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基于单总线传感器网络协议的上位机 监控设计与系统实现 摘要 在纺织、化工、食品、水处理等行业中普遍使用了大量的传感器、执行器 和控制器等来完成工业现场流程的监控和自动化。随着工厂生产自动化和管 理信息化发展的要求，如何对这些节点进行有效的管理与监控成为人们研究 的热门课题。 本文针对目前传感器网络协议所存在的问题，提出了一种轻量级的单总线 传感器网络协议，该协议由物理层、链路层、应用层三部分组成。其中在链 路层中引入了帧类型和非破坏性逐位仲裁机制，显示区分事件、主从通讯、 节点识别等消息及它们的优先级；而在应用层中引入了事件动作模型，提供 了一种独立于开发者和使用者、又具备扩展性的应用协议。 在单总线传感器网络协议的基础上，本文研究如何实现上位机的实时监控 和设置。因此，本课题的研究工作主要包括以下几个方面： l 、研究与设计一个自定义轻量级的单总线传感器网络协议，使其能满足 传感器网络节点存储资源少、计算简单、实时性要求高的特点。 2 、通过a p r o 控件实现网络串口通信，在此基础上实现上位机对下位机的 监控和设置，包括总线复位、读取从节点表、设置节点通道状态、配置事件 和动作信息以及读取下位机数据等。 3 、优化数据采集与处理过程，实现有关数据的采集、解析、安全、保存、 i 刷新、显示和备份等功能。 4 、完成实时监控组件的设计，使得该组件与传感器节点一一对应，实时 显示节点运行状态和数据等。 5 、设计与实现一个上位机监控系统。 本课题的创新之处在于：在通信协议中引入事件动作模型，将节点抽象为 多个通道组成的对象，每个通道上定义了一些事件源和动作，通过节点事件 和动作配置，从而减轻了主机的负担，提高了网络的响应速度。支持客户朋艮 务器、发布方接受方、源点收点等多种通信模式，以及多线程和中断的数据 访问方式，从而提高了数据采集的效率和组网的灵活性。引入了快速c r c 和 辅助信息相结合的校验方法，提高了采集数据的精度，并且实现了简单的故 障诊断和错误处理机制。支持自定义参数的设置，满足不同开发商的需求。 关键词：单总线传感器网络协议；数据采集和处理；a p r o ；监控组件；d e l p h i t h ed e s i g na n di m p l e m e n to fah o s tc o m p u t e r m o n i t o rs y s t e mb a s e do no n e w i r eb u s s e n s o r n e t w o r kp r o t o c a o l a bs t r a c t a sw ea l lk n o w ，al a r g en u m b e ro fs e n s o r s ，a c t u a t o r sa n dc o n t r o l l e r sa r e w i d e s p r e a du s e dt oc o m p l e t et h es c e n ei n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o la n da u t o m a t i o ni n t h e s ei n d u s t r i e s ，s u c ha st e x t i l e ，c h e m i c a l ，f o o d , w a t e r ，e t c w i t ht h ed e v e l o p m e n t o ft h e f a c t o r ya u t o m a t i o na n dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n ，h o wt o m a n a g ea n d m o n i t o rt h e s en o d e sh a sb e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i c t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sal i g h t w e i g h to n e w i r eb u ss e n s o rn e t w o r kp r o t o c o l a g a i n s tt h ee x i s t i n gs e n s o rn e t w o r kp r o t o c o lp r o b l e m s t h ep r o t o c o lc o n s i s t so f t h r e ep a r t s ：t h ep h y s i c a ll a y e r , d a t al i n kl a y e ra n dt h ea p p l i c a t i o nl a y e r f r a m e t y p e sa n dan o n d e s t r u c t i v eb y - b i ta r b i t r a t i o nm e c h a n i s ma r eu s e di nt h el i n kl a y e r t oi d e n t i f yt h ed e f e r e