（计算机应用技术专业论文）基于无线局域网的电网环境监测系统开发和研究.pdf

to f s e do nw l a n b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc a 0j i e m a y , 2 0 1 1 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 储摊：彩 日期驯年彳月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 储繇彩 导师签名： 1 5 本章小结7 第2 章系统硬件平台的设计和实现8 2 1 系统功能和硬件设计方案8 2 1 1 系统功能和设备选型8 2 1 2 系统硬件设计方案9 2 2 $ 3 c 2 4 4 0 芯j 9 2 3a d 接口1 2 2 4 信息采集电路设计。l5 2 5w l a n 无线通信设备1 7 2 6 监测终端硬件电路设计。1 7 2 6 1 电源电路设计一17 2 6 2 复位电路设计。18 2 6 3f l a s h 电路设计18 2 6 4u s b 接口电路设计1 9 2 7 本章小结2 0 第3 章系统软件平台构建2 1 3 1 嵌入式lin u x 系统概述2 1 3 2 开发环境搭建。2 2 3 3lin u x 内核移植和定制2 3 3 4 根文件系统构建- 一2 6 3 5w l a n 通信模块构建2 8 3 5 1 无线局域网概述2 8 3 5 。2w l a n 通信模块构建一2 9 3 6 嵌入式lin u x 驱动程序开发3 0 3 6 1 嵌入式lin u x 驱动程序概述一3 0 3 6 2a d 驱动开发31 3 6 3w l a n 驱动开发3 2 3 7 本章小结。3 4 第4 章系统功能实现3 5 4 1 系统概述3 5 4 2s o c k e t 通信3 5 4 3 n e t 平台编程技术3 6 4 3 1 委托和事件技术3 6 基于无线局域网的电网环境监测系统开发和研究 4 3 2 n e ts o c k e t 异步通信3 8 4 4 监测终端系统功能实现一3 9 4 4 1 监测终端功能概述3 9 4 4 2 信息发送。4 0 4 4 3 信息接收。4 l 4 5 监控中心系统功能实现4 2 4 5 1 监控中心功能概述4 2 4 5 2 监测终端管理4 3 4 5 3 信息收发管理一4 5 4 5 4 实时监测管理一4 7 4 5 5 信息管理4 7 4 6 本章小结4 8 第5 章系统功能测试和运行4 9 5 1 系统各项功能测试4 9 5 1 1 电网环境信息采集功能测试4 9 5 1 2 无线局域网通信测试5 0 5 1 3 监控中心多点布控测试。5 1 5 1 4 实时动态监控测试一51 5 2 系统整体功能测试5 3 5 3 本章小结5 3 总结与展望一5 4 参考文献。5 6 致谢5 9 附录 攻读硕士学位期间发表论文和参与项目6 0 硕士学位论文 摘要 电网环境监测工作是贯彻落实电网环境保护的重要手段，为了高效、准确、 实时动态的对分布于各个地方的电网环境敏感点进行监测和控制，就需要一个运 行稳定、传输速率高、处理能力强、可多点布控、界面友好、易于扩展的电网环 境监测系统。 在充分研究了国内外电网监测系统的基础上，根据电网环境监测的实际需要， 论文提出了基于无线局域网和a r m + l i n u x 嵌入式操作系统的电网环境监测系统 解决方案。系统采用高性价比的a r m ( $ 3 c 2 4 4 0 ) 芯片和嵌入式l i n u x 操作系统 构建电网环境监测终端的开发平台。针对监测终端硬件平台裁剪和移植了嵌入式 l i n u x 2 6 3 2 2 内核，构建了y a f f s 根文件系统，移植和开发了a d 转换器、u s b 无线局域网网卡等设备的驱动程序。实现了监测终端应用程序，监测终端根据监 控中心的命令对电网环境信息进行实时采集和处理，把监测到的电网环境信息通 过无线局域网传送到远端监控中心。 电网环境监控中心基于微软n e t 平台和s q ls e r v e r2 0 0 5 数据库进行设计， 采用了n e t 平台的委托技术、事件技术和n e ts o c k e t 异步通信技术实现对大量 监测终端的管理和控制。监控中心主要包括监测信息管理模块、网络通信模块、 监测终端管理模块、监控命令管理模块、实时监测管理模块，可以对电网环境进 行大规模网络布控；根据需要实时绘制监测终端的电网环境折线图；对监测的电 网环境信息进行增删改、查询、统计和报表操作。 