嵌入式Linux平臺(tái)下電力載波路由器的軟件設(shè)計(jì)

電力載波(PLC)是電力系統(tǒng)通信的一種基本方式，廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)的自動(dòng)化抄表系統(tǒng)中。由于電力載波是利用電力線來作為傳輸媒介，因此,電力線路的距離長短和用戶的用電負(fù)荷都會(huì)對(duì)電力載波通信效果造成影響，而通過載波模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)一臺(tái)區(qū)下所有電表的直抄是不可能的。目前常用的解決方法是為每塊電表安裝帶中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能的載波模塊，不能直抄的表可以通過距離遠(yuǎn)近或信號(hào)質(zhì)量較佳的表對(duì)其進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)抄收。電力載波通信信道，其載波通信信號(hào)衰減大、干擾嚴(yán)重、不穩(wěn)定，如何根據(jù)線路狀態(tài)以及通信距離的遠(yuǎn)近自動(dòng)分配各電表的中繼節(jié)點(diǎn)并動(dòng)態(tài)維護(hù)這些節(jié)點(diǎn)是進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)抄收時(shí)應(yīng)解決的問題。因此有必要設(shè)計(jì)一種電力載波通信路由器以實(shí)現(xiàn)對(duì)一臺(tái)區(qū)下各節(jié)點(diǎn)中繼路徑的智能制定及其維護(hù)，以方便其上級(jí)采集器對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的抄收。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

載波集抄系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

2 電力載波路由器的軟件設(shè)計(jì)

2.1 DLT/645—2007多功能電表通信規(guī)約

本通信規(guī)約規(guī)定了多功能電表與手持單元（HHU）或其他數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的物理連接、通信鏈路及應(yīng)用技術(shù)規(guī)范,適用于本地系統(tǒng)中多功能電表與手持單元或其他數(shù)據(jù)終端設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一主多從的數(shù)據(jù)交換方式[1]。645協(xié)議規(guī)定了通信采用異步串行的通信方式，其每個(gè)字節(jié)包含有1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)偶校驗(yàn)位及1個(gè)停止位,缺省通信速率為2 400 b/s，傳輸時(shí)先傳低位，后傳高位。應(yīng)用規(guī)定了如圖2所示的每一幀的信息格式。

在圖2中，68H為幀的起始符；A0~A5為通信端的物理地址，一共是6個(gè)字節(jié)；L為數(shù)據(jù)域的長度；DATA為數(shù)據(jù)域；16H為幀的結(jié)束符；CS表示校驗(yàn)碼，校驗(yàn)碼是從第1幀起始符開始到校驗(yàn)碼之前的所有各字節(jié)的模256的和，即各字節(jié)二進(jìn)制算術(shù)和，不計(jì)超過256的算術(shù)值；C為控制碼，控制碼一共有8位，在保留645協(xié)議中對(duì)控制碼各位定義的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)針對(duì)中繼功能的使用重新定義了控制碼。同時(shí)為了保障載波通信的可靠性，還省去了645協(xié)議中關(guān)于后續(xù)幀的定義?？刂拼a的格式[2]如圖3所示。

2.2 路由算法的設(shè)計(jì)

路由的目的是要建立一張各節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑表，此表記錄了臺(tái)區(qū)下每個(gè)節(jié)點(diǎn)的中繼級(jí)別、各級(jí)的中繼地址及目的地址。這種路由表是動(dòng)態(tài)的，存放在RAM中，每隔5 min會(huì)自動(dòng)更新一次。路由表的初始值各項(xiàng)均為0，其格式如圖4所示。

路由表的建立是軟件中最核心的部分，本設(shè)計(jì)采用了多叉樹遍歷尋優(yōu)[3]算法，從路由器節(jié)點(diǎn)開始逐層搜索。其算法描述如下：

