基于ISA100 11.a标准的烟雾传感器

基于ISA100ll.a标准的烟雾传感器1引言ISA100.11a标准是由国际自动化协会(ISA，InternationalSocietyofAutomation)下属的ISA100工业无线委员会制定的。该委员会致力于通过制定一系列标准、建议操作规程、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。ISAlOO.lla遵循公认的ANSI标准化流程，标准的制定过程一直立足于用户的需求。ISAlOO.lla支持多种性能水平，以满足工业自动化的多种不同的应用需求，而不是仅仅局限于过程工业。ISAlOO.lla标准协议定义的工业无线设备包括：传感器、执行器、无线手持设备等现场自动化设备。主要内容包括工业无线的网络构架、共存性、鲁棒性以及与有线现场网络的互操作性等。2ISA10011.a标准简介ISAlOO.lla标准是第一个开放的、面向于多种工业应用的标准，其主要特征如下：提供过程工业应用服务，包括工厂自动化；在工厂内/工厂附近使用；全球部署；提供等级l(非关键)到等级5的应用；保证不同厂家设备的互操作性；跳信道的方式支持共存和增加可靠性；使用一个简单的应用层提供本地和隧道协议，以实现广泛的可用性；针对IEEE8O2.l5.4-2OO6安全的主要工业威胁，提供简单、灵活、可选的安全方法；现场设备具有支持网状和星型结构的能力。ISAlOO.lla标准协议具有不同于以太网、移动通信网的特性，那么针对ISAlOO.lla标准的协议一致性测试必须根据ISAlOO.lla标准的体系结构、拓扑结构、设备类型等特点制定一系列测试的原则和步骤。ISA10011.a的体系结构ISA100.11a标准协议体系结构遵循ISO/OSI的七层结构，但只定义了物理层、数据链路层(DLL)、网络层、传输层和应用层，如图2.1所示。数据链路层包括IEEE802.15.4的MAC子层、ISAlOO.lla的MAC扩展层和数据链路层上层,应用层包括应用子层、用户应用进程和设备管理器。UA>应应应应应应应应应应应应应应应应应应应MAC应应MLDESAPIEEE802.15.4MAC应应PLDESAP应应应TLDE-1SAP-，ASLDE-n—SAPASLDE-1~SAP应应应应应应Ep应应应应应(DMAP)slde-o_sap/IT_'CasimesapJ•TLDE-nSAPjCtLDE-0SAP.TLyESAPUA>应应应应应应应应应应应应应应应应应应应MAC应应MLDESAPIEEE802.15.4MAC应应PLDESAP应应应TLDE-1SAP-，ASLDE-n—SAPASLDE-1~SAP应应应应应应Ep应应应应应(DMAP)slde-o_sap/IT_'CasimesapJ•TLDE-nSAPjCtLDE-0SAP.TLyESAPNLDESAPDLDESAPnlmesapMLMESAPJPLMESAPDLME图2.1ISAlOO.lla标准协议体系结构每一层提供了两种服务访问点(SAP)，即数据服务实体提供数据传输服务和管理服务实体提供管理服务，上层通过这两种服务访问点使用下层提供的功能服务。在ISAlOO.lla网络，一个设备只能通过ISAlOO.lla应用子层(ASL)提供的数据服务访问点与其它设备进行通信。在每个设备里，设备管理器是一个具有管理功能的实体，可以直接访问应用子层、传输层、网络层和DLL的管理信息库。物理层通过数据服务访问点(PLDESAP)和管理服务访问点(PLMESAP)给IEEE8O2.l5.4的MAC子层提供了服务接口。物理层主要功能有激活和休眠射频收发器，发射功率控制，信道能量检测(ED)，检测接受数据包的链路质量指示(LQI)，空闲信道评估(CCA)和收发数据。IEEE8O2.l5.4的MAC子层通过数据服务访问点(MLDESAP)和管理服务访问点(MLMESAP)给ISAlOO.lla的MAC扩展层提供了服务接口。ISAlOO.lla的MAC扩展层主要负责时间同步、跳信道和通信调度，提供点对点数据通信的重传机制，TDMA和CSMA信道访问机制，在两个对等的ISAlOO.lla的MAC扩展层实体之间提供一个可靠的通信链路。DLL子层通过数据服务访问点(DLDESAP)给网络层提供了服务接口，通过管理服务访问点(DLMESAP)给系统管理器或设备管理应用进程(DLMESAP)提供了服务接口。DLL子层主要负载DLL帧头的装载和解析，DLL层的安全，ISA100.11aDLL子网内的路由、邻居发现及加入网络和管理信息库的管理。管理信息库主要有超帧、链路、邻居、路由、图和跳信道序列等信息。DLL子层可以根据管理信息库的内容，使得ISAlOO.lla的MAC扩展层的时间同步、跳信道和通信调度能够正常工作。ISAlOO.lla网络层是基于IPv6的,通过数据服务访问点(NLDESAP)给传输层提供了服务接口，通过管理服务访问点(NLMESAP)给系统管理器或设备管理应用进程(DLMESAP)提供了服务接口。网络层主要负责网络层帧头的装载和解析，数据的分片和重组，ISAlOO.lla骨干网的路由和管理信息库的管理。传输层通过数据服务访问点(TLDESAP)给应用子层提供了服务接口，通过管理服务访问点(NLMESAP)给系统管理器或设备管理应用进程(DLMESAP)提供了服务接口。传输层提供端到端的通信服务，负责传输层帧头的装载和解析，传输层的安全和管理信息库的管理。应用子层通过数据服务访问点(APSDESAP)给用户应用进程(UAP)和设备管理应用进程(DMAP)提供了数据服务接口，通过管理服务访问点(APSMESAP)给设备管理进程提供了管理服务接口。用户应用进程是一个设备内的所有应用对象的总和。设备管理进程用于管理设备本身和与其它设备。ISA100.11a中的设备类型ISAlOO.lla标准协议定义了以下5种设备类型：(l)上位机，即控制系统，是工程师、用户和管理者与ISAlOO.lla网络实现交互的平台。(2)网关，提供了上位机和ISAlOO.lla网络的接口，提供了ISAlOO.lla网络与其它工厂级网络的接口。一个ISAlOO.lla网络系统可以有多个网关。(3)骨干路由器，是ISAlOO.lla骨干网络的基础设施，负责骨干网络中的数据路由。ISAlOO.lla骨干网络上的通信协议可以是无线协议，如8O2.llb，也可以是有线协议。因此，ISAlOO.lla网络可以借助其它高性能的网络。(4)现场设备，有现场路由器和终端设备两种设备，一般为传感器设备或执行器设备。现场路由器除了具有终端设备上的功能外，还有路由功能，负责ISAlOO.llaDLL子网中的数据路由。(5)手持设备，是用户访问ISAlOO.lla网络的接入设备，用于现场维护与配置网络,还可以调校现场设备。从逻辑角色的角度来看，网关负责ISAlOO.lla网络与工厂内的其它网络的协议转换与数据映射,具有网络管理代理和安全管理代理的功能。冗余网关负责网关的热备份。网络系统管理器对系统资源配置和设备的系统资源使用进行管理，监测全网性能。安全管理器负责系统的安全管理、密钥管理与安全认证。骨干路由器作为网络管理器的代理，负责构建由现场设备组成的ISAlOO.llaDLL子网，负责骨干网络中的数据路由。冗余骨干路由器负责骨干路由器的热备份。现场路由器是带路由功能的现场设备，即负责ISAlOO.llaDLL子网中的数据路由，提供路径冗余，有效的扩展了网络的结构。终端设备负责获取现场数据并发送到现场路由器或骨干路由器。一种类型的物理设备可以有多个逻辑角色。网关设备可以具备网关、冗余网关、网络管理器代理、安全管理器代理的角色(一个网关设备不能同时具有网关与冗余网关的角色)。ISA100.11a网络拓扑结构为了满足工业应用的需求，ISA100.11a支持多种网络拓扑，如星型结构、Mesh结构等。星型网络拓扑结构，容易实现，实时性高，但仅限单跳范围。为了扩大网络覆盖面积，在ISA100.11a网络结构中引入骨干网，骨干网是一个高速的网络，可以减小数据时延。所有现场设备通过骨干路由器接入骨干网，现场设备和骨干路由器组成的网络为ISAlOO.llaDLL子网。ISAlOO.llaDLL子网和骨干网就组成了ISAlOO.lla网络。图2.2星形和辐射式拓扑结构图2.3mesh网和星行加mesh网络如果ISAlOO.lla网络中没有骨干网，ISAlOO.llaDLL子网包括现场设备和网关，等同于ISAlOO.lla网络，如图l-2所示。

