模块化设计的多接口主机、包括该主机的控制系统及方法与流程

本发明涉及一种模块化设计的多接口主机、包括该主机的控制系统及方法。

背景技术：

在电力系统监控领域，由于监控项目众多，所以监控终端的类型以及同一种监控终端的数目很多，在此类系统中，都需要对多种类，多数量的终端进行统一的组网管理、路由管理、数据存储、分析处理；同时，根据系统安装现场环境的限制，需要主机支持多种将数据上传到平台的通信链路，并可灵活进行配置；上传方式包含GPRS/3G/4G公网或VPN虚拟专网、站点局域网(光纤环网)，主机可将数据通过上述方式交换上传到监控平台；要实现上述接口功能和数据处理功能必须研发一种现场主机统一管理、兼容各种接口；同时为方便调试该主机需具备无线WiFi(相比蓝牙信号传输距离远，可以覆盖整个现场)通信接口，并可以用手持智能终端通过主机访问和调试各个终端节点。

公开号为“201010004437.4”的模块化多功能监控主机，与监控平台只能通过局域网通信，与终端接口为单一的电缆接口，不能适应现场需求，不能对应各种类型的终端。

公开号为“105547483A”的专利技术，公开了一种用于组网式红外矩阵实时测量开关柜温度的方法；其中涉及一种处理和转发温度数据的控制器(从系统角度讲，我们称之为一种该系统专用的现场主机)，虽然该专利简单描述了现场主机的主要功能，但是并没有该主机详细的描述。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种模块化设计的多接口主机、包括该主机的控制系统及方法，该主机模块化的多接口设计，可以实现现场各类终端的灵活接入，同时实现数据处理、调度、存储及多种方式上传。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于模块化设计的多接口主机，包括MCU单元，所述MCU单元分别与模块化设计的电源管理单元、实时时钟单元、数据存储单元、开关量输入单元、模拟量采集单元、控制量输出单元、差分总线单元、射频通信单元、WiFi通信单元、以太网转换单元、蜂窝通信单元、sha-1加密单元及温湿度监测单元连接。

所述MCU单元、温湿度监测单元、开关量输入单元、射频通信单元、WiFi通信单元、以太网转换单元及蜂窝通信单元组成主机状态监测及模式配置管理模块。

所述MCU单元、以太网转换单元、蜂窝通信单元及WiFi通信单元组成数据上行接口控制模块；

所述MCU单元、差分总线单元、射频通信单元、开关量输入单元、模拟量采集单元及控制量输出单元组成数据下行接口模块。

所述MCU单元、WiFi通信单元及开关量输入单元组成主机现场调试接口模块。

包含所述一种基于模块化设计的多接口主机的控制系统，所述MCU单元通过射频通信单元、WiFi通信单元、以太网转换单元或蜂窝通信单元与监控平台和终端进行通信；同时所述MCU单元通过WIFI接口调试设备与所述监控平台进行通信。

采用所述控制系统的控制方法，包括：

电源管理单元对所述主机的电源电压进行监控，保证主机的正常工作电压；

温湿度监测单元、开关量输入单元、射频通信单元、WiFi通信单元、以太网转换单元及蜂窝通信单元通过与MCU单元配合工作完成对主机的状态监测及模式配置管理；

WiFi通信单元、以太网通信单元及蜂窝通信单元包含了主机所有的数据上行通道，将主机发送数据给监控平台；温湿度监测单元、开关量输入单元、模拟量采集单元、控制量输出单元、差分总线单元及射频通信单元包含了主机所有的数据下行通道，将主机发送数据给终端；

通过WiFi通信单元、开关量输入单元及MCU单元进行主机的现场调试；

sha-1加密单元和MCU单元配合工作进行安全管理认证。

所述电源管理单元每100ms对主机各部分电源电压进行ADC采样，并将结果发送给MCU单元；

MCU单元根据ADC采样结果和预设安全电压范围，控制主机进行电源主备切换或断电；

MCU单元根据监控平台的控制命令，对电源管理单元进行主备切换、通电或断电操作；

所述主机的各部分电源电压有：主电源48V、备用主电源27V、12V、5V及3.3V；当以上5种电压等级超过预设安全阈值时，则通过MCU单元控制该部分电源切断，并产生电源异常事件，上报监控平台；