n c eb e t w e e nt h ee v e n t ，t h ec l i e n t s e r v e rc o m m u n i c a t i o na n d t h en o d er e s e t a n dt h ee v e n t a c t i o nm o d e li su s e di nt h ea p p l i c a t i o nl a y e rt o p r o v i d eak i n do fi n d e p e n d e n ta n de x t e n s i b l ep r o t o c o lb e t w e e n t h ed e v e l o p e r sa n d u s e r s o nt h eb a s i so ft h eo n e w i r eb u ss e n s o rn e t w o r k p r o t o c o l ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e s t h ew a yo fh o wt oa c h i e v er e a l t i m em o n i t o ra n dp cs e t t i n g s t h e r e f o r e ，t h em a i n r e s e a r c hw o r k p r e s e n t e di nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w i n g ： i i i 1 r e s e a r c ha n dd e s i g nac u s t o ml i g h t w e i g h to n e - w i r eb u ss e n s o rn e t w o r k p r o t o c o lt om e e tt h ec h a r a c t e r so fs e n s o rn e t w o r kn o d e s ，w h i c ha r e 岍t hl e s s r e s o u r c e s ，s i m p l ec a l c u l a t i o na n dh i g hr e a l - t i m er e q u i r e m e n t s 2 a d o p tt h ea p r oc o m p o n e n tt or e a l i z et h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n s ，a n dt h e n m o n i t o ra n ds e tt h es t a t e so ft h es l a v e rc o m p u t e r b yt h eh o s tc o m p u t e r ，i n c l u d i n g b u sr e s e t i n g ，n o d et a b l er e a d i n g ，n o d e c h a n n e ls t a t u ss e t t i n g ，e v e n t sa n d m o v e m e n t ss t a t u ss e t t i n g ，a sw e l la sd a t ar e a d i n g 3 o p t i m i z ed a t aa c q u i s i t i o na n dd a t ap r o c e s s i n gt oa c h i e v et h ef u n c t i o n s ，s u c h a sd a t ac o l l e c t i o n ，d a t aa n a l y s i s ，d a t as e c u r i t y ，d a t as t o r a g e ，d a t au p d a t e ，d a t a d i s p l a y ，d a t ab a c k u pa n ds oo n 4 c o m p l e t et h ed e s i g no fr e a l t i m em o n i t o rc o m p o n e n t s ，a n dm a k et h e c o m p o n e n t st oc o r r e s p o n dt ot h es e n s o rn o d e s ，s ot h a tt h e yc a nd i s p l a yt h es t a t e a n dt h er e a l t i m ed a t ao ft h en o d e s 5 d e s i g na n di m p l e m e n to f ah o s tc o m p u t e rm o n i t o rs y s t e m t h ei n n o v a t i o ni sa sf o l l o w s ：t h es y s t e mu s e st h ee v e n m a c t i o nm o d e li nt h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h