工業用應急橋接通信標準化套件關鍵技術研究

李云雪　易勇　施一飛

摘? 要：當前工業場景大量引入物聯網技術來完成監測監控和數據采集。其中無線傳感網異構多元，在網絡融合使用方面需要研發能快速組網、使用便捷的套件裝備。文章重點研究能接入既有工業傳感網的應急橋接通信套件，實現近程無線網絡協議融合、特殊場景數據快速上傳。套件的標準化通信模組設計為可增減，現場作業時可組合完成無線傳感網絡的中繼、橋接和通信搶險等功能。

關鍵詞：異構無線網;應急橋接;標準化通信套件;嵌入式軟件融合

中圖分類號：TP311? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）20-0171-04

Research on Key Technologies of Industrial Emergency Bridging Communication Standardization Kit

LI Yunxue， YI Yong， SHI Yifei

（Geely Univercity of China， Chengdu? 641423， China）

Abstract： At present， internet of things technology is widely introduced into industrial scenes to complete monitoring and data collection. Among them， the wireless sensor network is heterogeneous and multivariate. In terms of network integration， it is necessary to develop kit equipments that can quickly set up a network and use conveniently. This paper focuses on the emergency bridging communication kit that can access the existing industrial sensor network to realize the integration of short-range wireless network protocols and the rapid upload of special scene data. The standardized communication module of the kit is designed to be increased or decreased. During the field operation， it can be combined to complete the functions of wireless sensor network， such as relay， bridging and communication rescue.

Keywords： heterogeneous wireless network; emergency bridging; standardized communication kit; embedded software integration

0? 引? 言

近年來，工業園區、工礦企業、能源管線等場所不斷引入傳感網絡來監測工業生產中的各類參量，物聯網終端/邊緣設備和數據匯聚越來越重要。主要的近程無線傳感網絡有射頻BaseRF、Zigbee、LoRa、NB-IOT、Wi-Fi、藍牙等。

伴隨物聯網建設的持續推進，不同廠家、不同時期加入的設備型號各異，數據接口多樣，統一調度難度不斷增加。這些傳感裝備能完成各自應用上層規定的數據采集，但在特殊場景下急需現場可快速組合的通信套件。

通信套件關鍵技術的應用可改善現有非標準化終端在雷雨、運行方式調整后搶修掉線時通信協議不能及時融合的問題。所研制出的模組可避免不必要的人工配網，解決通信搶險費時費力的弊端，可讓有限的人力資源騰出更多時間和精力聚焦企業本身的穩定生產。

1? 工業應急通信場景下的異構網絡融合分析

物聯異構傳感網數據通常不能靈活地融合，一般是通過網關設備傳輸數據到互聯網，但企業經常會在邊緣端進行通信協議的快速切換，達到工業現場復雜多樣數據的整合和匯聚。所以，異構傳感網融合也是工業物聯網重要的研究熱點之一。

如圖1所示，異構網絡融合主要有三種結構，分別是松耦合結構、緊耦合結構及超緊耦合結構：

（1）松耦合結構。為了實現兩個異構網絡的融合，數據傳輸到遠程互聯網應用平臺實現不同異構網絡的互聯互通。松耦合結構的優點是研制難度小，能夠面向眾多網絡協議，工程維護交由各自的異構網絡完成，相互之間不易產生過多干擾，在工業互聯網建設中能得到廣泛應用。

（2）緊耦合結構。這種結構常用于地理區域下一個網絡覆蓋另外一個網絡，通過邊緣設備將子網連接到主網。用戶基本察覺不到這種耦合，子網和主網的切換延遲小于原有網絡。

（3）超緊耦合結構。兩種異構網絡的融合并非是通過網關類邊緣設備連接的，而是連接到再上一層的節點。該節點只有部分異構網絡信息，優點是方便邊緣數據的處理，能配置異構網絡，缺點是融合軟件研制成本相對較高。

因需接入既有網絡，應急通信套件屬于超緊耦合融合類型。在橋接近程網絡和數據遠傳的基礎上具備模塊標準化預置設計。

2? 邊緣域控框架和軟件定義模型技術

基于邊緣計算的數據融合框架是目前主流物聯網技術框架之一，框架需在設備端解決傳感器編碼、網絡節點定義、異構網絡數據匯聚、數據轉發規則定義、上層命令傳達、通信協議棧等域控管理。此外，框架還需具備數據本地化存儲、前期數據處理、云平臺數據傳輸等邊緣計算功能。

通信套件的域控框架主要面向通信轉發和數據融合，為方便現場的應急操作而采用簡化的域控模型，如圖2所示。

套件本身設計理念并不排斥任何的無線和有線的通信協議，網絡融合層面向現場復雜多樣的既有網絡，平行設計企業常用的串行通信和工控等協議，設備由統一的標準化接口接入數據接入層。

