（系统工程专业论文）野外动态组网的研究与实现.pdf

硕士论文野外动态组网的研究与实现 摘要 随着通信技术的飞速进步 人们对网络通信的要求也越来越高 希望在条件更加 复杂 环境更加恶劣的条件下也能进行可靠灵活的通信 本论文则是针对这种要求 利用多种通信技术和通信方法来实现复杂环境下的动态组网通信 以达到在复杂环境 下网络通信和控制的目的 本论文介绍了一种野外动态组网系统的总体设计思想和具体的实现方法以及用 于组网调试的智能节点硬件平台 针对系统中用到的三种通信方式 c a n 总线 r s 4 8 5 总线和无线通信 重点讲述了组网控制的技术实现细节 主要工作体现在以 下几个方面 人机交互界面功能的设计和实现 多种通信方式 c a n 总线 r s 4 8 5 无线电台以及接力通信 的自动平滑切换 动态组网的实现 二级接力通信 利用动 态规划实现二级接力通信的最优路径的选择以及对系统的实现结果的分析 该项技术可以根据具体的通信状况进行适当的修改 进而适用于更多的应用场 合 论文的最后也列举了一些根据实际情况变化的改进方案 提出了进一步的研究思 路 关键词 c a n 总线 r s 4 8 5 无线通信 动态组网 无线接力通信 动 态规划 w m d o w s 程序设计 硕士论文野外动态组网的研究与实现 a b s t r a c t n o w a d a y s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y r e q u i r e m e n t s o nt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o na r ee x i g e n t w eh o p et h a tw ec 姐c o m m u n i c a t es t e a d i l y a n df l e x i b l ye v a ni nt h em o l ec o m p l e xa n db a de n v i r o n m e n t a i m e da ts u c har e q u e s t t h i s p a p e rd i s c u s sam e t h o dt h a tu s e sav a r i e t yo fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n dm e t h o d st o a c h i e v ed y n a m i cn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni no r d e rt om e e tt h er e q u e s to fn e t w o r kc o n t r o l a n dc o m m u n i c a t i o ni nt h ew o r s ec o n d i t i o n t h ep a p e rp r e s e n t st h eo v e r v i e wo ft h ed e s i g nc o n c e p t sa n dt h es o l u t i o n so f i m p l e m e n ta sw e l la sh a r d w a r ep l a t f o r mu s e df o rf i e l dd y n a m i cn e t w o r ko r g a n i z i n g e x p e r i m e n t i tl a y ss p e c i a le m p h a s i so nt h ed e t a i l so f t h en e t w o r k d e a l i n gw i t hc a nb u s r s 4 8 5b u s a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h ei m p o l m tf a c e t s 撇a sf o l l o w s t h ed e s i g n a n di m p l e m e n to fo p e r a t i o nw i n d o w s t h ea u t o m a t i cs w i t c ha m o n g1 h r c ec o m m u n i c a t i o n w a y sw i t hi n t e l l i g e n tn o d e s t h ei m p l e m e n to fd y n a m i cn e t w o r ko r g a n i z i n g t w og r a d e s w i r e l e s sr e l a yc o m m u n i c a t i o nw i t ha u t on e t w o r ko r g a n i z i n gf u n c t i o n o p t i m i z et h e c o m m u n i c a t i o n p a t ho ft w og r a d e sw i r e l e s sr e l a yc o m m u n i c a t i o nw i t hd y 般m i c p r o g r