Q2686无线CPU和LonWorks的无线监控网关设计

摘要 主要利用Q2686无线CPU结合LonWorks控制网络技术，开发设计出一种多功能无线监控网关。该无线监控网关有LON电力线接口(或LON双绞线接口)和RS485总线接口，具有遥控、遥测及定时控制等功能，可以采集水表、电表、煤气表等智能仪表的数据，并通过GPRS无线数据传输将数据传输给中心站网络服务器，也可以响应中心站的数据请求和控制。
关键词 LonWorks Q2686 无线CPU 网关 测量 控制

引 言
    多功能无线监控网关最初的设计目标是应用在楼宇能源监控系统中。楼宇能源监控系统主要由计量终端(电能、水、燃气、燃油等智能计量终端)，现场监测网络，信息远程传输网络，能源监管中心等几方面组成。无线监控网关的功能主要是通过现场监测网络(LON，保留 RS485)对计量终端进行数据收集，并通过无线传输网络将数据通过Internet传送到能源监管中心。本无线监控网关也可以作简单修改以适应更多的应用场合。
    在传统的楼宇能源监控系统中，现场监测网络绝大多数采用串VI通信(RS485)接口和Modbus通信协议，信息远程传输网络也主要通过有线传输的方式将数据传送到能源监管中心。串口通信(RS485)接口和有线远程传输网络存在多种不足，如不支持多种通信介质、只能是主从式通信、不同厂家产品的通信协议各不相同、有线远程传输网络布线困难等。为了解决上述技术上存在的问题，本设计采用Q2686无线CPU和LonWorks技术来实现具有遥控、遥测及定时控制于一体的多功能无线监控网关。

1 Q2686无线CPU介绍
    Q2686是Wavecom公司新一代无线CPU Q26系列的一员，采用ARM9 32位内核的中央处理器，104 MHz，30 MIPS，32 Mb闪存和16 Mb的RAM，2个模数转换器，一个USB 2．0接口，1个并口，2个RS232串口，最多可配备44个GPIO，4频段(GSM 850／900／1 800／1900 MHz)。Wavecom公司专有的Open AT软件开发套件，是性能很好的嵌入式蜂窝网络开发环境。通过Open AT的WIP(TCP／IP协议栈)插件，可以方便地在产品上进行网络开发。WIP插件还可以配合C－GPS插件或Wavecom的其他插件一起应用，可以方便地进行GPS应用开发和TCP／IP的应用开发。

2 LonWorks控制网络技术
    LonWorks是由美国Echelon公司开发的一种完整、全开放、互操作性强、可靠性高、成熟的分布式控制网络技术，它支持多种通信介质，包括双绞线、电力线、无线(RF)、红外(IR)、同轴电缆和光纤。LonWorks技术的核心是LonTalk通信协议，该协议提供一套通信服务，使装置中的应用程序能在网上对其他装置发送和接收报文而无需知道网络拓扑、名称、地址或其他装置，所有采用LonWorks技术的产品都遵循LonTalk通信协议，因此不同厂家的产品可以很方便的接人到同一个LonWorks网络系统中去。其具有以下优点：
    ①系统具有开放性和互操作性。LonWorks网络由节点(即智能控制器)通过固化在内部的符合OSI七层参考模型的LonTalk网络通信协议互联，组成“Peer to Peer”对等网络。开发人员只需将主要精力花在系统应用设计方面，而不需要专门去实现和测试传输线路和通信系统。
    ②分布式无中心控制。网络节点靠近现场传感器和执行机构，每个节点都能完成控制和通信功能，部分节点故障不会造成系统瘫痪。多至9个监控站可随意安装在网络的任何位置，并且位置也可以随时变换，监控站之间功能完全对等，也可以定义成不同级别。这些特点对系统的调试、维护和稳定性都有着重要的意义。
    ③系统组态灵活，开发周期短，应用媒体范围广泛。采用不同类型的收发器，可利用双绞线、光缆、同轴电缆、电力线、无线、红外线等多种媒体进行信号传输；根据传输距离的远近、传输速度和现场设备等具体要求系统，可组成自由拓扑结构或总线型等结构，这些都给系统设计和维护升级改造带来极大的方便。

3 系统整体框图
    系统整体框图如图1所示，GPRS／LON无线监控网关定时查询LonWorks现场监测网络上的计量终端的数据，并将数据打包经过GPRS无线网络、Internet传送到监控中心的服务器上；或者是相反的过程，监控中心发出的指令经过 Internet、GPRS无线网络传送到GPRS／LON无线监控网关，GPRS／LON无线监控网关将相应的指令经现场监测网络传送到具体的某个计量终端。

4 无线监控网关的硬件设计
    GPRS／LON无线监控网关硬件包括Q2686无线CPU、LON双绞线／电力线通信接口模块、RS485通信接口、电源单元。图2为产品设计原理框图。