测试结果显示：系统受电网环境干扰较小，通信流畅高效，可以满足对电网 环境的实时监测；监测终端可根据实际需要方便的进行裁剪，扩展性好；增加电 网环境监测节点方便快速，组网灵活简单；监控中心界面友好，可以很好的实现 对大量终端的多点布控。 关键词：电网环境监测；无线局域网；a r n + lin u x ：n e t 平台 课题来源：甘肃电力科学研究院兰州理工大学联合培养研究生示范基地 一一甘肃电网环境保护信息管理系统项目( 项目编号：h 1 4 2 0 0 9 0 6 ) 基于无线局域网的电网环境监测系统开发和研究 ! ! ! ! l ；i ；。；。_ i m ；一曼。! e a b s t r a c t t h ew o r kt om o n i t o rp o w e rg r i de n v i r o n m e n ti st h ei m p o r t a n tm e a n st o i m p l e m e n t et h ep o w e rg r i d e n v i r o n m e n t a lc o n s e r v a t i o n i no r d e rt om o n i t o ra n d c o n t r o lp o w e r g r i d e n v i r o n m e n t ss e n s i t i v ep o i n t sl o c a t e di nd i f f e r e n t p l a c e s e f f i c i e n t l y ，a c c u r a t e l ya n dr e a l - t i m ed y n a m i c a l l y , ag r i de n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g s y s t e mi sn e e d e dw h i c hi ss t a b l e ，e f f i c i e n t ，e a s yt oe x p a n d ，a n dh a sg o o dp r o c e s s i n g a b i l i t y ，f r i e n d l yi n t e r f a c e a f t e rs t u d i n gt h ep o w e rg r i dm o n i t o r i n gs y s t e ma th o m ea n da b r o a dw e l l ， a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d so fe n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，as o l u t i o na b o u tp o w e r g r i d e n v i r o m e n tm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s sl a na n da r m + l i n u x e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi s p r o p o s e d t h ep o w e rg r i de n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g t e r m i n a lp l a t f o r mi sb u i l t e db yu s i n gh i g h - p o w e r e da r m ( s 3 c 2 4 4 0 ) c h i pa n d e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m a c c o r d i n gt om o n i t o r i n gt e r m i n a l sh a r d w a r e p l a t f o r m ，e m b e d d e dl i n u xk e r n e l2 6 3 2 2i sc u ta n dt r a n s p l a n t e d ；t h er o o tf i l e s y s t e m y a f f si sb u i l t ；a dd r i v e r ，u s bw i r e l e s sl a n i