基于以太網和GPRS的冗余通信電源監控系統*

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(西南交通大學 機械工程學院，成都 610031)

引 言

隨著能源危機及環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[1]。電源設備的故障具有緊急性、破壞性等特點，如果電源系統故障的處理不及時、不可靠，輕則影響整個系統的運行，重則會產生嚴重的次生危害[2]。參考文獻[2]設計了一種基于TCP/IP的監控系統；參考文獻[3]設計了一種基于GPRS通信的監控系統。上述兩種設計均未解決當以單一網絡傳輸過程中若網絡故障時現場數據和上位機數據交互中斷問題，其整個系統的穩定性有待進一步改進和提高。

針對單一傳輸網絡故障導致數據傳輸中斷的問題，為提高系統的可靠性與穩定性，本文以STM32F407ZGT6為主控芯片，同時結合以太網和GPRS無線各自的特點設計了一種具備冗余通信功能的電源監控系統。

1 系統的整個構架

整個監控系統共包括3個部分：下位機、現場電氣設備以及上位機。其中下位機一共包括7部分，即MCU部分、以太網通信部分、GPRS無線通信部分、電源部分、LCD部分、I/O數據采集部分以及RS485部分。

系統下位機采用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12位逐次逼近型的模/數轉換器，并且每個轉換器擁有16個外部源通道，完全滿足該通信模塊的數據交互性能要求。

系統上位機主要是由一臺PC機和WICC組態軟件編寫的監控軟件構成。通過結合以太網和GPRS無線，本系統可以有多種通信途徑選擇。下位機軟件系統則以實時操作系統μ/COS II為核心，結合LwIP、GPRS和emWin圖形庫實現數據采集、冗余通信和人機交互界面設計的功能[3]。系統構架圖如圖1所示。

圖1 系統構架圖

2 系統硬件設計

整個下位機以MCU為核心進行設計，主要硬件設計包括以太網硬件設計、GPRS設計和數據采集模塊硬件設計。

STM32F4系列內部集成了網絡MAC控制器，故只需要外加一個PHY芯片即可實現網絡功能。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、直插網線)功能。同時模塊上集成了一個自帶RJ45頭(HR92205A)，一起組成一個10/100M自適應網卡。具體以太網核心電路原理圖如圖2所示。

圖2 以太網核心電路原理圖

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四個頻段，包括850、900、1 800、1 900 MHz；同時該芯片只要激活GPRS數據后，將會永遠在線不存在掉線問題。其最大下載速率可達85.6 kbps，最大上傳速率可達42.8 kbps，該芯片集成兩個串口，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 冗余通信設計

整個監控系統可通過emWin圖形庫設計的人機交互界面通信方式選擇，下位機提供的可選通信方式一共三種，即單獨以以太網或者GPRS無線通信和以太網為主GPRS無線為輔的冗余通信。圖4為下位機emWin設計的人機交互界面。

圖4 人機交互界面

以太網采用的是由瑞典計算機科學院(SICS)的Adam Dunkels 開發的一個小型開源的TCP/IP協議棧LwIP。LwIP實現的重點是在保持TCP協議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，它只需十幾KB的RAM和40 KB左右的ROM就可以運行，這使LwIP協議適合在低端的嵌入式系統中使用[4]。MCU對LwIP的初始化需經過4個步驟，具體如圖5 LwIP初始化流程圖所示。

圖5 LwIP初始化流程圖

GPRS是通用分組無線業務的英文簡稱，是在原來GSM系統上發展出來的一種新的分組數據承載業務，是第二代移動通信技術(2G)向第三代通信(3G)演進的過度技術，因此也稱為2.5 GHz通信技術[5]。MCU對GPRS部分一共需經過4個步驟，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

作為整個系統穩定性保證的功能冗余通信，MCU將以太網和GPRS部分初始化完成后，就進入循環檢測環節，判定是否由數據進行發送，一旦檢測到下位機有數據需要上傳，則MCU進入網絡判斷決策函數。

MCU首先檢測LAN8720A芯片是否正常連接即以太網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與遠程上位機進行數據交互；若LAN8720A連接正常，則進行TCP/IP連接狀態檢查，即下位機網絡是否已經連接上遠程上位機，若檢測失敗，則MCU自動選擇GPRS與遠程上位機進行數據交互，反之，若檢測成功，則啟動以太網進行數據交互。

當MCU選擇GPRS進行通信時，若GPRS檢測正常，則啟動GPRS無線數據傳輸，等待數據傳輸完成后將以太網部分重置并進入下一個數據發送等待循環；若GPRS檢測不正常，則將以太網部分和GPRS部分都進行重置，然后再次嘗試數據發送，直到數據發送正常后進入下一次數據發送等待。

當上位機有數據或者指令傳輸至下位機時，則默認選擇上一次通信的IP地址，當數據發出后若下位機返回OK，則代表數據發送正常，反之更換另一種通信方式的IP地址，直到下位機返回OK。

下位機冗余決策函數流程圖如圖7所示。

圖7 冗余決策函數流程圖

4 上位機軟件設計

西門子SIMATIC WinCC是一款集功能性、開發性和穩定性于一體的優秀工程組態軟件[6]。WinCC是在生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業技術中性系統。它提供了適用于工業的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板[7]。

在WinCC組態軟件中，其自定義變量用于存儲下位機上來的數據，通過WinCC軟件開發的功能在設計的監控界面中顯示出語氣對應的變量值，進入監控軟件后可設置下位機與上位機通信方式以及現場電源參數和報警參數等。

結 語

[1] 賈景譜,馬媛媛.基于RFID技術的鋰電池管理系統設計與實現[J].電源技術,2014(11):2049-2050.

[2] 王利霞,康洪波.基于TCP/IP協議的通信電源監控系統的設計[J].電源技術,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的嵌入式以太網門禁系統設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用, 2014(5):52-55.

[5] 李永江,劉敏,鄧海麗.基于GPRS的通信電源監控系統的研究與實現[J].電源技術,2013, 37(11):2055-2056.

[6] 田民強,劉振興,游輝勝.基于WinCC和VB的排水站監控系統[J].工業控制計算機,2009, 22(5):31-32.

[7] 徐鑫凱,孟祥印,郝夢捷,等.基于GPRS的天然氣調壓站遠程監控系統設計[J].電子技術應用, 2015, 41(10):13-16.