基于CC3200的設(shè)備電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王元月,賴其濤

(1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

基于CC3200的設(shè)備電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王元月1,賴其濤2

(1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

針對(duì)工業(yè)設(shè)備電源接入無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制的要求，設(shè)計(jì)了一款基于CC3200的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，并給出了硬件和軟件設(shè)計(jì)方案;系統(tǒng)采用CC3200內(nèi)嵌的應(yīng)用MCU對(duì)電源進(jìn)行信息采集和控制，采集的數(shù)據(jù)通過內(nèi)嵌的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理器無線傳遞到本地服務(wù)器并存入SQL數(shù)據(jù)庫中，而來自終端的控制命令通過Wi-Fi處理器接收并送給應(yīng)用MCU處理;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，靈活高效，具有良好的應(yīng)用前景。

CC3200；Wi-Fi；設(shè)備電源；socket

0 引言

目前，一些工業(yè)設(shè)備安裝的地點(diǎn)跟設(shè)備管理人員所在處距離相隔較遠(yuǎn)，而這些設(shè)備由于環(huán)境的變化或者軟件的原因容易出現(xiàn)死機(jī)的現(xiàn)象，為了方便工作人員的管理和維修，縮短設(shè)備故障時(shí)間。因此，將電源接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研制刻不容緩[1-2]。而CC3200的出現(xiàn)給電源的聯(lián)網(wǎng)管理帶來了新的途徑。該芯片符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，它能輕松實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)信號(hào)和無線網(wǎng)Wi-Fi信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，使傳統(tǒng)電子設(shè)備更好地加入網(wǎng)絡(luò)[3]，從而實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理?；诖?，提出了基于CC3200的設(shè)備電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，利用CC3200內(nèi)嵌的應(yīng)用MCU將現(xiàn)場采集的電源參數(shù)通過WI-FI網(wǎng)絡(luò)處理器將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，設(shè)備管理人員通過客戶端的軟件平臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控工業(yè)設(shè)備電源的參數(shù)，并對(duì)電源進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

基于Wi-Fi的無線監(jiān)測系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的有線監(jiān)測系統(tǒng)相比，具有超低功耗、低成本、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)。電源管理中引入Simplelink Wi-Fi CC3200芯片，降低了設(shè)備電源的管理成本，提高了管理效率。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

無線電源控制系統(tǒng)方案采用TI公司推出的片上Wi-Fi MCU CC3200作為核心處理器、配合服務(wù)器、路由器、終端設(shè)備等并輔以必要的外圍電路將設(shè)備電源接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備電源的遠(yuǎn)程管理和控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，CC3200內(nèi)含無線WI-FI處理器需要相應(yīng)的Wi-Fi無線收發(fā)電路才能實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)；輔助電路包括電源電路、復(fù)位電路以及時(shí)鐘電路等[4]；服務(wù)器主要是起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)查詢的功能；路由器和服務(wù)器的功能差不多，但是路由器不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，只能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

系統(tǒng)功能要求如下：1)CC3200內(nèi)嵌的ARM Cortex-M4 MCU周期性的采集設(shè)備電源的輸出電壓、電流、工作溫度和濕度信息；2)CC3200通過繼電器控制電源的開/關(guān)狀態(tài)；3)CC3200模塊作為STA與無線AP連接，通過socket技術(shù)與局域網(wǎng)內(nèi)的本地服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，遠(yuǎn)距離可以用中繼器將路由信號(hào)放大；4)服務(wù)器將接收的電源數(shù)據(jù)存入SQL數(shù)據(jù)庫中；5)用戶可通過終端設(shè)備PC、平板或手機(jī)的平臺(tái)軟件實(shí)時(shí)查看電源信息，同時(shí)也可通過平臺(tái)軟件向電源發(fā)送關(guān)斷或開啟命令。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件的實(shí)現(xiàn)

