太阳能中央热水工程通信网络的设计

管立伟　 卢 宇　吴进营　何志杰　陈 曦

(1. 福建师范大学物理与能源学院， 福州 350117；2. 福建省量子调控与新能源材料重点实验室， 福州 350117)



太阳能中央热水工程通信网络的设计

管立伟1,2卢 宇1,2吴进营1,2何志杰1,2陈 曦1,2

(1. 福建师范大学物理与能源学院， 福州 350117；2. 福建省量子调控与新能源材料重点实验室， 福州 350117)

针对太阳能中央热水工程中通信网络成本高、安全性差、通信距离和以太网接入点位置受限等问题，利用无线数传技术和嵌入式Internet技术，设计了无线通信与以太网相结合的通信网络，降低通信网络工程成本，提高安全性。该技术已成功应用于景德镇规划局的多个可再生能源示范项目中。

太阳能； 热水系统； 嵌入式Internet； 无线数传

太阳能中央热水系统的稳定性和安全性要求较高。为了及时发现并预防集热管炸裂、供热水箱缺水、供热水箱溢水和低水位加热等现象，有必要进一步研究安全有效的太阳能中央热水工程远程监控系统。管立伟等人研究开发的面向集群应用的太阳能热水器测控与管理系统，已经实现了可视化监控与管理[1]。系统总体由终端供热系统、区域集控中心和企业集控中心构成。在实验和实际工程应用中发现，若要实现区域集控中心数据同步，须用户开启电脑并连接上网络，否则将无法同步数据来进行性能分析和效益评价。如果换一种方式将热水系统控制器接入以太网，以保证数据同步，又存在重新布线、难度加大、成本过高等问题。在此，考虑采用无线通信的方式解决这些问题。本次研究中，充分考虑了建筑的现有网络设施和工程成本，采用无线数传技术和嵌入式Internet相结合的方式将系统接入以太网，使系统运行的经济性、传输距离、组网灵活性等一系列问题得到有效改善。

1　通信网络拓扑

太阳能中央热水系统的通信网络，由现场终端控制器、从无线数传模块、主无线数传模块、嵌入式网络通信终端和企业集控与管理中心等5部分组成。图1所示为太阳能中央热水系统通信网络组成框图。现场终端控制器采集和处理运行数据，实现系统控制[1]；从无线数传模块通过串口与终端控制器建立通信链路；主无线数传模块通过串口与嵌入式网络通信终端连接；嵌入式网络通信终端通过Internet和企业集控与管理中心实现数据交互，在局域网内采用移动区域管理终端来配置太阳能中央热水系统的项目信息、结构参数和运行参数等，便于工程现场调试和维护。

图1　太阳能中央热水系统通信网络组成框图

2　通信网络的关键技术

2.1多任务架构

借鉴计算机分时处理和Windows系统事件驱动等思路，构建多任务软件框架[2]。嵌入式网络通信终端软件的多任务架构设计，是根据工程实际要求将网络通信终端要实现的功能划分为多个任务模块，如时间事件(秒事件，分事件等)处理、串口通信数据处理、网络通信数据处理、实时数据采集处理、心跳包任务和LED指示灯任务等。采用事件消息驱动机制，按不同优先级别对不同的任务模块分配MCU的控制权，各个任务模块在相应的执行时间范围内才可访问MCU。图2所示为软件的多任务驱动机制流程框图。其中，主程序循环以标志位控制为主，根据标志位的状态来确定任务能否访问MCU，即标志位相当于事件消息。

图2　STM32多任务流程框图

2.2无线通信设计

网络通信终端定时采集终端控制器的实时数据，无线通信子系统采用透明传输机制，无线主机和从机数传RTU使用正常数据通信频段，最终将终端控制器应答数据转发给企业集控与管理中心。图3所示为太阳能热水系统正常数据通信流程。

图3　系统正常数据通信流程

太阳能中央热水系统异常状况偶尔会发生。为了及时处理异常情况，同时降低无线数传模块的通信负荷，由终端控制器在热水系统异常状况发生时主动上传报警数据；再通过无线数传模块改变通信频段，转而将报警数据发送给主无线数传模块，主无线数传模块收到后即应答。如果从无线数传模块未收到主无线数传模块的应答，则延时重新发送。图4 所示为太阳通热水系统报警数据通信流程。

2.3网络通信设计

2.3.1TCPIP协议处理

嵌入式TCPIP协议采用4层结构，其协议分层模型如表1所示[3-4]。

图4　系统报警数据通信流程

分层名称模型名称应用层HTTP、Telnet、FTP、SMTP、DHCP运输层TCP、UDP网络层IP、ARP、RARP、ICMP链路层Ethernet、X.25、SLIP、PPP

根据嵌入式Internet的实际应用情形，在确保协议功能完整性的基础上，可以选择性地使用其中几种协议模块，如在运输层可选择采用简单而快速的UDP协议或者可靠而完备的TCP协议[5]。实际上，通过加入自定义的通信协议来判断是否连接正常或需进行多次重试，保证了UDP的可靠性。在此仅使用UDP、IP、ICMP、DHCP和ARP协议模块，太阳能中央热水系统现场数据的协议处理和传输过程如图5所示。

