引言
多功能無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)是應(yīng)用在樓宇能源監(jiān)控系統(tǒng)中。樓宇能源監(jiān)控系統(tǒng)主要由計(jì)量終端(電能、水、燃?xì)?、燃油?a target="_blank">智能計(jì)量終端),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),信息遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò),能源監(jiān)管中心等幾方面組成。無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)的功能主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(LON,保留 RS485)對(duì)計(jì)量終端進(jìn)行數(shù)據(jù)收集,并通過(guò)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)通過(guò)Internet傳送到能源監(jiān)管中心。本無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)也可以作簡(jiǎn)單修改以適應(yīng)更多的應(yīng)用場(chǎng)合。
在傳統(tǒng)的樓宇能源監(jiān)控系統(tǒng)中,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)絕大多數(shù)采用串VI通信(RS485)接口和Modbus通信協(xié)議,信息遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)也主要通過(guò)有線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳送到能源監(jiān)管中心。串口通信(RS485)接口和有線遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)存在多種不足,如不支持多種通信介質(zhì)、只能是主從式通信、不同廠家產(chǎn)品的通信協(xié)議各不相同、有線遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)布線困難等。為了解決上述技術(shù)上存在的問(wèn)題,本設(shè)計(jì)采用Q2686無(wú)線CPU和LonWorks技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)具有遙控、遙測(cè)及定時(shí)控制于一體的多功能無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)。
1 Q2686無(wú)線CPU介紹
Q2686是Wavecom公司新一代無(wú)線CPU Q26系列的一員,采用ARM9 32位內(nèi)核的中央處理器,104 MHz,30 MIPS,32 Mb閃存和16 Mb的RAM,2個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器,一個(gè)USB 2.0接口,1個(gè)并口,2個(gè)RS232串口,最多可配備44個(gè)GPIO,4頻段(GSM 850/900/1 800/1900 MHz)。Wavecom公司專有的Open AT軟件開(kāi)發(fā)套件,是性能很好的嵌入式蜂窩網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)環(huán)境。通過(guò)Open AT的WIP(TCP/IP協(xié)議棧)插件,可以方便地在產(chǎn)品上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)。WIP插件還可以配合C-GPS插件或Wavecom的其他插件一起應(yīng)用,可以方便地進(jìn)行GPS應(yīng)用開(kāi)發(fā)和TCP/IP的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。
2 LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
LonWorks是由美國(guó)Echelon公司開(kāi)發(fā)的一種完整、全開(kāi)放、互操作性強(qiáng)、可靠性高、成熟的分布式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它支持多種通信介質(zhì),包括雙絞線、電力線、無(wú)線(RF)、紅外(IR)、同軸電纜和光纖。LonWorks技術(shù)的核心是LonTalk通信協(xié)議,該協(xié)議提供一套通信服務(wù),使裝置中的應(yīng)用程序能在網(wǎng)上對(duì)其他裝置發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文而無(wú)需知道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、名稱、地址或其他裝置,所有采用LonWorks技術(shù)的產(chǎn)品都遵循LonTalk通信協(xié)議,因此不同廠家的產(chǎn)品可以很方便的接人到同一個(gè)LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中去。其具有以下優(yōu)點(diǎn):
①系統(tǒng)具有開(kāi)放性和互操作性。LonWorks網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)(即智能控制器)通過(guò)固化在內(nèi)部的符合OSI七層參考模型的LonTalk網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議互聯(lián),組成“Peer to Peer”對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。開(kāi)發(fā)人員只需將主要精力花在系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)方面,而不需要專門(mén)去實(shí)現(xiàn)和測(cè)試傳輸線路和通信系統(tǒng)。
