太陽能和風(fēng)能是公認(rèn)的潔凈資源,，對環(huán)境不產(chǎn)生任何污染,，是21世紀(jì)能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要選擇,。隨著風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的性能要求也越來越高,。
　    通常應(yīng)用于風(fēng)光發(fā)電廠的監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)一般都是由電力通信專網(wǎng)來保障其通信,。但由于風(fēng)光電廠在地理位置上的特殊性、多樣性（通常在邊遠(yuǎn)偏僻地區(qū)）,，使得某些通信網(wǎng)無法勝任SCADA的要求[1],。
　通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)是GSM網(wǎng)絡(luò)的升級，通過在GSM網(wǎng)絡(luò)上增加SGSN和GGSN兩種數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)設(shè)備以及一些更新軟件來實(shí)現(xiàn),，GPRS網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸以數(shù)據(jù)分組的形式傳送,。在國內(nèi)，移動通信網(wǎng)絡(luò)目前已基本覆蓋全國所有地區(qū),，因此利用技術(shù)上較為成熟的GPRS無線網(wǎng)絡(luò),，可對風(fēng)光發(fā)廠的各個發(fā)電站進(jìn)行實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制，這對提高整個風(fēng)光電廠的性能具有實(shí)際意義,。
1 系統(tǒng)組成
　整個風(fēng)光電廠的SCADA系統(tǒng)由風(fēng)光發(fā)電站的狀態(tài)參數(shù)采集部分和數(shù)據(jù)處理及傳輸兩部分組成,。本文重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)處理及傳輸部分。風(fēng)光電廠SCADA系統(tǒng)如圖1所示,。

    通過CAN總線與CAN總線適配器的連接,，將各個風(fēng)光發(fā)電站的狀態(tài)參數(shù)傳輸至基于LPC2214的嵌入式系統(tǒng),數(shù)據(jù)經(jīng)處理后由GPRS通信模塊MC39i輸出，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心,。反之,，監(jiān)控中心也可以將各種操作指令傳送至控制終端，以控制風(fēng)光發(fā)電站的運(yùn)行,。本系統(tǒng)的核心部分為“嵌入式GPRS通信模塊”的實(shí)現(xiàn)[2],。
　本系統(tǒng)使用ARM7核微處理器LPC2214，并適當(dāng)對系統(tǒng)存儲資源進(jìn)行擴(kuò)展,，通過移植嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ來管理整個系統(tǒng)的運(yùn)行,。系統(tǒng)所使用的GPRS模塊MC39i由西門子公司生產(chǎn),具有使用方便、接口電路簡單等優(yōu)點(diǎn)[3],。GPRS雖支持TCP/IP業(yè)務(wù),，但因?yàn)镸C39i沒有嵌入TCP/IP協(xié)議和PPP協(xié)議，所以需要在基于LPC2214的嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議和PPP協(xié)議,，否則系統(tǒng)無法使用GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分組業(yè)務(wù),。

2 CAN總線接口電路設(shè)計
　SJA1000與LPC2214之間的接口電路如圖2所示,，主要包含：LPC2214最小系統(tǒng)(未畫出)、CAN通信控制器SJA1000,、CAN總線驅(qū)動器82C250和高速光電耦合器6N137,。LPC2214控制SJA1000的初始化以及對風(fēng)光發(fā)電站狀態(tài)參數(shù)的接收和發(fā)送。其中,，SJA1000的AD0～AD7連接到LPC2214的P2口(DATA0～DATA7),/CS為0時,LPC2214選中SJA1000,。SJA1000的/RD、/WR,、ALE分別與LPC2214的對應(yīng)引腳相連,，/INT接LPC2214的P0.1腳（外部中斷0）,用于中斷訪問SJA1000。

