（通信与信息系统专业论文）基于ieee802154的工业无线通信模块和网关的硬件设计与开发.pdf

重庆邮电大学硕士研究生论文 摘要 摘要 无线通信技术在工业控制领域引起了普遍的关注，并得到了广泛的应用。基 于无线技术的智能化仪表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。在工厂环境下，无线通信技术能够为各种智能现场设备以及各 种自动化设备之间的通信提供无线数据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。如 何将无线网络接入有线控制网络，实现无线网络与有线控制网络之间数据交换是 一个重要的课题。 本文针对无线网络如何接入有线网络这一问题，采用i e e e 8 0 2 1 5 4 技术，对 工业无线网关硬件进行了研究和设计。文章在分析了无线网关功能的基础上，介 绍了无线网关的解决方案以及涉及到的关键技术。文中设计的无线网关采用双核 结构，利用高性能、低功耗的3 2 位a r m 处理器a t 9 1 r 4 0 0 0 8 和集成了射频( r f ) 前端、内存与微控制器的c c 2 4 3 0 芯片作为微处理器进行设计，其中c c 2 4 3 0 运行 无线协议栈、a t 9 1 r 4 0 0 0 8 运行操作系统等相关的应用程序和必要的相关驱动程 序。网关硬件设计主要涉及核心控制部分和接口电路两部分，核心控制部分包括 微处理器电路、以太网卡芯片电路和存储器电路，接口部分包括i e e e 8 0 2 1 5 4 无 线通信接口、以太网接口、数据采集接口和程序调试接口。无线网关采用了总线 供电技术，使用以太网线传输直流电源，提供可靠的电源质量，保证设备工作的 稳定性。 将本论文设计的无线网关与小组其他同学开发的设备组建了一个基于 i e e e 8 0 2 1 5 4 的无线测控系统。测试结果表明无线网关达到了设计要求，且工作稳 定。 关键词：工业无线，i e e e 8 0 2 1 5 4 ，无线网关，以太网供电，a t 9 1 r 4 0 0 0 8 重庆邮电大学硕士研究生论文 英文摘要 a b s t r a c t t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sa r o u s e dt h eu n i v e r s a li n t e r e s ti nt h e i n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d ，a n do b t a i n e dt h e w i d e s p r e a da p p l i c a t i o n w i r e l e s s i n t e l l e c t u a l i z e di n s t r u m e n t se n a b l ed a t ai nt h ei n d u s t r yf i e l dc o u l db et r a n s m i t ，r e l e a s e a n ds h a r et h r o u g ht h ew i r e l e s sl i n ki nt h en e t w o r k u n d e rt h ef a c t o r ye n v i r o n m e n t ， w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yp r o v i d e st h ew i r e l e s sd a t al i n ka n dt h e f l e x i b l e n e t w o r kt o p o l o g yf o re a c hl 【i n do fi n t e l l i g e n c ef i e l di n s t r u m e n t sa sw e l la se a c hl 【i n do f a u t o m a t i ce q u i p m e n t sc o r r e s p o n d e n c e ,m a d eu pt h ew i r e dn e t w o r ki n s u f f i c i e n c y e f f e c t i v e l yu n d e rs o m es p e c i a le n v i r o n m e n t ，a n df u r t h e rc o n s u m m a t e dt h e i n d u s t r i a l c o n t r o ln e t w o r kc o r r e s p o n d e n c ep e r f o r m a n c e h o wt om a k ew i r e l e s sn e t w o r ka c c e s s e d w i r e dc o n t r o ln e t w o r k ，e n a b l ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nt h e m i sa l li m p o r t a n tp r o