董芳針,周 克,楊 桃

(1.貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025; 2.貴州電網(wǎng)有限責任公司培訓與評價中心，貴州 貴陽 550001)

基于DL/T645規(guī)約的嵌入式工業(yè)物聯(lián)控制節(jié)點設計

董芳針1,周 克1,楊 桃2

(1.貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025; 2.貴州電網(wǎng)有限責任公司培訓與評價中心，貴州 貴陽 550001)

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術的飛躍發(fā)展，以實現(xiàn)智能制造為目標的“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”行動計劃已拉開了大幕;為滿足智慧工廠的發(fā)展需求，一種具有實時高效、安全準確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锫?lián)控制節(jié)點成為了關鍵;文章針對傳統(tǒng)制造工廠通信系統(tǒng)的傳輸速率低、網(wǎng)絡建設復雜、可靠性差、維護困難等缺點;提出了一種基于DL/T645規(guī)約的電力線載波數(shù)據(jù)采集節(jié)點，以STM32微控制器、載波收發(fā)模塊、節(jié)點工廠設備接口等硬件，以DL/T645通信規(guī)約為核心設計物聯(lián)節(jié)點，保障工廠現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時穩(wěn)定采集，為構建監(jiān)控和管理一體化的智慧工廠提供實時性強、可靠性高的通信系統(tǒng)。

互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)；智慧工廠；物聯(lián)節(jié)點；DL/T645規(guī)約

0 引言

在工業(yè)4.0提出的背景下，中國制定了‘互聯(lián)網(wǎng)+’的行動計劃，推動著大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等先進技術與現(xiàn)代制造業(yè)的結合，讓工廠現(xiàn)場生產(chǎn)設施與主控中心實時鏈接，構建信息物理設備系統(tǒng)(CPS)，進而使各生產(chǎn)設備能夠自主交互數(shù)據(jù)、觸發(fā)動作和實施控制，能在PC控制中心實時掌握現(xiàn)場情況，有助于提升生產(chǎn)制造實時數(shù)據(jù)的感知、傳送和分析的能力，促進現(xiàn)代制造企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和提升核心競爭力。而工業(yè)大數(shù)據(jù)的采集、傳輸、交互和共享，必然需要建立容量、數(shù)據(jù)處理能力更強大的通信基礎設施為智能制造工廠提供基本保障。因此，構建Qos更可靠、數(shù)據(jù)處理能力更強的工業(yè)通信基礎設施將成為未來制造業(yè)中迫切需要解決的一項課題[1-3]。

目前工業(yè)領域應用比較多的通信方式有3種，串口通信、Modbus 通信、PROFIBUS通信。以上通信方式的初期投資成本低，但后期維護難度大，且建設施工困難。電力載波通信因智能化高、無需專門架設通信線路、節(jié)省成本、易于維護、方便在各種工業(yè)用電環(huán)境中安裝，便于監(jiān)控管理等優(yōu)勢，使其成為工業(yè)通信領域的新寵。而工業(yè)大數(shù)據(jù)對物理信道和通信軟件提出了更高的要求，使優(yōu)良的通信軟件成為數(shù)據(jù)實時高效傳輸?shù)那疤?。文中以電力載波為通信信道利用DL/T 645規(guī)約實現(xiàn)現(xiàn)場設備和控制中心之間的數(shù)據(jù)傳輸，并擴展了DL/T645規(guī)約中的數(shù)據(jù)標識域，精簡工業(yè)物聯(lián)節(jié)點MCU中的通信軟件的代碼量，提高其執(zhí)行效率和數(shù)據(jù)通信效率[4-7]。

1 工業(yè)物聯(lián)節(jié)點的硬件實現(xiàn)