數據接入層是域控框架的核心層，“標準化裝配”為不同的通信模組提供軟件包完成協議標準化轉換，與本地協議相關的封包和解包交由模組各自協議棧完成?！皞鞲袛祿泵嫦蚵銛祿?，完成數據存儲、完整性檢查等功能?！皵祿涌凇蓖瓿蓸蚪印⒅欣^和遠傳接口的在線監測，可對模組進行命令傳達。數據接入層接受域控規則層的配置，完成數據轉發。

域控規則層完成轉發規則的定義。應急狀態下通信轉發需要簡潔的表達，主要有橋接、中繼和傳感器數據采集幾種搶險模式?！皵祿杉痹诰o急上傳特殊傳感器數據時，需要按照應用邏輯對設備進行注冊。

邊緣計算層提供邊緣分析能力，可依據云平臺接口傳輸數據。“邊緣計算”完成數據整理、數據擬合應用和數據清洗等初步處理，“本地存儲”利用本地持久化完成離線存儲和在線續傳，傳感器數量較大時可用邊緣設備中的隊列來處理?！斑h程傳輸”主要完成數據整合上傳云平臺，并使用云平臺業務服務，也處理來自云平臺的命令并轉發到底層相關接口。

通信套件的設計非常擬合物聯網的軟件定義網絡模型，該模型可簡化為三層：應用層、控制層和數據轉發層，其中控制層中的數據流表對應于簡化域控模型的域控規則層。軟件定義物聯網的重點是突出控制層的軟件能力，采用軟件分層接口技術屏蔽數據轉發層相關細節，使得應用層專注于實際的管理。通信模組的可增減設計，理論上也具備了軟件定義轉發節點的強大能力。

3? 應急橋接標準化套件軟硬件關鍵技術

通信套件硬件的設計架構是用總線連接不同協議類型的模組，模組可以按照統一的CAN總線接口匯聚到帶CPU的通信背板，便于軟件進行統一的封裝以實現底層的標準化處置。

采用業界主流的通信板卡拼接組成，分為通信模組板和核心背板，開發板實物結構如圖3所示。

核心背板配置雙通道的CAN總線收發器，自帶網口和Wi-Fi能實現數據遠傳、人機交付和命令傳達。為方便現場快速操作，CAN通道的地址被設計用于數據轉發規則的定義：如果通道一和通道二均接入了套件，則進行數據橋接。如果只有一個通道有套件則轉發數據到IP網絡。CAN總線采用數據線連接實現對通信板的供電，利用CAN總線的高速性能和遠距離通信還能實現套件在有異物阻擋，無線信號不暢通情況下的靈活組網。所有板卡采用STM32芯片，涉及有線組網（RS-485）和低功耗窄帶組網（NB-IoT、LoRa）外設開發。具體芯片選型采用高性能產品系列：STM32F4、STM32F7、STM32H7和無線產品系列：STM32WB。

基于嵌入式軟件智能融合的理念，軟件關鍵技術采用分層和封裝的思想完成架構設計。在核心板對所有外部可組合通信模組進行嵌入式軟件融合，對通信套件提供SDK包完成標準化預置，軟件分層架構如圖4所示。

通信套件中抽象出軟件融合層，屏蔽既有傳感網絡協議設備的不同嵌入式軟件，對接各通信模組的處理邏輯并調用統一的CAN總線接口。套件設計為可增減，依據組網邏輯可完成異構網絡橋接，通過5G、衛星、RS485等通信方式上傳數據。核心板的軟件架構首先是對外部設備和通信芯片驅動的封裝，形成統一的硬件驅動層。核心板自帶TCP/IP協議棧，完成默認的IP網絡數據遠傳。核心板的軟件融合層與通信套件相對應，面向CAN協議屏蔽了核心板自帶的通信協議棧，通過包轉發層完成傳感數據包和命令數據包的轉發。

核心板對其他板卡的處置和配置則通過統一的命令解析層完成（套件嵌入到軟件融合層）。對套件進行標準化預制，可以快速改造不同協議的模組，模組可依據應急通信的具體需求組合更換。這樣的軟件架構設計可擴展性強，能快速完成多人的并行開發，開發效率和測試效率得到極大的提升，并且能很好地利用STM32本身帶來的庫函數和芯片驅動源碼。

通信套件的頂層函數算法代碼為：

/*融合層預置標準化通信套件算法概要*/

int main（void）

{

......

if（CanP_TestFifo（） == 1）{ //CAN總線檢測，指示燈控制

LED1=BLUE;

