基于WIA-PA的工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)開發(fā)及實(shí)現(xiàn)

李巧劉楓

(西南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

0 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為自動(dòng)化領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種面向設(shè)備間信息交互的無線通信技術(shù)。它除了具有高可靠性、易用性、低能耗等特點(diǎn)外，還具有較強(qiáng)的抗干擾性和實(shí)時(shí)性，能以較低的投資和使用成本獲取工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的重要控制參數(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)控和管理［1］?；?IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的用于工業(yè)過程測(cè)量、監(jiān)視與控制的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(wireless networks for industrial automation-process automation，WIA-PA)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗和低數(shù)據(jù)傳輸速率［2］。

在WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中，無線網(wǎng)關(guān)不僅是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源、數(shù)據(jù)、設(shè)備儀表的管理者，而且還負(fù)責(zé)協(xié)議的轉(zhuǎn)換以及將WIA-PA無線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)連接，使得遠(yuǎn)程工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的上位機(jī)可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備儀表［3］。因此，無線網(wǎng)關(guān)在工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中是必不可少的。

1 無線網(wǎng)關(guān)概述

1.1 傳統(tǒng)無線網(wǎng)關(guān)與WIA-PA無線網(wǎng)關(guān)

目前，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中使用的無線網(wǎng)關(guān)主要采用802.11b、GPRS、藍(lán)牙等通信技術(shù)，成本高、功耗小、移動(dòng)性差以及安全性弱等特點(diǎn)限制了這類傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用［4－5］。本文設(shè)計(jì)的基于WIA-PA的無線網(wǎng)關(guān)通信技術(shù)可以較大程度地改進(jìn)這些性能。與ZigBee無線網(wǎng)關(guān)技術(shù)相比［6］，WIA-PA無線網(wǎng)關(guān)以其通信的高度確定性、較強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，更適合應(yīng)用于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)。

在功能方面，傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)主要完成協(xié)議轉(zhuǎn)換和部分系統(tǒng)管理功能，而WIA-PA無線網(wǎng)關(guān)作為無線網(wǎng)絡(luò)接入有線網(wǎng)絡(luò)的連接部件，除了具備傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的功能外，還具備一些特有的功能，如具備對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的管理功能，包括無線網(wǎng)絡(luò)形成、無線設(shè)備加入和斷開等管理功能［7］。在協(xié)議轉(zhuǎn)換方面，傳統(tǒng)的工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)必須同時(shí)開發(fā)無線協(xié)議和有線協(xié)議兩部分，包括數(shù)據(jù)包在無線協(xié)議和有線協(xié)議間轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)和控制。在無線協(xié)議和有線協(xié)議開發(fā)過程中必須考慮為上位機(jī)提供相應(yīng)的服務(wù)和服務(wù)接口［8］。而WIA-PA無線網(wǎng)關(guān)大大簡(jiǎn)化了這部分開發(fā)過程，它將無線和有線協(xié)議以及數(shù)據(jù)的傳輸相互結(jié)合在一起，能夠控制無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并與外部有線控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。WIA-PA無線網(wǎng)關(guān)以其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)應(yīng)用中可逐漸取代傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)。目前，它已開始應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)試領(lǐng)域;將來，它在工業(yè)控制領(lǐng)域中將擁有深厚的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場(chǎng)前景。

1.2 WIA-PA 無線網(wǎng)關(guān)

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)采用星型和網(wǎng)狀(Mesh)相結(jié)合的雙層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的分布-集中式控制。WIA-PA無線網(wǎng)關(guān)在整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中處于核心位置，它不僅管理著整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，而且起到中間橋梁的作用，將無線網(wǎng)絡(luò)與有線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)連接到一起［9］。

圖1 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of WIA-PA network

2 設(shè)計(jì)方案

基于無線網(wǎng)關(guān)在WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中所起的作用，需要設(shè)計(jì)一種基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA的無線網(wǎng)關(guān):完成WIA-PA節(jié)點(diǎn)的接入和整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的管理，如路由、網(wǎng)絡(luò)資源的分配等，并使遵循WIA-PA通信協(xié)議的節(jié)點(diǎn)通過無線網(wǎng)關(guān)與工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行有效通信。

2.1 無線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

根據(jù)功能劃分，無線網(wǎng)關(guān)主要分為兩部分:負(fù)責(zé)無線通信的網(wǎng)關(guān)路由板(網(wǎng)關(guān)路由板是網(wǎng)關(guān)路由的數(shù)字電路部分)和負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中所有數(shù)據(jù)資源管理的PC/104嵌入式處理板，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of wireless gateway

網(wǎng)關(guān)路由可以與工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，PC/104嵌入式處理板以有線(如網(wǎng)線)的方式連接到以太網(wǎng)中，而網(wǎng)關(guān)路由和PC/104嵌入式處理板通過串口連接。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 網(wǎng)關(guān)路由板

無線網(wǎng)關(guān)中的網(wǎng)關(guān)路由板由無線接收模塊和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模塊構(gòu)成，能夠接收網(wǎng)絡(luò)中普通路由器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后通過串口發(fā)送至PC/104嵌入式處理板。

