嵌入式電氣安全智能監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

李紅

摘要：在電氣工程中，電氣設(shè)備使用數(shù)量逐漸增多，電氣安全事故的發(fā)生率也逐漸提高，特別是電氣火災(zāi)，對(duì)電氣系統(tǒng)影響比較大。研發(fā)一種電氣安全智能監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行，對(duì)于降低電氣安全事故發(fā)生率、確保系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要意義。本文即探討了基于嵌入式技術(shù)的電氣安全智能監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)。

關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù) 電氣安全 智能監(jiān)控系統(tǒng) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2015）05-0000-00

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，電氣工程規(guī)模也越來越大，由于電氣設(shè)備的大量使用，電氣安全事故也頻繁發(fā)生，特別是電氣火災(zāi)事故，發(fā)生率比較高，給系統(tǒng)安全運(yùn)行造成極大威脅[1]。在本文中，筆者探討了一種基于嵌入式技術(shù)的電氣安全智能監(jiān)控系統(tǒng)，旨在監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)防電氣安全事故，保證電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。

1 電氣安全智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)了一種基于雙單片機(jī)的監(jiān)控器與ARM+LINUX+Qt/E集中數(shù)據(jù)監(jiān)控器，并通過計(jì)算機(jī)來對(duì)電氣安全智能系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，可提高電氣火災(zāi)報(bào)警的及時(shí)性，并提供友好的人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)功能與數(shù)據(jù)處理功能，具有成本低、低能耗的特點(diǎn)[2]。

1.1 系統(tǒng)框架

本研究設(shè)計(jì)的電氣安全智能監(jiān)控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控器與集中數(shù)據(jù)控制器3部分組成。其中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控器可監(jiān)控配電回路中的三相工作電流、漏電電流、氣感、溫感與煙感，并將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳至集中數(shù)據(jù)監(jiān)控器，如果出現(xiàn)異常，則系統(tǒng)可發(fā)出光報(bào)警信號(hào)，且用戶可按照需求，自行設(shè)定內(nèi)切斷供電電源。而集中數(shù)據(jù)監(jiān)控器使用的為嵌入式Linux操作系統(tǒng)與ARMS3C2410芯片，并配置8寸TFT-LCD顯示屏、觸摸屏幕，可經(jīng)RS485總線，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)通信裝置。集中數(shù)據(jù)監(jiān)控器可提供友好的人機(jī)界面，內(nèi)置功能可在無人值班條件下，全天候不間斷監(jiān)控、報(bào)警與控制配電回路電流，并將異常數(shù)據(jù)準(zhǔn)確記錄下來[3]。

對(duì)于建筑智能化管理技術(shù)升級(jí)而言，微型計(jì)算機(jī)與集中數(shù)據(jù)監(jiān)控器的連接是關(guān)鍵的步驟，采用C/S結(jié)構(gòu)模式，也就是將ARM端作為服務(wù)器，將客戶端作為遠(yuǎn)程監(jiān)控端，并通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)上下連接，下載更新后可記錄歷史事件，同時(shí)可顯示目前電流情況，通過圖片與數(shù)據(jù)等多種形式表示，并用ACCESS數(shù)據(jù)庫保存電流數(shù)據(jù)。通過分析電流數(shù)據(jù)歷史曲線，可判斷一段時(shí)期內(nèi)的用電情況。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控器軟硬件設(shè)計(jì)分析

系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控器雙MCU使用兩片PIC16F877A（美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)），是標(biāo)志性的單機(jī)片產(chǎn)品，其中具有豐富的資源，包括368個(gè)RAM字片單元、256個(gè)EEPPROM字節(jié)單元與8KLFASH，以及8路10位A/D采樣口。系統(tǒng)中的此兩片PIC16F877A，功能不同，其中一片的功能是負(fù)責(zé)SLAVE“三感”開關(guān)量信號(hào)，并將電流互感器、零序電流互感器輸出的電壓模擬信號(hào)，快速轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，與延時(shí)斷開、報(bào)警參數(shù)比較，進(jìn)而控制斷路器、警燈與喇叭工作，按照電流的大小，適時(shí)調(diào)整延時(shí)脫扣時(shí)間，如果電流超過了瞬時(shí)審定值，則系統(tǒng)會(huì)在100mg內(nèi)斷開；另外一片作為系統(tǒng)的MASTER，主要功能為通過RS485現(xiàn)場(chǎng)總線、集中數(shù)據(jù)控制通訊，將電流數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控段，并接受來自于鍵盤設(shè)定的參數(shù)，因此系統(tǒng)用戶可根據(jù)按鍵，設(shè)定延時(shí)斷開與報(bào)警參數(shù)，而兩個(gè)CPU間經(jīng)IC協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞[4]。這兩部分功能可穩(wěn)定現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控器工作，提高現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的可靠性。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件包括主從MCP兩部分。兩個(gè)單片機(jī)間的IC通訊，主片與集中數(shù)據(jù)控制器間的RS485通訊，是系統(tǒng)電流數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.3 集中數(shù)據(jù)監(jiān)控器軟硬件設(shè)計(jì)分析

