引言
本無線監控網關最初的設計目標是應用在樓宇能源監控系統中。樓宇能源監控系統主要由計量終端（電能、水、燃氣、燃油等智能計量終端）、現場監測網絡、信息遠程傳輸網絡、能源監管中心等幾方面組成。本無線監控網關主要是通過現場監測網絡（LON，保留RS485）對計量終端進行數據的收集，并通過無線傳輸網絡將數據通過Internet傳送到能源監管中心。本無線監控網關也可以做簡單修改以適應更多的應用場合。
在傳統的樓宇能源監控系統中，現場監測網絡絕大多數采用串口通信（RS485）接口和Modbus通信協議，信息遠程傳輸網絡也主要是通過有線傳輸的方式將數據傳送到能源監管中心。串口通信（RS485）接口和有線遠程傳輸網絡存在多種不足，如不支持多種通信介質、只能是主從式通信、不同廠家產品的通信協議各不相同、有線遠程傳輸網絡布線困難等。為了解決上述技術上存在的問題，本設計采用Q2686無線CPU和Lonworks技術來實現具有遙控、遙測及定時控制于一體的多功能無線監控網關。
Q2686無線CPU介紹
Q2686 是Wavecom公司的新一代無線CPU Q26系列的一員，它采用ARM9 32bit內核的中央處理器，104MHz，30MIPS，32MB閃存和16MB的RAM，2個模數轉換器，1個USB 2.0接口，1個并口，2個RS232串口，最多可配備44個GPIO，四頻段(GSM 850/900/1800/1900MHz)。
Wavecom 專有的Open AT軟件開發套件，是性能一流的嵌入式蜂窩網絡開發環境，通過Open AT的WIP（TCP/IP協議棧）插件，可以方便地在產品上進行網絡開發。WIP插件還可以配合C-GPS插件或Wavecom其他插件一起應用，可以方便地進行GPS應用開發和TCP/IP的應用開發。
Lonworks控制網絡技術
Lonworks 是由美國Echelon公司開發的一種完整的、全開放的互操作性強、可靠性高、成熟的分布式控制網絡技術，它支持多種通信介質包括雙絞線、電力線、無線（RF）、紅外（IR）、同軸電纜和光纖；Lonworks技術的核心是LonTalk通訊協議，該協議提供一套通信服務，使裝置中的應用程序能在網上對其他裝置發送和接收報文而無須知道網絡拓撲、名稱、地址或其他裝置的功能，所有采用Lonworks技術的產品都遵循LonTalk通訊協議，因此不同廠家的產品可以很方便地接入到同一個Lonworks網絡系統中，它具有以下優點：
1）系統具有開放性和互操作性
Lonworks網絡由節點（即智能控制器）通過固化在內部的符合OSI七層參考模型的LONTALK網絡通訊協議互聯，組成“Peer to Peer”對等網絡。開發人員只需將主要精力花在系統應用設計方面，而不需要專門去實現和測試傳輸線路和通訊系統。
2）分布式無中心控制
網絡節點靠近現場傳感器和執行機構，每個節點都能完成控制和通訊功能，部分節點故障不會造成系統癱瘓，多至九個監控站可安裝在網絡的任何位置并可隨時變換，監控站之間功能完全對等，也可定義為不同級別。這些特點對系統的調試、維護和穩定性都有著重要的意義。
3）系統組態靈活、開發周期短、應用媒體范圍廣泛
采用不同類型的收發器，系統可利用雙絞線、光纜、同軸電纜、電力線、無線、紅外線等多種媒體進行信號傳輸；根據傳輸距離的遠近、傳輸速度和現場設備等具體要求組成自由拓撲結構或總線型等結構，這些都給系統設計和維護升級改造帶來極大的方便。
系統整體框圖
系統整體框圖如圖1所示，GPRS/LON無線監控網關定時查詢Lonworks現場監測網絡上的計量終端的數據，并將數據打包經過GPRS無線網絡、 Internet傳送到監控中心的服務器上，或者是相反的過程，監控中心發出的指令經過Internet、GPRS無線網絡傳送到GPRS/LON無線監控網關，再由GPRS/LON無線監控網關將相應的指令經現場監測網絡傳送到具體的某個計量終端。
圖1 系統整體框圖
無線監控網關的硬件設計
GPRS/LON無線監控網關，其硬件包括Q2686無線CPU、LON雙絞線/電力線通信接口模塊、RS485通信接口和電源單元。圖2為產品設計原理框圖。
圖2 設計原理框圖
Lonworks通信模塊設計
Lonworks通信模塊作為一個單獨的部件安裝在設備的主板上，方便插拔。Lonworks通信模塊分Lonworks雙絞線智能通信模塊和Lonworks電力線智能通信模塊，二者設計為接口完全兼容的結構，接口之間的切換非常方便靈活。
