太陽能中央熱水工程通信網(wǎng)絡的設計

管立偉　 盧 宇　吳進營　何志杰　陳 曦

(1. 福建師范大學物理與能源學院， 福州 350117；2. 福建省量子調(diào)控與新能源材料重點實驗室， 福州 350117)

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太陽能中央熱水工程通信網(wǎng)絡的設計

管立偉1,2盧 宇1,2吳進營1,2何志杰1,2陳 曦1,2

(1. 福建師范大學物理與能源學院， 福州 350117；2. 福建省量子調(diào)控與新能源材料重點實驗室， 福州 350117)

針對太陽能中央熱水工程中通信網(wǎng)絡成本高、安全性差、通信距離和以太網(wǎng)接入點位置受限等問題，利用無線數(shù)傳技術(shù)和嵌入式Internet技術(shù)，設計了無線通信與以太網(wǎng)相結(jié)合的通信網(wǎng)絡，降低通信網(wǎng)絡工程成本，提高安全性。該技術(shù)已成功應用于景德鎮(zhèn)規(guī)劃局的多個可再生能源示范項目中。

太陽能； 熱水系統(tǒng)； 嵌入式Internet； 無線數(shù)傳

太陽能中央熱水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性要求較高。為了及時發(fā)現(xiàn)并預防集熱管炸裂、供熱水箱缺水、供熱水箱溢水和低水位加熱等現(xiàn)象，有必要進一步研究安全有效的太陽能中央熱水工程遠程監(jiān)控系統(tǒng)。管立偉等人研究開發(fā)的面向集群應用的太陽能熱水器測控與管理系統(tǒng)，已經(jīng)實現(xiàn)了可視化監(jiān)控與管理[1]。系統(tǒng)總體由終端供熱系統(tǒng)、區(qū)域集控中心和企業(yè)集控中心構(gòu)成。在實驗和實際工程應用中發(fā)現(xiàn)，若要實現(xiàn)區(qū)域集控中心數(shù)據(jù)同步，須用戶開啟電腦并連接上網(wǎng)絡，否則將無法同步數(shù)據(jù)來進行性能分析和效益評價。如果換一種方式將熱水系統(tǒng)控制器接入以太網(wǎng)，以保證數(shù)據(jù)同步，又存在重新布線、難度加大、成本過高等問題。在此，考慮采用無線通信的方式解決這些問題。本次研究中，充分考慮了建筑的現(xiàn)有網(wǎng)絡設施和工程成本，采用無線數(shù)傳技術(shù)和嵌入式Internet相結(jié)合的方式將系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，使系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性、傳輸距離、組網(wǎng)靈活性等一系列問題得到有效改善。

1　通信網(wǎng)絡拓撲

太陽能中央熱水系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡，由現(xiàn)場終端控制器、從無線數(shù)傳模塊、主無線數(shù)傳模塊、嵌入式網(wǎng)絡通信終端和企業(yè)集控與管理中心等5部分組成。圖1所示為太陽能中央熱水系統(tǒng)通信網(wǎng)絡組成框圖?，F(xiàn)場終端控制器采集和處理運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)控制[1]；從無線數(shù)傳模塊通過串口與終端控制器建立通信鏈路；主無線數(shù)傳模塊通過串口與嵌入式網(wǎng)絡通信終端連接；嵌入式網(wǎng)絡通信終端通過Internet和企業(yè)集控與管理中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，在局域網(wǎng)內(nèi)采用移動區(qū)域管理終端來配置太陽能中央熱水系統(tǒng)的項目信息、結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)等，便于工程現(xiàn)場調(diào)試和維護。

圖1　太陽能中央熱水系統(tǒng)通信網(wǎng)絡組成框圖

2　通信網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)

2.1多任務架構(gòu)

借鑒計算機分時處理和Windows系統(tǒng)事件驅(qū)動等思路，構(gòu)建多任務軟件框架[2]。嵌入式網(wǎng)絡通信終端軟件的多任務架構(gòu)設計，是根據(jù)工程實際要求將網(wǎng)絡通信終端要實現(xiàn)的功能劃分為多個任務模塊，如時間事件(秒事件，分事件等)處理、串口通信數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)處理、實時數(shù)據(jù)采集處理、心跳包任務和LED指示燈任務等。采用事件消息驅(qū)動機制，按不同優(yōu)先級別對不同的任務模塊分配MCU的控制權(quán)，各個任務模塊在相應的執(zhí)行時間范圍內(nèi)才可訪問MCU。圖2所示為軟件的多任務驅(qū)動機制流程框圖。其中，主程序循環(huán)以標志位控制為主，根據(jù)標志位的狀態(tài)來確定任務能否訪問MCU，即標志位相當于事件消息。