本文設計的工業(yè)物聯(lián)控制節(jié)點選用STM32系列微控制器，其內(nèi)部集成的I2C、USART、SPI、CAN等多個通信接口，工業(yè)物聯(lián)節(jié)點由接口轉(zhuǎn)換電路、電力載波通信模塊、STM32微控制器構成，圖1為工業(yè)物聯(lián)節(jié)點框圖。載波通信模塊與STM32之間通過USART口連接，工廠設備與STM32之間通過I2C、USART、SPI、CAN通信口連接進行數(shù)據(jù)互換。STM32負責采集工廠現(xiàn)場數(shù)據(jù)輸出符合DL/T645通訊規(guī)約的傳感數(shù)據(jù)，并通過USART口將數(shù)據(jù)幀傳送至電力載波通信模塊，以電力架空線作為智慧工廠高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，實現(xiàn)可靠、有效的傳輸[8]。

圖1 工業(yè)物聯(lián)節(jié)點結構框圖

2 工業(yè)物聯(lián)節(jié)點的軟件實現(xiàn)

在數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)時，所有的通信設備都必須遵循一套固定的通訊規(guī)則，工業(yè)物聯(lián)控制節(jié)點以DL/T645為通信規(guī)約。其主要分為三層，物理層、鏈路層、應用層。物理層：規(guī)定了終端設備的物理通信接口、電氣特性，實現(xiàn)物理信道上信息的收發(fā)。數(shù)據(jù)鏈路層：建立終端設備之間的通信鏈路以幀為單位傳輸數(shù)據(jù)，能檢測信息傳輸差錯。應用層：通過數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳輸特性，在終端設備之間傳輸各種數(shù)據(jù)信息[9]。

2.1 數(shù)據(jù)采集傳輸協(xié)議(DL/T645)

本工業(yè)節(jié)點的通信基于(DL/T645)協(xié)議，采用半雙工通信模式。在數(shù)據(jù)采集時，寬帶電力載波網(wǎng)關為主節(jié)點，工業(yè)物聯(lián)數(shù)據(jù)節(jié)點為通信從節(jié)點，它們之間通過低壓電力線作為傳輸媒介。每個工業(yè)物聯(lián)控制節(jié)點都有唯一的MAC地址，用以實現(xiàn)一對多的主從通信。工業(yè)物聯(lián)控制節(jié)點能根據(jù)設定的情況自動的向主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀，同時接收主節(jié)點發(fā)送來的命令并做出響應[10]。

DL/T645協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝粸樽止?jié)。每個字節(jié)有8位(按BCD編碼規(guī)則編碼)，傳輸時，在傳輸?shù)膬?nèi)容前加上起始位(0)，并附上偶校驗位(P)和停止位(1)。其數(shù)據(jù)傳輸格式如圖2所示。所有數(shù)據(jù)均按照先低位，后高位的順序傳送。

圖2 傳輸序列和數(shù)據(jù)幀格式

多個字節(jié)構成一個數(shù)據(jù)幀(Data Frame)。為保證信息的可靠傳遞，通常把用戶數(shù)據(jù)封裝成幀的形式。每幀數(shù)據(jù)都由幀起始符(68H)、通信地址(A0—A5)、控制碼(C)、數(shù)據(jù)長度(L)、數(shù)據(jù)域(DATA)、幀數(shù)據(jù)校驗碼(CS)和幀結束符(16H)共7個部分構成。

在本文的通信協(xié)議的設計中，在原有DL/T645—2007《多功能電能表通信協(xié)議》的基礎上對設備運行狀態(tài)字、數(shù)據(jù)標識進行了擴展，增加了讀傳感器數(shù)據(jù)、現(xiàn)場設備監(jiān)控等事件的定義，該部分用DI3、DI2、DI1、DI0四個字節(jié)表示。根據(jù)工廠采集的數(shù)據(jù)類型定義為：溫濕度；06060200H：光照強度；06060300H：設備用電信息；06060400H：設備運行狀態(tài)；06060500H：工廠安防信息；06060600H：設備控制。

2.2 串口中斷方式收發(fā)一幀數(shù)據(jù)

