基于电力物联网的嵌入式电力通信管理机的制作方法

本实用新型专利涉及嵌入式电力通信管理机，其主要用于电力自动化系统、综合能源管理系统、动力环境监控系统、楼宇智能化系统等，实现现场不同厂家、不同型号智能设备的接口转换、数据采集、数据处理、数据打包、数据转发等，提供包括RS232、RS485通信、WIFI、LoRaWAN、2G/3G/4G无线通信、ZigBee无线通信等功能。

背景技术：

目前国内电力自动化领域采用的嵌入式通信管理机在通信接口、通信数据采集以及通信数据转发方面都是采用RS485、RS232、USB、以太网口接口等，这些传统物理接口造成现场必须敷设专用的屏蔽双绞线或超5类线来实现数据的采集或数据的转发。而且超5类线等传输距离无法超过100米，在超过100米的场合需要采用光缆传输，造成施工成本、施工难度等大幅增加，影响了监控系统的快速施工和调试。在一些特殊的场合，还存在通信线缆无法通过的物理障碍等问题。加上近些年移动物联网的快速发展，各种无线通信成本大幅降低、可靠性大幅提升。因此，有必要研发一款结合多种无线通信接口的嵌入式电力通信管理机，这些无线接口既可以用来采集现场各种智能的数据，也可以用来通过不同的无线方式转发数据到远方服务器端。

技术实现要素：

为了解决上述传统嵌入式电力通信管理机通信接口较为单一，无法满足现场各种具备无线通信接口的新型电力智能设备的联网需求和各种无线数据转发通道需求，本实用新型旨在提出一种既具备传统的RS232、RS485、以太网口、USB口等通信接口，同时又能提供WIFI、LoRaWAN、2G/3G/4G无线通信、ZigBee无线通信接口的嵌入式电力通信管理机。

本实用新型解决上述问题，本实用新型提供了以下的技术方案：

一种基于电力物联网的嵌入式电力通信管理机，所述电力通信管理机包括：核心板AM335X CPU(1)、LCD显示和按键、通讯指示电路(2)、RS232、RS485扩展电路(3)、扩展CPU STM32F103电路(4)、千兆以太网通信接口电路(5)、USB接口电路(6)、LoRaWAN无线通信接口电路(7)、2G/3G/4G蜂窝无线通信接口电路(8)、ZigBee无线通信接口电路(9)、WIFI无线通信接口电路(10)；所述扩展CPU STM32F103电路(4)、千兆以太网通信接口电路(5)、USB接口电路(6)、LoRaWAN无线通信接口电路(7)、2G/3G/4G蜂窝无线通信接口电路(8)、ZigBee无线通信接口电路(9)、WIFI无线通信接口电路(10)分别与核心板AM335XCPU(1)电连接，所述LCD显示和按键、通讯指示电路(2)、RS232、RS485扩展电路(3)分别与扩展CPU STM32F103电路(4)电连接；所述RS232、RS485扩展电路(3)与所述LCD显示和按键、通讯指示电路(2)中的通讯指示电路部分电连接；

所述核心板AM335X通过SPI、UART、并行口扩展以太网接口、USB接口、2G/3G/4G蜂窝无线接口、LoRaWAN无线接口、ZigBee无线接口、WIFI无线接口，所述扩展CPU STM32F103电路(4)还用于LCD液晶显示驱动、按键输入采集、LED通讯状态指示功能。