b l e m t i l i sp a p e rr e s e a r c ha n dd e s i g nt h ei n d u s t r i a lw i r e l e s sg a t e w a yb a s e do n 1 e e e 8 0 2 15 4t e c h n o l o g y i ti n t r o d u c e dt h ew i r e l e s sg a t e w a yd e s i g ns o l u t i o na sw e l la s r e l a t e dk e yt e c h n o l o g i e s t i l i sp a p e rw a sm a i n l yr e s e a r c ht h eh a r d w a r eo fw i r e l e s s g a t e w a y 1 1 1 eg a t e w a yu s e dd o u b l e - m i c r o p r o c e s s o r ss t r u c t u r e ，a d o p th i g hp e r f o r m a n c e ， l o wp o w e rl o s s3 2 一b i t sa r m p r o c e s s o ra t 9 1r 4 0 0 0 8a n di n t e g r a t e dt h er a d i of r e q u e n c y ( i 强) f r o n te n d , t h em e m o r ya n dt h em i c r oc o n t r o l l e r sc c 2 4 3 0c h i p c c 2 4 3 0d o w n l o a d t h ew i r e l e s s s t a c k , a t 9 1 r 4 0 0 0 8d o w n l o a do p e r a t i n gs y s t e m , r e l a t e da p p l i c a t i o n p r o c e d u r ea n dt h ee s s e n t i a lr e l a t e dd r i v e r s g a t e w a y sp e r i p h e r a lc i r c u i tm a i n l yi n v o l v e s t w op a r t s ：t h ec o r ec o n t r o ls e c t i o na n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i t ，t h ec o r ec o n t r o ls e c t i o n i n c l u d i n gm i c r o p r o c e s s o re l e c t r i cc i r c u i t ，e t h e rn e t w o r kc a r dc h i pe l e c t r i cc i r c u i ta n d m e m o r y e l e c t r i cc i r c u i t , t h ei n t e r f a c ec i r c u i t i n c l u d i n g i e e e 8 0 2 15 4w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，e t h e r - n e ti n t e r f a c e ，d a t a - c o l l e c t e di n t e r f a c ea n dp r o g r a m d e b u g g i n gi n t e r f a c e t h ew i r e l e s sg a t e w a y h a su s e dt h ee t h e r - n e tp o w e rs u p p l ym o d u l e ， e t h e r - n e tw i r et r a n s m i s s i o nd i r e c t - c u r r e n tp o w e r , p r o v i d e dt h er e l i a b l ep o w e rs o u r c e q u a l i t y , g u a r a n t e e dt h ee q u i p m e r i tw o r k ss t a b i l i t y a f t e rc a r r i e do nt h eh a r d w a r ed e s i g nt e s ta n dc o r r e s p o n d e n c ep e r f o r m a n c et e s to f w i r e l e s sg a t e w a y , s e tu pi e e e 8 0 2 15 4w i r e l e s sc o n t r o la n di n s p e c ts y s t e m ，t h et e s t r e s u l to ft h es y s t e