CN102752023B - 基于无线hart和电力线通信的用电终端设备及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于无线HART和电力线通信的用电终端设备及系统，该用电终端设备包括核心控制单元、以及连接于该核心控制单元的输入单元和输出驱动单元，还包括电力线通信单元和无线HART通信单元，所述电力线通信单元和无线HART通信单元分别与所述核心控制单元连接。该系统包括一个终端和至少一个节点，该终端和该节点均采用上述用电终端设备，所述终端和所述至少一个节点通过电力线和/或无线HART网络连接。本智能用电终端设备能够方便地控制支持无线HART协议的用电设备和支持电力线通信协议的用电设备，以及能够与它们进行通信。

Description

基于无线HART和电力线通信的用电终端设备及系统

技术领域

本发明涉及智能用电终端领域，特别涉及智能用电终端设备和智能用电终端系统。

背景技术

目前，常见的家庭智能用电终端设备一般分为家庭安防终端、信息服务终端、电器智能控制终端等等，它们通常是由传感器模块、主控模块、驱动模块、显示模块、报警模块等组成的嵌入式设备。传感器模块能感知外界信息的变化，并将传感器信息传递给主控模块进行处理；主控模块负责整个系统的控制以及数据处理、存储与传输；驱动模块可以驱动外部用电设备工作，以控制电器；显示模块可以将系统的工作状态、处理后的数据等信息显示出来，供用户查询。电力线通信技术是一种利用高压、低压电力线作为传输介质的通信技术，无线HART(Highway Addressable Remote Transducer)技术是一种面向过程测量、控制和资产管理的无线通信技术。由于家庭环境中电力线覆盖范围广，具有电力线通信的先天性优势；又由于家庭环境中建筑结构复杂，障碍物较多，而无线HART技术具有自组织网络特性，可以绕过障碍物，所以具有潜在性的优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能用电终端设备。

本发明智能用电终端设备，包括核心控制单元、以及连接于该核心控制单元的输入单元和输出驱动单元，还包括电力线通信单元和无线HART通信单元，所述电力线通信单元和无线HART通信单元分别与所述核心控制单元连接。

优选地，所述智能用电终端设备还包括以太网单元，该以太网单元与所述核心控制单元连接。

优选地，所述智能用电终端设备还包括显示单元和/或电源管理单元，该显示单元与所述核心控制单元连接，该电源管理单元与所述核心控制单元连接。

优选地，所述智能用电终端设备也可以采用SoC（System on Chip）芯片或类似的方式集成实现。

优选地，所述输入单元包括按键和/或传感器；所述输出驱动单元包括继电器、可控硅、电流调节器、电压调节器和/或频率转换器。

优选地，所述核心控制单元采用STM32F103ZET6微控制器，所述电力线通信单元采用KQ-130F电力线通信模块，所述无线HART通信单元采用CC1100E射频芯片。

优选地，所述核心控制单元包括帧发送模块，用于在有需要的情况下（如查询终端状态信息）向其他终端发送数据帧，或者在帧响应流程中发送回应帧。

优选地，所述核心控制单元包括帧响应模块，用于处理从电力线接收到的帧，所述帧响应模块包括：第一至第三三个子模块，第一子模块用于获取帧的长度值，与第一设定值和第二设定值比较，确定该帧的第一类别属性；第二子模块用于帧寻址；第三子模块用于根据帧的第一类别属性对该帧进行相应的处理；所述第一类别属性包括数据帧和回应帧。

优选地，所述第三子模块包括数据帧处理子模块和回应帧处理子模块；

所述数据帧处理子模块包括：用于获取数据帧的第二类别属性，确定该数据帧承载的数据的类别的子模块；用于从数据帧中提取并记录承载的数据的子模块；用于检验该数据帧的完整性的子模块；以及用于根据数据帧的接收状态执行相应操作并构造回应帧发送到电力线的子模块；所述数据帧的第二类别属性包括信息帧和命令帧；

所述回应帧处理子模块包括：用于从回应帧中获取数据帧的接收状态，并根据数据帧的接收状态执行相应操作的子模块。

优选地，所述第二子模块包括：用于从数据帧中提取并记录发送设备地址，根据发送设备地址判断自己是否是该数据帧的接收设备，实现数据帧寻址的子模块；以及用于从回应帧中提取所述发送设备地址，与对应数据帧中的发送设备地址比较，实现回应帧寻址的子模块。

