物联网网络供电的区域数据采集系统设计*

2018-10-15，，

单片机与嵌入式系统应用 2018年10期

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(海军航空大学航空基础学院，烟台 264001)

引言

传统的分布式数据采集多使用以太网、CAN总线或者RS232、RS422等串行总线[1-2]。与以往的集中式数据采集相比，分布式数据采集具有系统连接简便、可靠性高等优势，但仍然存在着数据连线繁琐、供电系统复杂以及数据中心任务繁重等问题。

物联网技术的快速发展为解决这些弊端带来了设计思路。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，即通过智能感知、识别技术与普适计算实现物品与物品之间的信息交换和通信，从而提高用户体验和交互效率[3-5]。因此，设计了一种基于物联网的数据采集方法，从而完成复杂系统中远距离、长范围的数据采集任务。在本方案中，数据采集板以LPC2368微处理器为核心，系统供电采用基于IEEE802.3at[6]标准的PoE+设计。LPC2368[7]具有多种串口通道接口，能够适用于多种串行通信应用，PoE+是对PoE供电标准的提升，除了增加最高功率限额外，还增加了电源管理模式，借此便于控制采集节点工作状态，使得系统配置更加简单、运行更加高效、维护更加便利。

经过实验验证以及实际运行，所设计的分布式数据采集系统具备可靠性高、维护成本低、结构简单等优点。

1 数据采集系统总体设计

基于物联网的数据采集系统从功能结构上可以分为两个子系统，一是信息子系统，主要完成数据采集、信息控制等功能；二是电源子系统，主要是对分布式节点提供电力支持，保持系统稳定运行。

1.1 信息子系统设计

信息子系统主要由三部分组成：一是数据采集节点，其主要功能是数据采集，以及一定的数据处理功能；二是数据交互中心，负责将各个节点信息交互至数据处理中心，完成数据的传递；三是数据处理中心，其主要功能是实时处理节点采集到的信息并进行逻辑操作以及控制。系统结构如图1所示。

图1 信息子系统结构图

① 数据采集节点以LPC2368微处理器为处理核心，支持多种类型数据采集，包括温湿度感知、光电感知等功能，并且具备一定输出能力，以实现对外部设备的控制。

② 本系统中数据交互中心是以PSE交换机为主体，能够实现数据信息的传递以及采集节点工作状态的控制。

③ 本系统中数据处理中心以PC机为运行载体，接收交互中心传递的信息，并向各个采集节点输出控制信息，系统管理人员亦可通过该部分观察节点工作状态以及信息交互过程。

1.2 电源子系统设计

PoE[8-9](Power over Ethernet)是在现有以太网的基础上，通过增加供电协议向基于IP的终端设备提供电源支持的供电技术，其优点在于节省供电布线、提高以太网使用效率等。PoE+技术是在PoE标准的基础上对网络供电性能进一步提升，所遵循的是802.3at标准，最大电流为720 mA，支持的终端最大功率为30 W。

图2 PoE结构组成

PoE系统由供电设备(PSE)和受电设备(PD)两部分组成。PSE作为电源通过CAT-5线缆向终端供电，一般为具有PoE功能的交换机；PD通过以太网接口获取电源，继而由PD接口芯片LM5073完成PoE通信任务以及降压工作。电源子系统结构如图2所示。

PoE对所使用的CAT5类线具有以下要求：必须符合IEEE802.3af标准，使用Alternative A(线对1、2和线对3、6)以及Alternative B(线对4、5和线对7、8)的供电模式，并且PSE只能提供一种供电模式，但PD要求必须适用两种情况。

鉴于PoE以太网交换机性能，本方案选用Alternative A方式，即信号与供电共用方式，如图3所示。

图3 PoE供电方式选择

2 数据采集系统实现

2.1 信息子系统实现

(1)数据采集节点

LPC2368是一款基于ARM内核的微控制器，其工作频率为72 MHz、具有512 KB的片内Flash程序存储器；两个AHB系统，可以同步进行Ethernet DMA、USB DMA以及从片内Flash执行程序的操作；具有先进的向量中断控制器，支持多达32个向量中断；芯片带有10位A/D转换器以及4个通用定时器，每个定时器带有2个捕获输入引脚和多达4个的比较输出引脚；一个PWM/定时器模块，支持三相电机控制；为了强化系统稳定性，该芯片具有看门狗定时器，由内部RC振荡器、RTC振荡器或APB时钟计时组成。

与其他ARM控制器不同之处在于，LPC2368搭载了丰富的串行接口，方便了接口设计。该芯片共包含了1个10/100 Ethernet MAC、USB 2.0全速接口、4个UART、2路CAN通道、1个SPI接口、2个同步串行端口、3个I2C接口、1个I2S接口和MiniBus，可以支持的通信类型包括以太网、CAN、RS232等常见串行通信，大大简化了相关应用的程序设计。

(2)数据处理中心

数据处理中心使用VC开发，通过MSComm控件实现与数据采集节点的信息通信，其主程序流程如图4所示。

图4 数据处理中心主函数流程

(3)通信协议

鉴于数据采集节点具有非联网与联网两种状态，采集节点应该具备在联网工作状态下与数据处理中心信息交互以及显示输出的功能，在非联网工作状态下，应当具备输出锁定以及与数据处理中心建立握手通信的功能。因此,设计通信协议如图5所示。

图5 通信协议设计

2.2 电源子系统实现

(1)供电设备

选用内置PoE功能的交换机D-Link DHS-3218MP-AC[10-11]作为PoE系统的供电设备，其供电性能特点为：

① 兼容IEEE 802.3af和IEEE 802.3at两种标准的PoE供电方式；

② 交换机支持PoE端口为1～24，每个端口最多提供25.5 W电量，支持IEEE 802.3at标准；

③ 交换机最大功耗为340 W，具有自动发现功能，如果端口电流超过800 mA，则自动禁用端口；

④ PoE端口遵循PoE+分级标准，同时具备电源管理功能，能够实现单独PoE端口供电开启与关闭；

⑤ 交换机具有端口短路保护功能，在保持其他端口正常供电的情况下，自动断开该端口的供电。

(2)受电设备

为满足PoE供电要求，PD端选用美信MAX5941B[12-13]作为受电设备核心芯片，与PSE端实现PoE供电协议的握手。

MAX5941B芯片集成IEEE802.3at技术标准的用电设备接口与脉冲宽度调制控制器，除了支持PoE供电以外，还可通过外接电源实现稳压稳流功能；具有宽电压输入能力，输入电压从18 V到67 V；开关频率可达275 kHz，并具备电源工作状态输出接口，能够实现对PD供电状态的反馈。

为了满足数据采集节点各部件的工作电压要求，PD设备对PoE提供的48 V电压进行变压处理，其中通过电源模块PAH350S48-28 LAMBDA[14]实现48 V到28 V电压的转换。通过开关电源芯片CS51411实现28 V到5 V电压的转换；通过AMS1117-3.3芯片实现5 V到3.3 V电压的转换。