Q2686無線CPU和LonWorks的無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)設(shè)計

摘要 主要利用Q2686無線CPU結(jié)合LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)設(shè)計出一種多功能無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)。該無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)有LON電力線接口(或LON雙絞線接口)和RS485總線接口，具有遙控、遙測及定時控制等功能，可以采集水表、電表、煤氣表等智能儀表的數(shù)據(jù)，并通過GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸將數(shù)據(jù)傳輸給中心站網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，也可以響應(yīng)中心站的數(shù)據(jù)請求和控制。
關(guān)鍵詞 LonWorks Q2686 無線CPU 網(wǎng)關(guān) 測量 控制

引 言
    多功能無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)最初的設(shè)計目標(biāo)是應(yīng)用在樓宇能源監(jiān)控系統(tǒng)中。樓宇能源監(jiān)控系統(tǒng)主要由計量終端(電能、水、燃?xì)?、燃油等智能計量終端)，現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，信息遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)，能源監(jiān)管中心等幾方面組成。無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)的功能主要是通過現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(LON，保留 RS485)對計量終端進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)通過Internet傳送到能源監(jiān)管中心。本無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)也可以作簡單修改以適應(yīng)更多的應(yīng)用場合。
    在傳統(tǒng)的樓宇能源監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)絕大多數(shù)采用串VI通信(RS485)接口和Modbus通信協(xié)議，信息遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)也主要通過有線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳送到能源監(jiān)管中心。串口通信(RS485)接口和有線遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)存在多種不足，如不支持多種通信介質(zhì)、只能是主從式通信、不同廠家產(chǎn)品的通信協(xié)議各不相同、有線遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)布線困難等。為了解決上述技術(shù)上存在的問題，本設(shè)計采用Q2686無線CPU和LonWorks技術(shù)來實現(xiàn)具有遙控、遙測及定時控制于一體的多功能無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)。

1 Q2686無線CPU介紹
    Q2686是Wavecom公司新一代無線CPU Q26系列的一員，采用ARM9 32位內(nèi)核的中央處理器，104 MHz，30 MIPS，32 Mb閃存和16 Mb的RAM，2個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個USB 2．0接口，1個并口，2個RS232串口，最多可配備44個GPIO，4頻段(GSM 850／900／1 800／1900 MHz)。Wavecom公司專有的Open AT軟件開發(fā)套件，是性能很好的嵌入式蜂窩網(wǎng)絡(luò)開發(fā)環(huán)境。通過Open AT的WIP(TCP／IP協(xié)議棧)插件，可以方便地在產(chǎn)品上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。WIP插件還可以配合C－GPS插件或Wavecom的其他插件一起應(yīng)用，可以方便地進(jìn)行GPS應(yīng)用開發(fā)和TCP／IP的應(yīng)用開發(fā)。

2 LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
    LonWorks是由美國Echelon公司開發(fā)的一種完整、全開放、互操作性強(qiáng)、可靠性高、成熟的分布式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它支持多種通信介質(zhì)，包括雙絞線、電力線、無線(RF)、紅外(IR)、同軸電纜和光纖。LonWorks技術(shù)的核心是LonTalk通信協(xié)議，該協(xié)議提供一套通信服務(wù)，使裝置中的應(yīng)用程序能在網(wǎng)上對其他裝置發(fā)送和接收報文而無需知道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒚Q、地址或其他裝置，所有采用LonWorks技術(shù)的產(chǎn)品都遵循LonTalk通信協(xié)議，因此不同廠家的產(chǎn)品可以很方便的接人到同一個LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中去。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：
    ①系統(tǒng)具有開放性和互操作性。LonWorks網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)(即智能控制器)通過固化在內(nèi)部的符合OSI七層參考模型的LonTalk網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議互聯(lián)，組成“Peer to Peer”對等網(wǎng)絡(luò)。開發(fā)人員只需將主要精力花在系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計方面，而不需要專門去實現(xiàn)和測試傳輸線路和通信系統(tǒng)。
    ②分布式無中心控制。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)靠近現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，每個節(jié)點(diǎn)都能完成控制和通信功能，部分節(jié)點(diǎn)故障不會造成系統(tǒng)癱瘓。多至9個監(jiān)控站可隨意安裝在網(wǎng)絡(luò)的任何位置，并且位置也可以隨時變換，監(jiān)控站之間功能完全對等，也可以定義成不同級別。這些特點(diǎn)對系統(tǒng)的調(diào)試、維護(hù)和穩(wěn)定性都有著重要的意義。
    ③系統(tǒng)組態(tài)靈活，開發(fā)周期短，應(yīng)用媒體范圍廣泛。采用不同類型的收發(fā)器，可利用雙絞線、光纜、同軸電纜、電力線、無線、紅外線等多種媒體進(jìn)行信號傳輸；根據(jù)傳輸距離的遠(yuǎn)近、傳輸速度和現(xiàn)場設(shè)備等具體要求系統(tǒng)，可組成自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或總線型等結(jié)構(gòu)，這些都給系統(tǒng)設(shè)計和維護(hù)升級改造帶來極大的方便。

