基于Cortex-M3的多功能樓宇控制系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

吳僑，馬維華，魏金文

0 引言

隨著信息技術(shù)尤其是近幾年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們正在不斷地對“物”的智能化進(jìn)行深入探究。而節(jié)能歷來是社會關(guān)注的一大熱門話題,因此如何做到辦公樓宇有效的節(jié)能控制不僅符合當(dāng)今社會節(jié)能化的需要和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢，更成為公司減少開支的有效手段。而結(jié)合社會關(guān)注的節(jié)能話題，樓宇的智能化節(jié)能控制正成為研究的焦點。如何有效的在低成本的情況下實現(xiàn)樓宇的多功能智能節(jié)能監(jiān)控正是本次設(shè)計的目的。

1 系統(tǒng)的簡介

多功能網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計是樓宇節(jié)能控制系統(tǒng)的一個非常重要的組成部分，該節(jié)點負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程上位機(jī)通訊和采集終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，擔(dān)負(fù)著整個系統(tǒng)的管理和控制。終端節(jié)點并不具備以太網(wǎng)連接功能，由于各終端節(jié)點間是不需要直接進(jìn)行的信息交互的，所以終端節(jié)點與中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點的連接考慮采用RS485通訊協(xié)議的總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此中繼網(wǎng)關(guān)控制節(jié)點的設(shè)計關(guān)系到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點需要通過以太網(wǎng)與上位機(jī)實現(xiàn)通訊，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的控制與數(shù)據(jù)傳輸，因此該節(jié)點必須要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。而這里主要采用LwIP作為TCP/IP協(xié)議棧的一種實現(xiàn)。LwIP是由瑞典計算機(jī)科學(xué)院提出的一個開源的輕量級TCP/IP協(xié)議棧，該協(xié)議棧主要是針對嵌入式領(lǐng)域資源有限的微處理器而提出的輕量型IP協(xié)議，很適合中低端的嵌入式系統(tǒng)使用。同時由于LPC1766資源相對豐富，為了充分利用資源，同時在網(wǎng)關(guān)節(jié)點集中了終端采集模塊的部分功能，并且可以通過繼電器對公司用電系統(tǒng)的直接控制，由此可見多功能智能樓宇節(jié)能控制系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)中繼節(jié)點需要擔(dān)負(fù)很重要的任務(wù)。整體系統(tǒng)設(shè)計，如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

中繼節(jié)點的微處理器采用的是LPC1766，LPC1766是恩智浦公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，集成10/100M Ethernet MAC,CAN通道.SPI接口,I2C接口，ADC轉(zhuǎn)換模塊等，擁有豐富的外圍接口，適用于要求高度集成和低功耗的嵌入式場合，硬件設(shè)計主要包括以太網(wǎng)模塊，RS485模塊，傳感器模塊，繼電器模塊等。

2.1 中繼節(jié)點的傳感器設(shè)計

為了充分利用LPC1766的資源，LPC1766完全可以兼顧終端節(jié)點的采集功能。因此，中繼節(jié)點并不僅僅是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的中繼與協(xié)議的轉(zhuǎn)換，它還實現(xiàn)了信息的采集，從而實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的多功能性。設(shè)計時中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點上集成有溫濕度傳感器，這里采用了DHT11作為溫濕度傳感器，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)熟悉信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。DHT11供電電壓為3-5.5V，濕度測量范圍20-90%RH分辨率為1%RH，溫度部分測量范圍是0～50℃分辨率為1℃，參數(shù)可以符合樓宇節(jié)能控制的應(yīng)用要求。DHT11與LPC1766之間的通信采用單總線的數(shù)據(jù)格式，DHT11的連接原理圖，如圖2所示:

圖2 DHT11原理圖

同時中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點還集成有光敏電阻，光敏電阻采用典型的阻容電路作為光線傳感器，輸出信號經(jīng)過調(diào)理后接入LPC1766的AD轉(zhuǎn)換口，從而實現(xiàn)光線的采集。中繼節(jié)點上還增加了3路繼電器電路，從而實現(xiàn)對電燈，空調(diào)等辦公用電設(shè)備的直接控制。為了保證總線上的電器隔離，繼電器電路采用光電耦合器TLP781來控制繼電器，引出的Con2引腳可以直接接到220V電壓上控制樓宇電器的通斷，從而中繼節(jié)點也可以實現(xiàn)樓宇的節(jié)能控制，其中控制電燈的繼電器電路原理圖，如圖3所示:

