基于ARM與GPRS技術(shù)的SCADA系統(tǒng)在風(fēng)光電廠中的應(yīng)用

太陽能和風(fēng)能是公認(rèn)的潔凈資源，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生任何污染，是21世紀(jì)能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要選擇。隨著風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的性能要求也越來越高。

通常應(yīng)用于風(fēng)光發(fā)電廠的監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)一般都是由電力通信專網(wǎng)來保障其通信。但由于風(fēng)光電廠在地理位置上的特殊性、多樣性（通常在邊遠(yuǎn)偏僻地區(qū)），使得某些通信網(wǎng)無法勝任SCADA的要求[1]。

通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)是GSM網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，通過在GSM網(wǎng)絡(luò)上增加SGSN和GGSN兩種數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)設(shè)備以及一些更新軟件來實(shí)現(xiàn)，GPRS網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸以數(shù)據(jù)分組的形式傳送。在國內(nèi)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)目前已基本覆蓋全國所有地區(qū)，因此利用技術(shù)上較為成熟的GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，可對(duì)風(fēng)光發(fā)廠的各個(gè)發(fā)電站進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，這對(duì)提高整個(gè)風(fēng)光電廠的性能具有實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)組成

整個(gè)風(fēng)光電廠的SCADA系統(tǒng)由風(fēng)光發(fā)電站的狀態(tài)參數(shù)采集部分和數(shù)據(jù)處理及傳輸兩部分組成。本文重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)處理及傳輸部分。風(fēng)光電廠SCADA系統(tǒng)如圖1所示。

通過CAN總線與CAN總線適配器的連接，將各個(gè)風(fēng)光發(fā)電站的狀態(tài)參數(shù)傳輸至基于LPC2214的嵌入式系統(tǒng),數(shù)據(jù)經(jīng)處理后由GPRS通信模塊MC39i輸出，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心。反之，監(jiān)控中心也可以將各種操作指令傳送至控制終端，以控制風(fēng)光發(fā)電站的運(yùn)行。本系統(tǒng)的核心部分為“嵌入式GPRS通信模塊”的實(shí)現(xiàn)[2]。

　本系統(tǒng)使用ARM7核微處理器LPC2214，并適當(dāng)對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)資源進(jìn)行擴(kuò)展，通過移植嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ來管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)所使用的GPRS模塊MC39i由西門子公司生產(chǎn),具有使用方便、接口電路簡單等優(yōu)點(diǎn)[3]。GPRS雖支持TCP/IP業(yè)務(wù)，但因?yàn)镸C39i沒有嵌入TCP/IP協(xié)議和PPP協(xié)議，所以需要在基于LPC2214的嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議和PPP協(xié)議，否則系統(tǒng)無法使用GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分組業(yè)務(wù)。

2 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

SJA1000與LPC2214之間的接口電路如圖2所示，主要包含：LPC2214最小系統(tǒng)(未畫出)、CAN通信控制器SJA1000、CAN總線驅(qū)動(dòng)器82C250和高速光電耦合器6N137。LPC2214控制SJA1000的初始化以及對(duì)風(fēng)光發(fā)電站狀態(tài)參數(shù)的接收和發(fā)送。其中，SJA1000的AD0～AD7連接到LPC2214的P2口(DATA0～DATA7),/CS為0時(shí),LPC2214選中SJA1000。SJA1000的/RD、/WR、ALE分別與LPC2214的對(duì)應(yīng)引腳相連，/INT接LPC2214的P0.1腳（外部中斷0）,用于中斷訪問SJA1000。

SJA1000的TX0、RX0通過高速光耦6N137后與82C250的TXD和RXD連接，這樣可較好地實(shí)現(xiàn)本節(jié)點(diǎn)在CAN總線上的電氣隔離，從而增強(qiáng)CAN總節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力。要注意光耦部分電路采用的兩個(gè)電源VCC和VDD必須完全隔離，否則此光耦就失去了意義。本系統(tǒng)中的電源隔離采用了小功率的電源隔離模塊實(shí)現(xiàn)。

另外,通過在82C250的CANH和CANL引腳之間串連60 ?贅的電阻以消除電路中信號(hào)反射等干擾。CANH和CANL與地之間并聯(lián)兩個(gè)30 pF的小電容,可濾除總線上的高頻干擾和一定的電磁輻射。另外，在兩根CAN總線輸入端與地之間分別接了一個(gè)防雷擊管，當(dāng)兩端輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時(shí)，通過防雷擊管的放電可起到一定的保護(hù)作用。

3 基于μC/OS-Ⅱ環(huán)境的多任務(wù)設(shè)計(jì)