網(wǎng)關(guān)路由板中的無線模塊是實(shí)現(xiàn)無線通信的主要硬件部分，它能夠接收無線網(wǎng)絡(luò)中路由器發(fā)來的數(shù)據(jù)，也能夠向無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。通信時(shí)可以采用2.4 GHz和433 MHz兩個(gè)頻段。在WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中采用的是高頻，因?yàn)楦哳l信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)，能夠抵抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的一些干擾，從而提高通信的可靠性。同時(shí)，為了擴(kuò)大射頻范圍，采用了無線放大器CC2591，它能夠進(jìn)一步放大無線信號(hào)，使無線信號(hào)和抗干擾能力都得到增強(qiáng)。

在本設(shè)計(jì)中，網(wǎng)關(guān)路由板中的主處理芯片采用的是CC2431。CC2431管理整個(gè)無線通信過程，同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)至PC/104嵌入式處理板。由于主處理芯片CC2431自身的內(nèi)存有限，而網(wǎng)關(guān)路由板需要對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的無線通信數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和發(fā)送，因此，僅僅依靠CC2431自身的64 kB內(nèi)存來完成存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的無線通信數(shù)據(jù)和資源，完全不能滿足要求［10］。為此，在網(wǎng)關(guān)路由板上需要增加一個(gè)32位的ARM微處理機(jī)LPC2106。該微處理機(jī)通過獨(dú)立的DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。這不僅擴(kuò)大了內(nèi)存，而且也提高了傳輸效率［11］。

2.2.2 PC/104 嵌入式處理板

PC/104嵌入式處理板是一個(gè)微型的PC機(jī)，其較強(qiáng)的抗電磁干擾能力和低功耗等特性使其完全能夠滿足工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)關(guān)的要求。它擁有小巧的外形、較高的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，與PC系統(tǒng)兼容的操作系統(tǒng)、開發(fā)工具、應(yīng)用軟件都可以運(yùn)行在 PC/104系統(tǒng)中，使得在此基礎(chǔ)上開發(fā)用于管理工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的工具變得較為方便。PC/104嵌入式處理板中擁有工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)需要的所有通信資源，它對(duì)這些資源進(jìn)行管理分配，并對(duì)整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，包括節(jié)點(diǎn)的加入與通信信道、時(shí)隙的分配等;它是整個(gè)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中的管理者，具有不可替代的作用。

PC/104嵌入式處理板通過串口與網(wǎng)關(guān)路由連接，并通過串口在它們之間傳送數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)路由板上接有Debug接口，通過仿真器連接到PC機(jī)的USB接口上，就可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)主電路板的操作，包括將程序下載到主電路板的芯片中。此外，在調(diào)試程序時(shí)，通過Debug接口實(shí)現(xiàn)已下載到主電路板上的程序在電路板上和在PC機(jī)上同步運(yùn)行，即電路板上的程序運(yùn)行時(shí)，在PC機(jī)上通過單步運(yùn)行觀察到程序運(yùn)行的狀況，從而調(diào)試、測(cè)試程序。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)WIA-PA無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，無線網(wǎng)關(guān)中的PC/104嵌入式處理板需要安裝合適的操作系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)通過安裝Linux操作系統(tǒng)來管理整個(gè)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)資源，包括網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議處理、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信資源的分配、網(wǎng)絡(luò)中路由通信資源以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信資源的分配。

基于WIA-PA的工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)路由需要開發(fā)單片機(jī)程序。這部分的程序開發(fā)可以單獨(dú)開發(fā)，然后將其和PC/104網(wǎng)關(guān)配合調(diào)試。網(wǎng)關(guān)路由的串口可以通過仿真器與PC機(jī)連接。將在PC機(jī)上設(shè)計(jì)調(diào)試好的完整網(wǎng)關(guān)路由程序下載到主處理芯片CC2431內(nèi)存中之后，網(wǎng)關(guān)路由便可單獨(dú)運(yùn)行。

系統(tǒng)使用C語言開發(fā)網(wǎng)關(guān)路由上的單片機(jī)程序，主要程序語句如下。無線網(wǎng)關(guān)加電啟動(dòng)后，首先啟動(dòng)PC/104嵌入式處理板，加載操作系統(tǒng);操作系統(tǒng)啟動(dòng)后，將由它配置并啟動(dòng)網(wǎng)關(guān)路由，然后網(wǎng)關(guān)將等待來自以太網(wǎng)的連接，以便上位機(jī)能夠連接到網(wǎng)關(guān);網(wǎng)關(guān)路由啟動(dòng)后，等待來自PC/104網(wǎng)關(guān)的命令，PC/104網(wǎng)關(guān)將一些資源和配置屬性通過串口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)路由。此時(shí)，網(wǎng)關(guān)路由便可通過無線發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)中，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可用。

無線網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)流程圖如圖3所示。

圖3 無線網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)流程圖Fig.3 Startup flowchart of wireless gateway

3 結(jié)束語

本文提供了WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案。與傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)相比，WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、協(xié)議轉(zhuǎn)換容易等優(yōu)點(diǎn)，且連接了有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)，使得它能夠靈活應(yīng)用在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中?；赪IA-PA的工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)采用32位的ARM微處理機(jī)LPC2106、CC2591無線放大器以及無線單片機(jī)CC2431，解決了CC2431內(nèi)存有限和射頻范圍小的問題，提高了無線通信的效率以及無線信號(hào)的抗干擾能力。WIA-PA無線網(wǎng)關(guān)完全符合WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的要求。目前，它已經(jīng)在WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中得到很好的應(yīng)用。

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