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    UPS（uninterruptible power supply）直譯為不間斷電源系統(tǒng)。作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的保護(hù)設(shè)備，它主要起到兩個(gè)作用：（1）為電腦系統(tǒng)提供備用電源，目的是防止電網(wǎng)供電突然斷電造成對重要文件數(shù)據(jù)損害；（2）消除電網(wǎng)供電上的“污染”（包括浪涌、波動、脈沖、噪聲等），使電腦中的電子部件免受摧毀性損壞。而如何確保UPS系統(tǒng)的正常運(yùn)作就成為一門新的課題。監(jiān)測UPS中的電池狀況，UPS機(jī)房的環(huán)境溫度，UPS系統(tǒng)的負(fù)載情況，都將成為確保UPS系統(tǒng)正常工作不可或缺的一部分。

    當(dāng)前是一個(gè)構(gòu)筑在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上的信息化時(shí)代。未來的社會必然是一個(gè)以IP網(wǎng)絡(luò)和IP業(yè)務(wù)為主的信息化社會。通過Internet實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控是一個(gè)非常有前景的想法。這也就是嵌入式Internet技術(shù)的產(chǎn)生背景。嵌入式Internet技術(shù)是以Internet技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)的。該技術(shù)的出現(xiàn)使得各種家用設(shè)備的上網(wǎng)成為可能。如果嵌入式設(shè)備提供WWW，則用戶就可以通過Internet遠(yuǎn)程監(jiān)測各種設(shè)備。

    結(jié)合實(shí)際需要，如何利用Internet方便的實(shí)現(xiàn)對不同的UPS機(jī)房進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測和管理將成為大型UPS系統(tǒng)的基本要求。

    一、概述

    本文提出的基于嵌入式web服務(wù)器的UPS監(jiān)測系統(tǒng)有兩部分組成（見圖１）：測量網(wǎng)和嵌入式web服務(wù)器。其中測量網(wǎng)完成對UPS機(jī)房的監(jiān)測并將測量結(jié)果傳送到嵌入式web服務(wù)器上；嵌入式web服務(wù)器獲取測量結(jié)果并且完成web服務(wù)器功能，使得用戶可以遠(yuǎn)程訪問測量結(jié)果。下面分別介紹這兩部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    二、測量網(wǎng)

    圖2可見，測量網(wǎng)主要由集成測量儀和溫濕度模塊組成，組網(wǎng)方式采用通用的RS-485總線方式。每個(gè)嵌入式web服務(wù)器可以通過RS-485和多臺集成測量儀相連，最多可以掛接32個(gè)集成測量儀；而每臺集成測量儀又可以通過RS-485總線和溫濕度模塊相連，同樣最多可以掛接32個(gè)溫濕度模塊。

圖2 測量網(wǎng)組成原理圖

    集成測量儀主要完成以下幾個(gè)功能：（1）測量UPS電池組電壓和充放電電流；（2）測量配電柜三相電壓和電流；（3）同嵌入式web服務(wù)器進(jìn)行通信；（4）同溫濕度模塊進(jìn)行通信。其中UPS電池組測量和配電柜測量是設(shè)計(jì)方案中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

    考慮到UPS電池組和配電柜的測量比例需要能過靈活搭配且相互之間不影響，故特設(shè)計(jì)通用的總線將UPS電池組測量和配電柜測量模塊化，制成通用的UPS電池組測量卡和配電柜監(jiān)測卡。集成測量儀的設(shè)計(jì)分為：總線板、控制板、UPS電池組測量卡和配電柜監(jiān)測卡。

    控制板完成與嵌入式web服務(wù)器和溫濕度模塊的通信，以及測量各個(gè)板卡所傳遞的信號；而UPS電池組測量卡和配電柜監(jiān)測卡將帶測量的信號轉(zhuǎn)換成芯片可測量的電信號；總線板則控制待測信號進(jìn)入控制板進(jìn)行測量（其中電源模塊設(shè)計(jì)在總線板上）。

