唐 超，王 軻，田 豆，王鵬飛，任垚煜

（1. 西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2. 陜西省油氣井測控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，越來越多的嵌入式設(shè)備應(yīng)用于化工企業(yè)用電安全監(jiān)測領(lǐng)域[1-2]，隨著中國工業(yè)化水平的提高和國民生活質(zhì)量的提升，化工產(chǎn)品的使用量急劇增加，大型化工企業(yè)數(shù)量快速增加因用電安全引發(fā)的事故時有發(fā)生，企業(yè)財(cái)產(chǎn)以及員工生命安全受到潛在威脅。工業(yè)電表數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)是為防止因用電安全引發(fā)事故而設(shè)計(jì)的實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對相電流、相電壓、電壓頻率、功率等電表主要數(shù)據(jù)的采集。通過對采集到的化工企業(yè)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析來判斷是否存在用電危險(xiǎn)。一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常通過警示措施提示現(xiàn)場工作人員和企業(yè)管理部門。本系統(tǒng)使用的電表型號為臺儀電子DTS1187-SDG 三項(xiàng)四線型，通訊方式為以太網(wǎng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本監(jiān)測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：通過ARM平臺實(shí)現(xiàn)相電壓、相電流、有功功率、電壓頻率等主要參數(shù)采集，按照設(shè)備編號以及時間順序存儲到數(shù)據(jù)庫；實(shí)現(xiàn)B/S 模型WEB 服務(wù)器構(gòu)建主頁，用戶可登陸主頁查看當(dāng)前數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理中心通過485 總線接收電表數(shù)據(jù)，每5min 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)更新，并存儲到數(shù)據(jù)庫，將采集到的數(shù)據(jù)通過本地LCD 以圖形化界面進(jìn)行顯示，可通過觸摸屏查詢歷史數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了電表數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理終端設(shè)計(jì)、UI 界面設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)接收處理終端和采集節(jié)點(diǎn)通過總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)采集結(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)了參數(shù)實(shí)時采集、存儲、傳輸?shù)裙δ堋?通過對相電流、相電壓、電壓頻率、功率等主要參數(shù)的采集與存儲，實(shí)現(xiàn)B/S 模型WEB服務(wù)器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)布到查詢頁面供用戶查詢。采集節(jié)點(diǎn)以5min 為時間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并逐一進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。本系統(tǒng)支持當(dāng)日、一周內(nèi)、一月內(nèi)歷史數(shù)據(jù)查詢，可通過本地觸摸屏進(jìn)行查詢設(shè)置。

2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本節(jié)點(diǎn)主要組成包括電表測量模塊、ARM 核心處理模塊、WEB 服務(wù)器模塊。整體框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)整體框圖

電表測量模塊測得當(dāng)前電力的相關(guān)數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過GPIO 接口電路發(fā)送給ARM 核心處理芯片。主控芯片接收到數(shù)據(jù)后將解析好的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)編程及其它相關(guān)程序一路按設(shè)備編號和時間順序存入數(shù)據(jù)庫[3]，一路將數(shù)據(jù)直接寫入控制頁面，方便本地用戶查看，最后一路利用WEB 服務(wù)端等待網(wǎng)絡(luò)用戶訪問查詢。

2.1 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集模塊硬件主要包括三星4412 最小系統(tǒng)和臺儀電子DTS1187-SDG 三項(xiàng)四線型智能電表。電表可實(shí)時測量輸入電的各個參數(shù)，系統(tǒng)軟件會在固定時間間隔發(fā)出指令從電表對應(yīng)接口讀取電表各項(xiàng)參數(shù)，主控芯片只需要從GPIO 引腳讀取數(shù)據(jù)即可。

三星4412 最小系統(tǒng)是以高端的ARM Cortex-A9 為開發(fā)平臺，內(nèi)建32/32KB 數(shù)據(jù)/指令一級緩存、1MB 的二級緩存，GPU 采用Mali 400 MP 四核圖形處理器，支持2D/3D 圖形加速可顯示高清大尺寸圖形，四核處理器在達(dá)到雙核雙倍性能的同時，功耗卻只有雙核的80%，所以此芯片非常適合用于高端物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)。

2.2 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要包含搭建WEB服務(wù)器、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。B/S 模型WEB 服務(wù)器的搭建是通過SOCKET 套接字的創(chuàng)建、BIND 綁定服務(wù)器的IP 地址、LISTEN 監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)端用戶的訪問請求等步驟完成。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端有用戶查詢請求時，服務(wù)器會自動按照用戶需求在數(shù)據(jù)庫中查找相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并通過HTTP 協(xié)議發(fā)送至客戶瀏覽器，達(dá)到實(shí)時查詢數(shù)據(jù)的目的。

2.2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)中，當(dāng)主控芯片上電之后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化的操作，其主要目的是完成SOCKET 套接字的創(chuàng)建，端口號的綁定，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫等任務(wù)。程序設(shè)計(jì)為雙線程，主線程持續(xù)監(jiān)聽瀏覽器端發(fā)送的請求，子線程主要完成將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫的操作。程序框圖如圖2 所示。

圖2 主程序框圖

2.2.2 WEB 服務(wù)器設(shè)計(jì)

當(dāng)程序執(zhí)行到服務(wù)器模塊時，系統(tǒng)將創(chuàng)建監(jiān)聽套接字隨時等待客戶的連接請求，收到客戶瀏覽器的接入請求時程序自動打開一個預(yù)先編寫好的HTML 模板，并將填入實(shí)時采集到的電表數(shù)據(jù)發(fā)回給客戶瀏覽器，至此客戶就完成一次實(shí)時查詢數(shù)據(jù)的流程；最后系統(tǒng)關(guān)閉SOCKET 通信套接字。具體流程如圖3 所示。

3 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊主要包括4412 主控制芯片、LCD 顯示屏、報(bào)警模塊。數(shù)據(jù)處理模塊框圖如圖4 所示。

圖3 WEB 服務(wù)器流程圖

數(shù)據(jù)處理模塊通過485 總線獲取電表實(shí)時數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，并采用framebuffer 繪屏技術(shù)將檢測結(jié)果以柱狀圖的形式繪制在LCD 屏上，在Linux 系統(tǒng)下一切設(shè)備皆文件，在繪制屏幕時使用open 函數(shù)打開屏幕設(shè)備文件，調(diào)用read、write函數(shù)按照預(yù)先標(biāo)定的坐標(biāo)基準(zhǔn)值繪制對應(yīng)的像素點(diǎn)即可在LCD 屏幕上繪出當(dāng)前時刻的數(shù)據(jù)柱狀圖。當(dāng)檢測到某項(xiàng)數(shù)據(jù)超過預(yù)先設(shè)置的閾值時則系統(tǒng)觸發(fā)報(bào)警器提示管理人員及時排查險(xiǎn)情；系統(tǒng)報(bào)警模塊選擇4412 板載的蜂鳴器，通過軟件在不同情況下設(shè)置PWM0 引腳值即可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

4 結(jié)語

圖4 數(shù)據(jù)處理模塊框圖

本系統(tǒng)以三星Exynos4412 芯片為核心，設(shè)計(jì)并完成整套簡易而實(shí)用的智能電表監(jiān)測系統(tǒng)。因其是基于嵌入式微控制器開發(fā)，具有很好的功能擴(kuò)展性優(yōu)勢。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速興起，該系統(tǒng)能很好的滿足用戶以及管理人員隨時獲取電表數(shù)據(jù)及時發(fā)現(xiàn)安全隱患的需求，因此本系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。