智能網(wǎng)關軟件設計與實現(xiàn)

薄慕婷,丁立波,張 合

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

【信息科學與控制工程】

智能網(wǎng)關軟件設計與實現(xiàn)

薄慕婷,丁立波,張 合

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

針對智能網(wǎng)關對信息處理的實時性要求，基于智能網(wǎng)關硬件提供的資源，設計了一種采用實時操作系統(tǒng)和“數(shù)據(jù)池”思想的軟件系統(tǒng)；為確保智能網(wǎng)關的實時性和數(shù)據(jù)可靠性，程序采用多任務處理的軟件設計方法，保證同時進行多個不同任務操作而不相互干擾，采用了模塊化設計，增強了程序的通用性；經(jīng)過試驗測試，其結果表明：該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠有效實現(xiàn)對充電設備的遠程控制和智能化管理。

智能網(wǎng)關；實時性；軟件設計

近年來，各國積極尋找應對軍事能源供需挑戰(zhàn)的解決之道[1]。為了適應新的戰(zhàn)爭需要，對新時代的軍車提出了低油耗、高能量利用率的技術要求[2]。當前，電動車和混合動力車已經(jīng)受到了高度重視，多款車型應運而生，如俄羅斯的軍用電動自行車、德國的GeFaS“混動”地空導彈發(fā)射車、美國“靜鷹”混合動力靜音摩托車等。不僅可以使軍車的續(xù)駛里程更長，在純電動模式下，還可以降低噪音，使車輛隱蔽行駛[3]。因此，從傳統(tǒng)的燃油車向新能源車的靠攏被認為是未來車輛發(fā)展的重要方向。作為給電動汽車提供電能補給的基礎設施，電動汽車充電樁的建設影響和制約了電動汽車的發(fā)展，因此充電樁的推進和普及刻不容緩。為了解決充電樁分散布設特性與集中統(tǒng)一管理需求之間的矛盾，急需對充電樁進行數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)及統(tǒng)一管理。而智能網(wǎng)關作為智能充電管理系統(tǒng)的核心，是各充電設備與管理中心之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D站，能完成不同類型感知網(wǎng)絡間的協(xié)議轉換[4-5]，為遠程管理和監(jiān)控底層設備提供了平臺[6]。

智能網(wǎng)關作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎，其作用不容忽視，具備感知網(wǎng)絡接入、互通異構網(wǎng)絡、遠程監(jiān)測控制管理這三種能力[7-8]。市面上現(xiàn)有的智能網(wǎng)關設備都是面向特定用戶的專用產(chǎn)品，滿足了具體的用戶需求，實現(xiàn)了用戶通過互聯(lián)網(wǎng)方式查詢監(jiān)測現(xiàn)場信息的功能。但是這些傳統(tǒng)的智能網(wǎng)關設備通信方式較為單一，無法同時滿足各種工業(yè)控制現(xiàn)場通信網(wǎng)絡種類多、環(huán)境多變的需求。因此，本文設計了一種可以兼容多種通信方式的智能網(wǎng)關設備。 基于智能網(wǎng)關硬件提供的資源，對智能網(wǎng)關的軟件設計進行了詳細介紹，滿足了系統(tǒng)的實時性和可靠性要求，實現(xiàn)了對充電設備的遠程智能化管理。

1 總體方案設計

智能充電管理系統(tǒng)應包括管理中心、智能網(wǎng)關、充電設備和人機交互設備等部分，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 充電管理與遠程控制系統(tǒng)

作為智能充電管理系統(tǒng)的核心，智能網(wǎng)關可以從多個不同的充電設備采集數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)進行信息處理、數(shù)據(jù)存儲和報警處理等。同時智能網(wǎng)關可以與管理中心服務器相連接，成為各充電設備與管理中心之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D站，實現(xiàn)對充電設備的在線監(jiān)測與遠程管理。通過人機交互設備，還可以對智能網(wǎng)關進行參數(shù)設置和修改。因此，智能網(wǎng)關的設計涉及到多種通信方式的兼容轉換、數(shù)據(jù)存儲和人機交互等方面，同時要保證網(wǎng)關運行的可靠性和高效性。

