基于物聯網的網絡集線器開發

文/龐富強

基于物聯網的網絡集線器開發

文/龐富強

物聯網是物品與物品之間進行信息交換和通信，被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。本文介紹基于物聯網的網絡集線器開發，并介紹開發過程中遇到的關鍵技術難點及采取的解決方案。

物聯網 網絡集線器 以太網 串口

中國石化加油站站級聯網系統2002開始改造，該系統非常具有前瞻性，連續運行10年以上沒有出現大問題。但是畢竟是早期的產品在當時是最領先的設計運行到現在難免存在一些瓶頸，例如傳統數據交互方式是加油機到串口集線器，再到多路串口卡連接到主板插槽上。該方式連線多結構復雜故障多；設備擴張、安裝不方便，而且無法連接POS機、液位儀等設備；還有八口卡已經停產采購困難。雖然我們持續不斷改進傳統集線器設計，但是整體設計構架上存在缺陷導致故障率偏高，迫切需要一款新產品解決存在的問題，因此我們開發了網絡集線器。

1 產品開發的目的和意義

減少加油站串口設備故障率，提升產品的可靠性，方便運維人員進行遠程維護，降低運維人工成本。整合加油站內所有串口設備加油機、加氣機、POS機、液位儀等減少串口轉換設備采購。提升產品的可靠性，按照10年連續無故障運行標準設計，一般情況下能可靠運行15年以上，如圖1所示。

該產品的研制成功并加以推廣后將提升全國幾十萬個加油站數據傳輸效率，一般故障只需員工進行遠程維護，由此將大大減少由數據傳輸過程中產生的維護、運營成本。產品單價低于同類型產品節省采購成本。而且一次采購工作10年以上，減少折舊成本并給企業帶來良好的經濟效益。

2 產品的技術方案

開發階段采用2種網絡集線器方案：基于Cortex m4+DP83848CVV方案和基于ARM9+DP83848KSQ方案。

圖1

根據表1對比分析我們技術上實現難度Cortex m4較低，而且也首先進行驗證達到功能，但是和ARM9設計程序運行可靠性要求存在差距。雖然該方案沒有通過最終量產，但是給我們產品設計過程積累了大量的軟件、硬件技術經驗，加快了ARM9設計方案開發進程，如圖2所示。

3 產品的功能特點及主要技術性能指標

主控板的工作原理是通過核心ARM9處理器接收到特定端口號的TCP數據包，通過SPI高速25Mbps/s速度傳送給cortex m4處理器，處理器判斷并發送給16各串口里面對應的串口，串口數據通過專用的轉換模塊轉換成5種對應串口信號實現數據通信。

要實現上述功能需要核心ARM9帶2個SPI擴張口，一個SPI擴張對應8個串口；8個串口模塊，每個串口模塊包含2個串口；需要16個RJ45串口，1個RJ45網口；結構框圖如圖3。

表1

表2

圖2

圖3

4 產品的關鍵技術及解決途徑

4.1 關鍵技術

（1）收到串口數據按順序轉換為TCP數據發送，收到TCP數據按順序轉化為串口數據發送給下位機。

（2）允許根據現場要求更換串口模塊，支持422、484、232、2線電流環、3線電流環5種信號，帶指示燈安裝模塊類型。

（3）能通過網頁、專用工具配置修改網絡地址，修改波特率。

（4）允許員工通過遠程方式對設備運行情況進行監控、配置、重啟。

（5）保證性能情況下控制成本，提高環境溫度適應能力。

4.2 解決途徑

（1）為確保串口數據按照順序發送，TCP采用數據指針方式接收并保存，串口數據發送的時候從保存的指針隊列依次取出發送完成再釋放內存，繼續下一個指針數據發送直到數據發送完成。這種方式防止數據順序混亂，出現后發的數據先收到的情況。特別需要注意是TCP發送Send()函數調用完成后需要設置無延時發送，否則特定情況下PC認為收發不成功會出現數據重復發送。

（2）linux網頁配置基于獨立的GCC/C 4.4.4 編譯環境。采用C網絡編程、HTTP 協議。為了方便調試，使用 Web API編程大量使用Json格式。調試完成后用戶使用非常方便，只需要在中心就可以通過網頁查看設備是否工作正常或者對設備進行配置重啟。Windows配置工具采用Qt Creator和vs 2016編譯環境，程序運行和ARM板通信獲取配置信息。

（3）由于422、484、232、2線電流環、3線電流環5種信號不同，設計時候需要逐一完成優化。例如3線電流環模塊設計過程全部采用貼片光耦降低人工安裝成本，提高產品的一致性。2線電流環設計過程發現門整列芯片太早采購困難，更換GAL芯片重新設計。設計過程中結合生成工藝在不影響性能情況下，優先保證批量生產方便性，能用貼片都不用插件，能用通用波峰治具的絕不輕易改動。保證生產質量同時降低公司生產成本。指示燈只有4個，模塊種類有5種，為此我們在不增加成本情況下，485模塊采用2個燈組合方式指示。

（4）高低溫測試主要是針對于網絡集線器在-40℃到85℃溫度的環境下使用時的適應性試驗。測試過程中出現-40°設備無法正常啟動，經查是晶振的溫度范圍-20℃到75℃導致，更換工業級晶振啟動正常。

