基于Web服务器的电网监控系统的设计

摘要：基于三星公司的ARM11芯片S3c6410和可剪裁可移植的Linux操作系统，搭配51单片机构建嵌入式Web服务器，实现对电网的监控。该系统可实现多路电网欠压、过压状态的判定，并实时地采集环境画面和温度，采用TCP／IP通信协议连接到远程计算机上，实现了在远程计算机利用Web页面的方式动态显示电网状态、温度和环境画面等信息的功能。
关键词：ARM；嵌入式系统；Web服务器；电网监控

随着计算机技术的飞速发展，嵌入式系统已经成为计算机技术领域的一个非常重要的组成部分，普遍应用于商业和办公领域的以太网也逐渐进入了控制方面；在工业控制领域，智能设备、仪器仪表和传感器方面均有向嵌入式网络化设备过渡的趋势，所以以太网与监控的结合已经成为一种必然。只要在嵌入式设备中配上网络通讯接口协议，得到TCP／IP协议的支持接入Internet网络，便可实现数据的监测以及共享。而随着经济的迅速发展，用电量剧增，使得对电网的监控提出了更高的要求。
设计了一种电网的远程监控系统，该系统结合51单片机以及嵌入式传感器进行数据采集与处理，组建成一个小型的Web服务器直接将各项数据(包括三相电状态、温度、外界实时画面等)，通过Internet提供给客户机，实现对电网的实时监测与故障诊断功能。该系统配置灵活方便，又很好的实现了资源的共享，具有极为广泛的应用前景。

1 嵌入式技术在电网监控系统中的应用
基于ARM—Web技术的电网监控系统的作用主要是监测各路电网的状态(正常、过压、欠压)以及环境的温度，连同实时画面上传到Inter net网络，用户在获得登陆权限后，就可以远程观测配电柜的各项参数，电网监控系统总体结构框图如图1(注：U1a，U1b，U1c分别为电网U1的a，b，c三相电压，电网U2同U1类似)。

由于各电网的三相电电气特性相似，所以本文只针对其中的一相电展开。
电网的各相电经过电压转换电路、采样调理电路后，得到各相电的状态信息量，51单片机通过对各状态信息量的接收与逻辑判断过程后，将最终的电网状态连同环境温度信息通过485总线一并传给上位机S3c6410，上述电路构成一个节点，通过给上位机搭配另外的节点后，可实现对电网节点网络的监测。上位机S3c6410搭载USB摄像头，可实现对上位机附近外界环境实时画面的捕捉，搭载温度传感器后，实现对上位机环境温度的监测，通过DM9000A芯片和Web服务器实现对以太网的接入，最终远程用户通过浏览器实现对各电网状态及环境各参数的监测。

2 硬件电路设计
2．1 电压转换电路及采样调理电路
设计中省略了大部分电路采用到的A／D采样部分，原因是对于50 Hz频率交流电压电流进行采样，需要较高采样频率(几兆到十几兆赫兹)，通过对此查阅相关资料后得出，DSP以高速的数据能力显得很是优越，但是DSP芯片及其外围电路的成本相比单片机要高很多，综合考虑后，省略了A／D转换部分。之所以不采用将调理过的信号直接接入到ARM芯片上，是为了尽量多的节省ARM芯片上资源。对于三相电网的每一相状态都需要51单片机对应的2个I／O完成，总工需要6个I／O，如果配电柜内存在多个三相电网需要检测，经调理后直接接入ARM芯片，将会占去很多额外的资源，而且不利于长距离的数据传输。

如图2，电网的220VAC电压由R1、R2两端输入，经变压器和分压电阻后，通过调节可变电阻R4，可以最大限度的减小电阻误差或者变压器漏磁等情况带来的偏差，最终在a1端输出10 VAC左右的电压，采样电路接收电压转换电路输出的10V交流电，经两级滤波后，交流电的幅度将变得很平滑，近似直流电，再经分压过程，输入到运算比较器的负极，通过设定电路中各分压电阻以及基准电压的值，当出现过压或者欠压情况时，原酸比较器的输出端将由高电平转为低电平。

通过实验，将过压基准设为4．70±0．01 V，欠压基准设为2．40±0．01 V。
2．2 温度和视频采样电路
温度采集传感器采用PT100，铂热电阻，阻值随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100 Ω，在100℃时它的阻值约为138．5 Ω。其RT曲线图如图4，当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100 Ω，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。常见的PT100感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们由铂丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成。通过对PT100两端电压的采集，经AD0809转换芯片后，接入51单片机，最终实现对节点环境温度的采集。工作原理如图5，具体电路原理不再具体介绍。