基于網(wǎng)絡(luò)繼電器的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)模型研究

杜 彬

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引言

電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)控制是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用專業(yè)的重要技術(shù)領(lǐng)域之一，實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理以及運(yùn)行機(jī)制的全過程現(xiàn)場(chǎng)模擬演示，對(duì)加強(qiáng)大學(xué)生的技術(shù)積累、提升對(duì)物聯(lián)網(wǎng)控制理論的理解能力有著重要的意義[1]。基于網(wǎng)絡(luò)繼電器設(shè)備構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)過程中的應(yīng)用，為高校自主建設(shè)優(yōu)質(zhì)的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)環(huán)境、提升物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的工作效率和質(zhì)量提供了可靠的技術(shù)支持。

繼電器設(shè)備作為傳統(tǒng)的電路控制設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域中，其工作原理是通過弱電信號(hào)操控電子開關(guān)的工作狀態(tài)間接完成對(duì)強(qiáng)電流電路的連接與斷開控制，以此控制各類電氣設(shè)備的電源電路的通斷狀態(tài)[2]。傳統(tǒng)的繼電器設(shè)備的控制信號(hào)為高低電平信號(hào)，在通過軟件控制時(shí)，需要編程實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)指令到控制電平的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還需要布設(shè)專用的線路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且實(shí)現(xiàn)過程繁瑣。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與微型芯片技術(shù)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)繼電器作為一種整合了網(wǎng)絡(luò)接口、微型處理器和電路控制器的新型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程接收控制信號(hào)的功能，無需布設(shè)專用的連接線路；同時(shí)微型處理器技術(shù)的引入，使網(wǎng)絡(luò)繼電器設(shè)備本身集成了從計(jì)算機(jī)應(yīng)用層的指令到物理層的控制電平信號(hào)的復(fù)雜轉(zhuǎn)換功能，計(jì)算機(jī)程序僅需要通過網(wǎng)絡(luò)向繼電器設(shè)備發(fā)送遵循TCP協(xié)議制訂的控制指令集即可完成對(duì)繼電器上的各個(gè)電子開關(guān)的實(shí)時(shí)控制，更加便于實(shí)現(xiàn)對(duì)各類電氣設(shè)備的控制。

1 教學(xué)用物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與需求分析

高校所開設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)課程具有內(nèi)容覆蓋面廣、課程案例多且類型復(fù)雜的特征，因此在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中使用的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制方式簡(jiǎn)便化、架構(gòu)模塊化、工作流程簡(jiǎn)潔化的特點(diǎn)，使系統(tǒng)擁有足夠的靈活性與可擴(kuò)展性，以便能夠根據(jù)不同階段課程內(nèi)容的變化對(duì)相應(yīng)的功能進(jìn)行快速調(diào)整[3]。同時(shí)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還應(yīng)充分考慮實(shí)訓(xùn)課程建設(shè)的成本控制問題，盡量在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備上完成系統(tǒng)核心模塊的部署與實(shí)施。

關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的功能需求分析如下：

1) 系統(tǒng)應(yīng)具備同時(shí)接入并實(shí)時(shí)控制20個(gè)以上電氣設(shè)備的啟動(dòng)或停止的能力，同時(shí)應(yīng)具備進(jìn)一步擴(kuò)展設(shè)備接入數(shù)量的能力。

2) 系統(tǒng)的控制軟件模塊與硬件設(shè)備模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)良好的低耦合性，軟件的控制指令應(yīng)具備通用性，能夠根據(jù)硬件設(shè)備數(shù)量的變化靈活調(diào)整，硬件設(shè)備根據(jù)課程內(nèi)容所進(jìn)行的調(diào)整與重組，不應(yīng)引發(fā)軟件的重構(gòu)。

3) 系統(tǒng)運(yùn)行過程中，用戶對(duì)各個(gè)電氣設(shè)備的操作過程應(yīng)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和可靠存儲(chǔ)，以用于課后的總結(jié)和分析。

4) 系統(tǒng)的控制軟件模塊部署在服務(wù)器計(jì)算機(jī)中，控制指令通過RJ45接口接入以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，基于局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制電氣設(shè)備的功能。