集中數(shù)據(jù)監(jiān)控器硬件使用基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，運(yùn)行頻率為203MHz，網(wǎng)絡(luò)用10M網(wǎng)卡芯片CS8900A，通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。而監(jiān)控器軟件使用基于Qt/E應(yīng)用程序，包括用戶GUI模塊、RS485通訊數(shù)據(jù)模塊、INTERNET遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器模塊與SQLITE數(shù)據(jù)庫操作模塊。

1.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)分析

系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程監(jiān)控負(fù)責(zé)異常事件保存、電氣工程監(jiān)控、節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程控制與電流數(shù)據(jù)曲線分析等等，負(fù)責(zé)C/S模式遠(yuǎn)程通訊?？刂栖浖╒C++ 與Access數(shù)據(jù)庫，用戶根據(jù)不同的需求，可使用系統(tǒng)上的功能，并創(chuàng)建遠(yuǎn)程監(jiān)控地址等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流數(shù)據(jù)的分析、異常事件的保存等。

2 電氣安全智能監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 PIC單機(jī)片IC通訊技術(shù)

PHILIPS公司研發(fā)和生產(chǎn)的IC總線規(guī)范得到了廣泛應(yīng)用，屬串行總線的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。IC總線屬高性能芯片之間串行同步傳輸總線，在智能監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的電路板級(jí)總線中，得到了大量而良好的應(yīng)用，這種規(guī)范主要是定義了兩根信號(hào)線——串行數(shù)據(jù)線SDA，以及串行時(shí)鐘線SCL，對(duì)于實(shí)現(xiàn)雙工數(shù)據(jù)同步傳輸具有保障作用，且可組建成外圍器件擴(kuò)展系統(tǒng)、多機(jī)系統(tǒng)等。兩個(gè)I/O口的實(shí)時(shí)電流傳輸為100Khz，可確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)移植與驅(qū)動(dòng)程序

VxWorks、Windows等系統(tǒng)，均可移植到ARM平臺(tái)的嵌入式操作系統(tǒng)中。但是由于Linux內(nèi)核小、效率高，且可提供網(wǎng)絡(luò)支持，所以限制了嵌入式系統(tǒng)硬件資源，需根據(jù)嵌入式C庫、配置內(nèi)核與裁減shell等制定移植與驅(qū)動(dòng)程序，從而確保程序可存放至FLASH中。本系統(tǒng)集中數(shù)據(jù)監(jiān)控器的驅(qū)動(dòng)程序使用的是看門狗驅(qū)動(dòng)、4線電阻式觸摸屏驅(qū)動(dòng)及FB設(shè)備驅(qū)動(dòng)等，均是以模塊方式移植到系統(tǒng)內(nèi)核中：先將驅(qū)動(dòng)程序保存與CRAFS文件中，并啟動(dòng)內(nèi)核，然后在函數(shù)中完成注冊(cè)，卸載函數(shù)程序前來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序操作。

2.3 建立Qt/Embedded開發(fā)環(huán)境

Qt/E屬于專用的嵌入式系統(tǒng)Qt版本，與Qt-X11版本兼容，可直接研發(fā)基于Qt/E應(yīng)用程度的GUI界面，在高端嵌入式圖形領(lǐng)域比較適用。本研究中的系統(tǒng)，TrollTech主頁可下載Qt/E與QT-X11新版本。建立Qt/Embedded開發(fā)環(huán)境的具體步驟如下：（1）安裝qt-embaedded-free，在PC機(jī)上運(yùn)行QTE，仿真調(diào)試程序；（2）為獲取uic工具，安裝qt-x11-free-3.3.8；（3）為得到/lib工具，安裝四個(gè)庫文件，包括libqte-mt.so.3.3、libqte-mt.so、libqte-m.t.so.3.3.8以及l(fā)ibqte-mt.so.3.3等四個(gè)庫文件[5]。另外，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程TCP通信，以TCP并發(fā)服務(wù)器與遠(yuǎn)程客戶端通信監(jiān)控器，啟動(dòng)服務(wù)器進(jìn)程并建立與客戶端的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)的交換，數(shù)據(jù)交換結(jié) 束后即可關(guān)閉連接。

3 結(jié)語

在電氣安全智能監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)用嵌入式Linux技術(shù)，具有成本低、穩(wěn)定性高與可靠性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此突破了傳統(tǒng)監(jiān)控方式的局限性，適用于高層建筑、大型工廠等電氣線路系統(tǒng)的監(jiān)控，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，及時(shí)報(bào)警，由相關(guān)人員作出處理，應(yīng)用價(jià)值高。

參考文獻(xiàn)

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