Fsalddevc-eRoucingde^ceo\K）devitdfc'frftsiru^wreM•曲BBa戎bcmEutB『GMSystemmanagerSSeoirilymanager股ubeFsalddevc-eRoucingde^ceo\K）devitdfc'frftsiru^wreM•曲BBa戎bcmEutB『GMSystemmanagerSSeoirilymanager股ube1Rcute（5）2.nPonabh*曲3O|p-oaimoltwdOUZLE-一YXfiubnai■-4|Plantnetwortc图2.4ISAlOO.lla网络和DLL子网重叠如果ISAlOO.lla网络中有骨干网，ISAlOO.llaDLL子网只包含现场设备和骨干路由器，而ISAlOO.lla网络包含所有相关DLL子网、骨干路由器和网关，如图l-3所示。I/OdeviceInfrastructuredeviceBBackbonerouterGGatewayRoute1Route⑸2,.nBac^boreFielddeviceRowlingdevicePortabledeviceMSys-Wriman-ag^rSSecuritynagerpra□'mtwQrkcontrol^aemBackbcnenetworkPlantnetworkI/OdeviceInfrastructuredeviceBBackbonerouterGGatewayRoute1Route⑸2,.nBac^boreFielddeviceRowlingdevicePortabledeviceMSys-Wriman-ag^rSSecuritynagerpra□'mtwQrkcontrol^aemBackbcnenetworkPlantnetwork图2.5ISAlOO.lla网络和DLL子网不同ISA100.11a通信模型在ISA100.11a标准协议中，终端设备、手持设备和现场路由器存在于ISA100.11aDLL子网，终端设备一般是传感器设备或执行器设备，现场路由器对终端设备的数据进行路由°ISA100.11aDLL子网的路由是在数据链路层(DLL)中完成的，而不是在网络层。骨干路由器将数据高速率地、高可靠性地传输到网关，其路由发生在网络层。网关完成数据报文在ISA100.11a标准协议和工厂内的其它网络的协议转换[1]。如果ISA100.11a网络中没有骨干网，终端设备和控制系统之间的数据流涉及终端设备、现场路由器、网关和控制系统，如图1-5所示。对于传感器设备，现场数据从终端设备出发，经过现场路由器和网关最终到达主控计算机；对于执行器设备，控制数据从主控计算机出发，经过网关和现场路由器最终到达终端设备。终端设备现场路由器ISA100.11a网关控制系统ISAlOO.lla应用层fISAlOO.lla应用层ISAlOO.lla1传输层:ISAlOO.lla传输层ISAlOO.llai网络层；ISAlOO.lla网络层ISAlOO.llai数据链路层I「终端设备现场路由器ISA100.11a网关控制系统ISAlOO.lla应用层fISAlOO.lla应用层ISAlOO.lla1传输层:ISAlOO.lla传输层ISAlOO.llai网络层；ISAlOO.lla网络层ISAlOO.llai数据链路层I「1lISAlOO.llal数据链路层IISAlOO.lla；物理层I[ISAlOO.lla]物理层IL应用层—用层-«nr111'ISAlOO.lla1工厂网络!1传输层传输层1nr1L1USAlOO.lla1工厂网络1;网络层网络层;11iUSAlOO.lla1i工厂网络I数据链路层|数据链路层！iii^ISAlOO.lla1工厂网络;1物理层物理层1专换工厂网络ISAlOO.lla工厂网络+应用层\工厂网络I传输层工厂网络

