摘 要： 提出了一種適合工業(yè)自動(dòng)化的無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),，設(shè)計(jì)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)模塊以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的二次儀表的通信問題，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的靈活配置,、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的開發(fā),，解決了無線傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間關(guān)鍵的可靠通信問題，并開發(fā)了上位機(jī)的監(jiān)控組態(tài)軟件,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了提出的方法是有效的,。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；二次儀表；網(wǎng)關(guān)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了現(xiàn)代傳感器技術(shù),、微電子技術(shù),、通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等多個(gè)學(xué)科,，是新興的交叉研究領(lǐng)域。它的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注,，被稱為二十一世紀(jì)最具影響的技術(shù)之一,。隨著研究的不斷深入，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè),、軍事應(yīng)用,、醫(yī)療監(jiān)測(cè)和家庭應(yīng)用等方面表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力。近年來,，人們開始日益關(guān)注無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化和工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用,，以便實(shí)現(xiàn)大多數(shù)工業(yè)儀表和自動(dòng)化產(chǎn)品都嵌入無線傳輸功能，完成從有線到無線的過渡,。無線方案的靈活性必將大大簡(jiǎn)化工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的配置,、維護(hù)等工作，大大改善工廠的運(yùn)行條件,。
本文將采用TI公司的CC1110芯片實(shí)現(xiàn)無線傳感器的終端節(jié)點(diǎn),、路由節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。并實(shí)現(xiàn)了終端節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)的接口設(shè)計(jì)以及終端節(jié)點(diǎn)與本地的智能儀表或二次儀表之間的通信接口設(shè)計(jì),。為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠與工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的現(xiàn)有的技術(shù)無縫連接,，本文針對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了常用的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
圖1是一個(gè)典型的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖,，核心部分是低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)(可以使用電池長(zhǎng)期供電,、太陽能電池供電，或風(fēng)能,、機(jī)械振動(dòng)發(fā)電等),，網(wǎng)絡(luò)路由器和無線網(wǎng)關(guān)(將信息傳輸?shù)焦I(yè)以太網(wǎng)和控制中心，或者通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸),。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)模塊直接和各種各樣的傳感器節(jié)點(diǎn)相連接,，通過路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)把傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理,。為了更方便地使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)把工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳遞出來,，圖1中的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)增加了傳輸智能儀表數(shù)據(jù)的能力，大大增強(qiáng)了方案的靈活性,。
由圖1可以看出,，多個(gè)傳感器可以和本地的智能儀表連接實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的顯示等功能，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)把智能儀表采集到的多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去，這樣就能夠大大減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),，更有效地利用終端節(jié)點(diǎn),。這種方案本質(zhì)上是通過智能儀表使用有線方式采集與本地相距較近的幾個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，接著使用終端節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),?？梢娺@種方案在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，靈活使用有線和無線的方案,，使得系統(tǒng)配置更加靈活,，能夠滿足對(duì)各種傳感器和二次儀表的數(shù)據(jù)輸出和輸入控制命令，使得現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)無線化,。