}

Can_Rx_Check（）;

Local_Rx_Check（）;

switch（Frm_Rx_Flag）{

case CAN_FRM：

if（CMD_Rx_flag == 1）{//收到核心板傳來命令

SetCmdCallBack（CanRxMsg.Data， CallBackLocalFunc）;

}

else if（DAT_Rx_flag == 1） {? ?//收到核心板轉發包

SendToLocalProtocol（CanRxMsg.Data，len）;

}

Can_Flag_clean（）; ? //清除標志位狀態

break;

case LOCAL_FRM：//本地協議棧數據包

Send_Data_To_CANFifo（CanRxMsg.Data，len）;//發往核心板

LOCAL_Flag_clean（）;

break;

default：

break;

}

......

}

包括CAN通信幀ID在內的傳感器編碼控制等參數可以通過命令解析完成。具體的協議棧和控制沿用本地的處理邏輯，如自組網的磋商、路由算法等。融合匯聚數據包必須發往核心板完成轉發。核心板完成數據包轉發算法的概要代碼為：

/*核心板數據包轉發域控算法概要*/

int main（void）

{

......

if（Can1_TestFifo（） == 1）{//CAN1總線檢測，指示燈控制

CAN1_ONLINE_FLAGE = 1;

LED1=BLUE;

}

if（Can2_TestFifo（） == 1）{ //CAN2總線檢測，指示燈控制

CAN2_ONLINE_FLAGE = 1;

LED2=BLUE;

}

Can1_Rx_Check（）;

Can2_Rx_Check（）;

Local_Rx_Check（）;//本地WAN口和WIFI檢測

switch（Frm_Rx_Flag）{

case CAN1_FRM：

if（Can1_CMD_Rx_flag == 1）{ //收到套件命令應答

SetCmdCallBack（Can1RxMsg.Data，len，CallBackLocalSet）;

}

else if（Can1_DAT_Rx_flag == 1&& CAN2_ONLINE_FLAGE == 1） {//中繼橋接轉發

SendToCan2Fifo（Can1RxMsg.Data，len）;

}

else if（Can1_DAT_Rx_flag == 1&& CAN2_ONLINE_FLAGE == 0）{? ? ?//核心板采集數據上傳

SendToWanIp（Can1RxMsg.Data，len）;

}

Can_Flag_clean（）; //清除標志位狀態

break;

case CAN2_FRM：

if（Can2_CMD_Rx_flag == 1）{//收到套件命令應答

SetCmdCallBack（Can2RxMsg.Data，len，CallBackLocalSet）;

}

else if（Can2_DAT_Rx_flag == 1&& CAN1_ONLINE_FLAGE == 1） {//中繼橋接轉發

SendToCan1Fifo（Can2RxMsg.Data，len）;

}

else if（Can2_DAT_Rx_flag == 1&&CAN1_ONLINE_FLAGE == 0）{//核心板采集數據上傳

SendToWanIp（Can2RxMsg.Data，len）;

}

Can_Flag_clean（）;

break;

case LOCAL_FRM：//本地WAN口和WIFI數據包

if（CAN1_ONLINE_FLAGE == 0）

Send_Data_To_CAN1Fifo （CanRxMsg.Data，len）;//發往CAN1

if（CAN2_ONLINE_FLAGE == 0）

Send_Data_To_CAN1Fifo （CanRx Msg. Data，len）;//發往CAN2

LOCAL_Flag_clean（）;

break;

default：

break;

}

......

}

包轉發中調度邏輯不需要耗時配置，系統默認調度邏輯為如果兩端均有套件，指示燈亮則完成中繼或橋接，如果只有一端有套件則采集數據上傳。

4? 結? 論

標準化通信套件工作環境多樣，需要解決電池長時間帶電工作，板卡的CPU具備休眠和信號喚醒模式，采用低功耗的算法和微處理內核支撐來達到套件的功耗要求。在工程應用中還需要關注套件本身的供電方式，支持有源供電與可充電高容量電池的集成，為野外作業和通信提供保障。在完成研制后要匹配套件封裝設計，達到野外可防水防塵的效果;要設計可插拔接口和自鎖裝置，具備各自獨立的通信天線設計。

套件的具體應用與數據類型有關，需針對性研究和開發。工業應急通信搶險、快速網絡修復和數據緊急組網上傳在工礦企業、電力系統、能源管線、橋梁大壩等場所均有迫切的應用需求。所研究的軟硬件關鍵技術能在一定程度上為開發者提供指引。

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作者簡介：李云雪（1974—），男，漢族，四川雅安人，講師，碩士研究生，研究方向：物聯網技術、大數據分析。