鄔春明 姚冰 孫緒龍

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

風(fēng)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

鄔春明 姚冰 孫緒龍

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

針對(duì)目前風(fēng)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式的單一性特點(diǎn),采用基于Linux操作系統(tǒng)的ARM11設(shè)計(jì)了風(fēng)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)能實(shí)現(xiàn)多種通信協(xié)議間的轉(zhuǎn)換、檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的丟包率以及線路的智能切換等功能,保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)的塔筒狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸可靠,性能穩(wěn)定,具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

協(xié)議轉(zhuǎn)換 丟包率檢測(cè) 智能切換 ZigBee ARM

0 引言

智能風(fēng)電的建設(shè)和發(fā)展是業(yè)界高度關(guān)注和大力投入的方向。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行通信的關(guān)鍵[1-2]。本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接入,經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換,使數(shù)據(jù)適合在光纖、以太網(wǎng)、WiMAX、3G等網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

1 風(fēng)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

風(fēng)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建感知層。感知層中,每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)與一個(gè)或若干個(gè)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)采集模塊相連接,負(fù)責(zé)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù),并把采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee協(xié)調(diào)器,再通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的分析處理之后進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。作為傳輸層的共有以太網(wǎng)、光纖、3G、WiMax四條線路可供選擇。

智能選擇的原理是根據(jù)丟包率的大小來(lái)控制,最后把數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)。本文主要對(duì)風(fēng)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。風(fēng)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the wind power monitoring system

圖1中,數(shù)據(jù)采集終端承擔(dān)采集風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的任務(wù),ZigBee協(xié)調(diào)器是聯(lián)系感知層和網(wǎng)關(guān)的重要節(jié)點(diǎn),起到數(shù)據(jù)集中和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的作用。網(wǎng)關(guān)把感知層和傳輸層聯(lián)系起來(lái)。

2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of the gateway

2.1 數(shù)據(jù)接入模塊

數(shù)據(jù)接入模塊是由支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CC2530及外圍電路構(gòu)成。系統(tǒng)采集終端采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee多跳網(wǎng)絡(luò)送到網(wǎng)關(guān),并根據(jù)需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。與網(wǎng)關(guān)核心模塊相連的ZigBee模塊作為整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器,其作用主要有兩個(gè)方面,第一是ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理,包括網(wǎng)絡(luò)建立、處理入網(wǎng)申請(qǐng)等功能;第二是數(shù)據(jù)收發(fā),包括接收Z(yǔ)igBee網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù),解封裝并傳送至網(wǎng)關(guān)核心模塊,對(duì)網(wǎng)關(guān)核心模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)按照Z(yǔ)igBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封裝,并發(fā)送至ZigBee網(wǎng)絡(luò)[3]。

2.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的核心,主要由微處理器、I/O接口電路及外擴(kuò)的大容量存儲(chǔ)器組成。微處理器芯片選用ARM1176JZF-S內(nèi)核的64位高速處理器S3C6410。這款處理器專門針對(duì)以太網(wǎng)應(yīng)用,片內(nèi)集成了以太網(wǎng)MAC層控制器,不但簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì),還提高了系統(tǒng)的可靠性[4]。通過(guò)外部總線接口EBI,可連接1 GB的NAND Flash及128 MB的SDRAM。其中NAND Flash存儲(chǔ)器主要用于存放已調(diào)試好的用戶應(yīng)用程序、Linux操作系統(tǒng)和其他一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的重要用戶數(shù)據(jù)等。DDR SDRAM存儲(chǔ)器作為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的主要區(qū)域,系統(tǒng)及用戶數(shù)據(jù)、堆棧均位于DDR SDRAM存儲(chǔ)器中。這里還要將S3C6410處理器提供的可編程的I/O端口設(shè)置為不同的工作模式,主要用于設(shè)備開(kāi)關(guān)選擇輸入和LED顯示狀態(tài)輸出等。

