基于ZigBee的工業(yè)無線網(wǎng)關設計與應用

葉楊婷， 雷海東

(江漢大學 物理與信息工程學院， 武漢 430056)

基于ZigBee的工業(yè)無線網(wǎng)關設計與應用

葉楊婷， 雷海東

(江漢大學 物理與信息工程學院， 武漢 430056)

針對目前工業(yè)現(xiàn)場采用有線組網(wǎng)方式進行數(shù)據(jù)通信時，布線困難、靈活性差等問題，提出了一種基于Profibus-DP現(xiàn)場總線與ZigBee技術的工業(yè)無線網(wǎng)關裝置，該裝置可實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡與ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。為提高網(wǎng)關的工作效率，采用雙CPU的硬件結(jié)構(gòu)，分別對Profibus-DP網(wǎng)絡和ZigBee網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)進行控制和處理，并通過雙口RAM連接，實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換和協(xié)議轉(zhuǎn)換。描述了該網(wǎng)關的硬件組成、工作流程及數(shù)據(jù)交換過程，實驗結(jié)果驗證其可靠性高、實時性強，很好地實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡和有線工業(yè)網(wǎng)絡技術的相互結(jié)合，具有廣闊的應用前景。

Profibus-DP； ZigBee； 現(xiàn)場總線； 工業(yè)無線網(wǎng)關； 雙CPU； 雙口RAM

0 引 言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術快速發(fā)展，與此相關的無線傳感器網(wǎng)絡ZigBee技術也得到了飛速發(fā)展，ZigBee技術以其可靠性高、成本低、功耗低、布局靈活等眾多優(yōu)勢，越來越受到工業(yè)通信領域的重視[1-2]。如果將ZigBee無線終端節(jié)點代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傳感器或執(zhí)行器，接入現(xiàn)場總線網(wǎng)絡組成可移動的混合網(wǎng)絡，可以解決工業(yè)現(xiàn)場總線布線困難、靈活性差等問題。為了解決這種兼容性，研究現(xiàn)場總線與ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換是非常有必要的[3-5]，因此，本文設計了一種基于Profibus-DP現(xiàn)場總線與ZigBee技術的雙CPU工業(yè)無線網(wǎng)關裝置，實驗結(jié)果驗證了該系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的單主站Profibus-DP系統(tǒng)由一個PC或PLC主站和若干DP從站組成，并通過有線方式連接，主站周期的讀取從站發(fā)來的數(shù)據(jù)并周期發(fā)送數(shù)據(jù)給從站[6]。如圖1所示，本系統(tǒng)用ZigBee節(jié)點代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DP從站(如傳感器或執(zhí)行器)，接入Profibus-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。在這個系統(tǒng)里，Profibus-DP/ZigBee網(wǎng)關在Profibus-DP網(wǎng)絡一側(cè)作為DP從站，在ZigBee網(wǎng)絡一側(cè)作為協(xié)調(diào)器，網(wǎng)關可將ZigBee節(jié)點通過無線的方式接入Profibus-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡里，組成可移動的混合工業(yè)網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)Profibus-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡與ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)通信。

2 網(wǎng)關硬件設計

該網(wǎng)關由Profibus-DP、ZigBee通信模塊和雙口RAM組成，如圖2所示，其工作原理是CPU1和CPU2微處理器并行工作，分別對Profibus-DP總線通信模塊和ZigBee通信模塊的數(shù)據(jù)進行控制與處理，并通過雙口RAM連接，實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換和協(xié)議轉(zhuǎn)換。采用雙CPU的硬件結(jié)構(gòu)，可以使兩個CPU并行工作，互不干擾，既減輕了CPU的工作負擔，也簡化了軟件編程的復雜程度，大大提高了系統(tǒng)的工作效率[7]。CPU1與CPU2微處理器選用高速度的SOC單片機C8051F021，這種單片機與標準的8051結(jié)構(gòu)相比，指令執(zhí)行速度要提高不少[8]。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 Profibus-DP通信模塊

Profibus-DP通信模塊由CPU1微處理器、SPC3協(xié)議芯片、光耦隔離芯片和RS-485驅(qū)動器組成[9]。這里定義ZigBee網(wǎng)絡向Profibus-DP網(wǎng)絡發(fā)送的數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)，Profibus-DP網(wǎng)絡向ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送的數(shù)據(jù)為輸出數(shù)據(jù)，因此，CPU1微處理的主要工作任務是通過SPC3協(xié)議芯片將輸入數(shù)據(jù)發(fā)送給Profibus-DP主站，并通過雙口RAM把輸出數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee通信模塊。