(1)路由器先將網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)建成一個(gè)帶有頭節(jié)點(diǎn)的單向鏈表，然后開始向網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)依次發(fā)送直抄查詢命令，并等待回應(yīng)。若能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)(10 s)收到節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答信息，則表明該節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行直抄；然后將可以進(jìn)行直抄的電表從鏈表中刪除，并將刪除的節(jié)點(diǎn)重新組成一個(gè)新的鏈表。路由表建立示意圖如圖5所示。

單個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性如下：
struct mac_list
{
U8_t mac[6]; //節(jié)點(diǎn)的MAC地址
U8_t flag;
//flag表示路由表中已建立該MAC對(duì)應(yīng)的路由項(xiàng)
int use_tim;
//此項(xiàng)只在中繼轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)有用，表示轉(zhuǎn)發(fā)過程所花費(fèi)的時(shí)間
U8_t num; //節(jié)點(diǎn)的序號(hào)
U8_t respond_num[10];
//記錄可以與自身進(jìn)行通信的電表序號(hào)
struct mac_list *next;
};

完成第一次遍歷直抄搜索后，建立了以Head 1為首的單向鏈表(稱為第一層)。第一層中的各節(jié)點(diǎn)都可以直抄，它們?cè)诼酚杀碇兄灰顚懼欣^級(jí)別和目的地址即可。由于是可以直抄的節(jié)點(diǎn)，所以中繼級(jí)別填為0;

(2)對(duì)剩下的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一級(jí)中繼遍歷搜索，依照鏈表中各節(jié)點(diǎn)的序列順序，依次選取第一層中單個(gè)節(jié)點(diǎn)作為剩下節(jié)點(diǎn)的一級(jí)中繼，對(duì)余下的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)抄收測試,如圖6所示。

在一級(jí)中繼節(jié)點(diǎn)確定的過程中，第一層中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)嘗試對(duì)剩下的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一級(jí)中繼轉(zhuǎn)發(fā)，若剩下的節(jié)點(diǎn)中，存在能對(duì)中繼轉(zhuǎn)發(fā)幀作出回應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，則表明該節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行一級(jí)中繼抄收。通常一個(gè)節(jié)點(diǎn)的中繼抄收路徑存在好幾條，這時(shí)需要通過計(jì)算中繼抄收時(shí)間來選擇一條用時(shí)最短的路徑，這樣才能保證采集器抄收時(shí)用時(shí)最短。經(jīng)過對(duì)剩下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一級(jí)中繼遍歷抄收搜索后，剩下的節(jié)點(diǎn)中可以進(jìn)行一級(jí)中繼抄收的節(jié)點(diǎn)將會(huì)組成第二層。同樣，第二層由從Head中刪除的一級(jí)中繼抄收節(jié)點(diǎn)組成，并順序存儲(chǔ)在以Head2為頭節(jié)點(diǎn)的鏈表中，建立好的第二層結(jié)構(gòu)如圖7所示。

(3)對(duì)剩下的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行二級(jí)中繼遍歷搜索。一般而言，二級(jí)中繼可以做到對(duì)一臺(tái)區(qū)下所有節(jié)點(diǎn)的覆蓋。剩下的節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行中繼路徑的確定，首先要確定它的父節(jié)點(diǎn)（二級(jí)中繼節(jié)點(diǎn)），父節(jié)點(diǎn)是從建立好的第二層來選擇的；然后確定它的一級(jí)中繼節(jié)點(diǎn)，而一級(jí)中繼節(jié)點(diǎn)是從第一層中選擇的。由圖7可知，一級(jí)中繼路由建立完成之后，第一層與第二層有著確定的連接關(guān)系，所以在節(jié)點(diǎn)的屬性中設(shè)置了respond_num數(shù)組來記錄可以與自身進(jìn)行通信的電表序號(hào)。這樣，建立二級(jí)中繼時(shí)可通過比較從路由器發(fā)送二級(jí)中繼轉(zhuǎn)發(fā)命令到目的節(jié)點(diǎn)作出的響應(yīng)，即這個(gè)通信過程所花費(fèi)的時(shí)間來確定中繼路徑。建立二級(jí)中繼的過程示意圖如圖8所示。