优选地，所述LoRaWAN无线通信接口电路(7)采用Semtech公司SX1278芯片作为核心芯片；

所述2G/3G/4G蜂窝无线通信接口电路(8)采用SL3000芯片实现2G/3G/4G蜂窝无线通信接口扩展；

所述ZigBee无线通信接口电路(9)采用内置ZigBee协议栈的CC2430芯片实现ZigBee无线通信接口的扩展；

所述WIFI无线通信接口电路(10)采用高性能、低功耗、体积小SDIO接口无线模组RTL8189ES芯片实现WIFI无线模块接口扩展。

优选地，所述通信管理机通过RS485、RS232接口电路，以及无线方式，完成现场数据采集或与远程集控中心实现数据交换。

优选地，采用AES-128加密算法保证无线数据传输的安全性，采用CSMA/CA协议防止无线传输中的数据堵塞与冲突。

优选地，采用扩展的STM32F103CPU实现装置LCD液晶显示、按键输入、LED通讯状态指示。

优选地，所述RS232、RS485扩展电路(3)中，其中RS485通信电路模块具体为：采用ADM2483芯片作为核心芯片，ADM2483芯片的RE、DE端口分别通过串联电阻R2外接高电位，RxD端口悬空，TxD端口通过串联电阻R1外接高电位，芯片A端口，通过电阻R3连接VCC，芯片B端口通过点入R11接地；A端口与B端口之间分别并联电阻R10、双向二极管D1，再分别通过双向二极管D2、D3串接接地；其中D1、D2、D3均采用SMCBJ6.0CA型双向二极管。

优选地，所述RS232、RS485扩展电路(3)中，其中RS232通信电路模块具体为：采用ADM2483芯片作为核心芯片，ADM2483芯片的RE、DE端口分别通过串联电阻R24外接高电位，RxD端口悬空，TxD端口通过串联电阻R23外接高电位，芯片A端口，通过电阻R25连接VCC，芯片B端口通过点入R28接地；A端口与B端口之间分别并联电阻R27、双向二极管D6，再分别通过双向二极管D7、D8串接接地；其中D6、D7、D8均采用SMCBJ6.0CA型双向二极管。

优选地，所述LCD显示和按键、通讯指示电路(2)电路中的通讯指示电路具体为：采用74HC14D芯片作为核心，其中74HC14D芯片的1A、2A端与5A、6A端分别与RS232、RS485电路中的ADM2483芯片的DE、TxD信号端口连接，以检测其信号状态；74HC14D芯片的1Y、2Y端分别通过串接电阻R39、R40，连接发光二极管COM1，5Y、6Y端分别通过串接电阻R41、R42连接发光二极管COM2，COM1、COM2另一端接地。

优选地，采用两个MAX3232芯片作为AM335X与STM32F103芯片的中间连接电路；所述AM335X芯片的CAN1_RX、CAN1_TX引脚接入的第一个MAX3232芯片的T1IN、R1OUT引脚，第一个MAX3232芯片对应的引脚T1OUT、R1IN接第二个MAX3232芯片的T1IN、R1OUT引脚，第二个MAX3232芯片对应的引脚R1OUT、T1IN接扩展1#CPU STM32F103芯片的PA9、PA10引脚。

采用AM335X核心模块加上STM32F103扩展传统的RS232、RS485、USB、以太网接口等；采用Semtech公司SX1278芯片实现LoRaWAN无线通信接口扩展；采用SL3000芯片实现2G3G4G无线通信接口扩展；采用内置ZigBee协议栈的CC2430芯片实现ZigBee无线通信接口的扩展；采用高性能、低功耗、体积小SDIO接口无线模组RTL8189ES芯片实现WIFI无线模块接口扩展。基于电力物联网的新型嵌入式电力通信管理机具有以下几个特征：提供传统的稳定的RS485、RS233、RJ45以太网口、USB等有线通信接口；集成的WIFI、LoRaWAN、2G/3G/4G、ZigBee等无线接口既可以用来下行数据采集通道，也可以用来作为上行数据转发通道。这些无线通信接口硬件电路采用模块化设计，通过增加对应的模块化驱动程序来启动实际需要的无线通信接口。这为今后基于云平台大数据的电力数字化运维系统数据采集和组网提供了更加灵活、更经济的方案和选择。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：采用基于电力物联网的新型嵌入式电力通信管理机，可以更好的满足现场不同种类智能设备的通信接口要求，对于一些无法敷设有线通信电缆的应用场合，可以快速的实现智能设备的数据采集、处理和转发。由于这些无线通信接口硬件电路采用模块化设计，可以根据现场实际的情况灵活选择某一种或某两种无线通信接口方式来灵活处理，较好的省掉了外围不同种类无线通信接口模块的安装配置等，提高了通信数据采集的可靠性和经济性，具备广阔的社会经济价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型RS232、RS485通信接口的通信状态指示灯电路结构示意图；

