（控制理论与控制工程专业论文）基于ieee+802154的工业无线应用层研究与实现.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽整皇太堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：沙。譬年多月胗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞整电太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权重迭邮电太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：条勇 导师签名：? 罕 l 签字日期：? 口。3年月z 日 签字日期：沙彦年厶月j 乞日 重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 近年来，无线网络成为工控领域中迅速发展的热点之一，也是工业自动化产品 未来的新增长点。无线工业控制网络应用于自动控制领域是无线通信领域的一次重 大进步，在全世界范围内得到了广泛的研究，有着广阔的应用前景，特别是对工业 自动控制系统有着深刻的影响。无线通信技术在工业控制领域的使用，需要满足不 同用户的应用需求，但现有的无线通信技术中，对于应用还没有一个完整的方案， 因此设计和实现满足工业现场用户不同需求的无线通信协议应用层势在必行。 本文的主要目标是开发基于m e e8 0 2 1 5 4 的工业无线通信协议栈的应用层。首 先设计和实现应用子层，然后在此基础上引进功能块技术，开发和实现用户应用进 程，最后搭建温度控制系统来验证工业无线通信协议栈应用层的合理性。 本文在分析工业无线通信协议体系结构的基础上，重点设计和实现应用层。应 用子层是应用层的支持子层，为用户应用进程，设备管理进程和网络层提供数据接 口，为设备管理进程提供读写服务接口。应用子层中设计了协议数据包的收发机制， 应用层管理信息库信息的维护和读写服务。 在实现应用子层的基础上，采用功能块技术，开发用户应用进程。设备管理进 程是一种特殊的用户应用进程，包含多个管理对象，系统管理通过管理对象完成管 理功能。本文设计了无线组态，功能块调度和设备发现等服务，设备管理进程的管 理对象可调用上述服务，这些服务在应用层中运行正常，为用户应用进程提供了应 用实例。搭建了基于功能块的温度监控系统来验证结合应用子层和设备管理进程的 用户应用进程的合理性。测试结果表明，设计和实现的应用层设计合理，基本上可 满足工业现场的需要。 关键词：m e e8 0 2 1 5 4 ，无线通信协议栈应用层，功能块应用进程，无线温度控制 系统的用户应用进程 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s 仃a c t i t l 托c e n ty c a r s ，w i r e l e s s 珊脚吣r ki so n eo ft h e 瑚l p i m yd e v e l o p i i 培f o c u s e si n l e i i l d u 嘶a l 锄鼯锄d 也en e wg r o w 吐lp o 缸f o rt l l ei i l d l l s t r i a la u i o n p r o d u c t si nm e 如：t u r e w i 陀l e s s 饿船m r kf i o ri i l d 戚r i a lc o n t r o l 鲫【t o m a t i o ni sas i 鲥f i ca i l _ tp r o g r e s si i lt h c w i r e l e s sc o m m u n i c a ：d o n s6 e l d ni se 】( t e i l s i v er e s e a l hw i t t l i nt h ew o d d i th 嬲w i d e a p p l i c a ：t i o np r 0 驴c t s ，p a r t i 伽i l a r l y 如ri i l 枷a lc o n t r o ls ) ，s t e m w i l e l e s st e c l l l l o l o g ym u s t s 撕s 黟仕屺a p p l i c 撕o nd 即1 锄d0 f 也eu s e ri i lt 1 1 ei n d l l 矧a ln e l d h o w 钾m o s to fm e 商s t h l gw i r e l e s sc o m m u l l i 础o nt ec _ h n o l o g y d o n th a v eac o l m p l e t e 0 _ b j e c t i v e f 0 r a p p l i c a t i o n ni si m p e m 廿v et l l a td e s i g i l i l l g 疵l e 豁c o m m u i l i c a = t i o np r o t 