n t e r f a c ed r i v e ra n do t h e rd r i v e r sa r e t r a n s p l a n t e da n dd e v e l o p e d m o n i t o r i n gt e r m i n a la p p l i c a t i o n i sr e a l i z e d t h e m o n i t o r i n gt e r m i n a lg a t h e r s a n dp r o c e s s e sp o w e rg r i de n v i r o n m e n tm e s s a g eb y r e c e i v i n go r d e r sf r o mt h em o n i t o r i n gc e n t e r , a n dt r a n s m i t st h eg r i de n v i r o n m e n t i n f o r m a t i o nt ot h er e m o t em o n i t o r i n gc e n t e rt h r o u g hw i r e l e s sl a n n e tp l a t f o r ma n ds q ls e r v e r2 0 0 5d a t a b a s ea r ea d o p t e dt od e s i g nt h ep o w e r g r i d e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gc e n t e r i no r d e rt om a n a g ea n dc o n t r o ls om a n y m o n i t o r i n gt e r m i n a l s ，e n t r u s tt e c h n o l o g y , n e tt e c h n o l o g ya n ds o c k e ta s y n c h r o n o u s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya r eu s e d t h ep o w e rg r i de n v i r o n m e n tm o n i t o rc e n t e r m a i n l y i n c l u d e s m o n i t o r i n g i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t m o d u l e ， n e t w o r k c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，m o n i t o r i n gt e r m i n a lm a n a g e m e n tm o d u l e ，m o n i t o r i n go r d e r s m a n a g e m e n tm o d u l ea n dr e a l - t i m em o n i t o r i n gm a n a g e m e n tm o d u l e i tc a nr e a l i z e l a r g e s c a l en e t w o r km o n i t o r ，r e a l t i m ed r a wt h el i n ec h a r to fm o n i t o r i n gt e r m i n a la n d m o d i f y ，i n q u i r y ，s t a t i s t i cp o w e rg r i dm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n t e s t ss h o wt h a tt h e s y s t e m h a sb e e ns l i g h t l yi n f l u e n c e db yp o w e rg r i d e n v i r o n m e n ta n dc o m m u n i c a t e ss m o o t h l ya n de f f i c i e n t l y ；t h em o n i t o r i n gt e r m i n a lc a n b ec o n v e n i