基于物联网的网络集线器开发

文/庞富强

基于物联网的网络集线器开发

文/庞富强

物联网是物品与物品之间进行信息交换和通信，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。本文介绍基于物联网的网络集线器开发，并介绍开发过程中遇到的关键技术难点及采取的解决方案。

物联网 网络集线器 以太网 串口

中国石化加油站站级联网系统2002开始改造，该系统非常具有前瞻性，连续运行10年以上没有出现大问题。但是毕竟是早期的产品在当时是最领先的设计运行到现在难免存在一些瓶颈，例如传统数据交互方式是加油机到串口集线器，再到多路串口卡连接到主板插槽上。该方式连线多结构复杂故障多；设备扩张、安装不方便，而且无法连接POS机、液位仪等设备；还有八口卡已经停产采购困难。虽然我们持续不断改进传统集线器设计，但是整体设计构架上存在缺陷导致故障率偏高，迫切需要一款新产品解决存在的问题，因此我们开发了网络集线器。

1 产品开发的目的和意义

减少加油站串口设备故障率，提升产品的可靠性，方便运维人员进行远程维护，降低运维人工成本。整合加油站内所有串口设备加油机、加气机、POS机、液位仪等减少串口转换设备采购。提升产品的可靠性，按照10年连续无故障运行标准设计，一般情况下能可靠运行15年以上，如图1所示。

该产品的研制成功并加以推广后将提升全国几十万个加油站数据传输效率，一般故障只需员工进行远程维护，由此将大大减少由数据传输过程中产生的维护、运营成本。产品单价低于同类型产品节省采购成本。而且一次采购工作10年以上，减少折旧成本并给企业带来良好的经济效益。

2 产品的技术方案

开发阶段采用2种网络集线器方案：基于Cortex m4+DP83848CVV方案和基于ARM9+DP83848KSQ方案。

图1

根据表1对比分析我们技术上实现难度Cortex m4较低，而且也首先进行验证达到功能，但是和ARM9设计程序运行可靠性要求存在差距。虽然该方案没有通过最终量产，但是给我们产品设计过程积累了大量的软件、硬件技术经验，加快了ARM9设计方案开发进程，如图2所示。

3 产品的功能特点及主要技术性能指标

主控板的工作原理是通过核心ARM9处理器接收到特定端口号的TCP数据包，通过SPI高速25Mbps/s速度传送给cortex m4处理器，处理器判断并发送给16各串口里面对应的串口，串口数据通过专用的转换模块转换成5种对应串口信号实现数据通信。

要实现上述功能需要核心ARM9带2个SPI扩张口，一个SPI扩张对应8个串口；8个串口模块，每个串口模块包含2个串口；需要16个RJ45串口，1个RJ45网口；结构框图如图3。

表1

表2

图2

图3

4 产品的关键技术及解决途径

4.1 关键技术

（1）收到串口数据按顺序转换为TCP数据发送，收到TCP数据按顺序转化为串口数据发送给下位机。

（2）允许根据现场要求更换串口模块，支持422、484、232、2线电流环、3线电流环5种信号，带指示灯安装模块类型。

（3）能通过网页、专用工具配置修改网络地址，修改波特率。

（4）允许员工通过远程方式对设备运行情况进行监控、配置、重启。

（5）保证性能情况下控制成本，提高环境温度适应能力。

4.2 解决途径

（1）为确保串口数据按照顺序发送，TCP采用数据指针方式接收并保存，串口数据发送的时候从保存的指针队列依次取出发送完成再释放内存，继续下一个指针数据发送直到数据发送完成。这种方式防止数据顺序混乱，出现后发的数据先收到的情况。特别需要注意是TCP发送Send()函数调用完成后需要设置无延时发送，否则特定情况下PC认为收发不成功会出现数据重复发送。

（2）linux网页配置基于独立的GCC/C 4.4.4 编译环境。采用C网络编程、HTTP 协议。为了方便调试，使用 Web API编程大量使用Json格式。调试完成后用户使用非常方便，只需要在中心就可以通过网页查看设备是否工作正常或者对设备进行配置重启。Windows配置工具采用Qt Creator和vs 2016编译环境，程序运行和ARM板通信获取配置信息。

（3）由于422、484、232、2线电流环、3线电流环5种信号不同，设计时候需要逐一完成优化。例如3线电流环模块设计过程全部采用贴片光耦降低人工安装成本，提高产品的一致性。2线电流环设计过程发现门整列芯片太早采购困难，更换GAL芯片重新设计。设计过程中结合生成工艺在不影响性能情况下，优先保证批量生产方便性，能用贴片都不用插件，能用通用波峰治具的绝不轻易改动。保证生产质量同时降低公司生产成本。指示灯只有4个，模块种类有5种，为此我们在不增加成本情况下，485模块采用2个灯组合方式指示。

（4）高低温测试主要是针对于网络集线器在-40℃到85℃温度的环境下使用时的适应性试验。测试过程中出现-40°设备无法正常启动，经查是晶振的温度范围-20℃到75℃导致，更换工业级晶振启动正常。