en o d e si sa b s t r a c t e da sac o m p o s e do fan u m b e ro f t a r g e t e dc h a n n e l s ，e a c ho f w h i c hi sd e f i n e ds o m eo ft h ee v e n t sa n da c t i o n s t h e h o s tc o m p u t e ri sr e s p o n s i b l ef o rt h ec o n f i g u r a t i o no ft h ee v e n t sa n dm o v e m e n t s ，s o t h a ti tc a nr e d u c et h eb u r d e no ft h es l a v ec o m p u t e r ，a n di m p r o v et h en e t w o r k r e s p o n s es p e e d t h es y s t e mw h i c hs u p p o r t st h ec l i e n t s e r v e r ，p u b l i s h e r s u b s c r i b e r ， p u b l i s h e r s u b s c r i b e rc o m m u n i c a t i o nm o d e l sw i l li n c r e a s et h en e t w o r kf l e x i b i l i t y u s i n go ft h ed i s r u p t i o no fm u l t i t h r e a d i n ga n dd a t aa c c e s sm e t h o d sw i l le n h a n c et h e e f f i c i e n c yo ft h ed a t aa c q u i s i t i o na n dn e t w o r kf l e x i b i l i t y c r ca n ds u p p l e m e n t a r y i v i n f o r m a t i o nc h e c km o d ew i l le n h a n c et h ea c c u r a c yo ft h ec o l l e c t e dd a t a t h e s y s t e ms u p p o r t st h er e a l i z a t i o no fs i m p l ef a u l td i a g n o s i sa n de r r o rh a n d l i n g m e c h a n i s m s a n dt h es y s t e ma l s os u p p o r t st h es e t t i n g so ft h ed e f i n e dp a r a m e t e r s t om e e tt h en e e d so fd i f f e r e n td e v e l o p e r s k e y w o r d s ：o n e w i r eb u ss e n s o rn e t w o r kp r o t o c o l ；d a t aa c q u i s i t i o na n dd a t a p r o c e s s i n g ；a p r o ；m o n i t o r i n gc o m p o n e n t ；d e l p h i v 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。尽我所知，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 本人为获得浙江工商大学或其它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。 签幺0 舄支 凇 签名：煎：堕当! 型当日期：2 , o ，譬年月2z 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解浙江工商大学有关保留、使用学位论文 的规定：浙江工商大学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，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，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：盏f 垒i 塑 1 1 课题背景 第一章引言 在纺织、化工、食品、水处理等行业中普遍使用了大量的传感器、执行器和控制器来 完成工业现场流程的监控和自动化。如对一个5 万吨容量的粮情检测系统来说，仅粮温传 感器就多达4 0 0 0 只以上，分布在方圆2 平方千米的监控区域内。随着工厂生产自动化和 管理信息化发展的要求，如何获取、控制这些传感器执行器控制器的信息和状态以及如 何将这些信息整合到企业的e r p 系统和管理决策系统中成为研究的重点。 