幺倫韜,金 龍,毛 飛,朱庚華,彭相瑜
(1.河北省氣象技術裝備中心,河北石家莊 050021;2.河北省氣象災害防御中心,河北石家莊 050021)
基于Wi-Fi技術的氣象裝備實訓平臺設計
幺倫韜1,金 龍1,毛 飛1,朱庚華1,彭相瑜2
(1.河北省氣象技術裝備中心,河北石家莊 050021;2.河北省氣象災害防御中心,河北石家莊 050021)
為實現(xiàn)對氣象裝備保障人員的便捷高效培訓,運用無線通信技術,設計了基于Wi-Fi技術的氣象裝備可移動實訓平臺。系統(tǒng)通過無線通信模塊將氣象設備的串口協(xié)議數(shù)據(jù)轉換成網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù),再使用Wi-Fi無線技術將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C端,最后在計算機端將網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)轉換為串口協(xié)議數(shù)據(jù),通過虛擬串口傳送給氣象應用軟件,以此建立起氣象設備與氣象應用軟件之間的無線透明傳輸鏈路,降低了布線復雜程度,提高了擴展的靈活度。實訓平臺采用移動式、無線通信和氣象設備集中設計,解決了氣象設備培訓中設備種類多、布線復雜的難題,為氣象設備技術保障培訓提供了標準化培訓環(huán)境。在對市級技術保障人員的實際培訓中,驗證了實訓平臺在實際操作中具有一定的實用性,可有效提高培訓效率。此培訓平臺的設計為氣象裝備保障人員的培訓提供了新的方法。
無線通信技術;Wi-Fi技術;氣象裝備;實訓平臺;虛擬串口
隨著氣象事業(yè)的發(fā)展,新型的氣象裝備更新應用越來越快,新型氣象裝備的集成化、自動化程度也越來越高。為保障這些裝備的穩(wěn)定運行,氣象裝備技術保障人員維修技術需快速提升,及時熟悉新型裝備的工作原理,快速掌握維修技術。由于業(yè)務中投入使用的氣象觀測裝備不允許停止工作和培訓使用,因此,急需設計一套氣象裝備實訓平臺,對氣象裝備工作環(huán)境現(xiàn)場進行模擬仿真,通過設置不同故障,對技術裝備保障人員進行技術實訓,提高技術人員的維修水平,保障氣象觀測站網(wǎng)的穩(wěn)定運行。
本文詳細研究了氣象裝備工作環(huán)境的特點和培訓需求,運用Wi-Fi無線通信技術和虛擬串口技術[1],設計了一種氣象裝備實訓平臺。采用Wi-Fi技術,有效地降低了通信布線的復雜程度,消除了擴展復雜弊端。該實訓平臺模擬了氣象裝備實際工作環(huán)境,滿足了氣象裝備保障人員技術實訓的需求,對于其他類似裝備實訓平臺的設計具有借鑒意義。
1.1Wi-Fi技術
Wi-Fi技術是一種成熟的無線局域網(wǎng)組網(wǎng)技術,便于電子設備無線連接到一個局域網(wǎng)內(nèi),一般使用2.4 GB,5 GB兩個頻段。Wi-Fi連接到無線局域網(wǎng)通常需要有密碼保護,但也有些應用環(huán)境是采用開放式,允許在Wi-Fi信號范圍內(nèi)的任何電子設備連接。Wi-Fi通信應用十分廣泛,在移動通信、物聯(lián)網(wǎng)等方面都已大量使用,同時硬件技術發(fā)展也比較迅速,目前已有非常成熟穩(wěn)定的Wi-Fi硬件通信模塊,兼容通信協(xié)議轉換,價格低廉,使本實訓平臺搭建成為可能。
1.2虛擬串口技術
在工業(yè)產(chǎn)品中,串行通信RS232經(jīng)常作為數(shù)據(jù)傳輸接口。計算機主板一般會提供1至2個標準RS232端口,用戶可以通過計算機的RS232端口與工業(yè)產(chǎn)品通信,同時在計算機軟件RS232端口操作方面也非常成熟。但是這種通信方式也存在一些限制,比如通信距離短、通信端口數(shù)量少等方面制約了RS232通信的應用。
虛擬串口技術利用驅動技術[2]來虛擬出多個通信端口,虛擬出的端口可以像硬件端口一樣被應用軟件操作使用。而實際通信中,虛擬串口技術主要是完成了通信協(xié)議的轉換功能,將應用軟件發(fā)出的RS232協(xié)議數(shù)據(jù)轉換成TCP/IP,CAN[3],RS485[4]等協(xié)議數(shù)據(jù)傳出,收到TCP/IP,CAN等協(xié)議數(shù)據(jù)后,轉換成RS232協(xié)議數(shù)據(jù)傳送給應用軟件,從而實現(xiàn)應用軟件與遠端設備的通信。采用虛擬串口技術,一臺計算機就可以虛擬出多個通信端口,而實際通信硬件鏈路僅通過一根網(wǎng)線或CAN總線即可完成,亦或者直接通過無線網(wǎng)卡實現(xiàn)無線通信傳輸,對綜合布線和設備擴展帶來了方便。
