工業無線短程監控網的接入方式研究

王秉臣 王海寬 費敏銳

(上海大學機電工程與自動化學院1，上海 200072;上海市電站自動化技術重點實驗室2，上海 200072)

0 引言

近年來，隨著短程無線通信技術的發展，無線網絡在工業領域中的應用成為一個新的趨勢，無線網絡無疑會在下一代的工業自動化系統中扮演重要的角色。但是許多經驗和實例表明，在相當長的一段時間內，無線通信無法完全取代在現有的許多工業控制系統中采用的現場總線和工業以太網;相反，無線通信不得不與現有的有線網絡共存于工業自動化系統中。因此，如何將無線網絡接入現有有線系統是一個需要認真研究的問題［1－2］。

本文在介紹了幾種典型的無線網絡接入有線系統的方式后，提出了一種新的無線網絡接入有線系統的網關模型。該網關模型借鑒對等數據管理系統中的思想，試圖建立一種在保持有線與無線協議各自完整與自主的前提下，能有效地將無線數據上傳到有線網絡中的機制。

1 無線網接入方式

一般來說，工業無線網絡接入有線系統主要有基于OPC的應用層集成、網橋和網關3種方式。

①基于OPC的應用層集成方式，OPC客戶端/服務器之間的數據映射方式通常被用來集成不同協議之間的信息。這種方式的優點主要在于易于實現、易于配置和無需改變系統結構等。然而，這種方式無法保證系統的實時性［3－4］。

②網橋方式，網橋通常工作在數據鏈路層，它能以較快的速度和較短的響應時間轉發不同協議之間的數據。但這種方式實現的前提條件是不同協議之間需要具有較高的相似性［5］。

③網關方式，網關通常又被稱作協議轉換器，可以工作于OSI網絡七層模型的任意一層，甚至可進行跨層轉換。網關在不同協議的網絡中都作為網絡中的一個站點，在通信過程中通過運行專用的應用軟件在不同的協議棧之間完成數據交換任務［6－7］。顯然，網關方式能獲得一定程度的實時性，同時又能處理協議之間的較大差異性。所以本文介紹的無線接入有線的方式基于協議轉換網關。

2 工業有線/無線異構網絡的架構

2.1 Profibus-DP和無線令牌環

本文介紹的工業有線/無線異構網絡在有線段遵循Profibus-DP協議，而無線網絡采用基于IEEE 802.15.4a的工業無線監控網絡(wireless industrial control networts，WICN)無線令牌環網。

Profibus-DP是Profibus協議的一部分，主要用于現場分散的外圍設備之間的高速數據傳輸。Profibus-DP協議模型主要由物理層(physical layer，PHY)、數據鏈路層(fieldbus data link，FDL)和應用層(application layer，APL)構成，以滿足工業控制對實時性的要求。Profibus-DP使用主站/從站的通信機制并將輪詢方式作為它的媒體訪問層(media access layer，MAC)協議方式，以提供確定性的通信服務。一個連接到Profibus-DP網絡上的站點不是主站就是從站，兩者居其一。主站作為中心控制器，以預定的輪詢時間周期性地讀取從站的輸入信息，并周期性地向從站發送輸出信息，通常只有被主站要求時從站才能被動地加入到通信過程中。

面向工業現場的無線監控網絡WICN協議是一個基于 IEEE 802.15.4a的無線令牌環協議。IEEE 802.15.4a協議是對 IEEE 802.15.4 協議物理層的修訂，采用了切普擴頻技術(chirp spread spectrum，CSS)，能十分有效地抑制環境中的各種噪聲和多徑干擾，在工業領域中有較為廣闊的應用前景［8］。WICN協議是一個基于令牌控制無線信道獨占性的協議，每個站點只有得到令牌后才能進行數據傳輸。WICN令牌環網中只有唯一一個具有管理功能的主站，它負責邏輯令牌環的建立與維護。而其他站點作為從站存在于網絡中，知道其前趨站和后繼站，并依次得到令牌，獨占無線信道，在一定的時間段后放棄令牌傳遞給下一個站點［9－10］。

2.2 工業有線/無線異構網絡架構

整個異構系統由Profibus-DP現場總線網絡、WICN無線令牌環網和接入網關三部分組成。Profibus-DP網絡為整個系統的主干網絡，而WICN無線令牌環網作為擴展網絡通過接入網關接入有線系統中。異構網絡架構如圖1所示。接入網關在Profibus-DP網絡中作為Profibus-DP的一個從站，同時作為WICN無線令牌環網中的主站，對虛擬令牌進行控制，完成WICN協議中規定的各項管理任務。在接入網關上并發運行著Profibus-DP協議棧和WICN協議棧，并通過專有的協議轉換程序完成無線數據向有線系統的接入。