e n t l yc u ta n d - e x p a n d e da c c o r d i n gt oa c t u a ln e e d s ；i ti ss i m p e l ya n dn e a t l y t oc r e a t ep o w e rg r i de n v i r o n m e n tm o n i t o rn o d e ；t h em o n i t o r i n gc e n t e rh a sf r i e n d l y i n t e r f a c ea n dc a nw e l lr e a l i z em u l t i p o i n tm o n i t o rf o rag o o dd e a lo ft e r m i n a l s 硕十学位论文 k e yw o r d s ：g r i de n v i r o m e n tm o n i t o r i n g ；w l a n ；a r m + l i n u x ；n e tp l a t f o r m p r o j e c ts o u r c e ：g r a d u a t ej o i n tc u l t i v a t i o nb a s eo fg a n s ue l e c t r i cp o w e rr e s e a r c h i n s t i t u t ea n dl a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g a n s ug r i de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ni n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m p r o j e c t ( n u m b e r s ：h 1 4 2 0 0 9 0 6 ) i i i 图1 1 电网环境监测系统总体结构图6 图2 1 电网环境监测终端硬件框图9 图2 2 $ 3 c 2 4 4 0 内部结构图1 l 图2 3a d 转换器和触摸屏接口功能框图1 3 图2 4l m 3 5 温度传感器外观图1 5 图2 5 温度放大电路1 6 图2 6 低通滤波电路16 图2 7 电源电路设计1 8 图2 8 复位电路设计一18 图2 9f l a s h 电路设计19 图2 10u s bh u b 电路设计2 0 图2 11u s bs l a v e 电路设计2 0 图4 1s o c k e t 通信模型图一3 6 图4 2 监测终端总体流程图4 0 图4 3 监测终端信息发送流程图一4 l 图4 4 监测终端信息接收流程图4 2 图4 5 监控中心功能模块结构图4 3 图4 6 监控命令管理界面一4 6 图4 7 信息管理界面4 8 图5 1w l a n 信息发送界面5 0 图5 2w l a n 信息接收界面5 0 图5 3 监测终端管理界面5 1 图5 4 实时监控温度折线图5 2 图5 5 实时监控可听噪声折线图5 2 i v v 需要占用国土资源，可能会造成一定的水土流失和植被破坏。随着电压等级的升 高，输变电设备的运行对周围居民造成的影响明显增加。例如：在变电站内外和 高压线附近的居民住房周围，如果设备和高压线路工频电磁场过高，会产生较强 的感应电，使居民和工作人员有麻电的不适感觉；无线电场强过高，会影响居民 的电视接收信号，不能和外界进行正常联系；如果高压线路产生的可听噪声超标i 会影响居民正常的生活，特别是在雨天，超标的高压线路常常产生较大的噪声， 并伴随着火花放电，给居民造成一定的心理恐惧。不断增多的电网环境问题不但 使电力经营企业的经济效益受到损失，而且对居民生产生活和整个社会都造成较 大的影响【2 】。环境保护是我国的基本国策，国家发展电力事业的过程中十分的重 视电网环境保护问题，先后出台了一系列的办法、法规和政策，提出了绿色电网、 智能电网等电网发展战略【3 4 】。国家电网公司在各级企业内部都设立了健全的电网 环境保护部门，积极的宣传电网环境保护理念，加大电网环境保护工作人员的培 训力度，建立了专门的环保纠纷处理部门，妥善的处理各种环保纠纷。制定了严 格的电网环境保护监督管理制度，从电网的设计、施工、竣工验收到后期测评， 都严格实行电网环境的环评制度，使电网环境建设严格的按照国家电网环保要求 进行，把电网建设对环境和居民的影响降到最低1 5 】。 