鄔春明 姚冰 孫緒龍

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

風(fēng)電監(jiān)測系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計

鄔春明 姚冰 孫緒龍

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

針對目前風(fēng)電監(jiān)測系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式的單一性特點,采用基于Linux操作系統(tǒng)的ARM11設(shè)計了風(fēng)電監(jiān)測系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)能實現(xiàn)多種通信協(xié)議間的轉(zhuǎn)換、檢測網(wǎng)絡(luò)的丟包率以及線路的智能切換等功能,保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。對某風(fēng)電場的塔筒狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試,測試結(jié)果表明,網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸可靠,性能穩(wěn)定,具有較高的推廣應(yīng)用價值。

協(xié)議轉(zhuǎn)換 丟包率檢測 智能切換 ZigBee ARM

0 引言

智能風(fēng)電的建設(shè)和發(fā)展是業(yè)界高度關(guān)注和大力投入的方向。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行通信的關(guān)鍵[1-2]。本文設(shè)計的網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接入,經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換,使數(shù)據(jù)適合在光纖、以太網(wǎng)、WiMAX、3G等網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

1 風(fēng)電監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

風(fēng)電監(jiān)測系統(tǒng)由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建感知層。感知層中,每個ZigBee節(jié)點與一個或若干個風(fēng)電機組運行參數(shù)采集模塊相連接,負(fù)責(zé)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù),并把采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee協(xié)調(diào)器,再通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的分析處理之后進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。作為傳輸層的共有以太網(wǎng)、光纖、3G、WiMax四條線路可供選擇。

智能選擇的原理是根據(jù)丟包率的大小來控制,最后把數(shù)據(jù)傳到上位機。本文主要對風(fēng)電監(jiān)測系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行研究和設(shè)計。風(fēng)電監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)電監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the wind power monitoring system

圖1中,數(shù)據(jù)采集終端承擔(dān)采集風(fēng)電機組運行參數(shù)的任務(wù),ZigBee協(xié)調(diào)器是聯(lián)系感知層和網(wǎng)關(guān)的重要節(jié)點,起到數(shù)據(jù)集中和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的作用。網(wǎng)關(guān)把感知層和傳輸層聯(lián)系起來。

2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of the gateway

2.1 數(shù)據(jù)接入模塊

數(shù)據(jù)接入模塊是由支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CC2530及外圍電路構(gòu)成。系統(tǒng)采集終端采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee多跳網(wǎng)絡(luò)送到網(wǎng)關(guān),并根據(jù)需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。與網(wǎng)關(guān)核心模塊相連的ZigBee模塊作為整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器,其作用主要有兩個方面,第一是ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理,包括網(wǎng)絡(luò)建立、處理入網(wǎng)申請等功能;第二是數(shù)據(jù)收發(fā),包括接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù),解封裝并傳送至網(wǎng)關(guān)核心模塊,對網(wǎng)關(guān)核心模塊傳來的數(shù)據(jù)按照ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封裝,并發(fā)送至ZigBee網(wǎng)絡(luò)[3]。

2.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的核心,主要由微處理器、I/O接口電路及外擴的大容量存儲器組成。微處理器芯片選用ARM1176JZF-S內(nèi)核的64位高速處理器S3C6410。這款處理器專門針對以太網(wǎng)應(yīng)用,片內(nèi)集成了以太網(wǎng)MAC層控制器,不但簡化了網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計,還提高了系統(tǒng)的可靠性[4]。通過外部總線接口EBI,可連接1 GB的NAND Flash及128 MB的SDRAM。其中NAND Flash存儲器主要用于存放已調(diào)試好的用戶應(yīng)用程序、Linux操作系統(tǒng)和其他一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的重要用戶數(shù)據(jù)等。DDR SDRAM存儲器作為系統(tǒng)運行時的主要區(qū)域,系統(tǒng)及用戶數(shù)據(jù)、堆棧均位于DDR SDRAM存儲器中。這里還要將S3C6410處理器提供的可編程的I/O端口設(shè)置為不同的工作模式,主要用于設(shè)備開關(guān)選擇輸入和LED顯示狀態(tài)輸出等。