    溫濕度模塊用于將測量點(diǎn)的溫濕度參數(shù)通過RS-485傳給集成測量儀。

    通過以上的設(shè)計(jì)，使用者可以根據(jù)具體情況，靈活搭配電池組、配電柜和溫濕度的測量比例，從而滿足不同UPS機(jī)房的需求。

    三、嵌入式web服務(wù)器

    硬件實(shí)現(xiàn)：

圖3 嵌入式web服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)框圖

    嵌入式web服務(wù)器主要芯片有CYGNAL公司的C8051F020芯片、RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片、IS62LV1024L靜態(tài)存儲器、AT45081B FLASH和MAX485。

    C8051F020芯片是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片（SOC），具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。其時(shí)鐘頻率可達(dá)25MHz，最大25MIPS，片內(nèi)具有4kB的SRAM和64kB的Flash，22個(gè)中斷源、串行外設(shè)總線接口SPI、兩個(gè)增強(qiáng)型UART、五個(gè)16位定時(shí)器、可編程技術(shù)器/定時(shí)器陣列、看門狗定時(shí)器以及電源監(jiān)視器等內(nèi)嵌外設(shè)。完全可以滿足本系統(tǒng)的需要。

    RTL8019AS是臺灣Realtek公司制造的全雙工10Mbps以太網(wǎng)控制芯片。該芯片符合ETHERNET 2與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置16KB的SRAM、雙DMA通道和FIFO，支持8/16位數(shù)據(jù)總線和基地址選擇。在本系統(tǒng)中RTL8019AS工作在8位模式下，其中一套DMA用于和C8051F020通信，稱為遠(yuǎn)端DMA，另一套DMA用于內(nèi)部使用，成為本地DMA。微控制器C8051F020通過訪問RTL8019AS上的讀寫指針以判斷是否有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)到達(dá)IS62LV1024L和AT45081B為存儲芯片主要是增加系統(tǒng)的存儲容量；MAX485用于和測量系統(tǒng)通信。C8051F020通過MAX485將測量系統(tǒng)的結(jié)果存儲到本機(jī)，通過RTL8019AS將回應(yīng)來自internet的訪問。

    TCP/IP協(xié)議的簡化：

    結(jié)合工業(yè)測量的需求，嵌入式web服務(wù)器中的TCP/IP協(xié)議的一般都是根據(jù)具體情況進(jìn)行簡化。從而能夠最大限度的節(jié)約硬件的硬件和軟件資源。

    TCP/IP一般采用簡化的四層模型：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。

    應(yīng)用層主要完成一個(gè)對話過程即負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，如HTTP FTP TELNET等協(xié)議，在本系統(tǒng)中結(jié)合自身需要我們只處理HTTP協(xié)議。

    傳輸層是負(fù)責(zé)提供端到端的通信即通過明確定義數(shù)據(jù)通道和特性傳輸數(shù)據(jù)，例如定義網(wǎng)絡(luò)端口，該層協(xié)議由傳輸控制協(xié)議TCP（提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP（提供不可靠的數(shù)據(jù)傳輸）組成。

    應(yīng)用層協(xié)議HTTP使用TCP傳輸控制協(xié)議，故本系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議。

    網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)處理從發(fā)送方到目的地址的路由信息，同時(shí)為建立網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)提供ARP地址解析協(xié)議（用于實(shí)現(xiàn)物理地址和IP地址的映像）和ICMP因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議（傳遞差錯(cuò)報(bào)文以及其他需要注意的信息）。
鏈路層負(fù)責(zé)為不同的網(wǎng)絡(luò)鏈路提供通明的數(shù)據(jù)傳輸，在本系統(tǒng)中該層由RTL8019硬件來實(shí)現(xiàn)。

圖4 精簡TCP/IP協(xié)議棧主要函數(shù)

