基于WIA-PA的工業無線網關開發及實現

李巧劉楓

(西南大學計算機與信息科學學院，重慶 400715)

0 引言

隨著信息技術的飛速發展，工業無線網絡技術已經成為自動化領域新的研究熱點。從無線傳感器網絡發展而來的工業無線網絡技術是一種面向設備間信息交互的無線通信技術。它除了具有高可靠性、易用性、低能耗等特點外，還具有較強的抗干擾性和實時性，能以較低的投資和使用成本獲取工業現場的重要控制參數和實時數據，從而實現對工業生產流程進行監控和管理［1］。基于 IEEE 802.15.4標準的用于工業過程測量、監視與控制的無線網絡系統(wireless networks for industrial automation-process automation，WIA-PA)，其特點是近距離、低復雜度、低功耗和低數據傳輸速率［2］。

在WIA-PA工業無線網絡中，無線網關不僅是整個網絡資源、數據、設備儀表的管理者，而且還負責協議的轉換以及將WIA-PA無線設備網絡和遠程工業控制網絡連接，使得遠程工業控制網絡中的上位機可以實時地監控工業現場設備儀表［3］。因此，無線網關在工業無線網絡中是必不可少的。

1 無線網關概述

1.1 傳統無線網關與WIA-PA無線網關

目前，工業無線網絡中使用的無線網關主要采用802.11b、GPRS、藍牙等通信技術，成本高、功耗小、移動性差以及安全性弱等特點限制了這類傳統網關的應用［4－5］。本文設計的基于WIA-PA的無線網關通信技術可以較大程度地改進這些性能。與ZigBee無線網關技術相比［6］，WIA-PA無線網關以其通信的高度確定性、較強的抗干擾能力等優點，更適合應用于工業無線網絡。

在功能方面，傳統網關主要完成協議轉換和部分系統管理功能，而WIA-PA無線網關作為無線網絡接入有線網絡的連接部件，除了具備傳統網關的功能外，還具備一些特有的功能，如具備對無線網絡的管理功能，包括無線網絡形成、無線設備加入和斷開等管理功能［7］。在協議轉換方面，傳統的工業無線網關必須同時開發無線協議和有線協議兩部分，包括數據包在無線協議和有線協議間轉換，以實現對無線網絡的監測和控制。在無線協議和有線協議開發過程中必須考慮為上位機提供相應的服務和服務接口［8］。而WIA-PA無線網關大大簡化了這部分開發過程，它將無線和有線協議以及數據的傳輸相互結合在一起，能夠控制無線網絡設備并與外部有線控制網絡互聯。WIA-PA無線網關以其技術優勢，在工業應用中可逐漸取代傳統網關。目前，它已開始應用于工業現場測控系統的測試領域;將來，它在工業控制領域中將擁有深厚的發展潛力和廣闊的市場前景。

1.2 WIA-PA 無線網關

WIA-PA網絡的體系結構如圖1所示。WIA-PA網絡采用星型和網狀(Mesh)相結合的雙層網絡拓撲結構，實現對網絡通信的分布-集中式控制。WIA-PA無線網關在整個無線網絡中處于核心位置，它不僅管理著整個無線網絡，而且起到中間橋梁的作用，將無線網絡與有線監控網絡連接到一起［9］。

圖1 WIA-PA網絡體系結構Fig.1 Architecture of WIA-PA network

2 設計方案

基于無線網關在WIA-PA網絡中所起的作用，需要設計一種基于工業無線網絡WIA-PA的無線網關:完成WIA-PA節點的接入和整個無線網絡的管理，如路由、網絡資源的分配等，并使遵循WIA-PA通信協議的節點通過無線網關與工業以太網進行有效通信。

2.1 無線網關結構

根據功能劃分，無線網關主要分為兩部分:負責無線通信的網關路由板(網關路由板是網關路由的數字電路部分)和負責網絡中所有數據資源管理的PC/104嵌入式處理板，其結構如圖2所示。

