基于TCP/IP協議的網絡監控開關開發

楊柳銘， 韓會杰， 周 雪， 張榮榮

(1.中國礦業大學 機電與信息工程學院 通信系，北京 100083；2.中國礦業大學 機電與信息工程學院 信息所，北京 100083；3.河南理工大學 建筑與藝術設計學院，河南 焦作 454000)

基于TCP/IP協議的網絡監控開關開發

楊柳銘1， 韓會杰2， 周 雪1， 張榮榮3

(1.中國礦業大學 機電與信息工程學院 通信系，北京 100083；2.中國礦業大學 機電與信息工程學院 信息所，北京 100083；3.河南理工大學 建筑與藝術設計學院，河南 焦作 454000)

設計開發了一種基于以太網通信的網絡監控開關。該設計應用W5500芯片實現與遠程控制器的以太網通信功能，使用MAX1692芯片完成監控開關的供電與執行機構驅動控制功能，選用霍爾電流與電壓傳感器對被控制電器進行狀態監測，并將數據通過以太網上傳到控制器。整個系統具有可靠性高、抗干擾性強、操作方便及組網靈活的特點。

TCP/IP協議； 控制開關； W5500； 霍爾傳感器

0 引 言

近年來，隨著智能家居和互聯網的發展，通過網絡對電器進行遠程監控的設備越來越被人們所重視[1]。傳統遠程控制開關采用電話線路傳輸控制信號[2]，易受環境電磁影響，穩定性差，網絡信道單一，對于未鋪設電話線路的室內無法應用。

本文利用TCP/IP協議[3,4]實現一種通過網絡來遠程監控電氣設備的開關，可以將多個開關設備通過網絡在計算機中進行集中控制[5]；同時，開關可以檢測被控電器的工作電壓與電流，將數據上傳，實現監測電器運行狀態的目的。整個設計采用一種低功耗抗干擾的微控制器，采用以太網控制開關的工作，組網方便、靈活。

1 系統設計方案

網絡監控開關是計算機通過網絡系統對遠端連接網絡的控制器進行狀態檢測與控制，完成對處于不同地點的多個電器設備進行網絡統一監控的功能，這種能夠遠程監控的終端開關硬件、計算機軟件及連接介質統稱為遠程監控系統。

網絡監控開關的網絡結構體系如圖1所示，系統主要分為三部分：

1)上位機:綜合控制終端，收發網絡數據，對組網設備進行安全監控。

2)路由節點:轉發數據包，與終端控制器直接通信。

3)終端控制器：收發網絡數據，對執行機構進行控制并采集工作狀態。

圖1 網絡結構體系Fig 1 Network hierachy

2 硬件設計

終端控制器的結構框圖如圖2所示，由五部分組成，分別是負責實現網絡通信的以太網控制器、控制整個硬件的抗干擾主控芯片、開關動作執行機構、霍爾電流、電壓傳感器及電源驅動模塊。

圖2 終端控制器結構框圖Fig 2 Structure block diagram of terminal controller

2.1 以太網通信模塊

以太網通信模塊選用WIZnet設計的W5500芯片作為以太網控制單元，配合RJ45接口、晶振等簡單外圍硬件構成模塊。該芯片支持80 MBZ高速SPI通信，從而可以實現更高速的網絡通信。W5500芯片主要由SPI管理器、TCP/IP內核、以太網接口管理器以及時鐘等組成。

2.2 控制器

STC12LE5616AD系列單片機是STC公司設計生產的單片機，具有超強抗干擾能力，可以應用到如供配電機房、礦井等電磁干擾嚴重的場合。

2.3 電源驅動單元

主要選用兩片MAX1692芯片實現電源驅動功能。MAX1692是美信公司生產的一種低噪聲PWM降壓穩壓器，該芯片輸出電壓可控。

5 V電源接入設備后通過MAX1692芯片(稱為MAX1692—A)降壓穩壓得到穩定的3.3 V電壓，從而提供單片機和各網絡芯片的工作電源；另外一片MAX1692芯片(稱為MAX1692—B)接5 V輸入穩壓成為穩定的5 V電壓給執行機構與傳感器提供能源，該芯片受控制器P0.1接口控制信號直接驅動，從而間接驅動繼電器動作，避免了直接驅動大電壓器件可能對單片機造成的安全威脅。