0 c 0 la p p l i c a l i o n l a y e rs a t i s f i e st i l e ( 1 i 脑r e l l ta p p l i c a t i o nd e i n a n do f m e u s e r t h em a i no 巧e c to f 也ep a p e ri sn l ed e v e l o p m e n to ft ：h ei 玎d l 埘瞳i a lw i r e l e s s c 0 删m i l l i c a t i o np 似o c o la r p p l i c a t i o nl a ) r e rb 嬲e d0 nn l em e e8 0 2 1 5 4 i td e s i g 瞄圮 a p p l i c a l i o n 双j b - l a y e r 矗r s t 1 h i td e s i g 啮缸u s e ra p p l i c a t i o np r o c e s sc o m b i i l i n gm e 如n c t i o nb l o c kt c c l l i l o l o g y a tl a s ti tb u i l d su p 幻m 】婶r a t u r ec o n 仃0 ls y s t e mt 0v e r i 分m e r e a 鲫n a b l eo f m e 硫b m a l 谢r e l 懿sc o 删c a t i o n 础) t o c o la p p l i c 撕0 nl a y e r o n l eb 嬲i so fa 1 1 a l y s i l 培n l ei 1 1 d l l s 晡a lw i l e l e s sp r o t o c o la r c l l i t e c t u r e ，i tf o c l l s e do n d e s i 盟锄di i n p l e m e i 慨i o no fa p p l i c a t i o nl a y e r n e 印p l i c a t i o ns u b - l a y e rp r 0 v i d e sd a t a i i l t e r f a c ef o r 也el l s e ra p p l i c a t i o np r o c e s s ，也ed e 航c em a r 甥e l ! n e n tp r o c e 豁姐dt h e 嫩脚旧r k l a y c r ，a l s 0i tp r o v i d e sr e a d i r 培觚dw r i t i i l gi i i t a 矗c e 向rt h ed c v i c em 赳捌弦m e n tp r c h c e s s t h ea p p l i c 撕0 n 跚b _ l a y e rd e s i g 吣d a t ap 砌鼢柏n s 晒v e rm e c i l a i l i s m ，a l s 0i tm a i n t a i n s a m 删吗r e 蛐a n d 晰吨s e i c e b a do nm ei i n p l e l 】m a t i o no ft h c 印p l i c a ：t i o n 鲫_ b 1 a y e r i td e v e l o p s 璐盯 a p p l i c a ：c i o np r o c e s sc o m b “n gm e 缸1 c t i o nb l o c kt e c h n o l o 职d e v 妣m a r l a g e m e n t p m c 豁si sas p e c i a lk i i l do f 吣e ra p p l i c a t i o np r o c e s s d e v i c em 锄g e m e n tp r o c e s si n c l u d e s m 觚ym a r 鹕锄眦嘶e c t sw m c h 也es y s t e i l lm a n a g e n l e n tu s e st 0m a l l a g e i l lt i l i sp a p i t d e s i 孕塔w i r e l e s sc 0 曲删。玛s c h e d l n i r 坞劬c t i o nb l o c b 姐de 叫p m 锄tf o u i l ds e i c e s t h em a i m g e m e n to 场e c t sc 阻c a l lt l l es e r v i c e si l l 也ed e v i c em 锄a g e m e mp r o c e 踮t h e s e r v i c e s0 l 橱r a t en o 珊a l l yi nm e 印p l i c a t i o nl a y e ra n dp 啊d ea p p l i c a t i o 邶f o rt h e 璐e r a p p l i c a n o np r o c