网络层工厂网络数据链路层I工厂网络

物理层IIL_.IIISAlOO.llaDLL子网工厂级网络ISAlOO.lla网络工厂级网络图l-5终端设备和控制系统之间的数据流如果ISAlOO.lla网络中存在骨干网，终端设备和控制系统之间的数据流涉及终端设备、现场路由器、骨干路由器、网关和控制系统，如图l-6所示。对于传感器设备，现场数据从终端设备出发，经过现场路由器、骨干路由器和网关最终到达主控计算机；对于执行器设备，控制数据从主控计算机出发，经过网关、骨干路由器和现场路由器最终到达终端设备。终端设备终端设备现场路由器骨干路由器ISA100.11a网关控制系统ISAlOO.lla应用层勺ISAlOO.lla应用层ISAlOO.lla应用层ISAlOO.lla「应用层-工厂网络他用层工厂网络

应用层ISAlOO.lla,传输层ISAlOO.lla传输层ISAlOO.lla传输层[ISAlOO.lla传输层工厂网络|

传输层I工厂网络

传输层ISAlOO.lla1网络层ISAlOO.llai数据链路层!ISAlOO.llai物理层；ISAlOO.lla网络层「1lISAlOO.llalI数据链路层IISAlOO.lla应用层勺ISAlOO.lla应用层ISAlOO.lla应用层ISAlOO.lla「应用层-工厂网络他用层工厂网络

