基于嵌入式以太网柴油发电机组监控系统研究与设计

摘要

由于偏远山区、海岛等区域市电供应困难，使得分布在这些地方的通信基站通常采用柴油发电机组作为供电电源。为保证其安全可靠运行，对其运行状态和参数的实时监控是非常必要的。随着自动化和机电一体化水平的提高，有些柴油发电机组具备了三遥功能，能够对柴油发电机组进行远程遥测、遥信和遥控。但是，传统的柴油发电机组远程监控系统通常以PLC和简单的8位或16位单片机为现场监控，以RS485、Modbus通信协议总线为远程传输方式的集散控制系统。
　　随着嵌入式技术和以太网技术的不断发展，嵌入式以太网技术应用于工业远程监控领域已成为一个热门的趋势。本文设计的基于嵌入式以太网的柴油发电机组监控系统，该系统在目前投入使用中的具有串行通信接口的柴油发电机组现场监控设备基础上，给出了基于“Cortex-M3+μC/OS-Ⅱ+LwIP”技术架构的嵌入式串口以太网通信模块的柴油发电机组远程监控设计方案，实现了串行通信接口的柴油发电机组接入以太网的互联通信。
　　本文首先分析了柴油发电机组监控系统的国内外研究现状和以太网监控系统的发展现状以及将嵌入式以太网技术应用于柴油发电机组的可行性，接着给出了该监控系统的总体设计方案和嵌入式串口以太网通信模块的软硬件设计与实现方法，并进行了抗干扰的设计，然后对监控中心开发平台的选择和搭建进行了研究，最后在实验室局域网内对串口以太网通信模块的功能和单网、组网模式下的监控系统可靠性进行实验研究。
　　本文设计的嵌入式串口以太网通信模块是在μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统和STM32F103ZET6的软硬件平台上移植了LwIP协议栈，分析了数据传输通信协议，实现串口与以太网的相互转换，建立了与服务器的通信接口，完成应用程序开发;监控中心选择WAMP网页开发平台，搭建了监控服务器、Web服务器和数据库服务器，响应客户端监控请求，从而构造了基于B/S模式的嵌入式以太网柴油发电机组监控系统。
　　由于本文设计的嵌入式串口以太网通信模块在不改变原来监控设备的基础上，为支持串口通信的柴油发电机组设备提供了接入以太网的能力，节约了资源，提高了设备重复利用率，属于一种低成本的系统升级监控方案。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本文背景及研究意义

1．2 课题研究动态

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 以太网监控系统发展现状

1．3 本论文的研究目的

1．4 本文研究主要内容和任务

1．5 论文结构安排

第二章 柴油发电机组监控系统方案设计

2．1 嵌入式以太网技术概述

2．1．1 嵌入式技术

2．1．2 以太网技术

2．2 柴油发电机组监控系统需求分析

2．3 柴油发电机组监控系统总体设计方案

2．3．1 中央处理器的选型

2．3．2 以太网模块

2．3．3 串行通信接口

2．4 本章小结

第三章 嵌入式串口以太网通信模块硬件设计与抗干扰设计

3．1 嵌入式串口以太网通信模块硬件设计分析

3．2 中央控制器最小系统设计

3．2．1 电源电路

3．2．2 时钟电路

3．2．3 复位电路

3．2．4 JTAG接口电路

3．2．5 存储电路

3．3 扩展模块电路设计

3．3．1 DM9000以太网模块接口电路

3．3．2 串行通信接口电路

3．4 硬件抗干扰设计

3．5 本章小结

第四章 嵌入式串口以太网通信模块软件设计与抗干扰设计

4．1 μC／OS-Ⅱ操作系统的定制与移植

4．1．1 μC／OS-Ⅱ操作系统的优势

4．1．2 μC／OS-Ⅱ操作系统概述

4．1．3 μC／OS-Ⅱ在STM32F 103ZET6中的移植

4．1．4 μC／OS-Ⅱ操作系统移植测试

4．2 DM9000以太网模块驱动程序设计

4．2．1 DM9000的初始化

4．2．2 DM9000的数据收发

4．2．3 DM9000底层驱动程序测试

4．3 LwIP协议栈的移植

4．3．1 LwIP协议栈的优势

4．3．2 μC／OS-Ⅱ下LwIP协议栈的移植

4．4 数据传输通信协议分析

4．5 应用程序开发

4．5．1 应用程序编程接口

4．5．2 系统软件设计方案

4．5．3 监控任务程序设计

4．5．4 串口采集数据程序设计

4．6 软件抗干扰设计

4．7 本章小结

第五章 柴油发电机组监控中心平台设计

5．1 监控中心开发平台选择

5．2 监控中心服务器搭建

5．2．1 监控服务器

5．2．2 Web服务器

5．2．3 数据库服务器

5．2．4 Web服务器与数据库服务器的连接

5．2．5 Web服务器响应客户端浏览器请求

5．3 柴油发电机组监控网页开发

5．3．1 监控网页用户登录界面

5．3．2 监控网页状态监测界面

5．3．3 监控网页机组控制界面

5．3．4 监控网页串口以太网模块配置界面

5．3．5 监控网页历史数据界面

5．3．6 监控网页运行日志界面

5．4 本章小结

第六章 柴油发电机组监控系统实验研究与测试结果分析

6．1 柴油发电机组监控系统的实验目的

6．2 柴油发电机组监控系统的实验方案

6．2．1 实验方案

6．2．2 实验设备

6．3 系统的硬件电路调试

6．4 嵌入式串口以太网通信模块性能测试

6．4．1 LwIP协议栈ICMP协议测试

6．4．2 串口与以太网互相通信功能测试

6．5 监控中心服务器端测试

6．6 监控系统整体联合测试

6．6．1 监控系统单网功能测试

6．6．2 监控系统组网功能测试

6．7 系统调试中遇到的问题及解决办法

6．8 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 本文完成主要工作

7．2 进一步研究展望

参考文献

硕士期间发表论文和参加科研情况

附录

致谢