管立偉， 盧 宇， 吳進(jìn)營(yíng)， 何志杰， 陳 曦， 任建明

(福建師范大學(xué) 物理與能源學(xué)院； 福建省量子調(diào)控與新能源材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350117)

太陽(yáng)能中央熱水工程通訊網(wǎng)絡(luò)的幾個(gè)關(guān)鍵問題

管立偉， 盧 宇， 吳進(jìn)營(yíng)， 何志杰， 陳 曦， 任建明

(福建師范大學(xué) 物理與能源學(xué)院； 福建省量子調(diào)控與新能源材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350117)

針對(duì)太陽(yáng)能中央熱水工程中通訊網(wǎng)絡(luò)對(duì)維護(hù)和管理難度小、工程成本低和高可靠性的要求，結(jié)合無(wú)線數(shù)傳技術(shù)和嵌入式Internet技術(shù)，采用無(wú)線通信與以太網(wǎng)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)通訊網(wǎng)絡(luò).在軟件系統(tǒng)中建立多任務(wù)消息機(jī)制，引入限時(shí)服務(wù)策略對(duì)任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行約束，提高了軟件的可靠性.相關(guān)技術(shù)已成功應(yīng)用于景德鎮(zhèn)規(guī)劃局的多個(gè)可再生能源示范項(xiàng)目中.

太陽(yáng)能；熱水系統(tǒng)；嵌入式Internet；無(wú)線數(shù)傳

太陽(yáng)能熱水工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性要求較高，并且需要及時(shí)維護(hù)和處理系統(tǒng)出現(xiàn)的集熱管炸裂和供熱水箱缺水等故障問題，而專門安排人員巡查需要投入大量人力財(cái)力[1-2].因此，對(duì)太陽(yáng)能中央熱水工程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控尤為重要.在本課題組研究開發(fā)的面向集群應(yīng)用的太陽(yáng)能中央熱水工程測(cè)控與管理系統(tǒng)中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可視化監(jiān)控與管理安裝在全國(guó)各地的太陽(yáng)能中央熱水工程[3].系統(tǒng)總體主要由終端供熱系統(tǒng)、區(qū)域集控中心和企業(yè)集控中心三部分構(gòu)成.在實(shí)驗(yàn)和實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，區(qū)域集控中心需要用戶電腦來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步，一旦電腦不開啟將無(wú)法同步數(shù)據(jù)來(lái)為熱水系統(tǒng)提供系統(tǒng)運(yùn)行的性能分析和效益評(píng)價(jià)，出現(xiàn)維護(hù)難度大和管理成本高的問題，必然要求熱水系統(tǒng)控制終端換一種方式接入以太網(wǎng).此外，工程現(xiàn)場(chǎng)未預(yù)留或不便預(yù)留以太網(wǎng)接口，并且網(wǎng)絡(luò)布線施工難度大，距離受限，不易維護(hù)和成本高，必然要求采用無(wú)線通信的方式.本文充分考慮建筑現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)基礎(chǔ)和工程成本，對(duì)熱水系統(tǒng)采用無(wú)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)開展相關(guān)研究工作，力求系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、傳輸距離、組網(wǎng)靈活性等一系列問題得到有效解決.

1 通訊網(wǎng)絡(luò)組成

太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)組成如圖1所示，主要由系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)終端控制器、從無(wú)線數(shù)傳模塊、主無(wú)線數(shù)傳模塊、嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信終端和企業(yè)集控與管理中心5部分組成.自主設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)終端控制器采集和處理熱水系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制[3].從無(wú)線數(shù)傳模塊通過串口與終端控制器建立通信鏈路，主無(wú)線數(shù)傳模塊通過串口與嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信終端連接，嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信終端通過Internet與企業(yè)集控與管理中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，在局域網(wǎng)內(nèi)采用移動(dòng)區(qū)域管理終端來(lái)配置太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)的項(xiàng)目信息、結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)等，便于工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù).

圖1 太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)中通信網(wǎng)絡(luò)組成框圖

2 通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題

2.1 多任務(wù)限時(shí)服務(wù)

借鑒計(jì)算機(jī)分時(shí)處理和Windows系統(tǒng)事件驅(qū)動(dòng)等思想，構(gòu)建多任務(wù)軟件框架[4].嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信終端軟件的多任務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)工程實(shí)際要求，將網(wǎng)絡(luò)通信終端要實(shí)現(xiàn)的功能劃分為多個(gè)任務(wù)模塊，如時(shí)間事件處理、串口通信數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理、心跳包任務(wù)、對(duì)時(shí)任務(wù)和LED指示燈任務(wù)等.需要說明的是，由于UDP是無(wú)連接數(shù)據(jù)傳輸，這里增加心跳包任務(wù)引入心跳包機(jī)制，嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信終端定時(shí)向企業(yè)服務(wù)器端發(fā)送心跳包來(lái)獲取相應(yīng)的配置參數(shù)或者太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行配置參數(shù).采用事件/消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制，按不同優(yōu)先級(jí)別來(lái)給不同的任務(wù)模塊分配MCU的控制權(quán)，各個(gè)任務(wù)模塊在相應(yīng)的執(zhí)行時(shí)間范圍內(nèi)訪問MCU.軟件的多任務(wù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制流程如圖2所示，主程序循環(huán)以標(biāo)志位控制為主，根據(jù)標(biāo)志位的狀態(tài)來(lái)確定任務(wù)能否訪問MCU，即標(biāo)志位相當(dāng)于事件消息.

