物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)供電的區(qū)域數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

，，

(海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院 ，煙臺(tái) 264001)

引 言

傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)采集多使用以太網(wǎng)、CAN總線或者RS232、RS422等串行總線[1-2]。與以往的集中式數(shù)據(jù)采集相比，分布式數(shù)據(jù)采集具有系統(tǒng)連接簡(jiǎn)便、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，但仍然存在著數(shù)據(jù)連線繁瑣、供電系統(tǒng)復(fù)雜以及數(shù)據(jù)中心任務(wù)繁重等問(wèn)題。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展為解決這些弊端帶來(lái)了設(shè)計(jì)思路。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，即通過(guò)智能感知、識(shí)別技術(shù)與普適計(jì)算實(shí)現(xiàn)物品與物品之間的信息交換和通信，從而提高用戶體驗(yàn)和交互效率[3-5]。因此，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集方法，從而完成復(fù)雜系統(tǒng)中遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)范圍的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。在本方案中，數(shù)據(jù)采集板以LPC2368微處理器為核心，系統(tǒng)供電采用基于IEEE802.3at[6]標(biāo)準(zhǔn)的PoE+設(shè)計(jì)。LPC2368[7]具有多種串口通道接口，能夠適用于多種串行通信應(yīng)用，PoE+是對(duì)PoE供電標(biāo)準(zhǔn)的提升，除了增加最高功率限額外，還增加了電源管理模式，借此便于控制采集節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，使得系統(tǒng)配置更加簡(jiǎn)單、運(yùn)行更加高效、維護(hù)更加便利。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及實(shí)際運(yùn)行，所設(shè)計(jì)的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備可靠性高、維護(hù)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從功能結(jié)構(gòu)上可以分為兩個(gè)子系統(tǒng)，一是信息子系統(tǒng)，主要完成數(shù)據(jù)采集、信息控制等功能；二是電源子系統(tǒng)，主要是對(duì)分布式節(jié)點(diǎn)提供電力支持，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.1 信息子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信息子系統(tǒng)主要由三部分組成：一是數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，其主要功能是數(shù)據(jù)采集，以及一定的數(shù)據(jù)處理功能；二是數(shù)據(jù)交互中心，負(fù)責(zé)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息交互至數(shù)據(jù)處理中心，完成數(shù)據(jù)的傳遞；三是數(shù)據(jù)處理中心，其主要功能是實(shí)時(shí)處理節(jié)點(diǎn)采集到的信息并進(jìn)行邏輯操作以及控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 信息子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

① 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)以LPC2368微處理器為處理核心，支持多種類型數(shù)據(jù)采集，包括溫濕度感知、光電感知等功能，并且具備一定輸出能力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制。

② 本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交互中心是以PSE交換機(jī)為主體，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳遞以及采集節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)的控制。

③ 本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理中心以PC機(jī)為運(yùn)行載體，接收交互中心傳遞的信息，并向各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)輸出控制信息，系統(tǒng)管理人員亦可通過(guò)該部分觀察節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)以及信息交互過(guò)程。

1.2 電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PoE[8-9](Power over Ethernet)是在現(xiàn)有以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加供電協(xié)議向基于IP的終端設(shè)備提供電源支持的供電技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)省供電布線、提高以太網(wǎng)使用效率等。PoE+技術(shù)是在PoE標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對(duì)網(wǎng)絡(luò)供電性能進(jìn)一步提升，所遵循的是802.3at標(biāo)準(zhǔn)，最大電流為720 mA，支持的終端最大功率為30 W。

圖2 PoE結(jié)構(gòu)組成

PoE系統(tǒng)由供電設(shè)備(PSE)和受電設(shè)備(PD)兩部分組成。PSE作為電源通過(guò)CAT-5線纜向終端供電，一般為具有PoE功能的交換機(jī)；PD通過(guò)以太網(wǎng)接口獲取電源，繼而由PD接口芯片LM5073完成PoE通信任務(wù)以及降壓工作。電源子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

PoE對(duì)所使用的CAT5類線具有以下要求：必須符合IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)，使用Alternative A(線對(duì)1、2和線對(duì)3、6)以及Alternative B(線對(duì)4、5和線對(duì)7、8)的供電模式，并且PSE只能提供一種供電模式，但PD要求必須適用兩種情況。

鑒于PoE以太網(wǎng)交換機(jī)性能，本方案選用Alternative A方式，即信號(hào)與供電共用方式，如圖3所示。

圖3 PoE供電方式選擇

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 信息子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

(1)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

LPC2368是一款基于ARM內(nèi)核的微控制器，其工作頻率為72 MHz、具有512 KB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器；兩個(gè)AHB系統(tǒng)，可以同步進(jìn)行Ethernet DMA、USB DMA以及從片內(nèi)Flash執(zhí)行程序的操作；具有先進(jìn)的向量中斷控制器，支持多達(dá)32個(gè)向量中斷；芯片帶有10位A/D轉(zhuǎn)換器以及4個(gè)通用定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器帶有2個(gè)捕獲輸入引腳和多達(dá)4個(gè)的比較輸出引腳；一個(gè)PWM/定時(shí)器模塊，支持三相電機(jī)控制；為了強(qiáng)化系統(tǒng)穩(wěn)定性，該芯片具有看門狗定時(shí)器，由內(nèi)部RC振蕩器、RTC振蕩器或APB時(shí)鐘計(jì)時(shí)組成。

