基于以太网和GPRS的冗余通信电源监控系统*

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(西南交通大学 机械工程学院，成都 610031)

引 言

随着能源危机及环境污染等问题的日益加剧，新能源的研究已成为各国的研究重点[1]。电源设备的故障具有紧急性、破坏性等特点，如果电源系统故障的处理不及时、不可靠，轻则影响整个系统的运行，重则会产生严重的次生危害[2]。参考文献[2]设计了一种基于TCP/IP的监控系统；参考文献[3]设计了一种基于GPRS通信的监控系统。上述两种设计均未解决当以单一网络传输过程中若网络故障时现场数据和上位机数据交互中断问题，其整个系统的稳定性有待进一步改进和提高。

针对单一传输网络故障导致数据传输中断的问题，为提高系统的可靠性与稳定性，本文以STM32F407ZGT6为主控芯片，同时结合以太网和GPRS无线各自的特点设计了一种具备冗余通信功能的电源监控系统。

1 系统的整个构架

整个监控系统共包括3个部分：下位机、现场电气设备以及上位机。其中下位机一共包括7部分，即MCU部分、以太网通信部分、GPRS无线通信部分、电源部分、LCD部分、I/O数据采集部分以及RS485部分。

系统下位机采用ARM系列STM32F407ZGT6为主控MCU，该芯片拥有1 024 KB FLASH和192 KB SRAM，同时集成了FPU和DSP指令，并且其芯片上含有丰富的USART、DMA、ADC等资源，特别是拥有3个12位逐次逼近型的模/数转换器，并且每个转换器拥有16个外部源通道，完全满足该通信模块的数据交互性能要求。

系统上位机主要是由一台PC机和WICC组态软件编写的监控软件构成。通过结合以太网和GPRS无线，本系统可以有多种通信途径选择。下位机软件系统则以实时操作系统μ/COS II为核心，结合LwIP、GPRS和emWin图形库实现数据采集、冗余通信和人机交互界面设计的功能[3]。系统构架图如图1所示。

图1 系统构架图

2 系统硬件设计

整个下位机以MCU为核心进行设计，主要硬件设计包括以太网硬件设计、GPRS设计和数据采集模块硬件设计。

STM32F4系列内部集成了网络MAC控制器，故只需要外加一个PHY芯片即可实现网络功能。该通信模块选择LAN8720A作为STM32F4的PHY芯片，该芯片采用RMII接口与STM32F4通信，占用I/O较少，且支持auto mdix(可自动识别交叉、直插网线)功能。同时模块上集成了一个自带RJ45头(HR92205A)，一起组成一个10/100M自适应网卡。具体以太网核心电路原理图如图2所示。

图2 以太网核心电路原理图

GPRS无线通信主控芯片采用安信可GSM/GPRS A6芯片。该芯片支持GSM/GPRS四个频段，包括850、900、1 800、1 900 MHz；同时该芯片只要激活GPRS数据后，将会永远在线不存在掉线问题。其最大下载速率可达85.6 kbps，最大上传速率可达42.8 kbps，该芯片集成两个串口，可直接与STM32F407ZGT6串口直接通信。GSM/GPRS A6模块主要电路原理图如图3所示。

图3 A6模块电路原理图

3 冗余通信设计

整个监控系统可通过emWin图形库设计的人机交互界面通信方式选择，下位机提供的可选通信方式一共三种，即单独以以太网或者GPRS无线通信和以太网为主GPRS无线为辅的冗余通信。图4为下位机emWin设计的人机交互界面。

图4 人机交互界面

以太网采用的是由瑞典计算机科学院(SICS)的Adam Dunkels 开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈LwIP。LwIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，它只需十几KB的RAM和40 KB左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议适合在低端的嵌入式系统中使用[4]。MCU对LwIP的初始化需经过4个步骤，具体如图5 LwIP初始化流程图所示。

图5 LwIP初始化流程图

GPRS是通用分组无线业务的英文简称，是在原来GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务，是第二代移动通信技术(2G)向第三代通信(3G)演进的过度技术，因此也称为2.5 GHz通信技术[5]。MCU对GPRS部分一共需经过4个步骤，具体如图6 GPRS部分初始化流程图所示。

图6 GPRS初始化流程图

作为整个系统稳定性保证的功能冗余通信，MCU将以太网和GPRS部分初始化完成后，就进入循环检测环节，判定是否由数据进行发送，一旦检测到下位机有数据需要上传，则MCU进入网络判断决策函数。

MCU首先检测LAN8720A芯片是否正常连接即以太网是否存在物理连接物体，若检测到LAN8720A断开连接，则MCU自动选择GPRS与远程上位机进行数据交互；若LAN8720A连接正常，则进行TCP/IP连接状态检查，即下位机网络是否已经连接上远程上位机，若检测失败，则MCU自动选择GPRS与远程上位机进行数据交互，反之，若检测成功，则启动以太网进行数据交互。

当MCU选择GPRS进行通信时，若GPRS检测正常，则启动GPRS无线数据传输，等待数据传输完成后将以太网部分重置并进入下一个数据发送等待循环；若GPRS检测不正常，则将以太网部分和GPRS部分都进行重置，然后再次尝试数据发送，直到数据发送正常后进入下一次数据发送等待。

当上位机有数据或者指令传输至下位机时，则默认选择上一次通信的IP地址，当数据发出后若下位机返回OK，则代表数据发送正常，反之更换另一种通信方式的IP地址，直到下位机返回OK。

下位机冗余决策函数流程图如图7所示。

图7 冗余决策函数流程图

4 上位机软件设计

西门子SIMATIC WinCC是一款集功能性、开发性和稳定性于一体的优秀工程组态软件[6]。WinCC是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板[7]。

在WinCC组态软件中，其自定义变量用于存储下位机上来的数据，通过WinCC软件开发的功能在设计的监控界面中显示出语气对应的变量值，进入监控软件后可设置下位机与上位机通信方式以及现场电源参数和报警参数等。

结 语

[1] 贾景谱,马媛媛.基于RFID技术的锂电池管理系统设计与实现[J].电源技术,2014(11):2049-2050.

[2] 王利霞,康洪波.基于TCP/IP协议的通信电源监控系统的设计[J].电源技术,2013,37(9):1682-1683.

[3] Alexakis S, Karalis S, Asvestas P. Integrated system for remotely monitoring critical physiological parameters[C]//Journal of Physics:Conference Series,2015.

[4] 何晋, 张一斌. 基于Cortex-M3的嵌入式以太网门禁系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2014(5):52-55.

[5] 李永江,刘敏,邓海丽.基于GPRS的通信电源监控系统的研究与实现[J].电源技术,2013, 37(11):2055-2056.

[6] 田民强,刘振兴,游辉胜.基于WinCC和VB的排水站监控系统[J].工业控制计算机,2009, 22(5):31-32.

[7] 徐鑫凯,孟祥印,郝梦捷,等.基于GPRS的天然气调压站远程监控系统设计[J].电子技术应用, 2015, 41(10):13-16.