圖2　STM32多任務流程框圖

2.2無線通信設計

網(wǎng)絡通信終端定時采集終端控制器的實時數(shù)據(jù)，無線通信子系統(tǒng)采用透明傳輸機制，無線主機和從機數(shù)傳RTU使用正常數(shù)據(jù)通信頻段，最終將終端控制器應答數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給企業(yè)集控與管理中心。圖3所示為太陽能熱水系統(tǒng)正常數(shù)據(jù)通信流程。

圖3　系統(tǒng)正常數(shù)據(jù)通信流程

太陽能中央熱水系統(tǒng)異常狀況偶爾會發(fā)生。為了及時處理異常情況，同時降低無線數(shù)傳模塊的通信負荷，由終端控制器在熱水系統(tǒng)異常狀況發(fā)生時主動上傳報警數(shù)據(jù)；再通過無線數(shù)傳模塊改變通信頻段，轉(zhuǎn)而將報警數(shù)據(jù)發(fā)送給主無線數(shù)傳模塊，主無線數(shù)傳模塊收到后即應答。如果從無線數(shù)傳模塊未收到主無線數(shù)傳模塊的應答，則延時重新發(fā)送。圖4 所示為太陽通熱水系統(tǒng)報警數(shù)據(jù)通信流程。

2.3網(wǎng)絡通信設計

2.3.1TCPIP協(xié)議處理

嵌入式TCPIP協(xié)議采用4層結(jié)構(gòu)，其協(xié)議分層模型如表1所示[3-4]。

圖4　系統(tǒng)報警數(shù)據(jù)通信流程

分層名稱模型名稱應用層HTTP、Telnet、FTP、SMTP、DHCP運輸層TCP、UDP網(wǎng)絡層IP、ARP、RARP、ICMP鏈路層Ethernet、X.25、SLIP、PPP

根據(jù)嵌入式Internet的實際應用情形，在確保協(xié)議功能完整性的基礎(chǔ)上，可以選擇性地使用其中幾種協(xié)議模塊，如在運輸層可選擇采用簡單而快速的UDP協(xié)議或者可靠而完備的TCP協(xié)議[5]。實際上，通過加入自定義的通信協(xié)議來判斷是否連接正?；蛐柽M行多次重試，保證了UDP的可靠性。在此僅使用UDP、IP、ICMP、DHCP和ARP協(xié)議模塊，太陽能中央熱水系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的協(xié)議處理和傳輸過程如圖5所示。

圖5　TCPIP協(xié)議處理過程

2.3.2網(wǎng)絡通信程序設計

網(wǎng)絡連接方式采用的是UDP通信方式，需要在嵌入式網(wǎng)絡通信終端上實現(xiàn)客戶端程序來與企業(yè)端通信軟件和手機端APP進行交互。通過端口號的區(qū)分來實現(xiàn)企業(yè)服務器端和手機APP端不同的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸通道，同時同一應用的數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收也采用不同的端口號。本設計中服務器端發(fā)送端口和監(jiān)聽端口分別定義為60 000和60 001，手機APP端發(fā)送端口和監(jiān)聽端口分別為60 003和60 002，從IP層接收了數(shù)據(jù)報之后，根據(jù)UDP的目的端口號進行分解操作。本設計中網(wǎng)絡通信任務中的接收函數(shù)實現(xiàn)如下：

u8NetRecDeal(void)