2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要包括以太網(wǎng)接口模塊、WiMAX接口模塊、光纖接口模塊、3G模塊。開(kāi)發(fā)板上集成一個(gè)100 MB以太網(wǎng)接口,通過(guò)DM9000AE芯片來(lái)擴(kuò)展。以太網(wǎng)接口電路主要由物理層接口和MAC控制這兩部分構(gòu)成,通常的以太網(wǎng)接口芯片都包含這兩部分。在半雙工模式下支持CSMA/CD協(xié)議,在全雙工模式下支持IEEE 802.3 MAC控制層協(xié)議[5]。這里采用DMA1000A芯片和HR911105A芯片構(gòu)成以太網(wǎng)的輸出,通過(guò)ARM主芯片的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)方式的輸出。以太網(wǎng)方式輸出的部分電路原理如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)方式輸出的部分原理圖Fig.3 Partial schematic diagram of the Ethernet mode output

WiMAX是一項(xiàng)新興的寬帶無(wú)線接入技術(shù),能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接,數(shù)據(jù)傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)50 km。另外,它還具有QoS保障、傳輸速率高、業(yè)務(wù)豐富多樣等優(yōu)點(diǎn)。這里選擇英特爾的WiMAX 6250,它的接口是PCI-E類型,傳輸速率為300 Mbit/s,滿足工業(yè)要求。

光纖接口模塊選擇XINAN-1100S(A/B)一光四電光纖收發(fā)器。它是一款10/100 Mbit/s自適應(yīng)以太網(wǎng)光纖收發(fā)器,能滿足信息化程度高、數(shù)據(jù)流量較大的工廠和企業(yè)需求,符合10Base-T、100Base-TX、100Base-FX、IEEE 802.3和IEEE 802.3u等以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),從而保證與其他廠家的網(wǎng)卡、中繼器、集線器和交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的完全兼容。

3G模塊SIM5210是一款HSDPA/WCDMA/GSM/ GPRS/EDGE模塊解決方案,支持下行速率達(dá)7.2 Mbit/s和上行速率為384 kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù);具有豐富的接口,包括UART、USB2.0、GPIO、I2C和TCP/IP協(xié)議棧等[6]。

3 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)移植

Linux是一種可移植的、可植入ROM的、可裁剪的、搶占式的、實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于微控制器、微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器等。Linux內(nèi)核相關(guān)部分是用匯編語(yǔ)言編寫的,便于移植到其他CPU上。這里主要是對(duì)內(nèi)核、uboot、根系統(tǒng)等進(jìn)行裁剪和移植,編寫底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序。在構(gòu)建Linux內(nèi)核的過(guò)程中,首先要保證系統(tǒng)具有的基本功能,然后保證系統(tǒng)各部分硬件電路的正常運(yùn)行,包括基本輸入、輸出口的使用以及存儲(chǔ)器、串口和ZigBee無(wú)線模塊驅(qū)動(dòng)。設(shè)備的根文件系統(tǒng)選用jffs2文件系統(tǒng),最后將制作好的jffs2映像文件燒錄到NAND Flash中[7]。

3.2 ZigBee協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)最基本的功能之一是實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。這里的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)、光纖、3G、WiMAX四種數(shù)據(jù)傳輸方式。下面以ZigBee協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換為例介紹其轉(zhuǎn)換過(guò)程。

ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議,而以太網(wǎng)的TCP/IP是IEEE 802.3協(xié)議,所以它們的PHY層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層的包頭均不同。按照兩個(gè)協(xié)議的規(guī)范,去除ZigBee協(xié)議的PHY層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層的包頭[8],對(duì)相應(yīng)的應(yīng)用層數(shù)據(jù)也要做相應(yīng)的處理,最后按照TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)重新對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝,再通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送出去。協(xié)議轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖4所示。

圖4 協(xié)議轉(zhuǎn)換過(guò)程圖Fig.4 Protocol conversion process

3.3 丟包率檢測(cè)

網(wǎng)關(guān)的丟包率檢測(cè)應(yīng)用端到端確認(rèn)的方法。首先,源端要通知目的端建立相應(yīng)的測(cè)量模型,在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)t1源端向目的端發(fā)送連續(xù)的IP包標(biāo)志號(hào)的數(shù)據(jù)包。然后在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)t2停止數(shù)據(jù)包的發(fā)送,目的端對(duì)IP包標(biāo)志號(hào)進(jìn)行識(shí)別和判斷,進(jìn)而算出這個(gè)時(shí)間段的丟包率。最后通知網(wǎng)絡(luò)選擇模塊所在的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),使它獲得這個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈路上從時(shí)間點(diǎn)t1到時(shí)間點(diǎn)t2的丟包率。

