太阳能中央热水工程通讯网络的几个关键问题

管立伟， 卢 宇， 吴进营， 何志杰， 陈 曦， 任建明

(福建师范大学 物理与能源学院； 福建省量子调控与新能源材料重点实验室，福州 350117)

太阳能中央热水工程通讯网络的几个关键问题

管立伟， 卢 宇， 吴进营， 何志杰， 陈 曦， 任建明

(福建师范大学 物理与能源学院； 福建省量子调控与新能源材料重点实验室，福州 350117)

针对太阳能中央热水工程中通讯网络对维护和管理难度小、工程成本低和高可靠性的要求，结合无线数传技术和嵌入式Internet技术，采用无线通信与以太网相结合的方式设计通讯网络.在软件系统中建立多任务消息机制，引入限时服务策略对任务的运行时间进行约束，提高了软件的可靠性.相关技术已成功应用于景德镇规划局的多个可再生能源示范项目中.

太阳能；热水系统；嵌入式Internet；无线数传

太阳能热水工程结构复杂，对系统运行的可靠性和稳定性要求较高，并且需要及时维护和处理系统出现的集热管炸裂和供热水箱缺水等故障问题，而专门安排人员巡查需要投入大量人力财力[1-2].因此，对太阳能中央热水工程进行远程监控尤为重要.在本课题组研究开发的面向集群应用的太阳能中央热水工程测控与管理系统中，已经实现了可视化监控与管理安装在全国各地的太阳能中央热水工程[3].系统总体主要由终端供热系统、区域集控中心和企业集控中心三部分构成.在实验和实际工程应用中发现，区域集控中心需要用户电脑来实现分布式数据库系统的数据同步，一旦电脑不开启将无法同步数据来为热水系统提供系统运行的性能分析和效益评价，出现维护难度大和管理成本高的问题，必然要求热水系统控制终端换一种方式接入以太网.此外，工程现场未预留或不便预留以太网接口，并且网络布线施工难度大，距离受限，不易维护和成本高，必然要求采用无线通信的方式.本文充分考虑建筑现有网络建设基础和工程成本，对热水系统采用无线数传技术和嵌入式Internet相结合的方式接入以太网开展相关研究工作，力求系统运行的经济性、传输距离、组网灵活性等一系列问题得到有效解决.

1 通讯网络组成

太阳能中央热水系统的通信网络组成如图1所示，主要由系统现场终端控制器、从无线数传模块、主无线数传模块、嵌入式网络通信终端和企业集控与管理中心5部分组成.自主设计的现场终端控制器采集和处理热水系统运行数据，实现系统控制[3].从无线数传模块通过串口与终端控制器建立通信链路，主无线数传模块通过串口与嵌入式网络通信终端连接，嵌入式网络通信终端通过Internet与企业集控与管理中心实现数据交互，在局域网内采用移动区域管理终端来配置太阳能中央热水系统的项目信息、结构参数和运行参数等，便于工程现场调试和维护.

图1 太阳能中央热水系统中通信网络组成框图

2 通信网络的关键问题

2.1 多任务限时服务

借鉴计算机分时处理和Windows系统事件驱动等思想，构建多任务软件框架[4].嵌入式网络通信终端软件的多任务架构设计是根据工程实际要求，将网络通信终端要实现的功能划分为多个任务模块，如时间事件处理、串口通信数据处理、网络通信数据处理、实时数据采集处理、心跳包任务、对时任务和LED指示灯任务等.需要说明的是，由于UDP是无连接数据传输，这里增加心跳包任务引入心跳包机制，嵌入式网络通信终端定时向企业服务器端发送心跳包来获取相应的配置参数或者太阳能热水系统的运行配置参数.采用事件/消息驱动机制，按不同优先级别来给不同的任务模块分配MCU的控制权，各个任务模块在相应的执行时间范围内访问MCU.软件的多任务驱动机制流程如图2所示，主程序循环以标志位控制为主，根据标志位的状态来确定任务能否访问MCU，即标志位相当于事件消息.