如果采用传统的模拟传感器加上多路采集卡厂下位机的方式，现场布线非常复杂，需要 使用大量的电缆来连接传感器与主机，同时主机还要承担信号的调理、放大、标定、校正 等工作，使得底层接口不能做到标准化和通用化，调试比较复杂。这些都严重地束缚了测 控系统在复杂性、精度和可靠性等方面发展的潜力。因此有必要采用一个传感器执行器与 主机的接口标准，使传感器执行器控制器具有即插即用功能，具备一定的自治能力，大 部分的测控工作( 如a d 转换、信号标定、线形化校正) 不需要主机的干预而自主完成， 主机只需通过数字化的总线网络和这些前端设备进行交互。这将大大有利于减少测控系统 的搭建、配置及编程工作，缩短硬件安装时间，减化应用程序结构，降低测量系统的总成 本。 从七八十年代丌始的集散控制系统( d i s t r i b u t i o nc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ，到现在的现 场总线技术( f i e l db u s ) 、工业以太网等所做的工作，目标都是将一定的网络功能引入控制 现场前端的传感器执行器控制器，而使主机从事设备的管理工作。如早期现场总线的设 计目标是将可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) 通过一种较简洁的 方式连接起来。而在d c s 发展的过程中，站之间的通信采用了计算机通信中的局域网。另 外传感器执行器的研究也从过去的d u m bs e n s o r 向s m a r ts e n s o r 演变，并且加入了网络接 口和存储配置单元，具有a d 、d a 等功能。如d a l l a s 提出的o n e w i r e 总线协议以及其提 供的o n e w i r e 产品( d s l 8 8 2 0 ，i b u t t o n ) 和n i 公司在2 0 0 4 年重新将i e e e1 5 4 1 4 标准( 智 能变送器接口标准，s m a r tt r a n s d u c e ri n t e r f a c es t a n d a r d ) 进行包装使这个搁置了多年的标 准得到了重生，从而引发了丌发传感器执行器的全新解决方案的热潮。这些都表明，关于 传感器总线协议远远没有象人们期望的那样达到一致。 第1 次 本文的研究工作是浙江省科技计划重点项目( 2 0 0 6 c 2 1 0 1 2 ) 一单总线传感器网络协 议研究及应用”的一部分。 该项目以设计一种轻量级的单总线传感器网络协议为目标，在此基础上实现了该协议 的硬件和软件设计。硬件设计主要是指口软核的设计，它是以已制定的协议的数据链路层 为硬件的逻辑基础，利用大规模可编程逻辑器件f p g a ，以a v a l o n 外设的形式而进行设 计，主要包括两大部分：a v a l o n 外设设计和设备驱动设计。软件设计主要是研究在单总 线传感器网络中，如何实现上位机对下位机的有效监控和管理，其研究内容包括：上位机 和下位机之间的网络通讯、数据的采集和处理、监控设置、数据显示等。本文主要集中解 决单总线传感器网络协议的制定和上位机监控设计实现部分。 1 2 研究现状及选题意义 1 2 1 研究现状 国内外早在七八十年代就开展了过控系统中的网络协议及其标准化的研究工作，也取 得了大量的成果和应用范例。如现场总线技术( f i e l db u s ) ，综合了一些知名厂商的协议和 产品提出了数个工业现场设备通讯协议。鉴于以太网在计算机网络中的成功应用，研究人 员也开展了工业以太网的标准化工作。另外在传感器研究中，h a r t 基金会提出的h a r t 协议以及d a l l a s 提出的1 - w i r e 协议【，主要是解决传感器、d i o 等简单设备的控制问题。 此外人们在s m a r ts e n s o r 的基础上提出了网络化的传感器及协议，如i e e e1 4 5 l ( i ps e n s o r ) 【2 1 以及i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 3 , 4 】。下面主要对现场总线( 以l o n w o r k s 5 1 和d e v i c e n e t 协议【6 1 为例) 、工业以太网( 以e t h e r n e t i p 协议【7 1 为例) 、h a r t 协谢8 ，9 ，10 1 、l - - w i r e 协议f l j 、 i e e e1 5 4 1 4 1 2 】标准的研究及发展趋势作简单介绍。 ( 1 ) 现场总线( f i e i db u s ) 现场总线是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向的多站 数字通信系统。从2 0 世纪8 0 年代丌始，各种现场总线相继产生，主要有：基金会现场总 线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 1 1 ，1 2 1 引、控制局域网络c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 1 4 1 、局部 操作网络l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 【5 1 、过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 【1 5 ，7 ，8 ，1 9 1 和h a r t 协议( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 【8 ，9 ，l o l 以及d e v i c e n e t 【6 】、 c o n t r o i n e t l 2 0 2 1 1 等。