利用STM32實現(xiàn)規(guī)約的關鍵在于如何實現(xiàn)一幀信息在串口中準確的接收，本文采用中斷方式接收發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，并通過查詢方式監(jiān)測工廠內(nèi)用電設備、傳感器等信息。使用功能塊編程，便于程序的調(diào)用并設置幀開始標志APP_DLT645_START1、數(shù)據(jù)域標志data_length、幀結束標志endl來表示幀接收過程的狀態(tài)。每幀信息的接收開始于收到68H，緊接著進入固定幀數(shù)據(jù)的接收階段，然后進入數(shù)據(jù)域、校驗碼CS和結束符16H的接收階段。當發(fā)送數(shù)據(jù)時，只需調(diào)用此功能塊將地址，控制碼，數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)裝入命令幀中進行發(fā)送。

PLC模塊工作流程如3中(2)所示，當檢測到電力線上有載波信號時，PLC模塊將接收的信號進行帶通濾波和限幅處理后經(jīng)過模塊的MCU進行解調(diào)還原DL/T645數(shù)據(jù)幀，并直接將該數(shù)據(jù)幀透傳給STM32芯片，STM32芯片通過相應的計算執(zhí)行對應的動作。同時，當PLC模塊監(jiān)測到USART3口上有STM32傳送來的數(shù)據(jù)時，由PLC模塊將該DL/T645數(shù)據(jù)幀利用OFDM方式調(diào)制，后經(jīng)載波收發(fā)電路將此信號放大耦合到電力線信道中去。

圖3 串口接收流程圖

其串口接收流程圖如圖3(1)所示，當STM32產(chǎn)生串口中斷時，即串口收到PC控制中心發(fā)出的控制命令，并將該數(shù)據(jù)存儲到緩存DataBuf中，然后執(zhí)行幀解析子函數(shù)。在幀解析子函數(shù)中完成幀起始符、校驗碼CS、結束符的比對，確定為一幀完整的645數(shù)據(jù)幀后，將幀中所含的通信地址與本工業(yè)物聯(lián)節(jié)點的通信地址進行比對，若為本節(jié)點地址則進行下一步處理，否則直接拋棄該數(shù)據(jù)幀。在上述運行后MCU提取出控制碼、數(shù)據(jù)域，并根據(jù)規(guī)約中的要求完成相應的數(shù)據(jù)采集、設備控制[11]。

2.2.1 串口中斷接收數(shù)據(jù)

串口接收信息，并將接收的數(shù)據(jù)存儲在RxBuffer5中[12]，接收的相關代碼如下：

void USART3_IRQHandler(void)

{ if(USART_GetITStatus(USART3, USART_IT_RXNE)!= RESET)

{RxBuffer5[RxCounter1++]=USART_ReceiveData(USART3); if(RxCounter1>10){ require_data();

DLT__Recv.Length=RxCounter1;

message_pro();//處理幀信息

ReceiveState = 1; }} }

2.2.2 DL/T645協(xié)議解析

協(xié)議的解析實際上是對字符串的處理，這里給出了幀起始符(68H)、通信地址、控制碼、數(shù)據(jù)域識別的代碼。

u8 message_pro(void) //幀信息處理函數(shù) 幀解析

{ if(flag!=1) //判斷一幀數(shù)據(jù)是否處理完成

{ if(ReceiveState==1) //接收到一幀數(shù)據(jù)

{ ReceiveState=0;

while((DLT_Recv.DataBuf[0]!=0x68)&&(DLT_Recv.DataBuf[7]!=0x68))

{ for(ms=1;ms< DLT__Recv.Length;ms++) // 將數(shù)據(jù)往前移// 找?guī)^

{DLT__Recv.DataBuf[ms-1]=DLT__Recv.DataBuf[ms];}

DLT__Recv.Length--;}

if((DLT_Recv.DataBuf[0]!=0x68)&&(DLT_Recv.DataBuf[7]!=0x68))

{ State_clearance();return 0;} // 沒有找到幀頭，直接返回

for(fe=0;fe<6;fe++)//取通信地址

{Slave_data.RxBuf_addr[fe]=DLT__Recv.DataBuf[fe+1];} for(Je=0;Je<6;Je++) //比較通信地址