5 網絡集線器的先進性

產品與國內外同類產品相比，我們產品采用更加高防雷設計標準，所有外部引線都通過實驗室雷擊測試，確保產品在雷擊環境下可靠運行10年以上。

雷擊浪涌檢測主要包含兩個方面，一個是電源防雷，一個是信號防雷。電源線路的試驗電壓嚴酷度等級如表2。

電源防雷測試：為提升產品質量采用高于4級（受嚴重騷擾的環境,如民用架空線,未加保護的高壓變電所等）測試，電源差、共模都采用10kV/2Ω模擬雷擊測試。測試結果：模擬雷擊電壓10000V,電流5000A，電壓波 1.2/50μs，電流波形8/20μs。測試結果殘壓1300V,尖峰電流3900A。連續5次正反測試后，設備工作正常。原理圖和測試波形如圖4。

原理圖中采用MOV與陶瓷放電管串原因：陶瓷放電管在其中擔當開關作用，有效阻隔了MOV的泄漏電流，所以它的漏電電流為零。漏電電流大小關系到雷擊浪涌保護器的使用壽命，一般在3-5年，不會更長，復合型雷擊浪涌保護器的使用壽命比普通模塊式電浪涌保護器更長，一般在10年，甚至達到15年。

采用帶溫度保險絲壓敏電阻TMOV原因：當工頻電流持續增加或MOV失效以后，導致MOV本體溫度升高到所設置的TMOV的動作溫度時，溫度敏感器件就會斷開。由此切斷了供給MOV的電流，使MOV的溫升不再升高，從而阻止了由于MOV的失效而引起的著火。為確保地線尖峰電流4900A正常泄放到大地，相關走線需要采用雙面布線，走線寬度大于80mil。

通信端口防雷測試：通信端口一般感應雷測試標準遠低于電源線標準，但我們采用電源線防雷等級2kV/2Ω模擬雷擊測試。測試結果：最高測試電壓2000V,電流1000A，電壓波 1.2/50μs，電流波形8/20μs。通信口殘壓65V左右,電源上殘壓5V。5次連續測試后端口正常工作。原理圖和測試波形如圖5。

采用氣體放電管、可恢復保險絲、TVS管組合防雷原因：氣體放電管被雷擊擊穿而發生弧光放電，把大量能量吸收泄放到大地上，但是缺點是啟動時間長。TVS反應快，殘留電壓小，但是缺點允許通過的雷電電流小。可恢復保險絲作用是氣體放電管雷擊泄放前時候限制TVS電流，保護TVS管。雷擊設計過程還需要注意平時不太關心的細節比如接地，在雷擊泄放瞬間1000A電流情況下如果接地電阻差0.1歐姆產生地電壓100V足夠損壞所有線路板上器件，需要嚴格按照分開方式連接雷擊大地和工作地布線，并在電源和地間并聯TVS管防止地線電壓沖擊損壞芯片。

6 產品認證狀況

6.1 網絡集線器CQC認證

圖4

圖5

網絡集線器不在國家強制認證范圍，但是本著以客戶為中心的思想為進一步提高產品穩定性和可靠性，參與了自愿認證CQC認證。證號CQC12001069813。

6.2 網絡集線器防爆認證

加油站環境存在一定油氣濃度，防爆安全問題也是考慮要素，產品按照本安防爆標準修改后于2014年通過本安防爆測試并取得國家儀器儀表防爆安全監督檢驗站頒發的防爆合格證。證號：GYB14.1387。

7 網絡集線器現場使用情況和用戶反映

網絡集線器根據現場運維人員反饋傳統集線器的問題基礎上改進，起點高產品質量可靠。產品2013年開始出貨，目前已連續運行4年以上，運行至今只有一臺設備發生外圍開關電源故障故障率低于0.1%。公司現場運維人員反映原來一些加油站經常性出現數據異常保修的加油站，更換網絡集線器后就沒有接到過這個加油站的報修電話。上海中國石化對這款產品非常滿意，要求所有上海加油站更換網絡集線器，企業能下這個決定是對我們產品質量的認可。

網絡集線器在2013年推出，至今出貨量已達1千多臺，給公司創造產值400萬以上，給公司帶來良好的利潤。產品在中國石化屬下的上海、江蘇、湖北、四川、重慶、遼寧、吉林、云南、海南石油分司所屬地區廣泛使用。產品可與多種類型數據接口的加油（氣）機、液位儀、POS機聯接。兼容重慶耐徳、三盈、華氣厚普、濮陽合眾、恒山、佳力佳、正星、三盈、長吉、富仁、德萊塞穩、榕興、中意等廠家。

8 結語

網絡集線器的本質是實現加油站設備物聯網，這方面工作國內同行也有涉及，但是我們不局限于基本功能，本著以客戶為中心的思想追求不斷創新、不斷提升產品質量可靠性和程序運行穩定性，增強自身的核心競爭力，充分發揮技術優勢并逐漸占領市場份額，我相信經過持續不斷改進我們能夠趕上發達國家的核心技術優勢。

[1]李毅.嵌入式串口服務器的設計[D].北京交通大學,2012.

[2]周潤景,王洪艷.Cadence高速電路板設計與仿真（第5版）原理圖與PCB設計+信號與電源完整性分析[M].電子工業出版社,2015(04).

[3]《電子設備雷擊試驗》GB/T 3482-2008.

[4]《汽車加油加氣站設計與施工規范》GB 5016-2012.

作者單位 上海亞太計算機信息系統有限公司 上海市200040