圖1 有線/無線異構網絡架構Fig.1 Architecture of wired/wireless hybrid network

3 無線網絡接入機制設計

從工業異構網絡架構的描述中可知，網關作為無線網絡接入有線網絡的接入點，在其中必須同時運行無線端與有線端的兩種協議，即 IEEE 802.15.4a的WICN協議和Profibus-DP協議。由于不同協議對于各自的數據管理方式的不同，因此，在將無線網絡數據接入有線系統中時，必然要經過數據格式的轉換。數據格式轉換方式較多，其中一種方法是以構建中間層來處理協議及數據格式的不同［7］;而本文借鑒了對等數據管理系統中的映射表的方法，設計出一種在充分保持不同協議自治性的前提下，通過映射表機制來完成無線數據向有線系統的接入方法。

3.1 對等數據管理系統

對等數據管理系統是一種適用于異構分散數據源間共享數據的P2P(peer to peer)體系結構［11］。在對等網絡(P2P網絡)中，每一個對等點都具有高度的自治性。所謂自治性，就是指對等點對于自己的數據具有自己的管理方式和獨特的存儲方式。由于對等點的自治性造成的數據源之間的異構性，為語義上相關或相等的數據的共享和查詢帶來了困難，因此，映射表被引入對等數據管理系統中。映射表是對等節點之間進行信息交換的基礎工具［12］。映射表將不同數據源中語義或邏輯上存在關系但表現形式上存在異構的數據以映射對的方式聯系起來。如表1所示為基因與蛋白質映射表。

表1 基因與蛋白質映射表Tab.1 Mapping table of gene and protein

將基因數據庫GDB_id中的g1與SwissProt數據庫中的p2相聯系，以表示用g1基因來編碼p2蛋白質［13］，但并不關注這兩個信息在他們各自的數據庫中是如何被表示或存儲的。通過映射表可以在保持對等節點自治性的前提下完成對等節點間異構數據某種程度上的集成與共享［13］。

3.2 接入機制的設計

如圖2所示為在網關中不同協議對于本地數據存儲模式的抽象。

圖2 數據區儲存模型Fig.2 Storage model for data area

圖2左半部分代表的是WICN協議中對于其數據的管理方式。網關在無線網絡中作為主站節點，其數據區即為從無線從站節點中讀入的數據。圖2所示數據區分為m個獨立的數據塊，對應于m個無線從站節點;同時，獨立的數據塊又分為輸入數據(R)和輸出數據(W)兩部分。輸入數據存儲的是無線節點上傳到控制器中的傳感數據，而輸出數據存儲的是由控制器發出的控制信息數據。

圖2的右半部分代表的是作為Profibus-DP網絡中從站的網關所具有的數據存儲模型。由圖2可知，其數據儲存將輸入數據與輸出數據分為兩大部分并以數組的方式分別存儲，而不像無線部分按節點分數據塊分別存儲。由此可見，由于協議的不同導致了數據在儲存方式上的異構。兩者存儲方式上的不同可描述為對于無線區的數據，由于其數據塊以節點號來區分，采用“{節點號，讀/寫屬性}”來描述;而對于Profibus-DP從站的數據區，由于其數組的特性，采用“{讀/寫屬性，順序號}”來描述。

圖2的中間部分為數據緩沖區，是為了保持不同協議數據之間的獨立性與分離性而引入的，協議數據只與數據緩沖區進行數據交換，而不直接與不同協議的數據區發生關系。緩沖區采用不分讀寫屬性的數組方式來表示，其描述為“{順序號}”。

在對等數據管理系統中，當兩個對等點的內容具有語義或邏輯上的關系時，雖然他們的數據存儲方式或管理方式存在不一致(即數據源的異構性)，但可通過映射表將兩者相互聯系起來，從而達到數據共享與集成的目的。

而在本文所描述的系統中，我們可以將具有不同數據存儲模式的協議數據區看成具有異構數據源的對等點，通過映射表的構建，使不同協議的數據區在語義或邏輯上發生聯系。結合數據區描述方式構建映射表，如表2所示。無線從節點1的輸入數據區(R)與Profibus-DP協議的輸入數據區(R)的第一項同時表示了無線從節點1的采樣值，而Profibus-DP協議的輸出數據區(W)的第一項與無線從節點1的輸出數據區(W)同時表示了控制器對于無線從節點1的控制數據。這樣雖然協議在數據的管理與存儲上存在異構，但通過映射表，可使不同的協議數據在語義上發生聯系，從而在尊重不同協議的自治的前提下，使協議之間共享數據，以此達到數據上傳或下發的目的。

表2 數據區映射表Tab.2 Mapping table of data area

3.3 接入機制的實現

消息序列圖(message sequence chart，MSC)顯示了數據在無線網絡與有線網絡之間上傳與下發的重要步驟，如圖3所示。

圖3(a)描述了無線從節點將數據上傳至接入網關的重要步驟。當無線從節點獲得令牌后，它即獲得了獨占信道的時間，此時，它可以將數據傳送至與它地位平等的其他無線從站節點，同時也可以將數據上傳至無線主節點。由于無線主節點即為接入網關，則從節點上傳的數據不僅會依照協議的特有方式存儲在無線數據區，同時映射表處理模塊會根據映射表1將數據共享至數據緩沖區。當無線從節點上傳完數據后即會釋放令牌給下一個節點。