{ad=ad+ (Slave_data.RxBuf_addr[Je]^Slave_data.ammeter_addr[Je]);}

add2[6]=ad ; add2[7]= ad1; add2[8]= ad2; //存取比較的結果

if(ad==0||ad1 ==0||ad2 ==0)

{ for(pe=0;pe< Slave_data.data_length;pe++)//取數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)

{ Slave_data.data[pe]=(DLT__Recv.DataBuf[10+pe]-0x33);}

Slave_data.ctrl=DLT__Recv.DataBuf[8]; //取控制碼

flag=1;if(flag==1){ for(Jn=0;Jn<4;Jn++) //識別數(shù)據(jù)域

{con6=con6+(Slave_data.data[Jn]^temperature[Jn]); //讀溫濕度}

compare_data[5]=con6; //存儲數(shù)據(jù)域比較結果

2.2.3 DLT645協(xié)議發(fā)送采集的數(shù)據(jù)

MCU采集的信息以數(shù)組的形式存放在TX_DataBuf中，通過DL645Package函數(shù)組成一個DL /T 645幀，最后經(jīng)過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至載波模塊，以電力載波方式將采集的數(shù)據(jù)傳送至PC控制中心。發(fā)送部分代碼如下：

u8 TX_DataBuf[MAX_QUEUE_LEN];

if(Slave_data.ctrl==0x11)

{ if(compare_data[5]==0) //溫濕度

{DL645Package(8,30,0x91); //組幀函數(shù)

for(is=0; is<24; is++){ R_SByte(DLT__Recv.TX_DataBuf[is]);}

State_clearance(); //清除狀態(tài)信息

flag=0;return 0; }

return 0; }

3 工業(yè)物聯(lián)節(jié)點運行效果

在上述的程序、硬件設計后，將軟件下載進MCU中，進行了仿真實驗，圖4是PC控制中心以相應的控制命令讀取正向有功電能量、相電壓、溫濕度等信息。當PC控制中心需掌握201612210001號節(jié)點附近的溫濕度信息時，則通過電力載波網(wǎng)關將控制命令幀“68010021121620681104333439392816”下發(fā)至此節(jié)點。該節(jié)點收到命令幀并識別該幀數(shù)據(jù)，根據(jù)控制命令采集溫濕度傳感信息，然后將該數(shù)據(jù)填入645幀中，將該幀數(shù)據(jù)由載波模塊發(fā)送至電力線網(wǎng)絡。

圖4 測試結果

具體步驟如下:

(1) 使用PC控制端向電力網(wǎng)關發(fā)送TCP/IP數(shù)據(jù)報文，如圖1中電力載波網(wǎng)關所示。

(2) 電力載波網(wǎng)關根據(jù)解析的TCP/IP數(shù)據(jù)報文進行重組DL/T645規(guī)約報文，通過電力線信道發(fā)送到載波模塊。

(3) 最后，載波模塊將接收的645報文直接透傳給STM32，由STM32解析幀數(shù)據(jù)后執(zhí)行動作，將返回的信息組成DL/T645報文經(jīng)載波模塊傳遞至電力線網(wǎng)絡，電力載波網(wǎng)關接到物聯(lián)節(jié)點的相應后，將信息轉(zhuǎn)換成TCP規(guī)約報文，通過RJ45口，發(fā)回PC控制端。

4 結論

在解讀DL/T645規(guī)約傳輸幀格式的基礎上，本文提出利用DL/T645規(guī)約并結合先進的電力載波通信技術，設計工業(yè)物聯(lián)控制節(jié)點。通過以RJ45口通信、USART口通信、電力線載波通信、DL/T645規(guī)約和TCP/IP規(guī)約的解析與重組、協(xié)議轉(zhuǎn)換等一系列過程，實現(xiàn)智慧工廠現(xiàn)場設備的用電信息、運行狀態(tài)和傳感器等數(shù)據(jù)的高效傳送，即可靠又便利，降低成本。在程序設計時，對DL/T645規(guī)約中的數(shù)據(jù)域、控制代碼進行了擴展并使用功能塊編程，程序具有良好的通用性避免了重復編程，大大提高了MCU的執(zhí)行效率。為智慧工廠的搭建提供有效技術支撐。

[1] 王喜文.工業(yè)4.0:智能工業(yè)[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術, 2013, 12: 3-6.

