基于以太網(wǎng)和GPRS的冗余通信電源監(jiān)控系統(tǒng)*

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(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

引 言

隨著能源危機(jī)及環(huán)境污染等問題的日益加劇，新能源的研究已成為各國的研究重點(diǎn)[1]。電源設(shè)備的故障具有緊急性、破壞性等特點(diǎn)，如果電源系統(tǒng)故障的處理不及時(shí)、不可靠，輕則影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，重則會產(chǎn)生嚴(yán)重的次生危害[2]。參考文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種基于TCP/IP的監(jiān)控系統(tǒng)；參考文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種基于GPRS通信的監(jiān)控系統(tǒng)。上述兩種設(shè)計(jì)均未解決當(dāng)以單一網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中若網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)現(xiàn)場數(shù)據(jù)和上位機(jī)數(shù)據(jù)交互中斷問題，其整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步改進(jìn)和提高。

針對單一傳輸網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中斷的問題，為提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，本文以STM32F407ZGT6為主控芯片，同時(shí)結(jié)合以太網(wǎng)和GPRS無線各自的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種具備冗余通信功能的電源監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的整個(gè)構(gòu)架

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)共包括3個(gè)部分：下位機(jī)、現(xiàn)場電氣設(shè)備以及上位機(jī)。其中下位機(jī)一共包括7部分，即MCU部分、以太網(wǎng)通信部分、GPRS無線通信部分、電源部分、LCD部分、I/O數(shù)據(jù)采集部分以及RS485部分。

系統(tǒng)下位機(jī)采用ARM系列STM32F407ZGT6為主控MCU，該芯片擁有1 024 KB FLASH和192 KB SRAM，同時(shí)集成了FPU和DSP指令，并且其芯片上含有豐富的USART、DMA、ADC等資源，特別是擁有3個(gè)12位逐次逼近型的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，并且每個(gè)轉(zhuǎn)換器擁有16個(gè)外部源通道，完全滿足該通信模塊的數(shù)據(jù)交互性能要求。

系統(tǒng)上位機(jī)主要是由一臺PC機(jī)和WICC組態(tài)軟件編寫的監(jiān)控軟件構(gòu)成。通過結(jié)合以太網(wǎng)和GPRS無線，本系統(tǒng)可以有多種通信途徑選擇。下位機(jī)軟件系統(tǒng)則以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μ/COS II為核心，結(jié)合LwIP、GPRS和emWin圖形庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、冗余通信和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)的功能[3]。系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)下位機(jī)以MCU為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要硬件設(shè)計(jì)包括以太網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)、GPRS設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)。

STM32F4系列內(nèi)部集成了網(wǎng)絡(luò)MAC控制器，故只需要外加一個(gè)PHY芯片即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。該通信模塊選擇LAN8720A作為STM32F4的PHY芯片，該芯片采用RMII接口與STM32F4通信，占用I/O較少，且支持auto mdix(可自動識別交叉、直插網(wǎng)線)功能。同時(shí)模塊上集成了一個(gè)自帶RJ45頭(HR92205A)，一起組成一個(gè)10/100M自適應(yīng)網(wǎng)卡。具體以太網(wǎng)核心電路原理圖如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)核心電路原理圖

GPRS無線通信主控芯片采用安信可GSM/GPRS A6芯片。該芯片支持GSM/GPRS四個(gè)頻段，包括850、900、1 800、1 900 MHz；同時(shí)該芯片只要激活GPRS數(shù)據(jù)后，將會永遠(yuǎn)在線不存在掉線問題。其最大下載速率可達(dá)85.6 kbps，最大上傳速率可達(dá)42.8 kbps，該芯片集成兩個(gè)串口，可直接與STM32F407ZGT6串口直接通信。GSM/GPRS A6模塊主要電路原理圖如圖3所示。

圖3 A6模塊電路原理圖

3 冗余通信設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)可通過emWin圖形庫設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面通信方式選擇，下位機(jī)提供的可選通信方式一共三種，即單獨(dú)以以太網(wǎng)或者GPRS無線通信和以太網(wǎng)為主GPRS無線為輔的冗余通信。圖4為下位機(jī)emWin設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面。