2.1 CC3200模塊

圖3 CC3200模塊電路

電路核心是TI公司推出的一款高端、低成本、低功耗的CC3200芯片，它由應(yīng)用MCU子系統(tǒng)、無線WI-FI網(wǎng)絡(luò)處理器子系統(tǒng)和電源管理子系統(tǒng)構(gòu)成。應(yīng)用MCU子系統(tǒng)包括一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ARM Cortex-M4內(nèi)核，集成了各種外設(shè)接口，包括快速并行相機(jī)接口，I2S，SD / MMC，UART，SPI，I2C，四通道12位ADC等；Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理器子系統(tǒng)包含一個(gè)片上互聯(lián)網(wǎng)和一個(gè)專用的ARM單片機(jī)，該子系統(tǒng)符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11支持多個(gè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，其內(nèi)部有802.11b/g/n Radio、802.11b/g/n PHY和具有強(qiáng)大加密引擎的802.11b/g / n MAC，提供快捷、安全的256位加密無線局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)連接；電源管理子系統(tǒng)集成了DC-DC轉(zhuǎn)換器支持兩種供電配置，一種是寬電壓模式，芯片的供電電壓范圍為2.1～3.6 V；另一種預(yù)穩(wěn)壓模式由1.85 V供電。它具有低功耗運(yùn)行機(jī)制，具實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC) 的休眠模式所需電流少于4 μA，低功耗深度睡眠 (LPDS)小于120 μA[5-7]。

CC3200模塊負(fù)責(zé)采集設(shè)備電源的電壓、電流、工作溫度和濕度信息，并將這些信息通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理器發(fā)送出去；該模塊還要負(fù)責(zé)接收來自終端的電源開/關(guān)命令，并通過繼電器控制電源的工作狀態(tài)。硬件構(gòu)成如圖2，包括溫度濕度傳感器模塊、繼電器、A/D轉(zhuǎn)換以及供電模塊。

圖2 硬件構(gòu)成框圖

CC3200集成度很高，只需要外加一下簡單的元器件就能實(shí)現(xiàn)無線控制功能，主要電路如圖3。電源信號(hào)的采集以及電源開/關(guān)的控制采用CC3200中內(nèi)嵌的應(yīng)用MUC來完成，應(yīng)用MCU以ARM Cortex-M4為核心，其內(nèi)置高達(dá)256 KB的RAM以及四通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，因此對(duì)電源輸出的直流電壓和電流的采集不需外置A/D轉(zhuǎn)換器；系統(tǒng)中采用溫濕度傳感器DHT11對(duì)電源的工作溫度和濕度進(jìn)行檢測，以I2C方式與微處理器通信；系統(tǒng)通過應(yīng)用MCU輸出的電平來控制繼電器線圈的通斷，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備電源開關(guān)的通斷控制。CC3200芯片采用寬范圍的電源電壓模式，由3.3電源供電，為了得到一個(gè)穩(wěn)定的3.3 V電壓，使用TI 公司的REG117-3.3芯片將5 V轉(zhuǎn)換成到3.3 V電壓輸出。

2.2 Wi-Fi無線收發(fā)電路

CC3200 內(nèi)含的無線Wi-Fi 子系統(tǒng)內(nèi)部沒有自帶的射頻功能，因此需要外加的外圍射頻電路才能實(shí)現(xiàn)射頻收發(fā)，電路圖4 所示。它的射頻為單端輸入輸出，在Pin 31上復(fù)用，其中待發(fā)送的無線信號(hào)從CC3200 的無線發(fā)射引腳RF_BG(Pin 31)出來，經(jīng)過一個(gè)2.4 GHz 帶通濾波器(BPF)和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后，再由一個(gè)2.4 HGz 的天線輻射到空間中。圖中U3是2.4 G的帶通濾波器，由于不同芯片射頻發(fā)射和接收的內(nèi)部設(shè)計(jì)不同，射頻上會(huì)產(chǎn)生不同的雜散，所以需要特殊的頻段用以抑制二次和三次諧波和帶外雜散。射頻部分的設(shè)計(jì)分為兩部分，一部分是電路的傳導(dǎo)部分，另外一部分是天線電路。在布線時(shí)需要控制阻抗，使其在2.4 GHz工作頻段為50 Ohm，以此來確保電路擁有較好的傳輸特性[8]。2.4 GHz的天線選用體積小，使用方便的陶瓷天線，它是全向天線，沒有明顯的方向性，符合Wi-Fi應(yīng)用的需求。