根據(jù)智能網(wǎng)關的需求分析，本文提出了智能網(wǎng)關硬件系統(tǒng)設計方案如圖2所示。其設計方案主要包括主控模塊、電源模塊、人機交互模塊、存儲模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和遠程控制模塊等。其中，主控芯片采用互連型系列微控制器STM32F107VCT6。智能網(wǎng)關的數(shù)據(jù)采集模塊采用最常用的CAN總線和RS-485總線這兩種串口通信方式，其他串口通信包括RS-232、RS-422、USB等可以通過相應的協(xié)議轉換模塊實現(xiàn)。而智能網(wǎng)關與管理中心服務器的通信則預留USB接口、以太網(wǎng)接口和GPRS模塊接口，使用時可以根據(jù)需要選擇不同的通信方式。其系統(tǒng)硬件總體布局如圖3所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結構

圖3 硬件布局

2 智能網(wǎng)關應用層協(xié)議設計

智能網(wǎng)關在本質(zhì)上是建立了一個統(tǒng)一的封裝平臺，將所有的子系統(tǒng)在傳輸層這一級進行統(tǒng)一管理，為充電設備和管理中心提供統(tǒng)一的交互協(xié)議，因此建立一套完整的、可以自適應的協(xié)議對智能網(wǎng)關的功能實現(xiàn)至關重要[9-10]。

充電設備到管理中心的通信協(xié)議采用逐層封裝的方式。底層充電設備與智能網(wǎng)關通信時其識別標志只需包括充電設備編號，而智能網(wǎng)關與管理中心服務器通信時則要識別智能網(wǎng)關號和充電設備編號。智能網(wǎng)關與充電設備、智能網(wǎng)關與上位機的通信協(xié)議如表1和表2所示。

表1 充電設備與智能網(wǎng)關通信協(xié)議格式

表2 上位機與智能網(wǎng)關通信協(xié)議格式

網(wǎng)關編號：6個字節(jié)的編號作為網(wǎng)關唯一標識。

設備編號：該網(wǎng)關所管理的充電樁自身設備序列號。其中字節(jié)全為0用于廣播，不可占用。

方向位：表示該幀的傳輸方向。0x00表示上傳，0x01表示下發(fā)。

功能碼：軟件區(qū)分不同功能的代碼，用于區(qū)分每一條報文的類別，功能碼中包含優(yōu)先級信息。

3 智能網(wǎng)關軟件設計

3.1 總體設計

本文采用主機輪詢和從機主動上報相結合的主從式軟件設計方法。管理中心與智能網(wǎng)關通信時，管理中心為主機，各智能網(wǎng)關為從機。智能網(wǎng)關與各充電設備通信時，智能網(wǎng)關為主機，各充電設備為從機。

基于智能網(wǎng)關硬件系統(tǒng)提供的資源，設計了智能網(wǎng)關的軟件框架如圖4所示。為了提高智能充電管理系統(tǒng)的實時性和可靠性，本文采用嵌入式實時操作系統(tǒng)uCOSII進行任務管理。其功能框架如圖5所示。

在主程序中，首先進行啟動配置初始化，然后創(chuàng)建和啟動最高優(yōu)先級任務startup_task，在該任務中創(chuàng)建其余子任務，子任務包括：信息存儲任務、U盤導出任務、藍牙通信任務、RS-485通信任務、CAN1通信任務、CAN2通信任務、USB通信任務、以太網(wǎng)通信任務、GPRS模塊通信任務、故障處理任務。由于故障處理任務對實時性有嚴格的要求，其優(yōu)先級在子任務中設為最高，僅次于startup_task任務。其余任務優(yōu)先級沒有特別要求。