图3为本实用新型扩展CPU STM32F103电路结构示意图；

图4为本实用新型RS485扩展通信电路结构示意图；

图5为本实用新型RS232扩展通信电路结构示意图；

图6为本实用新型AM335X与两个MAX3232芯片连接电路结构示意图。

图中：1-CPU AM335X，2-LCD液晶显示、按键及指示灯电路，3-RS232、RS485扩展通信电路，4-扩展CPU STM32F103，5-两路千兆以太网通信接口电路，6-USB接口电路，7-LoRaWAN无线通信电路，8-2G/3G/4G无线通信接口电路，9-ZigBee无线通信接口电路，10-WIFI无线通信接口电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，RS232、RS485通信接口(3)、扩展CPU STM32F103(4)实现多达12路232、485接口和LCD液晶显示、按键输入以及通信状态指示灯等功能，嵌入式核心板AM335X(1)直接扩展2路千兆以太网口和2路USB口，嵌入式核心板AM335X(1)采用SPI方式扩展WIFI电路接口(10)；LoRaWAN无线通信电路(7)，2G/3G/4G无线通信接口电路(8)，ZigBee无线通信接口电路(9)，这三个模块都是通过UART方式和嵌入式核心板AM335X(1)实现数据交换。LCD显示和按键、通讯指示(2)主要用来显示和查看管理机的IP地址、时间、通信报文收发统计等，通讯指示灯主要用来指示电源状态、设备运行状态、链路工作状态、通信数据收发状态等。所述扩展CPU STM32F103电路(4)、千兆以太网通信接口电路(5)、USB接口电路(6)、LoRaWAN无线通信接口电路(7)、2G/3G/4G蜂窝无线通信接口电路(8)、ZigBee无线通信接口电路(9)、WIFI无线通信接口电路(10)分别与核心板AM335X CPU(1)电连接，所述LCD显示和按键、通讯指示电路(2)、RS232、RS485扩展电路(3)分别与扩展CPU STM32F103电路(4)电连接；所述RS232、RS485扩展电路(3)与所述LCD显示和按键、通讯指示电路(2)中的通讯指示电路部分电连接。

在一个具体的实施方式中，本实用新型可采用AM335X核心模块加上STM32F103扩展传统的RS232、RS485、USB、以太网接口等；采用Semtech公司SX1278芯片实现LoRaWAN无线通信接口扩展；采用SL3000芯片实现2G3G4G无线通信接口扩展；采用内置ZigBee协议栈的CC2430芯片实现ZigBee无线通信接口的扩展；采用高性能、低功耗、体积小SDIO接口无线模组RTL8189ES芯片实现WIFI无线模块接口扩展。基于电力物联网的新型嵌入式电力通信管理机具有以下几个特征：提供传统的稳定的RS485、RS233、RJ45以太网口、USB等有线通信接口；集成的WIFI、LoRaWAN、2G/3G/4G、ZigBee等无线接口既可以用来下行数据采集通道，也可以用来作为上行数据转发通道。这些无线通信接口硬件电路采用模块化设计，通过增加对应的模块化驱动程序来启动实际需要的无线通信接口。这为今后基于云平台大数据的电力数字化运维系统数据采集和组网提供了更加灵活、更经济的方案和选择。