[2] 張小平,李佳寧,付 灝. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)對話工業(yè)4.0[J].電網(wǎng)技術, 2016, 40: 1-5.

[3] 李少壯,張澤光,李洪波. 從“工業(yè)4.0”看工業(yè)計量的未來[J].計測技術, 2015, 35(6):1-5.

[4] Wu R C.Wu R C.Intelligent control via power-line carrier for illumination and air condition in buildings[A].19th International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management[C].2013：383-393.

[5] Kolberg, Dennis.Zühlke, Detlef.Lean Automation enabled by Industry 4.0 Technologies[A].IFAC Proceedings Volumes (IFAC-PapersOnline)，ISPLC 2015[C]. 2015：1870-1875.

[6] 孟珺遐,朱寧輝,白曉民.基于DL/T645—2007協(xié)議的智能電表嵌入式通信軟件研發(fā)[J].電網(wǎng)技術, 2010, 34(9):7-12.

[7] 馮小英,儲昭碧.自適應波特率的DL/T-645規(guī)約通信的實現(xiàn)[J].中國儀器儀表, 2007, 9: 38-41.

[8] 李駒光,張 華. 基于ARM的工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)智能節(jié)點的設計[J].電子技術, 2003,7:17-18.

[9] Guo J.Liu D.Design of a smart meter recorder with mass storage based on DL/T645-2007 protocol[J].Communications in Computer and Information Science，CCIS，2015：660-666.

[10] 馬利人,宗建華.DL/T 645-2007《多功能電能表通信協(xié)議》的技術特點和創(chuàng)新[J].電測與儀表, 2009, 46(3):1-13.

[11] 何 賓,呂育斌,馮 濤. Zigbee技術和DL/T645規(guī)約在無線抄表系統(tǒng)中的應用[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2009, 37(24):81-84.

[12] 周峰華, 潘文亮, 劉軍亮. Linux下ARM和單片機的串口通信設計[J].儀表技術,2011, 8:27-32.

Design of Embedded Industrial Joint Control Node Based on DL/T645 Protocol

Dong Fangzheng1，Zhou Ke1，Yang Tao2

(1.Electrical Engineering College, Guizhou University, Guiyang 550025,China;2.Training and evaluation center of Guizhou Power Grid Co., Ltd.,Guiyang 550001,China)

With the rapid development of the Internet, big data, networking and other technology, in order to achieve the goal of Intelligent Manufacturing ”Internet plus industrial” action plan has opened the big screen. To meet the development needs of the smart plant, a real time and efficient, safe and accurate field data transmission of the joint control node has become the key. This paper is aimed at the disadvantages of traditional manufacturing plant communication system, such as low transmission rate, complex network construction, poor reliability, maintenance difficulties and so on. A power line carrier data acquisition node based on DL/T645 protocol is proposed, which is based on STM32 microcontroller, carrier transceiver module, node factory equipment interface hardware and to DL/T645 protocol as the core design linked nodes, security factory field data real-time acquisition, for the construction of the monitoring and management of the integration of the wisdom of plants provide high speed, strong real-time, high reliability of the communication system.

internet plus industry; factories; IOT nodes; DL/T645 protocol

2016-09-26；

2016-11-02。

基于自動維護技術的用電信息采集裝置的研發(fā)(20147614)。

董芳針(1988-)，男，湖南常德人，碩士研究生，主要從事智能電網(wǎng)技術、電力電子信息技術方向的研究。

1671-4598(2017)03-0070-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.020

TN919.3

A