优选地，所述帧响应模块还包括用于从帧中获取帧的协议ID，与第三设定值比较，排除错误帧的子模块。

本发明智能用电终端系统，包括一个终端和至少一个节点，所述终端采用上述任意一项所述的智能用电终端设备，所述节点采用上述任意一项所述的智能用电终端设备，所述终端和所述至少一个节点通过电力线和/或无线HART网络连接。

由于具有电力线通信单元和无线HART通信单元，本智能用电终端设备能够同时通过无线HART网络和电力线组建通信网络，因此能够方便地控制支持无线HART协议的用电设备和支持电力线通信协议的用电设备，以及能够与它们进行通信。

附图说明

图1是第一实施例智能用电终端设备的原理框图；

图2是第二实施例智能用电终端设备的原理框图；

图3为一些实施例智能用电终端系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1示出了第一实施例智能用电终端设备。如图1所示，第一实施例智能用电终端设备包括核心控制单元1、输入单元2、输出驱动单元3、电力线通信单元4、无线HART通信单元5、电源管理单元6和显示单元7，输入单元2、输出驱动单元3、电力线通信单元4、无线HART通信单元5、电源管理单元6和显示单元7均与核心控制单元1连接。

输入单元2包括按键和CS9803热释电人体感应芯片。可以理解地，在一些实施例中，输入单元2可能只包括按键，在一些实施例中，输入单元2也可能只包括传感器。在一些实施例中，输入单元2可能包括多种传感器，以感应不同的参数，如电流值、电压值、温度值等等。

输出驱动单元3采用达林顿电路继电器。可以理解地，在一些实施例中，根据应用的需要，输出驱动单元3可能采用可控硅、电流调节器、电压调节器或频率转换器，并且，在一个实施例中可能采用它们中的两种或多种作为输出驱动单元以控制多个目标。

核心控制单元1采用ST公司的STM32F103ZET6微控制器，电力线通信单元4采用四川科强电子有限公司的KQ-130F电力线通信模块，STM32F103ZET6微控制器和KQ-130F电力线通信模块通过UART接口相连，无线HART通信单元5采用CC1100E射频芯片，STM32F103ZET6微控制器和CC1100E采用SPI接口相连。可以理解地，核心控制单元1也可以采用其它的嵌入式微控制器，电力线通信单元4也可以采用现有其它的窄带电力线通信模块或者宽带电力线通信模块。无线HART通信单元5也可以采用其它的无线HART射频模块。无线HART通信单元5也可以采用其它的通信接口与微控制器相连。

电源管理单元6采用BM1117稳压芯片，显示单元7采用1602 LCD显示屏。可以理解地，电源管理单元6也可以采用其它的稳压芯片，显示单元7也可以采用LED数码管、普通LCD液晶显示屏或者带触摸功能的LCD液晶显示屏等。

图2示出了第二实施例智能用电终端设备。如图2所示，第二实施例智能用电终端设备包括核心控制单元1、输入单元2、输出驱动单元3、电力线通信单元4、无线HART通信单元5、电源管理单元6、显示单元7和以太网单元8，输入单元2、输出驱动单元3、电力线通信单元4、无线HART通信单元5、电源管理单元6、显示单元7和以太网单元8均与核心控制单元1连接。

输入单元2、输出驱动单元3、电力线通信单元4、无线HART通信单元5、电源管理单元6和显示单元7与实施例1相同，不再叙述。

以太网单元8用于通过以太网传输数据，可以采用嵌入式有线或者无线以太网模块，第二实施例中以太网单元8采用ENC28J60有线以太网芯片。 

第一实施例和第二实施例的智能用电终端设备可以用于构建智能用电终端系统，其中，第一实施例智能用电终端设备可以作为系统中的节点，第二实施例智能用电终端设备既可以作为系统中的节点，也可以作为系统中的终端。

图3示出了一些实施例智能用电终端系统。如图3所示，该智能用电终端系统包括一个终端100和四个节点101-104，其中，四个节点101-104均采用上述第一实施例的智能用电终端设备，终端100采用上述第二实施例的智能用电终端设备，节点101和节点102通过电力线200与终端100连接，节点103和节点104通过无线HART网络与终端100连接。

系统中的终端100负责收集各个节点的数据，收集的数据可以通过显示单元7显示出来，并且可以通过以太网单元8发送到互联网上，换句话说，终端100可以通过互联网与用户通信，向用户传送节点采集的数据，或者向节点下达用户发出的控制指令。

系统中的四个节点101-104负责接收输入数据，例如传感器采集到的电流值、电压值、温度值等，然后向终端100发送数据，还负责从终端100接收数据（控制指令），然后通过输出驱动单元3控制用电器。

