嵌入式Linux平臺下電力載波路由器的軟件設計

電力載波(PLC)是電力系統通信的一種基本方式，廣泛應用于電力行業(yè)的自動(dòng)化抄表系統中。由于電力載波是利用電力線(xiàn)來(lái)作為傳輸媒介，因此,電力線(xiàn)路的距離長(cháng)短和用戶(hù)的用電負荷都會(huì )對電力載波通信效果造成影響，而通過(guò)載波模塊實(shí)現對一臺區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發(fā)功能的載波模塊，不能直抄的表可以通過(guò)距離遠近或信號質(zhì)量較佳的表對其進(jìn)行中繼轉發(fā)抄收。電力載波通信信道，其載波通信信號衰減大、干擾嚴重、不穩定，如何根據線(xiàn)路狀態(tài)以及通信距離的遠近自動(dòng)分配各電表的中繼節點(diǎn)并動(dòng)態(tài)維護這些節點(diǎn)是進(jìn)行中繼轉發(fā)抄收時(shí)應解決的問(wèn)題。因此有必要設計一種電力載波通信路由器以實(shí)現對一臺區下各節點(diǎn)中繼路徑的智能制定及其維護，以方便其上級采集器對所有節點(diǎn)的抄收。

1 系統拓撲結構

載波集抄系統拓撲圖如圖1所示。

2 電力載波路由器的軟件設計

2.1 DLT/645—2007多功能電表通信規約

本通信規約規定了多功能電表與手持單元（HHU）或其他數據終端設備之間的物理連接、通信鏈路及應用技術(shù)規范,適用于本地系統中多功能電表與手持單元或其他數據終端設備進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)或一主多從的數據交換方式[1]。645協(xié)議規定了通信采用異步串行的通信方式，其每個(gè)字節包含有1個(gè)起始位、8個(gè)數據位、1個(gè)偶校驗位及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。應用規定了如圖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；L為數據域的長(cháng)度；DATA為數據域；16H為幀的結束符；CS表示校驗碼，校驗碼是從第1幀起始符開(kāi)始到校驗碼之前的所有各字節的模256的和，即各字節二進(jìn)制算術(shù)和，不計超過(guò)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)議中對控制碼各位定義的基礎上，本設計針對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)于后續幀的定義?？刂拼a的格式[2]如圖3所示。

2.2 路由算法的設計

路由的目的是要建立一張各節點(diǎn)的最優(yōu)路徑表，此表記錄了臺區下每個(gè)節點(diǎn)的中繼級別、各級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，本設計采用了多叉樹(shù)遍歷尋優(yōu)[3]算法，從路由器節點(diǎn)開(kāi)始逐層搜索。其算法描述如下：

(1)路由器先將網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)建成一個(gè)帶有頭節點(diǎn)的單向鏈表，然后開(kāi)始向網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)依次發(fā)送直抄查詢(xún)命令，并等待回應。若能在規定時(shí)間內(10 s)收到節點(diǎn)的應答信息，則表明該節點(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)節點(diǎn)的屬性如下：
struct mac_list
{
U8_t mac[6]; //節點(diǎn)的MAC地址
U8_t flag;
//flag表示路由表中已建立該MAC對應的路由項
int use_tim;
//此項只在中繼轉發(fā)時(shí)有用，表示轉發(fā)過(guò)程所花費的時(shí)間
U8_t num; //節點(diǎn)的序號
U8_t respond_num[10];
//記錄可以與自身進(jìn)行通信的電表序號
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(chēng)為第一層)。第一層中的各節點(diǎn)都可以直抄，它們在路由表中只要填寫(xiě)中繼級別和目的地址即可。由于是可以直抄的節點(diǎn)，所以中繼級別填為0;

(2)對剩下的節點(diǎn)進(jìn)行一級中繼遍歷搜索，依照鏈表中各節點(diǎn)的序列順序，依次選取第一層中單個(gè)節點(diǎn)作為剩下節點(diǎn)的一級中繼，對余下的節點(diǎn)進(jìn)行轉發(fā)抄收測試,如圖6所示。

在一級中繼節點(diǎn)確定的過(guò)程中，第一層中的每個(gè)節點(diǎn)都會(huì )嘗試對剩下的節點(diǎn)進(jìn)行一級中繼轉發(fā)，若剩下的節點(diǎn)中，存在能對中繼轉發(fā)幀作出回應的節點(diǎn)，則表明該節點(diǎn)可以進(jìn)行一級中繼抄收。通常一個(gè)節點(diǎn)的中繼抄收路徑存在好幾條，這時(shí)需要通過(guò)計算中繼抄收時(shí)間來(lái)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(guò)對剩下節點(diǎn)進(jìn)行一級中繼遍歷抄收搜索后，剩下的節點(diǎn)中可以進(jìn)行一級中繼抄收的節點(diǎn)將會(huì )組成第二層。同樣，第二層由從Head中刪除的一級中繼抄收節點(diǎn)組成，并順序存儲在以Head2為頭節點(diǎn)的鏈表中，建立好的第二層結構如圖7所示。