在电网建设期间和竣工以后，电力部门要对电网环境进行定期的监测和环评， 对大量的电网环境监测敏感点进行实时的监测和控制，及时的掌握电网环境的状 况。通常来讲，对电网环境监测敏感点的测试指标主要包括以下几个方面：温度、 湿度、工频电场、工频磁场、可听噪声、无线电干扰、风速、振动和污水。在对 电网环境监测敏感点进行监测的过程中用到的各种监测系统将直接影响监测工作 的效率【6 】，监测结果的准确性等各个方面，所以采用一种高效、实时、稳定的电 网环境监测系统是十分必要的，对电网环境的建设具有重要意义。 随着人们生活水平和环保意识的提高，人们对电力的需求不断提高，同时也 对电网环境保护提出了更高的要求，电网环境监测系统是实现电网环境保护最直 接有效的手段之一。随着计算机、通信、控制和电力事业的发展，电网环境监测 系统必将在电网环境保护中发挥越来越重要的作用。其主要意义在于：降低工作 人员的劳动强度，提高电网环境监测的工作效率和工作质量；实现对电网环境的 基于无线局域网的电网环境监测系统开发和研究 实时监测和多点监控：加强电网环境监测的自动化和智能化；有利于建设清洁环 保的现代化电网；积极响应国家的智能电网建设。 1 2 国内外研究发展现状 为了保障电网的安全和经济运行，各种信息系统如调度自动化系统 ( s c a d a e m s ) 、配电网自动化系统( d a ) 和变电站综合自动化系统( s a ) ，电 力市场技术支持系统等在电力系统领域里得到了广泛应用【7 8 ，9 】。随着绿色电网， 智能电网的概念深入人心，各国也都在加强电网环境监测系统的开发和研究，各 大电力公司都纷纷引进各种先进的电网环境监测设备和系统。下面是一些当前被 广泛采用的环境监测设备和系统。 p m m s 0 5 3 a 电磁环境测试仪：该监测设备是由意大利p m m 公司( 现已被德 国n a r d a 公司收购) 生产，p m m 公司是专门研制开发电磁兼容( e m c ) 测试设备的 著名公司，生产的电场、磁场监测仪器和系统具有国际领先水平【1 0 】。p m m s 0 5 3 a 是一套通用型和可扩展型的电磁场监测设备，该设备由不同的电场、磁场探头和 一个带有l c d 大显示屏的便携式小测量器组成；4 个简单的功能键( 根据菜单的 不同选项，可以执行不同的功能和设置) ；内置充电电池、r s 2 3 2 接口和光纤接口； 这套设备还可以和多种附件配合使用，满足不同测试要求l l 。 a w a 6 2 7 0 + d 噪声分析仪：a w a 6 2 7 0 + d 噪声分析仪是我国杭州爱华仪器有限 公司生产，爱华仪器有限公司专业从事声学、噪声、电声和振动测量仪器的研发 和生产，是国内声学测量仪器的主要研制与生产厂家，其生产的环境噪声自动监 测系统达到了国内领先水平。a w a 6 2 7 0 + d 噪声分析仪是精密型噪声测量和频谱 分析仪器，配置不同硬件和软件模块，可按有关国家标准和国际标准进行各种工 业噪声测量和频谱分析、环境噪声测量，以及混响时间测量；大屏幕字符式l c d 显示，有背景光；a c 、d c 及r s 2 3 2 接口至微形打印机或计算机【l 引。 p m m 8 0 5 5 s 固定点电磁辐射监测系统：p m m s 0 5 5 s 固定点电磁辐射监测系统 也是p m m 公司的产品，它代表了当前世界上固定点电磁辐射监测的最高水平， 其强大的功能为用户提供了完美的解决方案。监测网络可由无限量监测子站组成， 由一台个人计算机或g s m 蜂窝电话控制。每一个设备可单独做为一个测量仪器 进行数据采集和分析，同时，不同的设备之间可由一个计算机进行中央管理，下 设无限量子站。每一个设备可通过管理员的手机短信息进行管理，设备可将各种 运行状态通过短信息发送到管理员的手机中【l 引。 在电网环境监测中应用的环境监测设备和系统还有许多，如：英国帕尔莎 ( p u l s a r ) 公司生产的噪声监测设备，德国的n a r d a 公司生产的电磁环境监测设备， 美国格雷沃夫( g r e y w o l f ) 公司生产的空气质量监测设备，意大利p m m 公司生 产的无线电干扰测试仪等。总的来说，在测量精度和功能上，国外的监测设备和 系统要比国内的高一些。这些设备和系统基本可以满足当前电网环境监测的需要， 2 硕十学位论文 曼曼量皇曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼鼍曼蔓鼍曼鼍曼鼍曼= i t m 量寰曼皇曼皇曼曼曼! 