5 网络集线器的先进性

产品与国内外同类产品相比，我们产品采用更加高防雷设计标准，所有外部引线都通过实验室雷击测试，确保产品在雷击环境下可靠运行10年以上。

雷击浪涌检测主要包含两个方面，一个是电源防雷，一个是信号防雷。电源线路的试验电压严酷度等级如表2。

电源防雷测试：为提升产品质量采用高于4级（受严重骚扰的环境,如民用架空线,未加保护的高压变电所等）测试，电源差、共模都采用10kV/2Ω模拟雷击测试。测试结果：模拟雷击电压10000V,电流5000A，电压波 1.2/50μs，电流波形8/20μs。测试结果残压1300V,尖峰电流3900A。连续5次正反测试后，设备工作正常。原理图和测试波形如图4。

原理图中采用MOV与陶瓷放电管串原因：陶瓷放电管在其中担当开关作用，有效阻隔了MOV的泄漏电流，所以它的漏电电流为零。漏电电流大小关系到雷击浪涌保护器的使用寿命，一般在3-5年，不会更长，复合型雷击浪涌保护器的使用寿命比普通模块式电浪涌保护器更长，一般在10年，甚至达到15年。

采用带温度保险丝压敏电阻TMOV原因：当工频电流持续增加或MOV失效以后，导致MOV本体温度升高到所设置的TMOV的动作温度时，温度敏感器件就会断开。由此切断了供给MOV的电流，使MOV的温升不再升高，从而阻止了由于MOV的失效而引起的着火。为确保地线尖峰电流4900A正常泄放到大地，相关走线需要采用双面布线，走线宽度大于80mil。

通信端口防雷测试：通信端口一般感应雷测试标准远低于电源线标准，但我们采用电源线防雷等级2kV/2Ω模拟雷击测试。测试结果：最高测试电压2000V,电流1000A，电压波 1.2/50μs，电流波形8/20μs。通信口残压65V左右,电源上残压5V。5次连续测试后端口正常工作。原理图和测试波形如图5。

采用气体放电管、可恢复保险丝、TVS管组合防雷原因：气体放电管被雷击击穿而发生弧光放电，把大量能量吸收泄放到大地上，但是缺点是启动时间长。TVS反应快，残留电压小，但是缺点允许通过的雷电电流小。可恢复保险丝作用是气体放电管雷击泄放前时候限制TVS电流，保护TVS管。雷击设计过程还需要注意平时不太关心的细节比如接地，在雷击泄放瞬间1000A电流情况下如果接地电阻差0.1欧姆产生地电压100V足够损坏所有线路板上器件，需要严格按照分开方式连接雷击大地和工作地布线，并在电源和地间并联TVS管防止地线电压冲击损坏芯片。

6 产品认证状况

6.1 网络集线器CQC认证

图4

图5

网络集线器不在国家强制认证范围，但是本着以客户为中心的思想为进一步提高产品稳定性和可靠性，参与了自愿认证CQC认证。证号CQC12001069813。

6.2 网络集线器防爆认证

加油站环境存在一定油气浓度，防爆安全问题也是考虑要素，产品按照本安防爆标准修改后于2014年通过本安防爆测试并取得国家仪器仪表防爆安全监督检验站颁发的防爆合格证。证号：GYB14.1387。

7 网络集线器现场使用情况和用户反映

网络集线器根据现场运维人员反馈传统集线器的问题基础上改进，起点高产品质量可靠。产品2013年开始出货，目前已连续运行4年以上，运行至今只有一台设备发生外围开关电源故障故障率低于0.1%。公司现场运维人员反映原来一些加油站经常性出现数据异常保修的加油站，更换网络集线器后就没有接到过这个加油站的报修电话。上海中国石化对这款产品非常满意，要求所有上海加油站更换网络集线器，企业能下这个决定是对我们产品质量的认可。

网络集线器在2013年推出，至今出货量已达1千多台，给公司创造产值400万以上，给公司带来良好的利润。产品在中国石化属下的上海、江苏、湖北、四川、重庆、辽宁、吉林、云南、海南石油分司所属地区广泛使用。产品可与多种类型数据接口的加油（气）机、液位仪、POS机联接。兼容重庆耐徳、三盈、华气厚普、濮阳合众、恒山、佳力佳、正星、三盈、长吉、富仁、德莱塞稳、榕兴、中意等厂家。

8 结语

网络集线器的本质是实现加油站设备物联网，这方面工作国内同行也有涉及，但是我们不局限于基本功能，本着以客户为中心的思想追求不断创新、不断提升产品质量可靠性和程序运行稳定性，增强自身的核心竞争力，充分发挥技术优势并逐渐占领市场份额，我相信经过持续不断改进我们能够赶上发达国家的核心技术优势。

[1]李毅.嵌入式串口服务器的设计[D].北京交通大学,2012.

[2]周润景,王洪艳.Cadence高速电路板设计与仿真（第5版）原理图与PCB设计+信号与电源完整性分析[M].电子工业出版社,2015(04).

[3]《电子设备雷击试验》GB/T 3482-2008.

[4]《汽车加油加气站设计与施工规范》GB 5016-2012.

作者单位 上海亚太计算机信息系统有限公司 上海市200040