mi n d i c a t e dt h a tt h ew i r e l e s sg a t e w a yh a sa c h i e v e dt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ，a n dw o r k ss t a b l y n 重庆邮电大学硕+ 研究生论文 英文摘要 k e yw o r d s ：i n d u s t r i a lw i r e l e s s ，1 e e e 8 0 2 15 4 ，w i r e l e s sg a t e w a y , p o e ( p o w e ro v e r 1 1 1 重庆邮电大学硕士研究生论文 第一章绪言 1 1 引言 第一章绪言 无线传输进入工业控制领域的趋势无可置疑。在未来的几年中，大多数仪表 和自动化产品都将嵌入无线功能。无线技术首先会用在楼宇自动化、自动抄表、 事故响应、设备监控系统、设备资产管理、诊断维护等。 工业控制的无线技术目前主要集中在无线短程网方向。它们都具有相当牢固 和成熟的技术基础，但为了适应工业控制要求和环境，还需要专门的开发研究。 无线现场仪表一定要实现低功耗，才可能解决供电的长期无线化和就地化。所以 一般来说无线传输不适用于高速控制的场合。但是实践证明，对大多数监控和慢 速控制场合，它足够可靠，可以用在将近8 0 的自动化和过程控制场合。适应各 种不同应用类型和要求的无线通信标准，有的已经颁布并被市场接受，有的还在 制订过程中，其发展和市场开发值得重视。z i g b e e 联盟已将z i g , b e e 定位于以下三 类无线应用：公用设施、商业建筑和消费产品。无线h a r t 技术是专为流程工业 过程现场仪表应用而设计开发的。i s a l 0 0 1 l a 是专为流程工业环境的现场设备无 线应用开发标准，另外还包含无线f f 、无线p r o f i b u s 等，其开发进程值得关注。 1 2 工业无线通信发展历程 无线通信技术作为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，已经引起了学术界和工业界的广泛关注。将网络从有线扩展 到无线是大势所趋，一旦无线产品的速度和价格都被人们接受，将获得广泛的应 用。很多国家( 包括我国) 已经开始将g p s 、g p r s 、c d m a 等无线通信技术相互 结合，应用于智能交通系统中，实现交通管理中的紧急事件管理及紧急车辆管理 功能、出行者信息中的路径诱导及导航服务功能、以及运营管理中车辆的监视与 调度功能。但无线通信技术真正在测量与控制领域得到广泛的重视则是因为近几 年无线个域网络( w p a n ) 和无线局域网( w l a n ) 技术的迅速发展。在需要新 建计算机网络的小企业中，可以用无线网络来完全替代有线网络；在有线网络较 为完善的企业和大中型企业，可以采取有线作为主干网络、无线覆盖接入面相结 合的方式应用，这样既能保证主干网络的带宽容量，也能够发挥无线网络灵活经 重庆邮电大学硕士研究生论文 第一章绪言 济的优点。在工业控制领域，无线应用正在不断地扩展，随着技术的成熟和价格 趋向合理，大量基于无线网络的智能仪器仪表投入使用，现场数据采集、监控、 集成都可以由无线网络来实现。鉴于无线通信的优势，它在测量控制领域的应用 已经成为国际控制界的一大热点技术i l j 。 实际上，作为一类针对某些特定应用、采用专用通信协议的无线传输方案早 已投用，也起到良好效果。而当前发展的目标是追求无线传输在工控领域的普遍 应用或成规模应用，即传输的确定性、可互操作性、网络安全和网络投用的适应 性等，而决非个别的解决方案。发展的方向首先是通信协议的标准化，一般来说， 对于可用于现场设备层的无线短程网，采用的主流协议是w p a n ( 正e e8 0 2 1 5 系 列) 通信协议，特别是才问世几年的i e e e8 0 2 1 5 4 ；而对于适应较大传输覆盖面 和较大信息传输量的无线局域网，采用的主流通信协议则是w l a n ( m e e8 0 2 1 1 系列) 。 1 3 国外研究现状 1 3 1i s a 1 0 0 标准的进展 目前，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，然而市场、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 ( i n s t r u m e n ts o c i e t y o f a m 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 1 0 0 委员会，i s a 1 0 0 委员会主要任 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。i s a 起初是一个美国国内协调各个仪器仪表企业是国家性组 织，后来随着仪器仪表行业的发展，它担任起制定仪器仪表类相关标准的职责。 在接下来的几年中，i s a 继续扩大它的产品和服务，增加i s a 会议和展览的范围。 i s a 理事会同意将协会名字i s a 重新定义为i n s t m m o n t a t i o 珥s y s t e m sa n d a u t o m a t i o ns o c i e t y ( 仪器、系统与自动化协会) 。