a m m i n ga n dt h ea n a l y s e so f s y s t e m se x p e r i m e n t t h i st e c h n o l o g yc a nb ec a l i b r a t e di nt e r m so f t h ed i f f e r e n ts i t u a t i o n sw h i c ho f f e rm o r e o p p o r t u n i t i e sa n dm a k ei tm o r ef l e x i b l et ou s e a tt h ee n do ft h ep a p e r t h e r ea r es o m e s o l u t i o u sa n de x a m p l e sw h i c ha l ec r e a t e da c c o r d i n gt or e a lc a s e sa sw e l la ss e v e r a lo f i d e a s a n dc o n c e p t sf o ra d v a n c e dr e s e a r c h i n g k e yw o r d s c a nb u s r s 4 8 5 w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n d y n a m i cn e t w o r k o r g a n i z i n g w i r e l e s s r e l a yc o m m u n i c a t i o n d y l l a m i cp r o g r a m m i n g p r o g r a m m i n gw i n d o w s m 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果 尽我所知 在本 学位论文中 除了加以标注和致谢的部分外 不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明 研究生签名 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档 可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存 借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容 对于保密 论文 按保密的有关规定和程序处理 研究生签名 年月日 硕士论文野外动态组同的研究与实现 1 引言 1 1 分布式管理的发展 现代工业的飞速发展和生产规模的不断扩大 使得生产过程和场所日趋复杂化 在许多的生产场合都需要大范围的调度管理和监视等 例如车站 码头以及野外大规 模的施工作业等 这些场合的最主要的特点就是范围大且环境不确定 固定和移动的 工作设备并存 环境复杂 存在误差 而且生产设备在数量上也存在着变动 这就需 要在实际的生产过程中很好的控制工作设备 使它们能够相互协调 相互配合 更好 的完成工作任务 正是为了满足这种要求 工业自动化领域加速了向数字化 智能化 和网络化方向的发展 计算机技术 网络技术和通信技术在工业自动化系统中的应用 也越来越广泛 对自动化的要求已不仅是保持个别变量的稳定而是实现多个变量的最 优控制 对于复杂的工作现场 控制对象分布面很广 因此把它 f 联系起来实现分布 式管理是工业现场管理技术的重要发展方向 工业现场分布式管理的重要环节就是利用计算机技术对生产过程进行监控 管理 和控制 这涉及到众多现场设备的控制和信息集成 经过多年的发展 这种分布式管 理系统经历了若干发展阶段 控制单元日益智能化 控制方式日益走向多智能控制单 元的协同工作模式 现代化的现场设备不再是简单的传感器和控制器 它具有一定的 自主控制 数据管理和通信能力 在这一点上它已经发展为一种智能的主体圆 分布式管理技术主要是由计算机技术 信号处理技术 测量控制技术 通信网络 技术等相互渗透发展而产生的 它采用标准化 模块化和系列化的设计 由过程控制 级和管理控制级组成一个以通信网络为纽带的集中显示操作管理和控制相对分散的 实用系统 分布式管理最主要的两个特点就是自主性和协调性 系统上的各个工作站 是通过网络接口连接起来的 各工作站独立自主地完成自己的任务 同时 主机可以 对各个工作站进行集中管理 协调它们之间的工作 使得各站之间从总体功能及优化 处理方面具有充分协调性跚 1 2 分布式管理系统的构建和现场总线 现场总线技术是在8 0 年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技术 它集 数字通信 智能仪表 微机技术 网络技术于 身 从根本上突破了传统的 点对点 式的模拟信号或数字一模拟信号控制的局限性 为真正的 分散式控制 集中式管理 提供了技术保证 传统的过程控制系统中 设备与控制器之间总要通过点对点的物理 连接 以及标准模拟信号传递信息 这样不仅投资大 而且具有控制精度低 抗干扰 能力差 信号传输距离短 信息无法共享等缺点 8 0 年代中期发展起来的d c s 集散 式控制系统虽然解决了点对点控制的诸多弊端 但其采用的i o 控制站模块又带来了 1 硕士论文 野外动态组网的研究与实现 组态不灵活 数据无法分级共享等弊端 