蔓曼曼曼曼篁曼鼍量鼍曼曼量皇曼曼曼皇曼曼曼鼍皇曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 但都普遍存在以下的问题：系统功能有限，自动化程度不高；通信功能不完善， 不能进行大规模实时布控；性价比普遍低下。 通过对甘肃部分变电站、输电线路的电网环境监测敏感点的实地监测，作者 掌握了甘肃电力公司的电网环境测量仪器的使用方法，了解了国内外电网环境监 测系统的现状，尤其是对现有测量设备的优点和不足有了更深刻的体验。 1 3 通信系统和监测终端平台选择 现代电力系统是由电力系统、通信系统、控制系统、信息系统和计算机系统 相融合的高度集成的混杂系统，电力系统的监测和控制越来越依赖于通信系统和 计算机系统的可靠运行。通信系统问题在电网环境监测系统中一直是一个难以解 决的问题。除了电网环境本身的特殊性以外，我国的电网环境监测还具有自身的 特点，监测终端设备多样，监测终端数量十分惊人，终端设备变更频繁；电网覆 盖面积巨大，电网环境大多比较恶劣，通信不便；我国的电网环境监测系统还没 有形成统一的标准，大部分是各自为阵。通信系统是监测终端和监控中心的信息 传输通道，通信系统的好坏关系着监测系统的成败。随着计算机和通信系统的发 展，现在可用的通信系统有很多，但是没有一个万能的通信方式可以满足所有的 电网环境监测的需要，应该根据电网环境的实际情况进行通信系统的选择。 目前，电网监测中主要使用的通信方式有五种：人工作业方式、有线网络通 信方式、g s m 短消息方式、g p r s 无线网络通信方式、电力线通信方式。五种通 信方式各有优缺点1 9 , 1 4 】。 人工作业方式：人工作业模式不需要通信网络的建设，监测人员在工作现场 对现场数据进行监测，监测完成后，通过手工把监测信息记录下来供工作人员进 行统计和分析。该模式在当前的电网环境监测中被广泛采用。但这种工作模式有 以下缺点：人工劳动强度大，效率不高；不能有效的防止电磁场对工作人员造成 的影响；没有控制中心，不能多点远程布控，不能进行实时监测和预警；人为因 素较多容易造成错误。 有线网络通信方式：有线网络通信方式中，各种监测设备通过有线方式接入 i n t e r n e t ，根据通信方式的不同主要又分为以太网和光纤网等。监测终端将采集到 的数据通过有线网络实时的传输到远端服务器，工作人员对监测信息进行存储和 分析后可将结果返回给现场工作人员。这种方式是目前主要的远程监测模式。该 种模式传输速度快、数据真实度高，实现了真正意义上的远程实时监测。但该模 式需要大量的网络设备投资，组网、扩充网络不便，另外受一定的地理条件的限 制。 g s m 短消息方式：g s m 是我国使用的通用移动数字通信系统，网络遍布全 国各地。g s m 短消息通信方式利用移动公网的资源，投资少、维护成本低。但是， g s m 短消息一次最多只能传送1 6 0 个字符，不适合大数据量的无线数据传送；而 基于无线局域网的电网环境监测系统开发和研究 且短消息的平均传输时延大、实时性差。 g p r s 无线网络通信方式：g p r s 技术是现在广泛使用的无线远程监测技术， 该技术是在g s m 技术的基础上发展起来的2 5 g 技术。它采用信道复用，使每个 用户永远在线。不仅可以使设备在g p r s 网络内部通信，也可以使它们和i n t e r n e t 网络的设备通信，实现无线网和有线网通信。g p r s 在理论上可以达到1 0 0 k b s 的传输速率，所以对一般传输数据量不是很多的设备可以实现一定的实时监测。 但通信量增大时，信息阻塞严重，信息延迟时间不确定，难以实现对电网环境的 实时监测。 电力线通信方式：电力线通信方式主要是运用电力线传出监测信息，电力线 通信传输速度一般，抗干扰能力差，在通信之前需要在电力线上先附加设备，各 个电压等级通信实现是有差别的，技术难度高。 和一般的监测环境相比，电网环境具有自身的特殊性：需要监测的电网环境 敏感点一般都分布在高压、超高压和特高压线附近，变电站内部和附近，这些地 方不允许随意的铺设电缆和拉扯电线；变电站和输电线路周围一般都具有较高的 电磁场和无线电干扰场强，会对无线通信进行干扰。另外，长期的处于这种环境 之下工作人员的健康可能会受到影响；电网的输电线路所处环境一般比较恶劣， 组网困难；一般来说，电网环境中需要进行电网环境监测的敏感点很多，在一个 敏感点上，需要采集的电网环境指标也很多，例如：温度、湿度、可听噪声、工 频电场、工频磁场、风速等等。当在一个时间段内需要对某一个敏感点的所有环 境监测指标同时进行实时监测时，就需要较高的通信处理速度。 因为在电网环境中一般不允许随意的铺设电缆和拉扯电线，有线网的运用在 电网环境监测中受到了限制。无线网络的发展为电网环境监测系统的发展提供了 新的思考。