智能网关软件设计与实现

薄慕婷,丁立波,张 合

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

【信息科学与控制工程】

智能网关软件设计与实现

薄慕婷,丁立波,张 合

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

针对智能网关对信息处理的实时性要求，基于智能网关硬件提供的资源，设计了一种采用实时操作系统和“数据池”思想的软件系统；为确保智能网关的实时性和数据可靠性，程序采用多任务处理的软件设计方法，保证同时进行多个不同任务操作而不相互干扰，采用了模块化设计，增强了程序的通用性；经过试验测试，其结果表明：该系统运行稳定，能够有效实现对充电设备的远程控制和智能化管理。

智能网关；实时性；软件设计

近年来，各国积极寻找应对军事能源供需挑战的解决之道[1]。为了适应新的战争需要，对新时代的军车提出了低油耗、高能量利用率的技术要求[2]。当前，电动车和混合动力车已经受到了高度重视，多款车型应运而生，如俄罗斯的军用电动自行车、德国的GeFaS“混动”地空导弹发射车、美国“静鹰”混合动力静音摩托车等。不仅可以使军车的续驶里程更长，在纯电动模式下，还可以降低噪音，使车辆隐蔽行驶[3]。因此，从传统的燃油车向新能源车的靠拢被认为是未来车辆发展的重要方向。作为给电动汽车提供电能补给的基础设施，电动汽车充电桩的建设影响和制约了电动汽车的发展，因此充电桩的推进和普及刻不容缓。为了解决充电桩分散布设特性与集中统一管理需求之间的矛盾，急需对充电桩进行数据联网及统一管理。而智能网关作为智能充电管理系统的核心，是各充电设备与管理中心之间数据传输的中转站，能完成不同类型感知网络间的协议转换[4-5]，为远程管理和监控底层设备提供了平台[6]。

智能网关作为物联网的基础，其作用不容忽视，具备感知网络接入、互通异构网络、远程监测控制管理这三种能力[7-8]。市面上现有的智能网关设备都是面向特定用户的专用产品，满足了具体的用户需求，实现了用户通过互联网方式查询监测现场信息的功能。但是这些传统的智能网关设备通信方式较为单一，无法同时满足各种工业控制现场通信网络种类多、环境多变的需求。因此，本文设计了一种可以兼容多种通信方式的智能网关设备。 基于智能网关硬件提供的资源，对智能网关的软件设计进行了详细介绍，满足了系统的实时性和可靠性要求，实现了对充电设备的远程智能化管理。

1 总体方案设计

智能充电管理系统应包括管理中心、智能网关、充电设备和人机交互设备等部分，其系统结构如图1所示。

图1 充电管理与远程控制系统

作为智能充电管理系统的核心，智能网关可以从多个不同的充电设备采集数据，将接收到的数据进行信息处理、数据存储和报警处理等。同时智能网关可以与管理中心服务器相连接，成为各充电设备与管理中心之间数据传输的中转站，实现对充电设备的在线监测与远程管理。通过人机交互设备，还可以对智能网关进行参数设置和修改。因此，智能网关的设计涉及到多种通信方式的兼容转换、数据存储和人机交互等方面，同时要保证网关运行的可靠性和高效性。

根据智能网关的需求分析，本文提出了智能网关硬件系统设计方案如图2所示。其设计方案主要包括主控模块、电源模块、人机交互模块、存储模块、数据采集模块和远程控制模块等。其中，主控芯片采用互连型系列微控制器STM32F107VCT6。智能网关的数据采集模块采用最常用的CAN总线和RS-485总线这两种串口通信方式，其他串口通信包括RS-232、RS-422、USB等可以通过相应的协议转换模块实现。而智能网关与管理中心服务器的通信则预留USB接口、以太网接口和GPRS模块接口，使用时可以根据需要选择不同的通信方式。其系统硬件总体布局如图3所示。

图2 硬件系统结构

图3 硬件布局

2 智能网关应用层协议设计

智能网关在本质上是建立了一个统一的封装平台，将所有的子系统在传输层这一级进行统一管理，为充电设备和管理中心提供统一的交互协议，因此建立一套完整的、可以自适应的协议对智能网关的功能实现至关重要[9-10]。