当某个任务出现非正常结束时，当前使用的资源有可能作为下一次任务的初始状态，出现任务交叉重叠情形，从而影响任务的正常执行，因此必须对这些任务在运行时间上进行约束.限时服务设计流程如图3和图4所示.为每个需要限时服务的任务模块分配独立计时单元和运行状态标志位，如图4所示，它仅对任务运行的时间进行判断，如果超过了规定的最大运行时间，则将任务所使用的全部资源重新初始化，供下一次任务使用.

图2 STM32多任务流程框图

图3 限时服务设计的计时流程

图4 限时服务设计的超时服务流程

2.2 无线通信设计

2.2.1 无线数传终端设备硬件设计

无线数传RTU是以STM32单片机为微控制器，采用CC1100射频芯片实现数据传输，无线通讯采用一主多从结构.太阳能热水系统的工程现场数据分为正常数据和异常报警数据两种，异常报警数据是指太阳能中央热水系统有水箱缺水、水温过高和低水位加热等异常状况发生时，终端控制器所生成的报警指令.正常数据和异常报警数据从不同频段通道传输，主无线数传模块采用2片CC1100射频芯片，分别用于正常数据和异常报警数据的通信，提高无线通信稳定性和可靠性，如图5所示.从无线数传模块针对正常数据和异常报警数据采用同一块CC1100射频芯片不同的通信频段，如图6所示.

2.2.2 通信协议流程

由于在实际工程应用场景下会面临各种特殊情况，如建筑风格、用户需求和气候情况等都会出现较大改变，因此为提高无线通信子系统的工作稳定性和可靠性，在这里采用收发应答、丢包重发和超时判断设计以及简单路由转发设计.收发应答、丢包重发和超时判断设计如图7所示.

简单路由转发设计如图8所示，路由转发设计分为数据发送、数据接收以及转发3个流程.从无线数传RTU接收到无线信号后判断其目的地址，如果目的地址是本机则接收，否则向外进行发送.

图5 主无线通讯RTU系统构成框图

图6 从无线通讯RTU系统构成框图

图7 收发应答、丢包重发和超时判断流程图

图8 简单路由协议流程图

2.2.3 与网络通信终端通信流程

限于篇幅，这里仅介绍无线通信子系统与网络通信终端进行热水系统正常数据通信流程，报警数据通信流程大致相同.网络通信终端定时采集终端控制器的实时系统运行数据，无线通信子系统采用透明传输机制，无线主机和从机数传RTU采用正常数据通信频段，最终将终端控制器应答数据转发给企业集控中心，太阳能热水系统正常数据的具体通信流程如图9所示.

图9 系统正常数据通信流程

2.3 网络通信设计

本设计网络连接采用UDP通信方式，需要在嵌入式网络通信终端上实现客户端程序来与企业端通信软件和手机端APP进行交互.通过端口号的区分来实现企业服务器端和手机APP端不同的网络数据传输通道，同时同一应用端的数据发送和数据接收也采用不同的端口号，如本设计中定义服务器端发送端口和监听端口分别为60000和60001，手机APP端发送端口和监听端口分别为60003和60002，从IP层接收了数据报之后，根据UDP的目的端口号进行分解操作.本设计中网络通信任务中的接收函数实现如下：

u8NetRecDeal(void)

{

u16PortTemp,datalen;

u32plen=0;

plen = enc28j60PacketReceive(BUFFER_SIZE, g_NetBuf);∥ 调用硬件层函数以查询方式收取网络数据包

... ∥ ARP报文处理

if(RecIsIpAndForMe(g_NetBuf,plen)==0) return(0); ∥ 接受的包不是IP包或者不是对应IP返回0

...∥ 如果是IP数据包的类型是ICMP并且TCMP的类型是ICMP请求，那么做回应.