圖4 網(wǎng)關程序設計框架

圖5 網(wǎng)關功能框架

3.2 數(shù)據(jù)池

智能網(wǎng)關中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要分為以下3類：周期性數(shù)據(jù)、突發(fā)性數(shù)據(jù)和非實時性數(shù)據(jù)。周期性數(shù)據(jù)有規(guī)定的執(zhí)行處理時間，如心跳包數(shù)據(jù)、充電狀態(tài)上報數(shù)據(jù)等。突發(fā)性數(shù)據(jù)由事件觸發(fā)，要求優(yōu)先處理，如故障數(shù)據(jù)、遠程開關命令數(shù)據(jù)等。非實時數(shù)據(jù)包括充電記錄同步數(shù)據(jù)包、IC卡更新包數(shù)據(jù)等。

智能網(wǎng)關要對接收到的所有數(shù)據(jù)進行處理和轉發(fā)，在整個數(shù)據(jù)處理過程中，采用了“數(shù)據(jù)池”[11]的思想，各個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，先進行數(shù)據(jù)過濾[12]，經(jīng)過相應處理后再進行數(shù)據(jù)集成，智能網(wǎng)關與充電設備及管理中心的數(shù)據(jù)處理簡要過程如圖6所示。智能網(wǎng)關將從各充電設備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后存放到數(shù)組中，主程序檢測到數(shù)組中有數(shù)據(jù)填入后將數(shù)據(jù)集成并發(fā)送至管理中心。同理，智能網(wǎng)關將管理中心下發(fā)的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后存放到數(shù)組中，主程序檢測到數(shù)組中有數(shù)據(jù)填入后將數(shù)據(jù)集成并發(fā)送至相應的充電設備。

圖6 “數(shù)據(jù)池”處理過程

具體實現(xiàn)方法舉例：假設某智能網(wǎng)關的配置中，智能網(wǎng)關選擇通過CAN1總線接口與充電設備進行通信，選擇通過GPRS模塊與管理中心進行通信。在程序中定義4個結構體數(shù)組A1、A2、B1、B2作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū),結構體中分別包含設備號、功能碼、具體數(shù)據(jù)等內(nèi)容。A1用于存儲接網(wǎng)關收到的充電設備數(shù)據(jù)，A2用于存儲要發(fā)送至充電設備的數(shù)據(jù)，B1用于存儲接網(wǎng)關收到的管理中心數(shù)據(jù)，B2用于存儲要發(fā)送至管理中心的數(shù)據(jù)。在工作過程中，當智能網(wǎng)關在中斷里接收到來自管理中心的數(shù)據(jù)后，先進行16位CRC校驗，校驗通過后再判斷是否符合本智能網(wǎng)關編號。只有通過校驗且符合本智能網(wǎng)關編號的數(shù)據(jù)會被打散后按格式存入B1中，主程序中會將B1中的數(shù)據(jù)根據(jù)功能碼進行處理，處理后要發(fā)往充電設備的數(shù)據(jù)存入A2中，要發(fā)往管理中心的數(shù)據(jù)存入B2中。而當智能網(wǎng)關接收到CAN總線的數(shù)據(jù)后，需提取出電壓、電流等關鍵值，如超出預警值則直接進入故障流程，否則將判斷合格的數(shù)據(jù)存儲入A1中，然后在主程序中對A1中數(shù)據(jù)處理后存入A2或B2中。同時，主程序還要檢測A2和B2中是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如有則將A2和B2中的數(shù)據(jù)依次發(fā)送至充電設備和管理中心。

在“數(shù)據(jù)池”工作過程中，數(shù)據(jù)流出速度必須要大于數(shù)據(jù)的流入速度才能保證數(shù)據(jù)不被連續(xù)累積而丟失。由于通信協(xié)議中大部分采用從機主動上報的形式，充電設備流向管理中心的數(shù)據(jù)明顯多于管理中心流向充電設備的數(shù)據(jù)，因此要保證智能網(wǎng)關到管理中心的數(shù)據(jù)輸出量略大于或等于設備數(shù)據(jù)采集端的數(shù)據(jù)流入量。