当主电源48V低于备用主电源27V时，通过MCU单元将主电源进行主备切换，切断48V电源，同时采用27V电源供电；当48V电压等级大于备用主电源时，MCU单元将主机主电源切换为48V供电。

温湿度监测单元对主机环境的温湿度进行采集和数字化，并将结果发送给MCU单元；

开关量输入单元连接主机箱的触发按钮、门磁装置等，并对开关量进行采集，将结果发送给MCU单元；

射频通信单元、WiFi通信单元、以太网通信单元、蜂窝通信单元分别对单元状态量进行实时记录，并定时发送给MCU单元；

MCU单元将以上收集的信息打包发送给监控平台，监控平台进行展示和报警；

MCU单元接收监控平台下发的主机运行模式配置信息，并控制主机进入相应运行模式；

运行模式包括正常运行模式和调测模式：

正常运行模式下，MCU单元控制选择WiFi通信单元、以太网转换单元、蜂窝通信单元中的一个，作为数据上行通道；

调测模式下，MCU单元支持WiFi通信单元、以太网通信单元、蜂窝通信单元所发送的所有协议数据和调测数据。

MCU单元从上行通道接收到透传协议数据时，主机通过MCU单元转发给对应终端；

MCU单元定时控制终端进行数据采集，当MCU单元通过数据下行通道接收到终端数据时，主机通过MCU单元对终端采集的数据进行存储和上传到监控平台；

MCU单元接收到监控平台下发的主机或终端程序升级协议时，主机通过MCU单元和当前的数据上行通道对程序文件进行接收；并根据程序文件描述信息，控制自身进行固件升级或终端程序文件的转发；

MCU单元接收到监控平台的校时协议时，MCU单元首先从实时时钟单元获取当前时间，比较协议时间与本地时间，并更新本地时间；然后MCU单元分别向下行通道发送与终端的校时协议。

进行主机的现场调试时，

当开关量输入单元检测到奇数次外部触发输入，主机通过MCU单元控制WiFi通信单元进行上电和初始化，并正常运行；

当开关量输入单元检测到偶数次外部触发输入，主机通过MCU单元控制WiFi通信单元断电；

WiFi通信单元在WiFi局域网中作为AP存在，带有WiFi功能的STA设备接入AP时，WiFi通信单元上报给MCU单元；当WiFi通信单元接收到STA设备发送的数据时，WiFi通信单元完整的转发给MCU单元；

当WiFi通信单元接收到MCU单元发送的数据时，WiFi通信单元会将数据转发给每一个已经连接的STA设备。

进行安全管理认证的方法包括：

MCU单元保存一个八字节长度的秘钥，sha-1加密单元通过工装写入一个八字节长度的密钥；

主机上电后，MCU单元发送控制命令给sha-1加密单元，读取sha-1加密单元的MAC地址、出厂信息；并发送一列8字节长度的随机数给sha-1加密单元；

MCU单元按顺序将获取到的sha-1加密单元的MAC地址、出厂信息、8字节长度的随机数、8字节长度的密钥合并为一个一维数组，并对其进行sha-1摘要处理，最后得到20个字节长度的摘要值；

Sha-1加密单元同上进行sha-1算法摘要处理，得到20个字节长度的摘要值；并发送给MCU单元；

MCU单元比较两个摘要值是否相同；如果相同，则程序正常运行，否则继续进行上述步骤，直到认证通过。

还包括：

差分总线单元、射频通信单元、开关量输入单元、模拟量采集单元、控制量输出单元分别对应主机逻辑端口1-5：

MCU单元接收到监控平台下发的端口1终端接入命令后，主机通过MCU单元控制差分总线单元扫描是否有终端接入，如果有终端接入，则获取终端属性信息，并存储，上报监控平台；如果没有终端接入，则上报监控平台；

MCU单元接收到监控平台下发的端口2终端接入命令后，主机通过MCU单元控制射频通信单元扫描是否有终端接入，如果有终端接入，则获取终端属性信息，并存储，上报监控平台；如果没有终端接入，则上报监控平台；