網(wǎng)絡(luò)的丟包率主要受網(wǎng)絡(luò)擁塞、數(shù)據(jù)包出錯(cuò)和網(wǎng)絡(luò)路徑出錯(cuò)三個(gè)方面因素影響。對(duì)于n跳網(wǎng)絡(luò),采用服從λ2的負(fù)指數(shù)分布來(lái)模擬節(jié)點(diǎn)接收的業(yè)務(wù)數(shù)Y。然后根據(jù)單位時(shí)間節(jié)點(diǎn)的傳輸能力yi計(jì)算出溢出隊(duì)列的丟包個(gè)數(shù)loss_data,再根據(jù)式(1)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的丟包率pb。最后根據(jù)式(2)計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的總丟包率pL,其中pt是鏈路的差錯(cuò)率[9-10]。

3.4 智能切換

通過(guò)檢測(cè)正在傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)丟包率來(lái)決定是否實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)繼續(xù)傳輸還是切換網(wǎng)絡(luò)。這里采用端到端確認(rèn)方式的丟包率檢測(cè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能切換。當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)的丟包率較大時(shí),就自動(dòng)檢測(cè)其他網(wǎng)絡(luò)的丟包率,然后智能切換到其他傳輸方式。

3.5 軟件設(shè)計(jì)流程

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后,首先對(duì)四種傳輸數(shù)據(jù)方式進(jìn)行線路檢測(cè),一旦檢測(cè)到有一個(gè)線路連通,就用該線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)丟包率檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到丟包率比較大時(shí),就馬上對(duì)剩下的三種傳輸方式進(jìn)行檢測(cè)。如果檢測(cè)到有其中一條線路連通,就馬上自動(dòng)切換到這條線路上,隨后將ZigBee數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換成其他協(xié)議。如果沒(méi)有檢測(cè)到連通的線路,還是選擇當(dāng)前線路進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Flowchart of the software

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)很多,例如節(jié)點(diǎn)的電壓、功率、溫度、父節(jié)點(diǎn)地址等。這里選擇溫度和父節(jié)點(diǎn)地址作為典型數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。首先選擇以太網(wǎng)的傳輸方式進(jìn)行試驗(yàn)。ZigBee節(jié)點(diǎn)每隔5 s向網(wǎng)關(guān)發(fā)送溫度、父節(jié)點(diǎn)地址等信息,IP網(wǎng)絡(luò)客戶端對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。網(wǎng)關(guān)和ZigBee節(jié)點(diǎn)上電后,開(kāi)始建立ZigBee網(wǎng)絡(luò),ZigBee節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)并開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。

調(diào)試軟件顯示,網(wǎng)關(guān)已經(jīng)成功地把ZigBee的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)。人為拔掉網(wǎng)線,這時(shí)丟包率比較大,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到3G方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證,網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了利用丟包率檢測(cè)來(lái)控制傳輸網(wǎng)絡(luò)的智能切換,響應(yīng)速度小于0.1 s。該網(wǎng)關(guān)具有效率高、響應(yīng)實(shí)時(shí)、可靠性好、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、通用性強(qiáng)等特點(diǎn),具有較好的應(yīng)用前景。由于當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)還在不斷的發(fā)展和完善中[10],如何跟蹤最新的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)來(lái)提高網(wǎng)關(guān)的性能,將是以后研究的重點(diǎn)。

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Design of the Internet of Things Gateway in Wind Power Monitoring System

At present,the data-forwarding mode of Internet of thing(IoT)gateway in wind power monitoring system is unitary.Aiming at this feature,the IOT gateway of wind power monitoring system is designed by using ARM11 based on Linux operating system,this gateway may accomplish the functions of conversion of multiple communication protocols;detection of the packet loss rate of the network;and intelligent switching the power lines to ensure reliable data transmission.Field tests are conducted for the status monitoring system of turbine towers in certain wind farm,the results of experiments and tests show that the gateway is reliable in data transmission with stable performance,so it possesses higher values in application promotion.

Protocol conversion Packet loss rate detection Intelligent switching ZigBee ARM

TN92

A

2013吉林省科技發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào):2013020605GX)。

修改稿收到日期:2014-05-13。

鄔春明(1966-),男,1990年畢業(yè)于南京理工大學(xué)無(wú)線電技術(shù)專業(yè),獲碩士學(xué)位,教授;主要從事信息技術(shù)的教學(xué)與科研工作。