应用层ISAlOO.lla,传输层ISAlOO.lla传输层ISAlOO.lla传输层[ISAlOO.lla传输层工厂网络|

传输层I工厂网络

传输层ISAlOO.lla1网络层ISAlOO.llai数据链路层!ISAlOO.llai物理层；ISAlOO.lla网络层「1lISAlOO.llalI数据链路层IlISAlOO.llal物理层；IISAlOO.lla网络层^ISAlOO.lla网络层工厂网络；网络层\工厂网络

网络层lISAlOO.lla数据链路层IlISAlOO.lla物理层LI骨干网

传输戻骨干网网络层骨干网I数据链路层"I骨干网

物理层骨干网传输层I骨干网网络层骨干网数据链路层骨干网|物理层工厂网络I数据链路层:工厂网络I

物理层;工厂网络

:数据链路层工厂网络;物理层II'骨干网工厂级网络ISAlOO.llaDLL子网'骨干网工厂级网络ISAlOO.lla网络.图l-6终端设备和控制系统之间的数据流3系统硬件平台介绍3.1系统结构基于ISA1OO11.a的烟雾传感器网络主要由三部分组成：烟雾传感器采集部分、无线传输部分、无线网络协调部分。传感器采集部分主要负责将外界环境中的烟雾浓度采集进来。无线传输部分负责将传感器采集到的实时数据发送到无线网络协调器。无线网络协调部分主要负责协调不同设备的数据传输。采用抓包器将数据转发给上位机，实现对数据的显示与监控，系统功能模型如图3.1所示。分部集采器感传分部调协络网线无无线抓包器上位机分部集采器感传分部调协络网线无无线抓包器上位机图3.1系统功能模型3.2烟雾传感器及数据处理单元介绍从低成本、性能等角度出发，本方案选用了一种半导体气体烟雾传感器－MS5100。MS5100它有着体积小、很高的感应灵敏度、良好的稳定性、快速的相应时间，对烟雾、碳氢化合物和氧化物有着很强的灵敏度等诸多优点。烟雾传感器采集电路如图3.2.1所示。vhQ!vhQ!Rl：图3.2烟雾传感器采集信号电路如图所示Vcc为外部电源，VH为加热电源，Rs为传感器电阻，RL为下拉电阻，Vout为输出电压。本系统应用时Vcc和VH取5V的电源，Rs的取值范围是85K—3255KQ,其阻值会随外部的烟雾浓度的变化而变化。所以传感器测量原理如下：当测到外部的烟雾时，传感器的电阻Rs会发生变化，此时的电阻Rgas和在空气中的电阻Rair的比值和外部烟雾浓度的关系曲线图，如图3.2.2所示，改变RL可以调节输出电压，以便更好的测出烟雾浓度值。嘗5嘗5鱼E占>话uag图3.3传感器阻值比与烟雾浓度关系曲线图数据处理单元为CC2430内部集成了8路可调精度的AD转换器，转换精度分4种，分别是：8位、10位、12位、14位。Z-A调制型：Z-A型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。其内部结构如图3.2.3示。

aSimgma/delta调制型>抽取滤波器时钟发生器及控制器aSimgma/delta调制型>抽取滤波器时钟发生器及控制器图3.4ADC内部结构图4无线传感器软件设计由于系统提供了ISAIOO.IIa协议栈，所以在调试无线传感器是，只需要在协议栈的基础上添加上传感器的驱动和数据采集功能，再将采集倒是数据，根据经协议栈提供的数据发送API函数，将数据发送给网关。4.1设计到A/D转换的寄存器介绍由于A/D是集成在芯片内部的，所以对A/D模块的编程主要是对，与A/D转换有关的寄存器进行设置、初始化后。按照A/D转换的时序要求，读取转换后的数据。涉及到的主要寄存器为：1)ADCCFG(ADC输入配置寄存器)用于选择A/D转换器的模拟输入引脚。ADCCFG(0xF2)-ADCInputConfigurationBitNameResetR/WDescription7:0ADCCFG[7:0]0x00R/WADCinputconfiguration.ADCCFG[7:0]selectP07-P00asADCinputsAIN7-AINO0ADCinputdisabled1ADCinputenabled2)ADCL寄存器用来存储A/D转换结果数据的低字节。ADCL(OxBA)-ADCDataLowBitNameResetR/WDescription7:2ADC[5:0]0x00RLeastsignificantpartofADCconversionresult.1:000R0Notused.Alwaysreadas03)ADCL寄存器