在众多无线技术中，i e e e 8 0 2 1 l b 因为其2 4 g h z 的工作频率、较高的 传输速度、较远的传输距离和方便的组网方式理所当然成为首选。在电网环境监 测系统中采用基于i e e e s 0 2 1 1 b 的无线通信监测系统具有如下的优点：电网环境 监测敏感点大多位于如下地方：高压线路附近的居民区、变电站内部、变电站附 近，这些地方有线网络获得方便，为无线局域网的应用提供了先决条件；可以到 达有线网络无法到达的地方，拓宽了电网环境监测范围；可以避免工作人员长期 处于高强度的电磁环境之中，有效的保护工作人员的身心健康【7 j j ；无线局域网具 有较高传输速率，可以满足对一个电网环境监测敏感点在一个时间段内对所有的 环境指标同时进行实时监测的需要；降低了工作人员的劳动强度，提高工作效率； 有效的避免了人为误操作，提高了监测数据的准确性；由于无线网卡功耗十分小 ( 最大功耗不超过1 0 0 m w ) ，无线通讯设备和电网环境一般不会对它造成影响。 i e e e s 0 2 1 1 b 采用2 4 g h z 通用频段，电网环境中的工频电磁场和无线电场强对它 的通信干扰很小【1 5 】；i e e e 8 0 2 1 1 b 无线局域网安装容易，使用简便，组网灵活， 可以方便的增减、移除、修改设备，具有较强的可扩充性，可以方便的对网络进 4 硕士学位论文 行扩展：无线局域网组网容易、快速，可以降低成本，提高经济效益；在进行短 距离通信时可以直接应用点对点的通信方式，在进行远距离通信时可借助中继连 入到现有的i n t e r n e t 上，通信方式灵活多变【l 6 。 电网环境监测敏感点需要监测的环境指标有很多( 温度、湿度、可听噪声、 工频电场、工频磁场、无线电场强、风速等等) ，有时候需要对这些电网环境指标 同时进行实时监测，在进行实时监测的同时需要接收和处理来自监控中心的命令 和消息，在这种情况下，监控中心想要对监测终端实现实时的信息监测，监测终 端就需要有较高的通信速度。电网环境监测敏感点的监测终端为了方便用户操作， 需要采用图形化的界面显示，为了完成这种功能，需要强大的c p u 处理能力。电 网环境具有大量的监测敏感点，每个监测敏感点都需要一个监测终端，监测终端 的性价比需要尽可能的高。 在监测终端的支撑平台方面，大部分的电网环境监测设备采用单片机、p l c 和f p g a 构建监测终端支撑平台。这些支撑平台具有以下特点：没有操作系统， 功能单一，处理业务复杂的监测任务比较困难；各个监测终端孤立于互联网之外， 不能很好的得到统一管理；有些监测设备价格昂贵，性价比低。a r m + l i n u x 嵌入 式系统凭借自身的特点能够克服当前各种监测终端支撑平台的不足，为电网环境 监测系统提供理想的监测终端支撑平台。基于a r m 芯片的硬件平台凭借其高性 价比、低功耗和低价格的特点为电网环境监测终端提供了一种很好的解决方案。 嵌入式l i n u x 操作系统是一种开放源码的免费操作系统，效率高，实时性能好； 广泛适用于各种硬件平台，性能稳定，可以根据实际情况进行定制；具有非常完 整的网络结构，对网络中最常用的t c p i p 协议有最完备的支持，方便监测终端 接入互联网，进行多点布控。 当前，中国信息通信产业蓬勃发展，各大电信运营商都加快了3 g 网络覆盖 进程，在3 ( 3 建设的过程中，各大运营商都采用3 g 网络和无线局域网相结合的方 式组网，以弥补3 g 网络的不足，因此各大城市的无线局域网覆盖范围不断扩大， 作为互联网末端的无线局域网的巨大应用前景正在日益显现。中国的3 g 时代已 经来临，这必将对我国的各个行业产生深远的影响。后p c 时代也已渗透到了我 们生活的方方面面，嵌入式系统为我们实现任何时间，任何地点，任何人的通信 愿望提供了强大、灵活的平台支持【r 7 1 。嵌入式系统和无线局域网相结合的电网环 境监测系统迎合了当今的发展形势，正成为电网环境监测系统研究的一个热点， 将为我国电网环境保护事业做出积极贡献。 1 4 系统概述及论文结构 系统主要分为两部分，一部分是电网环境监控中心，一部分是分布于各个电 网环境监测敏感点的监测终端，电网环境的监测敏感点主要位于高压输电线路附 近和变电站内部和附近。电网环境监控中心主要包括监控中心服务器和监测数据 5 基于无线局域网的电网环境监测系统开发和研究 服务器，电网环境监控中心控制和监测分布于各地的电网环境监测终端，根据工 作人员的需要对这些监测终端进行管理和控制。监测终端广泛的分布于电网环境 的各个监测敏感点，根据监控中心的命令，对监测敏感点的电网环境进行监测和 信息传送。