圖4 Wi-Fi無線收發(fā)電路

3 軟件的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用server/client網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，CC3200作為客戶端將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器或者接收網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)來的數(shù)據(jù)。Wi-Fi與服務(wù)器之間通信方式有兩種：一是采用socket通訊方式與服務(wù)器建立鏈接傳輸數(shù)據(jù)，另一種是采用WEB服務(wù)器，Wi-Fi將數(shù)據(jù)以post方式或者get方式提交到服務(wù)器，服務(wù)器可返回?cái)?shù)據(jù)給Wi-Fi。本方案中采用socket通信通過TCP協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。Socket為程序內(nèi)部與外界通信的提供了端口，并提供了通信雙方的數(shù)據(jù)傳輸通道，Socket通信在服務(wù)端和客戶端建立好連接后就可以直接進(jìn)行信號(hào)的傳輸。

3.1 客戶端軟件

CC3200作為客戶端，它的任務(wù)主要是兩個(gè)，一是采集設(shè)備電源的電壓、電流、溫度等信息通過Wi-Fi處理器無線發(fā)送出去；二是接收來自終端的控制命令并執(zhí)行。客戶端工作流程如圖5。

圖5 客戶端工作流程

CC3200支持AP和STA組網(wǎng)模式，AP是無線接入點(diǎn)，是無線網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)；STA是無線網(wǎng)絡(luò)的終端，也就是無線站點(diǎn)。本方案中CC3200的Wi-Fi選用STA模式，Socket通信選擇TCP/Client模式，CC3200作為TCP/Client，服務(wù)器作為TCP/Server，CC3200與服務(wù)器采用socket通信。因?yàn)榭蛻舳薈C3200配置成STA模式，它的IP地址是由無線AP自動(dòng)分配的，需要配置目標(biāo)的路由參數(shù)，程序通過調(diào)用sl_start()函數(shù)啟動(dòng)SimpleLink，再調(diào)用sl_wlanconnect()連接到接入點(diǎn)AP，調(diào)用sl_netapppingstart()函數(shù)ping AP檢查網(wǎng)絡(luò)是否可以通信。

客戶端需要與服務(wù)器建立socket連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，客戶端建立socket連接通信的流程如圖6，客戶端首先調(diào)用socket()函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)套接字[9]，然后調(diào)用connect()函數(shù)發(fā)送連接請(qǐng)求與指定的服務(wù)器socket連接，并等待服務(wù)器的應(yīng)答信息，與服務(wù)器連接成功后，與之進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)傳輸完畢后，關(guān)閉Socket連接。

3.2 服務(wù)器端軟件

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，服務(wù)器端負(fù)責(zé)接收Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)處理器上傳的數(shù)據(jù)信息，然后按照協(xié)議格式檢出電源ID、電壓、電流、溫度和濕度并存儲(chǔ)到SQL數(shù)據(jù)庫中；服務(wù)器也會(huì)將終端的控制命令發(fā)送到客戶端，服務(wù)器端的工作流程如圖7。

圖6 socket通信流程

圖7 服務(wù)器端的工作流程

服務(wù)器端需要建立socket連接與客戶端傳輸數(shù)據(jù)，服務(wù)器端建立socket連接流程如圖6，在建立socket通信時(shí)，服務(wù)器端首先調(diào)用Socket()函數(shù)創(chuàng)建套接字，使用bind()函數(shù)將本地協(xié)議地址綁定到創(chuàng)建的套接字上[9]，接下來調(diào)用listen()函數(shù)監(jiān)聽客戶端發(fā)來的連接請(qǐng)求、用循環(huán)的方式調(diào)用accept()函數(shù)接收客戶端的連接請(qǐng)求，如果檢測到來自客戶端的連接請(qǐng)求時(shí)，會(huì)向客戶端回應(yīng)收到請(qǐng)求連接的信息，并建立服務(wù)器與客戶端之間的連接。服務(wù)器與客戶端建立好socket連接后，TCP協(xié)議為兩者提供全雙工的通信服務(wù)，服務(wù)器從accept()函數(shù)返回后就立刻調(diào)用read()函數(shù)，如果沒有數(shù)據(jù)到達(dá)就阻塞等待，這時(shí)客戶端調(diào)用write()函數(shù)發(fā)送請(qǐng)求給服務(wù)器，服務(wù)器收到來自客戶端發(fā)來的請(qǐng)求后從read()函數(shù)返回，對(duì)客戶端的請(qǐng)求進(jìn)行處理，在此期間客戶端調(diào)用read()阻塞等待服務(wù)器的應(yīng)答，服務(wù)器調(diào)用write()將處理結(jié)果發(fā)回給客戶端，再次調(diào)用read()阻塞等待下一條請(qǐng)求，客戶端收到后從read()返回，發(fā)送下一條請(qǐng)求，如此循環(huán)下去完成數(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)通信完成后，關(guān)閉Socket連接。

