风电监测系统中的物联网网关设计

邬春明 姚冰 孙绪龙

(东北电力大学信息工程学院,吉林 吉林 132012)

风电监测系统中的物联网网关设计

邬春明 姚冰 孙绪龙

(东北电力大学信息工程学院,吉林 吉林 132012)

针对目前风电监测系统中物联网网关数据转发方式的单一性特点,采用基于Linux操作系统的ARM11设计了风电监测系统中的物联网网关。该网关能实现多种通信协议间的转换、检测网络的丢包率以及线路的智能切换等功能,保证数据的可靠传输。对某风电场的塔筒状态监测系统进行了现场测试,测试结果表明,网关数据传输可靠,性能稳定,具有较高的推广应用价值。

协议转换 丢包率检测 智能切换 ZigBee ARM

0 引言

智能风电的建设和发展是业界高度关注和大力投入的方向。物联网网关是多种异构网络之间进行通信的关键[1-2]。本文设计的网关能够实现ZigBee网络数据接入,经过协议转换,使数据适合在光纤、以太网、WiMAX、3G等网络中传输。

1 风电监测系统总体结构

风电监测系统由ZigBee无线传感器网络构建感知层。感知层中,每个ZigBee节点与一个或若干个风电机组运行参数采集模块相连接,负责采集相应的数据,并把采集到的数据转发给ZigBee协调器,再通过无线网络发送到网关。网关进行协议的转换和数据的分析处理之后进行数据的转发。作为传输层的共有以太网、光纤、3G、WiMax四条线路可供选择。

智能选择的原理是根据丢包率的大小来控制,最后把数据传到上位机。本文主要对风电监测系统中的网关进行研究和设计。风电监测系统总体结构如图1所示。

图1 风电监测系统总体结构图Fig.1 Overall structure of the wind power monitoring system

图1中,数据采集终端承担采集风电机组运行参数的任务,ZigBee协调器是联系感知层和网关的重要节点,起到数据集中和转发数据的作用。网关把感知层和传输层联系起来。

2 网关系统的硬件设计

网关硬件结构如图2所示。

图2 网关硬件结构图Fig.2 Hardware structure of the gateway

2.1 数据接入模块

数据接入模块是由支持IEEE 802.15.4标准的CC2530及外围电路构成。系统采集终端采集到的数据经ZigBee多跳网络送到网关,并根据需要将数据进行存储。与网关核心模块相连的ZigBee模块作为整个ZigBee网络的协调器,其作用主要有两个方面,第一是ZigBee网络管理,包括网络建立、处理入网申请等功能;第二是数据收发,包括接收ZigBee网络上传的数据,解封装并传送至网关核心模块,对网关核心模块传来的数据按照ZigBee协议标准进行封装,并发送至ZigBee网络[3]。

2.2 协议转换模块

协议转换模块是物联网网关的核心,主要由微处理器、I/O接口电路及外扩的大容量存储器组成。微处理器芯片选用ARM1176JZF-S内核的64位高速处理器S3C6410。这款处理器专门针对以太网应用,片内集成了以太网MAC层控制器,不但简化了网络接口电路设计,还提高了系统的可靠性[4]。通过外部总线接口EBI,可连接1 GB的NAND Flash及128 MB的SDRAM。其中NAND Flash存储器主要用于存放已调试好的用户应用程序、Linux操作系统和其他一些在系统掉电后需要保存的重要用户数据等。DDR SDRAM存储器作为系统运行时的主要区域,系统及用户数据、堆栈均位于DDR SDRAM存储器中。这里还要将S3C6410处理器提供的可编程的I/O端口设置为不同的工作模式,主要用于设备开关选择输入和LED显示状态输出等。

2.3 数据转发模块

数据转发模块主要包括以太网接口模块、WiMAX接口模块、光纤接口模块、3G模块。开发板上集成一个100 MB以太网接口,通过DM9000AE芯片来扩展。以太网接口电路主要由物理层接口和MAC控制这两部分构成,通常的以太网接口芯片都包含这两部分。在半双工模式下支持CSMA/CD协议,在全双工模式下支持IEEE 802.3 MAC控制层协议[5]。这里采用DMA1000A芯片和HR911105A芯片构成以太网的输出,通过ARM主芯片的控制来实现以太网方式的输出。以太网方式输出的部分电路原理如图3所示。

图3 以太网方式输出的部分原理图Fig.3 Partial schematic diagram of the Ethernet mode output

WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术,能提供面向互联网的高速连接,数据传输距离最远可达50 km。另外,它还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。这里选择英特尔的WiMAX 6250,它的接口是PCI-E类型,传输速率为300 Mbit/s,满足工业要求。

光纤接口模块选择XINAN-1100S(A/B)一光四电光纤收发器。它是一款10/100 Mbit/s自适应以太网光纤收发器,能满足信息化程度高、数据流量较大的工厂和企业需求,符合10Base-T、100Base-TX、100Base-FX、IEEE 802.3和IEEE 802.3u等以太网标准,从而保证与其他厂家的网卡、中继器、集线器和交换机等网络设备的完全兼容。

3G模块SIM5210是一款HSDPA/WCDMA/GSM/ GPRS/EDGE模块解决方案,支持下行速率达7.2 Mbit/s和上行速率为384 kbit/s的数据传输服务;具有丰富的接口,包括UART、USB2.0、GPIO、I2C和TCP/IP协议栈等[6]。