MCU单元接收到监控平台下发的端口3终端接入命令后，主机通过MCU单元控制开关量输入单元扫描是否有终端接入，如果有终端接入，则获取终端属性信息，并存储，上报监控平台；如果没有终端接入，则上报监控平台；

MCU单元接收到监控平台下发的端口4终端接入命令后，主机通过MCU单元控制模拟量采集单元扫描是否有终端接入，如果有终端接入，则获取终端属性信息，并存储，上报监控平台；如果没有终端接入，则上报监控平台；

MCU单元接收到监控平台下发的端口5终端接入命令后，主机通过MCU单元控制控制量输出单元进行打开和关闭操作，相关工程技术人员对端口5下挂接的终端进行测量，判断控制量输出是否正常。

本发明的有益效果：

1、可以实现现场多种类、多数量终端进行统一的组网管理、路由管理、数据存储、分析处理。

2、可以突破现场环境的限制，通过灵活配置，通过GPRS/3G/4G公网或VPN虚拟专网、站点局域网(光纤环网)等多种方式，将现场数据上传。

3、现场实现WIFI调试，信号传输距离远，可以实现覆盖整个现场。

4、一种基于模块化设计的多接口主机，可以实现现场各类终端的灵活接入，同时实现数据处理、调度、存储及多种方式上传。

5、同时该主机所具有的控制系统可以实现时间同步，多接口兼容、状态实时自检、模块化设计、通用调度流程、多级存储机制，配置多种工作模式，强适应性功能。

6、通过本发明的实施，实现一机多能，适应现场各种需求，减少主机的使用量，经济成本低，出现问题概率低，提高了整个电力系统运行的稳定性，保障了电力运行的安全和可靠。

附图说明

图1为本发明主机硬件组成示意图；

图2为本发明主机控制系统框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1，模块化设计的多接口主机，为了实现现场各类终端的灵活接入，同时实现数据处理、调度、存储及多种方式上传，主要有以下14个硬件单元构成：电源管理单元、MCU单元、实时时钟单元、数据存储单元、开关量输入单元、模拟量采集单元、控制量输出单元、差分总线单元、射频通信单元、WiFi通信单元、以太网转换单元、蜂窝通信单元、sha-1加密单元、温湿度监测单元；其硬件连接关系框图如图1。

其中，所述电源管理单元，由48V主电源和输出为27V的超级电容组、以及不同电压产生电路组成，为主机提供稳定可靠的电源。

所述MCU单元，采用STM32F429高性能ARM架构MCU，拥有8路串行通信接口，保证了主机的多接口设计。

所述实时时钟单元，采用PCF8563芯片，低功耗，保证主机断电后能够长时间保持正确时间计时。

所述数据存储单元，采用2M容量的FRAM芯片FM25V20A和大容量Noflash存储芯片。

所述开关量输入单元，由三极管、电容、电阻等元件组成，可对外部0-5V基准的开关量进行检测。

所述模拟量检测单元，采用高精度ADC芯片，保证对模拟量采集的精确性。

所述控制量输出单元，采用继电器将主机电路与外接控制电路进行隔离。

所述差分总线单元，采用MAX13431芯片，稳定性高，保证差分通信稳定性。

所述射频通信单元，选用了基于LoRa技术的远距离低功耗射频芯片SX1278，保证在复杂工业环境下射频通信的距离和准确性。

所述WiFi通信单元，采用低功耗嵌入式Wi-Fi模块实现，支持802.11b/g/n无线标准，具备UART/SPI/GPIO数据通信，支持STA/AP/STA+AP共存工作模式，支持多路(不低于5路)TCP Client连接，支持外置天线接口；具体选用型号为HF-LPB100模块。

所述以太网转换单元采用嵌入式以太网串口数据转换模块，集成10/100M自适应以太网接口,集成TCP/IP协议栈,具有TCP Server,TCP Client,UDP和Real COM driver等多种工作模式,支持最多四个连接,支持域名访问等功能,内置WEB服务器，方便网页配置，串口波特率300bps～230.4kbps范围内可设；选用型号IPort-2(ZLG)。

