基于TCP/IP协议的网络监控开关开发

杨柳铭， 韩会杰， 周 雪， 张荣荣

(1.中国矿业大学 机电与信息工程学院 通信系，北京 100083；2.中国矿业大学 机电与信息工程学院 信息所，北京 100083；3.河南理工大学 建筑与艺术设计学院，河南 焦作 454000)

基于TCP/IP协议的网络监控开关开发

杨柳铭1， 韩会杰2， 周 雪1， 张荣荣3

(1.中国矿业大学 机电与信息工程学院 通信系，北京 100083；2.中国矿业大学 机电与信息工程学院 信息所，北京 100083；3.河南理工大学 建筑与艺术设计学院，河南 焦作 454000)

设计开发了一种基于以太网通信的网络监控开关。该设计应用W5500芯片实现与远程控制器的以太网通信功能，使用MAX1692芯片完成监控开关的供电与执行机构驱动控制功能，选用霍尔电流与电压传感器对被控制电器进行状态监测，并将数据通过以太网上传到控制器。整个系统具有可靠性高、抗干扰性强、操作方便及组网灵活的特点。

TCP/IP协议； 控制开关； W5500； 霍尔传感器

0 引 言

近年来，随着智能家居和互联网的发展，通过网络对电器进行远程监控的设备越来越被人们所重视[1]。传统远程控制开关采用电话线路传输控制信号[2]，易受环境电磁影响，稳定性差，网络信道单一，对于未铺设电话线路的室内无法应用。

本文利用TCP/IP协议[3,4]实现一种通过网络来远程监控电气设备的开关，可以将多个开关设备通过网络在计算机中进行集中控制[5]；同时，开关可以检测被控电器的工作电压与电流，将数据上传，实现监测电器运行状态的目的。整个设计采用一种低功耗抗干扰的微控制器，采用以太网控制开关的工作，组网方便、灵活。

1 系统设计方案

网络监控开关是计算机通过网络系统对远端连接网络的控制器进行状态检测与控制，完成对处于不同地点的多个电器设备进行网络统一监控的功能，这种能够远程监控的终端开关硬件、计算机软件及连接介质统称为远程监控系统。

网络监控开关的网络结构体系如图1所示，系统主要分为三部分：

1)上位机:综合控制终端，收发网络数据，对组网设备进行安全监控。

2)路由节点:转发数据包，与终端控制器直接通信。

3)终端控制器：收发网络数据，对执行机构进行控制并采集工作状态。

图1 网络结构体系Fig 1 Network hierachy

2 硬件设计

终端控制器的结构框图如图2所示，由五部分组成，分别是负责实现网络通信的以太网控制器、控制整个硬件的抗干扰主控芯片、开关动作执行机构、霍尔电流、电压传感器及电源驱动模块。

图2 终端控制器结构框图Fig 2 Structure block diagram of terminal controller

2.1 以太网通信模块

以太网通信模块选用WIZnet设计的W5500芯片作为以太网控制单元，配合RJ45接口、晶振等简单外围硬件构成模块。该芯片支持80 MBZ高速SPI通信，从而可以实现更高速的网络通信。W5500芯片主要由SPI管理器、TCP/IP内核、以太网接口管理器以及时钟等组成。

2.2 控制器

STC12LE5616AD系列单片机是STC公司设计生产的单片机，具有超强抗干扰能力，可以应用到如供配电机房、矿井等电磁干扰严重的场合。

2.3 电源驱动单元

主要选用两片MAX1692芯片实现电源驱动功能。MAX1692是美信公司生产的一种低噪声PWM降压稳压器，该芯片输出电压可控。

5 V电源接入设备后通过MAX1692芯片(称为MAX1692—A)降压稳压得到稳定的3.3 V电压，从而提供单片机和各网络芯片的工作电源；另外一片MAX1692芯片(称为MAX1692—B)接5 V输入稳压成为稳定的5 V电压给执行机构与传感器提供能源，该芯片受控制器P0.1接口控制信号直接驱动，从而间接驱动继电器动作，避免了直接驱动大电压器件可能对单片机造成的安全威胁。