e s s ns 臼硼m l r e s 向【n p c 豫t u 他c o n t r o ls y s t 锄t 0v e r i 匆t h er e 弱o m 【b l eo f 也ei n d u s t r i a lw i r e l e 豁c 0 恤舢城c a t i o np r o t o c o la p p l i c a t i o nl a ) ，e rb a s e d0 nt h e 删0 n b l o c kt e s tr e s u s h o w 呦t h cw h l e 鼹c 0 删c 丽o np r o t o c o l 印p l i c a t i o ni a y e r h 重庆邮电大学硕士论文 d e s i 盟e db 嬲i c a l l yt 0m e c t 恤础o f 也ei i l 捌a lf i e l d k e yw o r d s ： m e e8 0 2 15 4 ，诵r e l e s sc o n 蛐u l l i c a t i o np r o t o c o l 印p l i c a t i o nl a y f h n c t i o nb l o c ka p p l i c 撕o np r o c e s s ，m eu ra p p l i c a t i o np r o c e s so f 廿l et e 】n p 鼎m 玳 m e 鹤u r e r n e n ts y s t e r n i l l 重庆邮电大学硕士论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 目勇之。 第一章绪论l 1 1 工业无线控制网络的产生背景l 1 2 工业无线控制网络的发展现状与趋势l 1 2 1z i 曲技术的介绍l 1 2 2i s a l o o 标准的概况3 1 2 3 无线h a r t 的发展3 1 2 4 工业无线在国内的发展4 1 3 功能块的产生与发展5 1 4 工业无线通信技术中的关键问题6 1 5 本文主要研究内容8 1 6 本章小结9 第二章无线通信协议栈应用层的设计与实现1 0 2 1 工业无线通信协议模型。1 0 2 2 工业无线通信协议的介绍1 0 2 3 应用层的设计与实现1 2 2 3 1 应用子层的实现1 2 2 3 2 用户应用进程的开发1 5 2 3 3 设备管理进程的实现1 6 2 4 本章小结1 8 第三章无线通信协议栈中功能块的开发1 9 3 1 功能块模型1 9 3 2 应用层中功能块支持的实例化操作2 0 3 3 功能块的无线组态2 l 3 3 1 链接对象的建立2 l 3 3 2 功能块的无线组态流程2 3 3 3 3 功能块的调度2 5 3 4 功能块应用进程2 6 熏鬻琴露露瑟熏露嚣鬻黧黧誊搿零瑟瑟焉骶曩曩繁警警拳学篓霉夏篓警翌翟黑紧黧黧黧 重庆邮电大学硕士论文 目录 3 4 1 功能块的通信2 6 3 4 1 1 功能块之间的通信2 6 3 4 1 2 功能块与组态软件的通信2 8 3 4 2 功能块应用进程的结构。3 0 3 4 3 无线控制回路3 3 3 5 本章小结3 5 第四章无线温度控制系统应用进程的设计与实现3 6 4 1 温度控制系统概述3 6 4 2 硬件介绍。3 7 4 3 应用进程设计3 9 4 3 1 无线协议的程序设计3 9 4 3 2 测温过程的程序设计4 0 4 3 3 控制回路的实现4 2 4 3 3 1 设备间的功能块的无线组态4 2 4 3 3 2 控制回路的数据传输流程4 4 4 4 系统测试4 5 4 4 1 测试方案4 5 4 4 2 测试结果4 6 4 4 3 功能指标4 9 4 5 本章小结5 0 第五章结论及未来的工作5l 5 1 结论5 1 5 2 未来的工作。5l 致谢! ；：； 参考文献5 4 附勇之5 6 攻读硕士学位期间从事的主要科研工作5 6 参与编写的专著5 6 v 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 工业无线控制网络的产生背景 作为2 0 世纪现代制造领域中最重要技术之一的工业控制自动化技术，是一种运 用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、 优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的 的综合性技术n 1 。随着计算机技术、微电子技术和信息管理技术的不断进步，工业 控制也逐步由集中走向分散，网络化、开放化、智能化和集成化成为了工业控制技 术发展的方向。 计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合，产生了“基于无线技 术的网络化智能传感器 的全新概念。