所述蜂窝通信模块，支持2.5G(GPRS/EDGE/CDMA1X)/3G(WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA)/4G(TD-LTE/FDD-LTE)数字蜂窝无线通信，用于没有有线网络的场合。

所述sha-1加密单元，采用基于sha-1摘要算法的DS28E01芯片。这个单元主要就是芯片DS28E01以及其外围电路，他的主要功能是，可以通过单口通信写入一个设定的秘钥，并可以多次擦写修改，但是只能修改，无法读取；另一方面，主机的主芯片中的主程序也会预存一个密钥，在运行前，会首先与该sha-1芯片通信，使用随机数和密钥进行对接，如果两边对含有自身密钥的数据都经过sha-1摘要得出的结果相同，则说明二者存储的密钥相同，程序继续正常运行；否则，程序不再继续运行，会持续验证该项；这样通信的全程外界无法获取两边芯片中的密钥，也无法通过sha-1摘要值反推出密钥，保证主机程序即便被复制，但不能在芯片DS28E01中写入正确密钥，主机也不能正常运行。

所述温湿度监测单元，采用CC2D23S温湿度监测芯片。

包含所述一种基于模块化设计的多接口主机的控制系统，所述MCU单元通过射频通信单元、WiFi通信单元、以太网转换单元或蜂窝通信单元与监控平台和终端进行通信；同时所述MCU单元通过WIFI接口调试设备与所述监控平台进行通信。

由上述硬件系统可以组成电源控制模块、主机状态监测及模式配置管理模块、数据调度管理模块、数据上行接口控制模块、数据下行接口控制模块、主机现场调试接口控制模块、数据存储管理模块、安全管理模块。最终实现可以实现时间同步，多接口兼容、状态实时自检、模块化设计、通用调度流程、多级存储机制，配置多种工作模式，强适应性的功能。

下面对控制系统的控制方法给出具体描述：

电源控制模块，通过电源管理单元及MCU单元来实现。其具体实现过程如下：

1)电源管理单元每100ms对主机各部分电源电压进行ADC采样，并将结果发送给MCU单元。

2)MCU单元根据ADC采样结果和预设安全电压范围，控制主机进行电源主备切换或断电。

3)MCU单元根据监控平台的控制命令，对电源管理单元进行主备切换、通电、断电操作。

例如，电源管理单元的主要电压等级有：主电源48V、备用主电源27V、12V、5V、3.3V；当以上5种电压等级超过自身安全阈值，则主机通过MCU单元控制该部分电源切断，并产生电源异常事件，上报监控平台。

当主电源48V低于备用主电源27V，则主机通过MCU单元将主机主电源进行主备切换，切断48V电源，同时采用27V电源供电；当48V电压等级大于备用主电源时，MCU单元将主机主电源切换为48V供电。

当监控平台下发控制命令，如切断某个硬件模块的电源，则主机通过MCU单元进行切断电源操作。

所述主机状态监测及模式配置管理模块，主要通过MCU单元和温湿度监测单元、开关量输入单元、射频通信单元、WiFi通信单元、以太网转换单元、蜂窝通信单元来实现。具体实现过程如下：

1)温湿度监测单元对主机环境的温湿度进行采集和数字化，并将结果发送给MCU单元。

2)开关量输入单元连接主机箱的触发按钮、门磁装置等，并对开关量进行采集，将结果发送给MCU单元。

3)射频通信单元、WiFi通信单元、以太网通信单元、蜂窝通信单元分别对单元状态量进行实时记录，并定时发送给MCU单元。

4)MCU单元以上收集的信息打包发送给监控平台，监控平台可进行展示和报警。

5)MCU单元接收监控平台下发的主机运行模式配置信息，并控制主机进入相应运行模式。

例如：主机可设置两种运行模式，正常运行模式和调测模式。

正常运行模式下，MCU单元控制选择WiFi通信单元、以太网转换单元、蜂窝通信单元中的一个，作为数据上行通道；调测模式下，MCU单元支持WiFi通信单元、以太网通信单元、蜂窝通信单元所发送的所有协议数据和调测数据。