如今，i s a 已经成为一个全球性 的、领导性的、非赢利的组织，i s a 的品牌已经得到全世界范围内的高度认可。 无线传输在工控领域涉及的重要概念有：无线系统与现有系统的共存性 ( c o e x i s t e n c e ) ，不同厂家设备的互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 以及系统之间的相互 协作性( i n t e r w o r k i n g ) ，这些都有赖于制定能被普遍接受的无线通信协议。目前， 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。然而，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。 2 重庆邮电大学硕士研究生论文 第一章绪言 为此，i s a 专门成立了一个由终端用户和技术提供者组成的i s a - 1 0 0 委员会，该委 员会的主要任务是制定标准、推荐操作规程、起草技术报告等，用以定义工业环 境下的无线系统相关规程和实现技术。 综合组 商业组 i s a 1 0 0 用户向导组 物理层网络组 r n d 系统组 图1 1 i s a 1 0 0 委员会研究小组 为保证工业无线技术的完整性，如图1 1 所示，目前i s a - 1 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。该组织的早期项目之一是概括出无线协议必须具有的关键要求，以 有效地支持工业应用，如监控和控制。i s a 1 0 0 在进行了广泛的终端用户调查后， 汇编出了一个针对工业应用领域无线协议的关键技术要求清单，该调查还确定了 面向工业无线技术的1 5 大关键领域，而且该报告还评估了各种主要无线协议 ( 8 0 2 1 l g 、8 0 2 1 l s 、z i g b e e d8 0 2 1 5 4 和w i m a x ) 应用于这1 5 大关键领域的满意 度。由于工业环境中可能存在大功率的干扰源，标准必须增强网络的健壮性。工 作组还将解决与工业现场其他无线设备共存的问题，如：8 0 2 1 l x 、8 0 2 1 5 x 、8 0 2 1 6 x 、 r f i d 、i s a l 0 0 1 4 、无线h a r t 、手机等。i s a - 1 0 0 将充分论证无线技术应用工业 现场的可靠性( 例如扩频技术f h s s ，d s s s ，u w b ) 、能耗性( 例如各种无线通讯 协议的频宽比) 和安全性( 例如加密技术a e s ，w p a ，w e p ) 等。 美国仪器仪表协会( i s a ) 下属的工业无线通讯委员会( i s a - 1 0 0 ) 在成立之 初，主要分为两个工作组：i s a l 0 0 1 4 与i s a l o o 1 l 。其中i s a l 0 0 1 4 工作组定义 用于各种工业监控、记录与报警的无线连接标准，希望通过对标准的优化获得独 特的性能与成本优势。i s a l 0 0 1 1t 作组定义应用于各种控制的无线连接标准，该 标准同样经过优化，以适应从闭环调节控制到开环手动操作的各种控制应用。要 求两个工作组相互协调，以确保i s a 1 0 0 可以提供完整与集成的工业无线应用标 3 兰一 兰一 重庆邮电大学硕士研究生论文第一章绪言 准。2 0 0 6 年1 0 月，在美国休斯敦会议上，通过投票的方式确定了将i s a l 0 0 1 4 与 i s a l 0 0 1 l 工作组合并成i s a l 0 0 1 l a 工作组。i s a l 0 0 1 4 工作组将定义用于各种工 业监控、记录与报警应用的无线连接标准，重点是性能与成本。i s a l 0 0 i i 工作组 将定义各种控制应用的无线连接标准，包括从闭环调节控制到开环手动操作的各 种。2 0 0 6 年7 月，i s a - 1 0 0 标准委员会面向全球征集技术提案，h o n e y w e l l 、g e 、 s i e m e n s 等国际著名公司与国内的重庆邮电大学等三家单位纷纷提交了提案，并于 1 0 月份进一步提交了技术白皮书。在2 0 0 6 年1 0 月美国休斯敦会议上，通过投票 的方式通过了将i s a l 0 0 1 4 与i s a l 0 0 1 l 工作组合并成为一个工作组i s a l o o 1 1 a ， 以确保i s a - 1 0 0 可以提供完整与集成的工业无线应用标准f 2 1 。 1 3 2 无线h a r t 的发展 无线h a r t 标准主要是针对过程性应用，近期，该标准获得h a r t 通信基金 会( 嗍c o m m u n i c a t i o nf o u n d a t i o n ) 批准，h a r t 通信基金会是一个独立的非 赢利性国际组织，主要管理h a r t 协议标准。无线h a r t 标准，是基于高速可寻 址远程变换器协议的( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e l ) ，该协议是一个用 于智能现场设备和主机系统之间双向通讯的协议。