建筑電氣監控系統中智能網關的設計

吳　格,　易茂祥,　王春華,　吳友杰,　楊小平,　胡樂佳

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥　230009)

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建筑電氣監控系統中智能網關的設計

吳格,易茂祥,王春華,吳友杰,楊小平,胡樂佳

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥230009)

文章設計開發了一種用于建筑電氣監控系統的智能網關模塊。該模塊設計以STC12C5A60S2微控制器為核心,采用基于電力線的L-N現場總線接口電路,支持與監控局域網絡的通信;采用USB接口芯片PDIUSBD12和集成Wi-Fi模塊HLK-RM04,支持USB和Wi-Fi通信。網關模塊能實現下層的監控局域網絡通信協議與上層的USB或Wi-Fi通信協議之間的轉換,支持監控服務器或智能手機客戶端對連接下層現場總線節點模塊電氣設備的監控。實驗與應用測試表明,該文設計的網關模塊可靠性和實時性高,可以滿足所開發的智能建筑電氣監控系統的應用需要。

智能網關;接口;現場總線;USB協議;Wi-Fi通信

計算機、信息和控制技術的廣泛應用給整個社會帶來了巨大變化,同時也推動了智能建筑的飛速發展。智能建筑通常以通訊自動化(communication automation,CA)、樓宇自動化(building automation,BA)和辦公自動化(office automation,OA)為3大基本構成,簡稱3A[1]。樓宇自動化系統也就是建筑電氣自動化系統,是智能建筑的主要組成部分之一,以實現建筑物內設備與建筑環境的全面監控與管理,使各子系統設備始終在有條不紊、協同一致和高效的狀態下運行,為使用者營造一個舒適、安全、節能、高效、便捷的工作生活環境。現場總線作為建筑電氣通信網絡的基礎,溝通了現場控制設備之間以及與更高控制管理層之間的聯系[2-3]。

網關被稱為網間協議轉換器,用于實現不同通信協議的網絡之間的互連。基于建筑電氣的智能網關可以將現場總線控制系統進行集成,實現對底層電氣設備的近遠程控制與管理,在保障建筑安全方面起著重要作用,是實現智能樓宇必不可少的設備,因此對建筑電氣智能網關進行研究具有重要的意義[4-9]。

本文在基于電氣局域監控總線即L-N(local-monitoring-Network)總線[10]的基礎上,設計開發了能夠實現總線網絡與監控平臺數據交互的智能網關。該智能網關不僅為本地監控平臺近程控制底層總線設備提供了依據,而且為實現遠程終端對本地的監管提供了解決方案。

1　監控系統總體結構

L-N總線系統框架如圖1所示。總線由3根普通的銅芯電線構成,分別為電力火線、零線和數據線,總線通信以零線作為通訊信號的參考地線。底層系統中有多個節點,每個節點由主模塊、開關模塊及繼電器模塊組成,節點和節點通過L-N總線耦合,根據協議規定,底層網絡中最多含有250個節點。

圖1　L-N總線系統架構

網關模塊作為中間橋梁,對下層支持L-N總線接口,對上層支持USB總線接口,可以通過USB電纜線連接到本地服務器實現近程監控,PC客戶端可以通過Internet連接本地服務器實現遠程監控。另外網關模塊還可以擴展Wi-Fi功能,支持手機客戶端的監管。網關模塊主要用于完成本地總線與USB總線以及Wi-Fi串行總線之間的協議轉換,起到連接底層總線系統和上層監控平臺的作用。

2　網關模塊硬件設計

2.1總體電路設計

網關模塊整體硬件電路如圖2所示,主要有網關模塊主電路和Wi-Fi擴展電路。網關模塊主電路由電源轉換和總線驅動電路、MCU電路以及USB接口電路等組成。Wi-Fi擴展電路由開關電源和Wi-Fi功能模塊組成。

電源轉換電路和總線驅動電路是網關設計的重點之一,采用與主模塊相同的設計方案,以保證網關模塊與總線的兼容性,相當于網關模塊是一個特殊的節點,只需要為其分配1個特殊的ID地址即可。電源轉換電路為節點提供總線驅動電平和+5 V直流電源。總線驅動電路主要功能是實現TTL電平與總線驅動電平之間的轉換。此外總線驅動電路和MCU電路之間采用光耦電路進行隔離,因總線以零線作為參考地線,所以要防止電力零線通過USB接口給監控PC端帶來的不安全因素。

圖2　網關模塊硬件電路連接

網關模塊所采用的微控器型號為STC12C5A60S2,它具有2個UART口資源，分別用于總線接口電路和Wi-Fi串行接口電路。

USB接口電路為微控制器和監控PC的USB通信提供硬件支持,并為微控器及其外圍電路提供5 V直流電源。本文設計中所采用的USB接口芯片為PDIUSBD12,它是Philips半導體公司生產的一款通用USB接口芯片,支持USB1.1協議(低速模塊1.5 Mb/s,全速模式12 Mb/s)。PDIUSBD12與微控制器之間的連接示意圖如圖3所示,通過D0～D7與STC12C5A60S2的P1口8位并行數據接口進行數據交換;INT為中斷請求端口和微控制器的外部中斷0(INT0)端口進行連接;WR、RD 和A0分別為讀選通、寫選通端口和地址標志端口,與微控制器3個普通I/O口進行連接即可。