这种基于无线通信技术的智能传感器网络使 得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线通信技 术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间 的通信提供无线数据通信链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥 补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。 无线工业通信技术应用在自动控制领域是无线通信领域的一次重大进步，在全 世界范围内得到了广泛的研究，有着广阔的应用前景，特别是对工业自动控制系统 有着深刻的影响。工业无线控制网络是一种节点可移动、拓扑结构高度动态变化、 没有预设的网络基础设施的无线网络。同传统网络相比，工业无线控制网络具有节 点能量、计算能力、存储空间、网络带宽和通讯能力非常有限，网络规模较大，拓 扑动态变化等特点。 1 2 工业无线控制网络的发展现状与趋势 1 2 1 z i 曲e e 技术的介绍 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技 术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“h o r n e r fl i t e ”或f i r e f l y ，无线技术，主要 用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协 调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。最后，这些数据就可 以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如晰m a x 收集髓1 。 1 9 9 9 年，蓝牙热潮席卷全球，然而发展数年，一直受芯片价格高、厂商支持力 度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。低功耗、低成本的无线网络 要求令z i 曲e e 应运而生，大幅简化蓝牙的复杂规格，专注于低传输应用。不过相关 规格已与现有的蓝牙脱钩。于是有媒体甚至预言：z i g b 和i ，w b ( u l 胁w i d e b a n d 超宽频道) 切入市场可能使蓝牙尚未普及即成历史。这种论调显然言过其实，因为 z i g b 不支持语音，但z i g b 的低价格、低功耗和可靠支持成为其闪亮登场的亮点， 使得它超越蓝牙的简单实用成为事实。 z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月。2 0 0 2 年下半年，英国b l v e n s y s 公司、日本三 菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它 们将加盟“z i 曲联盟”，以研发名为“z i g b e e ”的下一代无线通信标准，这一事件成 为该项技术发展过程中的里程碑。 z i g b e e 的基础是m e e8 0 2 1 5 4 ，这是m e e 无线个人区域网( p 蹦；0 n a l 觚a r k ，p a n ) 工作组的一项标准，被称作m 髓8 0 2 1 5 4 技术标准。 z i g b e e 不是8 0 2 1 5 4 的名字。e e 仅处理m a c 层和物理层协议，z i g b c e 联 盟对其网络层协议和a p i 进行了标准化。每个协调器可连接多达2 5 5 个节点，而几 个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。z i 曲联盟还开发了 安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传 输不会被其它节点获得。 z i g b e e 的特点突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下几个方面： 低数据传输速率：只有1 0 k 字节j 眇到2 5 0 k 字节j 眇，专注于低传输应用： 低功耗：在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到2 年， 免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是z i g b 的支持者所一直引以 为豪的独特优势： 低成本：因为z i 曲e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。 且z i g b e e 协议免收专利费。 大网络容量：每个z i g b c e 网络最多可支持2 5 5 个设备，也就是说，每个 z i 曲设备可以与另外2 5 4 台设备相连接； 短时延：通常时延都在1 5 毫秒至3 0 毫秒之间； 安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用a e s 1 2 8 ， 同时可以灵活确定其安全属性； 有效范围小：有效覆盖范围1 0 7 5 米之间，依据实际发射功率的大小和 各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境； 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 工作频段灵活：使用的频段分别为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 z ( 美国) ，均为免执照频段。 