楊柳銘， 韓會杰， 周 雪， 張榮榮

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 機電與信息工程學(xué)院 通信系，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué) 機電與信息工程學(xué)院 信息所，北京 100083；3.河南理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，河南 焦作 454000)

基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控開關(guān)開發(fā)

楊柳銘1， 韓會杰2， 周 雪1， 張榮榮3

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 機電與信息工程學(xué)院 通信系，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué) 機電與信息工程學(xué)院 信息所，北京 100083；3.河南理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，河南 焦作 454000)

設(shè)計開發(fā)了一種基于以太網(wǎng)通信的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控開關(guān)。該設(shè)計應(yīng)用W5500芯片實現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制器的以太網(wǎng)通信功能，使用MAX1692芯片完成監(jiān)控開關(guān)的供電與執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動控制功能，選用霍爾電流與電壓傳感器對被控制電器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳到控制器。整個系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾性強、操作方便及組網(wǎng)靈活的特點。

TCP/IP協(xié)議； 控制開關(guān)； W5500； 霍爾傳感器

0 引 言

近年來，隨著智能家居和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)對電器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)備越來越被人們所重視[1]。傳統(tǒng)遠(yuǎn)程控制開關(guān)采用電話線路傳輸控制信號[2]，易受環(huán)境電磁影響，穩(wěn)定性差，網(wǎng)絡(luò)信道單一，對于未鋪設(shè)電話線路的室內(nèi)無法應(yīng)用。

本文利用TCP/IP協(xié)議[3,4]實現(xiàn)一種通過網(wǎng)絡(luò)來遠(yuǎn)程監(jiān)控電氣設(shè)備的開關(guān)，可以將多個開關(guān)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)在計算機中進(jìn)行集中控制[5]；同時，開關(guān)可以檢測被控電器的工作電壓與電流，將數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)監(jiān)測電器運行狀態(tài)的目的。整個設(shè)計采用一種低功耗抗干擾的微控制器，采用以太網(wǎng)控制開關(guān)的工作，組網(wǎng)方便、靈活。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控開關(guān)是計算機通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對遠(yuǎn)端連接網(wǎng)絡(luò)的控制器進(jìn)行狀態(tài)檢測與控制，完成對處于不同地點的多個電器設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一監(jiān)控的功能，這種能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控的終端開關(guān)硬件、計算機軟件及連接介質(zhì)統(tǒng)稱為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控開關(guān)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系如圖1所示，系統(tǒng)主要分為三部分：

1)上位機:綜合控制終端，收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，對組網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行安全監(jiān)控。

2)路由節(jié)點:轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，與終端控制器直接通信。

3)終端控制器：收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制并采集工作狀態(tài)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系Fig 1 Network hierachy

2 硬件設(shè)計

終端控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，由五部分組成，分別是負(fù)責(zé)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的以太網(wǎng)控制器、控制整個硬件的抗干擾主控芯片、開關(guān)動作執(zhí)行機構(gòu)、霍爾電流、電壓傳感器及電源驅(qū)動模塊。

圖2 終端控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Structure block diagram of terminal controller

2.1 以太網(wǎng)通信模塊

以太網(wǎng)通信模塊選用WIZnet設(shè)計的W5500芯片作為以太網(wǎng)控制單元，配合RJ45接口、晶振等簡單外圍硬件構(gòu)成模塊。該芯片支持80 MBZ高速SPI通信，從而可以實現(xiàn)更高速的網(wǎng)絡(luò)通信。W5500芯片主要由SPI管理器、TCP/IP內(nèi)核、以太網(wǎng)接口管理器以及時鐘等組成。

2.2 控制器

STC12LE5616AD系列單片機是STC公司設(shè)計生產(chǎn)的單片機，具有超強抗干擾能力，可以應(yīng)用到如供配電機房、礦井等電磁干擾嚴(yán)重的場合。

2.3 電源驅(qū)動單元

主要選用兩片MAX1692芯片實現(xiàn)電源驅(qū)動功能。MAX1692是美信公司生產(chǎn)的一種低噪聲PWM降壓穩(wěn)壓器，該芯片輸出電壓可控。

5 V電源接入設(shè)備后通過MAX1692芯片(稱為MAX1692—A)降壓穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的3.3 V電壓，從而提供單片機和各網(wǎng)絡(luò)芯片的工作電源；另外一片MAX1692芯片(稱為MAX1692—B)接5 V輸入穩(wěn)壓成為穩(wěn)定的5 V電壓給執(zhí)行機構(gòu)與傳感器提供能源，該芯片受控制器P0.1接口控制信號直接驅(qū)動，從而間接驅(qū)動繼電器動作，避免了直接驅(qū)動大電壓器件可能對單片機造成的安全威脅。

2.4 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊電路比較簡單，選用一種高可靠性繼電器，二極管反并聯(lián)到線圈引腳作為剩余電荷放電通道。

2.5 傳感器模塊

設(shè)計選用型號HNV—500T/AC的霍爾電壓傳感器與型號HNV—025A的霍爾電流傳感器。

電壓傳感器測量交流電壓，額定測量電壓500 V，輸出電壓0～5 V，滿足工業(yè)電氣測量要求，接線過程需要將被控設(shè)備作為負(fù)載接入電壓傳感器中。電流傳感器測量額定電流在5 A范圍內(nèi)，輸出電壓0～4 V，被測電器電源線從傳感器中穿過，進(jìn)行隔離檢測。