    SJA1000的TX0,、RX0通過高速光耦6N137后與82C250的TXD和RXD連接,，這樣可較好地實(shí)現(xiàn)本節(jié)點(diǎn)在CAN總線上的電氣隔離，從而增強(qiáng)CAN總節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力,。要注意光耦部分電路采用的兩個電源VCC和VDD必須完全隔離,，否則此光耦就失去了意義。本系統(tǒng)中的電源隔離采用了小功率的電源隔離模塊實(shí)現(xiàn),。
    另外,通過在82C250的CANH和CANL引腳之間串連60 ?贅的電阻以消除電路中信號反射等干擾,。CANH和CANL與地之間并聯(lián)兩個30 pF的小電容,可濾除總線上的高頻干擾和一定的電磁輻射。另外,，在兩根CAN總線輸入端與地之間分別接了一個防雷擊管,，當(dāng)兩端輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時，通過防雷擊管的放電可起到一定的保護(hù)作用,。
3 基于μC/OS-Ⅱ環(huán)境的多任務(wù)設(shè)計
3.1 μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)在ARM7核上的移植
　移植是使一個實(shí)時內(nèi)核能在其他微處理器上運(yùn)行,，也就是為特定的CPU編寫特定的代碼。因?yàn)?amp;mu;C/OS-Ⅱ在讀/寫CPU寄存器時,只能通過匯編語言來進(jìn)行,因此在使用μC/OS-Ⅱ時,，針對具體的CPU,，用戶需要用匯編語言編寫與CPU硬件相關(guān)的代碼。
　根據(jù)μC/OS-Ⅱ的要求,，移植μC/OS-Ⅱ到一個微處理器的體系結(jié)構(gòu)上需要提供三個文件：在C語言頭文件OS_CPU.H中,，要定義與編譯器無關(guān)的數(shù)據(jù)類型；定義所使用的堆棧數(shù)據(jù)類型以及堆棧的增長方向,；定義一些有關(guān)ARM核的軟中斷,。在C程序源文件OS_CPU_C.C中，主要是μC/OS-Ⅱ任務(wù)堆棧初始化函數(shù),；在匯編程序源文件OS_CPU_A.S中,，主要是時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)、中斷退出時的任務(wù)切換函數(shù)以及μC/OS-Ⅱ第一次進(jìn)入多任務(wù)環(huán)境時運(yùn)行最高優(yōu)先級任務(wù)的函數(shù)。
3.2 系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計
　μC/OS-Ⅱ要求在其上運(yùn)行的應(yīng)用軟件“任務(wù)化”,，所以需要按μC/OS-Ⅱ的任務(wù)編寫規(guī)范設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用任務(wù),。按任務(wù)優(yōu)先級從高到低設(shè)計如下[4]。
　Task0：完成系統(tǒng)各部分（包括MC39i）初始化工作后,，采用時間片的方式進(jìn)行PPP數(shù)據(jù)幀的接收,，并完成該數(shù)據(jù)幀的解析。
　Task 1：風(fēng)光發(fā)電廠各發(fā)電站狀態(tài)參數(shù)的讀取,。
　Task 2：UDP數(shù)據(jù)包的接收處理,。
　Task 3：TCP數(shù)據(jù)包的接收處理。
　Task 4：ICMP數(shù)據(jù)包的接收處理（主要是響應(yīng)PING）,。
　Task 5：針對UDP數(shù)據(jù)報中的命令請求進(jìn)行響應(yīng),。
　Task 6：針對TCP數(shù)據(jù)報中的命令請求進(jìn)行響應(yīng)（Web服務(wù)器功能）。
　系統(tǒng)任務(wù)之間的通信如圖3所示,。