與其他ARM控制器不同之處在于，LPC2368搭載了豐富的串行接口，方便了接口設(shè)計(jì)。該芯片共包含了1個(gè)10/100 Ethernet MAC、USB 2.0全速接口、4個(gè)UART、2路CAN通道、1個(gè)SPI接口、2個(gè)同步串行端口、3個(gè)I2C接口、1個(gè)I2S接口和MiniBus，可以支持的通信類型包括以太網(wǎng)、CAN、RS232等常見(jiàn)串行通信，大大簡(jiǎn)化了相關(guān)應(yīng)用的程序設(shè)計(jì)。

(2)數(shù)據(jù)處理中心

數(shù)據(jù)處理中心使用VC開(kāi)發(fā)，通過(guò)MSComm控件實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的信息通信，其主程序流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理中心主函數(shù)流程

(3)通信協(xié)議

鑒于數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)具有非聯(lián)網(wǎng)與聯(lián)網(wǎng)兩種狀態(tài)，采集節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具備在聯(lián)網(wǎng)工作狀態(tài)下與數(shù)據(jù)處理中心信息交互以及顯示輸出的功能，在非聯(lián)網(wǎng)工作狀態(tài)下，應(yīng)當(dāng)具備輸出鎖定以及與數(shù)據(jù)處理中心建立握手通信的功能。因此,設(shè)計(jì)通信協(xié)議如圖5所示。

圖5 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

2.2 電源子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

(1)供電設(shè)備

選用內(nèi)置PoE功能的交換機(jī)D-Link DHS-3218MP-AC[10-11]作為PoE系統(tǒng)的供電設(shè)備，其供電性能特點(diǎn)為：

① 兼容IEEE 802.3af和IEEE 802.3at兩種標(biāo)準(zhǔn)的PoE供電方式；

② 交換機(jī)支持PoE端口為1～24，每個(gè)端口最多提供25.5 W電量，支持IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)；

③ 交換機(jī)最大功耗為340 W，具有自動(dòng)發(fā)現(xiàn)功能，如果端口電流超過(guò)800 mA，則自動(dòng)禁用端口；

④ PoE端口遵循PoE+分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)具備電源管理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)PoE端口供電開(kāi)啟與關(guān)閉；

⑤ 交換機(jī)具有端口短路保護(hù)功能，在保持其他端口正常供電的情況下，自動(dòng)斷開(kāi)該端口的供電。

(2)受電設(shè)備

為滿足PoE供電要求，PD端選用美信MAX5941B[12-13]作為受電設(shè)備核心芯片，與PSE端實(shí)現(xiàn)PoE供電協(xié)議的握手。

MAX5941B芯片集成IEEE802.3at技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的用電設(shè)備接口與脈沖寬度調(diào)制控制器，除了支持PoE供電以外，還可通過(guò)外接電源實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓穩(wěn)流功能；具有寬電壓輸入能力，輸入電壓從18 V到67 V；開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)275 kHz，并具備電源工作狀態(tài)輸出接口，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)PD供電狀態(tài)的反饋。

為了滿足數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)各部件的工作電壓要求，PD設(shè)備對(duì)PoE提供的48 V電壓進(jìn)行變壓處理，其中通過(guò)電源模塊PAH350S48-28 LAMBDA[14]實(shí)現(xiàn)48 V到28 V電壓的轉(zhuǎn)換。通過(guò)開(kāi)關(guān)電源芯片CS51411實(shí)現(xiàn)28 V到5 V電壓的轉(zhuǎn)換；通過(guò)AMS1117-3.3芯片實(shí)現(xiàn)5 V到3.3 V電壓的轉(zhuǎn)換。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及系統(tǒng)運(yùn)行

3.1 電源子系統(tǒng)

PoE交換機(jī)上電以后，各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)工作正常，同時(shí)電源子系統(tǒng)可以從PoE+交換機(jī)自帶的電源管理軟件實(shí)時(shí)查詢各個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗功率。在系統(tǒng)正常工作以后，PoE+交換機(jī)的電源管理系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 PSE電源管理系統(tǒng)界面

從圖中可以看出，系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的PoE+供電方案滿足了設(shè)計(jì)要求，并且可以通過(guò)電源管理界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程關(guān)閉和重啟。

3.2 信息子系統(tǒng)

圖7 數(shù)據(jù)采集軟件界面

測(cè)試選用XD18節(jié)點(diǎn)(IP：194.0.8.18)作為信息子系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備，其輸出量信號(hào)為L(zhǎng)ED點(diǎn)陣HDSP-2133，數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送接收數(shù)據(jù)界面以及最終設(shè)備顯示如圖7、圖8所示。

圖8 XD18節(jié)點(diǎn)設(shè)備

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)工作以后能夠正確連接到測(cè)試軟件，并且接收來(lái)自數(shù)據(jù)處理中心的顯示控制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集正確，并且顯示屏顯示數(shù)據(jù)正確。

結(jié) 語(yǔ)