硬件模塊主要分為終端節(jié)點(diǎn)發(fā)射模塊,、路由器模塊、網(wǎng)關(guān)模塊三部分,，如圖1所示,。第一部分為終端節(jié)點(diǎn)模塊，由傳感器模塊,、數(shù)據(jù)處理模塊,、與其他單片機(jī)相連接的通信接口模塊和發(fā)射模塊組成。第二部分是路由器模塊,，包括無線發(fā)射,、單片機(jī)信號(hào)輸入與輸出電路。第三部分是無線網(wǎng)關(guān)模塊,，包括無線信號(hào)接收與發(fā)射,，無線接收與無線接收端與PC機(jī)的通信電路。
從圖1中可以看出,，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)最終都匯集到網(wǎng)關(guān)上,，進(jìn)而通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給上位機(jī)，所以網(wǎng)關(guān)和工業(yè)以太網(wǎng)的接口設(shè)計(jì)也非常重要,。
2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
終端節(jié)點(diǎn)的核心是片上系統(tǒng)CC1110芯片,，CC1110集成了支持315/433/868/915 MHz射頻收發(fā)芯片，性能可達(dá)8倍標(biāo)準(zhǔn)8051性能的微處理器,，以及32 KB閃存,、4 KB RAM。芯片運(yùn)行溫度范圍為-40℃~85℃,，電壓為2.0~3.6 V,。能耗非常低，最低電流消耗為0.6 μA,，最大為31 mA,，而且可編程數(shù)據(jù)率范圍從1.2 Kb/s-500 Kb/s,，特別適合傳送大批量數(shù)據(jù)[1-2]。
無線傳感器的終端節(jié)點(diǎn)如圖2所示,，終端節(jié)點(diǎn)模塊實(shí)現(xiàn)了三大功能：處理傳感器的數(shù)據(jù),；與二次儀表通信，處理二次儀表的數(shù)據(jù),；最后把相關(guān)的數(shù)據(jù)通過發(fā)送模塊發(fā)射出去,。而且由圖1可以看到，作為終端節(jié)點(diǎn)的的單片機(jī)必須帶有兩個(gè)串口,，一個(gè)與網(wǎng)關(guān)通信用,，另一個(gè)與二次儀表進(jìn)行通信。軟件設(shè)備流程如圖3所示,。
由于在工業(yè)應(yīng)用中，二次儀表占了很大的比重,，所以CC1110與二次儀表的通信及其相關(guān)的數(shù)據(jù)處理是一個(gè)重要的部分,。下面給出兩者之間的通信接口設(shè)計(jì)。
2.2 通信接口設(shè)計(jì)
2.2.1 硬件連接
硬件連接方式可采用兩種連接方式：串口的TTL電平直接相連和RS-232相連,。
如果采用串口的TTL電平直接相連,，TTL電平信號(hào)對(duì)于計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是很理想的，首先計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于電源的要求不高且熱損耗也較低,；其次,，計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是在高速下進(jìn)行的，而TTL接口的操作恰能滿足這個(gè)要求,。
如果采用RS-232相連(簡(jiǎn)單的連接如圖4所示),，接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片,，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容,，故需使用電平轉(zhuǎn)換電路才能與TTL電路連接。而電平轉(zhuǎn)換電路需要采用MAX232,。
根據(jù)兩類單片機(jī)的實(shí)際情況可以靈活地選擇這兩種通信接口方式,，下面以TTL直接相連為例介紹通信接口的軟件開發(fā)。
2.2.2 軟件設(shè)計(jì)
無線單片機(jī)與二次儀表進(jìn)行通信包括：無線單片機(jī)的通信程序及二次儀表的通信程序,。在編寫程序之前,，制定雙方的通信協(xié)議是非常重要的，否則將無法保證通信數(shù)據(jù)的可靠性,，從而失去通信的意義[3],。約定其通信協(xié)議如下：
(1)串行通信波特率為38 400 b/s；
(2)幀格式為:幀頭0x68AA,，1位起始位,，n位數(shù)據(jù)位，1位停止位，校驗(yàn)位,；
(3)無奇偶校驗(yàn)位,；
(4)通信可以有中斷傳送方式和查詢方式，這里采用中斷方式通信,。
無線單片機(jī)與二次儀表通信流程圖如圖5和圖6所示,。
2.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
終端節(jié)點(diǎn)處理完智能儀表和二次儀表的相關(guān)數(shù)據(jù)之后，通過發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù),，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收所有終端節(jié)點(diǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù),，再把數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)中，上位機(jī)的監(jiān)控軟件(如組態(tài)軟件)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理(如存儲(chǔ),，圖表顯示,，打印等)。這里有一個(gè)關(guān)鍵的問題就是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的可靠性通信問題,。一般使用成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線模式來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與電腦之間的通信,，如Modbus總線協(xié)議。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)及其相關(guān)模塊如圖7所示,。
2.3.1 Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議設(shè)計(jì)
Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言,。通過此協(xié)議，控制器之間,、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其他設(shè)備之間可以通信,。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的,。它描述了控制器請(qǐng)求訪問其他設(shè)備的過程,，如何回應(yīng)來自其他設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄,。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式[4-5],。