2.1整體設計
氣象裝備實訓平臺設計主要考慮3個方面:1)搭建的實訓平臺[5]要盡可能模擬每個氣象觀測設備的現(xiàn)場工作狀態(tài);2)搭建方便、實訓操作方便;3)所有氣象設備共用一臺計算機進行數(shù)據(jù)接收處理,減少成本和空間。根據(jù)氣象觀測設備的現(xiàn)場布局情況,對各類氣象設備進行分類組合。對具有單獨采集系統(tǒng)或距離較遠的氣象觀測設備獨立架設,對同一采集系統(tǒng)或近距離的組合進行架設,所有氣象設備之間的通信均采用Wi-Fi通信模塊與一臺計算機的應用軟件通信[6],實訓平臺整體設計示意圖見圖1。
圖1 整體設計示意圖Fig.1 Schematic diagram of the whole design
2.2硬件設計
硬件部分主要包括實訓臺、 通信部分。
1)實訓臺設計
專業(yè)實訓臺需要考慮實訓,要做到操作方便、結構清晰,為此采用可移動底盤和便于掛接安裝的雙面方孔掛板組合。雙面方孔掛板方便安裝各種設備,移動底盤方便實訓期間的移動展示,設計結構示意圖見圖2。其他觀測設備的實訓臺只需要在原設備下面增加移動底盤即可,方便移動。
圖2 集成實訓臺結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of integrated training platform
2)Wi-Fi通信模塊選型
Wi-Fi通信模塊[7]目前種類較多,本設計采用比較成熟的ESP8266系列模塊。ESP8266模塊是自成體系的Wi-Fi通信模塊,能夠獨立運行。模塊具有強大的片上處理和存儲能力,可通過 GPIO 口集成各種傳感器。模塊支持802.11 b/g/n無線標準,內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議[8]棧,安全機制采用 WPA/WPA2安全模式。通信接口包括UART,PWM,GPIO等,供電電壓為3.3 V。
3)ESP8266與氣象設備通信接口
氣象設備上的電源一般為5 V或12 V,所以在使用ESP8266模塊時需要對電壓進行轉換,本設計采用AMS1117穩(wěn)壓器將電壓調整為3.3 V后,提供給ESP8266模塊使用。本設計在使用ESP8266模塊時,主要考慮通信模塊的通信接口與氣象設備之間的連接問題。通信接口主要是2個通信設備的電平不匹配問題,氣象設備的接口電平為RS232標準,電平范圍在-15~+15 V之間,而ESP8266模塊的接口電平為TTL標準,電平范圍在0.8~2.4 V范圍內(nèi)。為此,使用MAX232電平轉換芯片完成氣象設備和通信模塊之間的通信電平轉換匹配。通信接口連接示意圖如圖3所示。
圖3 通信接口連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of communication interface connection
氣象設備和ESP8266模塊采用RS232串行通信方式。通信傳輸速率為9 600 bit/s,數(shù)據(jù)位8位,1位停止位,無校驗位。兩者之間使用MAX232電平轉換芯片建立物理連接,實現(xiàn)兩者信號電平的匹配轉換。將ESP8266的TTL電平串口與MAX232電平轉換芯片的T1IN輸入轉換成RS-232標準電平從T1OUT送到氣象設備RS232接口;氣象設備的RS-232接口從MAX232電平轉換芯片的R1IN輸入轉換成TTL電平后從R1OUT輸出。由于RS232是一種全雙工通信方式,所以在連接時需要氣象設備的TX發(fā)送接口與ESP8266的RX接收接口連接,對應的ESP8266模塊的TX發(fā)送接口與氣象設備的RX接收接口連接,才能完成氣象設備與ESP8266模塊之間的正常通信。
2.3軟件設計
根據(jù)氣象裝備實訓平臺設計需求,軟件部分主要包括Wi-Fi通信模塊的軟件設置和計算機上位機通信軟件的設計。
1)軟件需求
軟件需求涉及2個部分,分別為ESP8266模塊的傳輸需求和上位機通信軟件的需求。
ESP8266模塊具備與上位機軟件自動建立網(wǎng)絡連接的功能,然后通過串口與氣象設備通信,接收氣象設備的數(shù)據(jù)后,通過網(wǎng)絡通信將數(shù)據(jù)傳輸給上位機軟件。
上位機通信軟件需要能響應ESP8266模塊的網(wǎng)絡連接請求并建立通信連接。當接收到通信模塊的數(shù)據(jù)后,能將數(shù)據(jù)封裝后傳輸給對應的虛擬串口[9]。同理將虛擬串口傳來數(shù)據(jù)封裝后通過網(wǎng)絡傳輸給ESP8266。
