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(tǒng)通信的一種基本方式，廣泛應用于電力行業(yè)的自動化抄表系統(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荷都會對電力載波通信效果造成影響，而通過載波模塊實現(xiàn)對一臺區(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發(fā)功能的載波模塊，不能直抄的表可以通過距離遠近或信號質量較佳的表對其進行中繼轉發(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(wěn)定，如何根據(jù)線路狀態(tài)以及通信距離的遠近自動分配各電表的中繼節(jié)點并動態(tài)維護這些節(jié)點是進行中繼轉發(fā)抄收時應解決的問題。因此有必要設計一種電力載波通信路由器以實現(xiàn)對一臺區(qū)下各節(jié)點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(jié)點的抄收。

1 系統(tǒng)拓撲結構

載波集抄系統(tǒng)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(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)終端設備之間的物理連接、通信鏈路及應用技術規(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)終端設備進行點對點或一主多從的數(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，其每個字節(jié)包含有1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個偶校驗位及1個停止位,缺省通信速率為2 400 b/s，傳輸時先傳低位，后傳高位。應用規(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為幀的結束符；CS表示校驗碼，校驗碼是從第1幀起始符開始到校驗碼之前的所有各字節(jié)的模256的和，即各字節(jié)二進制算術和，不計超過256的算術值；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。同時為了保障載波通信的可靠性，還省去了645協(xié)議中關于后續(xù)幀的定義?？刂拼a的格式[2]如圖3所示。

2.2 路由算法的設計

路由的目的是要建立一張各節(jié)點的最優(yōu)路徑表，此表記錄了臺區(qū)下每個節(jié)點的中繼級別、各級的中繼地址及目的地址。這種路由表是動態(tài)的，存放在RAM中，每隔5 min會自動更新一次。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遍歷尋優(yōu)[3]算法，從路由器節(jié)點開始逐層搜索。其算法描述如下：

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

單個節(jié)點的屬性如下：
struct mac_list
{
U8_t mac[6]; //節(jié)點的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)時有用，表示轉發(fā)過程所花費的時間
U8_t num; //節(jié)點的序號
U8_t respond_num[10];
//記錄可以與自身進行通信的電表序號
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(稱為第一層)。第一層中的各節(jié)點都可以直抄，它們在路由表中只要填寫中繼級別和目的地址即可。由于是可以直抄的節(jié)點，所以中繼級別填為0;

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

在一級中繼節(jié)點確定的過程中，第一層中的每個節(jié)點都會嘗試對剩下的節(jié)點進行一級中繼轉發(fā)，若剩下的節(jié)點中，存在能對中繼轉發(fā)幀作出回應的節(jié)點，則表明該節(jié)點可以進行一級中繼抄收。通常一個節(jié)點的中繼抄收路徑存在好幾條，這時需要通過計算中繼抄收時間來選擇一條用時最短的路徑，這樣才能保證采集器抄收時用時最短。經(jīng)過對剩下節(jié)點進行一級中繼遍歷抄收搜索后，剩下的節(jié)點中可以進行一級中繼抄收的節(jié)點將會組成第二層。同樣，第二層由從Head中刪除的一級中繼抄收節(jié)點組成，并順序存儲在以Head2為頭節(jié)點的鏈表中，建立好的第二層結構如圖7所示。

(3)對剩下的節(jié)點進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(qū)下所有節(jié)點的覆蓋。剩下的節(jié)點要進行中繼路徑的確定，首先要確定它的父節(jié)點（二級中繼節(jié)點），父節(jié)點是從建立好的第二層來選擇的；然后確定它的一級中繼節(jié)點，而一級中繼節(jié)點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確定的連接關系，所以在節(jié)點的屬性中設置了respond_num數(shù)組來記錄可以與自身進行通信的電表序號。這樣，建立二級中繼時可通過比較從路由器發(fā)送二級中繼轉發(fā)命令到目的節(jié)點作出的響應，即這個通信過程所花費的時間來確定中繼路徑。建立二級中繼的過程示意圖如圖8所示。

2.3 嵌入式Linux平臺下路由器的多線程程序設計

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，所以可對其進行裁剪、修改使之能夠穩(wěn)定運行在嵌入式開發(fā)平臺上。針對電力載波通信路由器的實際應用需求,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(tǒng)及串口和網(wǎng)絡通信驅動。為了使路由器能夠更快速和穩(wěn)定地進行路由、路由表動態(tài)維護、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對多線程的支持很好地解決了各項任務的快速切換、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UDP通信分別分配了id_com和id_net線程。這三個線程是相互獨立的,其中串口2和網(wǎng)絡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開始對外發(fā)送直抄、一級中繼抄表、二級中繼抄表的數(shù)據(jù)命令幀并根據(jù)接收到的節(jié)點響應數(shù)據(jù)幀來建立臺區(qū)下相應節(jié)點的路由信息。id_route線程結束后會激活id_reroute線程，這個線程主要是為下次路由表更新進行定時,定時時間設為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定時有沒有到，如果定時到，則關閉20 min定時器，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中記錄的各個節(jié)點的MAC地址、id_net線程正試圖向文本文件中添加某一節(jié)點的MAC地址。如果兩個線程不加以同步，必會導致節(jié)點MAC地址的混亂。本設計采用一種稱為“互斥鎖”的同步方式，它可以保證任一時刻只有一個線程能訪問它，利用這一性質可以保護共享數(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平臺下實現(xiàn)了這種路由算法，該算法可以保證節(jié)點搜索的不重復性、路由建立的快速性和數(shù)據(jù)抄收的正確性。利用Linux對多線程編程的支持及強大的網(wǎng)絡通信功能，實現(xiàn)了路由維護與網(wǎng)絡、串口通信的并發(fā)運行，很好地滿足了自動化抄表系統(tǒng)中對網(wǎng)絡通信和抄表實時性的要求。