基于VPN的通信電源遠程監控系統設計

唐良運，蕭展輝

（南方電網數字電網研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

虛擬專用網絡（Virtal Priate Nework，VPN）是一種虛擬的網絡線路，可以通過加密代碼或轉換訪問IP地址的形式連接通信網絡，具有加密公共區域的功能。此外，VPN以協議為主要分類方式，可以通過電腦、手機等智能設備實現，具有低成本、高回報的特點。VPN中任意兩個節點沒有傳統兩端物理鏈的限制，而是基于公共網絡的服務平臺完成網絡數據傳輸。通過VPN技術不僅可以共享網絡，還可以加密內容，同時需要身份驗證來保證操作的安全性[1]。

1 硬件設計

1.1 整流器

整流器是可以開啟或關閉遠程監控電流的機器，保證通信電源的電流在安全范圍之內。若超出或低于安全電流，整流器可以實現遠程操控的功能[2]。當出現通信問題時，整流器也會根據當前狀況迅速作出反應，最大可能降低故障程度[3]。監測人員在崗的情況下必須手動關機，監測人員不在時需要切斷通信主電源，自動關機，連接通信電源后再自動開機。在所有監控裝置均處于啟動狀態時，開機電流是關機電流的4.5倍，容易導致自動關機，而整流器會對整個系統進行監測，監測到系統處于開機狀態時，忽略自動關機提示。

1.2 CIP-51微控制器

在微控制器設計方面，采用831系列單片機。與標準852系列單片機不同的是，831系列微控制器的外圍元件提高了速度，并采用流水線模式執行命令[4]。在標準852系列單片機的編程語言中，需要10個或20個時鐘周期，周期時間較長、執行命令能力和控制能力較弱。而CIP-51微控制器采用831系列單片機的編程語言后，時鐘周期縮短為4個或6個，速度得到了提升。在CIP-51微控制器內部擁有222條指令，控制處理速度最快可以達到50 MIPS。通過進一步改進CIP-51微控制器，提高了CIP-51微控制器的整體性能，添加了遠程監控處理性能，減少了MCU的干預，起到了提高遠程監控效率的作用。

2 軟件設計

2.1 建立遠程監控設備采集模塊

監控設備采集模塊可以分為3種，即傳統的單一設備采集模塊FLSU、專用的智能轉換器UPC以及根據遠程監控特性建立的采集模塊BCMS。一般采集模塊是通過傳統的單一設備采集監控信息，利用智能轉換器接連少量設備，采集速度慢、監控信息傳輸慢。而本文設計的采集模塊可以通過UPC轉換到BCMS中，期間可以接連多個設備，并對各個設備逐一監控，實現遠程監控設備信息的采集[5]。在采集期間，使用較為簡易的UPS供電方式，解決設備關機而不能繼續采集的難題。遠程監控點不使用微機站，而是利用通信基站實現遠程監控[6]。

2.2 設置通信電源遠程監控指標

在設置遠程監控指標時，利用轉換代碼對監控精度、通信電源電壓以及響應時間等指標進行加密、轉換，實現更精準的遠程控制[7-9]。本文設計的系統可以利用VPN的加密代碼，轉換IP地址，將響應時間降低至1～2 s。時鐘監控指標是指，遠程監控系統與全網時鐘保持同步，由于遠程監控系統會接入GPS時鐘同步網絡，因此遠程監控誤差會在0.1～1 ms。圖像監控指標是指通信電源采用VPN傳輸實時視頻，其中傳輸圖像指標為1 920 K，圖像傳輸速率指標可達30 幀/s。當圖像和監控數據的E1線路傳輸帶寬為128K 6s時，38.4K用于傳輸功率監控，76.8K用于傳輸圖像監控，圖像傳輸速率可以達到1幀/3 s。按照遠程監控的先后順序和級別，依次顯示監控指標，沒有遺漏，超出監控指標，即為故障，起到及時處理問題的作用。

2.3 基于VPN設計遠程監控組網

基于VPN設計3種組網模式。

第一種，連接VPN形成通信虛擬與電話通信的點對點連接。利用現有的監控通信網絡，連接網絡解調器，通過監控畫面與VPN建立連接，實時電話通信，是風險較低的組網模式。

第二種，通過VPN進入虛擬網絡中。這種組網模式利用現實網絡，在通信電源中央與遠程監控設備上各安裝一個網絡解調器，并將通信電源與遠程監控設備接入Internet，通過Internet建立與VPN的聯系。由于VPN是虛擬網絡，是對通信過程進行加密處理或對通信文件進行壓縮處理的網絡模式，同時擁有防火墻與監管設備，防止網絡病毒或有害信息破壞本文設計的系統性能，因此通信安全性更高，成本也在可接受范圍內[10]。

第三種，通過GPS定位實現遠程監控的組網模式。利用無線通信網絡連接遠程監控設備，在無線網絡與監控設備中安裝GPS定位軟件，通過GPS了解雙方的位置，通過網絡通信的方式進行遠程監控。這種組網模式實現程度較低，需要在無線網絡覆蓋的條件下進行，傳輸效率低、監控效果差。3種組網模式的比較如表1所示。

如表1所示，3種組網模式中，第一種與第三種組網模式安全性能偏低，成本也較高，應用條件比較苛刻，遠程監控速度也比較慢。由于通信地點不同，無線網絡不一定會覆蓋，電話也可能出現信號差的可能。第一、第三種組網模式可靠性差，不適用于本文設計的新系統。而第二種組網模式安全性能高，同時擁有防火墻與監管設備，防止網絡病毒或有害信息損害系統性能，且成本較低，適用于任何應用條件，是比較適用于本系統的組網模式。

表1 3種組網模式的比較

3 系統測試

系統測試是系統研發的關鍵流程，通過測試本文設計的監控系統在多個監控頁面的運行情況，驗證系統的性能是否良好。

3.1 測試過程

檢測通信電源是否短路，同時保證整流器與CIP-51微控制器可以正常工作。調試監控指標，連接通信電源網絡后，進入監控頁面。

3.2 測試結果

進入網頁后，可以通過刷新頁面得到實時數據顯示，具體頁面信息如圖1所示。

圖1 通信電源遠程監控頁面

根據圖1可知，本文設計的系統可以在電腦上獲取監控頁面，可以清晰地監測電源電壓、溫度等情況。此系統也可以通過智能手機監測，與電腦得出的監控結果相同，由此可知本文設計的遠程監控系統可以在電腦、手機、終端等頁面，實現多平臺的遠程監控模式，并且可以實時更新監控數據，設備溫度等功能，測試效果良好

4 結 論

本文設計的通信電源遠程監控系統突破了傳統監控系統的限制，通過整流器與CIP-51微控制器等硬件的設計，得到了更加精準的遠程監控設備。同時，建立采集模塊，可以完善遠程監控系統的信息。基于VPN設計的通信電源遠程監控組網，在傳統遠程監控系統的基礎上優化安全性能。同時對新系統進行測試，通過電腦、手機、終端等頁面均能得到監控信息，且內置的刷新功能可以實現實時刷新監控，更加多樣化的遠程監控，提高了遠程監控效率，降低了新系統的開發難度，使系統資源得到最大化的利用。