嵌入式电力控制系统中监控子系统的设计与实现

奚小宁

（西安奇维科技有限公司，陕西 西安710119）

0 引 言

随着信息技术的不断发展，数字型产品得到了大面积的推广，其中以嵌入式系统为基础的各种产品所具有的功能也愈发强大，并且应用逐渐广泛。在当前巨大市场需求的推动之下，企业和社会对嵌入式产品的要求也不断提升。现阶段，在工业控制行业中使用的嵌入型系统急需应用一类监控软件，从而可以方便、高效以及快速地研发出能够完美适应多种场合的新型监控程序。

1 嵌入系统的基本阐述

嵌入式系统中应用是核心，计算机信息技术是基础，其中的软硬件均可被裁减，极适合应用到对功能、成本、功耗、可靠性以及体积等具有极为严格要求的先进计算机系统中。通常情况下，嵌入型微处理器、嵌入式的操作系统、外围硬件装置以及用户应用程序是嵌入式系统最为主要的4个组成部分，也是该系统控制、管理以及监视其他设备的根本所在。不管是8位单片机还是具有较高处理性能水平的32位的处理器都可以形成嵌入型系统，然而当前绝大多数被认为具有较好发展前景的嵌入型系统都应当具备以下条件。即将一个具有出色性能水平的处理器当作系统的基础硬件，将一个能够进行多任务操作的系统作为综合性平台[1]。

2 嵌入型电力控制系统中的监控子系统整体结构框架

对于现代化的电力控制系统而言，要想有效设计其所包含的监控子系统，需要避免在监控数据的传输和线路的架设等领域投入过多人力和物力，并以此为基础设计出一种将电力线载波通信和嵌入式完美融合的新型技术。当前此类技术已经在生产、检测以及管理等诸多领域中得到了广泛的应用。目前所设计的监控子系统通常为C/S模式，核心结构框架以监控服务器和监控客户端为主，并且其中部分服务器的IP地址还需要做额外的固定处理，此外服务器和客户端间连接时所使用的为UDP通信协议，可以有效且准确地实现监控数据和信息的输送。传感器模块、电力线载波通信模块以及嵌入型处理器（即CPU）模块是监控服务器最为核心的3个组成部分，而客户端对应的功能需要借助PC机进行实现[2]。

3 嵌入型电力监控系统中硬件部分

在嵌入型电力监控系统中往往挑选工控机和商用PC当作服务器，现场大量的实时信息数据需要进行迅速、及时且准确地传输。通信模块最为主要的任务是实时收集与整合现场数据，同时借助嵌入型的CPU科学处理所收集到的相关数据，并应用输出模块将对应的控制指令发送出去。在嵌入型电力监控系统中硬件部分通常包括嵌入型CPU、液晶显示屏、鼠标、通信控制以及键盘等几个部分。

通信控制组件的硬件逻辑如图1所示，该部分整合了模拟量的输入输出和数字量的输入输出，还具有定时器和计数器等诸多功能。输入的无线信号会直接或者通过变送器等间接地接入到对应的信息数据通信控制模块中，然后再由该模块对数据做转化处理，最后提交至系统做最终的分析、控制、处理以及决策。

图1 通信控制组件的硬件逻辑

4 软件设计与实现

4.1 监控系统核心部分的设计

由于该系统有着极强的复用性和可扩展性，因此其通过以组件为基础方式进行深度开发时，系统整体可被分成诸多小组件，每一个组件依据组件分层的体系框架组成。通常，组件的分层体系框架包含表示层、业务逻辑层、通信层以及数据层共4层，组件的表现形式包括源代码包、Lib和DLL。系统整体以Win CE操作系统为基础，使用标准化的编程语言C++，借助该系列的开发工具来进行对应的开发和研究，并通过Together Architect工具进行建模，而数据库则是开源型数据库SQLite[3]。

按照监控系统的功能需求、范畴差异以及复用需求等，可以将监控系统细分成多个不同的组件，如工程的初始化组件、通信组件、系统事件信息的查看组件、界面组件、数据字典组件、子站状态查询组件以及历史数据的服务组件等。在上述组件中，因为界面系统自身具有着较好的交互特性和集成组态，所以可以将其作为一个粒度相对偏大的组件进行设计。界面系统可以借助业务逻辑层的处理，同时按照系统特征需求主动地向服务代理设置或获取相关的信息数据，被动地接收由服务代理发送的文件信息和数据，完成所提供的信息数据与服务系统间的交互工作[4]。