圖4 人機(jī)交互界面

以太網(wǎng)采用的是由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)院(SICS)的Adam Dunkels 開發(fā)的一個(gè)小型開源的TCP/IP協(xié)議棧LwIP。LwIP實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用，它只需十幾KB的RAM和40 KB左右的ROM就可以運(yùn)行，這使LwIP協(xié)議適合在低端的嵌入式系統(tǒng)中使用[4]。MCU對LwIP的初始化需經(jīng)過4個(gè)步驟，具體如圖5 LwIP初始化流程圖所示。

圖5 LwIP初始化流程圖

GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)的英文簡稱，是在原來GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，是第二代移動通信技術(shù)(2G)向第三代通信(3G)演進(jìn)的過度技術(shù)，因此也稱為2.5 GHz通信技術(shù)[5]。MCU對GPRS部分一共需經(jīng)過4個(gè)步驟，具體如圖6 GPRS部分初始化流程圖所示。

圖6 GPRS初始化流程圖

作為整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性保證的功能冗余通信，MCU將以太網(wǎng)和GPRS部分初始化完成后，就進(jìn)入循環(huán)檢測環(huán)節(jié)，判定是否由數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，一旦檢測到下位機(jī)有數(shù)據(jù)需要上傳，則MCU進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)判斷決策函數(shù)。

MCU首先檢測LAN8720A芯片是否正常連接即以太網(wǎng)是否存在物理連接物體，若檢測到LAN8720A斷開連接，則MCU自動選擇GPRS與遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；若LAN8720A連接正常，則進(jìn)行TCP/IP連接狀態(tài)檢查，即下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)是否已經(jīng)連接上遠(yuǎn)程上位機(jī)，若檢測失敗，則MCU自動選擇GPRS與遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，反之，若檢測成功，則啟動以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

當(dāng)MCU選擇GPRS進(jìn)行通信時(shí)，若GPRS檢測正常，則啟動GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸，等待數(shù)據(jù)傳輸完成后將以太網(wǎng)部分重置并進(jìn)入下一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送等待循環(huán)；若GPRS檢測不正常，則將以太網(wǎng)部分和GPRS部分都進(jìn)行重置，然后再次嘗試數(shù)據(jù)發(fā)送，直到數(shù)據(jù)發(fā)送正常后進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)發(fā)送等待。

當(dāng)上位機(jī)有數(shù)據(jù)或者指令傳輸至下位機(jī)時(shí)，則默認(rèn)選擇上一次通信的IP地址，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)出后若下位機(jī)返回OK，則代表數(shù)據(jù)發(fā)送正常，反之更換另一種通信方式的IP地址，直到下位機(jī)返回OK。

下位機(jī)冗余決策函數(shù)流程圖如圖7所示。

圖7 冗余決策函數(shù)流程圖

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

西門子SIMATIC WinCC是一款集功能性、開發(fā)性和穩(wěn)定性于一體的優(yōu)秀工程組態(tài)軟件[6]。WinCC是在生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中性系統(tǒng)。它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板[7]。

在WinCC組態(tài)軟件中，其自定義變量用于存儲下位機(jī)上來的數(shù)據(jù)，通過WinCC軟件開發(fā)的功能在設(shè)計(jì)的監(jiān)控界面中顯示出語氣對應(yīng)的變量值，進(jìn)入監(jiān)控軟件后可設(shè)置下位機(jī)與上位機(jī)通信方式以及現(xiàn)場電源參數(shù)和報(bào)警參數(shù)等。

結(jié) 語

[1] 賈景譜,馬媛媛.基于RFID技術(shù)的鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電源技術(shù),2014(11):2049-2050.

[2] 王利霞,康洪波.基于TCP/IP協(xié)議的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2013,37(9):1682-1683.

[3] Alexakis S, Karalis S, Asvestas P. Integrated system for remotely monitoring critical physiological parameters[C]//Journal of Physics:Conference Series,2015.

[4] 何晉, 張一斌. 基于Cortex-M3的嵌入式以太網(wǎng)門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2014(5):52-55.

[5] 李永江,劉敏,鄧海麗.基于GPRS的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電源技術(shù),2013, 37(11):2055-2056.

[6] 田民強(qiáng),劉振興,游輝勝.基于WinCC和VB的排水站監(jiān)控系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2009, 22(5):31-32.

[7] 徐鑫凱,孟祥印,郝夢捷,等.基于GPRS的天然氣調(diào)壓站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用, 2015, 41(10):13-16.