现场总线的多样性也反映了不同的研究团体对工业现场的网络协议要 支持什么的功能尚未统一。下面介绍l o n w o r k s 、d e v i c e n e t 等协议主要特点。 镇2 砸 l o n w o r k s 5 1 由e c e l o n 、摩托罗拉、东芝公司等公司制定，它采用了i s o o s i 模型的全 部七层通讯协议，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，通讯速率从3 0 0 b p s 至 1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达到2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ，支持多种通信介质。l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的芯片中并得以实现。集成芯片中有3 个8 位c p u 。一个用于完成o s i 模型中第1 2 层的功能，称为媒体访问控制处理器， 实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成第3 6 层的功能，称为网络处理器，进行 网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责 网络通信控制、收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯 片中还具有存储信息缓冲区，如m o t o r o l a 公司生产的神经元集成芯片m c l 4 3 1 2 0 e 2 就包含 了2 k r a m 和2 k e e p r o m 。l o n w o r k s 主要的缺点是采用专用神经元芯片，特别是一些简 单的应用如i o 开关，并不是低成本方案。 d e v i c e n e t t 6 l 是一个适用于最低层的简单、廉价而且高效的总线协议，用来将简单工业 设备( 如传感器和执行器) 连接到主机。采用通用工业协议c i p ( c o m m o ni n d u s t r i a lp r o t o c 0 1 ) ， 为工业设备提供实时控制、系统组件和数据采集的能力。提供主从( m a s t e r s l a v e ) 、触发 ( c h a n g e o f - s t a t e ) 和点对点( p e e r - t o - p e e r ) 通讯模式，在同一链路上完整实现设备组件、 实时控制、信息采集等。d e v i c e n e t 通过抽象的对象模型来描述网络中所有可见的数据和 功能。一个d e v i c e n e t 设备可以定义成为对象的集合。对象代表设备内某一部件的抽象描 述。对象由它的数据或属性、功能或服务以及它所定义的行为决定。属性代表数据，设 备通过d e v i c e n e t 产生这些数据，如对象的状态、定时器值、设备序列号或者温度、压力 或位置等，可以用服务来读写属性。d e v i c e n e t 的优点是在高层协议上使用了对象模型， 将访问设备简化为一系列的属性操作。 ( 2 ) 工业以太网 工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的 要求，即信号传输要足够得快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据 准确定时刷新。由于e t h e m e t 采用c s m a c d 碰撞检测方式，网络负荷较大时，网络传输 的不确定性不能满足工业控制的实时要求，因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准 确定时通信的实时性要求，一直被视为非确定性的网络。然而，快速以太网与交换式以太 网技术中星型网络拓扑结构和交换机的普遍采用，降低了子网段和主干网的网络负荷和数 据碰撞几率。使e t h e m e t 通信确定性和实时性大大提高。为满足工业现场控制系统的应用 要求，必须在e t h e m e t + t c p i p 协议之上，建立完整的、有效的通信服务模型来提供对低速 第3 页 现场总线的应用，主要有h s e 、p r o f i n e t 、e t h e r n e t i p 等。下面以e t h e r n e t i p 为例来介绍 工业以太网的一些特点。 e t h e m e t i p ( 以太网工业协议) 1 7 1 1 网络采用商业以太网通信芯片、物理介质和星形拓扑 结构，采用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，e t h e r n e t i p 的协议由i e e e8 0 2 3 物 理层和数据链路层标准、t c p f l p 协议组和c i p 等3 个部分组成，前面两部分为标准的以太 网技术，而c i p 部分提供了对现场设备的抽象。