数据调度管理模块，通过主机MCU单元来实现，具体实现过程如下：

1)WiFi通信单元、以太网通信单元、蜂窝通信单元包含了主机所有的数据上行通道(主机发送数据给监控平台的通道)，温湿度监测单元、开关量输入单元、模拟量采集单元、控制量输出单元、差分总线单元、射频通信单元包含了主机所有的数据下行通道(主机发送数据给终端的通道)。

2)MCU单元从上行通道接收到透传协议数据时，主机通过MCU单元转发给对应终端；

3)MCU单元定时控制各种类型终端进行数据采集，当MCU单元通过数据下行通道接收到终端数据时，主机通过MCU单元对终端采集的数据进行存储和上传到监控平台。

4)MCU单元接收到监控平台下发的主机或终端程序升级协议时，主机通过MCU单元和当前的数据上行通道对程序文件进行接收；并根据程序文件描述信息，控制自身进行固件升级或终端程序文件的转发。

5)MCU单元接收到监控平台的校时协议时，MCU单元首先从实时时钟单元获取当前时间，比较协议时间与本地时间，并更新本地时间；然后MCU单元分别向下行通道发送与终端的校时协议。

数据上行接口控制模块，通过MCU单元、以太网转换单元、蜂窝通信单元、WiFi通信单元来实现，主要实现方式如下：

1)主机通过以太网转换单元、蜂窝通信单元、WiFi通信单元可提供有5种数据上行方式：GPRS方式(蜂窝通信单元)、短信方式(蜂窝通信单元)、3G/4G联网方式(蜂窝通信单元)、以太网方式(以太网转换单元)、WiFi联网方式(WiFi通信单元)。

2)MCU单元接收到监控平台下发的GPRS方式配置命令时，主机通过MCU单元对蜂窝通信单元进行上电初始化、运行控制和状态监控。

3)MCU单元接收到监控平台下发的短信方式配置命令时，主机通过MCU单元对蜂窝通信单元进行上电初始化、运行控制和状态监控。

4)MCU单元接收到监控平台下发的3G/4G联网方式配置命令时，主机通过MCU单元对蜂窝通信单元进行上电初始化、运行控制和状态监控。

5)MCU单元接收到监控平台下发的以太网方式配置命令时，主机通过MCU单元对蜂窝通信单元进行上电初始化、运行控制和状态监控。

6)MCU单元接收到监控平台下发的WiFi联网方式配置命令时，主机通过MCU单元对蜂窝通信单元进行上电初始化、运行控制和状态监控。

数据下行接口模块，通过MCU单元、差分总线单元、射频通信单元、开关量输入单元、模拟量采集单元、控制量输出单元来实现。主要实现方式如下：

1)差分总线单元、射频通信单元、开关量输入单元、模拟量采集单元、控制量输出单元分别对应主机逻辑端口1-5。

2)MCU单元接收到监控平台下发的端口1终端接入命令后，主机通过MCU单元控制差分总线单元扫描是否有终端接入，如果有终端接入，则获取终端属性信息，并存储，上报监控平台；如果没有终端接入，则上报监控平台。

3)MCU单元接收到监控平台下发的端口2终端接入命令后，主机通过MCU单元控制射频通信单元扫描是否有终端接入，如果有终端接入，则获取终端属性信息，并存储，上报监控平台；如果没有终端接入，则上报监控平台。

4)MCU单元接收到监控平台下发的端口3终端接入命令后，主机通过MCU单元控制开关量输入单元扫描是否有终端接入，如果有终端接入，则获取终端属性信息，并存储，上报监控平台；如果没有终端接入，则上报监控平台。

5)MCU单元接收到监控平台下发的端口4终端接入命令后，主机通过MCU单元控制模拟量采集单元扫描是否有终端接入，如果有终端接入，则获取终端属性信息，并存储，上报监控平台；如果没有终端接入，则上报监控平台。

6)MCU单元接收到监控平台下发的端口5终端接入命令后，主机通过MCU单元控制控制量输出单元进行打开和关闭操作，相关工程技术人员对端口5下挂接的终端进行测量，判断控制量输出是否正常。