h a r t 通信是智能过程仪表的全 球标准，无线h a r t 技术是专为流程工业过程现场仪表应用而设计开发的。h a r t 通信基金会投资开发新的技术能力和工具，无线h a r t 已成为开发重点，新技 术规范正在征求意见，要求h a r t 无线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。h a r t 通信 基金会( h c f ) 日前宣布完成了无线h a r t 通信规范的草稿，并发布给h c f 会员 企业供其阅读和批准。无线h a r t 是第一个开放式的可互操作无线通信标准，用 于满足流程工业对于实时工厂应用中可靠、稳定和安全的无线通信的关键需求。无 线h a r t 可与之前的h a r t 协议兼容，无线h a r t 是h a r t 的补充，但并不会取 而代之。无线h a r t 规范支持所有h a r t 型测量、控制和自动化系统产品。 无线h a r t 通信的目标： 让测量和控制设备可以在传统有线方案因成本原因而无法部署的应用中 轻松安装并部署： 不必接线也能对重要资产进行监控： 提供了一个连通现有或新型h a r t 设备中先进功能和诊断能力的新渠道； 结合了强大的安全性能，确保网络的完整性，并满足工业应用的要求。 4 重庆邮电大学硕士研究生论文 第一章绪言 1 3 3 无线工业网络联盟( w i n a ) 简介 无线工业网络联盟( w i n a ) 于2 0 0 6 年初创建，是自动化联盟( t h e a u t o m a t i o n f e d e r a t i o n ) 的授权会员。该组织致力于推动无线通信技术在工业领域的应用，其 成员由技术供应商、最终用户、行业组织、系统集成商等组成。主要成员包括： i n v e n s y s ( 英国，世界5 0 0 强) 、h o n e y w e l l ( 美国，世界5 0 0 强) 、s i m e n s ( 德国， 世界5 0 0 强) 、e m e r s o n ( 美国，世界5 0 0 强) 、o r n l ( 美国橡树岭国家实验室， 是美国能源部所属最大的科学和能源研究实验室) 、d u s t 、a c c u t e c h 、3 e t i 等国际 著名公司。 w i n a 的宗旨是在于宣传在工业领域使用无线技术的优势，提供无线技术方 案，并将工作重点放在终端用户。该组织致力于推动无线通信技术在工业领域的 应用，其成员由技术供应商、最终用户、行业组织、系统集成商等组成。 w i n a 的工作目标包括 改进在工业中对使用无线技术的理解； 增强我们对无线技术和解决方案的信心； 重点关注终端用户。 、 w i n a 的工作任务包括 制定具有影响的和适用的标准； 制定简单适用的技术报告； 形成工业同盟从而推动无线工业的示范； 支持网络教育和示范计划； 在特定的应用中测试系统； 论证鲁棒性和可靠性； 减少操作费用； 与其他工业联盟和标准组织合作定义必要的需求。 、1 4 国内研究现状 工业无线技术被称为工业控制领域的革命性技术，它在特定场合有特定的应 用价值，是降低自动化成本、提高自动化系统应用范围的最有潜力的技术，也是 未来几年工业自动化产品新的增长点。 从国际工业无线标准制定方面来讲，在i s a 1 0 0 标准委员会采纳草案意见的 过程中，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 n e y w e l l 、 重庆邮电大学硕士研究生论文第一章绪言 g e 、s i e m e n s 等国际著名公司均向i s a - 1 0 0 提交了自己的技术提案，在此基础上， 2 0 0 6 年1 0 月重庆邮电大学向i s a - 1 0 0 标准委员会提交了技术白皮书。鉴于重庆邮 电大学向i s a 1 0 0 标准委员会提交的技术白皮书具有自身的特点与技术优势，在 2 0 0 6 年1 2 月的i s a 荷兰阿姆斯特丹i s a - 1 0 0 标准会议上，重庆邮电大学作为唯一 来自中国的提案成员，在会上引起广泛的关注。2 0 0 8 年成功举办全球工业无线通 信国际大会，大会内容包括面向制造自动化的无线解决方案国际高峰论坛、 i s a l 0 0 1 1 a 标准化会议、2 0 0 8 无线工厂应用高峰论坛( w f f 2 0 0 8 ) 等一系列专题 会议，作为整体活动的重要组成部分，此次大会还将针对中国市场与无线工业通 信技术相关的最终用户、系统集成商与开发商的需求，集中介绍与展示无线工业 通信技术领域内的最新成果、应用解决方案和产品。本次工业无线通信国际大会 由无线工业网络联盟( w 烈a ) 、美国仪器仪表协会( i s a ) 和重庆邮电大学共同举 办，来自全球的近百名专家将在渝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，这也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。 