图5　TCPIP协议处理过程

2.3.2网络通信程序设计

网络连接方式采用的是UDP通信方式，需要在嵌入式网络通信终端上实现客户端程序来与企业端通信软件和手机端APP进行交互。通过端口号的区分来实现企业服务器端和手机APP端不同的网络数据传输通道，同时同一应用的数据发送和数据接收也采用不同的端口号。本设计中服务器端发送端口和监听端口分别定义为60 000和60 001，手机APP端发送端口和监听端口分别为60 003和60 002，从IP层接收了数据报之后，根据UDP的目的端口号进行分解操作。本设计中网络通信任务中的接收函数实现如下：

u8NetRecDeal(void)

{

u16PortTemp,datalen;

u32plen=0;

plen=enc28j60PacketReceive(BUFFER_SIZE,g_NetBuf);调用硬件层函数以查询方式收取网络数据包。

if(RecIsIpAndForMe(g_NetBuf,plen)==0) {return(0);}接受的包不是IP包或者不是对应IP返回0。

PortTemp=RecIpPackIsUdp(g_NetBuf);获取UDP数据区和端口。

datalen=NetReadUint16(g_NetBuf+UDP_LEN) -UDP_HEADER_LEN;

switch(PortTemp)如果IP是UDP数据包，且端口正确，则应答处理。

{

caseDHCP_CLIENT_LOCAL_UDP_PORT:DHCP端口。

DhcpRecDeal(g_NetBuf);

break;

caseINFORM_PORT:远程服务器监听端口。

if(PtlUdpRec(g_NetBuf+UDP_DATA_P,datalen)){ ... }break;应用协议处理。

caseCellphone_PORT:手机端监听端口。

memcpy((void*)&g_CellphoneIp[0],(void*)&g_NetBuf[IP_SRC_P],4);将手机端IP记录下来。

...

if(PtlUdpcellPhoneRec(g_NetBuf+UDP_DATA_P,datalen)) { ... }break;应用协议处理。

default:break;

}

return1;

}

网络通信任务中，接收数据根据不同的端口号进行相应的应用协议处理，其发送函数则将接收函数中目的端口号和源端口号对调，按照相应协议的格式进行数据组包。需要注意的是，在局域网内与手机端通信时应该将其IP记录下来，以便完成UDP数据组包。

3　结　语

本次研究设计了太阳能中央热水系统通信网络。考虑现有网络建设基础和工程成本，采用无线数传技术和嵌入式Internet相结合的方式接入以太网，简化了太阳能中央热水系统的设计、施工和测试工作，降低了维护难度和工程成本。相关技术已经成功应用于江西省景德镇市规划局的31个可再生能源示范项目，网络系统可靠稳定，应用效果良好。

[1] 管立伟，李汪彪，秦永熙，等.太阳能、热泵热水工程多模式测试及技术实现[J].现代电子技术，2013(12):133-136.

[2] 吴允平，蔡声镇，乐仁昌，等.单片机程序的限时服务策略及设计[J] .系统工程与电子技术，2004， 26(11) :1672-1674.

[3] 严丁，候思祖.基于嵌入式Internet技术的运动信道监测系统[J].电力科学与工程，2010(3):22-25.

[4]SergioScagli.嵌入式InternetTCPIP基础、实现及应用[M].潘琢金，徐蕾，拱长青，等译.北京：北京航空航天大学出版社，2008：30-35.

[5] 王峰.基于DSP的EthernetCAN总线嵌入式网关的设计[D].上海：上海大学，2004：20-25.

DesignandApplicationofSolarEnergyCentralHotWaterEngineeringCommunicationsNetworks

GUAN Liwei1,2LU Yu1,2WU Jinying1,2HE Zhijie1,2CHEN Xi1,2

(1.College of Physics and Energy, Fujian Normal University, Fuzhou 350117, China;2.FujianProvincialKeyLaboratoryofQuantumManipulationandNewEnergyMaterials,Fuzhou350117,China)

Communicationnetworkinsolarenergycentralhotwaterengineeringiswithhighcost,poorsafety,andhassomeproblems,suchasthelimitedcommunicationdistanceandEthernetnetworkaccesspointlocation.SothispaperputsforwardsomesolutionstoreduceitscommunicationnetworkcostandimprovessecuritypurposesbyadoptingthecombinationofwirelesscommunicationandEthernetcommunicationnetworkscheme,basedonwirelessdatatransmissiontechnologyandembeddedInternettechnology.ThistechnologyhasbeensuccessfullyappliedinJingdezhenplanningbureauofmultiplerenewableenergydemonstrationprojects.

solar;hotwaterproject;embeddedinternet;wirelessdatatransmission

2016-04-01

福建省高新技术计划重点项目“分布式太阳能中央热水系统测控平台的研制”(2012H0021)

管立伟(1985 — )，男，湖北黄冈人，助理实验师，研究方向为智能检测与控制系统。

TP27：TK51

A

1673-1980(2016)04-0105-04