管立偉　 盧 宇　吳進(jìn)營(yíng)　何志杰　陳 曦

(1. 福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院， 福州 350117；2. 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)

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太陽(yáng)能中央熱水工程通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

管立偉1,2盧 宇1,2吳進(jìn)營(yíng)1,2何志杰1,2陳 曦1,2

(1. 福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院， 福州 350117；2. 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信網(wǎng)絡(luò)成本高、安全性差、通信距離和以太網(wǎng)接入點(diǎn)位置受限等問(wèn)題，利用無(wú)線數(shù)傳技術(shù)和嵌入式Internet技術(shù)，設(shè)計(jì)了無(wú)線通信與以太網(wǎng)相結(jié)合的通信網(wǎng)絡(luò)，降低通信網(wǎng)絡(luò)工程成本，提高安全性。該技術(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)能中央熱水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性要求較高。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)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(jìn)一步研究安全有效的太陽(yáng)能中央熱水工程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。管立偉等人研究開(kāi)發(fā)的面向集群應(yīng)用的太陽(yáng)能熱水器測(cè)控與管理系統(tǒng)，已經(jīng)實(shí)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(shí)驗(yàn)和實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，若要實(shí)現(xiàn)區(qū)域集控中心數(shù)據(jù)同步，須用戶開(kāi)啟電腦并連接上網(wǎng)絡(luò)，否則將無(wú)法同步數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行性能分析和效益評(píng)價(jià)。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(guò)高等問(wèn)題。在此，考慮采用無(wú)線通信的方式解決這些問(wèn)題。本次研究中，充分考慮了建筑的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和工程成本，采用無(wú)線數(shù)傳技術(shù)和嵌入式Internet相結(jié)合的方式將系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，使系統(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(wèn)題得到有效改善。

1　通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，由現(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)集控與管理中心等5部分組成。圖1所示為太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)組成框圖?，F(xiàn)場(chǎng)終端控制器采集和處理運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制[1]；從無(wú)線數(shù)傳模塊通過(guò)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(guò)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(guò)Internet和企業(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)通信網(wǎng)絡(luò)組成框圖

2　通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1多任務(wù)架構(gòu)

借鑒計(jì)算機(jī)分時(shí)處理和Windows系統(tǒng)事件驅(qū)動(dòng)等思路，構(gòu)建多任務(wù)軟件框架[2]。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(秒事件，分事件等)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)和LED指示燈任務(wù)等。采用事件消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制，按不同優(yōu)先級(jí)別對(duì)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)才可訪問(wèn)MCU。圖2所示為軟件的多任務(wù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制流程框圖。其中，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(wèn)MCU，即標(biāo)志位相當(dāng)于事件消息。

圖2　STM32多任務(wù)流程框圖

2.2無(wú)線通信設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信終端定時(shí)采集終端控制器的實(shí)時(shí)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使用正常數(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)集控與管理中心。圖3所示為太陽(yáng)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(yáng)能中央熱水系統(tǒng)異常狀況偶爾會(huì)發(fā)生。為了及時(shí)處理異常情況，同時(shí)降低無(wú)線數(shù)傳模塊的通信負(fù)荷，由終端控制器在熱水系統(tǒng)異常狀況發(fā)生時(shí)主動(dòng)上傳報(bào)警數(shù)據(jù)；再通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊改變通信頻段，轉(zhuǎn)而將報(bào)警數(shù)據(jù)發(fā)送給主無(wú)線數(shù)傳模塊，主無(wú)線數(shù)傳模塊收到后即應(yīng)答。如果從無(wú)線數(shù)傳模塊未收到主無(wú)線數(shù)傳模塊的應(yīng)答，則延時(shí)重新發(fā)送。圖4 所示為太陽(yáng)通熱水系統(tǒng)報(bào)警數(shù)據(jù)通信流程。

2.3網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

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(bào)警數(shù)據(jù)通信流程

分層名稱(chēng)模型名稱(chēng)應(yīng)用層HTTP、Telnet、FTP、SMTP、DHCP運(yùn)輸層TCP、UDP網(wǎng)絡(luò)層IP、ARP、RARP、ICMP鏈路層Ethernet、X.25、SLIP、PPP

根據(jù)嵌入式Internet的實(shí)際應(yīng)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(yùn)輸層可選擇采用簡(jiǎn)單而快速的UDP協(xié)議或者可靠而完備的TCP協(xié)議[5]。實(shí)際上，通過(guò)加入自定義的通信協(xié)議來(lái)判斷是否連接正?；蛐柽M(jìn)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(yáng)能中央熱水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的協(xié)議處理和傳輸過(guò)程如圖5所示。

圖5　TCPIP協(xié)議處理過(guò)程

2.3.2網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)連接方式采用的是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(guò)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)。本設(shè)計(jì)中服務(wù)器端發(fā)送端口和監(jiān)聽(tīng)端口分別定義為60 000和60 001，手機(jī)APP端發(fā)送端口和監(jiān)聽(tīng)端口分別為60 003和60 002，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。

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。

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(yīng)答處理。

{

caseDHCP_CLIENT_LOCAL_UDP_PORT:DHCP端口。

DhcpRecDeal(g_NetBuf);

break;

caseINFORM_PORT:遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)端口。

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

caseCellphone_PORT:手機(jī)端監(jiān)聽(tīng)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;

}

return1;

}

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，在局域網(wǎng)內(nèi)與手機(jī)端通信時(shí)應(yīng)該將其IP記錄下來(lái)，以便完成UDP數(shù)據(jù)組包。

3　結(jié)　語(yǔ)

本次研究設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)?？紤]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，降低了維護(hù)難度和工程成本。相關(guān)技術(shù)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，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，應(yīng)用效果良好。

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

[2] 吳允平，蔡聲鎮(zhèn)，樂(lè)仁昌，等.單片機(jī)程序的限時(shí)服務(wù)策略及設(shè)計(jì)[J] .系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2004， 26(11) :1672-1674.

[3] 嚴(yán)丁，候思祖.基于嵌入式Internet技術(shù)的運(yùn)動(dòng)信道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電力科學(xué)與工程，2010(3):22-25.

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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(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“分布式太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)測(cè)控平臺(tái)的研制”(2012H0021)

管立偉(1985 — )，男，湖北黃岡人，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與控制系統(tǒng)。

TP27：TK51

A

1673-1980(2016)04-0105-04