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引言 多功能無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)關(guān)最初的設計目標是應用在樓宇能源監控系統中。樓宇能源監控系統主要由計量終端(電能、水、燃氣、燃油等智能計量終端)，現場(chǎng)監測網(wǎng)絡(luò )，信息遠程傳輸網(wǎng)絡(luò )，能源監管中心等幾方面組成。無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)關(guān)的功能主要是通過(guò)現場(chǎng)監測網(wǎng)絡(luò )(LON，保留 RS485)對計量終端進(jìn)行數據收集，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )將數據通過(guò)Internet傳送到能源監管中心。本無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)關(guān)也可以作簡(jiǎn)單修改以適應更多的應用場(chǎng)合。 在傳統的樓宇能源監控系統中，現場(chǎng)監測網(wǎng)絡(luò )絕大多數采用串VI通信(RS485)接口和Modbus通信協(xié)議，信息遠程傳輸網(wǎng)絡(luò )也主要通過(guò)有線(xiàn)傳輸的方式將數據傳送到能源監管中心。串口通信(RS485)接口和有線(xiàn)遠程傳輸網(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(chǎng)家產(chǎn)品的通信協(xié)議各不相同、有線(xiàn)遠程傳輸網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)困難等。為了解決上述技術(shù)上存在的問(wèn)題，本設計采用Q2686無(wú)線(xiàn)CPU和LonWorks技術(shù)來(lái)實(shí)現具有遙控、遙測及定時(shí)控制于一體的多功能無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)關(guān)。 1 Q2686無(wú)線(xiàn)CPU介紹 Q2686是Wavecom公司新一代無(wú)線(xiàn)CPU Q26系列的一員，采用ARM9 32位內核的中央處理器，104 MHz，30 MIPS，32 Mb閃存和16 Mb的RAM，2個(gè)模數轉換器，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(zhuān)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的其他插件一起應用，可以方便地進(jìn)行GPS應用開(kāi)發(fā)和TCP／IP的應用開(kāi)發(fā)。 2 LonWorks控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù) LonWorks是由美國Echelon公司開(kāi)發(fā)的一種完整、全開(kāi)放、互操作性強、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(xiàn)、電力線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)(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)，使裝置中的應用程序能在網(wǎng)上對其他裝置發(fā)送和接收報文而無(wú)需知道網(wǎng)絡(luò )拓撲、名稱(chēng)、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(chǎng)家的產(chǎn)品可以很方便的接人到同一個(gè)LonWorks網(wǎng)絡(luò )系統中去。其具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①系統具有開(kāi)放性和互操作性。LonWorks網(wǎng)絡(luò )由節點(diǎn)(即智能控制器)通過(guò)固化在內部的符合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”對等網(wǎng)絡(luò )。開(kāi)發(fā)人員只需將主要精力花在系統應用設計方面，而不需要專(zhuān)門(mén)去實(shí)現和測試傳輸線(xiàn)路和通信系統。 ②分布式無(wú)中心控制。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)靠近現場(chǎng)傳感器和執行機構，每個(gè)節點(diǎn)都能完成控制和通信功能，部分節點(diǎn)故障不會(huì )造成系統癱瘓。多至9個(gè)監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，監控站之間功能完全對等，也可以定義成不同級別。這些特點(diǎn)對系統的調試、維護和穩定性都有著(zhù)重要的意義。 ③系統組態(tài)靈活，開(kāi)發(fā)周期短，應用媒體范圍廣泛。采用不同類(lèi)型的收發(fā)器，可利用雙絞線(xiàn)、光纜、同軸電纜、電力線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)、紅外線(xiàn)等多種媒體進(jìn)行信號傳輸；根據傳輸距離的遠近、傳輸速度和現場(chǎng)設備等具體要求系統，可組成自由拓撲結構或總線(xiàn)型等結構，這些都給系統設計和維護升級改造帶來(lái)極大的方便。 3 系統整體框圖 系統整體框圖如圖1所示，GPRS／LON無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)關(guān)定時(shí)查詢(xún)LonWorks現場(chǎng)監測網(wǎng)絡(luò )上的計量終端的數據，并將數據打包經(jīng)過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、 Internet傳送到監控中心的服務(wù)器上；或者是相反的過(guò)程，監控中心發(fā)出的指令經(jīng)過(guò) Internet、GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送到GPRS／LON無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)關(guān)，GPRS／LON無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)關(guān)將相應的指令經(jīng)現場(chǎng)監測網(wǎng)絡(luò )傳送到具體的某個(gè)計量終端。 
4 無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)關(guān)的硬件設計 GPRS／LON無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)關(guān)硬件包括Q2686無(wú)線(xiàn)CPU、LON雙絞線(xiàn)／電力線(xiàn)通信接口模塊、RS485通信接口、電源單元。圖2為產(chǎn)品設計原理框圖。