2 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)模型的架構(gòu)

本文所提出的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由用戶模塊、服務(wù)模塊、控制模塊、設(shè)備模塊四部分構(gòu)成。其中用戶模塊作為控制終端，為用戶提供設(shè)備控制指令的發(fā)送與操作日志的記錄功能。服務(wù)模塊由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序兩部分組成，用戶所發(fā)送的指令首先被記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，再由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序負(fù)責(zé)讀取并通過網(wǎng)絡(luò)向控制模塊發(fā)送TCP數(shù)據(jù)包。控制模塊由多臺(tái)網(wǎng)絡(luò)繼電器設(shè)備構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)繼電器設(shè)備的數(shù)量根據(jù)設(shè)備模塊中的電氣設(shè)備數(shù)量靈活調(diào)整，控制模塊作為系統(tǒng)運(yùn)行的核心，負(fù)責(zé)與設(shè)備模塊之間建立直接連接，接收并自動(dòng)解析控制模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)包，根據(jù)解析后的命令控制各電氣設(shè)備的電路通斷狀態(tài)。設(shè)備模塊由多臺(tái)電氣設(shè)備構(gòu)成，電氣設(shè)備的類型與數(shù)量可根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)課程內(nèi)容進(jìn)行靈活的規(guī)劃與調(diào)整，以準(zhǔn)確模擬不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中的設(shè)備工作過程，各電氣設(shè)備的啟動(dòng)電路接入到網(wǎng)絡(luò)繼電器所搭載的各個(gè)電子開關(guān)中，根據(jù)用戶模塊所發(fā)送的控制指令單獨(dú)進(jìn)行啟動(dòng)或停止操作。對(duì)于需要部署大量電氣設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景，可通過在控制模塊中增加網(wǎng)絡(luò)繼電器設(shè)備的方式提供更多的電子開關(guān)接口來完成。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)模型架構(gòu)圖

2.2 各模塊的實(shí)現(xiàn)原理

1) 用戶模塊中的指令發(fā)送與日志管理功能都基于JSP對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問機(jī)制實(shí)現(xiàn)，首先通過JSP頁(yè)面向服務(wù)模塊提交指令代碼、發(fā)送時(shí)間等信息并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)的指令表中為服務(wù)模塊的指令處理操作提供數(shù)據(jù)，而在生成操作日志時(shí)，將指令表中的相關(guān)內(nèi)容下載至JSP頁(yè)面中并顯示。

2) 服務(wù)模塊，本文選用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)在服務(wù)模塊中保存各種操作指令，基于Python設(shè)計(jì)的管理程序以1秒鐘為間隔不斷讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中指令表的內(nèi)容，指令表的數(shù)據(jù)格式如表1所示。在發(fā)現(xiàn)有新的未執(zhí)行指令被提交時(shí)，立即對(duì)指令內(nèi)容進(jìn)行解析，獲取網(wǎng)絡(luò)繼電器的IP地址、電子開關(guān)序號(hào)和開關(guān)狀態(tài)碼后，向指定的網(wǎng)絡(luò)繼電器IP地址發(fā)送TCP數(shù)據(jù)包，控制網(wǎng)絡(luò)繼電器中指定的電子開關(guān)的狀態(tài)。TCP數(shù)據(jù)包發(fā)送完成后，將數(shù)據(jù)表中該指令的處理狀態(tài)設(shè)置為1，表示為“已處理”。

表1 操作指令表構(gòu)成

3) 控制模塊與設(shè)備模塊的實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示，以物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中常見的驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)備的啟動(dòng)過程為例，首先將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源供電線路截?cái)嗪蠼尤氲骄W(wǎng)絡(luò)繼電器上的某一電子開關(guān)接口中，電子開關(guān)在默認(rèn)情況下為斷開狀態(tài)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)因供電線路中斷而處于靜止待命狀態(tài)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繼電器的RJ45接口從網(wǎng)絡(luò)中接收到包含控制指令的TCP數(shù)據(jù)包后，自動(dòng)解析數(shù)據(jù)包并獲取電子開關(guān)編號(hào)與狀態(tài)碼，開啟指定的電子開關(guān)使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的供電線路處于連通狀態(tài)，從而啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)并開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 控制模塊與設(shè)備模塊實(shí)現(xiàn)原理圖