3 网关的软件设计

3.1 系统移植

Linux是一种可移植的、可植入ROM的、可裁剪的、抢占式的、实时多任务操作系统,具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点,广泛应用于微控制器、微处理器和数字信号处理器等。Linux内核相关部分是用汇编语言编写的,便于移植到其他CPU上。这里主要是对内核、uboot、根系统等进行裁剪和移植,编写底层设备驱动和应用程序。在构建Linux内核的过程中,首先要保证系统具有的基本功能,然后保证系统各部分硬件电路的正常运行,包括基本输入、输出口的使用以及存储器、串口和ZigBee无线模块驱动。设备的根文件系统选用jffs2文件系统,最后将制作好的jffs2映像文件烧录到NAND Flash中[7]。

3.2 ZigBee协议和以太网协议的转换

物联网网关最基本的功能之一是实现不同协议之间的转换。这里的网关设计了以太网、光纤、3G、WiMAX四种数据传输方式。下面以ZigBee协议和以太网协议的转换为例介绍其转换过程。

ZigBee是IEEE 802.15.4协议,而以太网的TCP/IP是IEEE 802.3协议,所以它们的PHY层、MAC层、网络层的包头均不同。按照两个协议的规范,去除ZigBee协议的PHY层、MAC层、网络层的包头[8],对相应的应用层数据也要做相应的处理,最后按照TCP/IP协议标准重新对数据进行封装,再通过以太网发送出去。协议转换过程如图4所示。

图4 协议转换过程图Fig.4 Protocol conversion process

3.3 丢包率检测

网关的丢包率检测应用端到端确认的方法。首先,源端要通知目的端建立相应的测量模型,在某个时间点t1源端向目的端发送连续的IP包标志号的数据包。然后在某个时间点t2停止数据包的发送,目的端对IP包标志号进行识别和判断,进而算出这个时间段的丢包率。最后通知网络选择模块所在的网络节点,使它获得这个网络链路上从时间点t1到时间点t2的丢包率。

网络的丢包率主要受网络拥塞、数据包出错和网络路径出错三个方面因素影响。对于n跳网络,采用服从λ2的负指数分布来模拟节点接收的业务数Y。然后根据单位时间节点的传输能力yi计算出溢出队列的丢包个数loss_data,再根据式(1)计算出节点的丢包率pb。最后根据式(2)计算出网络的总丢包率pL,其中pt是链路的差错率[9-10]。

3.4 智能切换

通过检测正在传输数据的网络丢包率来决定是否实现网络数据继续传输还是切换网络。这里采用端到端确认方式的丢包率检测方法来实现网络的智能切换。当检测到网络的丢包率较大时,就自动检测其他网络的丢包率,然后智能切换到其他传输方式。

3.5 软件设计流程

当系统启动后,首先对四种传输数据方式进行线路检测,一旦检测到有一个线路连通,就用该线路进行数据传输,同时进行实时丢包率检测。当检测到丢包率比较大时,就马上对剩下的三种传输方式进行检测。如果检测到有其中一条线路连通,就马上自动切换到这条线路上,随后将ZigBee数据协议转换成其他协议。如果没有检测到连通的线路,还是选择当前线路进行数据的传输。

软件流程如图5所示。

图5 软件流程图Fig.5 Flowchart of the software

4 试验验证

风电场数据很多,例如节点的电压、功率、温度、父节点地址等。这里选择温度和父节点地址作为典型数据进行验证。首先选择以太网的传输方式进行试验。ZigBee节点每隔5 s向网关发送温度、父节点地址等信息,IP网络客户端对以上数据进行实时监测。网关和ZigBee节点上电后,开始建立ZigBee网络,ZigBee节点加入该网络并开始发送数据。

调试软件显示,网关已经成功地把ZigBee的数据转换成TCP/IP协议的数据。人为拔掉网线,这时丢包率比较大,系统会自动切换到3G方式进行数据传输。

5 结束语

经测试验证,网关实现了利用丢包率检测来控制传输网络的智能切换,响应速度小于0.1 s。该网关具有效率高、响应实时、可靠性好、功耗低、抗干扰能力强、通用性强等特点,具有较好的应用前景。由于当前物联网网关技术还在不断的发展和完善中[10],如何跟踪最新的物联网网关技术来提高网关的性能,将是以后研究的重点。

[1] 陈文艺.物联网技术的现状及其在工业信息化中的作用[J].西安邮电学院学报,2011,15(6):73-76.

[2] 李学明,吴海燕,杨浩敏,等.基于物联网技术的仓库监控系统的设计与实现[J].数字通信,2013,40(2):19-23.

[3] 王玉宏,张雪梅.一种ZigBee-以太网网关的设计[J].电子科技,2012,25(10):118-121.

[4] 吴海平,王慧锋.基于ARM技术的嵌入式网关设计[J].现代计算机,2005(229):39-42.

[5] 李仁玉,罗勇.基于TCP/IP和ZigBee协议的煤矿安全智能监控系统[J].煤矿机械,2009,30(7):111-114.

[6] 赵双萍,邢敬宏,何辉.基于WIFI_GPRS_3G_IP的远程测控系统设计[J].自动化与仪器仪表,2013(2):49-50.

[7] 陈永安.物联网关键技术研究[J].空军工程大学学报,2013 (2):169-170.

[8] 李法庆,孙友伟.无线传感器网络与以太网络帧结构转换[J].西安邮电学院学报,2010,15(3):68-71.

[9] 李勇,苏放,范英磊,等.无线/有线混合网络下基于平均丢包率差值的Fuzzy丢包评判算法[J].数据采集与处理,2008,23(5):33-37.

[10] 杨博雄,倪玉华,刘琨,等.现代物联网体系架构中核心技术标准及其发展应用研究[J].物联网技术,2013(1):71-76.

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吉林省科技发展计划基金资助项目(编号:2013020605GX)。

修改稿收到日期:2014-05-13。

邬春明(1966-),男,1990年毕业于南京理工大学无线电技术专业,获硕士学位,教授;主要从事信息技术的教学与科研工作。