(3)對剩下的節點(diǎn)進(jìn)行二級中繼遍歷搜索。一般而言，二級中繼可以做到對一臺區下所有節點(diǎn)的覆蓋。剩下的節點(diǎn)要進(jìn)行中繼路徑的確定，首先要確定它的父節點(diǎn)（二級中繼節點(diǎn)），父節點(diǎn)是從建立好的第二層來(lái)選擇的；然后確定它的一級中繼節點(diǎn)，而一級中繼節點(diǎn)是從第一層中選擇的。由圖7可知，一級中繼路由建立完成之后，第一層與第二層有著(zhù)確定的連接關(guān)系，所以在節點(diǎn)的屬性中設置了respond_num數組來(lái)記錄可以與自身進(jìn)行通信的電表序號。這樣，建立二級中繼時(shí)可通過(guò)比較從路由器發(fā)送二級中繼轉發(fā)命令到目的節點(diǎn)作出的響應，即這個(gè)通信過(guò)程所花費的時(shí)間來(lái)確定中繼路徑。建立二級中繼的過(guò)程示意圖如圖8所示。

2.3 嵌入式Linux平臺下路由器的多線(xiàn)程程序設計

Linux是一種完全開(kāi)源的32位操作系統，它幾乎支持所有體系架構的處理器。由于它具有開(kāi)源、可定制、安全、穩定等特征，所以可對其進(jìn)行裁剪、修改使之能夠穩定運行在嵌入式開(kāi)發(fā)平臺上。針對電力載波通信路由器的實(shí)際應用需求,本設計移植了Linux-2.6.29.4內核至ARM9平臺上，并配置了EXT2/VFAT/NFS文件系統及串口和網(wǎng)絡(luò )通信驅動(dòng)。為了使路由器能夠更快速和穩定地進(jìn)行路由、路由表動(dòng)態(tài)維護、抄表查詢(xún)等工作，本文提出了一種多線(xiàn)程的解決方案,利用Linux對多線(xiàn)程的支持很好地解決了各項任務(wù)的快速切換、相互通信等問(wèn)題。

Linux系統下的多線(xiàn)程遵循POSIX線(xiàn)程接口，稱(chēng)為pthread。編寫(xiě)Linux下的多線(xiàn)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(xiàn)程,為串口2和網(wǎng)絡(luò )UDP通信分別分配了id_com和id_net線(xiàn)程。這三個(gè)線(xiàn)程是相互獨立的,其中串口2和網(wǎng)絡(luò )UDP線(xiàn)程以阻塞的方式來(lái)等待采集器發(fā)出的抄表查詢(xún)指令。線(xiàn)程的初始化工作均由pthread_creat函數來(lái)開(kāi)啟，id_route線(xiàn)程開(kāi)啟后，串口1開(kāi)始對外發(fā)送直抄、一級中繼抄表、二級中繼抄表的數據命令幀并根據接收到的節點(diǎn)響應數據幀來(lái)建立臺區下相應節點(diǎn)的路由信息。id_route線(xiàn)程結束后會(huì )激活id_reroute線(xiàn)程，這個(gè)線(xiàn)程主要是為下次路由表更新進(jìn)行定時(shí),定時(shí)時(shí)間設為20 min，即每隔20 min，更新一次路由表。id_route線(xiàn)程的主要功能就是不停地查詢(xún)20 min定時(shí)有沒(méi)有到，如果定時(shí)到，則關(guān)閉20 min定時(shí)器，并開(kāi)啟id_route線(xiàn)程。程序多線(xiàn)程化后，就要考慮線(xiàn)程間的同步問(wèn)題，如線(xiàn)程id_route正從文本文件中讀取當中記錄的各個(gè)節點(diǎn)的MAC地址、id_net線(xiàn)程正試圖向文本文件中添加某一節點(diǎn)的MAC地址。如果兩個(gè)線(xiàn)程不加以同步，必會(huì )導致節點(diǎn)MAC地址的混亂。本設計采用一種稱(chēng)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(xiàn)程能訪(fǎng)問(wèn)它，利用這一性質(zhì)可以保護共享數據。建立路由表的線(xiàn)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平臺下實(shí)現了這種路由算法，該算法可以保證節點(diǎn)搜索的不重復性、路由建立的快速性和數據抄收的正確性。利用Linux對多線(xiàn)程編程的支持及強大的網(wǎng)絡(luò )通信功能，實(shí)現了路由維護與網(wǎng)絡(luò )、串口通信的并發(fā)運行，很好地滿(mǎn)足了自動(dòng)化抄表系統中對網(wǎng)絡(luò )通信和抄表實(shí)時(shí)性的要求。