单位文秘网 2021-10-23 08:13:09 点击: 次
摘 要:基于硬件设计和软件设计,开发了一款智能供热监测系统。在硬件设计上,采用ARM平台M9内核的微控制器,外接传输数据的网卡芯片以及测量数据的温度传感器;在软件设计上,将TCP/IP协议栈移植到嵌入式实时操作系统uC/OS-II,制定了设计流程。根据此设计,可对待监测地点的温度进行实时远程监测,使热力部门更加方便地开展热力输送调整和人力资源派遣,促进热力系统的合理、高效运行。
关键词:智能供热;供热监测;TCP/IP协议;ARM;uC/OS-II
中图分类号:TP242.6 文献标识码:A 文章编号:2095-8412 (2017) 03-036-03
工业技术创新 URL: http: // DOI: 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.03.010
引言
在我国北方地区,冬季供热系统时常出现热力不平衡、不能达到良好供热效果的现象。由于供热系统实时监控信息的缺乏,热能源分配受到极大浪费,难以达到最佳运行状态。为了提高供热的有效性,最大限度节约热力资源和人力资源,过去的传统办法是难以满足要求的。因此,设计了一款智能供热监测系统,通过对用户室内温度的测量,将数据实时上传到网络终端,使热力部门更加方便地开展热力输送调整和人力资源派遣,使整个热力系统更加合理、高效运行[1]。
1 整体方案设计
智能供热监测系统的整体方案如图1所示。设计基于通信网络,实现供热用户温度数据的远程监测。主要由两部分构成:第一部分是底层硬件接口,主要用来采集底层数据,为数据传输做准备,其基于内核构架为Cortex-M9的ARM芯片;第二部分是基于网络的数据传输,是将微处理器采集到的数据通过TCP/IP协议传输给主监控器。整个系统由多部分组成:微处理器、网卡芯片、温度传感器、嵌入式操作系统以及TCP/IP协议栈。底层的温测芯片将实时测量到的各户温度通过网络传送给中心,中心不仅可以监测数据,还可以通过数据的集中处理分析管网中存在的问题,及时调控,最大限度实现供暖均衡化[2]。
2 硬件设计
系统整体硬件设计原理是:将温度传感器测得的数据,经过数据采集模块转化为微处理器能够接收的数字量,再由CPU对数字信号进行操作,同时对操作系统以及TCP/IP协议栈进行初始化,最后通过由STM32与ENC28J6芯片组成的网络接口对数据进行传输,实现网络通信[3],从而对数据进行综合分析和处理。
2.1 ARM处理器
系统处理器采用嵌入式ARM9处理器,其具有性能高、成本低和功耗小的特点,采用嵌入式应用设计的ARMCortex-M9内核。它是增强型系列的一员,时钟最高频率可达118 MHz,在同类芯片中体现了较大的优越性。
2.2 网络通信
ENC28J60是以太网控制器,通过SPI与主控制器进行数据通信,适用于一些简单的网络通信协议。处理器的SPI接口与ENC28J60连接。ENC28J60得到模块内部集成TX/RX缓冲区、MAC控制区、PHY区,通过TPIN+/-、TPOUT+/-与以太网变压器相连,LEDA、LEDB与相应的红绿灯相连,判断网络运行状态。
ENC28J60模块的核心正是ENC28J60芯片,它通过晶振驱动工作,网线通过HR911105A引出。温度传感器将采集到的数据传给ARM处理器,处理器将数据发送给ENC28J60芯片,芯片将数据打包成TCP/IP数据包,然后通过RJ45网口将数据上传到局域网,实现数据共享。以上可以及时将数据显示出来,通过网络快捷传输实现温度的监控和采集,从而达到预期目标。
2.3 温度传感器