z i g b e e 技术将主要嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控 制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围的基于无线 通信的控制和自动化等领域。 1 2 2i s a l o o 标准的概况 目前，国际上对无线通信进入工控领域的现场设备层的探索，正进行得如火如 茶，一些国际上著名的自动化与仪器仪表公司都推出了各自的方案与产品。如： h i ) n l y w e u 推出基于z i g b e e 无线传输协议的无线变送器x 己5 0 0 0 系列；a b b 公司 提出基于无线网络通讯的现场设备互联解决方案；o m r o n 推出无线连接d 嘶c c n e t 现场总线主站w d 3 0 m e 和从站w d 3 0 s e ；德国s 出l dk n e c h t 公司推出的无线 p r o f i b u s d p 产品d e3 0 0 0 系列。 但是，将无线技术应用于工业自动化领域对现场设备进行检测和控制还没有一 个成熟的标准，而市场、用户和设备制造商都迫切需要相关标准来规范这方面的产 品。为此，i s a ( h l s 砸蛐e n ts o c i e t ) ro f 加n e r i c a ，美国仪器仪表协会) 专门成立了一个 由终端用户和技术提供者组成的i s a l o o 委员会。i s a l o o 委员会的主要任务是制定 标准、提议操作规程、起草技术报告，来定义工业环境下的无线系统相关规程和实 现技术。 无线传输在工业控制领域涉及的重要概念有：无线系统与现有系统的共存性 ( c 0 e x i s t c i 脱：) ，不同厂家设备的互操作性( h l t e r o p e r a b i l 时) 以及系统之间的相互 协作性( h l ：咖姚g ) ，这些都有赖于制定能被普遍接受的无线通信协议。 为保证工业无线通信技术的完整性，目前i s a l 0 0 委员会成立了1 1 个研究小组， 每个小组的目标是形成相关文档来帮助用户在工业无线应用时做出正确的选择。这 些工作组是制定标准的重要组成部分之一。 i s a l o o 标准希望工业无线设备以低复杂度、合理的成本和低功耗、适当的通信 数据速率去支持工业现场应用。i s a l 0 0 标准定义的工业无线设备包括：传感器、执 行器、其他自动化设备与无线手持设备。主要内容包括工业无线通信技术的网络构 架、共存性、健壮性、与有线现场网络的互操作性等。 1 2 3 无线h a r t 的发展 h a r t 通信基金会h c f 从2 0 0 4 年起，宣布开发无线h a r t 协议，要求h a r t 无线 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 通信技术保证支持产品的互操作性，与有线h a r t 仪表的无缝连接，提升h a r t 智能 仪表的智能和可连接性刚。h c f 的无线工作组吸引了世界众多的过程控制供应商加 入，主要参加单位有：e m e 啪n 、a b b 、s i e n l e 璐、d u s t n 舐o 舾等。历经近三年的 努力，经h c 贼员投票，无线h a r t 的规范和通信协议在2 0 0 7 年6 月正式通过。 无线h a r t 工作于2 4 g h zi s m 频段，采用安全稳健的网格拓扑结构。无线 h a r t 通过信道跳频，使用i e 髓8 0 2 1 5 4 兼容的d s s s 直接序列扩频技术，传送信 息包数据。无线h a r t 架构基于以下原则设计：易用，可靠，与无线网格传感器协 议兼容。它强制要求，兼容设备必须支持互操作性，如不同制造商的无线h a r t 装 置类型，无需系统操作即可被替换。 传统h a r t 协议是一种支持主从通信和过程数据发布的令牌传送网络。而无线 h a r t 则额外增加了物理层正e es t d8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 和t i ) m a 数据连接层。它的完 整的网络层规范，支持全无线网络( m e s h ) 的部署。无线h a r t 支持标准h a r t 应用层，聚焦于h a r t 所最擅长的灵巧的过程现场设备间通信。 1 2 4 工业无线在国内的发展 2 0 0 6 年7 月，s p l o o 标准委员会面向全球征集技术提案，国内的重庆邮电大学、 沈阳自动化所、浙江大学等研究机构与h o i 圮y w e l l 、c 范、s i e i i l e i 垮等国际著名公司 均向i s as p l o o 提交了自己的技术提案，并于同年1 0 月进一步提交了技术白皮书， 在s p l o o 引起广泛的关注与重视，提交的部分建议文档已列入i s as p l o o a 的相关草 案。 