基于ARM 的化工企業電力監測系統設計

唐 超，王 軻，田 豆，王鵬飛，任垚煜

（1. 西安石油大學電子工程學院，陜西 西安 710065；2. 陜西省油氣井測控技術重點實驗室，陜西 西安 710065）

隨著嵌入式技術的發展，越來越多的嵌入式設備應用于化工企業用電安全監測領域[1-2]，隨著中國工業化水平的提高和國民生活質量的提升，化工產品的使用量急劇增加，大型化工企業數量快速增加因用電安全引發的事故時有發生，企業財產以及員工生命安全受到潛在威脅。工業電表數據監測系統是為防止因用電安全引發事故而設計的實時數據監控系統。本系統主要實現對相電流、相電壓、電壓頻率、功率等電表主要數據的采集。通過對采集到的化工企業用電數據進行智能分析來判斷是否存在用電危險。一旦出現數據異常通過警示措施提示現場工作人員和企業管理部門。本系統使用的電表型號為臺儀電子DTS1187-SDG 三項四線型，通訊方式為以太網。

1 系統整體設計

本監測系統主要實現的功能有：通過ARM平臺實現相電壓、相電流、有功功率、電壓頻率等主要參數采集，按照設備編號以及時間順序存儲到數據庫；實現B/S 模型WEB 服務器構建主頁，用戶可登陸主頁查看當前數據；數據處理中心通過485 總線接收電表數據，每5min 進行一次數據更新，并存儲到數據庫，將采集到的數據通過本地LCD 以圖形化界面進行顯示，可通過觸摸屏查詢歷史數據。

系統主要實現了電表數據采集節點設計、數據處理終端設計、UI 界面設計。數據接收處理終端和采集節點通過總線實現數據交互，數據采集結點主要實現了參數實時采集、存儲、傳輸等功能。 通過對相電流、相電壓、電壓頻率、功率等主要參數的采集與存儲，實現B/S 模型WEB服務器將采集到的數據發布到查詢頁面供用戶查詢。采集節點以5min 為時間間隔進行數據采集并逐一進行數據存儲。本系統支持當日、一周內、一月內歷史數據查詢，可通過本地觸摸屏進行查詢設置。

2 數據采集節點設計

本節點主要組成包括電表測量模塊、ARM 核心處理模塊、WEB 服務器模塊。整體框圖如圖1所示。

圖1 數據采集節點整體框圖

電表測量模塊測得當前電力的相關數據，將采集到的數據通過GPIO 接口電路發送給ARM 核心處理芯片。主控芯片接收到數據后將解析好的數據通過網絡編程及其它相關程序一路按設備編號和時間順序存入數據庫[3]，一路將數據直接寫入控制頁面，方便本地用戶查看，最后一路利用WEB 服務端等待網絡用戶訪問查詢。

2.1 采集系統硬件設計

本設計的數據采集模塊硬件主要包括三星4412 最小系統和臺儀電子DTS1187-SDG 三項四線型智能電表。電表可實時測量輸入電的各個參數，系統軟件會在固定時間間隔發出指令從電表對應接口讀取電表各項參數，主控芯片只需要從GPIO 引腳讀取數據即可。

三星4412 最小系統是以高端的ARM Cortex-A9 為開發平臺，內建32/32KB 數據/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網開發。

2.2 采集系統軟件設計

采集系統軟件設計部分主要包含搭建WEB服務器、創建數據庫。B/S 模型WEB 服務器的搭建是通過SOCKET 套接字的創建、BIND 綁定服務器的IP 地址、LISTEN 監聽網絡端用戶的訪問請求等步驟完成。當網絡服務器端有用戶查詢請求時，服務器會自動按照用戶需求在數據庫中查找相應的數據，并通過HTTP 協議發送至客戶瀏覽器，達到實時查詢數據的目的。

2.2.1 主程序設計

主程序設計中，當主控芯片上電之后首先進行系統初始化的操作，其主要目的是完成SOCKET 套接字的創建，端口號的綁定，創建數據庫等任務。程序設計為雙線程，主線程持續監聽瀏覽器端發送的請求，子線程主要完成將數據存儲到數據庫的操作。程序框圖如圖2 所示。

圖2 主程序框圖

2.2.2 WEB 服務器設計

當程序執行到服務器模塊時，系統將創建監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先編寫好的HTML 模板，并將填入實時采集到的電表數據發回給客戶瀏覽器，至此客戶就完成一次實時查詢數據的流程；最后系統關閉SOCKET 通信套接字。具體流程如圖3 所示。

3 數據處理模塊設計

系統數據處理模塊主要包括4412 主控制芯片、LCD 顯示屏、報警模塊。數據處理模塊框圖如圖4 所示。

圖3 WEB 服務器流程圖

數據處理模塊通過485 總線獲取電表實時數據存儲到數據庫，并采用framebuffer 繪屏技術將檢測結果以柱狀圖的形式繪制在LCD 屏上，在Linux 系統下一切設備皆文件，在繪制屏幕時使用open 函數打開屏幕設備文件，調用read、write函數按照預先標定的坐標基準值繪制對應的像素點即可在LCD 屏幕上繪出當前時刻的數據柱狀圖。當檢測到某項數據超過預先設置的閾值時則系統觸發報警器提示管理人員及時排查險情；系統報警模塊選擇4412 板載的蜂鳴器，通過軟件在不同情況下設置PWM0 引腳值即可實現報警功能。

4 結語

圖4 數據處理模塊框圖

本系統以三星Exynos4412 芯片為核心，設計并完成整套簡易而實用的智能電表監測系統。因其是基于嵌入式微控制器開發，具有很好的功能擴展性優勢。隨著物聯網技術的快速興起，該系統能很好的滿足用戶以及管理人員隨時獲取電表數據及時發現安全隱患的需求，因此本系統具有很好的應用前景。