當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器需要知道它們的設(shè)備地址,，識(shí)別按地址發(fā)來的消息,，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng),，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出,。在其他網(wǎng)絡(luò)上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu),。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址,、路由路徑及錯(cuò)誤檢測(cè)的方法。
Modbus協(xié)議主要分為ASCII和RTU兩種,。本文采用RTU的方式,，其信息幀格式如表1所示,。
當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以遠(yuǎn)程終端單元(RTU)模式通信時(shí)，在消息中的每個(gè)8 bit的字節(jié)包含2個(gè)4 bit的十六進(jìn)制字符,。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下,，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。
代碼系統(tǒng)：8位二進(jìn)制,，十六進(jìn)制數(shù)0…9,，A…F。
消息中的每個(gè)8位域都是由2個(gè)十六進(jìn)制字符組成,。
每個(gè)字節(jié)的位：1個(gè)起始位,；8個(gè)數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送,；1個(gè)奇偶校驗(yàn)位(無校驗(yàn)則無),；1個(gè)停止位(有校驗(yàn)時(shí))，2個(gè)bit(無校驗(yàn)時(shí)),；錯(cuò)誤檢測(cè)域,；CRC(循環(huán)冗長(zhǎng)檢測(cè))。
2.3.2 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)
組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件,，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境,，使用靈活的組態(tài)方式,，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的,、通用層次的軟件工具。
三維力控組態(tài)軟件是國(guó)產(chǎn)監(jiān)控組態(tài)軟件唯一的完整的冗余與熱備體系設(shè)計(jì),，完整的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),；支持控制設(shè)備冗余、多重網(wǎng)絡(luò)冗余,，多客戶端冗余,、冗余的主從站都可以操作；人機(jī)監(jiān)控圖形界面與過程數(shù)據(jù)處理分離,，內(nèi)置獨(dú)立的實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫,。
方便、靈活的開發(fā)環(huán)境,，提供各種工程,、畫面模板、可嵌入各種格式(BMP,、GIF,、JPG、JPEG,、CAD等)的圖片,，方便畫面制作,，大大降低了組態(tài)開發(fā)的工作量。
高性能實(shí)時(shí),、歷史數(shù)據(jù)庫,，快速訪問接口在數(shù)據(jù)庫4萬點(diǎn)數(shù)據(jù)負(fù)荷時(shí)，訪問吞吐量可達(dá)到20 000次/s,。
強(qiáng)大的分布式報(bào)警,、事件處理能力，支持報(bào)警,、事件網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)斷線存儲(chǔ),，恢復(fù)功能；支持操作圖元對(duì)象的多個(gè)圖層,，通過腳本可靈活控制各圖層的顯示與隱藏,；強(qiáng)大的ACTIVEX控件對(duì)象容器，定義了全新的容器接口集,，增加了通過腳本對(duì)容器對(duì)象的直接操作功能,，通過腳本可調(diào)用對(duì)象的方法、屬性,。
全新的,、靈活的報(bào)表設(shè)計(jì)工具提供豐富的報(bào)表操作函數(shù)集、支持復(fù)雜腳本控制,，包括：腳本調(diào)用和事件腳本,，可以提供報(bào)表設(shè)計(jì)器，可以設(shè)計(jì)多套報(bào)表模板,。
支持控制設(shè)備冗余,、控制網(wǎng)絡(luò)冗余、監(jiān)控服務(wù)器冗余,、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)冗余,、監(jiān)控客戶端冗余等多種系統(tǒng)冗余方式。全新的高性能實(shí)時(shí),、歷史數(shù)據(jù)庫,。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
以溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，本文采用上面提到的方案開發(fā)了一套如圖1所示工業(yè)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示,。
本文重點(diǎn)介紹了工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分的實(shí)現(xiàn)。在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)間雙向通信的前提下,，很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備的無線控制控制,，包括繼電器、I/O,、開關(guān)控制,、電機(jī)控制,，只需要在軟件和硬件上進(jìn)行一些小的擴(kuò)展就可以了。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳光榮,，章劍雄.基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),，2008(12):121-124.
[2] 毛君，劉克銘,，徐廣明.基于C8051F020單片機(jī)的串口通信應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,，2005(5):79-81.
[3] 李文仲，段朝玉.CC1110/CC2510無線單片機(jī)和無線自組織網(wǎng)絡(luò)入門與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,，2008.
[4] 封亞斌.采用串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)Modbus數(shù)據(jù)通信[J].自動(dòng)化儀表,，2004，25(10):56-58.
[5] 余向陽.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述[J].單片機(jī)與嵌入式應(yīng)用,，2008(8):8-12.