{

u16PortTemp,datalen;

u32plen=0;

plen=enc28j60PacketReceive(BUFFER_SIZE,g_NetBuf);調(diào)用硬件層函數(shù)以查詢方式收取網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包。

if(RecIsIpAndForMe(g_NetBuf,plen)==0) {return(0);}接受的包不是IP包或者不是對應IP返回0。

PortTemp=RecIpPackIsUdp(g_NetBuf);獲取UDP數(shù)據(jù)區(qū)和端口。

datalen=NetReadUint16(g_NetBuf+UDP_LEN) -UDP_HEADER_LEN;

switch(PortTemp)如果IP是UDP數(shù)據(jù)包，且端口正確，則應答處理。

{

caseDHCP_CLIENT_LOCAL_UDP_PORT:DHCP端口。

DhcpRecDeal(g_NetBuf);

break;

caseINFORM_PORT:遠程服務器監(jiān)聽端口。

if(PtlUdpRec(g_NetBuf+UDP_DATA_P,datalen)){ ... }break;應用協(xié)議處理。

caseCellphone_PORT:手機端監(jiān)聽端口。

memcpy((void*)&g_CellphoneIp[0],(void*)&g_NetBuf[IP_SRC_P],4);將手機端IP記錄下來。

...

if(PtlUdpcellPhoneRec(g_NetBuf+UDP_DATA_P,datalen)) { ... }break;應用協(xié)議處理。

default:break;

}

return1;

}

網(wǎng)絡通信任務中，接收數(shù)據(jù)根據(jù)不同的端口號進行相應的應用協(xié)議處理，其發(fā)送函數(shù)則將接收函數(shù)中目的端口號和源端口號對調(diào)，按照相應協(xié)議的格式進行數(shù)據(jù)組包。需要注意的是，在局域網(wǎng)內(nèi)與手機端通信時應該將其IP記錄下來，以便完成UDP數(shù)據(jù)組包。

3　結(jié)　語

本次研究設計了太陽能中央熱水系統(tǒng)通信網(wǎng)絡。考慮現(xiàn)有網(wǎng)絡建設基礎(chǔ)和工程成本，采用無線數(shù)傳技術(shù)和嵌入式Internet相結(jié)合的方式接入以太網(wǎng)，簡化了太陽能中央熱水系統(tǒng)的設計、施工和測試工作，降低了維護難度和工程成本。相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成功應用于江西省景德鎮(zhèn)市規(guī)劃局的31個可再生能源示范項目，網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，應用效果良好。

[1] 管立偉，李汪彪，秦永熙，等.太陽能、熱泵熱水工程多模式測試及技術(shù)實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013(12):133-136.

[2] 吳允平，蔡聲鎮(zhèn)，樂仁昌，等.單片機程序的限時服務策略及設計[J] .系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2004， 26(11) :1672-1674.

[3] 嚴丁，候思祖.基于嵌入式Internet技術(shù)的運動信道監(jiān)測系統(tǒng)[J].電力科學與工程，2010(3):22-25.

[4]SergioScagli.嵌入式InternetTCPIP基礎(chǔ)、實現(xiàn)及應用[M].潘琢金，徐蕾，拱長青，等譯.北京：北京航空航天大學出版社，2008：30-35.

[5] 王峰.基于DSP的EthernetCAN總線嵌入式網(wǎng)關(guān)的設計[D].上海：上海大學，2004：20-25.

DesignandApplicationofSolarEnergyCentralHotWaterEngineeringCommunicationsNetworks

GUAN Liwei1,2LU Yu1,2WU Jinying1,2HE Zhijie1,2CHEN Xi1,2

(1.College of Physics and Energy, Fujian Normal University, Fuzhou 350117, China;2.FujianProvincialKeyLaboratoryofQuantumManipulationandNewEnergyMaterials,Fuzhou350117,China)

Communicationnetworkinsolarenergycentralhotwaterengineeringiswithhighcost,poorsafety,andhassomeproblems,suchasthelimitedcommunicationdistanceandEthernetnetworkaccesspointlocation.SothispaperputsforwardsomesolutionstoreduceitscommunicationnetworkcostandimprovessecuritypurposesbyadoptingthecombinationofwirelesscommunicationandEthernetcommunicationnetworkscheme,basedonwirelessdatatransmissiontechnologyandembeddedInternettechnology.ThistechnologyhasbeensuccessfullyappliedinJingdezhenplanningbureauofmultiplerenewableenergydemonstrationprojects.

solar;hotwaterproject;embeddedinternet;wirelessdatatransmission

2016-04-01

福建省高新技術(shù)計劃重點項目“分布式太陽能中央熱水系統(tǒng)測控平臺的研制”(2012H0021)

管立偉(1985 — )，男，湖北黃岡人，助理實驗師，研究方向為智能檢測與控制系統(tǒng)。

TP27：TK51

A

1673-1980(2016)04-0105-04