3 系統(tǒng)整體框圖
    系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，GPRS／LON無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)定時查詢LonWorks現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)上的計量終端的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包經(jīng)過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)、Internet傳送到監(jiān)控中心的服務(wù)器上；或者是相反的過程，監(jiān)控中心發(fā)出的指令經(jīng)過 Internet、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳送到GPRS／LON無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)，GPRS／LON無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)將相應(yīng)的指令經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)傳送到具體的某個計量終端。

4 無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計
    GPRS／LON無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)硬件包括Q2686無線CPU、LON雙絞線／電力線通信接口模塊、RS485通信接口、電源單元。圖2為產(chǎn)品設(shè)計原理框圖。

4．1 LonWorks通信模塊設(shè)計
    LonWorks通信模塊作為一個單獨(dú)的部件安裝在設(shè)備的主板上，方便插拔。LonWorks通信模塊分Lon-Works雙絞線智能通信模塊或 LonWorks電力線智能通信模塊，LonWorks雙絞線智能通信模塊與LonWorks電力線智能通信模塊設(shè)計成接口完全兼容的結(jié)構(gòu)。需要 LonWorks雙絞線接口時安裝上LonWorks雙絞線智能通信模塊，需要LonWorks電力線接口時安裝上LonWorks電力線智能通信模塊，接口之間的切換非常方便靈活。
    LonWorks雙絞線智能通信模塊主要由神經(jīng)元芯片F(xiàn)T 3150核心處理器、FT-X1雙絞線智能收發(fā)器、外擴(kuò)的RAM、EEPROM組成。FT 3150智能收發(fā)器有1個20 MHz神經(jīng)元3150核心、O．5 KB的EEPROM和2 KB的RAM。通過外部存儲器總線，F(xiàn)T 3150收發(fā)器能夠?qū)ぶ范噙_(dá)58 KB的外部存儲器，其中16 KB的外部非易失性存儲器保留用于存儲LonWorks系統(tǒng)的固件；它支持無極性的總線型、星型、自由型等拓?fù)洳季€結(jié)構(gòu)。LonWorks電力線智能通信模塊是由神經(jīng)元芯片PL3150核心處理器、PLT-22電力線收發(fā)器、外擴(kuò)的RAM、EEPROM等組成。LonWorks電力線智能通信模塊與載波通信耦合電路連接，將通信數(shù)據(jù)耦合到交流220 V低壓電力線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。LonWorks通信模塊與Q2686無線CPU通過串行口2進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。
4．2 Q2686無線CPU的設(shè)計
    Q2686模塊內(nèi)部包含了一個無線通信模塊及一個ARM9 32位內(nèi)核的中央處理器，32 Mb閃存及16 Mb的RAM，與一些無線通信模塊需要外擴(kuò)CPU、閃存、RAM相比，這部分的電路設(shè)計比較簡單。Q2686無線CPU模塊使用100針的接口與印刷電路板連接，主要引出電源、UART、USB、SIM卡、RTC、I／O口等引腳。
4．3 輸入／輸出控制單元的設(shè)計
    本產(chǎn)品設(shè)計有3路光電隔離開關(guān)量輸入和3路光電隔離繼電器輸出，通過通用I／O口對3路開關(guān)量輸入進(jìn)行實時檢測，通過遠(yuǎn)程命令或定時設(shè)置對3路繼電器輸出進(jìn)行控制；輸入／輸出光電隔離并在輸入和輸出端口處增加Y電容和壓敏電阻增強(qiáng)EMC抗干擾能力。
4．4 電源電路的設(shè)計
    電源是裝置中非常重要的部分，電源性能的好壞將直接影響整個裝置的穩(wěn)定性。本設(shè)計中采用的是開關(guān)電源。由于開關(guān)電源的功率開關(guān)管在開關(guān)過程中產(chǎn)生較大的傳導(dǎo)電磁干擾和諧波干擾，對附近的電氣設(shè)備造成電磁干擾，因此在開關(guān)電源中增加抗干擾和抑制干擾產(chǎn)生的措施是十分必要的，如在輸入端增加共模電感，Y電容、 X電容，在輸出端增加LC濾波電路等措施。
    在GSM／GPRS脈沖發(fā)射模式下，電源應(yīng)該能夠在瞬間釋放很高的電流峰值，為射頻部分提供3．6 V的電壓，3．6 V的電壓經(jīng)過若干個調(diào)整管，提供基帶信號所需要的2．8 V和1．8 V。