4 測試結(jié)果及分析

把已編寫好的程序下載到CC3200芯片中，服務(wù)器安裝好已編寫好的服務(wù)器端程序，將系統(tǒng)上電，CC3200模塊Ready燈亮表示工作正常，Link燈亮表示模塊已連接到路由器，將服務(wù)器接入同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。打開服務(wù)器端平臺(tái)軟件設(shè)置好IP地址和端口號(hào)，點(diǎn)擊啟動(dòng)后，窗口將會(huì)顯示來自CC3200模塊采集的電源參數(shù)，CC3200模塊每2秒鐘向服務(wù)器上傳電源參數(shù)，系統(tǒng)中需要監(jiān)控的電源用于太陽能電池組件測試設(shè)備(EL測試儀)，它是一種具有恒壓恒流特性的開關(guān)電源，輸出穩(wěn)壓值為0～100 V，輸出電流為0～15 A，工作頻率為32 kHz。測試結(jié)果如圖8。

圖8 服務(wù)器端程序測試結(jié)果

圖8窗口中電源參數(shù)分別是電源ID號(hào)、電壓、電流、溫度和濕度，這些參數(shù)將會(huì)寫入到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫SQL Server的表中，打開SQL中的數(shù)據(jù)表將會(huì)看到這些數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖9。

圖9 數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫

通過網(wǎng)絡(luò)，用戶在客戶端可及時(shí)收到遠(yuǎn)程現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程現(xiàn)場的電源狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。網(wǎng)絡(luò)終端界面如圖10。

圖10 網(wǎng)絡(luò)終端界面顯示數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文介紹的設(shè)備電源控制系統(tǒng)采用CC3200芯片對(duì)電源的狀態(tài)及參數(shù)進(jìn)行檢測，與服務(wù)器建立socket連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)完成了對(duì)設(shè)備電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為遠(yuǎn)程監(jiān)控電源的實(shí)現(xiàn)提供了全新的途徑。該系統(tǒng)采用CC3200芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，簡單容易實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)的傳送穩(wěn)定，數(shù)據(jù)無錯(cuò)誤，該系統(tǒng)采用SQL數(shù)據(jù)庫可實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的采集，服務(wù)器端軟件預(yù)留了監(jiān)控電源，很容易實(shí)現(xiàn)監(jiān)控電源的添加。

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Design of Equipment Power Remote Control System Based on CC3200

Wang Yuanyue1, Lai Qitao2

(1.School of Mechanical&Electrical Engineering, Shaoxing Vocational&Technical College, Shaoxing 312000, China;2.School of Information Engineering,Shaoxing Vocational&Technical College, Shaoxing 312000, China)

For the demands of wireless monitoring and control of industrial equipment power to access the wireless network, a network equipment power control system was designed based on CC3200.The paper gave hardware and software design scheme. The system used the applications MCU embedded in the CC3200 to carry on the information collection and the control to the power. The collected data was transmitted to the local server through the embedded Wi-Fi network processor and stored in the SQL database. The commands from the terminal was received by the Wi-Fi processor, and the commands was sent to the applications MCU. After several reliability tests, the system was stable and reliable, flexible and effective, and has good prospects for practical application.

CC3200；Wi-Fi；equipment power；socket

2016-09-22；

2016-10-16。

王元月(1977-)，女，貴州畢節(jié)人，碩士，講師，主要從事電源技術(shù)及智能控制方向的研究。

1671-4598(2017)02-0098-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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