    上圖為本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)TCP/IP為每一層設(shè)計(jì)的主要函數(shù)。其中，HTTP_SERVER（）為HTTP服務(wù)程序，該程序接收由傳輸層接收的數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收的數(shù)據(jù)決定是否做出響應(yīng)；HTTP_SEND（）將HTML文件發(fā)送到TCP層；TCP_SEND（）和TCP_RCEV（）分別為發(fā)送和接收TCP數(shù)據(jù)；ICMP_RCVE（）和PING_SEND（）用來響應(yīng)因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議；ARP_RESLOVE（）、ARP_RCV（）E和ARP_SEND（）用來實(shí)現(xiàn)IP地址和物理地址的映像和對ARP的響應(yīng)；IP_SEND（）和IP_RCVE（）用來發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)報(bào)；ETH_RCVE（）、ETH_SEND（）、RCVE_FRAME（）和SEND_FRAME（）用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動RTL8019AS接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

    軟件實(shí)現(xiàn)：

    本軟件一方面要實(shí)現(xiàn)web服務(wù)器的功能，其中包括對IP地址的設(shè)置和TCP/IP以及HTTP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)；另一方面要通過RS-485總線從測量網(wǎng)接收測量數(shù)據(jù)，并更新到html文件中，使得用戶可以得到當(dāng)前的測量數(shù)據(jù)。圖5為嵌入式web服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)流程。

圖5 嵌入式web服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)流程

    系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化配置，然后使用CHECK_8019函數(shù)查看RTL8019AS的狀態(tài)。然后根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)確定，調(diào)用那些函數(shù)進(jìn)行處理。系統(tǒng)首先判斷是否有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)到達(dá)，如果是則進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)棧處理。如果不是有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)到達(dá)，則判斷是否TCP傳送超時(shí)（即是否收到TCP_ACK），如果超時(shí)則啟動網(wǎng)頁重傳。如果TCP沒有超時(shí)則判斷是否已有的TCP連接是否已無數(shù)據(jù)傳輸。如果是則關(guān)閉該連接。如果該連接空閑占用并未超時(shí)，則判斷是否ARP傳送超時(shí)。超時(shí)則重傳ARP，否則判斷是否ARP緩存已經(jīng)過時(shí)。如果是，則清除該緩存，否則判斷是否到時(shí)間刷新測量數(shù)據(jù)。并在所有處理之后返回CHECK_8019函數(shù)。

    其中“數(shù)據(jù)進(jìn)棧處理”的流程如圖6所示，首先通過ETH_RCVE（）和RCVE_FRAME（）對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是ARP_PACKET還是IP_PACKET，如果是ARP數(shù)據(jù)則依次經(jīng)過ARP_RCVE（）、ARP_RESLOVE（）、和ARP_SEND（）進(jìn)行ARP響應(yīng)。

    如果是IP數(shù)據(jù)則送往IP_RCVE（），并判斷是TCP_PACKET還是ICMP_PACKET，如果是TCP_PACKET則送TCP_RCVE（）。TCP_RCVE（）根據(jù)接收的數(shù)據(jù)建立連接并將數(shù)據(jù)送往HTTP_SERVER（）。如果是ICMP_PACKET則送PING_SEND。HTTP_SERVER（）響應(yīng)接收到的數(shù)據(jù)并依次調(diào)用發(fā)送函數(shù)，將網(wǎng)頁發(fā)送到請求方。

圖6 數(shù)據(jù)進(jìn)棧處理流程圖

    “讀取測量數(shù)據(jù)”模塊完成以下工作：通過RS-485總線分別從不同的集成測量儀上將測量數(shù)據(jù)取回，并且將網(wǎng)頁刷新。故用戶能夠訪問到當(dāng)前最新測量數(shù)據(jù)。

    四、結(jié)束語

    通過該系統(tǒng)，用戶可以通過internet網(wǎng)遠(yuǎn)程對UPS機(jī)房進(jìn)行監(jiān)控，并且能夠根據(jù)自身系統(tǒng)的需求靈活進(jìn)行系統(tǒng)配置以滿足不同用戶的需求，也可以以此為基礎(chǔ)開發(fā)大型的UPS系統(tǒng)管理軟件。

    參考文獻(xiàn)

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