Wi-Fi模塊使用深圳海凌科電子公司推出的低成本高性能嵌入式HLK-RM04模塊，該模塊是基于通用串行接口并符合網絡標準的嵌入式模塊，內置TCP/IP協議棧,能夠實現用戶串口、以太網、無線網(Wi-Fi)3個接口之間的任意透明轉換。傳統的串口設備(MCU或者PC機)即可實現與該模塊傳輸數據,為基于手機客戶端實現近程控制的C/S模式奠定了基礎,此外該模塊還可以通過Internet 網絡傳輸數據,為基于手機客戶端實現遠程控制的B/S模式提供了解決方案。

圖3　USB接口電路與MCU的連接圖

電源切換電路使得微處理器的供電方式變得更加多樣。電路如圖4所示,在USB電纜線供電時,PMOS管導通,MCU與USB接口電路均使用USB供電;外部電源(開關電源)接入后,通過肖特基二極管給MCU和Wi-Fi模塊供電,PMOS管被截止,而且PMOS管內部寄生二極管的這種接法,避免了外部電流通過USB倒灌向PC機而產生不必要的隱患。2種供電方式的切換,增加了網關模塊的靈活性和供電方式的互補性。

圖4　電源切換電路

2.2Wi-Fi擴展板

將Wi-Fi功能模塊從網關主電路上獨立出來,并在Wi-Fi電路中增加了開關電源,一方面是為了滿足客戶的不同需求,降低不必要成本;另一方面是因為Wi-Fi模塊的功耗較大,Wi-Fi模塊和MCU及其擴展電路消耗的功率已經大于PC機的USB輸出功率。下面簡單介紹驗證過程。

采用同一電腦USB口供電進行測試,Wi-Fi模塊和MCU及其擴展電路分別單獨工作時均正常,兩者同時工作時測量電壓值約為4.15 V,滿足工作條件,但是USB接口電路出現斷開連接的情況。經查找Wi-Fi功能模塊的主芯片RT5350f的數據手冊發現,接收和發射數據瞬間功耗較大。讓Wi-Fi模塊不斷地收發數據,并使用電子示波器捕捉電壓波形,測試結果發現,電壓最小值有低于3 V的現象。電腦USB口電壓輸出方式采用的是開關電源,而開關電源超過其最大輸出電流后,輸出電壓會急劇下降,所以推測Wi-Fi模塊工作時消耗功率過大,拉低了電腦USB的輸出電壓,從而導致MCU和PDIUSBD12芯片復位或重啟。為此采用外部直流穩壓電源進行多次測試,發現將電流值調節到800 mA以上,不會再出現USB模塊與電腦斷開連接的情況,且各模塊均能正常工作。

重新設計一個外置的開關電源給Wi-Fi模塊供電,讓其輸出的最大電流達到800 mA以上,考慮客戶對產品的不同需求,將Wi-Fi模塊和開關電源做成一個單獨的擴展板。可根據實際情況選擇需不需要拓展。另外HLK-RM04模塊支持以太網和無線網的轉換,所以在Wi-Fi模塊擴展板上又增加了LAN接口,這樣Wi-Fi模塊就相當于一個無線路由器,手機客戶端進程中連上Wi-Fi模塊不僅可以通過C/S模式實現對總線節點的控制和監控,而且還可以連接Internet;手機還可以通過B/S模式實現對總線節點的遠程監控。

3　網關模塊軟件設計

網關模塊的軟件總體框架如圖5所示。

圖5　網關模塊軟件框架

3.1報文發送和接收程序

報文發送和接收處理程序用于從總線上接收報文或者向總線發送報文。在發送及接收過程中需要將有效信息打包成總線傳輸的報文格式和從總線報文格式中解包出有效信息,總線傳輸的報文幀格式為：發送模塊ID 1 byte；報文屬性1 byte；接收群ID 1 byte；接收模塊ID 1 byte；有效信息1～8 byte；CRC校驗1 byte。

有效信息打包成總線傳輸的報文格式后,首先進行總線空閑檢測,只有在總線空閑時才能啟動發送過程。總線報文上發給網關模塊時,需要先判斷接收地址幀是否為網關模塊的地址,符合后才接收后續數據。發送和接收流程如圖6所示。

圖6　發送和接收流程

3.2報文發送和接收緩存區程序

報文緩存區可以保證在傳輸過程中報文的準確性。在設計過程中,由于USB的高速率和L-N總線傳輸的低速率,USB大數據包與L-N總線小數據包的轉換過程中可能會出現數據丟失的情況,在軟件中設置報文發送和接收的緩存區,可以保證上位機在連續發送幾條報文時,先將報文包緩存下來,等待總線空閑再依次發送,同理底層網絡各節點的過多反饋信息在向上發送時也可以暫時存儲在接收緩存區。