2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要包括以太網(wǎng)接口模塊、WiMAX接口模塊、光纖接口模塊、3G模塊。開發(fā)板上集成一個100 MB以太網(wǎng)接口,通過DM9000AE芯片來擴展。以太網(wǎng)接口電路主要由物理層接口和MAC控制這兩部分構(gòu)成,通常的以太網(wǎng)接口芯片都包含這兩部分。在半雙工模式下支持CSMA/CD協(xié)議,在全雙工模式下支持IEEE 802.3 MAC控制層協(xié)議[5]。這里采用DMA1000A芯片和HR911105A芯片構(gòu)成以太網(wǎng)的輸出,通過ARM主芯片的控制來實現(xiàn)以太網(wǎng)方式的輸出。以太網(wǎng)方式輸出的部分電路原理如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)方式輸出的部分原理圖Fig.3 Partial schematic diagram of the Ethernet mode output

WiMAX是一項新興的寬帶無線接入技術(shù),能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接,數(shù)據(jù)傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)50 km。另外,它還具有QoS保障、傳輸速率高、業(yè)務(wù)豐富多樣等優(yōu)點。這里選擇英特爾的WiMAX 6250,它的接口是PCI-E類型,傳輸速率為300 Mbit/s,滿足工業(yè)要求。

光纖接口模塊選擇XINAN-1100S(A/B)一光四電光纖收發(fā)器。它是一款10/100 Mbit/s自適應(yīng)以太網(wǎng)光纖收發(fā)器,能滿足信息化程度高、數(shù)據(jù)流量較大的工廠和企業(yè)需求,符合10Base-T、100Base-TX、100Base-FX、IEEE 802.3和IEEE 802.3u等以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),從而保證與其他廠家的網(wǎng)卡、中繼器、集線器和交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的完全兼容。

3G模塊SIM5210是一款HSDPA/WCDMA/GSM/ GPRS/EDGE模塊解決方案,支持下行速率達(dá)7.2 Mbit/s和上行速率為384 kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù);具有豐富的接口,包括UART、USB2.0、GPIO、I2C和TCP/IP協(xié)議棧等[6]。

3 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)移植

Linux是一種可移植的、可植入ROM的、可裁剪的、搶占式的、實時多任務(wù)操作系統(tǒng),具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點,廣泛應(yīng)用于微控制器、微處理器和數(shù)字信號處理器等。Linux內(nèi)核相關(guān)部分是用匯編語言編寫的,便于移植到其他CPU上。這里主要是對內(nèi)核、uboot、根系統(tǒng)等進(jìn)行裁剪和移植,編寫底層設(shè)備驅(qū)動和應(yīng)用程序。在構(gòu)建Linux內(nèi)核的過程中,首先要保證系統(tǒng)具有的基本功能,然后保證系統(tǒng)各部分硬件電路的正常運行,包括基本輸入、輸出口的使用以及存儲器、串口和ZigBee無線模塊驅(qū)動。設(shè)備的根文件系統(tǒng)選用jffs2文件系統(tǒng),最后將制作好的jffs2映像文件燒錄到NAND Flash中[7]。

3.2 ZigBee協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)最基本的功能之一是實現(xiàn)不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。這里的網(wǎng)關(guān)設(shè)計了以太網(wǎng)、光纖、3G、WiMAX四種數(shù)據(jù)傳輸方式。下面以ZigBee協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換為例介紹其轉(zhuǎn)換過程。

ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議,而以太網(wǎng)的TCP/IP是IEEE 802.3協(xié)議,所以它們的PHY層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層的包頭均不同。按照兩個協(xié)議的規(guī)范,去除ZigBee協(xié)議的PHY層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層的包頭[8],對相應(yīng)的應(yīng)用層數(shù)據(jù)也要做相應(yīng)的處理,最后按照TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)重新對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝,再通過以太網(wǎng)發(fā)送出去。協(xié)議轉(zhuǎn)換過程如圖4所示。

圖4 協(xié)議轉(zhuǎn)換過程圖Fig.4 Protocol conversion process

3.3 丟包率檢測

網(wǎng)關(guān)的丟包率檢測應(yīng)用端到端確認(rèn)的方法。首先,源端要通知目的端建立相應(yīng)的測量模型,在某個時間點t1源端向目的端發(fā)送連續(xù)的IP包標(biāo)志號的數(shù)據(jù)包。然后在某個時間點t2停止數(shù)據(jù)包的發(fā)送,目的端對IP包標(biāo)志號進(jìn)行識別和判斷,進(jìn)而算出這個時間段的丟包率。最后通知網(wǎng)絡(luò)選擇模塊所在的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,使它獲得這個網(wǎng)絡(luò)鏈路上從時間點t1到時間點t2的丟包率。