2.2 ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊由CPU2微處理器、CC2530芯片及相關外圍電路組成。CPU2微處理器通過UART串口與CC2530芯片連接，實現(xiàn)與ZigBee模塊的通信。CC2530作為ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，負責組建和管理ZigBee網(wǎng)絡，與ZigBee路由器節(jié)點或終端節(jié)點進行無線通信[10]。

2.3 雙口RAM

雙口RAM選用高速1 Kb×8雙口靜態(tài)RAM的IDT7130芯片，適用于兩個CPU之間大量數(shù)據(jù)高速雙向傳送[11]。CPU1與CPU2微處理器通過各自的數(shù)據(jù)/地址總線及讀寫控制總線與雙口RAM兩端連接，實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換。雙口RAM被劃分為數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)存放的是Profibus-DP網(wǎng)絡向ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)存放的是ZigBee網(wǎng)絡向Profibus-DP網(wǎng)絡發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)工作流程

參考傳統(tǒng)的Profibus-DP系統(tǒng)的工作流程[12]，設計了Profibus-DP主站、Profibus-DP/ZigBee網(wǎng)關和ZigBee節(jié)點三者之間的通信流程，系統(tǒng)從上電到進入正常數(shù)據(jù)交換工作狀態(tài)的整個過程分為以下幾個步驟，其工作流程如圖3所示。

(1) 系統(tǒng)上電后，主站、網(wǎng)關和ZigBee節(jié)點分別進行初始化，網(wǎng)關的初始化主要包括兩個微處理器的初始化、SPC3協(xié)議芯片的初始化和ZigBee協(xié)調(diào)器CC2530的初始化。

圖3 系統(tǒng)工作流程

(2) ZigBee協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡并允許ZigBee節(jié)點加入網(wǎng)絡后，協(xié)調(diào)器會根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)為每一個ZigBee節(jié)點分配網(wǎng)絡地址，ZigBee節(jié)點在被分配網(wǎng)絡地址后將其發(fā)送給協(xié)調(diào)器，再通過串口發(fā)送給CPU2微處理器，這樣就可以在CPU2微處理器內(nèi)建立一張ZigBee節(jié)點網(wǎng)絡地址和Profibus-DP設備地址相對應的地址映射表，當發(fā)生設備斷電導致網(wǎng)絡地址改變時，只需及時更新地址映射表就可以保證設備的正常通信。

(3) 網(wǎng)關成功與Profibus-DP主站連接后，等待主站對其進行參數(shù)設置、組態(tài)設置、新地址設置等。 SPC3協(xié)議芯片根據(jù)接受到的不同報文，通過中斷方式通知CPU1微處理器進行以上事件處理，當這些工作全部完成后，主站就可以循環(huán)地與從站交換用戶數(shù)據(jù)[13]。

(4) 進入數(shù)據(jù)交換階段，Profibus-DP/ZigBee網(wǎng)關監(jiān)聽來自主站發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對Profibus-DP數(shù)據(jù)幀進行分析并重新打包成符合ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)包，通過查詢ZigBee網(wǎng)絡與Profibus-DP網(wǎng)絡對應的地址映射表，發(fā)送給地址相對應的ZigBee節(jié)點；同時網(wǎng)關也監(jiān)聽ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并對ZigBee數(shù)據(jù)幀進行分析并重新打包成符合Profibus-DP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，發(fā)送給主站，主站會根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包內(nèi)容判斷是哪個ZigBee節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)。

4 軟件設計

使用雙CPU結(jié)構(gòu)的網(wǎng)關，Profibus-DP和ZigBee通信模塊可以相互獨立進行開發(fā)，從而使網(wǎng)關軟件的復雜度大大降低。因此，網(wǎng)關的軟件開發(fā)分為3部分：①CPU1控制Profibus-DP總線通信模塊完成Profibus-DP網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信；②CPU2控制ZigBee通信模塊完成ZigBee網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信；③CPU1與CPU2通過雙口RAM連接，按照一定的數(shù)據(jù)通信規(guī)約，實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換和協(xié)議轉(zhuǎn)換。

