基于CC3200的設備電源遠程控制系統(tǒng)設計

王元月,賴其濤

(1.紹興職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院，浙江 紹興 312000；2.紹興職業(yè)技術(shù)學院 信息工程學院，浙江 紹興 312000)

基于CC3200的設備電源遠程控制系統(tǒng)設計

王元月1,賴其濤2

(1.紹興職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院，浙江 紹興 312000；2.紹興職業(yè)技術(shù)學院 信息工程學院，浙江 紹興 312000)

針對工業(yè)設備電源接入無線網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程監(jiān)測與控制的要求，設計了一款基于CC3200的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和遠程控制系統(tǒng)，并給出了硬件和軟件設計方案;系統(tǒng)采用CC3200內(nèi)嵌的應用MCU對電源進行信息采集和控制，采集的數(shù)據(jù)通過內(nèi)嵌的Wi-Fi網(wǎng)絡處理器無線傳遞到本地服務器并存入SQL數(shù)據(jù)庫中，而來自終端的控制命令通過Wi-Fi處理器接收并送給應用MCU處理;實驗結(jié)果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，靈活高效，具有良好的應用前景。

CC3200；Wi-Fi；設備電源；socket

0 引言

目前，一些工業(yè)設備安裝的地點跟設備管理人員所在處距離相隔較遠，而這些設備由于環(huán)境的變化或者軟件的原因容易出現(xiàn)死機的現(xiàn)象，為了方便工作人員的管理和維修，縮短設備故障時間。因此，將電源接入網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程控制系統(tǒng)的研制刻不容緩[1-2]。而CC3200的出現(xiàn)給電源的聯(lián)網(wǎng)管理帶來了新的途徑。該芯片符合網(wǎng)絡標準IEEE802.11，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，它能輕松實現(xiàn)以太網(wǎng)信號和無線網(wǎng)Wi-Fi信號之間的轉(zhuǎn)換，使傳統(tǒng)電子設備更好地加入網(wǎng)絡[3]，從而實現(xiàn)電子設備的遠程監(jiān)測和管理。基于此，提出了基于CC3200的設備電源遠程控制系統(tǒng)，利用CC3200內(nèi)嵌的應用MCU將現(xiàn)場采集的電源參數(shù)通過WI-FI網(wǎng)絡處理器將數(shù)據(jù)上傳到服務器，設備管理人員通過客戶端的軟件平臺可以實時監(jiān)控工業(yè)設備電源的參數(shù)，并對電源進行遠程控制。

基于Wi-Fi的無線監(jiān)測系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的有線監(jiān)測系統(tǒng)相比，具有超低功耗、低成本、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、易于擴展等特點。電源管理中引入Simplelink Wi-Fi CC3200芯片，降低了設備電源的管理成本，提高了管理效率。

1 系統(tǒng)的總體設計

無線電源控制系統(tǒng)方案采用TI公司推出的片上Wi-Fi MCU CC3200作為核心處理器、配合服務器、路由器、終端設備等并輔以必要的外圍電路將設備電源接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)設備電源的遠程管理和控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，CC3200內(nèi)含無線WI-FI處理器需要相應的Wi-Fi無線收發(fā)電路才能實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)；輔助電路包括電源電路、復位電路以及時鐘電路等[4]；服務器主要是起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，以及數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)查詢的功能；路由器和服務器的功能差不多，但是路由器不能對數(shù)據(jù)進行存儲，只能對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。

系統(tǒng)功能要求如下：1)CC3200內(nèi)嵌的ARM Cortex-M4 MCU周期性的采集設備電源的輸出電壓、電流、工作溫度和濕度信息；2)CC3200通過繼電器控制電源的開/關(guān)狀態(tài)；3)CC3200模塊作為STA與無線AP連接，通過socket技術(shù)與局域網(wǎng)內(nèi)的本地服務器進行數(shù)據(jù)傳輸，遠距離可以用中繼器將路由信號放大；4)服務器將接收的電源數(shù)據(jù)存入SQL數(shù)據(jù)庫中；5)用戶可通過終端設備PC、平板或手機的平臺軟件實時查看電源信息，同時也可通過平臺軟件向電源發(fā)送關(guān)斷或開啟命令。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件的實現(xiàn)