3.1 μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)在ARM7核上的移植

移植是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在其他微處理器上運(yùn)行，也就是為特定的CPU編寫特定的代碼。因?yàn)?mu;C/OS-Ⅱ在讀/寫CPU寄存器時(shí),只能通過匯編語言來進(jìn)行,因此在使用μC/OS-Ⅱ時(shí)，針對(duì)具體的CPU，用戶需要用匯編語言編寫與CPU硬件相關(guān)的代碼。

根據(jù)μC/OS-Ⅱ的要求，移植μC/OS-Ⅱ到一個(gè)微處理器的體系結(jié)構(gòu)上需要提供三個(gè)文件：在C語言頭文件OS_CPU.H中，要定義與編譯器無關(guān)的數(shù)據(jù)類型；定義所使用的堆棧數(shù)據(jù)類型以及堆棧的增長方向；定義一些有關(guān)ARM核的軟中斷。在C程序源文件OS_CPU_C.C中，主要是μC/OS-Ⅱ任務(wù)堆棧初始化函數(shù)；在匯編程序源文件OS_CPU_A.S中，主要是時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)、中斷退出時(shí)的任務(wù)切換函數(shù)以及μC/OS-Ⅱ第一次進(jìn)入多任務(wù)環(huán)境時(shí)運(yùn)行最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的函數(shù)。

3.2 系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計(jì)

μC/OS-Ⅱ要求在其上運(yùn)行的應(yīng)用軟件“任務(wù)化”，所以需要按μC/OS-Ⅱ的任務(wù)編寫規(guī)范設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用任務(wù)。按任務(wù)優(yōu)先級(jí)從高到低設(shè)計(jì)如下[4]。

Task0：完成系統(tǒng)各部分（包括MC39i）初始化工作后，采用時(shí)間片的方式進(jìn)行PPP數(shù)據(jù)幀的接收，并完成該數(shù)據(jù)幀的解析。

Task 1：風(fēng)光發(fā)電廠各發(fā)電站狀態(tài)參數(shù)的讀取。
Task 2：UDP數(shù)據(jù)包的接收處理。
Task 3：TCP數(shù)據(jù)包的接收處理。
Task 4：ICMP數(shù)據(jù)包的接收處理（主要是響應(yīng)PING）。
Task 5：針對(duì)UDP數(shù)據(jù)報(bào)中的命令請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)。
Task 6：針對(duì)TCP數(shù)據(jù)報(bào)中的命令請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)（Web服務(wù)器功能）。
系統(tǒng)任務(wù)之間的通信如圖3所示。


3.3 IP數(shù)據(jù)包解析模塊軟件設(shè)計(jì)

IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議的核心，也是網(wǎng)絡(luò)層中最重要的協(xié)議，IP層接收由更低層發(fā)來的數(shù)據(jù)包，并將其發(fā)送到更高層——TCP或UDP層；反之，IP報(bào)也把從TCP或UDP層接收來的數(shù)據(jù)包傳送到更低層，并最終通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無連接傳送數(shù)據(jù)報(bào)。

本系統(tǒng)向監(jiān)控中心傳送的數(shù)據(jù)，需先進(jìn)行TCP/IP協(xié)議的處理，即要求LPC2214實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。其中IP數(shù)據(jù)包的封裝及發(fā)送是通過函數(shù)ip_send( )實(shí)現(xiàn)的，通常此函數(shù)是在PPP協(xié)議處理函數(shù)中被調(diào)用。風(fēng)光發(fā)電站各狀態(tài)參數(shù)在被封裝為UDP數(shù)據(jù)包以后，調(diào)用此函數(shù)進(jìn)行IP協(xié)議格式數(shù)據(jù)封裝,即在IP數(shù)據(jù)報(bào)頭的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中添加IP報(bào)頭信息（其中包括計(jì)算IP報(bào)頭的校驗(yàn)和值）。在封裝好IP包之后，要設(shè)置此IP報(bào)頭數(shù)據(jù)（20 B）的“發(fā)送結(jié)構(gòu)”Send_Ptr，從而與UDP數(shù)據(jù)報(bào)構(gòu)成一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)鏈。

發(fā)送IP報(bào)之前要先得到“發(fā)送信號(hào)量”SendFlag，否則只有掛起當(dāng)前任務(wù)等待此信號(hào)量。一旦得到發(fā)送信號(hào)量，對(duì)該IP報(bào)進(jìn)行PPP協(xié)議數(shù)據(jù)格式封裝，之后再啟動(dòng)MC39i發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后要及時(shí)釋放發(fā)送信號(hào)量。