监控中心和监测终端是通过无线局域网的通信方式进行通信的，电网 环境监测终端把监测到的信息通过无线局域网传送到因特网上，通过因特网传送 到监测中心服务器；反之，服务器通过因特网把数据传送到无线局域网，通过无 线局域网到达监测终端。快速的无线局域网通信可以满足电网环境信息的实时监 测和管理，监测终端也可以通过以太网的方式和监控中心进行通信，这和通常的 计算机上网方式是一样的。具体的电网环境监测系统总体结构图如图1 1 所示。 监测终甥 监测终端 监测终磺监测终端 图1 1 电网环境监测系统总体结构图 本文各章内容如下： 第一章：绪论。阐述了基于无线局域网的电网环境监测系统的研究背景和意 义，介绍了电网监测系统的国内外研究现状，通过分析现有的电网监测系统应用 现状和优缺点，选择了电网环境监测系统的通信系统和监测终端平台。 第二章：系统硬件平台的设计和实现。根据系统功能和电网环境的具体要求， 设计了硬件系统整体方案，详细介绍了所选用的微处理器芯片$ 3 c 2 4 4 0 、a d 接 口、无线局域网通信设备，搭建了信息采集电路，设计了监测终端硬件电路。 第三章：系统软件平台构建。本章从嵌入式l i n u x 开发环境的搭建、l i n u x 内核的移植和定制、文件系统的构建、w l a n 通信模块构建几部分构建了完整的 电网环境系统软件平台，开发了相关的驱动程序。 第四章：系统功能实现。首先介绍了实现系统功能所使用的计算机技术，重 点讲述了电网环境监测系统的功能和实现。 第五章：系统功能测试和运行。 6 7 基于无线局域网的电网环境监测系统开发和研究 第2 章系统硬件平台的设计和实现 2 1 系统功能和硬件设计方案 2 1 1 系统功能和设备选型 在电网环境中，需要监测的电网环境敏感点主要位于高压输电线路附近、变 电站内部和变电站附近。一般来说，电网环境监测敏感点的数量非常的庞大，例 如：在当前的甘肃电网环境中，将近有一千多个电网环境的敏感点需要监测。每 个电网环境监测敏感点需要设置一个或多个监测终端，该监测终端监测本地敏感 点的电网环境指标( 温度，湿度、可听噪声、工频电场、工频磁场、无线电场强、 风速等等) ，和监测中心进行通信。为了对分布于电网环境各个地方的电网环境监 测敏感点进行实时监测和多点布控，电网环境监测系统应具有如下功能： ( 1 ) 监测终端控制器具有良好的模拟信号接1 3 ，能够快速的将电网环境采集 电路采集到的模拟信号转换成数字信号。 ( 2 ) 一个监测终端需要监测多种电网环境指标，监测终端需要有多路模数转 换通道。 ( 3 ) 监测终端可根据电网环境敏感点的实际情况进行扩展和裁剪。 ( 4 ) 监测终端不仅需要同时对多种电网环境指标进行实时监测，还需要和监 控中心进行通信，监测终端需要具有强大的处理能力和较高的通信速度。 ( 5 ) 监控中心能够对大量的监测终端进行远程的监测和管理，实时动态的显 示监测信息，快速的绘制监测信息折线图。 系统的功能为设备选型和系统的硬件设计提供了基本依据，基于系统功耗、 体积大小和性价比，设备选型如下： a r m 处理器：$ 3 c 2 4 4 0 芯片。 无线网卡：t l w n 3 2 1 g + 5 4 m 无线u s b 网卡。 无线路由器：t l w r 3 4 0 g + 5 4 m 无线宽带路由器。 温度传感器：l m 3 5 。 可听噪声传感器：b r z s l 噪声传感器。 需要监测的电网环境指标虽然有很多，但是每个电网环境监测敏感点有其自 身的实际情况，并不需要对所有的环境指标进行监测。相应的，监测终端也只需 要设计适合于本电网环境敏感点的电网环境采集电路，因为监测电网环境的传感 器价格一般都比较昂贵，这样可以大大的节约成本，发挥a r m + l i n u x 嵌入式系 统易于扩充和裁剪的优势。论文根据甘肃电网白靖1 号电网环境监测敏感点的情 8 硕士学位论文 况，设计了电网环境的温度和可听噪声硬件采集电路，开发了电网环境系统的监 测终端系统。 2 1 2 系统硬件设计方案 系统硬件设计主要包括三部分：监测终端、w l a n 无线通信设备和监控中心。 监控中心硬件由二台接入i n t e r n e t 的高性能计算机组成，一台是监控中心服务器， 一台是监测数据服务器。监控中心的硬件比较简单，系统硬件设计的工作重点主 要是监测终端硬件设计。 电网环境监测终端硬件结构主要包括以下几部分：环境信号采集硬件电路、 a d 转换接口、$ 3 c 2 4 4 0 控制器、外部存储器、电源、实时时钟、t l w n 3 2 1 g + 无线局域网卡、t l w r 3 4 0