2.3 關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)分析

本文所提出的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)模型方案中，網(wǎng)絡(luò)繼電器設(shè)備選用了海凌科電子的HLKSW16A型16路網(wǎng)絡(luò)繼電器，單個(gè)設(shè)備可提供16個(gè)電子開關(guān)，每個(gè)開關(guān)均支持220 V電壓和10 A電流的電路，能夠?qū)ΜF(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中所使用到的絕大部分電氣設(shè)備的供電電路進(jìn)行控制。同時(shí)，該型設(shè)備支持修改本機(jī)IP地址，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中需要擴(kuò)展接入更多的電氣設(shè)備時(shí)，在系統(tǒng)所在的以太網(wǎng)絡(luò)中接入多臺(tái)網(wǎng)絡(luò)繼電器設(shè)備并設(shè)置相應(yīng)的IP地址即可。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL設(shè)計(jì)，用戶模塊的數(shù)據(jù)訪問操作基于JSP-jdbc實(shí)現(xiàn)，而控制模塊的數(shù)據(jù)訪問操作基于Python-MySQLdb實(shí)現(xiàn)，向網(wǎng)絡(luò)繼電器發(fā)送TCP數(shù)據(jù)包的操作基于Python-Socket實(shí)現(xiàn)。

1) JSP中實(shí)現(xiàn)訪問MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵代碼

<%@ page import="java.sql.*"%> //調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)訪問接口，*號(hào)表示調(diào)用該接口下的所有類

String Drstr="com.mysql.jdbc.Driver"; //指定

jdbc數(shù)據(jù)庫(kù)訪問驅(qū)動(dòng)程序

Class.forName(Drstr); //加載驅(qū)動(dòng)程序

Connection Cs=DriverManager.getConnection("數(shù)據(jù)庫(kù)訪問地址/庫(kù)名稱","賬號(hào)","密碼"); //連接數(shù)據(jù)庫(kù)

Statement Reqobj=Cs.createStatement(); //創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)訪問對(duì)象

String Cmd="select fd1fd2…fdnfrom cmdtable"; //創(chuàng)建SQL命令，其中fd為字段序列

ResultSet datas=Reqobj.executeQuery(cmd); //執(zhí)行SQL命令并返回結(jié)果

2) Python中實(shí)現(xiàn)訪問MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵代碼

Import MySQLdb //調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)訪問模塊

Cs=MySQLdb.connect("數(shù)據(jù)庫(kù)訪問地址","用戶名","密碼","庫(kù)名稱",charset=′utf8 ′) //連接數(shù)據(jù)庫(kù)

Crs=Cs.cursor() //創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)游標(biāo)

Crs.execute("select fd1fd2…fdnfrom cmdtable") //執(zhí)行SQL命令

Datas=Crs.fetchone() //從游標(biāo)中獲取數(shù)據(jù)

3) Python中實(shí)現(xiàn)發(fā)送TCP數(shù)據(jù)包的關(guān)鍵代碼

import socket //調(diào)用socket模塊

Skobj=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) //創(chuàng)建Socket對(duì)象

Skobj.connect((′網(wǎng)絡(luò)繼電器IP地址′,′ 端口號(hào)′)) //建立與網(wǎng)絡(luò)繼電器之間的TCP連接

while True:

Cmd=′1201′ //設(shè)置控制指令：電子開關(guān)序號(hào)為12，狀態(tài)為1(開啟)

Skobj.send(cmd) //發(fā)送控制指令

Skobj.close()#關(guān)閉TCP連接

3 結(jié)語

本文以網(wǎng)絡(luò)繼電器技術(shù)為基礎(chǔ)，整合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與軟件開發(fā)技術(shù)，構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)模型，系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，在實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能的同時(shí)，還具備良好的結(jié)構(gòu)擴(kuò)展能力，便于在使用過程中根據(jù)教學(xué)內(nèi)容靈活調(diào)整系統(tǒng)架構(gòu)與擴(kuò)展硬件設(shè)備數(shù)量及種類。