文/龐富強(qiáng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)集線器開發(fā)

文/龐富強(qiáng)

物聯(lián)網(wǎng)是物品與物品之間進(jìn)行信息交換和通信，被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。本文介紹基于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)集線器開發(fā)，并介紹開發(fā)過程中遇到的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及采取的解決方案。

物聯(lián)網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)集線器 以太網(wǎng) 串口

中國石化加油站站級聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)2002開始改造，該系統(tǒng)非常具有前瞻性，連續(xù)運(yùn)行10年以上沒有出現(xiàn)大問題。但是畢竟是早期的產(chǎn)品在當(dāng)時是最領(lǐng)先的設(shè)計(jì)運(yùn)行到現(xiàn)在難免存在一些瓶頸，例如傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交互方式是加油機(jī)到串口集線器，再到多路串口卡連接到主板插槽上。該方式連線多結(jié)構(gòu)復(fù)雜故障多；設(shè)備擴(kuò)張、安裝不方便，而且無法連接POS機(jī)、液位儀等設(shè)備；還有八口卡已經(jīng)停產(chǎn)采購困難。雖然我們持續(xù)不斷改進(jìn)傳統(tǒng)集線器設(shè)計(jì)，但是整體設(shè)計(jì)構(gòu)架上存在缺陷導(dǎo)致故障率偏高，迫切需要一款新產(chǎn)品解決存在的問題，因此我們開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)集線器。

1 產(chǎn)品開發(fā)的目的和意義

減少加油站串口設(shè)備故障率，提升產(chǎn)品的可靠性，方便運(yùn)維人員進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，降低運(yùn)維人工成本。整合加油站內(nèi)所有串口設(shè)備加油機(jī)、加氣機(jī)、POS機(jī)、液位儀等減少串口轉(zhuǎn)換設(shè)備采購。提升產(chǎn)品的可靠性，按照10年連續(xù)無故障運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，一般情況下能可靠運(yùn)行15年以上，如圖1所示。

該產(chǎn)品的研制成功并加以推廣后將提升全國幾十萬個加油站數(shù)據(jù)傳輸效率，一般故障只需員工進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，由此將大大減少由數(shù)據(jù)傳輸過程中產(chǎn)生的維護(hù)、運(yùn)營成本。產(chǎn)品單價低于同類型產(chǎn)品節(jié)省采購成本。而且一次采購工作10年以上，減少折舊成本并給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 產(chǎn)品的技術(shù)方案

開發(fā)階段采用2種網(wǎng)絡(luò)集線器方案：基于Cortex m4+DP83848CVV方案和基于ARM9+DP83848KSQ方案。

圖1

根據(jù)表1對比分析我們技術(shù)上實(shí)現(xiàn)難度Cortex m4較低，而且也首先進(jìn)行驗(yàn)證達(dá)到功能，但是和ARM9設(shè)計(jì)程序運(yùn)行可靠性要求存在差距。雖然該方案沒有通過最終量產(chǎn)，但是給我們產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程積累了大量的軟件、硬件技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，加快了ARM9設(shè)計(jì)方案開發(fā)進(jìn)程，如圖2所示。

3 產(chǎn)品的功能特點(diǎn)及主要技術(shù)性能指標(biāo)

主控板的工作原理是通過核心ARM9處理器接收到特定端口號的TCP數(shù)據(jù)包，通過SPI高速25Mbps/s速度傳送給cortex m4處理器，處理器判斷并發(fā)送給16各串口里面對應(yīng)的串口，串口數(shù)據(jù)通過專用的轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成5種對應(yīng)串口信號實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

要實(shí)現(xiàn)上述功能需要核心ARM9帶2個SPI擴(kuò)張口，一個SPI擴(kuò)張對應(yīng)8個串口；8個串口模塊，每個串口模塊包含2個串口；需要16個RJ45串口，1個RJ45網(wǎng)口；結(jié)構(gòu)框圖如圖3。

表1

表2

圖2

圖3

4 產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

（1）收到串口數(shù)據(jù)按順序轉(zhuǎn)換為TCP數(shù)據(jù)發(fā)送，收到TCP數(shù)據(jù)按順序轉(zhuǎn)化為串口數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)。

（2）允許根據(jù)現(xiàn)場要求更換串口模塊，支持422、484、232、2線電流環(huán)、3線電流環(huán)5種信號，帶指示燈安裝模塊類型。

（3）能通過網(wǎng)頁、專用工具配置修改網(wǎng)絡(luò)地址，修改波特率。

（4）允許員工通過遠(yuǎn)程方式對設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控、配置、重啟。