②分布式無(wú)中心控制。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)靠近現(xiàn)場(chǎng)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu),每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能完成控制和通信功能,部分節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)造成系統(tǒng)癱瘓。多至9個(gè)監(jiān)控站可隨意安裝在網(wǎng)絡(luò)的任何位置,并且位置也可以隨時(shí)變換,監(jiān)控站之間功能完全對(duì)等,也可以定義成不同級(jí)別。這些特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試、維護(hù)和穩(wěn)定性都有著重要的意義。
③系統(tǒng)組態(tài)靈活,開(kāi)發(fā)周期短,應(yīng)用媒體范圍廣泛。采用不同類型的收發(fā)器,可利用雙絞線、光纜、同軸電纜、電力線、無(wú)線、紅外線等多種媒體進(jìn)行信號(hào)傳輸;根據(jù)傳輸距離的遠(yuǎn)近、傳輸速度和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等具體要求系統(tǒng),可組成自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或總線型等結(jié)構(gòu),這些都給系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)升級(jí)改造帶來(lái)極大的方便。
3 系統(tǒng)整體框圖
系統(tǒng)整體框圖如圖1所示,GPRS/LON無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)定時(shí)查詢LonWorks現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)量終端的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)打包經(jīng)過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、 Internet傳送到監(jiān)控中心的服務(wù)器上;或者是相反的過(guò)程,監(jiān)控中心發(fā)出的指令經(jīng)過(guò) Internet、GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到GPRS/LON無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)關(guān),GPRS/LON無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)將相應(yīng)的指令經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳送到具體的某個(gè)計(jì)量終端。
4 無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)
GPRS/LON無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)硬件包括Q2686無(wú)線CPU、LON雙絞線/電力線通信接口模塊、RS485通信接口、電源單元。圖2為產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理框圖。
4.1 LonWorks通信模塊設(shè)計(jì)
LonWorks通信模塊作為一個(gè)單獨(dú)的部件安裝在設(shè)備的主板上,方便插拔。LonWorks通信模塊分Lon-Works雙絞線智能通信模塊或 LonWorks電力線智能通信模塊,LonWorks雙絞線智能通信模塊與LonWorks電力線智能通信模塊設(shè)計(jì)成接口完全兼容的結(jié)構(gòu)。需要 LonWorks雙絞線接口時(shí)安裝上LonWorks雙絞線智能通信模塊,需要LonWorks電力線接口時(shí)安裝上LonWorks電力線智能通信模塊,接口之間的切換非常方便靈活。
LonWorks雙絞線智能通信模塊主要由神經(jīng)元芯片FT 3150核心處理器、FT-X1雙絞線智能收發(fā)器、外擴(kuò)的RAM、EEPROM組成。FT 3150智能收發(fā)器有1個(gè)20 MHz神經(jīng)元3150核心、O.5 KB的EEPROM和2 KB的RAM。通過(guò)外部存儲(chǔ)器總線,F(xiàn)T 3150收發(fā)器能夠?qū)ぶ范噙_(dá)58 KB的外部存儲(chǔ)器,其中16 KB的外部非易失性存儲(chǔ)器保留用于存儲(chǔ)LonWorks系統(tǒng)的固件;它支持無(wú)極性的總線型、星型、自由型等拓?fù)洳季€結(jié)構(gòu)。LonWorks電力線智能通信模塊是由神經(jīng)元芯片PL3150核心處理器、PLT-22電力線收發(fā)器、外擴(kuò)的RAM、EEPROM等組成。LonWorks電力線智能通信模塊與載波通信耦合電路連接,將通信數(shù)據(jù)耦合到交流220 V低壓電力線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。LonWorks通信模塊與Q2686無(wú)線CPU通過(guò)串行口2進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。
4.2 Q2686無(wú)線CPU的設(shè)計(jì)
Q2686模塊內(nèi)部包含了一個(gè)無(wú)線通信模塊及一個(gè)ARM9 32位內(nèi)核的中央處理器,32 Mb閃存及16 Mb的RAM,與一些無(wú)線通信模塊需要外擴(kuò)CPU、閃存、RAM相比,這部分的電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。Q2686無(wú)線CPU模塊使用100針的接口與印刷電路板連接,主要引出電源、UART、USB、SIM卡、RTC、I/O口等引腳。
4.3 輸入/輸出控制單元的設(shè)計(jì)
本產(chǎn)品設(shè)計(jì)有3路光電隔離開(kāi)關(guān)量輸入和3路光電隔離繼電器輸出,通過(guò)通用I/O口對(duì)3路開(kāi)關(guān)量輸入進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),通過(guò)遠(yuǎn)程命令或定時(shí)設(shè)置對(duì)3路繼電器輸出進(jìn)行控制;輸入/輸出光電隔離并在輸入和輸出端口處增加Y電容和壓敏電阻增強(qiáng)EMC抗干擾能力。
