對EPA控制網(wǎng)絡(luò)接入ZigBee節(jié)點的設(shè)計

陳 鵬 付敬奇 王海寬

(上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

對EPA控制網(wǎng)絡(luò)接入ZigBee節(jié)點的設(shè)計

陳 鵬 付敬奇 王海寬

(上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

在EPA網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備中，針對無線局域網(wǎng)、藍牙等通信技術(shù)在工業(yè)測控中的傳輸、功耗、性能和安全性等方面所存在的缺點，在分析了EPA標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)上，給出了ZigBee節(jié)點接入EPA測控網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方案。在AT91R40008的嵌入式系統(tǒng)控制下，對ZigBee到EPA控制網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)接入節(jié)點進行了軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的ZigBee終端EPA網(wǎng)絡(luò)接入點，并構(gòu)建了集成EPA和ZigBee的測控網(wǎng)絡(luò)驗證和試驗系統(tǒng)。試驗驗證了該方案的可行性。

EPA ZigBee 網(wǎng)絡(luò)集成 無線接入 網(wǎng)關(guān)接入點 以太網(wǎng)控制器

0 引言

無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的高速發(fā)展及其所帶來的成本低廉、維護簡單、使用方便等優(yōu)勢，使得無線現(xiàn)場總線或有線現(xiàn)場總線的無線擴展成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信研究和應(yīng)用的熱點［1］。在EPA實時以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，無線局域網(wǎng)技術(shù)和藍牙技術(shù)的特點限制了它們的推廣應(yīng)用，而ZigBee技術(shù)具有低成本、低功耗、高可靠性、組網(wǎng)方便簡捷的綜合優(yōu)勢，是當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)之一。將ZigBee技術(shù)與EPA技術(shù)融合，不但可將無線通信應(yīng)用于有線通信布線困難的場合，還可以在一定程度上替代有線通信，在降低成本的同時，提高系統(tǒng)傳感測量的靈活性［2］。ZigBee和EPA技術(shù)的融合，使得旋轉(zhuǎn)、振動部件、移動設(shè)備的監(jiān)測等問題可以得到很好的解決，從而充分發(fā)揮無線網(wǎng)絡(luò)與實時以太網(wǎng)的優(yōu)勢，為現(xiàn)有無線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方向上的功能擴展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò)的方案

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議參考模型以及網(wǎng)絡(luò)工業(yè)應(yīng)用的信息層次劃分，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)包含中繼器、網(wǎng)橋、網(wǎng)關(guān)、OPC數(shù)據(jù)接口等多種形式。Cena G等人提出了利用網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)IEEE 802.11對主流現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)進行無線擴展的方法［3］。Zhong T等人設(shè)計了FF總線的擴展協(xié)議(wireless FF，WFF)。該協(xié)議底層采用了IEEE 802.15.4，上層應(yīng)用了ZigBee協(xié)議。WFF網(wǎng)絡(luò)與FF網(wǎng)絡(luò)之間通過協(xié)議網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)異構(gòu)集成。

針對如何將ZigBee傳感測量網(wǎng)絡(luò)接入到EPA實時工業(yè)以太網(wǎng)，提出了系統(tǒng)集成組網(wǎng)方案，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Architecture of ZigBee accessing to EPA network

EPA工業(yè)以太網(wǎng)段由連接于實時調(diào)度網(wǎng)段的EPA終端節(jié)點、連接監(jiān)控PC的EPA網(wǎng)橋、監(jiān)控PC以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等構(gòu)成，其中，EPA-ZigBee網(wǎng)關(guān)接入點在 EPA網(wǎng)絡(luò)中作為普通 EPA終端功能呈現(xiàn)［4］。ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為EPA工業(yè)以太網(wǎng)的檢測終端擴展，具有一般ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特征，但對其結(jié)構(gòu)和規(guī)模進行了簡化構(gòu)造，從而保證測控網(wǎng)絡(luò)的實時性。無線網(wǎng)段主要由EPA-ZigBee接入點和ZigBee終端測量模塊構(gòu)成。其中，EPA-ZigBee接入點在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中起到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的功能，而終端節(jié)點則是精簡功能設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)支持星型、樹狀和網(wǎng)狀等拓撲結(jié)構(gòu)。