圖2 無線網關結構圖Fig.2 Structure of wireless gateway

網關路由可以與工業無線網絡中的節點進行無線通信，PC/104嵌入式處理板以有線(如網線)的方式連接到以太網中，而網關路由和PC/104嵌入式處理板通過串口連接。

2.2 硬件設計

2.2.1 網關路由板

無線網關中的網關路由板由無線接收模塊和存儲轉發模塊構成，能夠接收網絡中普通路由器發送的數據，并將這些數據存儲后通過串口發送至PC/104嵌入式處理板。

網關路由板中的無線模塊是實現無線通信的主要硬件部分，它能夠接收無線網絡中路由器發來的數據，也能夠向無線網絡發送數據。通信時可以采用2.4 GHz和433 MHz兩個頻段。在WIA-PA網絡中采用的是高頻，因為高頻信號強度較強，能夠抵抗工業現場中的一些干擾，從而提高通信的可靠性。同時，為了擴大射頻范圍，采用了無線放大器CC2591，它能夠進一步放大無線信號，使無線信號和抗干擾能力都得到增強。

在本設計中，網關路由板中的主處理芯片采用的是CC2431。CC2431管理整個無線通信過程，同時將接收到的數據存儲轉發至PC/104嵌入式處理板。由于主處理芯片CC2431自身的內存有限，而網關路由板需要對整個網絡中的無線通信數據進行接收和發送，因此，僅僅依靠CC2431自身的64 kB內存來完成存儲和轉發整個網絡中的無線通信數據和資源，完全不能滿足要求［10］。為此，在網關路由板上需要增加一個32位的ARM微處理機LPC2106。該微處理機通過獨立的DMA控制器進行數據存儲。這不僅擴大了內存，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微型的PC機，其較強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無線網絡對網關的要求。它擁有小巧的外形、較高的穩定性和可擴展性，與PC系統兼容的操作系統、開發工具、應用軟件都可以運行在 PC/104系統中，使得在此基礎上開發用于管理工業無線網絡的工具變得較為方便。PC/104嵌入式處理板中擁有工業無線網絡需要的所有通信資源，它對這些資源進行管理分配，并對整個無線網絡中節點進行控制，包括節點的加入與通信信道、時隙的分配等;它是整個工業無線網絡中的管理者，具有不可替代的作用。

PC/104嵌入式處理板通過串口與網關路由連接，并通過串口在它們之間傳送數據。網關路由板上接有Debug接口，通過仿真器連接到PC機的USB接口上，就可以實現PC機對主電路板的操作，包括將程序下載到主電路板的芯片中。此外，在調試程序時，通過Debug接口實現已下載到主電路板上的程序在電路板上和在PC機上同步運行，即電路板上的程序運行時，在PC機上通過單步運行觀察到程序運行的狀況，從而調試、測試程序。

2.3 軟件設計

根據WIA-PA無線通信網絡協議，無線網關中的PC/104嵌入式處理板需要安裝合適的操作系統。本設計通過安裝Linux操作系統來管理整個工業無線網絡資源，包括網絡的通信協議處理、現場設備通信資源的分配、網絡中路由通信資源以及整個網絡通信資源的分配。

基于WIA-PA的工業無線網關路由需要開發單片機程序。這部分的程序開發可以單獨開發，然后將其和PC/104網關配合調試。網關路由的串口可以通過仿真器與PC機連接。將在PC機上設計調試好的完整網關路由程序下載到主處理芯片CC2431內存中之后，網關路由便可單獨運行。

系統使用C語言開發網關路由上的單片機程序，主要程序語句如下。無線網關加電啟動后，首先啟動PC/104嵌入式處理板，加載操作系統;操作系統啟動后，將由它配置并啟動網關路由，然后網關將等待來自以太網的連接，以便上位機能夠連接到網關;網關路由啟動后，等待來自PC/104網關的命令，PC/104網關將一些資源和配置屬性通過串口發送給網關路由。此時，網關路由便可通過無線發送至網絡中，使整個網絡可用。

無線網關啟動流程圖如圖3所示。

圖3 無線網關啟動流程圖Fig.3 Startup flowchart of wireless gateway

3 結束語

本文提供了WIA-PA工業無線網絡網關設計方案。與傳統網關相比，WIA-PA工業無線網絡網關具有結構簡單、協議轉換容易等優點，且連接了有線網絡和無線網絡，使得它能夠靈活應用在工業網絡中。基于WIA-PA的工業無線網關采用32位的ARM微處理機LPC2106、CC2591無線放大器以及無線單片機CC2431，解決了CC2431內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的抗干擾能力。WIA-PA無線網關完全符合WIA-PA工業無線網絡的要求。目前，它已經在WIA-PA工業無線網絡中得到很好的應用。

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