在产品开发方面，重庆邮电大学与中国四联仪器仪表集团公司合作开发了基 于8 0 2 1l b 、z i g b e e 、蓝牙三种无线通信技术的温度变送器、阀门定位器、电磁流 量计等现场设备及相应的手持设备，组建了基于8 0 2 1 l b 、z i g b e e 、蓝牙三种无线 通信技术的无线测控试验系统，在此基础上进一步合作研究无线通信技术及相关 产品的开发。 1 5 本课题研究内容 本文以工业无线通信技术作为背景，介绍无线测控系统整体规划方案，该测 控平台由实验室无线科研小组人员共同开发完成。本文分析整个系统的结构及系 统中各种设备的功能，重点分析无线网关的功能需求，并根据需求设计无线网关 硬件的各个功能模块。本文研究内容主要包括以下几个方面： 从整体上介绍基于i e e e 8 0 2 1 5 4 通信协议的无线局域网测控系统，介绍了 系统的体系结构，然后从系统的功能需求着手，提出了基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的工业 无线通信模块、工业无线网关的设计方案，开发无线网关的关键技术，与系统开 发需要用到的开发平台。 根据无线网关功能需求分析，设计并实现工业无线网关硬件，网关硬件制 作过程中需要注意的问题，介绍无线模块的性能测试、网关的硬件测试。 搭建基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的无线测控系统，验证无线网关在系统中的功能。 6 重庆邮电大学硕士研究生论文 第一章绪言 1 6 本章小结 本章首先介绍了工业无线通信发展的历程，提出了论文的研究背景，然后分 析了当前国内外工业无线通信行业的发展动向，最后分析了本论文所要研究和设 计的内容。 7 重庆邮电大学硕士研究生论文 第三章工业无线测控系统的总体设计及关键技术 第二章工业无线测控系统的总体设计及关键技术 2 1 基于ie e e 8 0 2 15 4 的无线测控系统的总体规划 2 1 1 无线测控系统总体规划 本课题设计的基于e e s 0 2 1 5 4 的无线测控系统包括一个无线网关，多个手 持设备，路由设备和现场设备。现场设备包括：温度变送器，阀门定位器，电磁 流量计，电动执行器和压力变送器等多种仪器，其中可将任意设备通过软件配置 为路由设备，构成三层树形拓扑结构的网络。基于i e e e s 0 2 1 5 4 的无线测控系统 框架如图2 1 所示。 衫 匝囹 匆 隔调 i - - - - - j 力 匝囹 惫 匝亟丑 芦无线手持设鲁 图2 1 无线测控系统框架 在这个无线测控系统中，无线网关使用总线供电，负责将设备的数据上传到 上位机，进行无线协议与有线网络协议的转换；其他路由设备和现场设备均使用 电池供电，周期性的上传设备读取的数值。其中现场操作人员可以使用无线手持 设备读取现场设备参数，也可以使用无线u s b 适配器，通过上位机监控界面监控 现场设备的数据。 8 重庆邮电大学硕士研究生论文第二章工业无线测控系统的总体设计及关键技术 2 1 2 系统中的设备类型及功能 在无线测控系统中，设备按照功能可以分为以下几种： 路由设备：作为路由设备的节点负责与所控制的子节点通信、汇聚数据和 发布控制，起到通信路由的作用，可以与任意设备通信。 现场设备：作为网络中的终端节点，负责上传采集到的设备数据，只能和 路由设备通信。 无线网关：与现场所有路由设备、终端设备通信，桥接所有无线终端，实 现无线网络与有线控制网络的跨网段连接。无线网关还提供了相关的安全机制， 对整个网络报文进行过滤和对安全报文进行处理。 无线手持设备：是一种便携式的移动设备。现场操作人员可以通过手持设 备读取现场设备的实时数据。手持设备的电源被启动后，处理器首先启动液晶屏 的显示程序，并显示手持设备中能够处理的现场设备菜单名称，以供操作人员通 过手持按键对菜单进行点击操作。 无线u s b 适配器：将串口通信转换为u s b 接口通信，使用u s b 适配器可 以直接读取现场设备的数据。现场设备和无线u s b 适配器之间通过无线协议传输 数据，u s b 适配器则直接与p c 相连，通过接口转换芯片，在p c 上显示实时采集 到的现场设备的数据。 2 1 3 工业无线测控系统拓扑结构 在工业现场，系统的搭建可以依据具体的需求来选择拓扑结构。系统的拓扑 有以下几种： 网状拓s h ：如图2 2 所示，网络中的各个设备除了可以和网关通信以外还 可以相互通信，当然这些设备具有路由功能。 9 重庆邮电大学硕士研究生论文 第二章工业无线测控系统的总体设计及关键技术 印、| ，申 良二昔痢 图2 2 网状网拓扑结构示意图 星型拓扑：如图2 3 所示，网络中的现场设备只能与网关通信，相互之间 不具备通信能力。 图2 3 星型网络拓扑结构示意图 树状拓扑：如图2 4 所示，网络中的路由设备属于父节点，其范围内的子 节点只能与其通信，然后再由父节点将数据路由给网关设备，其中父节点之间可 以相互通信。 图2 4 树状拓扑结构示意图 上述的三种拓扑结构是网络中的基本拓扑类型，在现场可以灵活选择其中一 种拓扑结构来搭建系统，也可以将两种或两种以上的拓扑结构混合起来搭建需要 的现场系统，满足高性能自动化应用的需求。 l o 重庆邮电大学硕士研究生论文 第二章工业无线测控系统的总体设计及关键技术 2 2 工业无线网关功能规划设计 2 2 1 无线网关的功能需求分析 将无线网络接入有线控制网络，实现无线网络与有线控制网络之间数据交换 是一个重要的课题，了解无线网关的性能要求是对网关设计的前提和基础。