在該組網(wǎng)方案中，EPA-ZigBee網(wǎng)關(guān)接入點是系統(tǒng)集成的重要設(shè)備，其連接了有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)，是實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵部分。EPA-ZigBee網(wǎng)關(guān)接入點具有的主要功能包括EPA調(diào)度、協(xié)議轉(zhuǎn)換、ZigBee組網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)管理等。ZigBee終端測量模塊從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理、打包，再通過EPA-ZigBee接入點上傳到EPA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2 ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò)層次協(xié)議模型

EPA網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)與OSI基本通信模型相比［5］，一方面在應(yīng)用層上添加了EPA應(yīng)用實體協(xié)議及功能塊定義等用戶層;另一方面在數(shù)據(jù)鏈路層采用了EPA通信調(diào)度管理實體，以解決IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)基于CSMA/CD所帶來的通信時延不確定因素。ZigBee底層采用IEEE 802.15.4，通過無線信道的碰撞避免機制，能有效避免發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突，在一定程度上提高了傳輸性能。為簡化通信協(xié)議、增強系統(tǒng)實時性和可靠性，設(shè)計了EPA-ZigBee網(wǎng)關(guān)接入點網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次以及應(yīng)用模型，如圖2所示。

圖2 通信協(xié)議模型Fig.2 Communication protocol model

在分別完成各自網(wǎng)段協(xié)議的基礎(chǔ)上，為應(yīng)用層添加協(xié)議轉(zhuǎn)換層，通過設(shè)計基于數(shù)據(jù)映射的周期性輪詢數(shù)據(jù)更新機制，從而實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)接入點的數(shù)據(jù)交換功能。協(xié)議轉(zhuǎn)換層次模型采用共享數(shù)據(jù)區(qū)進行數(shù)據(jù)交換。其中，數(shù)據(jù)映射表一端對應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)的每一個節(jié)點，并根據(jù)其數(shù)據(jù)屬性分為輸入和輸出類型;另一端則對應(yīng)EPA節(jié)點區(qū)數(shù)據(jù)的輸出區(qū)和輸入?yún)^(qū)。當(dāng)EPA網(wǎng)絡(luò)按照宏周期的配置對網(wǎng)關(guān)接入點進行周期性輪詢數(shù)據(jù)更新時，共享數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容同時按照數(shù)據(jù)映射表進行更新操作。而無線ZigBee的數(shù)據(jù)通信則不影響EPA端口的數(shù)據(jù)交換，以實現(xiàn)網(wǎng)段協(xié)議轉(zhuǎn)換的獨立性。

3 EPA-ZigBee接入點的設(shè)計和實現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計方案

EPA-ZigBee網(wǎng)關(guān)接入點的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括微控制器模塊、以太網(wǎng)通信模塊、ZigBee通信模塊和電源模塊［6］，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 EPA-ZigBee接入點硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware structure of EPA-ZigBee access point

系統(tǒng)微處理器采用ATMEL公司生產(chǎn)的基于ARM7TDMI核的32位微控制器AT91R40008芯片，工作主頻達到50 MHz，并內(nèi)嵌256 kB的靜態(tài)存儲器，具有低功耗、高性能以及能適應(yīng)工業(yè)環(huán)境應(yīng)用等優(yōu)點。

工業(yè)以太網(wǎng)通信接口設(shè)計包括以太網(wǎng)控制器和集成網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45接口。其中，以太網(wǎng)控制器AX88796內(nèi)部集成10/100 Mbit/s自適應(yīng)的物理層收發(fā)器和快速以太網(wǎng)MAC控制器，具有128 kB的SRAM。微處理器可通過存儲器直接訪問其內(nèi)部的SRAM，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，AX88796通過內(nèi)部的物理層，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)變壓器完成與EPA網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)通信。

ZigBee通信模塊是在2.4 GHz ISM頻段工作的低功耗射頻芯片，采用Freescale公司生產(chǎn)的MC13193芯片，支持點對點、星型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信，主要負責(zé)數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 接入點軟件設(shè)計

EPA-ZigBee網(wǎng)關(guān)接入點的軟件設(shè)計主要分為初始化、ZigBee數(shù)據(jù)包處理、EPA報文處理和協(xié)議轉(zhuǎn)換更新處理4個部分［7］。該軟件的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

