基于Q2686无线CPU和Lonworks技术的无线监控网关的设计

引言
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口通信（RS485）接口和Modbus通信协议，信息远程传输网络也主要是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。

Q2686无线CPU介绍

Q2686是Wavecom公司的新一代无线CPU Q26系列的一员，它采用ARM9 32bit内核的中央处理器，104MHz，30MIPS，32MB闪存和16MB的RAM，2个模数转换器，1个USB 2.0接口，1个并口，2个RS232串口，最多可配备44个GPIO，四频段(GSM 850/900/1800/1900MHz)。

Wavecom专有的Open AT软件开发套件，是性能一流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。

Lonworks控制网络技术

Lonworks是由美国Echelon公司开发的一种完整的、全开放的互操作性强、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通讯协议，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须知道网络拓扑、名称、地址或其他装置的功能，所有采用Lonworks技术的产品都遵循LonTalk通讯协议，因此不同厂家的产品可以很方便地接入到同一个Lonworks网络系统中，它具有以下优点：

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网络通讯协议互联，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讯系统。

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讯功能，部分节点故障不会造成系统瘫痪，多至九个监控站可安装在网络的任何位置并可随时变换，监控站之间功能完全对等，也可定义为不同级别。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，系统可利用双绞线、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。
 
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，再由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。

                                         图1 系统整体框图

 无线监控网关的硬件设计

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

                                       图2 设计原理框图

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Lonworks双绞线智能通信模块和Lonworks电力线智能通信模块，二者设计为接口完全兼容的结构，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智能收发器包含一个20MHz神经元3150核心、0.5K字节的EEPROM和2K字节的RAM。通过外部存储器总线，FT 3150收发器能够寻址多达58K字节的外部存储，其中16K字节的外部非易失性存储器保留用于存储Lonworks系统的固件；支持无极性的总线型、星型、自由型等拓朴布线结构。

Lonworks电力线智能通信模块是由神经元芯片PL 3150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220V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。

Q2686无线CPU的设计

Q2686模块内部包含了1个无线通信模块、1个ARM9 32bit内核的中央处理器、32MB闪存及16MB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。

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电容和压敏电阻来增强EMC抗干扰能力。

电源电路的设计

电源是装置中一个非常重要的部分，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和谐波干扰，会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3.6V的电压，3.6V的电压经过几个调整管，提供基带信号所需要的2.8V和1.8V。

程序设计

程序设计包括Q2686无线CPU内的程序设计，和Lonworks通信模块内的程序设计。

Q2686无线CPU内的程序设计

使用Wavecom公司提供的Open AT 开发套件，使用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。编程主要是使用Open AT API 函数，Open AT 开发套件提供丰富的API接口函数，非常方便编程。

Q2686无线CPU内的程序设计按功能分为二部分：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，其程序流程图如图3所示；一部分是UART1和UART2的数据发送接收处理程序，这部分和具体的应用相关，UART1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。

                              图3 Q2686无线CPU的程序设计

 Lonworks通信模块内程序设计

Lonworks通信模块使用了Neuron神经元芯片，其程序设计需使用Echelon公司lonmake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，Neuron C是一种专门为Neuron 芯片设计的程序设计语言，它在标准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就是轮询Lonworks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。

小结

本GPRS/LON无线监控网关结合了Lonworks技术及GPRS无线数据传输技术。Lonworks技术最近几年发展非常迅速，应用范围日益广泛，而GPRS无线数据传输很便捷，随着无线数据传输的资费不断下调，将具有很高的应用价值。