无线 网关用于将无线网络接入有线控制网络，它的一个主要功能是实现异构网络之间 的协议转换，无线网关作为下层网络与上层网络的唯一入口，不仅要实现报文的 转发功能，还要实现相关的安全机制。无线网关应具有以下功能： 协议转换功能：现场设备和无线网关之间的通信协议采用i e e e 8 0 2 1 5 4 无 线通信协议，网关的协议转换功能是将无线协议转换为外部有线控制网络的协议。 实现无线网关对现场设备的数据采集和转发，通过有线控制网络对现场设备进行 监控； 无线通信及网络管理功能：具有无线数据收发功能，并能在无线网络中作 为协调器，相当于现在有线局域网中的服务器，负责对本无线网络的组网和对全 网的管理； 以太网通信功能：网关需要将无线网络的数据转发给有线控制网络，所以 网关应具备以太网数据传输接口； 组态功能：应能被上位机的组态软件组态，当网络的拓扑结构发生变化， 增加或减少新的网关或者现场设备时，也应在组态软件中实时显示，同时通过组 态软件对网关参数进行配置； 安全保护功能：无线网关提供了相关的安全机制，对整个网络报文进行过 滤和对安全报文进行处理。 在工业控制网络中引入无线技术，设计全新的无线工业控制网络通信体系， 既是降低投资成本的需要，也是解决现实问题的迫切要求。无线网关的工作原理 是：与网关相连的无线模块接收现场设备上无线节点传来的数据，a r m 微控制器 控制以太网控制器将无线节点上传的数据进行封装后在以太网中传输数据，在与 有线控制网络相连的p c 机中，通过无线组态软件对上传的数据进行管理，用以监 测和控制整个无线网络的状态。从无线网关完成的功能来看，它在整个测控系统 中是作为无线网络和有线以太网连接的一个设备，所有的数据都必须通过它进行 转发，它的功能模型可由图2 5 所示。工业无线网关作为两个网络信息转发的重要 设备，实现将无线网络采集的数据传输给与工业有线网络相连的物理设备进行监 测和控制。 重庆邮电大学硕士研究生论文 i 第二章工业无线测控系统的总体设计及关键技术 忐 1 ) t 位机 0 以太同 ) 一 1 物理接f l i 一帑研仪住 剁基 ，无线再关鼢 _ ， 差控制嚣 亢甄1 7 1 住 捌墨 l 无线节点i 忽 l 时顿收发 迨一。脚点l 无线节点 无线节点 图2 5 无线网关功能模型 2 2 2 无线网关的功能规划 无线网关在整个测控系统中是作为无线和有线以太网连接的一个设备，其他 无线设备的数据都必须通过它进行转发，无线网关设计的可靠性和安全性对整个 网络的运行十分重要。对无线网关的整体设计可以分为以下几个方面： 硬件系统 整个硬件平台包括无线通信模块，核心控制模块和通信接口，以及电源部分。 从接口部分的设计考虑，网关需要对外提供以太网接口和无线接口，设计的无线 网关的以太网接口传输速率为1 0 m b p s ，无线接口是基于也e e 8 0 2 1 5 4 无线通信协 议的，并且需要设计用作调试的通信串口r s - 2 3 2 和f l a g 接口。综合考虑无线网 关设备的应用领域、功耗要求、应用成本及开发的难易程度等因素，无线网关核 心控制模块部分的处理器选用了a t m e l 公司推出的3 2 位高性能嵌入式处理器 a t 9 1 r 4 0 0 0 8 ：无线模块则选用t l 公司的c c 2 4 3 0 芯片，它集成了射频( r f ) 前端、 内存与微控铝i j 器。无线模块与微处理器采用串口相连的方式进行信息交换；电源 部分设计为总线供电方式，采用+ 2 4 v 的以太网供电。硬件总体框图如图2 6 所示。 1 2 重庆邮电大学硕士研究生论文第二章工业无线测控系统的总体设计及关键技术 图2 6 硬件平台总体框图 软件系统 在无线网络中无线网关充当协调器，负责网络形成、网络管理等功能，在无 线网络接入有线控制网络的过程中，无线网关在不同网络间进行协议转换。本设 计中，网关采用双处理器结构，其中无线模块中的处理器运行基于i e e e 5 0 2 1 5 4 的协议栈，a r m 7 处理器与无线模块通过串口相连，将接收到的无线数据按照一 定的格式打包封装后上传到有线控制网络。无线网关负责将基于i e e e 8 0 2 1 5 4 协 议的无线网络接入到基于t c w i p 协议的以太网有线控制网络。系统工作的整个过 程是：无线设备将报文按照无线协议格式传送给无线网关，无线网关上的无线模 块负责解析出报文的有效载荷，然后由a r m 7 处理器负责将载荷打包封装成 t c p f l p 格式的报文，交由基于以太网协议的网卡芯片来处理，实现了协议转换， 将无线网络接入有线控制网络。如图2 7 所示，为工业无线网络与有线控制网络的 协议转换模型。图中数据流向是双向的，即现场设备数据和以太网控制系统信息 是可交互的，网关在中间进行协议转换，将无线通信协议转换成基于t c p i p 的以 太网协议，从而将现场设备接入控制网络。 无线网关的软件开发分成了两大模块：无线通信模块和核心控制模块两部分。 1 ) 无线通信模块包括无线协议栈的开发、网络管理、底层驱动三个部分。无 线协议栈提供了一套无线数据报文的收发机制，对于网关的开发主要针对其数据 实体的逐层传递；网络管理主要负责无线网络的形成、维护、拓扑生成等；底层 驱动主要是射频、定时器、串口通信驱动。 