相比之下 现场总线技术能很好的克服这些 不利因素 它具有现场通信功能 现场设备互连 良好的互操作性 分散的功能模 块 开放式互连网络等特点 不仅可以保证目前工业控制对数字通信的要求 而且使 它与i n t r a n c t 或i n t e r n e t 互连构成多层次的复杂网络成为可能 目前 现场总线技术是在分布式系统中使用较多的一种网络通信技术 它克服了 分布式控制系统中通信由封闭的专用网络系统实现中所产生的缺陷 把基于封闭专用 的解决方案变成基于公开标准化的解决方案 同时把集中与分散相结合的分布式控制 系统的集散控制结构 变成新型的全分布式结构 把控制功能彻底下放到现场 依靠 现场智能设备本身实现基本控制功能1 2 它主要解决现场的智能仪表 控制器 执行机构等现场设备间的数字通信 是微 机化测量设备之间实现双向串行多节点数字通信系统 它的核心是现场总线协议叫 在使用中 现场总线具有如下的一些特点 1 现场控制设备具有通信功能 便于构成工厂底层控制网络 c 趵通信标准的公开 一致 使系统具备开放性 设备间具有互可操作性 3 功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性 4 控制功能下放到现场 使控制系统结构具备高度的分散性 5 一对双绞线上可挂接多个控制设备 便于节省安装费用 节省维护开销 6 提高了系统的可靠性 7 为用户提供了更为灵活的系统集成主动权 不同的机构和不同的人对现场总线有着不同的定义 不过通常情况下 公认的现 场总线的本质主要体现在以下六个方面 1 现场通信网络 用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的 现场通信网络 2 现场设备互联 依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现 场仪表相互关联 3 互操作性 用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所 需的控制回路 从而可以自由地集成现场总线控制系统 4 分散功能块 f c s 废弃了d c s 的输入 输出单元和控制站 把d c s 控制站 的功能块分散地分配给现场仪表 从而构成虚拟控制站 彻底地实现了分散 控制 5 通信线供电 通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量 这种 方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表 与其配套的还有安全栅 6 开放式互联网络 现场总线为开放式互联网络 既可以与同层网络互联 也 可与不同层网络互联 还可以实现网络数据库的共享 硕士论文野外动毒组网的研究与实现 从以上内容我们可以看到 现场总线体现了分布 开放 互联 高可靠性的特点 采取一对多双向传输信号 采用的数字信号精度高 可靠性强 设备也始终处于操作 员的远程监控和可控状态 用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联 也正是由于现场总线以上的特点使得其在设计 安装 投运到正常生产都具有很 大的优越性 由于分散在前端的工业设备能执行较为复杂的任务 不再需要单独的控 制器 计算单元等 节省了硬件投资和使用面积 另外 现场总线的接线较为简单 而且一条传输线可以挂接多了设备 大大节约了安装费用 由于现场控制设备往往具 有自诊断功能 并能将故障信息发送至控制室 减轻了维护工作 同时 由于用户拥 有高度的系统集成自主权 可以通过比较灵活选择合适的产品 以满足自己的需求 而且整体系统的可靠性和准确性也大为提高 1 3 相关领域的发展现状 现场总线技术是控制 计算机 通信技术的交叉与集成 几乎涵盖了所有连续 离散工业领域 如过程自动化 制造加工自动化 楼宇自动化 家庭自动化等等 它 的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本 提高可靠性 增强可维护性和提高数 据采集的智能化的要求 现场总线技术的发展体现为两个方面 一个是低速现场总线 领域的不断发展和完善 另一个是高速现场总线技术的发展 而目前现场总线产品主 要是低速总线产品 应用于运行速率较低的领域 对网络的性能要求不是很高 从实 际应用状况看 大多数现场总线 都能较好地实现速率要求较低的过程控制 因此 在速率要求较低的控制领域 谁都很难统一整个市场 就目前而言 由于f f 基金会 几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商 其全球影响力日益增加 但其在中国市场 营销力度似乎不足 市场份额不是很高 l o n w o r k s 形成了全面的分工合作体系 在 国内有一些实质性的进展 在楼宇自动化 家庭自动化 智能通信产品等方面 l o n w o r k s 则具有独特的优势 在离散制造加工领域 由于行业应用的特点和历史原 因 p r o f i b u s 和c a n 经在这一领域形成了自己的优势 具有较强的竞争力 国内厂 商的规模相对较小 研发能力较差 更多的是依赖技术供应商的支持 比较容易受现 场总线技术供应商 芯片制造商等 对国内的支持和市场推广力度的影响 而且 还有一个不可忽视的一点就是在构建自动化管理系统时 选择的上位机 比如组态软 件对总线设备的支持程度 