雙口RAM一般通過硬件仲裁或中斷仲裁方式來避免數(shù)據(jù)冒險問題[14]，為了保證系統(tǒng)的實時性，本文采用雙口RAM的中斷仲裁方式來通知對方CPU進行數(shù)據(jù)交換，兩個CPU微處理器各包含一個主程序和一個中斷子程序，其軟件流程如圖4所示。

具體步驟是：

(1) 首先 CPU1與CPU2微處理器進入主程序，CPU1微處理器查詢是否收到Profibus-DP主站發(fā)送來的數(shù)據(jù)，如果是，則將Profibus-DP數(shù)據(jù)幀放入雙口RAM的發(fā)送緩沖區(qū)，并對雙口RAM的右端中斷信箱進行寫操作，向CPU2微處理器發(fā)/INTR中斷；同時CPU2微處理器查詢是否收到ZigBee通信模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，如果收到數(shù)據(jù)，則查詢ZigBee網(wǎng)絡與Profibus-DP網(wǎng)絡對應的地址映射表，并對ZigBee數(shù)據(jù)幀進行分析并重新打包成符合Profibus-DP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，存入雙口RAM的接收緩沖區(qū)。

(2) CPU2微處理器響應/INTR中斷，進入CPU2中斷程序，讀出雙口RAM發(fā)送緩沖區(qū)的Profibus-DP數(shù)據(jù)幀后，對Profibus-DP數(shù)據(jù)幀進行分析并重新打包成符合ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)包，并查詢Profibus-DP網(wǎng)絡與ZigBee網(wǎng)絡對應的地址映射表，發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡里地址相對應的的ZigBee節(jié)點，最后對雙口RAM的右端中斷信箱進行讀操作，清除中斷。之后對雙口RAM的左端中斷信箱進行寫操作，向CPU1微處理器發(fā)/INTL中斷。

(3) CPU1微處理器響應/INTL中斷，進入CPU1中斷程序，讀出雙口RAM接收緩沖區(qū)內(nèi)已經(jīng)打包好的數(shù)據(jù)幀后，發(fā)送給Profibus-DP主站，最后對雙口RAM的左端中斷信箱進行讀操作，清除中斷。這樣該系統(tǒng)就完成了一次完整的數(shù)據(jù)交換和協(xié)議轉(zhuǎn)換過程，之后再進入下一輪的數(shù)據(jù)交換。

5 系統(tǒng)應用

5.1 系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)在學校實驗室搭建，由Profibus-DP主站、Profibus-DP/ZigBee網(wǎng)關以及帶有不同傳感器的3個ZigBee終端節(jié)點組成。如圖5所示，主站是插有CP5611網(wǎng)絡接口卡的PC機，3個ZigBee終端節(jié)點分別連接溫度、濕度和氣體傳感器，對實驗室的溫度、濕度及氣體進行采集，再通過Profibus-DP/ZigBee網(wǎng)關將這些數(shù)據(jù)傳送給主站，主站PC機通過STEP7軟件對網(wǎng)關進行組態(tài)及數(shù)據(jù)監(jiān)測。

圖5 系統(tǒng)應用示意圖

5.2 系統(tǒng)配置

為了方便主站對網(wǎng)關的通信接口配置，規(guī)定每個ZigBee終端節(jié)點的輸入/輸出數(shù)據(jù)的格式及長度完全相同，用戶可根據(jù)自己的需求定義輸入/輸出數(shù)據(jù)的格式及長度。在這里根據(jù)實驗需求定義每個ZigBee節(jié)點的數(shù)據(jù)長度為8 byte輸入和2 byte輸出，其組態(tài)數(shù)據(jù)為0x17和0x21。

輸入數(shù)據(jù)是ZigBee節(jié)點發(fā)送給Profibus-DP主站的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包格式如表1所示，長度為8 byte。當ZigBee節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關時，實際上只發(fā)送7 byte(不包含Profibus-DP設備地址)，網(wǎng)關在接收到ZigBee節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，會根據(jù)地址映射表查詢到相應的Profibus-DP設備地址，并插入第3 byte組成8 byte的數(shù)據(jù)包后再發(fā)送給Profibus-DP主站，這樣主站就知道是哪個ZigBee節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。

