工业无线测控网络中WiFi无线终端设计与实现

1、文章编号：1001 -9944(2011 X)8-0041 -04工业无绣测栓网络中 WiFi无线终端设计与卖现侯维岩曾磊舄张海峰3（1 匕海大学 机取工程与自动化学院，上海2M072*.郑州大学 信息工程学寰郑卅450001 ：3.中原工 学院电子信息学皮，郑州450007）摘要：介绍一种应用于工业无线测控网络的WiFi无线终端的设计，用以将工业现场设备连接 到有线以太网实现无线网络与有线网络的数提交换。文中首先介绍了 WiFi技术以及工业无 线测控网络的总体结构，然后讦细介绍了 WiFi无线终端的枝件和软件设计，咬件平台采用 ARM9H心处理SI.并移U T Linux作为底层操作系统利用

2、WiFi技术实现了将工业现场數据 传送到有线以丸网，有效地解决了工业现场难以布线、实时桂要求高、干扰较强的问题， 关键词川iFi无坡终堆；数据交换；ARM9；Linux中图分类号：TP393.05文献标志码：BDesign and Implementation of WiFi Wireless Terminal in Industrial Wireless Measurement and Control NetworkHOU Wei-yansZENG Lei1 .ZHANG Hai-feng3(】 School of Mechalronics Engineering and Automatio

3、n, Shanghai University, Shanghai 200072, China；2 School of Informal ion Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China； 3 School of Electric Information Engineering, Zhongyuan University of Technologyt Zhengzhou 450007,China)Abstract ：This diertation introduces a design of WiFi wireless

4、terminal applied in industry wireless measurement and control network The wireless terminal design can connect industrial field devices to Ethernet and achieve the function of data exchange between wireless network and wired network This paper introduces WiFi technology and the overall structure of

5、industry wireless measurement and control network firstly Then introduces the design of WiFi wireless ter- minaPs hardware and software Hardware platform using ARM9 core processor and embedded linux was used for lower operating system with WiFi technolog)' to achieve the transmission of industri

6、al field data to the Ethernet The WiFi wireless tcnninal eftectivcly resolves the problem of hard wiring.real-time demanding and strong interference in industrial field.Key words： wireless fidelity (WiFi) wireless temiinal; date exchange ； ARM9; IJnux纵观工业测控网络的发展历程，从仪表电气、 现场总线、工业以太网到无线网络，可以看到，将 有线与无线

7、网络技术集成实现异构的工业测控网 络是测控网络的新发展趋势，这也推动了物联网 技术在工业现场测控领域的发展。收稿日期：2011-03-23；*订日期：2011-05-12基金项目：国家自然科学总金资助顶H （60974097 .60904016）；科技部科技人员眼务金业行动项目（2OO9CJCOOO13）,上海 市教委机械电子工程创新团队资助项忖。作者简介：侯维岩（1964-）,男，副教授，博七，研究方向为无线通信技术；曾磊（1986-）,男硕士研究生研究方向为工业控 制领域的无线通信技术嵌入式技术；张海峰（1964-）.男，硕士 副教授研究方向为嵌入式技术、自动测最与控 制技术。自动化与仪我

8、2011（8）无线网络技术能轻易地覆盖有线网络不能覆 盖的地方，它已经从最初的作为有线技术的补充 发展为与有线技术共存。工业无线测控网络能够 为工业现场设备之间的通信提供高宽带的无线数 据链路和灵活的网络拓扑结构，有效地解决了工 业现场移动对象、旋转对象的数据采集问题。本文研究了 WiFi技术应用于工业测控网络，开 发出WiFi无线终端实现工业现场的传感器、检测 器、PLC、读卡器等设备数据的采集与传送。WiFi传 输速率高，抗干扰能力强，能够与有线网络实现无 缝连接。1 WiFi技术WiFi 包括 IEEE802.1 la JEEE802.1 lb JEEE8O2. llgJEEE802.1

9、1n 等标准,又称 802.11 标准,是 IEEE 定义的一个无线网络通信的工业标准，使用的是2. 4GHz附近的频段 WiFi具有传输速率高，组网方便， 不需要布线，覆盖范围广，抗干扰能力强，价格低廉 等优点。WiFi的覆盖半径基本上能达到100m左右， 而普通的蓝牙技术基本上只能覆盖15m左右的半径 区域。WiFi网络的建设成本相对于传统的局域网布 线成本要低，其网络只需安装一定数锻的无线接入 点(Access Point)就可以满足指定区域信号的覆遥。 近年来,WiFi技术在智能家居、工业控制、移动手持 设备等嵌入式环境中需求日益增多»2系统总体结构本文研究的目的是在L业现场