1 3 重庆邮电大学硕士研究生论文 第二章工业无线测控系统的总体设计及关键技术 无线嗣关控翻系统 图2 7 无线网关协议转换模型 2 ) 核心控制模块硬件部分包括微处理器、存储器和以太网控制器芯片，它的 软件开发包括t c p i p 协议、系统管理、网卡驱动、底层驱动以及h c o s - i i 操作系 统的移植等五个部分，前四个部分均运行在操作系统的基础上。t c p i p 协议是标 准以太网协议；系统管理主要针对工业应用来设计，包括设备管理、内存管理等； 网卡驱动以及底层驱动的设计为数据报文流向提供了通道。 操作系统是软件中最贴近硬件的部分，在嵌入式系统中采用操作系统可以更 加有效、合理的控制利用系统资源，组织系统流程，提高事件处理效率。选择操 作系统应尽量满足以下原则免费开源，内核较小，易于在选取的m c u 上移植，尽 量带有协议栈。 2 3 无线网关的关键技术 2 3 1le e e 8 0 2 15 4 通信协议 人们对无线技术需求的增长，无线通信标准也根据各个行业领域的不同需求 而日新月异。在工业、农业、家用网络、车载电子系统等领域对无线通信技术的 数据吞吐量要求不大，功率消耗较低。所以针对低功率和低价格的无线网络需求， i e e e 标准委员会在2 0 0 0 年成立了一个新任务组，开始制定低速率无线个域网 ( l ，r w p a n ) 标准，称为i e e e 8 0 2 1 5 4 ，该标准主要是制定物理层和媒体接入控 制层( m a c ) 层的规范。许多低端应用不会产生大量的数据，所以只需要有限的 带宽，而且通常不需要实时数据传输或连续更新，低数据传输率使l r w p ! a n 所 消耗的功率非常低，所以有很多应用适合采用l r - w p a n 系统，如对电池使用寿 1 4 重庆邮电大学硕士研究生论文 第二章工业无线测控系统的总体设计及关键技术 命要求较高的工业设备监视和控制。设计l r - w p a n 系统需要考虑的关键问题是 降低功率消耗，延长电池使用寿命，可行的措施包括减小数据传输量，缩短收发 信机的运行周期，降低数据发射频率，降低帧的结构开销，严格功率管理机制的 执行等。 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层：2 4 a 舷物理层和8 6 8 9 1 5 m h z 的物理层。 都是使用直序扩频调制( d s s s ) 方式。2 4 g h z 物理层在2 4 _ 2 4 8 3 5 g h z 之间支持 1 6 个信道，每个信道的频带带宽达5 m h z ，它的传输速率是2 5 0 k b s 。采用基于 d s s s 方法的十六进制准正交调制技术，4 位二进制数组成1 6 个符号，共有1 6 个 准正交3 2 位码片的伪噪声( p n ) 序列，每一个符号表示一个序列。i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 特点是具有关联性和非关联性、确认帧传递、信道接入机制、帧确认、保证 时隙管理、信标管理。i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 复杂度较低，比较适合低端使用。在、 i e e e 8 0 2 1 5 4 网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备 ( f u l l f u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 和精简功能设备( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。f f d 设备之间以及f f d 设备与r f d 设备之间都可以通信，r f d 设备之间不能直接通 信，只能与f f d 设备通信，或者通过一个f f d 设备向外转发数据，这个与r f d 相关联的f f d 设备称为该r f d 的协调器。i e e e 8 0 2 1 5 4 网络中，有一个称为p a n 网络协调器的f f d 设备，是网络中的主控制器，网络协调器一般直接使用持续电 力系统供电，而其他设备采用电池供电。p a n 网络协调器除了直接参与应用外， 还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。i e e e 8 0 2 1 5 4 网络可根据需要组织成星型网络，星型结构中，所有设备都与中心设备p a n 协调 器通信，也可以是点对点或者其他拓扑结构的网络【l 孙。 2 3 2 总线供电技术 i e e e 8 0 2 3 a f 标准定义了种允许通过以太网在传输数据的同时输送d c 电源 的方法。本课题设计的无线网关就采用这种供电方式，对设备的安装调试非常方 便。在以太网供电设备p o e ( p o w e ro v e re t h e r n e t ) 系统中，提供电源的设备p s e ( p o w e rs o u r c i n ge q u i p m e n t ) 负责将电源注入以太网线，并实施功率的规划和管 理，通常和交换机放在一起，和交换机一样也有多路输入输出i l i - 4 5 端口，对应每 路的两个r j - 4 5 插孔，一个用短线连接至不具有以太网供电功能的网络交换设备， 作为数据输入口；