2.4 驅動模塊

驅動模塊電路比較簡單，選用一種高可靠性繼電器，二極管反并聯到線圈引腳作為剩余電荷放電通道。

2.5 傳感器模塊

設計選用型號HNV—500T/AC的霍爾電壓傳感器與型號HNV—025A的霍爾電流傳感器。

電壓傳感器測量交流電壓，額定測量電壓500 V，輸出電壓0～5 V，滿足工業電氣測量要求，接線過程需要將被控設備作為負載接入電壓傳感器中。電流傳感器測量額定電流在5 A范圍內，輸出電壓0～4 V，被測電器電源線從傳感器中穿過，進行隔離檢測。

3 軟件設計

基于網絡的終端控制器的軟件主要有以下幾部分組成：系統初始化；網絡初始化；網絡參數設置(設置網絡芯片的IP地址與MAC地址等)；終端模式選擇(選擇服務器模式或客戶端模式)；通信與控制。

圖3顯示了終端控制器中軟件設計的程序流程圖，包括初始化、網絡連接、網絡數據傳輸幾個部分[6]。由于篇幅限制，本文只論述開關工作在TCP/IP協議客戶端下軟件流程。

終端控制器在選擇網絡信道和終端模式(客戶端模式)之后，通過讀取W5500內部指定socket通道CR狀態寄存器，得知終端控制器當前網絡狀態。當網絡芯片處于CLOSED狀態時，初始化并開啟socket；開啟成功后，再次讀取CR狀態寄存器，網絡芯片將處于INIT狀態，之后通過connect命令向服務器發送SYN 請求信號來請求服務器許可連接；當接收到SYN/ACK信號后，再次發送回應信號，芯片處于ESTABLISHED狀態；啟動recv接收命令，嘗試從接收緩存中讀取發來的信息并解碼后發送一路I/O控制信號給MAX1692，控制其工作或關閉，從而控制繼電器開閉動作；定時每發生T時間后讀取當前霍爾電流、電壓傳感器數據，并向W5500芯片發送緩存中寫入電流、電壓值，啟動send發送命令，發送數據；需要關閉網絡時，發送FIN請求，當接收到服務器回復的FIN/ACK 后，網絡芯片將成為CLOSED狀態[7]。

圖3 終端控制器程序流程圖Fig 3 Program flow chart of terminal controller

4 測試結果

本設計測試中選用室內采光燈管作為監測對象，通過網絡控制燈管的關閉與點亮并采集通過燈管的工作電流與串聯限流電阻的電壓并上傳到PC端，從而模擬實際終端控制器對電器的控制[8]。當上位機軟件與終端控制器建立連接后，終端控制器將通過串口(調試用)發送包括初始化、發送連接請求等各個狀態的進行標記；當上位機軟件網絡監控端發送“open”或“close”命令時，終端控制器點亮或關閉燈管，并發送“Light up!”或“Light down!”標記給上位機串口監控窗口；每發生T時間后會自動接收到電流、電壓數據與狀態進行標記；當上位機斷開連接時，終端控制器響應斷開請求，發送斷開連接狀態的進行標記[9]。整個測試過程響應迅速，未出現失聯與控制失敗狀況。測試情況如圖4所示。

5 結束語

本文利用TCP/IP協議實現了一種穩定抗干擾的遠程監控開關，通過上位機控制軟件實現對遠程電器的開閉控制和工作狀態監測，進而對接入終端控制器的電器進行遠程監控，為將來實現多設備組網監控與調配提供一種解決方案。

圖4 上位機監視窗口斷開與控制狀態Fig 4 Monitor window of upper PC in control and disconnected states

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Development of network monitor switch based on TCP/IP protocol

YANG Liu-ming1, HAN Hui-jie2, ZHOU Xue1, ZHANG Rong-rong3

(1.Department of Communication,School of Mechanical,Electronic & Information Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China;2.Information Institute,School of Mechanical,Electronic & Information Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China;3.School of Architectrual & Artistic Design,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

Design and develop a network monitor switch which is based on Ethernet communication.The design uses W5500 chip to realize communication with remote controller via Ethernet,and uses MAX1692 chip to achieve function of power supply of monitor switch and driver and control of actuator,uses Hall current sensor and voltage sensor for state monitoring of device to be controlled,and upload data to remote controller through Ethernet.The whole system has the advantages of high reliability,strong anti-interference performance,convenient to operation and flexible networking.

TCP/IP protocol; control switch; W5500; Hall sensor

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0097—03

2015—10—20

TP 273.5

A

1000—9787(2016)07—0097—03

楊柳銘(1994-)，男，內蒙古鄂爾多斯人，碩士研究生，實驗室助理，研究方向為檢測技術與自動化裝置，嵌入式技術。