當(dāng)某個(gè)任務(wù)出現(xiàn)非正常結(jié)束時(shí)，當(dāng)前使用的資源有可能作為下一次任務(wù)的初始狀態(tài)，出現(xiàn)任務(wù)交叉重疊情形，從而影響任務(wù)的正常執(zhí)行，因此必須對(duì)這些任務(wù)在運(yùn)行時(shí)間上進(jìn)行約束.限時(shí)服務(wù)設(shè)計(jì)流程如圖3和圖4所示.為每個(gè)需要限時(shí)服務(wù)的任務(wù)模塊分配獨(dú)立計(jì)時(shí)單元和運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志位，如圖4所示，它僅對(duì)任務(wù)運(yùn)行的時(shí)間進(jìn)行判斷，如果超過了規(guī)定的最大運(yùn)行時(shí)間，則將任務(wù)所使用的全部資源重新初始化，供下一次任務(wù)使用.

圖2 STM32多任務(wù)流程框圖

圖3 限時(shí)服務(wù)設(shè)計(jì)的計(jì)時(shí)流程

圖4 限時(shí)服務(wù)設(shè)計(jì)的超時(shí)服務(wù)流程

2.2 無(wú)線通信設(shè)計(jì)

2.2.1 無(wú)線數(shù)傳終端設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線數(shù)傳RTU是以STM32單片機(jī)為微控制器，采用CC1100射頻芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)線通訊采用一主多從結(jié)構(gòu).太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分為正常數(shù)據(jù)和異常報(bào)警數(shù)據(jù)兩種，異常報(bào)警數(shù)據(jù)是指太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)有水箱缺水、水溫過高和低水位加熱等異常狀況發(fā)生時(shí)，終端控制器所生成的報(bào)警指令.正常數(shù)據(jù)和異常報(bào)警數(shù)據(jù)從不同頻段通道傳輸，主無(wú)線數(shù)傳模塊采用2片CC1100射頻芯片，分別用于正常數(shù)據(jù)和異常報(bào)警數(shù)據(jù)的通信，提高無(wú)線通信穩(wěn)定性和可靠性，如圖5所示.從無(wú)線數(shù)傳模塊針對(duì)正常數(shù)據(jù)和異常報(bào)警數(shù)據(jù)采用同一塊CC1100射頻芯片不同的通信頻段，如圖6所示.

2.2.2 通信協(xié)議流程

由于在實(shí)際工程應(yīng)用場(chǎng)景下會(huì)面臨各種特殊情況，如建筑風(fēng)格、用戶需求和氣候情況等都會(huì)出現(xiàn)較大改變，因此為提高無(wú)線通信子系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性，在這里采用收發(fā)應(yīng)答、丟包重發(fā)和超時(shí)判斷設(shè)計(jì)以及簡(jiǎn)單路由轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計(jì).收發(fā)應(yīng)答、丟包重發(fā)和超時(shí)判斷設(shè)計(jì)如圖7所示.

簡(jiǎn)單路由轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計(jì)如圖8所示，路由轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收以及轉(zhuǎn)發(fā)3個(gè)流程.從無(wú)線數(shù)傳RTU接收到無(wú)線信號(hào)后判斷其目的地址，如果目的地址是本機(jī)則接收，否則向外進(jìn)行發(fā)送.

圖5 主無(wú)線通訊RTU系統(tǒng)構(gòu)成框圖

圖6 從無(wú)線通訊RTU系統(tǒng)構(gòu)成框圖

圖7 收發(fā)應(yīng)答、丟包重發(fā)和超時(shí)判斷流程圖

圖8 簡(jiǎn)單路由協(xié)議流程圖

2.2.3 與網(wǎng)絡(luò)通信終端通信流程

限于篇幅，這里僅介紹無(wú)線通信子系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)通信終端進(jìn)行熱水系統(tǒng)正常數(shù)據(jù)通信流程，報(bào)警數(shù)據(jù)通信流程大致相同.網(wǎng)絡(luò)通信終端定時(shí)采集終端控制器的實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，無(wú)線通信子系統(tǒng)采用透明傳輸機(jī)制，無(wú)線主機(jī)和從機(jī)數(shù)傳RTU采用正常數(shù)據(jù)通信頻段，最終將終端控制器應(yīng)答數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給企業(yè)集控中心，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)正常數(shù)據(jù)的具體通信流程如圖9所示.