5 程序設(shè)計
    因為硬件分Q2686無線CPU和LonWorks通信模塊兩大模塊，所以程序設(shè)計也相應(yīng)地分為兩部分，一部分是Q2686無線CPU內(nèi)的程序設(shè)計，一部分是LonWorks通信模塊內(nèi)的程序設(shè)計。
5．1 Q2686無線CPU內(nèi)的程序設(shè)計
    使用Wavecom公司提供的Open AT開發(fā)套件，用Open AT project wizard創(chuàng)建工程項目，其中可以選擇Eclipse或VC作為開發(fā)環(huán)境。編程主要使用Open ATAPI函數(shù)，Open AT開發(fā)套件提供非常豐富的API接口函數(shù)，方便程序員編程。
    Q2686無線CPU內(nèi)的程序設(shè)計按功能又可以分為2部分：一部分是通用的程序設(shè)計，包括SIM卡的初始化、讀寫設(shè)置參數(shù)、TCP／IP網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)的 TCP／IP發(fā)送接收等，其程序流程如圖3所示；一部分是UARTl和UART2的數(shù)據(jù)發(fā)送接收處理程序，與具體的應(yīng)用相關(guān)。UARTl用于RS485總線的數(shù)據(jù)發(fā)送及接收處理，主要包括輪詢RS485計量終端，在收到計量終端返回的數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗、提取、保存及發(fā)送給監(jiān)控中心；UART2主要用于和LonWorks通信模塊的通信，也包括數(shù)據(jù)發(fā)送及接收處理。UART2的數(shù)據(jù)發(fā)送主要是將監(jiān)控中心發(fā)送過來的指令發(fā)給LonWorks通信模塊，以便監(jiān)控中心能夠在遠(yuǎn)端對LonWorks現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制；UART2的數(shù)據(jù)接收處理主要是將LonWorks通信模塊送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗、提取、保存及發(fā)送給監(jiān)控中心。
5．2 LonWorks通信模塊內(nèi)的程序設(shè)計
    LonWorks通信模塊使用了Neuron神經(jīng)元芯片，其程序設(shè)計需要使用：Echelon公司LonMaker和 NodeBuilder。兩個軟件。先使用LonMaker創(chuàng)建LonWorks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再對單個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用NodeBuilder。開發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序的編寫。編程語言使用Neuron C語言，這是一種專門為Neuron芯片設(shè)計的程序設(shè)計語言，在標(biāo)準(zhǔn)C的基礎(chǔ)上進(jìn)行了自然擴(kuò)展，是一個開發(fā)LonWorks應(yīng)用的有力工具。 LonWorks通信模塊的程序功能主要是輪詢Lon-Works計量終端，在收到計量終端返回的數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取，然后發(fā)送給Q2686無線 CPU；或者是接收Q2686無線CPU發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過解析后發(fā)送到LonWorks現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的某個計量終端。

結(jié) 語
    LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的先進(jìn)性使其最近幾年的發(fā)展非常迅速，應(yīng)用范圍日益廣泛；另外，GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸十分便捷，隨著其資費(fèi)不斷下調(diào)，在監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。本文中的GPRS／LON無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)結(jié)合了LonWorks技術(shù)及GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，具有很高的應(yīng)用價值。