10、原冇的冇线以 太网测控系统中融入WiFi无线技术实现数据通信 以满足实际需求，系统总体结构如图1所示,需姜设 计实现WiFi无线终端和WiFi无线接入点。802.11 标准定义了 2种工作模式：Ad hoc模式和lnfras. tructure模式，Ad hoc即通常所说的点对点模式，该 模式不需要任何基础设施的支持就町实现英覆盖 范围内的站点之间的通信；而Infrastructure即AP 模式，组成结构至少包括一个无线接人点AP,无线 站点通过AP与现有的骨于网相连接，组成一个基 本服务组(BSS)o在BSS中，所有站点都使用相同的 无线频率,AP不仅提供无线站点之间通信的 桥接功能，还提

11、供无线站点与有线局域网的 连接。一个扩展服务集合(ESS)是由2个或多 个BSS构成，无线站点可在ESS内不同BSS 之间漫游，并且实现无缝连接，相比BSS而 言，ESS的性能更加稳定，网络更加安全(2引。 考虑到需要将WiFi无线网络接入到原有的 以太网，以及工业现场环境复杂、干扰较大、 设备种类较多，为满足实际需求，采用扩展服务集合(ESS)模式。工业设恬n图1系统总体结构图Fig.1 Systems architecture diagram本文主要研究设计WiFi无线终端节点，WiFi 无线终端通过SPI总线与现场设备通信。SPI是一 种串行同步通信协议，由一个主设备和一个或多个 从设备

12、组成，主设备启动一个与从设备的同步通信, 从而完成数据的交换。文中将详细讲解WiFi无线终 端节点的硬件结构和嵌入式软件的设计，所设计的 节点能够通过SPI接口读取工业现场的传感器、检 测器、PLC等设备数据，通过WiFi无线模块实时地 将数据发送给WiFi无线接入点，然后上传至主站 PLC°3硬件设计!看储单元iL丄WiFi模块1 1 HSH 10=91 1JfRTL81871 !L；| SDRAM 炉拧 ii申口二=v| LED I0复位电路现场设备图2 WiFi终端硬件结构框图Fig.2 Hardware structure diagram of WiFi terminalPL

13、CWiFi终端节点通过SPI总线与现场工业设备 通信，通过WiFi无线模块将数据发送给无线接入 点。其硬件主要包括核心处理器，电源电路,WiFi无 线模块，SPIKED指示灯，软硬件复位电路，硬件结 构框图如图2所示。42Automation & Instrumentation 2011(8)Ii；bIIfirmwarei1jff»2 ntfs11111proc1J1sbin11- unp11usr图3根文件系统目录树Fig.3 Root file system directory tree自动化与仪我2011(8)43核心处理器采用的是A(mel公司的 AT91RM9200

14、处理器。AT91RM9200微处理器外扩 了 FLASH存储器和SDRAM存储器，前者存放程序 运行的代码，而厉者储存现场采集到的数据。当任 务运行时，程序代码将从FLASH存储器复制到 SDRAM存储器中运行，提高系统速度。复位电路包 括硕件复位电路和软件复位电路，硬件复位采用 IMP811S芯片，能保证其可靠复位；软件复位电路采 用最简单的RC复位电路，软件复位主要用来恢复 初始设置。串门主要用来调试程序。SPI总线通信足基于主从模式，使用4条线：主 机输出/从机输入线(MOSI)、主机输入/丛机输出线 (M1S0)、串行时钟线(SCK)和低电平有效的丛机选 择线(SS)oWiFi无线终端

15、作为主机与现场设备通信, 可以通过SP1总线挂载多个设备。电源系统是整个装论的关键点，关乎整个系统 稳定运行的基本保障。本系统设计时考虑应用工业 现场环境中，所以采用24V的稳压直流源。电源模 块采用24S05-6W隔离电源模块，输入电压为18- 36VDC,输出电压为5VDC。采用1117M-3.3将5V 电压转为3.3V。WiFi无线模块采用的是G-SKY无线发射模 块，武发射芯片 REALTEK公司的RTL8187芯 片。RTL8187 芯片采用的是 IEEE802.11g(draft2.0) 标准，能很好地兼容lEEE802.11g/IEEE802lb标 准，可以有效减少无线覆盖区域内