2.4 驱动模块

驱动模块电路比较简单，选用一种高可靠性继电器，二极管反并联到线圈引脚作为剩余电荷放电通道。

2.5 传感器模块

设计选用型号HNV—500T/AC的霍尔电压传感器与型号HNV—025A的霍尔电流传感器。

电压传感器测量交流电压，额定测量电压500 V，输出电压0～5 V，满足工业电气测量要求，接线过程需要将被控设备作为负载接入电压传感器中。电流传感器测量额定电流在5 A范围内，输出电压0～4 V，被测电器电源线从传感器中穿过，进行隔离检测。

3 软件设计

基于网络的终端控制器的软件主要有以下几部分组成：系统初始化；网络初始化；网络参数设置(设置网络芯片的IP地址与MAC地址等)；终端模式选择(选择服务器模式或客户端模式)；通信与控制。

图3显示了终端控制器中软件设计的程序流程图，包括初始化、网络连接、网络数据传输几个部分[6]。由于篇幅限制，本文只论述开关工作在TCP/IP协议客户端下软件流程。

终端控制器在选择网络信道和终端模式(客户端模式)之后，通过读取W5500内部指定socket通道CR状态寄存器，得知终端控制器当前网络状态。当网络芯片处于CLOSED状态时，初始化并开启socket；开启成功后，再次读取CR状态寄存器，网络芯片将处于INIT状态，之后通过connect命令向服务器发送SYN 请求信号来请求服务器许可连接；当接收到SYN/ACK信号后，再次发送回应信号，芯片处于ESTABLISHED状态；启动recv接收命令，尝试从接收缓存中读取发来的信息并解码后发送一路I/O控制信号给MAX1692，控制其工作或关闭，从而控制继电器开闭动作；定时每发生T时间后读取当前霍尔电流、电压传感器数据，并向W5500芯片发送缓存中写入电流、电压值，启动send发送命令，发送数据；需要关闭网络时，发送FIN请求，当接收到服务器回复的FIN/ACK 后，网络芯片将成为CLOSED状态[7]。

图3 终端控制器程序流程图Fig 3 Program flow chart of terminal controller

4 测试结果

本设计测试中选用室内采光灯管作为监测对象，通过网络控制灯管的关闭与点亮并采集通过灯管的工作电流与串联限流电阻的电压并上传到PC端，从而模拟实际终端控制器对电器的控制[8]。当上位机软件与终端控制器建立连接后，终端控制器将通过串口(调试用)发送包括初始化、发送连接请求等各个状态的进行标记；当上位机软件网络监控端发送“open”或“close”命令时，终端控制器点亮或关闭灯管，并发送“Light up!”或“Light down!”标记给上位机串口监控窗口；每发生T时间后会自动接收到电流、电压数据与状态进行标记；当上位机断开连接时，终端控制器响应断开请求，发送断开连接状态的进行标记[9]。整个测试过程响应迅速，未出现失联与控制失败状况。测试情况如图4所示。

5 结束语

本文利用TCP/IP协议实现了一种稳定抗干扰的远程监控开关，通过上位机控制软件实现对远程电器的开闭控制和工作状态监测，进而对接入终端控制器的电器进行远程监控，为将来实现多设备组网监控与调配提供一种解决方案。

图4 上位机监视窗口断开与控制状态Fig 4 Monitor window of upper PC in control and disconnected states

[1] 童晓渝.物联网智能家居发展分析[J].移动通信,2010(9):16-20.

[2] 赵 福.基于单片机的远程控制开关的设计[J].华东交通大学学报,2005,22(2):67.

[3] 邱 赟，张 颖.TCP/IP在无线传感器网络中的应用研究[J].传感器与微系统，2007,26(12)：22-24.

[4] 尹少平，焦锦绣，王灵梅，等.风力发电机组无线监测系统设计[J].传感器与微系统，2014,33(5)：84-86.

[5] 沙 印.浅析远程机电控制系统设计[J].科技展望,2014(21):202.

[6] 刘永华.计算机网络导论[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009:78-93.

[7] 蒋 峰.远程无线灯光智能控制开关的设计[J].中南林业科技大学学报,2011,31(11):187-191.

[8] 索明何.基于Internet的嵌入式远程控制开关设计与实现[J].科技信息,2010(35):726.

[9] 张俊谟.单片机中级教程——原理与应用[M].2版.北京:北京航空航天大学出版社,2006:107-122.

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

杨柳铭(1994-)，男，内蒙古鄂尔多斯人，硕士研究生，实验室助理，研究方向为检测技术与自动化装置，嵌入式技术。