4．1 LonWorks通信模块设计
    LonWorks通信模块作为一个单独的部件安装在设备的主板上，方便插拔。LonWorks通信模块分Lon-Works双绞线智能通信模块或 LonWorks电力线智能通信模块，LonWorks双绞线智能通信模块与LonWorks电力线智能通信模块设计成接口完全兼容的结构。需要 LonWorks双绞线接口时安装上LonWorks双绞线智能通信模块，需要LonWorks电力线接口时安装上LonWorks电力线智能通信模块，接口之间的切换非常方便灵活。
    LonWorks双绞线智能通信模块主要由神经元芯片FT 3150核心处理器、FT-X1双绞线智能收发器、外扩的RAM、EEPROM组成。FT 3150智能收发器有1个20 MHz神经元3150核心、O．5 KB的EEPROM和2 KB的RAM。通过外部存储器总线，FT 3150收发器能够寻址多达58 KB的外部存储器，其中16 KB的外部非易失性存储器保留用于存储LonWorks系统的固件；它支持无极性的总线型、星型、自由型等拓扑布线结构。LonWorks电力线智能通信模块是由神经元芯片PL3150核心处理器、PLT-22电力线收发器、外扩的RAM、EEPROM等组成。LonWorks电力线智能通信模块与载波通信耦合电路连接，将通信数据耦合到交流220 V低压电力线上进行数据传输。LonWorks通信模块与Q2686无线CPU通过串行口2进行通信和数据传输。
4．2 Q2686无线CPU的设计
    Q2686模块内部包含了一个无线通信模块及一个ARM9 32位内核的中央处理器，32 Mb闪存及16 Mb的RAM，与一些无线通信模块需要外扩CPU、闪存、RAM相比，这部分的电路设计比较简单。Q2686无线CPU模块使用100针的接口与印刷电路板连接，主要引出电源、UART、USB、SIM卡、RTC、I／O口等引脚。
4．3 输入／输出控制单元的设计
    本产品设计有3路光电隔离开关量输入和3路光电隔离继电器输出，通过通用I／O口对3路开关量输入进行实时检测，通过远程命令或定时设置对3路继电器输出进行控制；输入／输出光电隔离并在输入和输出端口处增加Y电容和压敏电阻增强EMC抗干扰能力。
4．4 电源电路的设计
    电源是装置中非常重要的部分，电源性能的好坏将直接影响整个装置的稳定性。本设计中采用的是开关电源。由于开关电源的功率开关管在开关过程中产生较大的传导电磁干扰和谐波干扰，对附近的电气设备造成电磁干扰，因此在开关电源中增加抗干扰和抑制干扰产生的措施是十分必要的，如在输入端增加共模电感，Y电容、 X电容，在输出端增加LC滤波电路等措施。
    在GSM／GPRS脉冲发射模式下，电源应该能够在瞬间释放很高的电流峰值，为射频部分提供3．6 V的电压，3．6 V的电压经过若干个调整管，提供基带信号所需要的2．8 V和1．8 V。

5 程序设计
    因为硬件分Q2686无线CPU和LonWorks通信模块两大模块，所以程序设计也相应地分为两部分，一部分是Q2686无线CPU内的程序设计，一部分是LonWorks通信模块内的程序设计。
5．1 Q2686无线CPU内的程序设计
    使用Wavecom公司提供的Open AT开发套件，用Open AT project wizard创建工程项目，其中可以选择Eclipse或VC作为开发环境。编程主要使用Open ATAPI函数，Open AT开发套件提供非常丰富的API接口函数，方便程序员编程。
    Q2686无线CPU内的程序设计按功能又可以分为2部分：一部分是通用的程序设计，包括SIM卡的初始化、读写设置参数、TCP／IP网络连接、数据的 TCP／IP发送接收等，其程序流程如图3所示；一部分是UARTl和UART2的数据发送接收处理程序，与具体的应用相关。UARTl用于RS485总线的数据发送及接收处理，主要包括轮询RS485计量终端，在收到计量终端返回的数据后，首先进行数据的校验、提取、保存及发送给监控中心；UART2主要用于和LonWorks通信模块的通信，也包括数据发送及接收处理。UART2的数据发送主要是将监控中心发送过来的指令发给LonWorks通信模块，以便监控中心能够在远端对LonWorks现场监测网络进行控制；UART2的数据接收处理主要是将LonWorks通信模块送来的数据进行数据的校验、提取、保存及发送给监控中心。
5．2 LonWorks通信模块内的程序设计
    LonWorks通信模块使用了Neuron神经元芯片，其程序设计需要使用：Echelon公司LonMaker和 NodeBuilder。两个软件。先使用LonMaker创建LonWorks网络节点，再对单个网络节点使用NodeBuilder。开发环境进行程序的编写。编程语言使用Neuron C语言，这是一种专门为Neuron芯片设计的程序设计语言，在标准C的基础上进行了自然扩展，是一个开发LonWorks应用的有力工具。 LonWorks通信模块的程序功能主要是轮询Lon-Works计量终端，在收到计量终端返回的数据后，首先进行数据的提取，然后发送给Q2686无线 CPU；或者是接收Q2686无线CPU发送过来的数据，经过解析后发送到LonWorks现场监测网络的某个计量终端。

结 语
    LonWorks控制网络技术的先进性使其最近几年的发展非常迅速，应用范围日益广泛；另外，GPRS无线数据传输十分便捷，随着其资费不断下调，在监控领域的应用越来越多。本文中的GPRS／LON无线监控网关结合了LonWorks技术及GPRS无线数据传输技术，具有很高的应用价值。