網(wǎng)絡(luò)的丟包率主要受網(wǎng)絡(luò)擁塞、數(shù)據(jù)包出錯和網(wǎng)絡(luò)路徑出錯三個方面因素影響。對于n跳網(wǎng)絡(luò),采用服從λ2的負(fù)指數(shù)分布來模擬節(jié)點接收的業(yè)務(wù)數(shù)Y。然后根據(jù)單位時間節(jié)點的傳輸能力yi計算出溢出隊列的丟包個數(shù)loss_data,再根據(jù)式(1)計算出節(jié)點的丟包率pb。最后根據(jù)式(2)計算出網(wǎng)絡(luò)的總丟包率pL,其中pt是鏈路的差錯率[9-10]。

3.4 智能切換

通過檢測正在傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)丟包率來決定是否實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)繼續(xù)傳輸還是切換網(wǎng)絡(luò)。這里采用端到端確認(rèn)方式的丟包率檢測方法來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能切換。當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)的丟包率較大時,就自動檢測其他網(wǎng)絡(luò)的丟包率,然后智能切換到其他傳輸方式。

3.5 軟件設(shè)計流程

當(dāng)系統(tǒng)啟動后,首先對四種傳輸數(shù)據(jù)方式進(jìn)行線路檢測,一旦檢測到有一個線路連通,就用該線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,同時進(jìn)行實時丟包率檢測。當(dāng)檢測到丟包率比較大時,就馬上對剩下的三種傳輸方式進(jìn)行檢測。如果檢測到有其中一條線路連通,就馬上自動切換到這條線路上,隨后將ZigBee數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換成其他協(xié)議。如果沒有檢測到連通的線路,還是選擇當(dāng)前線路進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Flowchart of the software

4 試驗驗證

風(fēng)電場數(shù)據(jù)很多,例如節(jié)點的電壓、功率、溫度、父節(jié)點地址等。這里選擇溫度和父節(jié)點地址作為典型數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。首先選擇以太網(wǎng)的傳輸方式進(jìn)行試驗。ZigBee節(jié)點每隔5 s向網(wǎng)關(guān)發(fā)送溫度、父節(jié)點地址等信息,IP網(wǎng)絡(luò)客戶端對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測。網(wǎng)關(guān)和ZigBee節(jié)點上電后,開始建立ZigBee網(wǎng)絡(luò),ZigBee節(jié)點加入該網(wǎng)絡(luò)并開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

調(diào)試軟件顯示,網(wǎng)關(guān)已經(jīng)成功地把ZigBee的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)。人為拔掉網(wǎng)線,這時丟包率比較大,系統(tǒng)會自動切換到3G方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)束語

經(jīng)測試驗證,網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了利用丟包率檢測來控制傳輸網(wǎng)絡(luò)的智能切換,響應(yīng)速度小于0.1 s。該網(wǎng)關(guān)具有效率高、響應(yīng)實時、可靠性好、功耗低、抗干擾能力強、通用性強等特點,具有較好的應(yīng)用前景。由于當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)還在不斷的發(fā)展和完善中[10],如何跟蹤最新的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)來提高網(wǎng)關(guān)的性能,將是以后研究的重點。

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Design of the Internet of Things Gateway in Wind Power Monitoring System

At present,the data-forwarding mode of Internet of thing(IoT)gateway in wind power monitoring system is unitary.Aiming at this feature,the IOT gateway of wind power monitoring system is designed by using ARM11 based on Linux operating system,this gateway may accomplish the functions of conversion of multiple communication protocols;detection of the packet loss rate of the network;and intelligent switching the power lines to ensure reliable data transmission.Field tests are conducted for the status monitoring system of turbine towers in certain wind farm,the results of experiments and tests show that the gateway is reliable in data transmission with stable performance,so it possesses higher values in application promotion.

Protocol conversion Packet loss rate detection Intelligent switching ZigBee ARM

TN92

A

2013吉林省科技發(fā)展計劃基金資助項目(編號:2013020605GX)。

修改稿收到日期:2014-05-13。

鄔春明(1966-),男,1990年畢業(yè)于南京理工大學(xué)無線電技術(shù)專業(yè),獲碩士學(xué)位,教授;主要從事信息技術(shù)的教學(xué)與科研工作。