由于终端100、节点101和节点102连接在同一电力线上，节点103和节点104通过无线HART网络与终端100连接，且终端100和四个节点101-104均具有电力线通信单元和无线HART通信单元，所以，不但终端100可以和四个节点101-104进行通信，而且四个节点101-104之间也可以互相通信。

可以理解地，在一些实施例智能用电终端系统中，可能所有的节点均通过电力线与终端连接，或者也有可能所有的节点均通过无线HART网络与终端连接；还有可能部分节点通过电力线与终端相连，同时，另外一部分节点通过无线HART网络与终端相连。显然节点的数量可以根据需要而灵活调整。

一些实施例中，可以通过以下方法将节点加入无线HART网络，实现无线HART通信组网。首先，无线HART网络管理器启动，无线HART网络维护工具向待加入节点写入join_key和network_ID；待加入节点监听若干Advertise 数据包，以获取无线HART网络的基本参数，如：网络的可用信道、网络的公共密钥、加入链路的时隙和信道、网络的绝对时隙数等，根据这些参数做相应配置；待加入节点向无线HART管理器发出加入请求；无线HART网络管理器收到请求后验证，如果待加入节点可信，无线HART网络管理器向待加入节点发送设备昵称、网络密钥、会话密钥，并且向待加入节点写入链路、同时更新其父节点通信表；待加入节点向无线HART网络管理器发送邻居报告，该邻居报告包括待加入节点监测到的邻居节点的运行状态（包括RSL），无线HART网络管理器可以根据邻居节点的运行状态，去更改路由或者链路等；无线HART网络管理器更新无线HART网络图，待加入节点加入无线HART网络过程完毕，成为无线HART网络中的一个节点。其中，维护工具能够与现场设备通信，对现场设备配置，或者监测现场设备的运行状态，它可以是手持设备。

可以理解地，本发明也可以采用现有的各种无线HART网络组网方法实现组网。节点与终端之间、以及节点与节点之间的无线HART通信采用现有公知方法，这里不再叙述。

在一些实施例中，电力线通信的实现采用了一种协议，该协议规定了数据帧和回应帧，它们采用不同的帧长度，数据帧用于承载信息以及控制命令，回应帧用于接收设备在接收到数据帧以后，回应发送设备，以对数据帧确认或者错误报警。该协议通过设置在节点和终端的核心控制单元中的帧响应模块实现，该帧响应模块包括第一至第三三个子模块，第一子模块用于获取帧的长度值，与第一设定值（即数据帧的规定长度）和第二设定值（即回应帧的规定长度）比较，确定该帧的第一类别属性；第二子模块用于帧寻址；第三子模块用于根据帧的第一类别属性对该帧进行相应的处理；所述第一类别属性包括数据帧和回应帧。其中，帧的长度值是数据帧和回应帧的一个组成部分。

在一些实施例中，采用的电力线通信协议进一步按数据帧承载的数据的类别规定了两种类型的数据帧，即信息帧和命令帧，并且规定了帧响应机制以及帧解析方式。相应地，在这些实施例中，第三子模块包括数据帧处理子模块和回应帧处理子模块，其中，数据帧处理子模块包括：用于获取数据帧的第二类别属性，确定该数据帧承载的数据的类别的子模块；用于从数据帧中提取并记录承载的数据的子模块；用于检验该数据帧的完整性的子模块；以及用于根据数据帧的接收状态执行相应操作并构造回应帧发送到电力线的子模块；所述数据帧的第二类别属性包括信息帧和命令帧，它们是数据帧的一个组成部分。完整性校验是通过从帧中提取校验信息，并对接收到的帧内容重新计算校验信息，将两者比较，相等则判定接收到的帧是完整的。

回应帧处理子模块包括：用于从回应帧中获取数据帧的接收状态，并根据数据帧的接收状态执行相应操作的子模块。例如，当回应帧中数据帧的接收状态为正确时，检查是否所有数据均发送完，如发送完则结束通信，否则发送下一个数据帧；当回应帧中数据帧的接收状态为校验错误时，可设置为重新发送该数据帧；当回应帧中数据帧的接收状态为类型错误或无法识别的命令或数据时，可报警并记录日志，或者设置为重发该数据帧，在重发一定次数均失败后报警并记录日志。

