí)性強、可靠性高等特點(diǎn)，在嵌入式系統中應用廣泛。商用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統比如Vxworks、Nucleaus、QNX等價(jià)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(lái)[2]，適用于沒(méi)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(jìn)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(diǎn):穩定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò )功能，并內嵌了TCP/ IP 協(xié)議?？紤]到嵌入式μＣLinux的以上優(yōu)點(diǎn)，本系統選擇采用嵌入式μＣLinux作為嵌入式的實(shí)時(shí)操作系統。
3.2 Web服務(wù)器的實(shí)現
在電網(wǎng)遠程監測系統中，嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)將有效降低系統運行維護費用，提高系統管理水平 [3]。本系統將嵌入式Web服務(wù)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(wǎng)數據；中間層為信息處理系統，負責將電網(wǎng)中的實(shí)時(shí)參數寫(xiě)入掛接在這一層的Web服務(wù)器中，然后對數據進(jìn)行統計、分析等處理，最后將處理過(guò)的數據實(shí)時(shí)的以網(wǎng)頁(yè)的形式發(fā)送到第三層客戶(hù)端，客戶(hù)端可以通過(guò)瀏覽器直接監測電網(wǎng)運行參數，實(shí)現了電網(wǎng)遠程監測系統。
嵌入式Web服務(wù)器(Embedded Web Server，簡(jiǎn)稱(chēng)EWS)是實(shí)現電網(wǎng)遠程監測的重要組成部分和關(guān)鍵技術(shù)，利用嵌入式Web服務(wù)器可對電網(wǎng)進(jìn)行監測和實(shí)時(shí)參數的傳輸[4]。嵌入式web服務(wù)器通過(guò)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(xiě)數據。在μＣLinux下，本系統選擇使用一個(gè)支持CGI的、非常適合于嵌入式系統的Boa Web Server。在Boa Web Server使用時(shí)需要對與Boa相關(guān)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romfs是只讀的，不能用mkdir等命令來(lái)新建目錄，故應在編譯內核前先建好要用到的目錄，這通過(guò)修改../μClinux-dist/vendors/Philips/LPC2200/Makefile文件來(lái)實(shí)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romfs中就包含這些目錄了。
2) 指定Web服務(wù)器的根目錄路徑。
進(jìn)入../μClinux-dist/user/boa/src/目錄，通過(guò)修改defines.h文件中#define SERVER ROOT “/home/”語(yǔ)句來(lái)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(lèi)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(hù)訪(fǎng)問(wèn)Web Server所看到的首頁(yè)默認值。把C編寫(xiě)的CGI程序編譯成二進(jìn)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(wù)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(dòng)μClinux操作系統，完成IP配置，運行Boa Web Server，然后就可以通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)頁(yè)了。
3.3 用戶(hù)與主機間安全交互的實(shí)現
為了在μCLinux系統中實(shí)現網(wǎng)頁(yè)的實(shí)時(shí)刷新，得到實(shí)時(shí)電網(wǎng)參數，實(shí)現客戶(hù)端與電網(wǎng)監測系統之間的交互，本系統采用了CGI的方法。當客戶(hù)端采用FORM POST形式向Boa服務(wù)器發(fā)出CGI請求時(shí)，服務(wù)器守護進(jìn)程啟動(dòng)相應的CGI程序，CGI程序通過(guò)CONTENT—LENGTH獲取客戶(hù)端傳輸數據的字節數，通過(guò)STDIN讀取客戶(hù)端傳輸數據，這些數據一般是客戶(hù)端在表單中輸入的簡(jiǎn)單的監控信息。CGI獲取這些信息后通過(guò)串行通信將這些信息發(fā)送到電網(wǎng)監測系統中，等待監測系統模塊的應答消息，最后生成網(wǎng)頁(yè)文件，并且將返回結果嵌入到網(wǎng)頁(yè)文件中，通過(guò)cgi—send—string函數將此網(wǎng)頁(yè)發(fā)送給客戶(hù)端瀏覽器。一段時(shí)間后客戶(hù)端瀏覽器會(huì )再次向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)CGI請求，相應的CGI函數會(huì )查詢(xún)最新的數據，刷新后將新數據發(fā)送給客戶(hù)端瀏覽器。這樣周而復始，實(shí)現了網(wǎng)頁(yè)的刷新功能，從而保證了遠程監測數據的實(shí)時(shí)性，實(shí)現客戶(hù)端與電網(wǎng)監測系統之間的交互?？蛻?hù)端通過(guò)CGI接口與電網(wǎng)監測系統之間交互的關(guān)系如圖3所示[5]。
Fig.3 Client Connects with Target Board through CGI
同時(shí)為了保證遠程監測的安全性不被非法侵入，通常嵌入式Internet可以采用：加密和解密(Encryption andde—eryption)、數字簽名(Digitalsignatures)、信息摘要(Message digests)、公共密鑰基本架構(Public—keyinfiastrueture)、證書(shū)(Certifieates)等方法確保網(wǎng)絡(luò )通訊的安全。本系統采用了用命令識別的方法來(lái)保證系統數據傳輸的安全性,即客戶(hù)端計算機首先向監測系統發(fā)送命令代碼，由監測系統分析，確定為請求數據發(fā)送命令碼再向客戶(hù)端計算機端發(fā)送數據，發(fā)送命令代碼即相當于發(fā)送了身份驗證碼，從而保證電網(wǎng)數據傳輸的安全性。
4．系統的應用
本系統在成都某電廠(chǎng)的局域網(wǎng)(以太網(wǎng))的環(huán)境里做調試，通過(guò)IE瀏覽器完全實(shí)現了電網(wǎng)參數的監測功能：在客戶(hù)端IE瀏覽器中輸入主網(wǎng)頁(yè)的地址，進(jìn)入電網(wǎng)監測系統的主網(wǎng)頁(yè)，如圖4；輸入正確的用戶(hù)名和密碼后登陸電網(wǎng)遠程監測系統的參數監測網(wǎng)頁(yè)。在參數監測網(wǎng)頁(yè)可以監測到電網(wǎng)運行的實(shí)時(shí)參數。整個(gè)系統具有良好的人機界面，操作簡(jiǎn)單，有效的保證了電網(wǎng)運行安全，大幅提高了電網(wǎng)監測的實(shí)時(shí)性和有效性。
Fig4 The home
5.結束語(yǔ)
本文提出了將嵌入式Internet技術(shù)應用于電網(wǎng)遠程監測系統的開(kāi)發(fā)與實(shí)現，研究了基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μＣLinux下嵌入式Internet的接入方案以及Boa Web服務(wù)器的參數配置，并提出了利用CGI技術(shù)實(shí)現網(wǎng)頁(yè)的實(shí)時(shí)刷新以及客戶(hù)端與主機間交互的方法 ，開(kāi)發(fā)實(shí)現了電網(wǎng)遠程監測系統并將該系統應用于成都某電廠(chǎng)。實(shí)踐表明，該系統可以實(shí)時(shí)監測電網(wǎng)參數，保證了電網(wǎng)的安全運行。本系統的構建代表了新一代監測網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的必然趨勢，在不久的未來(lái)必將具有十分廣闊的應用前景。
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