基于μIP协议栈的铁路5T设备电源远程控制系统研究

摘要

无人机房设备电源的远程控制在工业领域占有举足轻重的地位。近年来，电源的控制已经打破了传统性的控制概念，智能化、远程化、网络化控制成为当前重要的发展方向。铁路是国民经济的大动脉，行车安全是铁路的永恒主题，铁路“5T”无人监控设备机房是确保铁路运输安全的重要保障。目前，“5T”设备维护方式十分落后，需派工作人员远程奔赴现场处理，及时性差，运输安全得不到保障。本课题基于目前铁路改革发展趋势，结合铁路数字通道改造契机，设计了基于μIP协议栈的铁路“5T”无人机房设备电源远程控制系统。
　　本文针对铁路“5T”无人机房设备的维护现状进行了论述，提出了设备电源网络远程控制的创新方案（以下简称网络电源控制系统）。对网络电源控制系统进行了分析和设计，将系统分为以主控制器为核心的硬件感知控制层和以客户端为核心的应用层。构建了以需求为平台的硬件感知控制层结构。通过主控制器及以太网模块并通过SPI通信模式实现网络数据传输;通过温度、湿度、红外安防模块实现对现场参数及环境安全的监测，通过继电器模块实现对设备电源的控制。设计了系统硬件感知控制层、网络传输层和应用层的软件。通过对前后台系统进行代码改造，采用类μCOS-Ⅱ的实时操作系统进行数据采集、时钟配置、继电器控制等，提高了系统远程控制的实时性。提出采用基于精简的μIP协议栈设计网络传输层，精简了代码量，提高了数据的传输速度，改善了传输性能。对比目前常用的C/C++等语言，确定选择了C＃.NET实现应用层软件的开发，界面功能强大，使C＃组件转化为网络服务，可以快速进行网络开发。完成了包括网络电源控制界面、登录界面、更改用户界面、添加用户界面和主控制界面等的设计。通过Socket与主控制器进行网络通信，实现对继电器的控制以及环境参数的读取功能。Socket通信运用了单独的线程，减轻了主线程负担，提高了通信质量。对网络电源控制系统进行了整体运行测试，对网络传输速度，传输数据包等进行了分析。系统经过测试和应用，各个硬件模块均能正常工作，符合设计要求。最后对论文进行了总结，对系统进一步完善提出了展望。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 设备电源远程控制技术发展概况

1．2．1 工业物联网的提出及意义

1．2．2 网络电源控制系统的研究现状

1．3 论文的研究内容与拟解决的关键问题

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 拟解决的主要关键技术问题

1．4 系统功能要求及设计参数

1．4．1 系统功能要求

1．4．2 系统参数

1．5 本章小结

2 网络电源控制系统硬件设计

2．1 “5T”设备布局及数据传输网络

2．2 远程控制系统的网络构架

2．2．1 探测站节点设备

2．2．2 探测站节点控制系统功能及实现方法

2．2．3 局内远程控制系统的网络构架

2．3 节点远程控制器的设计框架

2．4 控制系统硬件设计

2．4．1 主控芯片的选择

2．4．2 以太网控制芯片的选择

2．4．3 主控制器模块电路设计

2．4．4 以太网模块电路设计

2．4．5 开关电源模块设计

2．4．6 温湿度传感器模块设计

2．4．7 继电器控制板设计

2．4．8 时钟显示及状态指示电路

2．5 本章小结

3 远程控制系统软件设计

3．1 总体软件设计

3．2 STM32芯片的时钟设置

3．3 MCU底层外设驱动

3．4 模块驱动设计

3．4．1 以太网模块

3．4．2 继电器模块

3．4．3 温湿度传感器模块

3．5 本章小结

4 通信协议μIP的分析与移植

4．1 μIP协议概述

4．2 μIP协议栈协议介绍

4．3 μIP协议的接口函数

4．4 μIP协议的移植

4．4．1 以太网网卡驱动程序

4．4．2 时钟配置

4．4．3 相关参数设置

4．5 本章小结

5 应用层控制界面及程序设计

5．1 C#．NET的总体介绍及开发环境

5．2 控制界面设计

5．2．1 控制界面总体设计

5．2．2 应用界面程序设计

5．3 Socket网络通信

5．3．1 Soket网络通信简介

5．3．2 关于C#的Socket编程

5．4 本章小结

6 系统测试结果

6．1 网络传输性能测试

6．2 数据包分析

6．3 环境参数值检测的误差分析

6．4 本章小结

7 总结

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果