16、的肓点，成倍扩 大无线信号的覆盖范围，是一种低成本、高集成度 的无线模块，同时该模块内部集成USB2.0物理层。 该模块可通过USB接口査接与核心处理器连接。4嵌入式软件设计WiFi终端的软件设计主要包括3个部分：操作 系统的移植、WiFi无线模块驱动移植以及应用程序 的设计。4.1操作系统的移植WiFi终端选用嵌入式Linux2.6作为操作系统。 I.inux具冇广泛的硬件支持特性，几乎能够运行于 现有的所有流行CPU上；Linux内核可实时裁剪得 非常小巧，其高效和稳定性能已经在各个领域得到 大址经验事实的验证;Linux是开放源代码的口由操 作系统，为用户提供了最大限度的开发自由，用户能

17、 针对嵌入式系统的千差万别进行修改和优化;Linux 系统具有完善的网络通信和文件管理机制，支持所 有标准Internet网络协议和大駅文件系统。操作系统移植包括引导加载程序(Bootloader). 内核裁剪、配置与编译、根文件系统移植。引导加载 程序负责在上电时初始化I】标板，装载内核到内存， 把引导参数传递给内核，然后执行内核。在内核裁 剪和配置上首先要保证系统的功能，然后保证支持 各个硕件电路正常运行，包括I/O端U的使用，以及 串口、SPI、USB和WiFi无线模块骡动。利用make menuconfig配置内核，添加文件系统Ramdisk支持， 模块加载、卸载支持，网络优化支持,P

18、CMCIA总线 支持以及-些基本设备的驱动支持，配置完后便可 使用make ulmage命令编译生成ulmage文件。将 生成的ultnage文件交叉编译，生成二进制文件，然 后用zip将二进制文件压缩，并转换成U-Boot能够 识别的ulmage,便可下载到硬件平台运行。考虑到 AT91RM9200开发平台上只冇NOR Flash,根文件 系统选用JSSF2文件系统JFFS2足专为闪存开发 的，具有永久性待性，并且 口丁以压缩，对NOR Flash 具右很好的支持性能。根 文件系统中的/bin、/dev、/ etc、/、/proc、/sbin 以及 / usr,都是必需的，其他的都 可以根据

19、系统设计需求进 行调整。考虑到NFS文件 系统和NOR Flash分区使 用都需要挂载点，于是保 留/mnl目录，var目录用来 存放临时数据，root目录则 可以保存一些root用户配 實文件，tmp目录可以用于 存放临时文件。根文件系 统目录如图3所示。4.2 WiFi无线模块驱动移楂WiFi无线模块采用的是Realtek的RTL8187L模块,Linux -2.6.32.2 内孩提供了对 RTL8187. RTL8187B无线模块的驱动支持，但是该驱动对 RTL8187L无线模块表现不佳，功能支持不完善。同 时，Realtek官方提供了该无线模块对Linux的支 持，提供了 RTL818

20、7I.的驱动源代码，该驱动对 RTL8187I.支持更加完善。因此选用Realtek官方提 供的驱动，对其进行适当修改即可。下载RTL8187L 驱动源代码，并将H18187和ieee80211两个文件夹 复制到 driver/net/wirelesso 修改 Makefile 及 Kconfig 文件，使其能够添加到内核并编译。在 driver/net/wireless/Makefile 文件中添加： obj$ (CONFIG_RTI£ 187L)+=rtl8187/ 在 driver/net/wireless/Kconfig 中添加： config RTL8187Ltristat

21、e "Realtek 8187L USB support" 在 drivers/net/wireless/rU8187 目录 下新建 Makefile文件,在此文件中添加编译附加标志和 RTL8187L驱动核心程序的目标文件，同时添加 IEEE8O2.il协议支持，并配置模块名为RTL8187L, 与Kconfig中命名相同通过Make menuconfig来配冒RTL8187驱动并 通过make modules来编译生成.Ro模块文件，将生 成的.ko驱动程序下载到硬件平台，能很好地支持 WiFi模块的运行。4.3应用程序设计WiFi无线终端的数据通信方式是主从方式。通

22、过SPI读取工业现场设备数据时，WiFi无线终端作 为主机;将读取的数据通过WiFi无线终端发送出去 时，WiFi无线终瑞作为AP接入点的从机。应用程序 的开发是基于Linux的编程，采用Ubuntu 10.04做宿 主机,arm-linux-gcc3.4.1为交叉编译器。程序主要 包括两部分:WiFi无线通信和SP【数据采集。无线 通信采用网络套接字(Socket)编程，首先打开套接 字，将其初始化为数据流套接字，并开始监听，之后 调用Accept()函数等待主机连接(WiFi无线接入 点)，连接成功则发送数据;SPI子程序负责采集现 场设备数据。其流程图如图4所示。5结语本文采用的是高性能核心处理器AT91RM9200 以及嵌入式操作系统Linux,结合WiFi技术，开发 了面向工业无线测控网络的WiFi无线终端。该终端 通过SPI