初始化模塊包含系統(tǒng)硬件初始化和系統(tǒng)軟件初始化。硬件初始化能夠復(fù)位相關(guān)通信接口寄存器，其配置I/O口，使能無線接收和發(fā)送;同時，其還能夠?qū)σ蕴W(wǎng)控制器相應(yīng)寄存器其他外圍設(shè)備進行配置。系統(tǒng)軟件初始化主要對EPA協(xié)議棧、ZigBee協(xié)議棧以及協(xié)議轉(zhuǎn)換涉及的數(shù)據(jù)緩沖、配置列表等進行初始化工作，其中配置參數(shù)在系統(tǒng)首次上電工作時為缺省值，在ZigBee傳感終端等組成確定的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)配置相關(guān)參數(shù)實例化，在系統(tǒng)重新啟動或無線節(jié)點終端加入或退出等情況時，配置參數(shù)仍然保持。

圖4 軟件系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of software system

ZigBee數(shù)據(jù)包處理模塊在初始化成功后，開始接收數(shù)據(jù)包，并判斷收到的ZigBee數(shù)據(jù)包是否合法。若不合法，則丟棄該數(shù)據(jù);反之拆開數(shù)據(jù)包，并查看數(shù)據(jù)格式是否符合EPA協(xié)議所要求的格式。若其不符合EPA協(xié)議格式，即丟棄該報文;若其符合EPA協(xié)議，則將數(shù)據(jù)封裝成UDP數(shù)據(jù)包，并向上位機發(fā)送該報文。

EPA報文處理模塊接收到報文后拆開數(shù)據(jù)包進行解析，若數(shù)據(jù)格式不符合EPA協(xié)議，即丟棄該報文;若符合，則查看是否存在報文中的ZigBee設(shè)備。若存在設(shè)備，即封裝成ZigBee數(shù)據(jù)包并發(fā)送;若不存在，則丟棄該報文并返回錯誤信息［8］。

協(xié)議轉(zhuǎn)換處理模塊循環(huán)接收兩個網(wǎng)段數(shù)據(jù)的更新，并按照數(shù)據(jù)映射表及相應(yīng)屬性進行處理。一方面，其將無線終端采集的數(shù)據(jù)上傳EPA數(shù)據(jù)緩沖區(qū);另一方面，其在EPA數(shù)據(jù)發(fā)生變化更新后，按照數(shù)據(jù)映射表對應(yīng)關(guān)系，查找相應(yīng)無線終端，再由ZigBee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)發(fā)送至該無線終端。

4 ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建

為了測試和驗證本文開發(fā)的EPA-ZigBee網(wǎng)關(guān)接入點，構(gòu)建了由ZigBee接入EPA工業(yè)以太網(wǎng)所構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)平臺。系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)組成框圖Fig.5 Schematic of the system

系統(tǒng)由無線網(wǎng)段、EPA網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)關(guān)接入點和蒸汽透平系統(tǒng)測控對象組成，其中，EPA網(wǎng)段和無線網(wǎng)段分別包含了多個I/O測量節(jié)點，用以對測控對象進行數(shù)據(jù)采集和輸出控制。

5 結(jié)束語

通過對EPA標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee技術(shù)的分析和研究，提出了ZigBee接入EPA構(gòu)架下控制網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方案。EPA網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在加快協(xié)議棧開發(fā)進度的同時，降低了開發(fā)難度和開發(fā)成本。對于被安置在惡劣工業(yè)環(huán)境的現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備，有線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法完全適應(yīng)。因此，ZigBee技術(shù)等無線網(wǎng)絡(luò)的需求已經(jīng)越來越受到業(yè)界的關(guān)注。本文開發(fā)的ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計研究是對現(xiàn)有EPA無線接入方式的重要補充，能夠很好地解決有線帶來的成本高、布線難的問題，使工業(yè)控制更加靈活、方便。

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Design of ZigBee Node Accessing to EPA Control Network

Aiming at the disadvantages existing in transmission，power consumption，performance and security of communication technologies such as wireless LAN，Bluetooth，etc.，for EPA network access equipment，and on the basis of analyzing EPA standard and ZigBee technology，the implementation scheme of ZigBee node accessing to EPA measurement and control network is given.Under the control of AT91R40008 embedded system，the software and hardware of gateway accessing node for ZigBee accessing to EPA control network are designed，and EPA network accessing point for ZigBee terminal that conforms standard specifications is implemented，and the validation and test system of the measurement and control network integrating EPA and ZigBee is established.The feasibility of this scheme is verified by experiments.

Ethernet for plant automation(EPA)ZigBee Network integration Wireless access Gateway access point Ethernet controller

TP393

A

上海市科委攻關(guān)基金資助項目(編號:11dz1121602)。

修改稿收到日期:2011-08-29。

陳鵬(1986-)，男，現(xiàn)為上海大學(xué)檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事傳感器的智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面的研究。