表1 輸入數(shù)據(jù)包格式表

輸出數(shù)據(jù)是Profibus-DP主站發(fā)送給ZigBee節(jié)點的數(shù)據(jù)，長度為2 byte，也就是主站發(fā)送命令給網(wǎng)關，需要讀取哪個ZigBee節(jié)點的數(shù)據(jù)。定義第1個字節(jié)為Profibus-DP設備地址；第2個字節(jié)為傳感器類型。當Profibus-DP主站發(fā)送命令給網(wǎng)關后，網(wǎng)關會根據(jù)地址映射表查詢到相應的ZigBee網(wǎng)絡地址，并把網(wǎng)絡地址插入輸出數(shù)據(jù)的頭兩個字節(jié)組成4 byte的數(shù)據(jù)包后發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再根據(jù)網(wǎng)絡地址發(fā)送數(shù)據(jù)給對應的ZigBee節(jié)點，這樣主站就可以準確無誤地發(fā)送命令給指定的ZigBee節(jié)點。

5.3 系統(tǒng)測試

編寫Profibus-DP/ZigBee網(wǎng)關的GSD文件，在STEP7中安裝網(wǎng)關的GSD文件。網(wǎng)關作為Profibus-DP網(wǎng)絡的從站，設置網(wǎng)關從站地址為3，通信速率為9 600 bit/s，并為網(wǎng)關配置一個輸入數(shù)據(jù)為8 byte、輸出數(shù)據(jù)為2 byte的模塊，其硬件配置如圖6所示，最后通過編寫數(shù)據(jù)讀寫程序觀測數(shù)據(jù)收發(fā)是否準確。經(jīng)測試，Profibus-DP/ZigBee網(wǎng)關能準確將主站發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給ZigBee終端節(jié)點，也能將ZigBee終端節(jié)點采集的溫度、濕度及氣體參數(shù)傳送給主站。

圖6 系統(tǒng)硬件配置

6 結(jié) 語

本文設計了一種基于Profibus-DP現(xiàn)場總線與ZigBee技術的工業(yè)無線網(wǎng)關裝置，實現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場總線向無線工業(yè)網(wǎng)絡的延伸，解決了工業(yè)現(xiàn)場總線布線困難、擴展性差等問題。系統(tǒng)采用雙CPU的硬件結(jié)構(gòu)，并通過雙口RAM實現(xiàn)兩個CPU的高速通信，有效解決了因Profibus-DP網(wǎng)絡與ZigBee網(wǎng)絡速率不匹配而產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失、通信中斷等問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和工業(yè)無線通信的需求，這種工業(yè)無線網(wǎng)關裝置必將具有廣闊的應用前景[15]。

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·名人名言·

我不知道世上的人對我怎樣評價。我卻這樣認為：我好像是在海上玩耍，時而發(fā)現(xiàn)了一個光滑的石子兒，時而發(fā)現(xiàn)一個美麗的貝殼而為之高興的孩子。盡管如此，那真理的海洋還神秘地展現(xiàn)在我們面前。

——牛頓

Design and Application of the Industrial Wireless Gateway Based on ZigBee

YEYangting，LEIHaidong

(Physics and Information Engineering Institute， Jianghan University， Wuhan 430056， China)

At present, the data communication in the industrial field uses wired network, and it has disadvantages of wiring difficulty and poor flexibility. Aiming at this situation, the industrial wireless gateway device based on Profibus-DP fieldbus and ZigBee technology is presented. The device can realize the protocol conversion between the industrial fieldbus network and ZigBee wireless sensor network. In order to improve the work efficiency of the gateway，the hardware structure based on dual CPU is adopted to control and process the data of Profibus-DP network and ZigBee network, respectively. The data exchange and protocol conversion between those two kinds of networks can be realized by using dual port RAM. The hardware of the gateway，the workflow and the data exchange process are described in detail. The experimental results verify the high reliability and real-time performance. It is very good to achieve the combination of wireless network and wired industry network technology，so it has broad application prospects.

Profibus-DP； ZigBee； fieldbus; industrial wireless gateway； dual CPU； dual port RAM

2016-07-18

葉楊婷(1983-)，女，湖北武漢人，碩士，實驗師，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡和工業(yè)無線網(wǎng)絡的相關研究工作。

Tel.：13871263803；E-mail：yeyangting@126.com

雷海東(1978-)，男，廣西桂林人，博士，副教授，信息與控制實驗室主任，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、時間頻率領域的相關研究工作。

E-mail：272434390@qq.com

TP 23

A

1006-7167(2017)03-0148-05