具體程序如下：

Uint8 ip_send(struct Send_Ptr *TxdData,uint8 * dest_ip,uint8 PROTOCOL)
{//TxdData為存放待傳輸數(shù)據(jù)首指針；dest_ip為目的IP地址首指針；IP包中的下一層
//客戶協(xié)議類型（UDP、TCP）
uint16 CRC;
uint8 Ip_Head[20];
struct Send_Ptr TxdIpData;
uint8 err;
static uint16 FrameIndex=0;
Ip_Head[0]=0x45;
…… //進(jìn)行TCP/IP協(xié)議中的IP數(shù)據(jù)包
//報(bào)頭設(shè)置
Ip_Head[19]=dest_ip[3];
CRC=CreateIpHeadCrc(Ip_Head); //對(duì)IP首部中每16位
//進(jìn)行二進(jìn)制反碼求和
Ip_Head[10]=(CRC0xff00)>>8;
Ip_Head[11]=CRC0x00ff;
TxdIpData.STPTR=TxdData;
TxdIpData.length=20;
TxdIpData.DAPTR=Ip_Head;
OSSemPend(SendFlag,10,err);
//獲取μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)當(dāng)前的發(fā)送權(quán)（得到“發(fā)
//送信號(hào)量”SendFlag)
if(err==OS_NO_ERR) //沒有得到發(fā)送權(quán)（發(fā)送信
//號(hào)量SendFlag），掛起任務(wù)，等待
{
if(ip_mac_send(TxdIpData,dest_ip))
//按照PPP協(xié)議打包數(shù)據(jù)，并啟動(dòng)MC39i
//通信模塊進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)
{
OSSemPost(SendFlag);
//發(fā)送成功，釋放“發(fā)送信號(hào)量”，并返回“1”
return(1);
}
else
{
OSSemPost(SendFlag);
//發(fā)送失敗，釋放“發(fā)送信號(hào)量”，并返回“0”
return(0);
}
}
else
return (0);
}

4 GPRS通信模塊MC39i的應(yīng)用

在本系統(tǒng)中MC39i作為GPRS終端的無線收發(fā)模塊，從TCP／IP模塊接收的IP數(shù)據(jù)包和從基站接收的GPRS分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議處理后再轉(zhuǎn)發(fā)。MC39i提供了9針的標(biāo)準(zhǔn)RS232接口,通過SP3232電平轉(zhuǎn)換芯片與LPC2214的串口相連，進(jìn)行全雙工通信。LPC2214與MC39i的接口如圖4所示。

利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)之前，需要采用PPP協(xié)議將GPRS通信模塊接入Internet。PPP協(xié)議位于數(shù)據(jù)鏈路層，是為在兩個(gè)對(duì)等實(shí)體間傳輸數(shù)據(jù)包連接而設(shè)計(jì)的，使用可擴(kuò)展的鏈路控制協(xié)議LCP來建立，配置和測(cè)試數(shù)據(jù)鏈路。用網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議族NCP建立和配置不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，并且允許采用多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議[5]。在本系統(tǒng)完成啟動(dòng)之后,首先進(jìn)行MC39i的工作頻率等參數(shù)設(shè)置，然后進(jìn)行撥號(hào)與PPP協(xié)商，得到系統(tǒng)本地IP，從而完成GPRS終端的Internet接入。

LPC2214通過RS232串行口控制GPRS模塊，涉及到的軟件包括：MC39i的初始化、登錄GGSN、與監(jiān)控中心的Internet數(shù)據(jù)傳輸。LPC2214對(duì)MC39i模塊的控制采用AT命令，圖5給出了GPRS撥號(hào)上網(wǎng)及PPP協(xié)商軟件流程圖。

當(dāng)GPRS撥號(hào)成功接入Internet后，就可以進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸了。LPC2214將風(fēng)光發(fā)電站的狀態(tài)參數(shù)先進(jìn)行TCP/IP協(xié)議的處理（封裝為IP數(shù)據(jù)包），再經(jīng)RS232串口控制MC39i模塊將所有數(shù)據(jù)封裝成GPRS分組數(shù)據(jù)包并傳送到GPRS無線網(wǎng)絡(luò)[6]。反之，GGSN的回答也可通過串行口進(jìn)入本系統(tǒng)。

在現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上開發(fā)成本較低的風(fēng)光電廠SCADA系統(tǒng)，具有投入少、安裝方便、傳輸可靠、方便遠(yuǎn)程管理等，尤其適合一些邊遠(yuǎn)地區(qū)的風(fēng)光電廠的遠(yuǎn)程監(jiān)控，其實(shí)用意義大。通過對(duì)本系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試，基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離的無線傳輸，具有時(shí)延低、正確率高等優(yōu)點(diǎn)。