Lonworks 雙絞線智能通信模塊主要由神經元芯片FT 3150核心處理器、FT-X1雙絞線智能收發器、外擴的RAM、EEPROM組成。FT 3150智能收發器包含一個20MHz神經元3150核心、0.5K字節的EEPROM和2K字節的RAM。通過外部存儲器總線，FT 3150收發器能夠尋址多達58K字節的外部存儲，其中16K字節的外部非易失性存儲器保留用于存儲Lonworks系統的固件；支持無極性的總線型、星型、自由型等拓樸布線結構。
Lonworks電力線智能通信模塊是由神經元芯片PL 3150核心處理器、PLT-22電力線收發器、外擴的RAM、EEPROM等組成。Lonworks電力線智能通信模塊與載波通信耦合電路連接，將通信數據耦合到交流220V低壓電力線上進行數據傳輸。
Lonworks通信模塊與Q2686無線CPU通過串行口2進行通信和數據傳輸。
Q2686無線CPU的設計
Q2686 模塊內部包含了1個無線通信模塊、1個ARM9 32bit內核的中央處理器、32MB閃存及16MB的RAM，與一些無線通信模塊需要外擴CPU、閃存、RAM相比，這部分的電路設計比較簡單。 Q2686無線CPU模塊使用100針的接口與印刷電路板連接，主要引出電源、UART、USB、SIM卡、RTC、I/O口等引腳。
輸入/輸出控制單元的設計
本產品設計有3路光電隔離開關量輸入和3路光電隔離繼電器輸出，通過通用I/O口對3路開關量輸入進行實時檢測，通過遠程命令或定時設置對3路繼電器輸出進行控制；輸入/輸出光電隔離并在輸入和輸出端口處增加Y電容和壓敏電阻來增強EMC抗干擾能力。
電源電路的設計
電源是裝置中一個非常重要的部分，電源性能的好壞將直接影響整個裝置的穩定性。本設計中采用的是開關電源，由于開關電源的功率開關管在開關過程中產生較大的傳導電磁和諧波干擾，會對附近的電氣設備造成電磁干擾，因此在開關電源中增加抗干擾和抑制干擾產生的措施是十分必要的，如在輸入端增加共模電感，Y電容、 X電容、在輸出增加LC濾波電路等措施。
在GSM/GPRS脈沖發射模式下，電源應該能夠在瞬間釋放很高的電流峰值，為射頻部分提供3.6V的電壓，3.6V的電壓經過幾個調整管，提供基帶信號所需要的2.8V和1.8V。
程序設計
程序設計包括Q2686無線CPU內的程序設計，和Lonworks通信模塊內的程序設計。
Q2686無線CPU內的程序設計
使用Wavecom公司提供的Open AT 開發套件，使用Open AT project wizard創建工程項目，其中可以選擇eclipse或VC作為開發環境。編程主要是使用Open AT API 函數，Open AT 開發套件提供豐富的API接口函數，非常方便編程。
Q2686無線CPU內的程序設計按功能分為二部分：一部分是通用的程序設計，包括SIM卡的初始化、讀寫設置參數、TCP/IP網絡連接、數據的TCP/IP發送接收等，其程序流程圖如圖3所示；一部分是 UART1和UART2的數據發送接收處理程序，這部分和具體的應用相關，UART1用于RS485總線的數據發送及接收處理，主要包括輪詢RS485計量終端，在收到計量終端返回的數據后，首先進行數據的校驗、提取、保存及發送給監控中心；UART2主要用于和Lonworks通信模塊的通信，也包括數據發送及接收處理，UART2的數據發送主要是將監控中心發送過來的指令發給Lonworks通信模塊，以便監控中心能夠在遠端對Lonworks現場監測網絡進行控制，UART2的數據接收處理主要是將Lonworks通信模塊送來的數據進行數據的校驗、提取、保存及發送給監控中心。
圖3 Q2686無線CPU的程序設計
Lonworks通信模塊內程序設計
Lonworks 通信模塊使用了Neuron神經元芯片，其程序設計需使用Echelon公司lonmake和NodeBuilder兩個軟件，先使用lonmaker創建Lonworks網絡節點，再對單個網絡節點使用NodeBuilder開發環境進行程序的編寫，編程語言使用Neuron C語言，Neuron C是一種專門為Neuron 芯片設計的程序設計語言，它在標準C的基礎上進行了自然擴展，是一個開發Lonworks應用的有力工具。
Lonworks 通信模塊的程序功能主要就是輪詢Lonworks計量終端，在收到計量終端返回的數據后，首先進行數據的提取，然后發送給Q2686無線CPU；或者是接收Q2686無線CPU發送過來的數據，經過解析后發送到Lonworks現場監測網絡的某個計量終端。
小結
本GPRS/LON無線監控網關結合了Lonworks技術及GPRS無線數據傳輸技術。Lonworks技術最近幾年發展非常迅速，應用范圍日益廣泛，而GPRS無線數據傳輸很便捷，隨著無線數據傳輸的資費不斷下調，將具有很高的應用價值。