2)設計方案
由于各個氣象設備要求上傳數(shù)據(jù)時間在同一時刻,并發(fā)通信,為此設計為每個氣象設備單獨建立一條透明網(wǎng)絡傳輸通道[10]。網(wǎng)絡通信包括TCP模式和UDP模式。UDP模式是一種簡單不可靠信息傳輸服務方式,當信息發(fā)送后,無應答機制,無法得知信息是否完整到達。TCP模式為信息可靠傳輸方式,當信息發(fā)送后,有應答機制,可以保證信息基本不丟失。本設計采用TCP工作模式,計算機通信軟件采用TCP服務端模式,氣象設備端Wi-Fi通信模塊使用TCP客戶端模式[11],由Wi-Fi通信模塊主動連接計算機TCP通信端口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的建立。計算機通信軟件為每個TCP通信端口虛擬一個RS232端口,實現(xiàn)與應用軟件的通信[12]。即完成了氣象設備—無線通信模塊—上位機通信軟件—氣象應用軟件之間的相互通信,實現(xiàn)氣象設備和氣象應用軟件之間的透明傳輸。軟件主要包括終端無線通信軟件和上位機通信軟件2個部分。其中,終端通信軟件由ESP8266模塊自身系統(tǒng)軟件實現(xiàn),上位機通信軟件由TCP服務端、網(wǎng)口與串口協(xié)議轉換、虛擬串口等主要模塊組成。通信軟件結構示意圖如圖4所示。
圖4 通信軟件結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of communication software
3)軟件實現(xiàn)
ESP8266模塊設置。ESP8266模塊內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧,自身完成了RS232到網(wǎng)絡協(xié)議的轉換,只需要對其進行網(wǎng)絡通信配置即可。模塊支持softAP模式,Station模式,softAP + Station 共存3種模式。SoftAP為無線接入點模式,即是一個無線網(wǎng)絡的中心節(jié)點。Station為無線終端模式,即是一個無線網(wǎng)絡的終端。本設計使用Station模式,同時使用透傳功能模式。透明傳輸功能是指設備終端通過RS232串口將數(shù)據(jù)發(fā)給 ESP8266模塊,ESP8266模塊再通過無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送出去;同理ESP8266模塊通過無線網(wǎng)絡接收到的數(shù)據(jù)后,通過RS232串口傳給設備終端。傳輸過程中,ESP8266模塊只負責將數(shù)據(jù)傳到目標地址,不對數(shù)據(jù)進行任何加工處理,發(fā)送方和接收方的數(shù)據(jù)內(nèi)容、長度完全一致,傳輸過程就像完全透明一樣。ESP8266模塊透明傳輸功能設置命令如下:
AT+SAVETRANSLINK=
其中,
執(zhí)行此命令后,設置的結果將會保存到ESP8266模塊的Flash中,掉電時不丟失,重新加電后,自動按照設置的參數(shù)進入透傳模式。
上位機通信軟件實現(xiàn)。上位機通信軟件主要完成與ESP8266模塊的TCP通信鏈接、虛擬串口的創(chuàng)建等功能,軟件流程見圖5。
圖5 上位機通信軟件流程圖Fig.5 Flow chart of computer communication software
軟件首先根據(jù)氣象裝備通信串口數(shù)量創(chuàng)建對應的虛擬串口,保證應用軟件能正常運行。其次是創(chuàng)建TCP服務,等待ESP8266通信模塊的連接,并與ESP8266模塊共同完成透明通信通道的建立,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向轉發(fā)。
虛擬串口主要是通過虛擬驅動技術完成,虛擬串口需要實現(xiàn)與硬件串口相同的參數(shù)接口[13]。最佳方法是修改硬件串口設備驅動程序,模擬硬件串口,但是虛擬串口驅動開發(fā)中不涉及硬件控制,只為建立虛擬串口設備對象、鏈接符號以及初始化數(shù)據(jù)結構[14],并實現(xiàn)虛擬串口的數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡數(shù)據(jù)之間的相互轉換。