用来存储A/D转换结果数据的高字节。ADCH(OxBB)-ADCDataHighBitNameResetR/WDescription7:0ADC[13:6]0x00RMostsignificantpartofADCconversionresult.4)ADCCON1寄存器用来配置出发A/D转换的，触发信号类型。ADCCON1(0xB4)-ADCControl1BitNameResetR/WDescription7EOC0EndofconversionClearedwhenbothADCHandADCLhasbeenread.Ifanewconversioniscompletedbeforethepreviousdatahasbeenread?theEOCbitwillremainhigh.0conversionnotcompIete1conversioncompleted!6ST0R/W1Startconversion.Readas1untilconversionhascompleted0noconvE「sioninprogress1startaconversionsequenceifADCCON1.STSIEL=鋼1”andnosequenceisrunning.5:4STSEL[1：0]11R/WStartselect.Selectswhicheventthatwillstartanewconversionsequenee.00ExternaltriggeronP2_0pin.01Fullspeed.Donotwaitfortriggers.Timer1channel0compareeventADCCON1.ST=15)ADCCON3寄存器用来配置A/D转换的通道数，参考电压等参数。

ADCC0N3(OxBB)-ADCControl3BhNameResetFUWDescriptionT：a三REF二：a：22FtiWSeledsn&ferenGevoltageusedfarthEextraconversionDDInternal1.25VmFemnDeD1ExternalrefersneeonAIM7phAVDD_EOCphExtsfnalreferenceonAIN6-AIN7dilerentialinput5:4:0：22FtiWSetsthedecnutionrateusedibrtheextracontuersionThedecTnahonratealsodelerminestheresoluliDnandtimerequiredtocompletethecanversion.DD54decnte-(Bd1snesdutiDn)□1125decnte(1£lbitsresoJirtian}1£l25fidec.rate(12bitsresolmian}11512dec.rate(13bitsresol\rtian}3:0LCH[3:C：GOODFtiWEirtrachannelselectSdectslhechannelnumberoftheextraDonuersionthatiscarredoutafteraconversionse^jencehasended.Thisbitiiekimustbewrittenibranextraconvertontobeperformed.IfthmADCisnotrunning,writingtothesebit^willIrigge^anjrTvnediarte5-ngleeonwerBonfromtheselectedextrachannel.ThehitsareautomatiDallyclearedwhentiwextraDonuersionhasfnished.DDDDAINO□DD1AIN1DDWAIN2DD11AIN3{]1DDAIN4U1FAIN5HIWAIN6D111AIM71DDDAIN0-AIN11DD1AIN2-AIN31D1DAIN4-AIN51D11AIN6-AIN71WDGND11D1RositiuewtagcneferBnc£111DTErnperahneSEnsw1111VDD/34.2A/D转换程序设计在设计A/D转换程序时，先对相关寄存器配置，选定好所用的A/D转换的通道，再对A/D转换器进行相应的初始化工作。启动A/D转换后，等待一段时间,检测A/D转换是否完成，如果完成则读取转换后的数据，如未完成继续等待知道完成为止，软件流程图如图4.1所示。

图4.1A/D转换软件流程图4.3A/D转换程序在协议栈的基础上，添加A/D转换程序并将得到的数据发送出去。voidcollectDataFSM(void){unsignedchartemp_value;ISA_dmapFSM();switch(collectDataState){caseCOLLECT_DATA_STATE_IDLE:collectDataLastTime=ISA_dmapGetTimer_Second();collectDataState=COLLECT_DATA_STATE_SEND;break;caseCOLLECT_DATA_STATE_SEND:if(ISA_dmapTimerNowDelta(collectDataLastTime)>COLLECT_DATA_DELAY_TIME){//此处为加入的A/D转换函数，得到的值存储在temp_velue中temp_value=adc(ADC_REF_1_25_V,ADC_12_BIT,ADC_AIN3);payload[0]=temp_value&0xff;//读取转换数据的低字节payload[1]=temp_value>>8;//读取转换数据的高字节dstADDR.saddr=0;//设置网关地址ISA_dmapSendData(dstADDR・saddr,2,payload);//发送数据collectDataState=COLLECT_DATA_STATE_SEND_WAIT;}break;实现A/D转换的具体代码。unsignedshortadc(unsignedcharreference,unsignedcharresolution,unsignedcharinput){unsignedcharvolatiletemp;unsignedshortvalue;temp=ADCH;temp1=ADCL;ADC_ENABLE_CHANNEL(input);//由于传感器连接的事CC2430的P0.3,//故主函数中用ADC_AIN3ADC_STOP();//停止AD转换ADC_SINGLE_CONV