PortTemp = RecIpPackIsUdp(g_NetBuf);∥ 获取UDP数据区和端口号

datalen = NetReadUint16( g_NetBuf + UDP_LEN) - UDP_HEADER_LEN;

switch(PortTemp)∥ 如果IP是UDP数据包，且端口正确，那么做应答处理

{

case DHCP_CLIENT_LOCAL_UDP_PORT:∥ DHCP端口

DhcpRecDeal(g_NetBuf);

break;

case INFORM_PORT: ∥ 远程服务器监听端口

if( PtlUdpRec(g_NetBuf+UDP_DATA_P,datalen))... break; ∥ 应用协议处理

case Cellphone_PORT: ∥ 手机端监听端口

memcpy((void *)&g_CellphoneIp[0],(void *)&g_NetBuf[IP_SRC_P],4); ∥ 将手机端IP记录下来

...

if( PtlUdpcellPhoneRec(g_NetBuf+UDP_DATA_P,datalen)) ... break; ∥ 应用协议处理

default: break;

}

return 1;

}

网络通信任务中接收数据根据不同的端口号进行相应的应用协议处理，其发送函数则将接收函数中目的端口号和源端口号对调，按照相应协议的格式进行数据组包.需要注意的是，由于在局域网内与手机端通信，需要将其IP记录下来，便于网络通信终端进行UDP数据组包响应手机端的数据请求.

3 总结

本文设计并实现了太阳能中央热水系统中通讯网络，充分考虑建筑现有网络建设基础和工程成本，采用无线数传技术和嵌入式Internet相结合的方式接入以太网，简化了太阳能中央热水系统的设计、施工和测试工作，降低维护难度和工程成本，极大地改善了目前太阳能中央热水工程维护现状.采用多任务架构体系的软件系统和任务限时服务机制，极大地提高了软件冗余度和抗干扰能力.使用手机APP来配置太阳能热水项目信息、系统结构和运行等参数，便于工程现场调试和维护.通信设备已经成功应用于江西省景德镇市规划局的31个可再生能源示范项目中，可靠稳定，效果良好.

[1] TAHAT A,ABUKHALAF M,ELMUHESEN O.Solar energy water heater remote monitoring and control system[J].ElectronicDevice,Systemsand Amplicatings(ICEDSA),2011,4:98-103.

[2] NKOLOMA Z,MACRO B A.SM2:Solar monitooring system in Malawi[J].IEEE Computer Sosiety，2013,7(5):866-875.

[3] 管立伟，李汪彪. 太阳能、热泵热水工程多模式测试及技术实现[J].现代电子技术，2013(12):133-136.

[4] 吴允平，蔡声镇，乐仁昌，等. 单片机程序的限时服务策略及设计[J]. 系统工程与电子技术，2004， 26(11) :1672-1674.

[5] 严丁，候思祖.基于嵌入式Internet技术的运动信道监测系统[J].电力科学与工程，2010(3):22-25.

[6] SERGIO S.嵌入式 Internet TCP/IP基础、实现及应用[M]．潘琢金，等译．北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[7] 王峰.基于DSP的Ethernet/CAN总线嵌入式网关的设计[D].上海：上海大学，2004.

[8] ADAM D．Design and Implementation of the LwIP TCP/IP Stack [DB/OL]．(2001-02-20)[2016-04-25].http:∥read.pudn.com/downloads16/sourcecode/embed/60225/lwip%E7%A7%BB%E6%A4%8D/lwip.pdf.

[责任编辑 马云彤]

Several Key Problems of the Solar Energy CentralHot Water Engineering Communication Network

GUAN Li-wei, LU Yu, WU Jin-ying，HE Zhi-jie,CHEN Xi，REN Jian-ming

(College of Physics and Energy, Fujian Normal University； Fujian Provincial Key Laboratory of Quantum Manipulation and New Energy Materials, Fuzhou 350117, China)

In view of the requirements of few difficult maintenance and management, low engineering cost and high reliability of the solar energy central hot water engineering communication network, in this paper, combined with the wireless data transmission technology and embedded Internet technology, the communication network is designed by using of the wireless communication and internet. In the software system, the multitasking message mechanism is established, and the limited time service strategy is introduced to constrain the running time of the task, and the reliability of the software is improved. Related technology has been successfully applied to the multiple renewable energy demonstration projects under the administration of the Jingdezhen planning bureau.

solar energy; hot water system; embedded Internet; wireless data transmission

1008-5564(2016)05-0034-06

2016-05-09

福建省高新技术开发计划重点项目(2012H0021)；福建省高校服务海西建设重点项目(2008HX10604)

管立伟(1985—)，男，湖北黄冈人，福建师范大学物理与能源学院助理实验师，硕士，主要从事智能检测与控制系统研究.

TP27；TK51

A