3.3USB接口程序

USB接口程序主要負責USB設備枚舉過程以及報文數據的上傳和下達,在這個過程中也需要對有效信息進行打包和解包,USB數據包的幀格式為：標識PID 1 byte；報文信息1～9 byte；CRC校驗2 byte。

USB總線是一種采用主從結構的總線系統。在本文系統中,上位機監控PC為主機,網關模塊為從機,所有數據傳輸只能由主機主動發起,而從機只能負責應答。在主機和從機建立連接之前,需要進行枚舉過程。在成功枚舉之后,主機每間隔一段時間會對從機進行查詢,查詢到USB輸入標志位置后,確定從機有數據需要上發,然后將上發數據寫到D12的端點輸出。而主機有數據請求發送時就可以直接向從機發送數據包,而后觸發D12的端點輸出中斷,置位USB輸出標志位,將數據寫到報文發送緩存區,程序流程如圖7所示。

圖7　USB接口程序流程

3.4Wi-Fi串行接口程序

Wi-Fi串行接口利用了微控制器的UART口,所以網關模塊只需要響應UART中斷進行發送和接收數據,然后將接收的數據和發送的數據寫入到報文發送或者接收緩存區,即可實現與USB類似的傳輸方法。

報文緩沖區中等待上發的數據是同時寫入、報到Wi-Fi串行發送函數和USB輸入處理函數,所以PC客戶端和手機客戶端可以同時監視控制信息和反饋信息,從而實現信息的透明傳輸和共享。

4　測試與結果

在實驗室,監控系統底層掛接10個節點,通過L-N總線耦合到網關,網關通過USB電纜線連接到本地PC機。監控測試軟件采用C++程序設計,以Windows操作系統為平臺。該監控系統支持指令報文、查詢報文、配置報文和反饋報文,所以監控測試軟件設有指令報文、查詢報文、配置報文自動組裝及反饋報文的接收顯示功能。指令報文支持對底層節點中繼電器的開啟和關斷控制、可控硅的輸出口狀態切換和值設定。查詢報文支持底層節點的ID查詢、繼電器的狀態查詢、硅控口的狀態查詢以及模擬量的信息查詢等。配置報文支持對底層節點的ID信息重新配置、開關的控制對象的配置以及傳感器的上下閾值配置等。

下面以實例介紹部分查詢、指令以及配置報文發送和反饋報文的接收情況,測試結果見表1所列。表1中所有報文格式遵循總線報文幀格式,前4幀分別代表“發送模塊ID”“報文屬性”“接收群ID”“接收模塊ID”,其中 “04”表示網關模塊的ID。監控測試軟件下發控制信息時,網關模塊作為發送節點,而反饋信息上傳監控信息時,網關轉換成接收節點。

表1　測試報文發送和反饋情況

長期的測試結果表明,該智能網關硬件電路運行穩定,沒有出現上傳下達數據信息丟失和數據包錯誤等現象。

5　結　　論

本文設計了一種低成本實用的建筑電氣監控系統智能網關,并給出了具體的軟、硬件設計方案。智能網關為實現PC客戶端和手機客戶端對監控局域網絡現場總線掛接的所有電氣設備的監視和管理奠定了基礎。經長期測試,智能網關運行穩定可靠,應用于智能建筑的體系中,體現了網絡互聯互通、節能綠色的發展趨勢,具有廣闊的應用前景。

[1]魏立明.智能建筑系統集成與控制技術[M].北京:化學工業出版社,2011.

[2]張少軍.樓宇自動化及智能控制技術[M].北京:中國電力出版社,2011.

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[8]喬榮.基于現場總線的協議轉換網關的設計與研究[D].貴陽:貴州大學,2008.

[9]陳峰.基于ARM的嵌入式家庭網關的設計與實現[D].綿陽:西華大學,2011.

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(責任編輯胡亞敏)

Design of intelligent gateway in building electrical monitoring system

WU Ge，YI Maoxiang，WANG Chunhua，WU Youjie，YANG Xiaoping，HU Lejia

(School of Electronic Science and Applied Physics， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

An intelligent gateway module for building electrical monitoring system is designed based on the microcontroller STC12C5A60S2. In the module，the independent L-N fieldbus interface is designed to support the communication with the lower-layer monitoring LAN， and the USB interface chip PDIUSBD12 and integrated Wi-Fi module HLK-RM04 are adopted to support the upper-layer USB or Wi-Fi communication.It implements the conversion between the underlying communication protocol and the upper-layer communication protocol. Thus the monitoring server or the mobile client can be supported to control the electrical equipment that is linked to the underlying fieldbus node through I/O interfaces. The results of experimental and application tests show that the designed gateway module is of high reliability and real-time performance， and can meet the application needs for developing the independent building electrical monitoring system.

intelligent gateway; interface; field bus; USB protocol; Wi-Fi communication

2015-04-18；

2015-06-19

安徽省科技攻關資助項目(1501041138);國家級大學生創新實驗資助項目(201410359058)

吳格(1990-),男,山東濟寧人,合肥工業大學碩士生;

易茂祥(1964-),男,安徽合肥人,合肥工業大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.08.014

TN919-34

A

1003-5060(2016)08-1075-05