2.1 CC3200模塊

圖3 CC3200模塊電路

電路核心是TI公司推出的一款高端、低成本、低功耗的CC3200芯片，它由應用MCU子系統(tǒng)、無線WI-FI網(wǎng)絡處理器子系統(tǒng)和電源管理子系統(tǒng)構(gòu)成。應用MCU子系統(tǒng)包括一個行業(yè)標準的ARM Cortex-M4內(nèi)核，集成了各種外設接口，包括快速并行相機接口，I2S，SD / MMC，UART，SPI，I2C，四通道12位ADC等；Wi-Fi網(wǎng)絡處理器子系統(tǒng)包含一個片上互聯(lián)網(wǎng)和一個專用的ARM單片機，該子系統(tǒng)符合網(wǎng)絡標準IEEE802.11支持多個互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，其內(nèi)部有802.11b/g/n Radio、802.11b/g/n PHY和具有強大加密引擎的802.11b/g / n MAC，提供快捷、安全的256位加密無線局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)連接；電源管理子系統(tǒng)集成了DC-DC轉(zhuǎn)換器支持兩種供電配置，一種是寬電壓模式，芯片的供電電壓范圍為2.1～3.6 V；另一種預穩(wěn)壓模式由1.85 V供電。它具有低功耗運行機制，具實時時鐘 (RTC) 的休眠模式所需電流少于4 μA，低功耗深度睡眠 (LPDS)小于120 μA[5-7]。

CC3200模塊負責采集設備電源的電壓、電流、工作溫度和濕度信息，并將這些信息通過Wi-Fi網(wǎng)絡處理器發(fā)送出去；該模塊還要負責接收來自終端的電源開/關(guān)命令，并通過繼電器控制電源的工作狀態(tài)。硬件構(gòu)成如圖2，包括溫度濕度傳感器模塊、繼電器、A/D轉(zhuǎn)換以及供電模塊。

圖2 硬件構(gòu)成框圖

CC3200集成度很高，只需要外加一下簡單的元器件就能實現(xiàn)無線控制功能，主要電路如圖3。電源信號的采集以及電源開/關(guān)的控制采用CC3200中內(nèi)嵌的應用MUC來完成，應用MCU以ARM Cortex-M4為核心，其內(nèi)置高達256 KB的RAM以及四通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，因此對電源輸出的直流電壓和電流的采集不需外置A/D轉(zhuǎn)換器；系統(tǒng)中采用溫濕度傳感器DHT11對電源的工作溫度和濕度進行檢測，以I2C方式與微處理器通信；系統(tǒng)通過應用MCU輸出的電平來控制繼電器線圈的通斷，從而實現(xiàn)設備電源開關(guān)的通斷控制。CC3200芯片采用寬范圍的電源電壓模式，由3.3電源供電，為了得到一個穩(wěn)定的3.3 V電壓，使用TI 公司的REG117-3.3芯片將5 V轉(zhuǎn)換成到3.3 V電壓輸出。

2.2 Wi-Fi無線收發(fā)電路

CC3200 內(nèi)含的無線Wi-Fi 子系統(tǒng)內(nèi)部沒有自帶的射頻功能，因此需要外加的外圍射頻電路才能實現(xiàn)射頻收發(fā)，電路圖4 所示。它的射頻為單端輸入輸出，在Pin 31上復用，其中待發(fā)送的無線信號從CC3200 的無線發(fā)射引腳RF_BG(Pin 31)出來，經(jīng)過一個2.4 GHz 帶通濾波器(BPF)和阻抗匹配網(wǎng)絡后，再由一個2.4 HGz 的天線輻射到空間中。圖中U3是2.4 G的帶通濾波器，由于不同芯片射頻發(fā)射和接收的內(nèi)部設計不同，射頻上會產(chǎn)生不同的雜散，所以需要特殊的頻段用以抑制二次和三次諧波和帶外雜散。射頻部分的設計分為兩部分，一部分是電路的傳導部分，另外一部分是天線電路。在布線時需要控制阻抗，使其在2.4 GHz工作頻段為50 Ohm，以此來確保電路擁有較好的傳輸特性[8]。2.4 GHz的天線選用體積小，使用方便的陶瓷天線，它是全向天線，沒有明顯的方向性，符合Wi-Fi應用的需求。

圖4 Wi-Fi無線收發(fā)電路

3 軟件的實現(xiàn)

系統(tǒng)采用server/client網(wǎng)絡架構(gòu)模式，CC3200作為客戶端將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務器或者接收網(wǎng)絡終端發(fā)來的數(shù)據(jù)。Wi-Fi與服務器之間通信方式有兩種：一是采用socket通訊方式與服務器建立鏈接傳輸數(shù)據(jù)，另一種是采用WEB服務器，Wi-Fi將數(shù)據(jù)以post方式或者get方式提交到服務器，服務器可返回數(shù)據(jù)給Wi-Fi。本方案中采用socket通信通過TCP協(xié)議與服務器進行數(shù)據(jù)的傳輸。Socket為程序內(nèi)部與外界通信的提供了端口，并提供了通信雙方的數(shù)據(jù)傳輸通道，Socket通信在服務端和客戶端建立好連接后就可以直接進行信號的傳輸。