有些监控组态软件 比如紫金桥监控组态软件或者i n t o u c h 等对一些主流的总线设备比如l o n w o r k s p r o f i b u s c a n 等有着良好的支持 通 过d d e o p c 或者直接连接等方式进行通信 采集数据 这样可以方便用户的选择 而一些组态软件则支持的种类较少 是用户选择的范围也随之减少 由于各个国家各个公司的利益之争 虽然早在1 9 8 4 年国际电工技术委员会 国际 标准协会 m c i s a 就着手开始制定现场总线的标准 至今统一的标准仍未完成 硕士论文 野外动态组网的研究与实现 很多公司也推出其各自的现场总线技术 但彼此的开放性和互操作性还难以统一 目 前世界上存在着大约四十余种现场总线 如 西门子公司的p r o f i b u s r o b e r b o s c h 公司的c a n 国际标准组织 基金会现场总线f f f i e l d b u s f o u n d a t i o n 等 这些现场 总线大都用于过程自动化 医药领域 加工制造 交通运输 国防 航天 农业和楼 宇等领域 大概不到十种的总线占有8 0 左右的市场 虽然现场总线的种类繁多 但 是它们都有各自的应用领域 比如f f p r o f i b u s p a 适用于石油 化工 医药 冶 金等行业的过程控制领域 l o n w r k s p r o f i b u s f m s d e v i e c e n e t 适用于楼宇 交 通运输 农业等领域 d e v i c e n e t p r o f i b u s d p 适用于加工制造业 而这些划分也 不是绝对的 每种现场总线都力图将其应用领域扩大 彼此渗透 现场总线不同于计算机网络 由于工业自动化技术应用于各行各业 要求也千变 万化 使用一种现场总线技术也很难满足所有行业的技术要求 因此人们很难避免多 种总线技术标准的共同存在 技术发展很大程度上受到市场规律 商业利益的制约 技术标准不仅是一个技术规范 也是一个商业利益的妥协产物 而现场总线的关键技 术之一是彼此的互操作性 实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望嘲 1 4 本课题研究的目的与内容 在现代工业中 控制对象大多结构复杂 控制对象及功能较多 有时可能工作环 境复杂 采用分布式管理系统可以满足实时性 开放性 鲁棒性等方面的要求 将控 制功能在下位机分散 每个下位机完成一项特定功能 由主机统一管理 各下位机便 可实现并行工作 这将大大提高整个系统的处理能力和处理速度 因此在复杂环境下 的动态通信组网的研究可以提高分布式控制系统的灵活性和可靠性 扩大它的应用范 围 从而进一步提高系统的性能 更好的完成控制任务 本课题主要是针对野外复杂环境下对多个智能节点动态组网的研究 为可靠的分 布式管理做组网通信方面的实践 本论文主要是针对c a n 总线 r s 4 8 5 无线通信 以及接力通信等通信方式和通信方法的混合组网进行了设计和实现 主要包括网络通 信的实现 混合网络的平滑切换 动态组网以及接力通信最优路径的选择 并且对其 中的内容进行了实现和调试 论文第2 章介绍了一些相关的基础知识 主要是该课题涉及的一些基本设备和基 本技术 其中包括 a v r 单片机 r s 4 8 5 总线 c a n 总线 w i n d o w s 程序设计等内 容 论文第3 章从总体的角度对系统的设计方案和实现内容进行了论述 介绍了总体 的需求分析 设计方案以及相应的设计原则 主要是从软件和硬件两个方面对系统进 行了分析 论文第4 章则重点介绍了各种基本通信方式的具体实现 它们是进行动态组网总 硕士论文野外动态组同的研究与实现 体实现的基础 包括各种通信方式采用的硬件设备 相应的实现方法以及接力通信的 实现方案 论文第5 章详细介绍了系统总体的实现和涉及到的关键技术 包括通信协议的设 计原理和说明 主机和节点的具体实现流程 实现过程中遇到问题和解决方法 最后 论述了动态规划在二级接力通信路径优化中的应用 论文最后一章 介绍了实际调试的情况 并根据实际的调试过程中遇到的问题对 系统做了进一步改进的分析 硕士论文野外动态组嗣的研究与实现 2 相关技术介绍 2 1a 佩单片机及其开发系统 a v r 系列单片机是a t m e l 公司推出的精简指令集 r i s c 单片机 其a t t i n y a t 9 0 与a t m e g a 分别对应低 中 高档产品 a v r 单片机突出的特点在于速度高 片内硬件资源丰富 可作为真正意义上的 单片机使用 a v r 单片机采用了现代微处理器流水线预取指令技术 淘汰了机器周 期的概念 以时钟周期为指令执行的最基本时间单位 通常时钟频率用4 m h z 8 m i l z 所以最短执行时间为2 5 0 1 2 5 n s 本文使用a t m e g a l 2 9 单片机 它具有如下特点 1 2 8 k 字节具备写操作时可读的 在系统可编程f l a s h 4 k 字节e e p r o m 4 k 字节s l u m 5 3 个通用i o 口 3 2 个通 用工作寄存器 实时计数器 r t c 4 个具有比较模式和p w m 的定时器 计数器 2 个u s a r t 接口 一个两线 1 2 c 串行接1 2 1 一个8 通道1 0 位具有可选增益差分输 入的a d 转换器 一个带内部振荡器的可编程看门狗定时器 