3.3 IP數(shù)據(jù)包解析模塊軟件設(shè)計
 　IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議的核心，也是網(wǎng)絡(luò)層中最重要的協(xié)議,，IP層接收由更低層發(fā)來的數(shù)據(jù)包,，并將其發(fā)送到更高層——TCP或UDP層；反之,，IP報也把從TCP或UDP層接收來的數(shù)據(jù)包傳送到更低層,，并最終通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無連接傳送數(shù)據(jù)報。
　本系統(tǒng)向監(jiān)控中心傳送的數(shù)據(jù),，需先進(jìn)行TCP/IP協(xié)議的處理,，即要求LPC2214實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。其中IP數(shù)據(jù)包的封裝及發(fā)送是通過函數(shù)ip_send( )實(shí)現(xiàn)的,，通常此函數(shù)是在PPP協(xié)議處理函數(shù)中被調(diào)用,。風(fēng)光發(fā)電站各狀態(tài)參數(shù)在被封裝為UDP數(shù)據(jù)包以后，調(diào)用此函數(shù)進(jìn)行IP協(xié)議格式數(shù)據(jù)封裝,即在IP數(shù)據(jù)報頭的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中添加IP報頭信息（其中包括計算IP報頭的校驗(yàn)和值）,。在封裝好IP包之后,，要設(shè)置此IP報頭數(shù)據(jù)（20 B）的“發(fā)送結(jié)構(gòu)”Send_Ptr，從而與UDP數(shù)據(jù)報構(gòu)成一個發(fā)送數(shù)據(jù)鏈,。
    發(fā)送IP報之前要先得到“發(fā)送信號量”SendFlag,，否則只有掛起當(dāng)前任務(wù)等待此信號量。一旦得到發(fā)送信號量,，對該IP報進(jìn)行PPP協(xié)議數(shù)據(jù)格式封裝,，之后再啟動MC39i發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后要及時釋放發(fā)送信號量,。
　具體程序如下：
　 Uint8 ip_send(struct Send_Ptr *TxdData,uint8 * dest_ip,uint8 PROTOCOL)
　 {//TxdData為存放待傳輸數(shù)據(jù)首指針,；dest_ip為目的IP地址首指針；IP包中的下一層
//客戶協(xié)議類型（UDP、TCP）
    uint16 CRC;
　　    uint8 Ip_Head[20];
　　    struct Send_Ptr TxdIpData;
　　    uint8 err;
　　    static uint16 FrameIndex=0;
　　    Ip_Head[0]=0x45;
　　     ……                 //進(jìn)行TCP/IP協(xié)議中的IP數(shù)據(jù)包
                                                    //報頭設(shè)置
　　    Ip_Head[19]=dest_ip[3];
    CRC=CreateIpHeadCrc(Ip_Head);  //對IP首部中每16位
                                 //進(jìn)行二進(jìn)制反碼求和
　　    Ip_Head[10]=(CRC&0xff00)>>8;
　　    Ip_Head[11]=CRC&0x00ff;
　　    TxdIpData.STPTR=TxdData;
　　    TxdIpData.length=20;
　　    TxdIpData.DAPTR=Ip_Head;
　　    OSSemPend(SendFlag,10,&err);
            //獲取μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)當(dāng)前的發(fā)送權(quán)（得到“發(fā)
　　　　　　　　　　　　　　　　　//送信號量”SendFlag)
　　    if(err==OS_NO_ERR)          //沒有得到發(fā)送權(quán)（發(fā)送信
                        //號量SendFlag）,，掛起任務(wù),，等待
　　    {
　　        if(ip_mac_send(&TxdIpData,dest_ip))
                //按照PPP協(xié)議打包數(shù)據(jù)，并啟動MC39i
                                                //通信模塊進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)
　　        {
　　            OSSemPost(SendFlag);
              //發(fā)送成功,，釋放“發(fā)送信號量”,，并返回“1”
　　            return(1);
　　        }
　　        else
　　        {
　　            OSSemPost(SendFlag);
                //發(fā)送失敗，釋放“發(fā)送信號量”,，并返回“0”
　　            return(0);
　　        }
　　    }
　　    else
　　        return (0);
    }
4 GPRS通信模塊MC39i的應(yīng)用
　在本系統(tǒng)中MC39i作為GPRS終端的無線收發(fā)模塊,，從TCP／IP模塊接收的IP數(shù)據(jù)包和從基站接收的GPRS分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議處理后再轉(zhuǎn)發(fā)。MC39i提供了9針的標(biāo)準(zhǔn)RS232接口,通過SP3232電平轉(zhuǎn)換芯片與LPC2214的串口相連,，進(jìn)行全雙工通信,。LPC2214與MC39i的接口如圖4所示。

    利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)之前,，需要采用PPP協(xié)議將GPRS通信模塊接入Internet,。PPP協(xié)議位于數(shù)據(jù)鏈路層，是為在兩個對等實(shí)體間傳輸數(shù)據(jù)包連接而設(shè)計的,，使用可擴(kuò)展的鏈路控制協(xié)議LCP來建立,，配置和測試數(shù)據(jù)鏈路。用網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議族NCP建立和配置不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議,，并且允許采用多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議[5],。在本系統(tǒng)完成啟動之后,首先進(jìn)行MC39i的工作頻率等參數(shù)設(shè)置，然后進(jìn)行撥號與PPP協(xié)商,，得到系統(tǒng)本地IP,，從而完成GPRS終端的Internet接入。
    LPC2214通過RS232串行口控制GPRS模塊,，涉及到的軟件包括：MC39i的初始化,、登錄GGSN、與監(jiān)控中心的Internet數(shù)據(jù)傳輸,。LPC2214對MC39i模塊的控制采用AT命令,，圖5給出了GPRS撥號上網(wǎng)及PPP協(xié)商軟件流程圖。

　 當(dāng)GPRS撥號成功接入Internet后,，就可以進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸了,。LPC2214將風(fēng)光發(fā)電站的狀態(tài)參數(shù)先進(jìn)行TCP/IP協(xié)議的處理（封裝為IP數(shù)據(jù)包），再經(jīng)RS232串口控制MC39i模塊將所有數(shù)據(jù)封裝成GPRS分組數(shù)據(jù)包并傳送到GPRS無線網(wǎng)絡(luò)[6],。反之,，GGSN的回答也可通過串行口進(jìn)入本系統(tǒng)。
     在現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上開發(fā)成本較低的風(fēng)光電廠SCADA系統(tǒng),，具有投入少,、安裝方便、傳輸可靠、方便遠(yuǎn)程管理等,，尤其適合一些邊遠(yuǎn)地區(qū)的風(fēng)光電廠的遠(yuǎn)程監(jiān)控,，其實(shí)用意義大。通過對本系統(tǒng)的試驗(yàn)測試,，基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離的無線傳輸,，具有時延低、正確率高等優(yōu)點(diǎn),。
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