3.1 客戶端軟件

CC3200作為客戶端，它的任務主要是兩個，一是采集設備電源的電壓、電流、溫度等信息通過Wi-Fi處理器無線發(fā)送出去；二是接收來自終端的控制命令并執(zhí)行?？蛻舳斯ぷ髁鞒倘鐖D5。

圖5 客戶端工作流程

CC3200支持AP和STA組網(wǎng)模式，AP是無線接入點，是無線網(wǎng)絡的中心節(jié)點；STA是無線網(wǎng)絡的終端，也就是無線站點。本方案中CC3200的Wi-Fi選用STA模式，Socket通信選擇TCP/Client模式，CC3200作為TCP/Client，服務器作為TCP/Server，CC3200與服務器采用socket通信。因為客戶端CC3200配置成STA模式，它的IP地址是由無線AP自動分配的，需要配置目標的路由參數(shù)，程序通過調(diào)用sl_start()函數(shù)啟動SimpleLink，再調(diào)用sl_wlanconnect()連接到接入點AP，調(diào)用sl_netapppingstart()函數(shù)ping AP檢查網(wǎng)絡是否可以通信。

客戶端需要與服務器建立socket連接進行數(shù)據(jù)的傳輸，客戶端建立socket連接通信的流程如圖6，客戶端首先調(diào)用socket()函數(shù)創(chuàng)建一個套接字[9]，然后調(diào)用connect()函數(shù)發(fā)送連接請求與指定的服務器socket連接，并等待服務器的應答信息，與服務器連接成功后，與之進行數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)傳輸完畢后，關(guān)閉Socket連接。

3.2 服務器端軟件

在系統(tǒng)設計中，服務器端負責接收Wi-Fi 網(wǎng)絡處理器上傳的數(shù)據(jù)信息，然后按照協(xié)議格式檢出電源ID、電壓、電流、溫度和濕度并存儲到SQL數(shù)據(jù)庫中；服務器也會將終端的控制命令發(fā)送到客戶端，服務器端的工作流程如圖7。

圖6 socket通信流程

圖7 服務器端的工作流程

服務器端需要建立socket連接與客戶端傳輸數(shù)據(jù)，服務器端建立socket連接流程如圖6，在建立socket通信時，服務器端首先調(diào)用Socket()函數(shù)創(chuàng)建套接字，使用bind()函數(shù)將本地協(xié)議地址綁定到創(chuàng)建的套接字上[9]，接下來調(diào)用listen()函數(shù)監(jiān)聽客戶端發(fā)來的連接請求、用循環(huán)的方式調(diào)用accept()函數(shù)接收客戶端的連接請求，如果檢測到來自客戶端的連接請求時，會向客戶端回應收到請求連接的信息，并建立服務器與客戶端之間的連接。服務器與客戶端建立好socket連接后，TCP協(xié)議為兩者提供全雙工的通信服務，服務器從accept()函數(shù)返回后就立刻調(diào)用read()函數(shù)，如果沒有數(shù)據(jù)到達就阻塞等待，這時客戶端調(diào)用write()函數(shù)發(fā)送請求給服務器，服務器收到來自客戶端發(fā)來的請求后從read()函數(shù)返回，對客戶端的請求進行處理，在此期間客戶端調(diào)用read()阻塞等待服務器的應答，服務器調(diào)用write()將處理結(jié)果發(fā)回給客戶端，再次調(diào)用read()阻塞等待下一條請求，客戶端收到后從read()返回，發(fā)送下一條請求，如此循環(huán)下去完成數(shù)據(jù)的傳輸，當通信完成后，關(guān)閉Socket連接。

4 測試結(jié)果及分析

把已編寫好的程序下載到CC3200芯片中，服務器安裝好已編寫好的服務器端程序，將系統(tǒng)上電，CC3200模塊Ready燈亮表示工作正常，Link燈亮表示模塊已連接到路由器，將服務器接入同一個網(wǎng)絡。打開服務器端平臺軟件設置好IP地址和端口號，點擊啟動后，窗口將會顯示來自CC3200模塊采集的電源參數(shù)，CC3200模塊每2秒鐘向服務器上傳電源參數(shù)，系統(tǒng)中需要監(jiān)控的電源用于太陽能電池組件測試設備(EL測試儀)，它是一種具有恒壓恒流特性的開關(guān)電源，輸出穩(wěn)壓值為0～100 V，輸出電流為0～15 A，工作頻率為32 kHz。測試結(jié)果如圖8。