4 智能網(wǎng)關實驗結果與分析

4.1 實驗平臺

本文智能網(wǎng)關是針對充電設備集中管理系統(tǒng)而研發(fā)的，為了驗證該智能網(wǎng)關的功能和穩(wěn)定性，選擇了與學校項目合作的小型充電站作為測試平臺進行實驗。該試驗測試平臺包括10臺60 kW直流充電樁、5臺220 V交流充電樁和1臺電腦。實驗所用智能網(wǎng)關、GPRS模塊及以太網(wǎng)模塊如圖7，充電樁安裝試驗地點如圖8，直流充電樁采用CAN總線與智能網(wǎng)關相連接，編號為1～10號，交流充電樁采用RS-485總線與智能網(wǎng)關相連接，編號為11～15號，通信實驗測試平臺的總體布局模型如圖9所示。

圖7 智能網(wǎng)關及模塊

4.2 智能網(wǎng)關性能測試

在現(xiàn)場試驗中，首先通過帶藍牙的手機對智能網(wǎng)關進行參數(shù)設置，設置內(nèi)容包括：智能網(wǎng)關序列號、與管理中心連接方式、心跳包廣播時間間隔、RS-485波特率、電壓電流預警值等信息。設置完畢后重啟智能網(wǎng)關，網(wǎng)頁上可實時查詢各充電設備充電狀態(tài)、充電曲線、充電記錄等信息，同時通過網(wǎng)頁上的操作，可遠程對相應的充電樁進行啟停控制。當管理中心服務器關閉時，智能網(wǎng)關自動切換到獨立工作模式，此時智能網(wǎng)關對充電數(shù)據(jù)進行存儲和故障檢測。模擬故障情況時，先通過手機藍牙依次修改智能網(wǎng)關中電壓電流預警值(如正常充電時電壓電流在350 V、75 A，則將電壓電流預警設為300 V、50 A)，當設備實時充電電壓和電流超出預警值時，智能網(wǎng)關控制該充電設備遠程關閉充電，同時故障指示燈亮并蜂鳴器報警。另一種故障情況模擬則通過控制某充電設備使其故障，智能網(wǎng)關接收到該充電設備發(fā)來的故障狀態(tài)時，故障指示燈亮，一段時間后控制該充電設備恢復正常時，故障指示燈滅。在經(jīng)過多次充電后，插入U盤，將充電記錄數(shù)據(jù)導出，生成的.CSV格式文件可用Excel軟件打開，導出記錄完整且與實際充電情況相符合。

圖8 實驗平臺現(xiàn)場

圖9 測試實驗平臺總體布局模型

經(jīng)過現(xiàn)場測試，當智能網(wǎng)關未與管理中心服務器連接時，實現(xiàn)了參數(shù)配置、充電記錄存儲與導出、故障檢測及處理等功能。當智能網(wǎng)關與管理中心連接時，能夠實現(xiàn)實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、遠程開關等功能，系統(tǒng)整體測試如圖10所示。現(xiàn)場測試結果表明：智能網(wǎng)關運行狀況良好，達到了預期的效果。

圖10 現(xiàn)場整體測試圖

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(責任編輯楊繼森)

Software Design and Implementation of Intelligent Gateway

BO Mu-ting, DING Li-bo, ZHANG He

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

For the real time request of information processing of intelligent gateway, the paper designed a software applying real-time operation system and “data pool” idea based on resources from intelligent gateway hardware. To guarantee the instantaneity and data reliability of intelligent gateway, software program adopted multi-task processing design to avoid mutual interference among multiple tasks being operated simultaneously, and adopted modular design to improve popularity of the program. The measuring test shows that the system is able to run stably, and it can effectively perform long-range control and intelligent management of chargers.

intelligent gateway; real-time; software design

2016-07-29；

薄慕婷(1992—)，女，碩士研究生，主要從事探測制導與控制研究。

10.11809/scbgxb2016.12.022

薄慕婷,丁立波,張合.智能網(wǎng)關軟件設計與實現(xiàn)[J].兵器裝備工程學報，2016(12):95-99.

format:BO Mu-ting, DING Li-bo, ZHANG He.Software Design and Implementation of Intelligent Gateway[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):95-99.

TP23

A

2096-2304(2016)12-0095-05

修回日期：2016-08-22