充电设备到管理中心的通信协议采用逐层封装的方式。底层充电设备与智能网关通信时其识别标志只需包括充电设备编号，而智能网关与管理中心服务器通信时则要识别智能网关号和充电设备编号。智能网关与充电设备、智能网关与上位机的通信协议如表1和表2所示。

表1 充电设备与智能网关通信协议格式

表2 上位机与智能网关通信协议格式

网关编号：6个字节的编号作为网关唯一标识。

设备编号：该网关所管理的充电桩自身设备序列号。其中字节全为0用于广播，不可占用。

方向位：表示该帧的传输方向。0x00表示上传，0x01表示下发。

功能码：软件区分不同功能的代码，用于区分每一条报文的类别，功能码中包含优先级信息。

3 智能网关软件设计

3.1 总体设计

本文采用主机轮询和从机主动上报相结合的主从式软件设计方法。管理中心与智能网关通信时，管理中心为主机，各智能网关为从机。智能网关与各充电设备通信时，智能网关为主机，各充电设备为从机。

基于智能网关硬件系统提供的资源，设计了智能网关的软件框架如图4所示。为了提高智能充电管理系统的实时性和可靠性，本文采用嵌入式实时操作系统uCOSII进行任务管理。其功能框架如图5所示。

在主程序中，首先进行启动配置初始化，然后创建和启动最高优先级任务startup_task，在该任务中创建其余子任务，子任务包括：信息存储任务、U盘导出任务、蓝牙通信任务、RS-485通信任务、CAN1通信任务、CAN2通信任务、USB通信任务、以太网通信任务、GPRS模块通信任务、故障处理任务。由于故障处理任务对实时性有严格的要求，其优先级在子任务中设为最高，仅次于startup_task任务。其余任务优先级没有特别要求。

图4 网关程序设计框架

图5 网关功能框架

3.2 数据池

智能网关中传输的数据主要分为以下3类：周期性数据、突发性数据和非实时性数据。周期性数据有规定的执行处理时间，如心跳包数据、充电状态上报数据等。突发性数据由事件触发，要求优先处理，如故障数据、远程开关命令数据等。非实时数据包括充电记录同步数据包、IC卡更新包数据等。

智能网关要对接收到的所有数据进行处理和转发，在整个数据处理过程中，采用了“数据池”[11]的思想，各个数据源的数据，先进行数据过滤[12]，经过相应处理后再进行数据集成，智能网关与充电设备及管理中心的数据处理简要过程如图6所示。智能网关将从各充电设备采集的数据经过处理后存放到数组中，主程序检测到数组中有数据填入后将数据集成并发送至管理中心。同理，智能网关将管理中心下发的数据经过处理后存放到数组中，主程序检测到数组中有数据填入后将数据集成并发送至相应的充电设备。

图6 “数据池”处理过程

具体实现方法举例：假设某智能网关的配置中，智能网关选择通过CAN1总线接口与充电设备进行通信，选择通过GPRS模块与管理中心进行通信。在程序中定义4个结构体数组A1、A2、B1、B2作为数据缓冲区,结构体中分别包含设备号、功能码、具体数据等内容。A1用于存储接网关收到的充电设备数据，A2用于存储要发送至充电设备的数据，B1用于存储接网关收到的管理中心数据，B2用于存储要发送至管理中心的数据。在工作过程中，当智能网关在中断里接收到来自管理中心的数据后，先进行16位CRC校验，校验通过后再判断是否符合本智能网关编号。只有通过校验且符合本智能网关编号的数据会被打散后按格式存入B1中，主程序中会将B1中的数据根据功能码进行处理，处理后要发往充电设备的数据存入A2中，要发往管理中心的数据存入B2中。而当智能网关接收到CAN总线的数据后，需提取出电压、电流等关键值，如超出预警值则直接进入故障流程，否则将判断合格的数据存储入A1中，然后在主程序中对A1中数据处理后存入A2或B2中。同时，主程序还要检测A2和B2中是否有数据要发送，如有则将A2和B2中的数据依次发送至充电设备和管理中心。