一个s p i 口 一个符 合i e e es t d 1 1 9 4 1 标准的j t a g 测试接口 也可用于访问片内d e b u g 系统和编程 6 种可通过软件选择的省电模式嘲 a v r 单片机常用的编译器有i c c 瓜佩 g c c a v r c o d e s o i l 和l 状等等 在 本系统中使用的是i c c a v r 编译器 工程的构筑和文件的编辑都在晚的环境中完 成 能够产生符合a v r s n l d i o 的c o f f 格式的调试文件 本系统选用a t m e l 公司原装盯a g 仿真器 应用程序在i c c a r 环境下用c 语 言进行编写 程序的下载和调试则在a v rs t u d i o 集成开发环境中完成 2 2c a n 总线 1 c a n 2 0 技术规范眦 控制器局部网 c a n 是国际上应用最为广泛的国际标准现场总线之一 它是 德国b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交 换而开发的一种串行数据通信协议 1 9 9 1 年p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制定并发布了c a n 技术规范 同年由b o s c h 公司发布c a n 2 0 规范 1 9 9 3 年国际标准i s o l l 8 9 8 正式 出版 1 9 9 5 年i s 0 1 1 8 9 8 进行了扩展 从而能够支持2 9 位c a n 标识符 c a n 2 0 规 范分为c a n 2 0 a 和c a n 2 0 b c a n 2 0 a 支持标准的十一位标识符 c a n 2 o b 同时 支持标准的1 1 位标识符和扩展的2 9 位标识符 c a n 遵从o s i 模型 按照o s i 基准 模型 c a n 结构划分为两层 数据链路层和物理层 2 c a n 总线性能特点咖 c a n 总线的数据通信具有高性能 高可靠性 高灵活性的特点 最高的传输速 7 硕士论文野外动态组网的研究与实现 率可以达到1 m b p s 可以使实时的控制得到保证 一个由c a n 总线构成的单一网络 中 理论上可以挂接很多个节点 但在实际应用中 节点数目将受到硬件网络的电气 特性的限制 在本文中 是采用p h i l i p sp 8 2 c 2 5 0 作为c a n 收发器 同一网络中最多 允许挂接1 1 0 个节点 另外 硬件集成的错误检定特性也增强了c a n 的抗电磁干扰 能力 c a n 现场总线的主要特点如下眦儿捌 1 c a n 的直接通信距离最远可以达到1 0 k m 速率5 k b p s 以下 通信速率最高可 达1 m b p s 此时通信距离最长为4 0 m 2 c a n 可以多主方式工作 网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上 其他节点发送信息 而不分主从 通信方式灵活 通信数据包中不需要站地 址等节点信息 可以方便地构成多机备份系统 3 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级 可满足不同的实时要求 4 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术 当多个节点同时向总线发送信息时 优先 级较低的节点会主动退出 而高优先级的节点可不受影响地继续传送数据 从而大大节省总线冲突仲裁时间 当网络负载很重时也不会出现网络瘫痪情 况 5 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点 一点对多点以及全局广播等几种方 式传送数据 无需专门的调度 6 c a n 节点在错误严重时具有自动关闭输出功能 其他节点不受影响 2 3r s 2 3 2 通信 r s 2 3 2 c 是美国电子工业协会e i a 制定的一种串行物理接口标准 对于一般的 全双工通信 仅需三条线 包括一条发送线 一条接收线和一条地线 r s 2 3 2 c 的特 点如下 1 数据传送速率慢 通常的异步通信传送速率限制在1 9 2 k b p s 在有些情况下 不能满足速度要求 c d 传送的距离较短 r s 2 3 2 c 接口的装置之间电缆长度一般为1 5 m 即使有较 好的线路器件 优良的信号质量 电缆长度也不会超过6 0 m 虽然r s 2 3 2 的优点并不突出 但是由于它出现的较早 而且接口简单 实现方 便 一直是自动化仪器 仪表最基本的通信方式之一 不仅很多的微控制器上面集成 了r s 2 3 2 的通信模块 很多的控制器外围设备和芯片上也集成了r s 2 3 2 接口 它已 经成为很多场合的连接标准 是目前应用的比较广泛也是相当成熟的一种通信标准 在本论文中 通过r s 2 3 2 c 接口外接无线电台 组成无线网络 颈士论文野外动套组网的研究与实现 2 4r s 4 8 s 通信 r s 4 8 5 总线标准是为了弥补r s 2 3 2 的不足和扩大它的应用范围而提出来的 它 的最大传输速率为1 0 m b p s 此时电缆允许长度为1 2 m 最大传输距离可达1 2 0 0 m 此时传输速率为9 0 k b p s 而且r s 4 8 5 接口在总线上是允许连接多达1 2 8 个收发 器 即具有多站能力 这样用户可以利用单一的r