4.4 電源電路的設(shè)計(jì)
電源是裝置中非常重要的部分,電源性能的好壞將直接影響整個(gè)裝置的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)中采用的是開(kāi)關(guān)電源。由于開(kāi)關(guān)電源的功率開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生較大的傳導(dǎo)電磁干擾和諧波干擾,對(duì)附近的電氣設(shè)備造成電磁干擾,因此在開(kāi)關(guān)電源中增加抗干擾和抑制干擾產(chǎn)生的措施是十分必要的,如在輸入端增加共模電感,Y電容、 X電容,在輸出端增加LC濾波電路等措施。
在GSM/GPRS脈沖發(fā)射模式下,電源應(yīng)該能夠在瞬間釋放很高的電流峰值,為射頻部分提供3.6 V的電壓,3.6 V的電壓經(jīng)過(guò)若干個(gè)調(diào)整管,提供基帶信號(hào)所需要的2.8 V和1.8 V。
5 程序設(shè)計(jì)
因?yàn)橛布諵2686無(wú)線CPU和LonWorks通信模塊兩大模塊,所以程序設(shè)計(jì)也相應(yīng)地分為兩部分,一部分是Q2686無(wú)線CPU內(nèi)的程序設(shè)計(jì),一部分是LonWorks通信模塊內(nèi)的程序設(shè)計(jì)。
5.1 Q2686無(wú)線CPU內(nèi)的程序設(shè)計(jì)
使用Wavecom公司提供的Open AT開(kāi)發(fā)套件,用Open AT project wizard創(chuàng)建工程項(xiàng)目,其中可以選擇Eclipse或VC作為開(kāi)發(fā)環(huán)境。編程主要使用Open ATAPI函數(shù),Open AT開(kāi)發(fā)套件提供非常豐富的API接口函數(shù),方便程序員編程。
Q2686無(wú)線CPU內(nèi)的程序設(shè)計(jì)按功能又可以分為2部分:一部分是通用的程序設(shè)計(jì),包括SIM卡的初始化、讀寫(xiě)設(shè)置參數(shù)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)的 TCP/IP發(fā)送接收等,其程序流程如圖3所示;一部分是UARTl和UART2的數(shù)據(jù)發(fā)送接收處理程序,與具體的應(yīng)用相關(guān)。UARTl用于RS485總線的數(shù)據(jù)發(fā)送及接收處理,主要包括輪詢RS485計(jì)量終端,在收到計(jì)量終端返回的數(shù)據(jù)后,首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、提取、保存及發(fā)送給監(jiān)控中心;UART2主要用于和LonWorks通信模塊的通信,也包括數(shù)據(jù)發(fā)送及接收處理。UART2的數(shù)據(jù)發(fā)送主要是將監(jiān)控中心發(fā)送過(guò)來(lái)的指令發(fā)給LonWorks通信模塊,以便監(jiān)控中心能夠在遠(yuǎn)端對(duì)LonWorks現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制;UART2的數(shù)據(jù)接收處理主要是將LonWorks通信模塊送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、提取、保存及發(fā)送給監(jiān)控中心。
5.2 LonWorks通信模塊內(nèi)的程序設(shè)計(jì)
LonWorks通信模塊使用了Neuron神經(jīng)元芯片,其程序設(shè)計(jì)需要使用:Echelon公司LonMaker和 NodeBuilder。兩個(gè)軟件。先使用LonMaker創(chuàng)建LonWorks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),再對(duì)單個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用NodeBuilder。開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序的編寫(xiě)。編程語(yǔ)言使用Neuron C語(yǔ)言,這是一種專門(mén)為Neuron芯片設(shè)計(jì)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,在標(biāo)準(zhǔn)C的基礎(chǔ)上進(jìn)行了自然擴(kuò)展,是一個(gè)開(kāi)發(fā)LonWorks應(yīng)用的有力工具。 LonWorks通信模塊的程序功能主要是輪詢Lon-Works計(jì)量終端,在收到計(jì)量終端返回的數(shù)據(jù)后,首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取,然后發(fā)送給Q2686無(wú)線 CPU;或者是接收Q2686無(wú)線CPU發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)解析后發(fā)送到LonWorks現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)計(jì)量終端。
結(jié)語(yǔ)
LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的先進(jìn)性使其最近幾年的發(fā)展非常迅速,應(yīng)用范圍日益廣泛;另外,GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸十分便捷,隨著其資費(fèi)不斷下調(diào),在監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多。本文中的GPRS/LON無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)結(jié)合了LonWorks技術(shù)及GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
責(zé)任編輯:gt
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