基于ARM的UPS电源网络监控系统的研究

夏西泉

(重庆电子工程职业学院应用电子学院，重庆401331)

作为不间断电源，UPS 在生产控制、电力变电、各种计算机应用系统中应用非常广泛。近几年来，随着电力电子技术的快速发展，UPS 的功能也日趋完善，一方面表现在自身工作效率的提高，例如功耗降低、谐波得到抑制、功率密度有较大程度提高，从而有助于实现UPS 设备绿色化性能的改造；而另一方面，远程监控与智能故障识别功能的应用也为UPS 的可靠运行提供了有效保障。

传统的UPS 远程监控系统大多以集散控制系统或现场总线结构的形式来构建底层UPS 运行参数的采集体系，用到的大多数技术为CAN 总线或LON-WORK 总线结构[1]。应用现场总线的远程监控系统是因为其通信介质的传输速度已经能够达到支撑工业控制网络的速率，而且结点分散，彼此之间无明显功能约束，成为目前应用最多的一种形式[2]。但是随着无线传输技术的发展，各种以无线传感网为基础数据采集网的通信网络在功能和性能上已不输于现场总线结构，同时，无线传感网具有现场总线结构所无法实现的采集网络拓扑结构灵活，增加或减少监测点简单容易的优点，成为取代现场总线的重要方式。

本文主要针对UPS 系统的各项运行参数，构建了基于无线传感网且在底层设有嵌入式系统的远程数据监控系统。

1 系统总体结构设计

本设计采用ARM Cortex-M3 为主控芯片，对无线传感器各结点所传送过来的检测值进行基础数据的处理，实现对UPS 电源的实时在线监控，其控制系统模块架构如图1 所示。

图1 远程监控系统总体结构图

对于一个功能完善的UPS 监控系统而言，需要对UPS 的整流滤波电路、蓄电池组、充电电路、逆变器电路、校正电路等运行的电流、电压、功率、功率因素、温度、湿度等参数进行数据的采集，采集由无线传感网来完成，采集的数据送入主控芯片，进行前期的数据处理，相关系统的模块框图如图2 所示。

2 系统硬件结构设计

系统硬件主要完成市电及UPS 运行状态信号检测电路的设计。对于市电而言，需要检测的信号有市电的电流、电压、频率、相位；对于UPS 而言，需要检测的信号有UPS 充电电流及电压、输出电流、输出电压及温度、蓄电池组的充放电状态等数据。如图2 所示，系统处理器采用ST 公司推出的基于ARM Cortex-M3 内核的32 位处理器STM32F107，该处理器运行频率为72 MHz，内置256 kB Flash、64 kB SRAM，且有完善的RJ145 网络接口及ZigBee 无线网络通讯接口，具有配置灵活、性能出色、功耗低等特性，能有效地实现UPS 在线监控的功能要求。

图2 监控系统硬件框图

现场信号的采集利用各种传感器节点收集起来，经无线传感网传送至底层汇聚结点，无线传感网采用ZigBee 技术来完成，工作频率为2.4 GHz，收发模块采用CC2530 来担任，各设备之间的通信使用IEEE802.15.4 无线标准，为了保证系统的可靠性，组网方式采用树状结构，根结点设置为协调器，使用分布式地址方案分配网络地址，新加入节点由相应的父结点为其自动分配一个唯一的网络地址；树状结构的各个终端结点均为采集结点，各采集结点将设备的运行数据采集完成后，向上传送给协调器节点，而协调器再将数据向上汇总至主控电路，由STM32F107 完成数据的进一步处理和远程传送。当远程监控中心发送来控制命令时，由STM32F107 主控芯片进行系统命令的分析，并由主控芯片向下将命令发送至网络的协调器节点，协调器节点再将命令传送至控制节点，完成远程控制。

整个网络的构建先从协调器开始，该协调器所辖区内的其他ZigBee 节点作为该协调器的从属终端节点或路由器节点，同时本设计采用通过MAC 层关联的方式来支持新节点的加入。当有新的ZigBee 节点需要加入网络时，该节点首先会主动扫描查找该网络当中所存在的协调器，如果在所规定的扫描期限内没有检测到信道的信标，则表示该网络中没有协调器，在这种情况下可能自行建立自已的协调器，自行组网；如果在扫描期限内检测到信标，就可以进一步获得协调器的有关信息，同时依据协调器相关信息利用发送关联请求命令向协调器发出连接请求。协调器收到请求后立即回复一个确认帧(ACK)，与此同时将节点的连接请求发送至其上层，协调器MAC 层的上层接收到连接指示原语后，根据系统的资源情况决定是否同意新结点的加入，如果同意，则向申请加入节点的MAC 层发送响应，并对其MAC 层进行相应的属性设置。如果系统资源紧张，则申请节点经过一个时间间隔等待后再进行相应的信标扫标。

3 ZigBee路由算法的确定

ZigBee 是一种短距离、低功耗的无线传输技术，为了保证数据传输的安全性和可靠性，本设计采用树状网络(Cluster-Tree)与无线自组网按需平面距离矢量路由协议(AODV)的改进版AODVjr 相结合的路由算法。

按照算法的基本思路，本系统中的网络节点分成四种：协调器(Coordinator)、资源充足节点(RN+)、资源受限节点(RN－)和终端结点(RFD)。具体执行过程是：首先对节点进行扫描，以确定节点的基本性质，如果结点是RN+节点，则采用AODVjr协议进行路由的选择，如果是RN－节点，则转向采用Cluster-Tree 协议进行路由选择。仿真证明，采用Cluster-Tree 和AODVjr 相结合的路由协议在保证分组递交率的情况下，比单独使用其中一种路由协议具有更低的控制开销和平均时延。

4 总结

本系统采用嵌入式技术设计了基于无线传感网的UPS 实时监测系统。该设计采用ARM Cortex-M3 为主控芯片，对无线传感器各结点所传送过来的检测值进行基础数据的处理，保证了系统的可靠性和实时性。同时还对无线传感网的ZigBee的组网形式、路由算法等问题进行了深入的讨论，对实际应用具有良好的参考价值。

[1]刘晓霞.实时在线UPS 电源监控系统硬件设计与分析[J].计算机工程与应用，2013，24：262-263.

[2]季鹏，乔卫民，敬岚，等.嵌入式远程电源监控系统的设计和开发[J].计算机工程，2005(6)：196-198.