基于嵌入式Web服务器开关设备远程监测系统

沈建位，冯颖姣，陈绪杰，黄晓霞，吕晓蓉

(浙江开关厂有限公司，浙江衢州324000)

基于嵌入式Web服务器开关设备远程监测系统

沈建位，冯颖姣，陈绪杰，黄晓霞，吕晓蓉

(浙江开关厂有限公司，浙江衢州324000)

设计了开关设备远程监测系统，对六氟化硫气体(以下简称SF6)微水密度在线监测，保证开关设备安全运行，方案以LM3S9B90为嵌入式芯片为控制核心，采用传感器组采集SF6气体状态，判断气体泄漏以及微水含量是否超标，并通过移植轻量级IP(LwIP)搭建Web服务器，实现以网页形式远程访问SF6气体状态以及告警等。实验表明:该在线监测系统具有精度高，稳定性强等特点，且满足了低成本下数据远程传输和控制要求。

在线监测;LM3S9B90;六氟化硫;微水;密度

1 引言

SF6气体具有稳定的理化性能、优良的绝缘性能及优异的灭弧性能，在高压开关设备中被广泛使用。SF6气体泄漏的同时，开关设备外部潮气也会渗透进电器设备内部，引起设备内SF6气体中微水含量的增加。但是SF6气体中水分含量严重影响其绝缘情况，会使高压开关设备运行存在安全隐患［2］。目前各个厂家生产的SF6气体中水分含量和密度在线监测系统克服了传统离线检测存在的问题而被广泛使用，但大多数采用RS232或RS485与后台通讯，不能实现远程访问。目前，Internet也开始向工业领域发展，于是能适用于嵌入式设备的微型网络协议栈应用而生。采用LwIP协议栈并将其移植到处理器中，实现在线监测系统与PC机之间实时通信，并可远程访问。

2 系统硬件设计

基于嵌入式Web服务器SF6气体微水密度在线监测系统的整体结构图如图1所示。SF6露微水密度变送器通过三通连接GIS设备密封气室，通过露点传感器、压力传感器、温度传感器采集到气体的参数并经过计算得到气室内SF6气体的微水含量，和密度，将测量的数据通过CAN总线送到集中监控主机，由集中监控主机进行判断处理并显示，做出相应告警，由集中监控主机通过以太网形式将数据传送到PC机，用户只需通过PC机IE浏览器输入IP地址即可查看，查看当前SF6微水含量和气体密度数据，并可查看告警信息，通过参数设置页面可对相应参数进行修改等。

2.1 传感器模块

(1)露点传感器。本系统采用michell密析尔公司的Easidew露点传感器进行露点测量，该传感器具有自校准功能，测量精度较高，非常适合露点在线监测。通过露点传感器可得到气室内SF6气体的露点温度，为了使监测结果具有较强可比性，利用温度传感器和压力传感器测得的实时温度值和压力值，将微水含量值换算到20℃的值。

图1 基于嵌入式Web服务器SF6微水密度在线监测系统整体结构图

根据饱和水汽压的简化公式可得出:

式中，T为SF6气体露点，K;PW为SF6气体在露点T时的饱和水汽压。

则SF6气体实时含水量为:

式中，PSF6为实时SF6气体压力，MPa。

修正到20℃的微水含量为SW20:

式中，SW为实时含水量，μl/L;P20为20℃的SF6气体压力，MPa;PW20为20℃的水蒸气饱和压力，MPa。

(2)温度传感器主要监测SF6气体的温度，计算SF6气体的压力需要温度这个参量，选用TS系列的温度传感器，该传感器采用PT1000薄膜铂电阻为敏感件，线性好，精度高，并且采用全金属密封结构，灌充高绝缘导热弹性硅胶，适合于SF6气体的温度测量场合。非线性误差为±0.3℃，满足本系统设计要求。

(3)考虑到被监测SF6开关设备的绝对压力一般不超过8个大气压，压力传感器选择灵敏度高、耐腐蚀性好、体积小巧、测量范围为0～1MPa的扩散硅压力变送器。在实际工程中，直接监测SF6气体密度难以实现，通常会转化为对其压力的监测，但SF6气体的压力会随温度发生变化。因此，为了准确反映SF6气体压力变化是由漏气还是温度改变引起的，需要通过温度补偿的修正方法，无论外界温度如何变化，始终可计算对应20℃的标准压力，并将该值等效为SF6气体密度与参考值进行比较。SF6气体密度在线监测系统需要采集温度和压力两个特征量，目前最常见的SF6气态方程［2］如下:

式中，P为SF6气体压力，MPa;t为温度，K;ρ为SF6气体密度，kg/m3。系数A、B分别为:

将式(5)、式(6)代入式(4)，密度单位换算成kg/ L，整理可得到关于ρ的三次方程:

用牛顿迭代算法求解式(4)可计算出实时温度的密度值ρ，把ρ和t=293.2K(20℃)代入式(4)，即可算出20℃时的压力值P20，代入(3)式即可算出20℃的微水含量。