2.3 嵌入式Linux平臺(tái)下路由器的多線程程序設(shè)計(jì)

Linux是一種完全開源的32位操作系統(tǒng)，它幾乎支持所有體系架構(gòu)的處理器。由于它具有開源、可定制、安全、穩(wěn)定等特征，所以可對(duì)其進(jìn)行裁剪、修改使之能夠穩(wěn)定運(yùn)行在嵌入式開發(fā)平臺(tái)上。針對(duì)電力載波通信路由器的實(shí)際應(yīng)用需求,本設(shè)計(jì)移植了Linux-2.6.29.4內(nèi)核至ARM9平臺(tái)上，并配置了EXT2/VFAT/NFS文件系統(tǒng)及串口和網(wǎng)絡(luò)通信驅(qū)動(dòng)。為了使路由器能夠更快速和穩(wěn)定地進(jìn)行路由、路由表動(dòng)態(tài)維護(hù)、抄表查詢等工作，本文提出了一種多線程的解決方案,利用Linux對(duì)多線程的支持很好地解決了各項(xiàng)任務(wù)的快速切換、相互通信等問題。

Linux系統(tǒng)下的多線程遵循POSIX線程接口，稱為pthread。編寫Linux下的多線程程序，需要使用頭文件pthread.h，鏈接時(shí)需要使用庫libpthread.a[4]。在程序中，本文給路由表的建立分配了id_route線程,為串口2和網(wǎng)絡(luò)UDP通信分別分配了id_com和id_net線程。這三個(gè)線程是相互獨(dú)立的,其中串口2和網(wǎng)絡(luò)UDP線程以阻塞的方式來等待采集器發(fā)出的抄表查詢指令。線程的初始化工作均由pthread_creat函數(shù)來開啟，id_route線程開啟后，串口1開始對(duì)外發(fā)送直抄、一級(jí)中繼抄表、二級(jí)中繼抄表的數(shù)據(jù)命令幀并根據(jù)接收到的節(jié)點(diǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)幀來建立臺(tái)區(qū)下相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的路由信息。id_route線程結(jié)束后會(huì)激活id_reroute線程，這個(gè)線程主要是為下次路由表更新進(jìn)行定時(shí),定時(shí)時(shí)間設(shè)為20 min，即每隔20 min，更新一次路由表。id_route線程的主要功能就是不停地查詢20 min定時(shí)有沒有到，如果定時(shí)到，則關(guān)閉20 min定時(shí)器，并開啟id_route線程。程序多線程化后，就要考慮線程間的同步問題，如線程id_route正從文本文件中讀取當(dāng)中記錄的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的MAC地址、id_net線程正試圖向文本文件中添加某一節(jié)點(diǎn)的MAC地址。如果兩個(gè)線程不加以同步，必會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)MAC地址的混亂。本設(shè)計(jì)采用一種稱為“互斥鎖”的同步方式，它可以保證任一時(shí)刻只有一個(gè)線程能訪問它，利用這一性質(zhì)可以保護(hù)共享數(shù)據(jù)。建立路由表的線程流程圖如圖9所示。

本文提出了一種路由路徑尋優(yōu)算法并在嵌入式Linux平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)了這種路由算法，該算法可以保證節(jié)點(diǎn)搜索的不重復(fù)性、路由建立的快速性和數(shù)據(jù)抄收的正確性。利用Linux對(duì)多線程編程的支持及強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，實(shí)現(xiàn)了路由維護(hù)與網(wǎng)絡(luò)、串口通信的并發(fā)運(yùn)行，很好地滿足了自動(dòng)化抄表系統(tǒng)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信和抄表實(shí)時(shí)性的要求。