重庆邮电大学自动化学院以院长王平教授为代表，多位重庆邮电大学的老师积 极地参与美国仪器仪表协会下属的工业无线通信委员会( i s a l 0 0 ) 的标准制定工作， 2 0 0 6 年9 月制定了重庆邮电大学的无线工业控制网络技术提案和白皮书，并提 交给了i s a l o o 委员会。鉴于我校向i s a l o o 标准委员会提交的技术白皮书具有自身 的特点，引起广泛的关注。 重庆邮电大学自动化学院多次派老师出国参加i s a l o o 的标准化会议，与到会 的各个公司和机构( 包括z i g b 联盟、w h l e s sh a n 联盟) 的专家、学者等进行了 广泛的技术交流，并向i s a l o o 委员会提交了：，i ke 删i o n 越9 0 咖m sn a ti s a u ：i l l o 妇db yt 1 地c 玎n ag o v 锄m e n t 、s e c u r 毋c 0 n 丘g 眦砸0 n c q u p t 、 t e c h i l i c a lr c q u i 崩n e n ：c sf o rm i c r o p o w e r ( s h 傩d i s t 锄c e ) r a d i oe 叫p 玎1 e n t0 1 ) c r 如g i l ic i l i i l a 、1 1 伦r e a l i z 撕o no f z i g b e ew n l e s si n d l l s 缸yc 0 n 由r o ls y s t e m - c q u p t 等 多个文档，并针对最新发布的i s a l o o 1 1 a 操作原则文档，提交了3 4 条建议和意见， 其中多达2 7 条被i s a l 0 0 1 1 a 委员会完全接受并采纳。 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 由无线工业网络联盟( w i n a ) 、美国仪器仪表协会( i s a ) 和重庆邮电大学共同 举办的2 0 0 8 工业无线通信国际大会3 月3 1 至4 月4 日在重庆召开，来自全球的近 百名专家在重庆一起探讨无线通信技术的应用进程，研讨无线通信技术最新国际标 准的制定。这是无线工业网络联盟等机构首次在中国召开全球性工业无线通信大会。 会议期间，重庆邮电大学自动化学院展示了工业无线通信技术领域内的最新成果和 应用解决方案。 1 3 功能块的产生与发展 功能块是在工业控制领域编程发展过程中产生的，并在1 9 9 5 年形成i e ct c 6 5 标准嘲。t c6 5 认为制定一个功能块应用的公共模型很有必要，将这个工程委派给其 下属第6 工作组( t c6 5 、m g 6 ) ，并命名为i e c 6 1 4 9 9 标准。c 6 1 4 9 9 标准定义了一整 套独立于具体实现方式的、设计模块化、可重用、即插即用的软件组件一功能块 作为分布式应用的主要模块。s c6 5 c 、g 7 制定了m c6 1 8 0 4 过程控制用功能块，提 供了设计、实现和运行一个基于功能块的过程控制【5 】系统所需的工具、设备及其他 组件。 规范包括两个部分：p a r t1 ：包含了控制系统模型，功能块概念的定义，功能 块调度机制以及基本功能块的定义；p a n2 ：技术块规范，包括温度技术块、压力技 术块、流量技术块以及物位技术块等。 c6 1 4 9 9 1 0 “1 脚是用于分布式n 明工业过程测量与控制系统功能块n 3 h 钔的标准， 分为体系结构咖、软件工具要求n 们、应用规则n 订和符合行规规则n 2 1 四部分，它定义 了一个通用体系结构，并指定了功能块在分布式工业过程测量与控制系统中的应用 规则。陋c6 1 8 0 4 过程控制用功能块，包括两部分“系统全貌川蚓和“功能块概念和 电子设备描述语言规范 n 叼。这两种功能块标准是一种面向过程自动化行规的重要 组成部分。功能块以此为基础提供了基于系统控制功能、在不同工程项目中可随意 重复使用的模块化结构，并通过工程设计模型和运行期模块两个层次，组成完整的 网络控制系统。从用户应用的角度看，过程控制系统是由一些基本的功能模块元素 ( 输入类、输出类、控制类、运算类等) 通过以连线方式表达的逻辑链接关系进行 组合，协调相互之间的工作，共同完成控制任务。功能块独立于具体的现场总线技 术或现场设备的生产厂商。 功能块的最大特征在于其封装性目，具有黑盒子特性。对于功能块外部来说， 算法、执行控制表和内部数据都是不可见的，而且使用功能块时一般只需知道其外 部接口。使用功能块可以达到更好的控制性能n 町、更高的可靠性，减少维护费用和 原材料损耗，同时提高过程有效性，充分发掘生产能力。将控制置入现场设备，硬 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 件减少，不再需要很多控制器，部件和备件减少，从而降低先期投入成本和整体运 营成本。