圖9 系統(tǒng)正常數(shù)據(jù)通信流程

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)連接采用UDP通信方式，需要在嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信終端上實(shí)現(xiàn)客戶端程序來(lái)與企業(yè)端通信軟件和手機(jī)端APP進(jìn)行交互.通過端口號(hào)的區(qū)分來(lái)實(shí)現(xiàn)企業(yè)服務(wù)器端和手機(jī)APP端不同的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通道，同時(shí)同一應(yīng)用端的數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收也采用不同的端口號(hào)，如本設(shè)計(jì)中定義服務(wù)器端發(fā)送端口和監(jiān)聽端口分別為60000和60001，手機(jī)APP端發(fā)送端口和監(jiān)聽端口分別為60003和60002，從IP層接收了數(shù)據(jù)報(bào)之后，根據(jù)UDP的目的端口號(hào)進(jìn)行分解操作.本設(shè)計(jì)中網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)中的接收函數(shù)實(shí)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(luò)數(shù)據(jù)包

... ∥ ARP報(bào)文處理

if(RecIsIpAndForMe(g_NetBuf,plen)==0) return(0); ∥ 接受的包不是IP包或者不是對(duì)應(yīng)IP返回0

...∥ 如果是IP數(shù)據(jù)包的類型是ICMP并且TCMP的類型是ICMP請(qǐng)求，那么做回應(yīng).

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

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，那么做應(yīng)答處理

{

case DHCP_CLIENT_LOCAL_UDP_PORT:∥ DHCP端口

DhcpRecDeal(g_NetBuf);

break;

case INFORM_PORT: ∥ 遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)聽端口

if( PtlUdpRec(g_NetBuf+UDP_DATA_P,datalen))... break; ∥ 應(yīng)用協(xié)議處理

case Cellphone_PORT: ∥ 手機(jī)端監(jiān)聽端口

memcpy((void *)&g_CellphoneIp[0],(void *)&g_NetBuf[IP_SRC_P],4); ∥ 將手機(jī)端IP記錄下來(lái)

...

if( PtlUdpcellPhoneRec(g_NetBuf+UDP_DATA_P,datalen)) ... break; ∥ 應(yīng)用協(xié)議處理

default: break;

}

return 1;

}

網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)中接收數(shù)據(jù)根據(jù)不同的端口號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)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(hào)和源端口號(hào)對(duì)調(diào)，按照相應(yīng)協(xié)議的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)組包.需要注意的是，由于在局域網(wǎng)內(nèi)與手機(jī)端通信，需要將其IP記錄下來(lái)，便于網(wǎng)絡(luò)通信終端進(jìn)行UDP數(shù)據(jù)組包響應(yīng)手機(jī)端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求.

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)中通訊網(wǎng)絡(luò)，充分考慮建筑現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)基礎(chǔ)和工程成本，采用無(wú)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(jiǎn)化了太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工和測(cè)試工作，降低維護(hù)難度和工程成本，極大地改善了目前太陽(yáng)能中央熱水工程維護(hù)現(xiàn)狀.采用多任務(wù)架構(gòu)體系的軟件系統(tǒng)和任務(wù)限時(shí)服務(wù)機(jī)制，極大地提高了軟件冗余度和抗干擾能力.使用手機(jī)APP來(lái)配置太陽(yáng)能熱水項(xiàng)目信息、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行等參數(shù)，便于工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù).通信設(shè)備已經(jīng)成功應(yīng)用于江西省景德鎮(zhèn)市規(guī)劃局的31個(gè)可再生能源示范項(xiàng)目中，可靠穩(wěn)定，效果良好.

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[責(zé)任編輯 馬云彤]

Several Key Problems of the Solar Energy CentralHot Water Engineering Communication Network

GUAN Li-wei, LU Yu, WU Jin-ying，HE Zhi-jie,CHEN Xi，REN Jian-ming

(College of Physics and Energy, Fujian Normal University； Fujian Provincial Key Laboratory of Quantum Manipulation and New Energy Materials, Fuzhou 350117, China)

In view of the requirements of few difficult maintenance and management, low engineering cost and high reliability of the solar energy central hot water engineering communication network, in this paper, combined with the wireless data transmission technology and embedded Internet technology, the communication network is designed by using of the wireless communication and internet. In the software system, the multitasking message mechanism is established, and the limited time service strategy is introduced to constrain the running time of the task, and the reliability of the software is improved. Related technology has been successfully applied to the multiple renewable energy demonstration projects under the administration of the Jingdezhen planning bureau.

solar energy; hot water system; embedded Internet; wireless data transmission

1008-5564(2016)05-0034-06

2016-05-09

福建省高新技術(shù)開發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2012H0021)；福建省高校服務(wù)海西建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目(2008HX10604)

管立偉(1985—)，男，湖北黃岡人，福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事智能檢測(cè)與控制系統(tǒng)研究.

TP27；TK51

A