s 4 8 5 接口方便地建立起设备网络 而且常用的接口芯片业非常多 基于这些优点 r s 4 8 5 在工业上的应用也是非常的 广泛 r s 4 8 5 则为半双工通信标准 在某一时刻 一个发送另一个接收 r s 4 8 5 的特 点是 1 通过传输线驱动器 把逻辑电平变换成电位差 实现信号发送 通过传输线 接收器 由电位差转变成逻辑电平 实现信号接收 传输源和目的地之间的 信号地不用连接在一起 2 传输的距离比较长 在1 0 m b p s 的情况下 允许的电缆长度为1 2 0 m 在传输 速率为9 0 k b p s 的情况下 可以达到1 2 0 0 m 而且r s 4 8 5 接口在总线上是允 许连接多达1 2 8 个收发器 即具有多站能力 2 5w i n d o w s 程序设计 w m d o w s 程序设计主要是指基于w m d o w s 操作系统和语言系统的资源 运用相 关技术和语言系统的语法规则来实现问题的过程 为传统的操作系统编写的程序使用 的是过程化的模型 程序从头到尾顺序执行在首尾行之间 函数m a i n 会调用其它函 数 而这些函数可能会调用更多函数 但始终是程序而不是操作系统决定何时调用哪 个函数 w i n d o w s 程序则不是这样执行的 它们使用事件驱动编程模型 程序通过操 作系统发来的消息来响应事件 程序在运行的过程中不断等待消息的到来 然后再傲 适当的处理 图2 5 1 给出了w i n d o w s 编程模型 这里所谓的消息是指驱动窗口对象 的指令 从总体上可以把消息分为用户消息 控制消息和程序消息四类 事件主要是 指操作系统 用户施加给软件对象的行为和操作伽 另外本文涉及到w i n d o w s 程序设计中的一些概念 这里做一下简要的介绍 1 w i n 3 2a p i a p i a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e 就是w i n d o w s 的3 2 位应用程序编程接 口 是一套用来控制w i n d o w s 的各个部件的外观和行为的一套预先定义的w i n d o w s 函数 用户的每个动作都会引发一个或几个函数的运行以告诉w i n d o w s 发生了什么 它是一系列很复杂的函数 消息和结构 使编程人员可以用不同类型的编程语言编制 出的运行在w m d o w s 9 5 和w m d o w sn t 操作系统上的应用程序 2 进程和线程 9 硕士论文野外动态组网的研究与实现 进程是操作系统构造任务 分配资源的机制 也可以理解为操作系统关于任务执 行 调度和资源分配的基本单位 是程序代码 数据和资源的集合 线程是操作系统驱动进程的机制 也可以理解为操作系统c p u 时间资源的分配 单位 是线程驱动进程的运行 一个操作系统可以同时运行多个进程 一个进程中可 以有多个线程 w i i l 3 2 的应用程序通过基于优先级的多进程 多线程的机制 实现抢 先式多任务 输入消息 硼 洲i 一 一删 i 盟 w 1 4 c o i g 4 a n d 卜 r 1 h 吡一 卜一 消息队列 z 用程序 二二i 三三检索的消息 社息 圈圈 圆圈 圈圈 未处理的消息 r d e f w i n d o w p r o c 硕士论文野外动态组网的研究与实现 3 总体方案设计 3 1 系统需求分析 野外环境下的动态组网就是要求系统能够在复杂的通信环境下实现可靠的通信 而且能够对网络节点进行动态的管理 通信的可靠性一方面是从硬件方面进行保证 采用可靠的通信方式和通信设备 如果条件需要可以采用多种通信方式并存的形式 以某一种为主 其他的作为补充 另一方面是在软件方面进行校验性的设计 以保证 通信数据的准确性 使网络上的各个节点准确的完成命令 系统要实现对节点的动态 管理就是要系统能够适应网络的拓扑变化 针对网络结构的变化能够进行相应的处理 并维持网络通信的正常进行 这个主要是在通信协议的设计中实现的 通过主机和节 点之间的通信来交流信息 记录各个节点的访问路径 完成路由地址表的建立 实现 动态组网就是要使地址表能随着网络的变化而变化 因此可以采用定期检测网络变化 的方法来及时的修正地址表 由于是多种通信方式并存 某个节点可能有多种的通信 选择 在接力通信时 也可能存在多条的通信路径 因此还存在通信方式或通信路径 选择的问题 所以为了保证系统的效率 需要采用适当的方法来选择一种优化的通信 方案 在本系统中 优化主要涉及豺两个方面的优化 一种是通信方式的优化 一种 是通信路径的优化 前者指的是多种通信方式并存的情况下 对通信方式的选择 后 者主要是针对接力通信而言的 在多种接力通信路径并存的情况下如何选择最优的通 信方案 在本课题的研究和实现中 为了保证网络的可靠性 采用了多种通信混合组网的 方式 主要有c a n 总线 r s 4 8 5 和无线通信三种基本的通信方式 同时 为了能扩 大网络覆盖范围 还利用无线通信构成了两级接力通信的网络 这样对于主机无法直 接访问的节点就可以采用多级中继的方式进行通信 另外 系统采用定期检测和手动 检测相结合的方法来实现动态组网 系统定时的对节点进行轮巡点名 根据节点的响 应情况 检测网络结构和通信路径的变化 及时地更改地址表的内容 保证通信的顺 利进行 除此之外 还可以采用人工的方式手动发送搜索命令检测网络变化 更新地 址表 保证了节点灵活移动的特点 在优化通信方面 对于三种基本通信 系统按照 