结合图3、4，在一个具体的实施例中，RS485、RS233通信电路均采用ADM2483芯片作为核心芯片。如图3所示，在RS485通信电路中，芯片的RE、DE端口分别通过串联电阻R2外接高电位，RxD端口悬空，TxD端口通过串联电阻R1外接高电位，芯片A端口，通过电阻R3连接VCC，芯片B端口通过点入R11接地；A端口与B端口之间分别并联电阻R10、双向二极管D1，再分别通过双向二极管D2、D3串接接地；其中D1、D2、D3均采用SMCBJ6.0CA型双向二极管；ADM2483的VDD端和GND端，分别采用常规的外围电路即可，此为本领域的公知常识，此处不再赘述。如图4所示，在RS232通信电路中，芯片的RE、DE端口分别通过串联电阻R24外接高电位，RxD端口悬空，TxD端口通过串联电阻R23外接高电位，芯片A端口，通过电阻R25连接VCC，芯片B端口通过点入R28接地；A端口与B端口之间分别并联电阻R27、双向二极管D6，再分别通过双向二极管D7、D8串接接地；其中D6、D7、D8均采用SMCBJ6.0CA型双向二极管；ADM2483的VDD端和GND端，分别采用常规的外围电路即可，此为本领域的公知常识，此处不再赘述。

结合图2，在一个具体的实施例中，RS232、RS485通信接口的通信状态指示灯电路可采用74HC14D芯片作为核心，其中74HC14D芯片的1A、2A端与5A、6A端分别与RS232、RS485电路中的ADM2483芯片的DE、TxD信号端口连接，以检测其信号状态；74HC14D芯片的1Y、2Y端分别通过串接电阻R39、R40，连接发光二极管COM1，5Y、6Y端分别通过串接电阻R41、R42连接发光二极管COM2，COM1、COM2另一端接地。

在一个具体的实施方式中，如图6所示，采用两个MAX3232芯片作为AM335X与STM32F103芯片的中间连接电路。AM335X芯片的CAN1_RX、CAN1_TX引脚接入的第一个MAX3232芯片的T1IN、R1OUT引脚，第一个MAX3232芯片对应的引脚T1OUT、R1IN接第二个MAX3232芯片的T1IN、R1OUT引脚，第二个MAX3232芯片对应的引脚R1OUT、T1IN接扩展1#CPU STM32F103芯片的PA9、PA10引脚。MAX3232芯片的VCC接+3.3V工作电源，GND接工作电源地。采用2片MAX3232芯片是为了AM335X与STM32F103对应引脚的电平匹配需要。扩展一片STM32F103可以扩展最多5路RS485接口。AM335X的GPIO0_29、GPIO3_1引脚接入的第一个MAX3232芯片的T2IN、R2OUT引脚，第一个MAX3232芯片对应的引脚T2OUT、R2IN接第二个MAX3232芯片的T2IN、R2OUT引脚，第二个MAX3232芯片对应的引脚R2OUT、T2IN接扩展2#CPU STM32F103芯片的PA9、PA10引脚。

嵌入式电力通信管理机的嵌入式Linux操作系统底层驱动程序存储在AM335X核心板的FLASH中。AM335X核心板的嵌入式操作系统已经包含了以太网口、USB口的驱动程序。LCD液晶显示、按键驱动、各种状态指示灯的驱动存储在扩展CPU STM32F103的FLASH内。WIFI、LoRaWAN、2G/3G/4G无线通信、ZigBee无线通信接口的协议栈由各自的接口芯片实现，AM335X核心板通过FLASH的应用程序来管理各有线、无线通信接口的参数配置、数据采集、数据处理、数据转发等。

在一个具体的实施方式中，LCD显示和按键电路、千兆以太网通信接口电路(5)、USB接口电路(6)、LoRaWAN无线通信接口电路(7)、2G/3G/4G蜂窝无线通信接口电路(8)、ZigBee无线通信接口电路(9)、WIFI无线通信接口电路(10)均可采用本领域中对应芯片的通用外围电路设计方式，实现其基本功能，上述该些电路均为本领域的公知常识，此处不再赘述。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。