3 軟件設(shè)計

基于網(wǎng)絡(luò)的終端控制器的軟件主要有以下幾部分組成：系統(tǒng)初始化；網(wǎng)絡(luò)初始化；網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置(設(shè)置網(wǎng)絡(luò)芯片的IP地址與MAC地址等)；終端模式選擇(選擇服務(wù)器模式或客戶端模式)；通信與控制。

圖3顯示了終端控制器中軟件設(shè)計的程序流程圖，包括初始化、網(wǎng)絡(luò)連接、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸幾個部分[6]。由于篇幅限制，本文只論述開關(guān)工作在TCP/IP協(xié)議客戶端下軟件流程。

終端控制器在選擇網(wǎng)絡(luò)信道和終端模式(客戶端模式)之后，通過讀取W5500內(nèi)部指定socket通道CR狀態(tài)寄存器，得知終端控制器當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)芯片處于CLOSED狀態(tài)時，初始化并開啟socket；開啟成功后，再次讀取CR狀態(tài)寄存器，網(wǎng)絡(luò)芯片將處于INIT狀態(tài)，之后通過connect命令向服務(wù)器發(fā)送SYN 請求信號來請求服務(wù)器許可連接；當(dāng)接收到SYN/ACK信號后，再次發(fā)送回應(yīng)信號，芯片處于ESTABLISHED狀態(tài)；啟動recv接收命令，嘗試從接收緩存中讀取發(fā)來的信息并解碼后發(fā)送一路I/O控制信號給MAX1692，控制其工作或關(guān)閉，從而控制繼電器開閉動作；定時每發(fā)生T時間后讀取當(dāng)前霍爾電流、電壓傳感器數(shù)據(jù)，并向W5500芯片發(fā)送緩存中寫入電流、電壓值，啟動send發(fā)送命令，發(fā)送數(shù)據(jù)；需要關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)時，發(fā)送FIN請求，當(dāng)接收到服務(wù)器回復(fù)的FIN/ACK 后，網(wǎng)絡(luò)芯片將成為CLOSED狀態(tài)[7]。

圖3 終端控制器程序流程圖Fig 3 Program flow chart of terminal controller

4 測試結(jié)果

本設(shè)計測試中選用室內(nèi)采光燈管作為監(jiān)測對象，通過網(wǎng)絡(luò)控制燈管的關(guān)閉與點亮并采集通過燈管的工作電流與串聯(lián)限流電阻的電壓并上傳到PC端，從而模擬實際終端控制器對電器的控制[8]。當(dāng)上位機軟件與終端控制器建立連接后，終端控制器將通過串口(調(diào)試用)發(fā)送包括初始化、發(fā)送連接請求等各個狀態(tài)的進(jìn)行標(biāo)記；當(dāng)上位機軟件網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控端發(fā)送“open”或“close”命令時，終端控制器點亮或關(guān)閉燈管，并發(fā)送“Light up!”或“Light down!”標(biāo)記給上位機串口監(jiān)控窗口；每發(fā)生T時間后會自動接收到電流、電壓數(shù)據(jù)與狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)記；當(dāng)上位機斷開連接時，終端控制器響應(yīng)斷開請求，發(fā)送斷開連接狀態(tài)的進(jìn)行標(biāo)記[9]。整個測試過程響應(yīng)迅速，未出現(xiàn)失聯(lián)與控制失敗狀況。測試情況如圖4所示。

5 結(jié)束語

本文利用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)了一種穩(wěn)定抗干擾的遠(yuǎn)程監(jiān)控開關(guān)，通過上位機控制軟件實現(xiàn)對遠(yuǎn)程電器的開閉控制和工作狀態(tài)監(jiān)測，進(jìn)而對接入終端控制器的電器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，為將來實現(xiàn)多設(shè)備組網(wǎng)監(jiān)控與調(diào)配提供一種解決方案。

圖4 上位機監(jiān)視窗口斷開與控制狀態(tài)Fig 4 Monitor window of upper PC in control and disconnected states

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Development of network monitor switch based on TCP/IP protocol

YANG Liu-ming1, HAN Hui-jie2, ZHOU Xue1, ZHANG Rong-rong3

(1.Department of Communication,School of Mechanical,Electronic & Information Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China;2.Information Institute,School of Mechanical,Electronic & Information Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China;3.School of Architectrual & Artistic Design,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

Design and develop a network monitor switch which is based on Ethernet communication.The design uses W5500 chip to realize communication with remote controller via Ethernet,and uses MAX1692 chip to achieve function of power supply of monitor switch and driver and control of actuator,uses Hall current sensor and voltage sensor for state monitoring of device to be controlled,and upload data to remote controller through Ethernet.The whole system has the advantages of high reliability,strong anti-interference performance,convenient to operation and flexible networking.

TCP/IP protocol; control switch; W5500; Hall sensor

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0097—03

2015—10—20

TP 273.5

A

1000—9787(2016)07—0097—03

楊柳銘(1994-)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，碩士研究生，實驗室助理，研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置，嵌入式技術(shù)。