这一切，都是通过将功能块分布在系统数百上千的现场设备中而实现的。 用户选择功能块的工作就是设定特性与参数并将其连接起来的过程。 功能块是现场总线组织非常关注的、也是发展较快的一个研究领域。基金会啪 2 h 矧现场总线已定义了1 种资源块、1 0 种基本功能块、1 9 种先进功能块以及7 种标 准的转换块。p r o 纳u s 圈现场总线也定义了5 种基本功能块和多种技术块髓。浙江大 学、浙江中控技术股份有限公司、中国科学院沈阳自动化研究所、大连理工大学、 清华大学等合作单位对e p a 功能块的研究都处于快速发展中。无线领域也开始了功 能块的研究。 1 4 工业无线通信技术中的关键问题 长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自 从b l u e t o o l l l 出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已， 但是b l u e 瞅曲的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。 z i g b 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线 网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无 线连接。它基于8 0 2 1 5 4 标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这 些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到 另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。由于z i g b 技术的低数据传输速率和 通信范围较小的特点，也决定了z i 班e e 的主要应用领域包括工业控制、消费性电子 设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。 但是目前，无线技术( 包括z i g b e e ) 的应用主要停留在工厂管理级和远程遥测 方面，其主要的优势并未充分发挥。关键问题是因为无线通信技术应用在工业控制 领域还有一些关键技术有待解决，如可靠性问题、安全性问题、信道干扰问题、时 间同步问题，工业无线应用需求等等。表1 1 为工业无线通信技术中急需解决的关 键问题。 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 表1 1 功能需求分析 安全需求1 网络安全，具有针对故意攻击和人为错 误的保护能力； 2 数据安全，具有保护数据的保密性、完 整性、实效性和进行数据认证的能力。 可扩展需求1 每个控制中心最少可连接1 0 0 0 个无线 设备； 2 系统可同时容纳多个覆盖区域重叠的 网络。 兼容性与互操作需求1 可与现有的工厂办公网络和控制网络 共存； 2 可与现有的控制系统互联，从用户的角 度实现控制应用的底层通信网络无关性。 节能需求无线设备依靠电池供电可工作5 年。 共存需求1 在一个干扰区域内，同时存在的多个 8 0 2 1 5 4 网络之间相互不干扰； 2 在一个干扰区域内，同时存在的 8 0 2 1 5 4 网络与8 0 2 1 1 b 网络之间相互不 干扰 同步需求任意两个子网的设备之间的同步误差不 大于o 2 5 毫秒 调度需求对实时设备完成确定性调度 无线通信技术应用需求为满足用户的不同应用需求，开发出丰富 的无线通信协议应用层 在工业领域，无线技术主要致力于低消费，低功耗的方向发展，但在控制应用 方面考虑的并不全面。工业领域的无线设备之间的通信，主要是子节点设备与父节 点设备的通信( 星型网) 或者子节点通过路由节点与另一个子节点的通信( 树型网) 。 而对于子节点之间的自动控制问题，目前大部分厂家都研究的很少。在无线通信技 术中集合功能块，把功能块应用进程技术应用于无线领域的节点设备，可以方便用 户解决无线工业领域设备的自动控制问题。 目前实验室致力于无线通信协议栈的开发及应用问题，无线通信技术在实际的 工业现场的应用作为其主要研究内容之一。为丰富无线通信协议栈的用户应用进程， 在无线设备内的通信协议中添加功能块技术，建立设备内或设备间的链接对象，形 7 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 成功能块的应用进程，达到自动控制的目的。 在无线通信技术中使用功能块，具有以下几个特征： 在无线通信技术中开发功能块，能够实现设备间的自动控制，丰富无线通信 协议的用户应用进程，是工业无线控制领域发展的一个亮点，也是工业无线控制领 域发展的趋势。 与z i 加e e 规范中的绑定服务相比，无线通信技术结合功能块组态技术更完 善。绑定服务是为了让z i 曲e e 设备建立清晰简洁的链接，由z i 曲节点的不同而 建立起的连接，通过绑定表实现绑定功能。相对于绑定，功能块的组态更完善，可 以是同一设备内的功能块组态，或者不同的多个设备内功能块的组态，多个功能块 应用进程可组成自动控制回路，基本上满足了工业自动控制领域的需要。 