主机现场调试接口模块，通过MCU单元、WiFi通信单元、开关量输入单元来实现，主要为了便于工程人员现场对主机进行调试和控制，主要实现方式如下：

1)当开关量输入单元检测到奇数次外部触发输入，主机通过MCU单元控制WiFi通信单元进行上电和初始化，并正常运行。

2)当开关量输入单元检测到偶数次外部触发输入，主机通过MCU单元控制WiFi通信单元断电。

3)WiFi通信单元在WiFi局域网中作为AP存在，当手机等带有WiFi功能的STA设备接入AP时，WiFi通信单元上报给MCU单元。当WiFi通信单元接收到STA设备发送的数据时，WiFi通信单元会完整转发给MCU单元。

4)当WiFi通信单元接收到MCU单元发送的数据时，WiFi通信单元会将数据转发给每一个已经连接的STA设备。

现场调试是指：通过手机等智能WiFi设备，连接主机WiFi网络，并通过WiFi网络，发送终端的调试命令(主机作为中转机构，如测温系统中可读取终端检测的温度数据，控制终端定位指示灯点亮等操作)，或者读取主机状态信息(电压、主机环境温度等参数；主机名称、编号、安装位置等属性)，或者对主机传送大文件(主机程序文件、终端程序文件)，进行主机或者终端的程序升级。

数据存储管理模块，通过数据存储单元、MCU单元实现，主要实现方式如下：

1)当主机接收到终端发送的数据，主机通过MCU单元控制数据存储单元对接收到的数据进行存储。

2)当主机接收到监控平台发送的主机配置信息，主机通过MCU单元对数据进行存储。

3)当主机上电运行时，主机通过MCU单元读取数据存储单元中的配置信息。

安全管理模块，主要通过sha-1加密单元和MCU单元来实现，主要实现方式如下：

1)MCU单元保存一个八字节长度的秘钥，sha-1加密单元通过工装写入一个八字节长度的密钥。

2)主机上电后，MCU单元发送控制命令给sha-1加密单元，读取sha-1加密单元的MAC地址、出厂信息。并发送一列8字节长度的随机数给sha-1加密单元。

3)MCU单元按顺序将获取到的sha-1加密单元的MAC地址、出厂信息、8字节长度的随机数、8字节长度的密钥合并为一个一维数组，并对其进行sha-1摘要处理，最后得到20个字节长度的摘要值。

4)Sha-1加密单元同上进行sha-1摘要处理，得到20个字节长度的摘要值。并发送给MCU单元。

5)MCU单元比较两个摘要值是否相同。如果相同，则程序正常运行，否则继续进行上述步骤，直到认证通过。

本发明可以实现时间同步，多接口兼容、状态实时自检、模块化设计、通用调度流程、多级存储机制，配置多种工作模式，强适应性功能。

时间同步，是指本主机在登录时，会主动与前端机进行校时，并定时与前端机和各个端口的终端进行校时。保证数据包中的时间在误差范围内。

多接口兼容，是本主机设计预留有多重上行和下行接口，可根据现场环境，方便选择上行和下行方式。同时各个接口的通信参数均具有一定的自适应性，如通信波特率等。

状态实时自检，是指本主机实时对自身运行状态进行自检，并能异常出现后极短时间内产生报警事件，保证了系统的安全性。

模块化设计，是指主机控制系统完全采用模块化程序设计思想，对不同的功能或功能模块进行模块化封装，提高主机的兼容性。

通用调度流程，是指主机对各个接口的数据进行统一的调度管理：对下行接口进行定时巡检和状态上报，对上行接口的数据按照既定协议进行分类和转发；保证了主机的兼容性。

的多级存储机制，是指对各个接口的数据进行主机本地存储，不考虑这些数据在终端是否已经存储，在某一级数据丢失时，可从多级存储中找回数据，提高数据安全性。

可配置多种工作模式，是指主机支持调测模式和正常模式两种工作方式，方便进行调试。

强适应性，是指主机可通过一定的配置组合，在多种不同环境下使用，提高了主机的通用性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。