c a n 总线一r s 4 8 5 一无线通信 的顺序进行优先级排序 即c a n 总线的通信优先 级最高 能用c a n 总线通信的优先用c a n 总线 r s 4 8 5 次之 最后是无线通信方 式 而对于接力通信的路径选择 则采用动态规划方法求出最优的通信路径 论文的 后续部分将做出具体的介绍 3 2 系统总体框架和结构 整个系统是由一个p c 机作为主机的单主网络 其他节点是由以a v r 单片机为核 l l 硕士论文野外动态组网的研究与实现 心的系统构成 它主要可以完成相应的通信和一些控制功能 在本系统中 采用的最 大接力通信级数为二级接力通信 对于更远的节点认为超出网络的覆盖范围 系统将 不对其进行处理 系统的网络结构示意图如图3 2 1 所示 主机 1 2 图3 2 1 网络结构示意图 国 图中 主机是由p c 机充当的 n l n 4 为定义为系统的0 级节点 它们可以由主 机通过三种基本通信方式直接访问到 m l m 4 距离主机较远 无法与主机直接通信 需要通过一级接力才可以与主机连接 定义为系统的l 级节点 n 1 4 定义为系统的2 级节点 它们需要二级接力通信才可以被访问到 主机是该系统的和核心 系统的组 网功能以及路径优化全部由主机来完成 节点只是完成主机的命令或对主机做出应 答 另外 主机还要实现人机交互的操作界面 在组建网络时 由主机分别通过各种 通信方式搜索节点 然后根据各个节点返回的节点编号和通信方式以及通信路径等信 息建立路由地址表 在主机与节点进行通信时 通过查询该地址表获取节点的访问方 法和路径 然后便可以与节点进行通信 为保证系统的动态性能 主机在适当的时候 对节点进行搜索 及时的更新地址表中节点的信息和访问路径 在进行二级接力通信 时 主机根据搜索到的各个节点之间的通信时间 通过动态规划的算法可以确定出访 问某个节点的最优路径 这样便可以对接力通信进行优化 毗 硕士论文 野外动态组网的研究与实现 3 3 系统内部信息传输 整个系统的工作是依靠内部传输的命令数据和状态数据来支撑的 通信数据主要 分为两类 一类是用于建立网络的搜索命令数据 另一类是用于实现控制和信息传递 的通信数据 主机与智能节点之间交换的数据内容与方式如图3 3 1 所示 图3 3 1 系统内部信息传输关系 图中仅列举了部分通信内容 它们是一些主要的连接信息 状态信息和控制信息 具体通信内容可以根据需求进行扩充 上图中列举的通信内容简述如下 一 1 搜索命令 该命令由主机 0 级节点或1 级节点发出 用于对节点进行点名 2 搜索应答 该数据帧由节点发出 当节点收到搜索命令后 向发送该搜索命 令的节点上报自身的信息 帮助主机建立路由地址表 3 确认信息 该数据帧由主机发出 当主机收到应答后向该应答节点发送确认 信息 用于建立节点自身的节点信息表 1 3 硕士论文 野外动态组网的研究与实现 4 命令数据 行点名 5 执行结果 级节点 该数据帧由主机发给0 级或1 级节点 让它们对下一级的节点进 该数据帧由0 级或1 级节点发给主机 向主机上报搜索到的下一 6 其他联络 这里主要包括控制命令和控制命令的执行结果以及接力通信的中 转数据 控制命令由主机通过相应的通信方式发送给某个 几个或全部节点 用于对节点发布控制命令 控制命令响应主要是节点对主机命令执行情况的 汇报 中转数据则是0 级或1 级节点作为中继将该数据发送到相应的目的节 点 系统的工作过程主要分为两个通信过程 一个是建立网络的过程 即组网过程 另一个则是通信控制过程 即主机根据路由地址表向相应的节点发布命令 让节点完 成一定的功能 组网过程是本论文的重点内容 通信过程在本系统实现时做了简单的 设计 主要是用于检验系统网络通信的可行性 3 4 系统硬件设计总体介绍 硬件设计部分主要是系统组网通信的硬件设备和智能节点控制器的设计 主要包 括p c 机上和通信相关的硬件设备以及节点控制器的硬件系统 3 4 1 系统组网设计 系统网络采用c a n 总线 r s 4 8 5 和无线通信三种基本方式进行混合联网通信 首先将以c a n 总线的方式对节点进行轮巡点名 将有应答的节点进行登记 然后再 以r s 4 8 5 通信方式和无线通信方式分别对其余的节点进行点名 对于三种基本通信 方式都没有搜索到的节点则分别让0 级和1 级节点通过无线通信方式进行点名 即进 行无线接力通信方式的搜索 对于二级接力通信仍未找到的节点则认为该节点在网络 的覆盖范围之外 暂时不进行处理 在这里 这几种通信方式的组网采用了如下的优先级顺序 c a n 总线 r s 4 8 5 无线电台 一级接力通信 二级接力通信 为了说明这种优先级安排的优越性 下面 对这几种通信方式进行一个比较 如表3 4 1 1 所示 在本系统中 无线通信方式采用的是深圳友迅达通讯设备公司的数传电台产品 表3 4 1 1 中无线通信的参数便是该无线电台相应的参数 它适用于多种通信场合 可实现点对点 点对多点多级组网通信 它采用透明传输协议 即由用户完全自定义 高层通信过程 从用户终端接收的数据不作任何处理发送到空中 对从空中接收到的 数据不作任何处理转送给用户终端 数传电台只起数据传输的接续作用 这样虽然方 便用户定义通信协议 但是也存在一定的弊端 会造成通信的吞灶量较低 不适用于 通信量要求较大的场合 而且主机不停地轮询各从机 每个从机都必须对主机的所有 1 4 硕士论文野外动态组网的研究与实现 查询做出分析 以决定是否回应主机 势必增加各从机的系统开销 