与有线技术使用功能块相比，无线技术使用功能块，克服了由于现场设备的 工作环境恶劣而无法使用电缆，进而无法对其进行控制的弊端。无线通信技术结合 功能块应用进程，使得工业现场自动控制无处不在。 无线设备的可移动性和组网的灵活性，使得功能块应用进程的实现更加多样 化，只要移动带功能块的无线设备到预控制网络，工业自动控制就可以实现。 与有线技术使用功能块相比，若链接对象传输的连接链路发生中断，自动控 制将停止而无法自动修复；使用添加功能块的无线通信技术则不存在这个问题，它 结合了自动组织网状网络和自动动态路由技术，使得通信畅通无阻。 1 5 本文主要研究内容 本文首先研究无线通信协议栈的应用层，在此基础上，引入功能块技术，开发 丰富的用户应用进程。 本文主要的研究内容如下： 开发无线通信协议栈的应用子层，设备管理进程和用户应用进程。应用子层 一方面为网络层，用户应用进程和设备管理进程提供数据接口；另一方面维护应用 层管理信息库。设备管理进程存在于每个设备中，管理设备本身以及与其它设备的 通信。用户应用进程是运用无线通信协议的应用程序的集合。 在无线通信协议栈中引入功能块技术，实现功能块的无线组态和功能块应用 进程的形成，研究和实现功能块应用进程和控制回路在工业无线通信中的应用。 设计和实现无线温度控制系统的用户应用进程，进行功能块与智能仪表的程 序设计，无线协议栈的程序设计和控制回路的程序设计。 搭建验证系统测试结合了无线通信协议栈的温度控制系统的应用进程，测试 结果表明，无线通信协议应用层设计合理，基本上可以满足工业现场需要。 8 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 结果表明，无线通信协议应用层设计合理，基本上可以满足工业现场需要。 1 6 本章小结 本章首先介绍了工业无线控制网络的发展历程，然后概述国内外的工业无线通 信技术，接着对功能块的产生与发展和工业通信技术中的关键问题做了简要概述， 最后说明无线通信技术结合功能块技术在工业控制应用中的优越性。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章无线通信协议栈应用层的设计与实现 第二章无线通信协议栈应用层的设计与实现 2 1 工业无线通信协议模型 无线通信技术是信息领域的一个全新的方向，同时也是新兴学科与传统学科学 术交叉的结果，它在工业控制领域的应用已成为继现场总线与工业以太网之后，国 际控制界又一个热点技术，未来几年将成为工业自动化产品新的增长点。 工业无线通信协议的体系结构参照i s o o s i 开放系统互连模型的第一、二、三 和七层，共构成四层结构的通信模型。其中第二层采用m e e8 0 2 1 5 4 的m a c 层与 工业无线m a c 层结合的m a c 层，应用层包含了应用子层，用户应用进程和设备 管理进程。 图2 1 为无线协议体系结构。 艘兰宅差竺! tl !q = 广1 二q l ； ：二三些丞幽嫩星= = = = ：幺卓竺 i e e e8 0 2 1 5 4 的m a c 层i i 厦e e8 0 2 1 5 4 的物理层 图2 1 无线协议体系结构 2 2 工业无线通信协议的介绍 按照工业无线协议体系结构的层次来开发工业无线通信协议栈。图2 2 为无线 协议层次框图。在工业无线协议栈的开发中，能源管理和功能块及其调度是无线通 信协议在工业应用方面的创新。自适应跳信道技术，确定性调度技术和精确时间同 步技术是自主技术的创新。 i o 蒜 露嚣嚣鬻震象嚣臻爱焉燕霉器曩瑟零雾翼票熏委臻篓瑟莩霹鞭豫燕葶誊麓糍秽篝藏磐蒙警瑟露慧麟透瓣： 重庆邮电大学硕士论文第二章无线通信协议栈应用层的设计与实现 底层 驱动 图2 2 无线协议层次框图 物理层：启动和关闭无线收发器，能量检测，链路质量，信道选择，清除 信道评估，读和写，以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。 m a c 层：信标通告，孤点通告，信道扫描，通信状态报告，请求协调器数 据，时间同步，调度算法，跳信道，断开网络，连接网络，升级超帧配置， 设置接收机工作时间，读和写，m a c 层复位，以及数据的发送和接收。 网络层：网络发现，网络形成，允许设备连接，路由器初始化，加入网络， 断开网络，设备复位，读和写，以及数据的发送和接收。 应用层：网络初始化，节点初始化，设备发现，服务发现，能源管理，无 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线通信协议栈应用层的设计与实现 线组态，读服务，写服务，功能块调度，以及数据的发送和接收。 2 3 应用层的设计与实现 工业无线协议的应用层位于无线协议体系结构的最上层，负责无线协议的应用 和整个无线协议的管理，由应用子层，设备管理进程和用户应用进程三部分构成。 应用子层一方面为网络层，用户应用进程和设备管理进程提供数据接口；另一方面 维护应用层管理信息库和提供各种应用服务。设备管理进程存在于每个设备中，管 理设备本身以及与其它设备的通信。用户应用进程是运