TCP通信部分實現(xiàn)終端連接和數(shù)據(jù)通信,由于通信軟件需要和多個氣象裝備終端之間通信,每個氣象裝備終端對應一個虛擬串口。為此創(chuàng)建多線程,每個虛擬串口對應TCP服務一個網(wǎng)絡端口,實現(xiàn)應用軟件與設備終端之間的數(shù)據(jù)透明傳輸。
軟件啟動后,首先讀取已設置的參數(shù),根據(jù)參數(shù)要求創(chuàng)建多個虛擬串口,再根據(jù)虛擬串口綁定對應TCP服務網(wǎng)絡端口。當有通信終端連接時,軟件會響應連接,并建立一條透明傳輸通道[15],滿足氣象裝備與應用軟件之間的通信。
在氣象裝備實訓平臺設計完成后,搭建了硬件和開發(fā)軟件系統(tǒng),并進行了測試和應用。
3.1平臺測試
平臺測試主要測試通信系統(tǒng)能否達到設計需求,滿足各個氣象裝備到應用軟件的通信。打開通信軟件,界面如圖6所示。
圖6 上位機通信軟件界面Fig.6 PC communication software interface
1)功能測試
軟件首先根據(jù)設定參數(shù)創(chuàng)建虛擬串口和網(wǎng)絡通信監(jiān)聽端口,當對終端設備上電后,設備陸續(xù)連接上通信軟件。經(jīng)測試通信正常。應用軟件顯示如圖7所示。
圖7 應用軟件測試顯示圖Fig.7 Application test display diagram
2)性能測試
在測試過程中,逐個增加氣象設備通信傳輸個數(shù),最多增加到8個設備,平臺仍正常工作并能快速完成氣象設備與氣象應用軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸。由于Wi-Fi的通信速率遠高于串口通信速率,所以實際數(shù)據(jù)傳輸中未出現(xiàn)卡頓、延長等現(xiàn)象。使用5臺氣象設備與通信軟件連續(xù)測試,氣象設備每分鐘傳輸一組數(shù)據(jù),連續(xù)測試7天,總數(shù)據(jù)量為50 400組,軟件接收數(shù)據(jù)為50 400組,未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象,平臺功能達到設計要求,性能穩(wěn)定。
3.2平臺應用
將實訓平臺投入實際應用,其功能和性能都滿足了業(yè)務需求。在實訓操作中可以保障實訓人員方便地練習各類設備器件的拆裝和維護維修。同時由于可移動和無線設計,實訓人員可以便捷地移動整個平臺,非常靈活、方便。
本實訓平臺設計在功能、性能及穩(wěn)定性等方面都達到了預計目標,滿足了實訓需求,極大地提高了實訓效率。
本實訓平臺設計采用Wi-Fi技術和虛擬串口技術,搭建了硬件和軟件系統(tǒng),硬件部分采用ESP8266模塊完成通信模塊的通信接口和供電電壓轉換,計算機通信軟件采用TCP服務端模式,氣象設備端Wi-Fi通信模塊使用TCP客戶端模式,由Wi-Fi通信連接計算機TCP通信端口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的建立,形成一條透明傳輸通道,以滿足氣象裝備與應用軟件之間的通信。本設計實現(xiàn)了多類氣象裝備集中實訓的功能,整體布線簡潔、擴展靈活、性能穩(wěn)定。經(jīng)性能測試和應用,總體效果理想,達到了設計之初的要求。
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Design of training platform of meteorological equipment based on Wi-Fi technology
YAO Luntao1, JIN Long1, MAO Fei1, ZHU Genghua1, PENG Xiangyu2
(1.Hebei Provincial Meteorological Technical Equipment Center,Shijiazhuang, Hebei 050021, China;2.Hebei Provincial Meteorological Disaster Prevention Center,Shijiazhuang, Hebei 050021, China)