（5）保證性能情況下控制成本，提高環(huán)境溫度適應(yīng)能力。

4.2 解決途徑

（1）為確保串口數(shù)據(jù)按照順序發(fā)送，TCP采用數(shù)據(jù)指針方式接收并保存，串口數(shù)據(jù)發(fā)送的時候從保存的指針隊(duì)列依次取出發(fā)送完成再釋放內(nèi)存，繼續(xù)下一個指針數(shù)據(jù)發(fā)送直到數(shù)據(jù)發(fā)送完成。這種方式防止數(shù)據(jù)順序混亂，出現(xiàn)后發(fā)的數(shù)據(jù)先收到的情況。特別需要注意是TCP發(fā)送Send()函數(shù)調(diào)用完成后需要設(shè)置無延時發(fā)送，否則特定情況下PC認(rèn)為收發(fā)不成功會出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送。

（2）linux網(wǎng)頁配置基于獨(dú)立的GCC/C 4.4.4 編譯環(huán)境。采用C網(wǎng)絡(luò)編程、HTTP 協(xié)議。為了方便調(diào)試，使用 Web API編程大量使用Json格式。調(diào)試完成后用戶使用非常方便，只需要在中心就可以通過網(wǎng)頁查看設(shè)備是否工作正?；蛘邔υO(shè)備進(jìn)行配置重啟。Windows配置工具采用Qt Creator和vs 2016編譯環(huán)境，程序運(yùn)行和ARM板通信獲取配置信息。

（3）由于422、484、232、2線電流環(huán)、3線電流環(huán)5種信號不同，設(shè)計(jì)時候需要逐一完成優(yōu)化。例如3線電流環(huán)模塊設(shè)計(jì)過程全部采用貼片光耦降低人工安裝成本，提高產(chǎn)品的一致性。2線電流環(huán)設(shè)計(jì)過程發(fā)現(xiàn)門整列芯片太早采購困難，更換GAL芯片重新設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中結(jié)合生成工藝在不影響性能情況下，優(yōu)先保證批量生產(chǎn)方便性，能用貼片都不用插件，能用通用波峰治具的絕不輕易改動。保證生產(chǎn)質(zhì)量同時降低公司生產(chǎn)成本。指示燈只有4個，模塊種類有5種，為此我們在不增加成本情況下，485模塊采用2個燈組合方式指示。

（4）高低溫測試主要是針對于網(wǎng)絡(luò)集線器在-40℃到85℃溫度的環(huán)境下使用時的適應(yīng)性試驗(yàn)。測試過程中出現(xiàn)-40°設(shè)備無法正常啟動，經(jīng)查是晶振的溫度范圍-20℃到75℃導(dǎo)致，更換工業(yè)級晶振啟動正常。

5 網(wǎng)絡(luò)集線器的先進(jìn)性

產(chǎn)品與國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，我們產(chǎn)品采用更加高防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，所有外部引線都通過實(shí)驗(yàn)室雷擊測試，確保產(chǎn)品在雷擊環(huán)境下可靠運(yùn)行10年以上。

雷擊浪涌檢測主要包含兩個方面，一個是電源防雷，一個是信號防雷。電源線路的試驗(yàn)電壓嚴(yán)酷度等級如表2。

電源防雷測試：為提升產(chǎn)品質(zhì)量采用高于4級（受嚴(yán)重騷擾的環(huán)境,如民用架空線,未加保護(hù)的高壓變電所等）測試，電源差、共模都采用10kV/2Ω模擬雷擊測試。測試結(jié)果：模擬雷擊電壓10000V,電流5000A，電壓波 1.2/50μs，電流波形8/20μs。測試結(jié)果殘壓1300V,尖峰電流3900A。連續(xù)5次正反測試后，設(shè)備工作正常。原理圖和測試波形如圖4。

原理圖中采用MOV與陶瓷放電管串原因：陶瓷放電管在其中擔(dān)當(dāng)開關(guān)作用，有效阻隔了MOV的泄漏電流，所以它的漏電電流為零。漏電電流大小關(guān)系到雷擊浪涌保護(hù)器的使用壽命，一般在3-5年，不會更長，復(fù)合型雷擊浪涌保護(hù)器的使用壽命比普通模塊式電浪涌保護(hù)器更長，一般在10年，甚至達(dá)到15年。

采用帶溫度保險(xiǎn)絲壓敏電阻TMOV原因：當(dāng)工頻電流持續(xù)增加或MOV失效以后，導(dǎo)致MOV本體溫度升高到所設(shè)置的TMOV的動作溫度時，溫度敏感器件就會斷開。由此切斷了供給MOV的電流，使MOV的溫升不再升高，從而阻止了由于MOV的失效而引起的著火。為確保地線尖峰電流4900A正常泄放到大地，相關(guān)走線需要采用雙面布線，走線寬度大于80mil。