圖8 服務器端程序測試結(jié)果

圖8窗口中電源參數(shù)分別是電源ID號、電壓、電流、溫度和濕度，這些參數(shù)將會寫入到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫SQL Server的表中，打開SQL中的數(shù)據(jù)表將會看到這些數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖9。

圖9 數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫

通過網(wǎng)絡，用戶在客戶端可及時收到遠程現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，遠程現(xiàn)場的電源狀態(tài)可實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制。網(wǎng)絡終端界面如圖10。

圖10 網(wǎng)絡終端界面顯示數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文介紹的設備電源控制系統(tǒng)采用CC3200芯片對電源的狀態(tài)及參數(shù)進行檢測，與服務器建立socket連接進行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)完成了對設備電源的實時監(jiān)控，為遠程監(jiān)控電源的實現(xiàn)提供了全新的途徑。該系統(tǒng)采用CC3200芯片進行設計，簡單容易實現(xiàn)，經(jīng)過實驗結(jié)果分析，數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)的傳送穩(wěn)定，數(shù)據(jù)無錯誤，該系統(tǒng)采用SQL數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的采集，服務器端軟件預留了監(jiān)控電源，很容易實現(xiàn)監(jiān)控電源的添加。

[1] 王剛剛,楊 燕,王 正.基于物聯(lián)網(wǎng)的高校大型儀器設備電源控制系統(tǒng)研究(一)[J].林業(yè)機械與木工設備,2016,44(4):20-24.

[2] 穆莉莉,薛程光.基于以太網(wǎng)的設備電源遠程控制系統(tǒng)設計[J].安徽理工大學學報(自然科學版),2015,35(2):48-52.

[3] 陳穎瑩.芯片上的網(wǎng)絡TI SimpleLink Wi-Fi讓聯(lián)網(wǎng)如此簡單[J].電子技術(shù)應用,2014,40(7):2-2.

[4] 郭書軍,田志鵬.基于單片Wi-Fi MCU CC3200的無線串口[J].儀器儀表用戶2016(1):24-27.

[5] Texas Instruments.CC3100/CC3200 SimpleLinkTMWi-Fi ? Internet-on a Chip User’s Guide[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/swru368a/swru368a.pdf. 2015.

[6] Texas Instruments.SimpleLinkTMCC3100/CC3200 Wi-Fi Internet-on-a-chipTMNetworking Sub-system Power Management [EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/swra462/swra462.pdf, 2015.

[7] 林 婷,王 磊.基于CC3200及MT9D111的嵌入式無線圖像采集系統(tǒng)設計[J].技術(shù)與市場, 2015(9):9-11.

[8] Texas Instruments.CC3200 SimpleLink Wi-Fi and Internet of Things Solution,a Single Chip Wireless MCU Technical Reference Manual[EB/OL].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/swru367c/swru367c.pdf,(2016-05 -18).

[9] Texas Instruments. CC3200 SimpleLinkTMWi-Fi? and IoT Solution, a Single Chip Wireless MCU Programmer's Guide[EB/OL].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/swru369c/swru369c.pdf.

Design of Equipment Power Remote Control System Based on CC3200

Wang Yuanyue1, Lai Qitao2

(1.School of Mechanical&Electrical Engineering, Shaoxing Vocational&Technical College, Shaoxing 312000, China;2.School of Information Engineering,Shaoxing Vocational&Technical College, Shaoxing 312000, China)

For the demands of wireless monitoring and control of industrial equipment power to access the wireless network, a network equipment power control system was designed based on CC3200.The paper gave hardware and software design scheme. The system used the applications MCU embedded in the CC3200 to carry on the information collection and the control to the power. The collected data was transmitted to the local server through the embedded Wi-Fi network processor and stored in the SQL database. The commands from the terminal was received by the Wi-Fi processor, and the commands was sent to the applications MCU. After several reliability tests, the system was stable and reliable, flexible and effective, and has good prospects for practical application.

CC3200；Wi-Fi；equipment power；socket

2016-09-22；

2016-10-16。

王元月(1977-)，女，貴州畢節(jié)人，碩士，講師，主要從事電源技術(shù)及智能控制方向的研究。

1671-4598(2017)02-0098-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

A