采用有标准单线协议的数字温度传感器DS18B20进行数据采集,其数据传输端与处理器的PA11引脚相连,然后通过软件以及该芯片的数据读写方式实现与STM32芯片的通信。这就构成了最基本的温度测量电路,为数据采集和处理以及网络传输提供了最前端的数据来源。
3 软件设计
软件设计主要分为软件协议和设计流程两方面。本章首先介绍系统软件总体架构,然后介绍TCP/IP协议及其协议栈的移植,再介绍驱动编写,最后给出设计流程。这部分的关键是对操作系统和协议栈的理解,以及如何用协议栈和网络芯片来实现网络数据通信,从软件层面实现对整个测温系统的支撑。
3.1 系统软件总体架构
基于ARM硬件平台,移植嵌入式多任务实时操作系统和TCP/IP协议栈,把一个大的应用程序分成若干个任务,由操作系统管理,并且负责任务间的通信。每一个任务的执行时间是由内核分配的。
3.2 TCP/IP协议
TCP/IP协议是TCP/IP的联网协议和服务的大集合,而不仅指给这个集合命名的两种主要协议的组合。TCP协议、IP协议共同建立一种传输机制,保证网络数据传输。
3.3 TCP/IP协议栈在uC/OS-II嵌入式实时系统上的移植
TCP/IP协议栈在开发时就充分考虑了与不同操作系统的兼容性,因此在協议栈与操作系统之间构造了一个接口层,而没有在协议栈代码中描述与某个特定操作系统相关联的部分。该接口主要实现任务间同步、数据类型定义、存储模式选择、内存管理等。因此,要想成功地将TCP/IP协议移植到uC/OS-II中,需要相应修改接口层内容。
3.4 ENC28J60的驱动编写
在编写驱动时,要了解网卡芯片的驱动方式。ENC28J60的驱动通过SPI向ENC28J60的相应寄存器写数据,以达到驱动网卡芯片的功能。要编写SPI的相关函数,需要向寄存器中写1个字节函数,然后进行引脚分配,如:引脚PA5,PA6,PA7分别为SPI1_SCK,SPI1_MISO,SPI1_MOSI。按照这一思路,先初始化SPI、引脚、时钟,复位ENC28J60,设定MAC地址,然后根据网络芯片数据手册按照顺序向相应的寄存器写数据,达到初始化的目的。
3.5 设计流程
图2所示为嵌入式系统的软件启动和运行过程,它的主要作用是在初始化后建立与远程终端的连接,实现数据收发,为下一步的数据传输提供了保证。
4 结论
本文提出了一种智能供热监测系统,并从硬件和软件上得以实现。在对目前网络通信技术以及通信协议进行充分分析的基础上,选择以ARMCortex-M9内核与ENC28J60以太网控制器相结合,通过SPI与主控制器进行数据通信,实现了远程测温。操作系统的移植和TCP/IP协议栈的移植共同实现了测量数据在本地和远端之间的数据通信,并建立了客户端与终端的网络连接,实现了供热系统的实时监测。
参考文献
[1] 唐玉峰, 田茂诚, 张冠敏, 等. 集中供热远程网络监控系统优化设计[J]. 山东大学学报: 工学版, 2009, 39(5): 153-158.
[2] 李新刚. 集中供热热力站微机监控系统的设计[J]. 电力学报, 2000(4): 308-311.
[3] 刘文琦, 杨建华, 林艳. 集中供热网智能控制方法研究[J]. 大连理工大学学报, 2004, 44(3): 464-468.
[4] 张灿灿, 王定标, 吴金星, 等. 换热管管内插入物研究进展[J]. 工业技术创新, 2014(4): 498-502.
[5] 何嘉. 集中供热系统中的物联网技术应用[J]. 工业技术创新, 2016, 3(5): 1028-1030.
(责任编辑:单位文秘网) )地址:https://www.kgf8887.com/show-225-96552-1.html
版权声明:
本站由单位文秘网原创策划制作,欢迎订阅或转载,但请注明出处。违者必究。单位文秘网独家运营 版权所有 未经许可不得转载使用