通信端口防雷測試：通信端口一般感應(yīng)雷測試標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)低于電源線標(biāo)準(zhǔn)，但我們采用電源線防雷等級2kV/2Ω模擬雷擊測試。測試結(jié)果：最高測試電壓2000V,電流1000A，電壓波 1.2/50μs，電流波形8/20μs。通信口殘壓65V左右,電源上殘壓5V。5次連續(xù)測試后端口正常工作。原理圖和測試波形如圖5。

采用氣體放電管、可恢復(fù)保險(xiǎn)絲、TVS管組合防雷原因：氣體放電管被雷擊擊穿而發(fā)生弧光放電，把大量能量吸收泄放到大地上，但是缺點(diǎn)是啟動時間長。TVS反應(yīng)快，殘留電壓小，但是缺點(diǎn)允許通過的雷電電流小?？苫謴?fù)保險(xiǎn)絲作用是氣體放電管雷擊泄放前時候限制TVS電流，保護(hù)TVS管。雷擊設(shè)計(jì)過程還需要注意平時不太關(guān)心的細(xì)節(jié)比如接地，在雷擊泄放瞬間1000A電流情況下如果接地電阻差0.1歐姆產(chǎn)生地電壓100V足夠損壞所有線路板上器件，需要嚴(yán)格按照分開方式連接雷擊大地和工作地布線，并在電源和地間并聯(lián)TVS管防止地線電壓沖擊損壞芯片。

6 產(chǎn)品認(rèn)證狀況

6.1 網(wǎng)絡(luò)集線器CQC認(rèn)證

圖4

圖5

網(wǎng)絡(luò)集線器不在國家強(qiáng)制認(rèn)證范圍，但是本著以客戶為中心的思想為進(jìn)一步提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性，參與了自愿認(rèn)證CQC認(rèn)證。證號CQC12001069813。

6.2 網(wǎng)絡(luò)集線器防爆認(rèn)證

加油站環(huán)境存在一定油氣濃度，防爆安全問題也是考慮要素，產(chǎn)品按照本安防爆標(biāo)準(zhǔn)修改后于2014年通過本安防爆測試并取得國家儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗(yàn)站頒發(fā)的防爆合格證。證號：GYB14.1387。

7 網(wǎng)絡(luò)集線器現(xiàn)場使用情況和用戶反映

網(wǎng)絡(luò)集線器根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)維人員反饋傳統(tǒng)集線器的問題基礎(chǔ)上改進(jìn)，起點(diǎn)高產(chǎn)品質(zhì)量可靠。產(chǎn)品2013年開始出貨，目前已連續(xù)運(yùn)行4年以上，運(yùn)行至今只有一臺設(shè)備發(fā)生外圍開關(guān)電源故障故障率低于0.1%。公司現(xiàn)場運(yùn)維人員反映原來一些加油站經(jīng)常性出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常保修的加油站，更換網(wǎng)絡(luò)集線器后就沒有接到過這個加油站的報(bào)修電話。上海中國石化對這款產(chǎn)品非常滿意，要求所有上海加油站更換網(wǎng)絡(luò)集線器，企業(yè)能下這個決定是對我們產(chǎn)品質(zhì)量的認(rèn)可。

網(wǎng)絡(luò)集線器在2013年推出，至今出貨量已達(dá)1千多臺，給公司創(chuàng)造產(chǎn)值400萬以上，給公司帶來良好的利潤。產(chǎn)品在中國石化屬下的上海、江蘇、湖北、四川、重慶、遼寧、吉林、云南、海南石油分司所屬地區(qū)廣泛使用。產(chǎn)品可與多種類型數(shù)據(jù)接口的加油（氣）機(jī)、液位儀、POS機(jī)聯(lián)接。兼容重慶耐徳、三盈、華氣厚普、濮陽合眾、恒山、佳力佳、正星、三盈、長吉、富仁、德萊塞穩(wěn)、榕興、中意等廠家。

8 結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)集線器的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)加油站設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)，這方面工作國內(nèi)同行也有涉及，但是我們不局限于基本功能，本著以客戶為中心的思想追求不斷創(chuàng)新、不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量可靠性和程序運(yùn)行穩(wěn)定性，增強(qiáng)自身的核心競爭力，充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢并逐漸占領(lǐng)市場份額，我相信經(jīng)過持續(xù)不斷改進(jìn)我們能夠趕上發(fā)達(dá)國家的核心技術(shù)優(yōu)勢。

[1]李毅.嵌入式串口服務(wù)器的設(shè)計(jì)[D].北京交通大學(xué),2012.

[2]周潤景,王洪艷.Cadence高速電路板設(shè)計(jì)與仿真（第5版）原理圖與PCB設(shè)計(jì)+信號與電源完整性分析[M].電子工業(yè)出版社,2015(04).

[3]《電子設(shè)備雷擊試驗(yàn)》GB/T 3482-2008.

[4]《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》GB 5016-2012.

作者單位 上海亞太計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)有限公司 上海市200040