表3 4 1 1 几种通信方式特点比较 c a n 总线r s 4 8 5 通信 无线通信 最大通信距离及相应 通信速率 1 0 k i n 5 k b p s 1 2 0 0 m s o k b p s 2 0 k m 最高通信速率及相应 通信距离 1 m b p s 4 0 m 1 0 n p v p s 1 2 m t 9 2 k b p s 总线总裁 报文滤波 有 无无 组网方式多主单主单主 通信格式采用短帧数常用的接口芯片业多 摆脱通信线的柬缚 通 其他据格式 传输时间短 总线稳定性较差 易 信线路不易遭到毁坏 受干扰概率低出现局部瘫痪 通过上面的比较我们可以看出 c a n 总线在组网通信中与另外两种通信方式相 比有着不可比拟的优势 它既能保证网络通信的可靠性又可以保证通信的效率 因此 它是这三种通信方式中的首选 但是它同样存在着有线网络的弊端 使节点受到通信 线路的限制 尤其在野外恶劣环境下 通信线路容易遭到破坏 用无线通信作为备选 链路是十分必要的 而且无线通信可以扩展出接力通信 扩大网络的覆盖范围 所以 通过这样的优先级安排可以兼顾网络的通信速率 可靠性以及覆盖范围这三个性能指 标 在本系统中 主机的c a n 总线通信选用的是北京三纯科技公司生产的c a n 总 线p c 插卡s c 2 1 0 2 它是双路隔离c a n 总线 通过p c i 总线与主机连接 主机的 r s 4 8 5 通信则是采用标准多通道 2 或4 r s 4 8 5 4 2 2 接口控制卡 通过计算机串行 口进行数据通信的 而主机的无线通信则是通过串口连接无线发射接收机来实现的 无线发射接收机采用的是前述中提到的深圳友迅达通讯公司的f c 2 0 1 a 型数传电 台 它只是作为一个通信转换的设备 主机通过串口通信即可实现无线通信 3 4 2 智能节点控制器硬件系统介绍 在该系统中 节点控制器是针对某些设备设计而成的 在硬件设计上它主要可以 完成以下的一些主要功能 1 信息处理 对各类信息进行实时处理 形成有用结果输出 控制相应设备 进行动作 并及时记录 2 信息表示 控制器配置了信息输出装置 包括液晶显示屏 彩色指示灯私一 扬声器 用于以不同的方式来反映节点或相应设备的状态信息 3 数据通信 能够按一定优先规则 以多种通信标准和主机及时进行信息传 硕士论文 野外动态组网的研究与实现 递 智能节点控制器由一片a v r 单片机 a t m e g a l 2 8 一片大规模可编程器件 f p g a a l t e r a a c e x l k 结合众多的外围接1 2 1 芯片构成 图3 4 2 1 是智能节点的总体 硬件功能结构框图 图3 4 2 1 智能节点的总体硬件功能结构框图 由图3 4 2 1 可见 节点控制板集数据采集 输出控制 人机交互 组网通信 g p s 定位 以及自我保护等多种功能于一身 该智能节点控制板的主体设计信息已经在前人的论文中有所体现 在此主要介绍 一下与本人工作密切相关的通信模块部分 其他相关模块只做简要介绍 1 通信模块 在智能节点的通信模块设计中涉及到三种通信方式 c a n 总线 r s 4 8 5 总线和 无线通信方式 无线通信方式是节点通过扩展的串口外接无线电台来实现的 它们的 硬件构成情况如下图3 4 2 2 所示 图3 4 2 2 通信模块硬件结构框图 硕士论文野外动态组网的研究与实现 1 1c a n 总线通信方式设计 在上面通信模块硬件结构框图中 c a n 总线信息通道主要由s j a l 0 0 0 以及 p c a 8 2 c 2 5 0 芯片构成 s j a l 0 0 0 是一款独立c a n 控制器芯片 由于它和p c a 8 2 c 2 0 0 在硬件和软件上都兼容 它可以完全替换p c a 8 2 c 2 0 0c a n 控制器 s j a l 0 0 0 独立 的c a n 控制器有2 个不同的操作模式 b a s i c c a n 模式 p c a 8 2 c 2 0 0 兼容模式 p e l i c a n 模式 其中 b a s i c c a n 模式是上电后默认的操作模式 因此用p c a 8 2 c 2 0 0 开发的已有硬件和软件可以直接在s j a l 0 0 0 上使用而不用作任何修改 p e l i c a n 模式 是新的操作模式 它能够处理所有c a n 2 0 b 规范的帧 它还提供一些增强功能使 s j a l 0 0 0 能应用于更宽的领域嘲 d l2 4 d 2 2 5 d 3 2 6 d 42 7 d 5 葱 d 匹l d 7 2 m 叩面广 1 4 k 豇f 1 矾6 i n t 61 6 7 叫叩a 广仁 鲤 9 l 口 图3 4 2 3s j a l 0 0 0 在智能节点中的接线图 智能节点上的c a n 总线通信实现就是通过a v r 单片机控制s j a l 0 0 0 接口芯片 来实现的 s j a l 0 0 0 接口电路连接方式如图3 4 2 3 所示 c a n 控制器和物理总线之 间的接口通过芯片p c a 8 2 c 2 5 0 实现 它可以提供c a n 总线的差动发送能力和c a n 总线的差动接收能力叭1 表3 4 2 1 给出了s j a l 0 0 0 的主要管脚定义 硬件上的设计 使得它工作在i n t e l 的模式 表3 4 2 1s j a l 0 0 0 管脚定义 符号引脚说明 a d 7 a d 02 1 2 8 2 3多