4.2 数据字典的构建

在设计嵌入型电力控制系统内的监控子系统时，设计数据字典可以给构建和使用数据库提供所需的框架结构，给读取其中相关数据信息提供一定的便利。通常，数据字典组件往往以表格形式呈现，并以表格来对子站实时数据和历史数据等开展相关操作，如显示历史和实时数据库内信息、读取历史和实时的信息库以及完成实时和历史等数据库的整合与查询等。

构建数据字典较为简便，先借助系统主窗口来打开实时数据的字典页面，此时窗口便会显示出由RT Data View所发送的信息，与此同时发出第一次的实时信息数据请求。服务代理组件是实时信息数据请求接收端，此组件将变量与缓存中的具体情况当作调整依据，并且在了解对应需求的前提下对数据做返回处理。时钟会被当作整体流程的多次触发点，不需要再进行反复的订阅就能够直接从代理组件缓存中获取，同时将获取到的信息返回到监控页面，进而在系统正常运行过程中完成对于实施数据的操作与刷新显示等工作。

4.3 信息库的设计和实现

信息库最为主要的一个功能即储存经过专业服务器分析和处理的信息数据。在储存的过程中，通常会先依据相关规则来对它做分类和排序等程序化处理，从而为后续的数据读取和数据维护等工作打下良好基础，并以此提升数据信息库的相应速度和效率。设计嵌入型电力系统中的监控子系统时，需要切实考虑到信息库在其实际监控和运行控制过程中所具有的提供相关依据的重要作用，为此建议在实时信息库中应用PI，将oracle应用到历史信息库中，从而实现相关数据的科学有序管理。对于上述信息库而言，具有着灵活多变、功能齐全以及应用编程的接口丰富等诸多特点，可以为嵌入型电力控制系统内的监控子系统大规模的信息数据储存打下坚实基础。按照有关的设计经验可以发现，相较于其他类型的信息库，SQL Server和MySQL等信息库较小，但是如果系统监控的信息数据规模相对偏小时，同样可以进行应用。

文章中所介绍的嵌入型电力控制系统内监控子系统信息库的设计与实现，考虑了控制信息、输出与输入的模拟量以及输入与输出的开关量等信息的储存和处理。在实际设计的过程中，为了最大程度预防由于信息库产生超负荷存储而引起加剧系统运行的负荷与压力，进而降低信息库的相应速度的现象，因此在原历史数据中设置了对应的操作删除程序，一旦数据存储时间到达预先设定的时间后，系统便对相关数据做自动删除处理。

4.4 监控信息数据的收集

按照使用的具体要求，往往会在嵌入型电力控制系统监控子系统中布置一些不同类型的传感器，收集到用户所需要的监控数据与信息。以当前较为常见的视频监控来说，监控系统首先需要收集到原始的视频图像信息，而本文所介绍的结构框架中，有关功能能够借助嵌入型ARM处理模块和USB接口等实现对视频传感设备采集到的图像信息做有效且准确地读取。另外，将V4L2作为内核驱动，将Linux作为嵌入型电力系统中监控子系统的操作系统能够为视频图像信息收集提供切实有效的接口，并借助该通用接口操作函数，全面采集视频传感装置中的原始图像。

4.5 测试嵌入型电力控制系统内的监控子系统

将文章所介绍的监控子系统设计方案应用到某一个嵌入型电力控制系统内部的视频监控子系统中，经过一段时间的实践后发现，视频传输的像素可以达到320×240。在系统中接收播放的客户端是电脑端，视频播放的帧率可以达到30 f/s。另外文章在设计监控子系统时还引进了全新的电力线载波通信技术，该技术可以借助电力线网络数据等检测视频监控子系统视频通信的速率，将测试的距离设置成5 m、10 m、15 m以及20 m，最终所取得的通信速率呈现出显著降低的趋势。收集到数据中的最大数值是175 Mb/s，最小值仅为85 Mb/s。

通过上述实践可以得出，设计的嵌入型电力控制系统中的监控子系统可以满足图像清晰、通信速率较高以及数据信息的传输延迟较低等设计要求，可以有效提高多路视频在同一时间的传输效果，提供一个相对可靠且科学的技术保障。

5 结 论

尽管所设计系统的各项功能均得到了良好实现，但由于研究时间较短，因此仍存在较多的缺陷。例如，当前系统所具有的监控功能相对单调，所采用的接口尽管操作便捷，但是相应的操作时间却极长，而且采集的范围也相对较窄。但如果使用更为先进的芯片，那么最终所取得的效果必然也将更为出色。另外，该系统还能够通过外接传感装置全方位监控工业现场，以此来实现信息数据的融合并提升检测的科学性与全面性。