圖3 繼電器電路原理圖

2.2 中繼節(jié)點與終端采集節(jié)點的連接

中繼節(jié)點與終端節(jié)點的通訊采用有線的RS485進(jìn)行通信。RS485是由EIA(Electronic Industries Association)為了彌補(bǔ)RS-232通信中所暴露的缺點制定的標(biāo)準(zhǔn)，采用差分平衡系統(tǒng)，提高了傳輸速率，增加了傳輸?shù)木嚯x，并且改進(jìn)了電氣特性是半雙工主從模式的多機(jī)通信系統(tǒng)[1]。這里完全可以實現(xiàn)中繼節(jié)點和終端采集節(jié)點的數(shù)據(jù)交互。終端節(jié)點考慮使用Cortex-M0。終端節(jié)點的設(shè)計除了有網(wǎng)關(guān)節(jié)點集成的基本的溫濕度光線采集傳感器和繼電器電路同時還加入了更加豐富的功能，帶有紅外人體感應(yīng)，煙霧傳感器，并且集成有紅外收發(fā)模塊對空調(diào)進(jìn)行集中的智能節(jié)能控制。整個節(jié)點設(shè)計完全考慮了在低成本的情況下實現(xiàn)樓宇的多功能節(jié)能控制。

2.3 中繼節(jié)點與上位機(jī)的連接

LPC1766包含有功能齊全的10Mbps或100Mbps以太網(wǎng)MAC,因此這里需要外接物理接口收發(fā)器實現(xiàn)物理層的功能，這里選用DM9161AEP單芯片快速以太網(wǎng)PHY該芯片是10/100M自適應(yīng)的以太網(wǎng)收發(fā)器。DM9161AEP通過可變電壓的MII或RMII標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口連接到LPC1766的MAC層，而LPC1766的以太網(wǎng)MAC只具有RMII接口，所以，以太網(wǎng)模塊需要通過RMII和DM9161AEP連接。最后網(wǎng)絡(luò)變壓器采用HR601680來實現(xiàn)中繼節(jié)點的以太網(wǎng)功能[2]，如圖4所示:

圖4 網(wǎng)絡(luò)模塊示意圖

3 軟件的設(shè)計

軟件開發(fā)環(huán)境為keil uvision4，設(shè)計分3各模塊，分別是中繼節(jié)點自身傳感器繼電器模塊，與上位機(jī)通訊模塊，與終端節(jié)點通訊模塊。中繼節(jié)點主要負(fù)責(zé)收集各終端節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，然后傳到上位機(jī)，上位機(jī)可以實時的觀測到各個終端節(jié)點的采集數(shù)據(jù)，并且上位機(jī)可以通過人機(jī)交互界面發(fā)出指令。網(wǎng)關(guān)中繼節(jié)點通過以太網(wǎng)收到指令后進(jìn)行分析，然后自定義一個data_rec數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)把信息轉(zhuǎn)換為RS485數(shù)據(jù)包傳遞到相應(yīng)的終端采集節(jié)點，終端節(jié)點接收到相應(yīng)的控制信息后通過繼電器，紅外發(fā)送單元等來實現(xiàn)樓宇的節(jié)能控制。

3.1 中繼節(jié)點傳感器與繼電器模塊軟件設(shè)計

溫濕度傳感器DHT11一次完整的通訊的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位優(yōu)先，數(shù)據(jù)傳送的順序為“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗和”校驗和等于前四個字節(jié)數(shù)據(jù)相加的末八位。開始由LPC1766發(fā)送一開始信號，再由DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，形成握手后，DHT11開始傳送數(shù)據(jù)，其中每一bit數(shù)據(jù)都以50us低電平開始，高電平的長短決定了數(shù)據(jù)時0還是1，當(dāng)高電平為26us-28us時為邏輯0，當(dāng)高電平維持70us則為邏輯1，這里采用定時器中斷的方式來產(chǎn)生時間基準(zhǔn)來判斷邏輯電平。大約每4秒采集一次溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)過校驗比較后確認(rèn)數(shù)據(jù)無誤再通過以太網(wǎng)傳到上位機(jī)，對于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性由校驗值來確定，在實驗過程中也可以使用邏輯分析儀根據(jù)DHT11的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議來對溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測，觀測結(jié)果，如圖5所示:

圖5 DHT實際測試溫濕度時序圖

將其結(jié)果與程序數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確認(rèn)程序的正確性。對于光線傳感器，直接接入到微處理器的AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采樣分析。這里我們可以設(shè)置一個閾值。當(dāng)溫濕度和光線超出閾值則通過MCU觸發(fā)繼電器模塊進(jìn)行直接的節(jié)能控制。

3.2 通訊協(xié)議裝換模塊的軟件設(shè)計

與終端采集節(jié)點的通訊是通過RS485方式來實現(xiàn)的，網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用中斷的方式接受終端采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)送來時觸發(fā)中斷，接受RS485傳送過來的數(shù)據(jù)，這里由于終端采集節(jié)點需要傳輸多種采集的信息，我們自行定義一個自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存放需要傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的數(shù)據(jù)。中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用中斷方式接受到終端采集節(jié)點的信息后，將數(shù)據(jù)以UDP報文格式進(jìn)行封裝并且發(fā)送到上位機(jī)，如圖6所示:

圖6 UDP數(shù)據(jù)流圖

與上位機(jī)通訊采用LwIP協(xié)議棧來實現(xiàn)，這里考慮使用UDP協(xié)議，圖六是LwIP協(xié)議中UDP數(shù)據(jù)流圖。因為嵌入式系統(tǒng)資源有限，TCP傳輸相對開銷較大，而UDP是簡單和快速的，但同時也是無連接并且不可靠的[3][4]。UDP數(shù)據(jù)不可靠的缺點可以通過UDP的請求-應(yīng)答應(yīng)用來彌補(bǔ)，客戶端發(fā)送一個報文后必須等待服務(wù)器的應(yīng)答，而如果這時有數(shù)據(jù)包丟失了，客戶將永遠(yuǎn)收不到服務(wù)器的應(yīng)答報文，所以客戶端就可以請求重發(fā)報文。這樣我們就可以檢測到丟失的數(shù)據(jù)報并且可以重新發(fā)送該數(shù)據(jù)報[5]。網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù)由udp_Init()負(fù)責(zé)創(chuàng)建UDP進(jìn)程控制塊綁定本地主機(jī)和設(shè)置回調(diào)函數(shù)，

Void udp_recv(struct udp_pcb*pcb,

void(*recv)(void*arg,struct udp_pcb*upcb,

struct pbuf*p,struct ip_addr *addr,u16_t port),

void*recv_arg)

udp_recv用來綁定回調(diào)函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中設(shè)置對接收到的UDP數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，回調(diào)函數(shù)中需要判斷數(shù)據(jù)的目的地址，直接在回調(diào)函數(shù)中根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的終端節(jié)點的地址來判定，如果是傳給自己的數(shù)據(jù)，則送給CPU做相應(yīng)的處理，如果數(shù)據(jù)是傳送給終端節(jié)點的就把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS485需要的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的終端節(jié)點上去。網(wǎng)關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)處理流程圖，如圖7所示:

圖7 網(wǎng)關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流圖

5 結(jié)束語

通過中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點的控制，使得整個樓宇節(jié)能控制可以遠(yuǎn)程化，智能化，中繼節(jié)點的設(shè)計本身也集成部分終端采集和控制功能，使得中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點得以充分利用，通過實踐測試證明系統(tǒng)可以可靠地運行，并且完成終端節(jié)點的遠(yuǎn)程控制。樓宇的用電控制實現(xiàn)了智能一體化，可以為公司節(jié)省一大筆開支。

[1]李朝青,劉艷玲,沈怡麟.單片機(jī)與PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社.2007(2)

[2]周立功.深入淺出Cortex-M3—LPC1700[M].廣州致遠(yuǎn)電子有限公司.

[3]W.Richard Stevens.TCP/IP詳解卷1[M]:協(xié)議.機(jī)械工業(yè)出版社.2009(11)

[4]北京瑞斯康達(dá)科技有限公司.嵌入式TCP/IP協(xié)議在ARM上的實現(xiàn)及其應(yīng)用[J].微計算機(jī)應(yīng)用.2005(11)

[5]Sergio Scaglia.嵌入式InternetTCP/IP基礎(chǔ)、實現(xiàn)及應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社.2008(10)