Q2686無線CPU和LonWorks的無線監(jiān)控網關設計

摘要 主要利用Q2686無線CPU結合LonWorks控制網絡技術，開發(fā)設計出一種多功能無線監(jiān)控網關。該無線監(jiān)控網關有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，并通過GPRS無線數(shù)據傳輸將數(shù)據傳輸給中心站網絡服務器，也可以響應中心站的數(shù)據請求和控制。
關鍵詞 LonWorks Q2686 無線CPU 網關 測量 控制

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

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絡開發(fā)環(huán)境。通過Open AT的WIP(TCP／IP協(xié)議棧)插件，可以方便地在產品上進行網絡開發(fā)。WIP插件還可以配合C－GPS插件或Wavecom的其他插件一起應用，可以方便地進行GPS應用開發(fā)和TCP／IP的應用開發(fā)。

2 LonWorks控制網絡技術
    LonWorks是由美國Echelon公司開發(fā)的一種完整、全開放、互操作性強、可靠性高、成熟的分布式控制網絡技術，它支持多種通信介質，包括雙絞線、電力線、無線(RF)、紅外(IR)、同軸電纜和光纖。LonWorks技術的核心是LonTalk通信協(xié)議，該協(xié)議提供一套通信服務，使裝置中的應用程序能在網上對其他裝置發(fā)送和接收報文而無需知道網絡拓撲、名稱、地址或其他裝置，所有采用LonWorks技術的產品都遵循LonTalk通信協(xié)議，因此不同廠家的產品可以很方便的接人到同一個LonWorks網絡系統(tǒng)中去。其具有以下優(yōu)點：
    ①系統(tǒng)具有開放性和互操作性。LonWorks網絡由節(jié)點(即智能控制器)通過固化在內部的符合OSI七層參考模型的LonTalk網絡通信協(xié)議互聯(lián)，組成“Peer to Peer”對等網絡。開發(fā)人員只需將主要精力花在系統(tǒng)應用設計方面，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。網絡節(jié)點靠近現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行機構，每個節(jié)點都能完成控制和通信功能，部分節(jié)點故障不會造成系統(tǒng)癱瘓。多至9個監(jiān)控站可隨意安裝在網絡的任何位置，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。這些特點對系統(tǒng)的調試、維護和穩(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行信號傳輸；根據傳輸距離的遠近、傳輸速度和現(xiàn)場設備等具體要求系統(tǒng)，可組成自由拓撲結構或總線型等結構，這些都給系統(tǒng)設計和維護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)控網關定時查詢LonWorks現(xiàn)場監(jiān)測網絡上的計量終端的數(shù)據，并將數(shù)據打包經過GPRS無線網絡、Internet傳送到監(jiān)控中心的服務器上；或者是相反的過程，監(jiān)控中心發(fā)出的指令經過 Internet、GPRS無線網絡傳送到GPRS／LON無線監(jiān)控網關，GPRS／LON無線監(jiān)控網關將相應的指令經現(xiàn)場監(jiān)測網絡傳送到具體的某個計量終端。

4 無線監(jiān)控網關的硬件設計
    GPRS／LON無線監(jiān)控網關硬件包括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為產品設計原理框圖。

4．1 LonWorks通信模塊設計
    LonWorks通信模塊作為一個單獨的部件安裝在設備的主板上，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計成接口完全兼容的結構。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、外擴的RAM、EEPROM組成。FT 3150智能收發(fā)器有1個20 MHz神經元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)器能夠尋址多達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、自由型等拓撲布線結構。LonWorks電力線智能通信模塊是由神經元芯片PL3150核心處理器、PLT-22電力線收發(fā)器、外擴的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)據耦合到交流220 V低壓電力線上進行數(shù)據傳輸。LonWorks通信模塊與Q2686無線CPU通過串行口2進行通信和數(shù)據傳輸。
4．2 Q2686無線CPU的設計
    Q2686模塊內部包含了一個無線通信模塊及一個ARM9 32位內核的中央處理器，32 Mb閃存及16 Mb的RAM，與一些無線通信模塊需要外擴CPU、閃存、RAM相比，這部分的電路設計比較簡單。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／輸出控制單元的設計
    本產品設計有3路光電隔離開關量輸入和3路光電隔離繼電器輸出，通過通用I／O口對3路開關量輸入進行實時檢測，通過遠程命令或定時設置對3路繼電器輸出進行控制；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EMC抗干擾能力。
4．4 電源電路的設計
    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。本設計中采用的是開關電源。由于開關電源的功率開關管在開關過程中產生較大的傳導電磁干擾和諧波干擾，對附近的電氣設備造成電磁干擾，因此在開關電源中增加抗干擾和抑制干擾產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的電壓經過若干個調整管，提供基帶信號所需要的2．8 V和1．8 V。

5 程序設計
    因為硬件分Q2686無線CPU和LonWorks通信模塊兩大模塊，所以程序設計也相應地分為兩部分，一部分是Q2686無線CPU內的程序設計，一部分是LonWorks通信模塊內的程序設計。
5．1 Q2686無線CPU內的程序設計
    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內的程序設計按功能又可以分為2部分：一部分是通用的程序設計，包括SIM卡的初始化、讀寫設置參數(shù)、TCP／IP網絡連接、數(shù)據的 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)據發(fā)送接收處理程序，與具體的應用相關。UARTl用于RS485總線的數(shù)據發(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)據后，首先進行數(shù)據的校驗、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)據發(fā)送及接收處理。UART2的數(shù)據發(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)控中心能夠在遠端對LonWorks現(xiàn)場監(jiān)測網絡進行控制；UART2的數(shù)據接收處理主要是將LonWorks通信模塊送來的數(shù)據進行數(shù)據的校驗、提取、保存及發(fā)送給監(jiān)控中心。
5．2 LonWorks通信模塊內的程序設計
    LonWorks通信模塊使用了Neuron神經元芯片，其程序設計需要使用：Echelon公司LonMaker和 NodeBuilder。兩個軟件。先使用LonMaker創(chuàng)建LonWorks網絡節(jié)點，再對單個網絡節(jié)點使用NodeBuilder。開發(fā)環(huán)境進行程序的編寫。編程語言使用Neuron C語言，這是一種專門為Neuron芯片設計的程序設計語言，在標準C的基礎上進行了自然擴展，是一個開發(fā)LonWorks應用的有力工具。 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)據后，首先進行數(shù)據的提取，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，經過解析后發(fā)送到LonWorks現(xiàn)場監(jiān)測網絡的某個計量終端。

結 語
    LonWorks控制網絡技術的先進性使其最近幾年的發(fā)展非常迅速，應用范圍日益廣泛；另外，GPRS無線數(shù)據傳輸十分便捷，隨著其資費不斷下調，在監(jiān)控領域的應用越來越多。本文中的GPRS／LON無線監(jiān)控網關結合了LonWorks技術及GPRS無線數(shù)據傳輸技術，具有很高的應用價值。