e t h e r n e t i p 为了提高设备间的互操作性， 采用了c o n t r o l n e t 和d e v i c e n e t 控制网络中相同的c i p ，c i p 一方面提供实时i o 通信，一 方面实现信息的对等传输，其控制部分用来实现实时i o 通信，信息部分则用来实现非实 时的信息交换。 e t h e m e t i p 应用于诸如传感器这类设备最大的问题是t c p i p 协议栈过于复杂。 ( 3 ) h a r t 协议 h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 1 8 ，9 ，- 0 1 ，主要用于现场智能仪表和控制 室设备之间的通信。h a r t 协议采用基于b e l l 2 0 2 标准的f s k 频移键控信号，在低频的 4 - 2 0 m a 模拟信号上叠加幅度为0 5 m a 的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为 1 2 m b p s 。由于f s k 信号的平均值为0 ，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了 与现有模拟系统的兼容性。在h a r t 协议通信中主要的变量和控制信息由4 - 2 0 m a 传送， 在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组件、校准、诊断信息通过h a r t 协议访 问。 h a r t 规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令，第一类称为通用命令， 这是所有设备都理解、都执行的命令：第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许 多现场设备( 尽管不是全部) 中实现，这类命令包括最常用的的现场设备的功能库；第三 类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊功能。h a r t 采用统一的设备描 述语言( d e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a n g e ，d d l ) 用于描述设备特性，主机通过d d l 语言提供 的标准接口与设备进行通讯。 由于h a r t 协议采用模拟数字混合信号制，通信接口芯片实现较为复杂。 ( 4 ) 1 一w ir e 协议 d a l l a s 公司的1 一w i r e 协议【u 提供了简单的协议，通过单条连接线解决了控制、通信 和供电。每个总线上的器件有全球唯一的6 4 位i d ，主机通过搜索等命令来控制1 一w i r e 从器件，如转换a f d ，读取内部采样值，检查是否达到报警范围。这些都是在串行的单条 总线上完成的。 第4 贝 1 - w i r e 协议实现比较简单，得到了很大的应用。所有的1 一诵r e 器件都可以直接挂在 总线上，甚至通过总线供电，功耗很小，使用简单，有现成的产品。其主要缺点是采用了 单极信号来传递数据，很容易受外界干扰，同时线路上一个或几个节点产生故障时将影响 其他节点，不能用在可靠性要求高的场合。 ( 5 ) i e e e1 4 5 1 标准 i e e e1 4 5 1 标准【2 i 系列提出主要是为了解决传感器与各种网络相连的问题。其中i e e e 1 4 5 1 1 定义了网络控制器n c a p ( n e t w o r kc a p a b l ea p p l i c a t i o np r o c e s s 0 0 连接到现有的现场 总线上的处理器模型，提供了一个与硬件无关的抽象描述。i e e e1 4 5 1 2 标准规定了一个连 接传感器到n c a p 的数字接口s t i m ( s m a r tt r a n s d u c e ri n t e r f a c em o d u l e ) ，描述了电子数 据表格t e d s ( t r a n s d u c e re l e c t r o n i cd a t as h e e t 。) 及其数据格式，使传感器具有即插即用特 性。i e e e1 4 5 1 2 和i e e e1 4 5 1 1 标准颁布以来，并没有澄清很多问题。如i e e e1 4 5 1 2 的 原始目标是规定一个点对点的变换器和微处理器之间的接口，使用了多条数据线，并不满 足传感器网络的要求。同时协议过于复杂，如将网络化智能传感器系统分成两个模块，即 s t i m 和n c a p 。而这两个模块都需要有微处理器，这就意味着要有两套系统来分别作为 s t i m 和n c a p 的开发工具，增加了标准推广的难度。 1 2 2 选题意义 现场总线协议( 如l o n w o r k s 、d e v i c e n e t 、p r o f i b u s ) 和网络传感器协议( 如i e e e1 4 5 l s m a r ts e n s o r 、d a l l a sl - w i r e ) 将网络技术引入控制现场，使传感器等设备通过串行总线或 菊花链的方式与主柳上位机互联，改模拟信号及控制指令为数字化传输，这大大简化了现 场布线，也使主机可以处理更复杂的控制任务。