2.2 微控制器模块

系统传感器要不断采集SF6气体状态，要求控制芯片具有较高实时处理能力和较高处理能力，因此系统采用具有ARM先进结构的32位CortexTM－M3控制器的单片机。该单片机拥有的丰富的片内资源有效地简化了设计的复杂性，集成了ADC模数转换器模块、CAN控制器以及以太网接口等，减少了外围器件，其运行速度可达80M，保证了采样和数据的快速处理。

2.3 网络通信模块

由于嵌入式系统联网，必须具备TCP/IP协议功能，本系统采用LwIP TCP/IP在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般它只需要几十KB的RAM和ROM就可以运行［1］，本系统选用的LM3S9B90自带以太网控制器。该以太网控制器由完全集成的、具有媒体独立接口(MII)的媒体访问控制器(MAC)和网络物理(PHY)接口。以太网控控制器模块遵循“IEEE802.3”规范，完全支持10BASE－T和100BASE－TX标准。选用带网络变送器RJ45，型号为HR961160C。原理图如图2所示。

2.4 嵌入式WEB服务器技术

嵌入式Web技术是通过Web使嵌入式设备能与终端用户通信的一种界面技术［6］。将网页嵌入设备中，然后再传送至Web浏览器，即形成用户界面。嵌入式系统可存储静态页面信息，也可动态创建页面，以及时向用户反映设备参数的变化［7］。嵌入式Web采用标准的http协议，将页面从嵌入式设备传送至Web浏览器，再将html表单的数据回传给设备。Html网页实现有多种方法，最简单的是利用记事本编辑，采用超文本标记语言(HTML)编写，则可实现想要的网页界面，将JavaScfipt代码嵌入到html文本文件，实现Web服务器与用户动态交互功能。将所有的网页html，jpg图片通过makefsfile运行命令转换成二进制文件供程序调用。

图2 网络通信部分原理图

图3 嵌入式Web服务器工作原理图

3 软件设计

基于嵌入式Web服务器GIS设备气体微水密度在线监测系统软件设计主要包括集中监控主机程序和变送器程序。集中监控主机采用模块化结构，包括数据采样处理模块、变送器与主机通信模块、集中监控主机告警显示模块、集中监控与PC机通信和基于LwIP协议的Web服务器实现等，集中监控主机软件流程图如图4所示。

3.1 LwIP实现嵌入式Web服务端程序

首先利用LwIP的线程创建函数sys_thread_new ()创建http_server线程，http_server利用netconn_new ()创建一个TCP类型netconn的结构体，然后通过netconn_bind()函数将netconn与本地IP地址80端口绑定，具体过程如图5所示，该过程形成一个循环。

图4 集中监控主机软件流程图

4 实验结果

本系统通过网线可以连接到任何PC，而不需要后台软件，只需输入在线监测系统的IP地址，如http:// 192.16.47.99则可打开如下图所示网页，用户可以通过网页查看SF6气体微水含量和密度以及告警信息，用户还可以修改参数等。实验表明:该在线监测系统可以实时监测SF6气体微水和密度，且可远程访问控制。

图5 初始化及监听流程图

图6

［1］韩小涛，尹项根.嵌入式WEB服务器技术及其在电力系统中的应用综述［J］.电网技术，2003，27(5):53－62.

［2］李明芸，江秀臣.组合电器中微水含量在线监测实验研究［J］.2004，30(3):32－33.

［3］宋锦刚.基于TMS320F281 2的SF6气体参数在线监测系统［J］，电工技术，2008(12):57－59.

［4］袁峰，徐洪.采用露点法的SF6微水含量变送器［J］.高压电器，2010，46(12).

［5］李振波，徐丹辉.机电一体化SF6密度变送器［J］.仪表技术与传感器.2009(12):41－43.

［6］谢志文.基于LwIP的嵌入式WEB服务器的设计与实现［J］.桂林电子科技大学学报，2014(4):306－307.

［7］郑希.基于嵌入式Web服务器的无线空气质量监测系统［J］.电子技术应用，2015，41(15):39.

The Switch Equipment Remote Monitoring System Based on Web Service

SHEN Jian-wei，FENG Ying-jiao，CHEN Xu-jie，HUANG Xiao-xia，LV Xiao-rong
(Zhejiang Switchgear Factory Co.，Ltd，Quzhou 324000，China)

In order to ensure the safe operation of the high voltage electrical equipment，the switch equipment remote monitoring system is designed.It mainly monitors SF6gas's moisture content and density The design based on the embedded chip LM3S9B90 uses the sensor groups to acquire SF6gas state to judge alarm，which leakgae and micro-water content.the web server is built by the transplantation of TCP/IP protocol stack LwIP.Then the SF6gas's moisture and density data can be presented for user in web page.The results show the monitoring system but has such advantages as high accuracy，good stability，it also meets the low-cost remote data transmission and under control requirements.

on-line monitoring;LM3S9B90;SF6;micro-water conten;density

TM76

B

1004－289X(2016)04－0030－04

2016－03－24

沈建位(1973－)，男，从事高压电器智能化产品研发;冯颖姣(1983－)，女，硕士，主要从事高压电器智能化产品研发工作。