基于Q2686無線CPU和Lonworks技術(shù)的無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

引言
本無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)最初的設(shè)計(jì)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(jì)量終端（電能、水、燃?xì)狻⑷加偷戎悄苡?jì)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。本無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)主要是通過現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（LON，保留RS485）對計(jì)量終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，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)也可以做簡單修改以適應(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)采用串口通信（RS485）接口和Modbus通信協(xié)議，信息遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)也主要是通過有線傳輸?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(jì)采用Q2686無線CPU和Lonworks技術(shù)來實(shí)現(xiàn)具有遙控、遙測及定時(shí)控制于一體的多功能無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)。

Q2686無線CPU介紹

Q2686是Wavecom公司的新一代無線CPU Q26系列的一員，它采用ARM9 32bit內(nèi)核的中央處理器，104MHz，30MIPS，32MB閃存和16MB的RAM，2個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1個(gè)USB 2.0接口，1個(gè)并口，2個(gè)RS232串口，最多可配備44個(gè)GPIO，四頻段(GSM 850/900/1800/1900MHz)。

Wavecom專有的Open AT軟件開發(fā)套件，是性能一流的嵌入式蜂窩網(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)。

Lonworks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

Lonworks是由美國Echelon公司開發(fā)的一種完整的、全開放的互操作性強(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通訊協(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(bào)文而無須知道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、名稱、地址或其他裝置的功能，所有采用Lonworks技術(shù)的產(chǎn)品都遵循LonTalk通訊協(xié)議，因此不同廠家的產(chǎn)品可以很方便地接入到同一個(gè)Lonworks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，它具有以下優(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)通訊協(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(jì)方面，而不需要專門去實(shí)現(xiàn)和測試傳輸線路和通訊系統(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(gè)節(jié)點(diǎn)都能完成控制和通訊功能，部分節(jié)點(diǎn)故障不會造成系統(tǒng)癱瘓，多至九個(gè)監(jiān)控站可安裝在網(wǎng)絡(luò)的任何位置并可隨時(shí)變換，監(jiān)控站之間功能完全對等，也可定義為不同級別。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，系統(tǒng)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(jì)和維護(hù)升級改造帶來極大的方便。

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(shí)查詢Lonworks現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)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)，再由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(gè)計(jì)量終端。

                                         圖1 系統(tǒng)整體框圖
 

無線監(jiān)控網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

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

                                       圖2 設(shè)計(jì)原理框圖

Lonworks通信模塊設(shè)計(jì)

Lonworks通信模塊作為一個(gè)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Lonworks雙絞線智能通信模塊和Lonworks電力線智能通信模塊，二者設(shè)計(jì)為接口完全兼容的結(jié)構(gòu)，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)器包含一個(gè)20MHz神經(jīng)元3150核心、0.5K字節(jié)的EEPROM和2K字節(jié)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)58K字節(jié)的外部存儲，其中16K字節(jié)的外部非易失性存儲器保留用于存儲Lonworks系統(tǒng)的固件；支持無極性的總線型、星型、自由型等拓樸布線結(jié)構(gòu)。

Lonworks電力線智能通信模塊是由神經(jīng)元芯片PL 3150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220V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。

Q2686無線CPU的設(shè)計(jì)

Q2686模塊內(nèi)部包含了1個(gè)無線通信模塊、1個(gè)ARM9 32bit內(nèi)核的中央處理器、32MB閃存及16MB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(jì)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。

輸入/輸出控制單元的設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)檢測，通過遠(yuǎn)程命令或定時(shí)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電容和壓敏電阻來增強(qiáng)EMC抗干擾能力。

電源電路的設(shè)計(jì)

電源是裝置中一個(gè)非常重要的部分，電源性能的好壞將直接影響整個(gè)裝置的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)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)電磁和諧波干擾，會對附近的電氣設(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3.6V的電壓，3.6V的電壓經(jīng)過幾個(gè)調(diào)整管，提供基帶信號所需要的2.8V和1.8V。

程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)包括Q2686無線CPU內(nèi)的程序設(shè)計(jì)，和Lonworks通信模塊內(nèi)的程序設(shè)計(jì)。

Q2686無線CPU內(nèi)的程序設(shè)計(jì)

使用Wavecom公司提供的Open AT 開發(fā)套件，使用Open AT project wizard創(chuàng)建工程項(xiàng)目，其中可以選擇eclipse或VC作為開發(fā)環(huán)境。編程主要是使用Open AT API 函數(shù)，Open AT 開發(fā)套件提供豐富的API接口函數(shù)，非常方便編程。

Q2686無線CPU內(nèi)的程序設(shè)計(jì)按功能分為二部分：一部分是通用的程序設(shè)計(jì)，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，其程序流程圖如圖3所示；一部分是UART1和UART2的數(shù)據(jù)發(fā)送接收處理程序，這部分和具體的應(yīng)用相關(guān)，UART1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(jì)量終端，在收到計(jì)量終端返回的數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、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(yàn)、提取、保存及發(fā)送給監(jiān)控中心。

                              圖3 Q2686無線CPU的程序設(shè)計(jì)
 

Lonworks通信模塊內(nèi)程序設(shè)計(jì)

Lonworks通信模塊使用了Neuron神經(jīng)元芯片，其程序設(shè)計(jì)需使用Echelon公司lonmake和NodeBuilder兩個(gè)軟件，先使用lonmaker創(chuàng)建Lonworks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再對單個(gè)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，Neuron C是一種專門為Neuron 芯片設(shè)計(jì)的程序設(shè)計(jì)語言，它在標(biāo)準(zhǔn)C的基礎(chǔ)上進(jìn)行了自然擴(kuò)展，是一個(gè)開發(fā)Lonworks應(yīng)用的有力工具。

Lonworks通信模塊的程序功能主要就是輪詢Lonworks計(jì)量終端，在收到計(jì)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(gè)計(jì)量終端。

小結(jié)

本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)。Lonworks技術(shù)最近幾年發(fā)展非常迅速，應(yīng)用范圍日益廣泛，而GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸很便捷，隨著無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y費(fèi)不斷下調(diào)，將具有很高的應(yīng)用價(jià)值。