In order to realize the convenient and efficient training of meteorological equipment support personnel, a mobile training platform of meteorological equipment based on Wi-Fi technology is designed by using wireless communication technology. The system converts the serial protocol data of meteorological equipment into network protocol data through the wireless communication module, then uses Wi-Fi wireless technology to transfer data to the computer side. Finally, the protocol data is converted to serial protocol data in the computer side of the network, and the data is sent to meteorological application software through the virtual serial port. As a result, a wireless and transparent transmission link is established between meteorological equipment and meteorological application software. Not only the wiring complexity is reduced, but also the flexibility of expansion is enhanced. The training platform adopts the centralized design of mobile, wireless communication and meteorological equipment to solve the problems of many types of equipment and complicated wiring in the training of meteorological equipment, and provides a standardized training environment for technical equipment training of meteorological equipment. In the actual training of municipal technical support personnel, it is verified that practical training platform has some practicality in actual operation, which can effectively improve the training efficiency. The design of the training platform offers a new approach to the training of meteorological equipment support personnel.
wireless communication technology; Wi-Fi; meteorological equipment; training platform; virtual serial port
1008-1534(2017)06-0465-06
TP393.03
A
10.7535/hbgykj.2017yx06013
2017-09-09;
2017-10-19;責任編輯:張 軍
河北省科技支撐計劃項目(16273705D)
幺倫韜(1979—),男,高級工程師,碩士,主要從事數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信方面的研究。
E-mail:yaoluntao@139.com
幺倫韜,金 龍,毛 飛,等.基于Wi-Fi技術的氣象裝備實訓平臺設計 [J].河北工業(yè)科技,2017,34(6):465-470.
YAO Luntao,JIN Long,MAO Fei,et al. Design of training platform of meteorological equipment based on Wi-Fi technology[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(6):465-470.