圖3 無線網絡與網關的數據交互Fig.3 Data exchange between wireless network and gateway

圖3(b)描述了接入網關將數據下發至無線從節點的重要步驟。由于令牌的存在，接入網關只有當獲得令牌后才有機會獨占信道并進行數據的下發。又由于需將有線網絡中的最新數據下發至無線從節點，因此，接入網關首先需要通過映射表處理模塊，依據映射表1將數據緩沖區的數據共享至無線數據區，再根據無線網絡的配置，將數據發送至相應的無線從節點。

圖4描述了接入網關與有線網絡之間的數據交互。

圖4 有線網絡與網關的數據交互Fig.4 Data exchange between wired network and gateway

由于接入網關是作為Profibus從站接入有線網絡的，所以通信過程由Profibus主站發起。在每次與從站的交互過程中，Profibus主站都要完成對從站數據的一次讀入與一次寫出。當接入網關收到輸出數據后，它會根據自己的數據存儲方式更新本地數據區，并通過映射表處理模塊和映射表2將數據共享至數據緩沖區。

同時，為了響應Profibus主站的讀數據要求，映射表處理模塊會將輸入數據共享至Profibus從站數據區，此時接入網關便可響應主站的讀數據要求，完成一次與有線網絡的數據交互。

3.4 試驗驗證

實驗室中已搭建了采用上述接入方式的有線/無線異構網絡，并針對實驗室中的蒸汽透平發電實驗平臺進行了數據采集。在采集過程中針對同一個測量值分別通過工業以太網Modbus/TCP節點和無線節點進行采樣，而無線節點的采樣值通過由上述方法構建的協議接入網關，接入到Profibus-DP網絡中并最終上傳到上位機監控界面。如圖5所示為上位機保存的歷史數據。可以看到，通過采用本文提出的無線接入有線系統的方式，使有線/無線異構網絡能準確地對現場測控數據進行采集。

圖5 歷史數據曲線Fig.5 Historical data curves

4 結束語

無線通信技術無疑將在工業領域中得到越來越多的廣泛應用，本文提供了一種能使工業無線監控網絡接入現有有線測控系統的方案。該方案采用網關模型，借鑒對等數據管理系統中映射表的思想，建立了一種在保持有線與無線協議各自完整與自主的前提下，能將無線網絡中的數據上傳到有線網絡中的機制。在實驗室中采用上述接入方式有效地將無線監控網WICN與現場總線Profibus-DP進行了集成，形成了有線/無線異構網絡測控系統。

［1］Neumann P.Communication in industrial automation—what is going on?［J］.Control Engineering Practice，2007，15(11):1332 －1347.

［2］Willig A.Recent and emerging topics in wireless industrial communication:a selection［J］.IEEE Transactions on Industrial Informatics，2008，4(2):102 －124.

［3］Lee S，Lee K C，Lee M H，et al.Integration of mobile vehicles for automated material handling using Profibus and IEEE802.11 networks［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2002，49(3):693 －701.

［4］Kobayashi M，Nakayama H，Ansari N，et al.Reliable application layer multicast over combined wired and wireless networks［J］.IEEE Transactions on Multimedia，2009，11(8):1466 －1477.

［5］Sousa P，Ferreira L L，Alves M.Repeater vs.bridge-based hybrid wired/wireless Profibus networks:a comparative performance analysis［C］∥IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation，2006:1065 －1072.

［6］Heynicke R，Kruger D，Wattar H，et al.Modular wireless fieldbus gateway for fast and reliable sensor/actuator communication［C］∥IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation，2008:1173 －1176.

［7］楊傲雷，侯維巖.工業有線/無線異構網絡集成網關架構設計［J］.微計算機信息，2009，25(15):138 －140.

［8］黃丹青，費敏銳.IEEE802.15.4a工業無線標準的研究與應用［J］.自動化儀表，2010，31(1):5 －9.

［9］How Weiyan，Liu Weichun，Fei Minrui.A Token-based MAC oriented wireless industrial control networks［C］∥IEEE International Conference on Information Acquisition，Weihai，China，2006:22 －25.

［10］侯維巖，楊傲雷.基于IEEE802.15.4a的無線測控網絡協議［J］.計算機工程，2009，35(16):101 －106.

［11］韓梅.對等數據管理系統中數據映射的推導技術研究［D］.河北:燕山大學，2006.

［12］趙杠.P2P系統一致性及查詢問題研究［D］.河北:燕山大學，2006.

［13］Kementsietsidis A，Arenas M，Miller J.Managing data mappings in the hyperion project［C］∥19th International Conference on Data Engineering，2003:732 －734.