4．1 LonWorks通信模塊設計 LonWorks通信模塊作為一個(gè)單獨的部件安裝在設備的主板上，方便插拔。LonWorks通信模塊分Lon-Works雙絞線(xiàn)智能通信模塊或 LonWorks電力線(xiàn)智能通信模塊，LonWorks雙絞線(xiàn)智能通信模塊與LonWorks電力線(xiàn)智能通信模塊設計成接口完全兼容的結構。需要 LonWorks雙絞線(xiàn)接口時(shí)安裝上LonWorks雙絞線(xiàn)智能通信模塊，需要LonWorks電力線(xiàn)接口時(shí)安裝上LonWorks電力線(xiàn)智能通信模塊，接口之間的切換非常方便靈活。 LonWorks雙絞線(xiàn)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(xiàn)智能收發(fā)器、外擴的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)外部存儲器總線(xiàn)，FT 3150收發(fā)器能夠尋址多達58 KB的外部存儲器，其中16 KB的外部非易失性存儲器保留用于存儲LonWorks系統的固件；它支持無(wú)極性的總線(xiàn)型、星型、自由型等拓撲布線(xiàn)結構。LonWorks電力線(xiàn)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(xiàn)收發(fā)器、外擴的RAM、EEPROM等組成。LonWorks電力線(xiàn)智能通信模塊與載波通信耦合電路連接，將通信數據耦合到交流220 V低壓電力線(xiàn)上進(jìn)行數據傳輸。LonWorks通信模塊與Q2686無(wú)線(xiàn)CPU通過(guò)串行口2進(jìn)行通信和數據傳輸。 4．2 Q2686無(wú)線(xiàn)CPU的設計 Q2686模塊內部包含了一個(gè)無(wú)線(xiàn)通信模塊及一個(gè)ARM9 32位內核的中央處理器，32 Mb閃存及16 Mb的RAM，與一些無(wú)線(xiàn)通信模塊需要外擴CPU、閃存、RAM相比，這部分的電路設計比較簡(jiǎn)單。Q2686無(wú)線(xiàn)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／輸出控制單元的設計 本產(chǎn)品設計有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3路開(kāi)關(guān)量輸入進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，通過(guò)遠程命令或定時(shí)設置對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EMC抗干擾能力。 4．4 電源電路的設計 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)裝置的穩定性。本設計中采用的是開(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)生較大的傳導電磁干擾和諧波干擾，對附近的電氣設備造成電磁干擾，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)調整管，提供基帶信號所需要的2．8 V和1．8 V。 5 程序設計 因為硬件分Q2686無(wú)線(xiàn)CPU和LonWorks通信模塊兩大模塊，所以程序設計也相應地分為兩部分，一部分是Q2686無(wú)線(xiàn)CPU內的程序設計，一部分是LonWorks通信模塊內的程序設計。 5．1 Q2686無(wú)線(xiàn)CPU內的程序設計 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，Open AT開(kāi)發(fā)套件提供非常豐富的API接口函數，方便程序員編程。 Q2686無(wú)線(xiàn)CPU內的程序設計按功能又可以分為2部分：一部分是通用的程序設計，包括SIM卡的初始化、讀寫(xiě)設置參數、TCP／IP網(wǎng)絡(luò )連接、數據的 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的數據發(fā)送接收處理程序，與具體的應用相關(guān)。UARTl用于RS485總線(xiàn)的數據發(fā)送及接收處理，主要包括輪詢(xún)RS485計量終端，在收到計量終端返回的數據后，首先進(jìn)行數據的校驗、提取、保存及發(fā)送給監控中心；UART2主要用于和LonWorks通信模塊的通信，也包括數據發(fā)送及接收處理。UART2的數據發(fā)送主要是將監控中心發(fā)送過(guò)來(lái)的指令發(fā)給LonWorks通信模塊，以便監控中心能夠在遠端對LonWorks現場(chǎng)監測網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行控制；UART2的數據接收處理主要是將LonWorks通信模塊送來(lái)的數據進(jìn)行數據的校驗、提取、保存及發(fā)送給監控中心。 5．2 LonWorks通信模塊內的程序設計 LonWorks通信模塊使用了Neuron神經(jīng)元芯片，其程序設計需要使用：Echelon公司LonMaker和 NodeBuilder。兩個(gè)軟件。先使用LonMaker創(chuàng )建LonWorks網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，再對單個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(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(zhuān)門(mén)為Neuron芯片設計的程序設計語(yǔ)言，在標準C的基礎上進(jìn)行了自然擴展，是一個(gè)開(kāi)發(fā)LonWorks應用的有力工具。 LonWorks通信模塊的程序功能主要是輪詢(xún)Lon-Works計量終端，在收到計量終端返回的數據后，首先進(jìn)行數據的提取，然后發(fā)送給Q2686無(wú)線(xiàn) CPU；或者是接收Q2686無(wú)線(xiàn)CPU發(fā)送過(guò)來(lái)的數據，經(jīng)過(guò)解析后發(fā)送到LonWorks現場(chǎng)監測網(wǎng)絡(luò )的某個(gè)計量終端。
結語(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，應用范圍日益廣泛；另外，GPRS無(wú)線(xiàn)數據傳輸十分便捷，隨著(zhù)其資費不斷下調，在監控領(lǐng)域的應用越來(lái)越多。本文中的GPRS／LON無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)關(guān)結合了LonWorks技術(shù)及GPRS無(wú)線(xiàn)數據傳輸技術(shù)，具有很高的應用價(jià)值。 作者：南京北方信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司 陳小英 張進(jìn) 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用》 2009 (6) |