但是现有协议不完全适合过程监控系统的 最前端部件( 如传感器、执行器和控制器等) ，主要由于： 出于成本考虑，节点计算和存储资源较少，而现有通讯协议栈( 如t c p i p ， d e v i c e n e t 等) 都较复杂。 一 部分总线的链路层协议适合于网络数据通讯( 如以太网) ，而传感器网络中单个节 点传输数据较少，传输内容也较为简单。 一 传感器网络实时性要求高，对于某些异步事件，须实时反馈并处理。 此外，现有大部分应用层协议分为两类，一类是根据传感器本身应用量身定制的，如 d a l l a s 温度传感器d s l 8 8 2 0 ( 1 - w i r e 协议) ，功能上不能扩展，但使用方便，无须修改传感 器内部软( 固) 硬件设计；另一类为通用的，如基于l o n w o r k s 网络的节点，协议只提供 第5 次 了节点间的通信机制，开发者还需要根据节点特性及应用背景进行二次开发。由予前种方 式仅面向固定应用，可扩展性差，而后种方式则要求传感器执行器的开发者掌握用户的应 用背景，适应性受限。 因此，提供一种独立于开发者和使用者，同时又具备扩展性的应用层协议很有必要。 基于扩展性应用层协议研究，在传感器的开发者和使用者之间建立一个透明的访问接口， 以加速网络传感器节点的开发，简化传感器与应用的集成和使用。 1 3 研究内容与系统框架 1 3 1 研究内容 本文的研究工作是浙江省科技计划重点项目( 2 0 0 6 c 2 1 0 1 2 ) 一单总线传感器网络协 议研究及应用”的一部分。 单总线传感器网络协议研究及应用项目，在技术上具体研究开发的内容和需重点解决 的关键问题有： _ 单总线网络传感器协议( s b n s p ) 设计，主要是数据链路层和应用层协议的设计， 使得该协议能支持多种通讯模式，支持一定量的节点数、数据传输速率与通讯距 离的要求，并且使得总线具有仲裁、容错和校验等功能。 - 单总线传感器网络协议的f p g a 实现和验证，主要是在a l t e r ac y c l o n e 器件上，用 硬件描述语言来设计协议的控制器，使得它能实现链路层协议、物理层的位同步 的全部功能以及处理器接口逻辑( a v a l o n 接口) 等。 _ 传感器体系结构及实现，主要是传感器节点硬件的设计，通过a v a l o n 总线接口( 可 以转换为w i s h b o n e 接口或其他单片机的总线接口) ，配上适当的硬件资源和处理 器芯片构成一个完整的传感器或控制节点。 _ 上位机监控设计和实现，主要解决串行通信、数据的实时采集与控制、数据实时 处理与显示、数据查询与打印、实时报警等。 本文差要解决单总线网络传感器协议( s b n s p ) 的设计以及上位机监控的设计和实现。 其中单总线网络传感器协议主要是设计链路层和应用层协议，而上位机监控设计和实现主 要是解决网络通信、数据的在线检测、数据采集、数据处理和显示、下位机监控和实时报 警等功能。因此，本课题的研究内容可归纳为以下几个部分： 研究与设计一个自定义轻量级的单总线传感器网络协议，使其能满足传感器网络 第6 贝 节点存储资源少、计算简单、实时性要求高的特点。 通过a p r o 控件实现网络串口通信，在此基础上实现上位机对下位机的监控和设 置，包括总线复位、读取从节点表、设置节点通道状态、配置事件和动作信息以 及读取下位机数据等。 _ 优化数据采集与处理过程，实现在线数据的处理( 包括数据的存储、刷新、显示 和备份) 和在线数据的分析( 包括计算机对数据的处理、控制算法的编程、报警 程序的开发等) 。 _ 完成实时监控组件的设计，使得该组件与传感器节点一一对应，并将节点运行状 态和数据等实时显示在监控画面上。 设计与实现一个上位机监控系统，包括系统总体方案的规划、上位机软件功能的 总体设计、各子功能的详细设计、计算机选型、开发平台的选择和人机界面的设 计、软件的调试和整个系统的现场调试等。 1 3 2 系统框架 系统采用单总线传感器网络、下位机和上位机的设计思想。在单总线传感器网络中， 从节点以智能终端的形式挂接到单总线上，负责现场数据的采集和设备的执行与控制等。 而主节点主要负责管理和控制总线上的各个从节点。上位机通过各种串口与主节点相连， 负责数据的实时采集、显示和存储、事故报警、报表打印以及对下位机的监控等。因此从 节点、主节点、上位机之间的关系如图1 1 所示。 从1 7 点 从节点从节点 从：箝点 圈1 - 1 单总线传感器网络结构 第7 氓 、 掷点申嚣- x 申线 总线上只允许一个主节点有效，当接入到总线上的主节点在一定时间间隔内未发现其 他主节点活动，则发出一个复位帧，表示开始接管总线。如果同时有多个节点发送复位帧， 则采用线与方式按节点地址来仲裁，仲裁胜利者作为主节点。而从节点在接收到总线复位 帧后，则将内部状态置为复位。 1 4 论文大纲 论文一共由六个章节组成： 第一章引言，概述了传感器协议的背景、研究现状与意义、研究内容等。通过目前传 感器协议的介绍、对比以及所存在的问题，说明了该课题研究的意义和目的；同时又通过 研究内容与思路、创新点等介绍，使得大致能了解该课题的框架与所要解决的主要问题。 第二章单总线传感器网络协议，给出了一个自定义地面向传感器、执行器和控制器的 单总线数据传输协议，该协议主要包括三个部分：物理层、链路层与应用层。