在一些实施例中，第二子模块包括数据帧寻址子模块和回应帧寻址子模块，数据帧寻址子模块从数据帧中提取并记录发送设备地址，根据发送设备地址判断自己是否是该数据帧的接收设备，从而实现数据帧寻址；回应帧寻址子模块从回应帧中提取所述发送设备（仍然指数据帧的发送设备）地址，与对应数据帧中的发送设备地址比较，相同则是该回应帧的接收设备，不相同则丢弃该回应帧，从而实现回应帧寻址。

在一些实施例中，帧响应模块还包括：用于从帧中获取帧的协议ID，与第三设定值（即规定的协议ID）比较，排除错误帧的子模块。

表                                                 

表1示出了一些实施例中的数据帧的结构，其中第四个字节的帧类型指数据帧的第二属性。

表 2

第一个字节	第二个字节	第三个字节	第四个字节
				帧长度	协议ID	发送设备地址	帧状态

表2示出了一些实施例中的回应帧的结构，其中第四个字节的帧状态指数据帧的接收状态。

表 3

取值	0	1	2	3	5
						含义	数据正确	校验错误	无法识别的命令	无法识别的数据	错误的帧类型

表3示出了一些实施例中数据帧的接收状态信息，共包括6种，分别用不同的数值表示。

本发明智能用电终端系统可用于对家用电器进行统一管理，用户可以通过互联网访问终端，了解和控制家用电器。本发明智能用电终端设备，能够和支持无线HART协议和/或电力线通信的用电设备互相通信，实现对它们的查询和控制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种能够同时运用无线HART和电力线通信方式进行数据传输组网的智能用电终端设备，包括核心控制单元、以及连接于该核心控制单元的输入单元和输出驱动单元，其特征在于：还包括电力线通信单元和无线HART通信单元，所述电力线通信单元和无线HART通信单元分别与所述核心控制单元连接；所述核心控制单元包括帧响应模块，用于处理从电力线接收到的帧，所述帧响应模块包括：

第一子模块，用于获取帧的长度值，与第一设定值和第二设定值比较，确定该帧的第一类别属性；

第二子模块，用于帧寻址；以及

第三子模块，用于根据帧的第一类别属性对该帧进行相应的处理；

所述第一类别属性包括数据帧和回应帧；

所述第三子模块包括数据帧处理子模块和回应帧处理子模块；

所述数据帧处理子模块包括：

用于获取数据帧的第二类别属性，确定该数据帧承载的数据的类别的子模块；

用于从数据帧中提取并记录承载的数据的子模块；

用于检验该数据帧的完整性的子模块；以及

用于根据数据帧的接收状态执行相应操作并构造回应帧发送到电力线的子模块；

所述数据帧的第二类别属性包括信息帧和命令帧；

所述回应帧处理子模块包括：用于从回应帧中获取数据帧的接收状态，并根据数据帧的接收状态执行相应操作的子模块。

2.根据权利要求1所述的智能用电终端设备，其特征在于，还包括：

以太网单元，该以太网单元与所述核心控制单元连接；和/或

显示单元，该显示单元与所述核心控制单元连接；和/或

电源管理单元，该电源管理单元与所述核心控制单元连接。

3.根据权利要求1所述的智能用电终端设备，其特征在于：所述智能用电终端设备采用SoC芯片。

4.根据权利要求1所述的智能用电终端设备，其特征在于：所述输入单元包括按键和/或传感器；所述输出驱动单元包括继电器、可控硅、电流调节器、电压调节器和/或频率转换器。

5.根据权利要求1所述的智能用电终端设备，其特征在于：所述核心控制单元采用STM32F103ZET6微控制器，所述电力线通信单元采用KQ-130F电力线通信模块，所述无线HART通信单元采用CC1100E射频芯片。

6.根据权利要求1所述的智能用电终端设备，其特征在于，所述第二子模块包括：

用于从数据帧中提取并记录发送设备地址，根据发送设备地址判断自己是否是该数据帧的接收设备，实现数据帧寻址的子模块；以及

用于从回应帧中提取所述发送设备地址，与对应数据帧中的发送设备地址比较，实现回应帧寻址的子模块。

7.根据权利要求1所述的智能用电终端设备，其特征在于：所述帧响应模块还包括用于从帧中获取帧的协议ID，与第三设定值比较，排除错误帧的子模块。

8.一种智能用电终端系统，包括一个终端和至少一个节点，其特征在于：所述终端采用权利要求1-7任意一项所述的智能用电终端设备，所述节点采用权利要求1-7任意一项所述的智能用电终端设备，所述终端和所述至少一个节点通过电力线和/或无线HART网络连接。