在“数据池”工作过程中，数据流出速度必须要大于数据的流入速度才能保证数据不被连续累积而丢失。由于通信协议中大部分采用从机主动上报的形式，充电设备流向管理中心的数据明显多于管理中心流向充电设备的数据，因此要保证智能网关到管理中心的数据输出量略大于或等于设备数据采集端的数据流入量。

4 智能网关实验结果与分析

4.1 实验平台

本文智能网关是针对充电设备集中管理系统而研发的，为了验证该智能网关的功能和稳定性，选择了与学校项目合作的小型充电站作为测试平台进行实验。该试验测试平台包括10台60 kW直流充电桩、5台220 V交流充电桩和1台电脑。实验所用智能网关、GPRS模块及以太网模块如图7，充电桩安装试验地点如图8，直流充电桩采用CAN总线与智能网关相连接，编号为1～10号，交流充电桩采用RS-485总线与智能网关相连接，编号为11～15号，通信实验测试平台的总体布局模型如图9所示。

图7 智能网关及模块

4.2 智能网关性能测试

在现场试验中，首先通过带蓝牙的手机对智能网关进行参数设置，设置内容包括：智能网关序列号、与管理中心连接方式、心跳包广播时间间隔、RS-485波特率、电压电流预警值等信息。设置完毕后重启智能网关，网页上可实时查询各充电设备充电状态、充电曲线、充电记录等信息，同时通过网页上的操作，可远程对相应的充电桩进行启停控制。当管理中心服务器关闭时，智能网关自动切换到独立工作模式，此时智能网关对充电数据进行存储和故障检测。模拟故障情况时，先通过手机蓝牙依次修改智能网关中电压电流预警值(如正常充电时电压电流在350 V、75 A，则将电压电流预警设为300 V、50 A)，当设备实时充电电压和电流超出预警值时，智能网关控制该充电设备远程关闭充电，同时故障指示灯亮并蜂鸣器报警。另一种故障情况模拟则通过控制某充电设备使其故障，智能网关接收到该充电设备发来的故障状态时，故障指示灯亮，一段时间后控制该充电设备恢复正常时，故障指示灯灭。在经过多次充电后，插入U盘，将充电记录数据导出，生成的.CSV格式文件可用Excel软件打开，导出记录完整且与实际充电情况相符合。

图8 实验平台现场

图9 测试实验平台总体布局模型

经过现场测试，当智能网关未与管理中心服务器连接时，实现了参数配置、充电记录存储与导出、故障检测及处理等功能。当智能网关与管理中心连接时，能够实现实时监控、数据存储、远程开关等功能，系统整体测试如图10所示。现场测试结果表明：智能网关运行状况良好，达到了预期的效果。

图10 现场整体测试图

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(责任编辑杨继森)

Software Design and Implementation of Intelligent Gateway

BO Mu-ting, DING Li-bo, ZHANG He

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

For the real time request of information processing of intelligent gateway, the paper designed a software applying real-time operation system and “data pool” idea based on resources from intelligent gateway hardware. To guarantee the instantaneity and data reliability of intelligent gateway, software program adopted multi-task processing design to avoid mutual interference among multiple tasks being operated simultaneously, and adopted modular design to improve popularity of the program. The measuring test shows that the system is able to run stably, and it can effectively perform long-range control and intelligent management of chargers.

intelligent gateway; real-time; software design

2016-07-29；

薄慕婷(1992—)，女，硕士研究生，主要从事探测制导与控制研究。

10.11809/scbgxb2016.12.022

薄慕婷,丁立波,张合.智能网关软件设计与实现[J].兵器装备工程学报，2016(12):95-99.

format:BO Mu-ting, DING Li-bo, ZHANG He.Software Design and Implementation of Intelligent Gateway[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):95-99.

TP23

A

2096-2304(2016)12-0095-05

修回日期：2016-08-22