本章主要对 链路层和应用层的协议帧格式、内容以及功能做了基本的介绍。 第三章网络通信与监控设置，本章首先给出了上位机与下位机进行通信时的协议帧的 具体编码；然后探讨下位机与上位机进行串口通信的实现方法；最后，给出了上位机对下 位机进行监控设置的过程。 第四章数据采集与数据处理，介绍了数据采集时的数据编码、流量控制、差错校验和 差错控制，以及数据采集后的数据处理过程和方法。 第五章数据显示与监控组件，本章探讨如何使得下位机采集到的数据与上位机监控组 件实时对应，以便数据实时显示在监控画面上。 第六章上位机监控系统的开发与关键技术，介绍了系统总体设计、以及几个关键模块 ( 主要是文件管理模块、编辑模块、查询模块、设置模块、监控模块和组件模块) 的实现 方法。 第七章总结与展望，对课题研究工作和论文的总结和评价，以及后续工作的展望。 1 5 论文创新点。 本文研究的主要创新点如下： 自主设计了一个上位机的通信协议，该协议可以实现上位机对下位机的如下操作： 总线复位、节点表读取、节点通道状态设置、事件和动作配置、节点数据读取等。 第8 甄 引入事件动作模型，将节点抽象为多个通道组成的对象，每个通道上定义了一些 事件源和动作。这些抽象使每个网络节点成为类似于软件模型中的组件，具备属 性、事件和方法，使用者无须了解其实现细节，而开发者也无须关心节点如何被 调用。 支持客户服务器、发布方接受方、源点收点等多种通信模式，提高了网络通信 的效率，增加了通信的灵活性。 。 _ 引入多线程以及中断的数据访问方式，提高了数据采集与数据处理的效率。 _ 通过快速c r c 和辅助信息相结合的校验方式，提高了采集数据的精度，同时还实 现了简单的故障诊断和错误处理机制。 引入监控组件，实现组件与传感器节点的一一对应，方便用户实时了解监控现场 状况，提高了监控的实时性和有效性。 一 支持自定义参数的设置，满足不同开发商的需求。 第9 贝 第二章o b s n p 协议 单总线传感器网络协议( o n e - w i r eb u ss e n s o rn e t w o r kp r o t o c o l ，o b s n p ) 的提出不是 要取代现有的现场总线技术、工业以太网以及w s n 等技术，其主要目的是针对过程监控 系统的最前端部件( 如传感器、执行器和控制器) 来构造一个可靠的低成本数字化通讯网 络。协议遵循了i s o o s i 标准模型，由物理层、数据链路层和应用层【2 3 3 6 】组成 2 1 物理层 物理层：定义底层通讯介质和驱动方式，以及连接端子形式。本协议主要使用双绞线 为通讯介质，采用差分驱动的半双工通讯。各节点总线控制器通过监听线路状态来实现有 效的通讯。此外对于节点供电的方式进行定义。物理层的定义并不排除采用其他的通讯介 质，如采用r f 、电力线调制等方式。 2 2 链路层 数据链路层定义节点的地址空间大小及编址方法，最大的传输数据字节数，数据帧的 组成方式，校验方式，仲裁方式等。 2 2 1 帧格式 链路层帧格式由帧起始、仲裁域、控制域、数据域、校验域、确认域、帧结束组成， 如表2 1 所示。 表2 - 1 链路层帧格式 帧起始f i l l 裁域 控制域长度数据域校验确认域帧结束 ( s t x ) 帧类型地址域 ( c t l ) 域 ( d a t a ) 域 ( t r u e )( e t x ) ( t y p )( a d d )( l e n )( c r c ) l 位3 位2 x 8 位m a r u4 位( o 一1 5 ) x 81 7 位 2 位6 侮 位 ( 1 ) 帧起始 与j i 机需要传输或接收数据时，首先必须等待总线空闲。当总线空闲时就可以丌始发 送一个0 表示随后丌始发送或接收帧。 ( 2 ) 仲裁域 第1 0 负 包括帧类型和地址两部分，它的功能就是当有多个站点同时竞争总线时，通过一定仲 裁机制来确定哪个站点获得总线使用权。协议采用了一种类似于c a n 总线协议中的线与 ( w i r e a n d ) 方式来实现总线仲裁，当多个节点同时发送仲裁域( 帧类型+ 节点地址) 时， 如果发送的位和接收的位不一致时就退出发送。在线与方式下，发送0 的优先级要高于发 送l 的优先级，并且规定了协议中参加总线仲裁域为帧类型和地址。 帧类型 用于表示随后发送帧的类型。协议规定了复位帧、识别帧、事件帧、普通帧这四种帧 类型。其中，复位帧( r f ) 用于主节点复位总线；识别帧( 口) 用于识别从节点；普通帧 ( n f ) 用于主从通信，即主节点发出命令或请求，从节点应答；事件帧( e f ) 用于节点 报告异步发生的事件。这四类帧由高到低的优先级次序分别是：复位帧、识别帧、事件帧、 普通帧。 j 一地址域 在不同类型帧中，地址域有不同的含义。地址类型有三种，主机地址、节点地址、事 件。这三种地址空问都是独立的。主机地址是主机在复位时所提供的，主要用于在同一网 络上有多个主机时进行仲裁，选择一个活跃的主机。节点地址是在主从通信中主机用于选 择要通信的节点。节点地址包括广播地址和组播地址。节点地址是无结构的，应用需要保 证在同一网络上节点地址不重复。事件号是一类特殊的地址空间，节点用事件来向主机或 其他节点报告一些特殊事件，如温度到达设定值，或某个光电开关打开。 ( 3 ) 控制域 其中m 位用于标识该帧是否有连续帧，如果是则该位