淺談無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)方案

摘  要： 據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司ABI Research的報(bào)告，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）市場(chǎng)目前處于發(fā)展的初期階段，從2007年開(kāi)始應(yīng)該逐漸展現(xiàn)其真正的潛力。許多WSN系統(tǒng)芯片被封裝在模塊之中，這些模塊可能含有額外的電路、堆疊網(wǎng)絡(luò)層軟件和天線。OEM可以利用這些器件使其產(chǎn)品支持WSN,而不必對(duì)射頻工程了解太多，也不需要進(jìn)行廣泛的測(cè)試。

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測(cè)包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。基于MEMS的微傳感技術(shù)和無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為：軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，是新興的交叉研究領(lǐng)域。它的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注，被稱為二十一世紀(jì)最具影響的技術(shù)之一。工業(yè)自動(dòng)化就是工業(yè)生產(chǎn)中的各種參數(shù)為控制目的，實(shí)現(xiàn)各種過(guò)程控制，在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中，盡量減少人力的操作，而能充分利用動(dòng)物以外的能源與各種資訊來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)工作，即稱為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)，而使工業(yè)能進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)之過(guò)程稱為工業(yè)自動(dòng)化。

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，具有快速展開(kāi)、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　本文將采用TI公司的CC1110芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器的終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。并實(shí)現(xiàn)了終端節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)的接口設(shè)計(jì)以及終端節(jié)點(diǎn)與本地的智能儀表或二次儀表之間的通信接口設(shè)計(jì)。為了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠與工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的現(xiàn)有的技術(shù)無(wú)縫連接，本文針對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了常用的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

　　圖1是一個(gè)典型的工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖，核心部分是低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)路由器和無(wú)線網(wǎng)關(guān)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)模塊直接和各種各樣的傳感器節(jié)點(diǎn)相連接，通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)把傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。為了更方便地使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)把工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳遞出來(lái)，圖1中的工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)增加了傳輸智能儀表數(shù)據(jù)的能力，大大增強(qiáng)了方案的靈活性。

　　由圖1可以看出，多個(gè)傳感器可以和本地的智能儀表連接實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的顯示等功能，并通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)把智能儀表采集到的多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去，這樣就能夠大大減少無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，更有效地利用終端節(jié)點(diǎn)?？梢?jiàn)這種方案在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，靈活使用有線和無(wú)線的方案，使得系統(tǒng)配置更加靈活，能夠滿足對(duì)各種傳感器和二次儀表的數(shù)據(jù)輸出和輸入控制命令，使得現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化。

　　硬件模塊主要分為終端節(jié)點(diǎn)發(fā)射模塊、路由器模塊、網(wǎng)關(guān)模塊三部分，如圖1所示。第一部分為終端節(jié)點(diǎn)模塊，由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、與其他單片機(jī)相連接的通信接口模塊和發(fā)射模塊組成。第二部分是路由器模塊，包括無(wú)線發(fā)射、單片機(jī)信號(hào)輸入與輸出電路。第三部分是無(wú)線網(wǎng)關(guān)模塊，包括無(wú)線信號(hào)接收與發(fā)射，無(wú)線接收與無(wú)線接收端與PC機(jī)的通信電路。

　　從圖1中可以看出，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)最終都匯集到網(wǎng)關(guān)上，進(jìn)而通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給上位機(jī)，所以網(wǎng)關(guān)和工業(yè)以太網(wǎng)的接口設(shè)計(jì)也非常重要。

　　2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　終端節(jié)點(diǎn)的核心是片上系統(tǒng)CC1110芯片，CC1110集成了支持315/433/868/915 MHz射頻收發(fā)芯片，性能可達(dá)8倍標(biāo)準(zhǔn)8051性能的微處理器，以及32 KB閃存、4 KB RAM.芯片運(yùn)行溫度范圍為-40℃~85℃，電壓為2.0~3.6 V.能耗非常低，最低電流消耗為0.6 μA,最大為31 mA,而且可編程數(shù)據(jù)率范圍從1.2 Kb/s-500 Kb/s,特別適合傳送大批量數(shù)據(jù)[1-2].

無(wú)線傳感器的終端節(jié)點(diǎn)如圖2所示，終端節(jié)點(diǎn)模塊實(shí)現(xiàn)了三大功能：處理傳感器的數(shù)據(jù)；與二次儀表通信，處理二次儀表的數(shù)據(jù)；最后把相關(guān)的數(shù)據(jù)通過(guò)發(fā)送模塊發(fā)射出去。軟件設(shè)備流程如圖3所示。

　　由于在工業(yè)應(yīng)用中，二次儀表占了很大的比重，所以CC1110與二次儀表的通信及其相關(guān)的數(shù)據(jù)處理是一個(gè)重要的部分。下面給出兩者之間的通信接口設(shè)計(jì)。

　　2.2 通信接口設(shè)計(jì)

　　2.2.1 硬件連接

　　硬件連接方式可采用兩種連接方式：串口的TTL電平直接相連和RS-232相連。

　　如果采用串口的TTL電平直接相連，TTL電平信號(hào)對(duì)于計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是很理想的，首先計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于電源的要求不高且熱損耗也較低；其次，計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是在高速下進(jìn)行的，而TTL接口的操作恰能滿足這個(gè)要求。

　　如果采用RS-232相連，接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容，故需使用電平轉(zhuǎn)換電路才能與TTL電路連接。而電平轉(zhuǎn)換電路需要采用MAX232.

　　根據(jù)兩類單片機(jī)的實(shí)際情況可以靈活地選擇這兩種通信接口方式，下面以TTL直接相連為例介紹通信接口的軟件開(kāi)發(fā)。

　　2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

　　無(wú)線單片機(jī)與二次儀表進(jìn)行通信包括：無(wú)線單片機(jī)的通信程序及二次儀表的通信程序。在編寫(xiě)程序之前，制定雙方的通信協(xié)議是非常重要的，否則將無(wú)法保證通信數(shù)據(jù)的可靠性，從而失去通信的意義。約定其通信協(xié)議如下：

　?。?）串行通信波特率為38 400 b/s;

　　（2）幀格式為：幀頭0x68AA,1位起始位，n位數(shù)據(jù)位，1位停止位，校驗(yàn)位；

　?。?）無(wú)奇偶校驗(yàn)位；

　?。?）通信可以有中斷傳送方式和查詢方式，這里采用中斷方式通信。

　　無(wú)線單片機(jī)與二次儀表通信流程圖如圖5和圖6所示。

　　2.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　終端節(jié)點(diǎn)處理完智能儀表和二次儀表的相關(guān)數(shù)據(jù)之后，通過(guò)發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收所有終端節(jié)點(diǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)中，上位機(jī)的監(jiān)控軟件（如組態(tài)軟件）對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。這里有一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題就是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的可靠性通信問(wèn)題。一般使用成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線模式來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與電腦之間的通信，如Modbus總線協(xié)議。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)及其相關(guān)模塊如圖7所示。

　　2.3.1 Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議設(shè)計(jì)

　　Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程，如何回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

　　當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯(cuò)誤檢測(cè)的方法。

　當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器需要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。在其他網(wǎng)絡(luò)上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯(cuò)誤檢測(cè)的方法。

　　Modbus協(xié)議主要分為ASCII和RTU兩種。本文采用RTU的方式，其信息幀格式如表1所示。

　　當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以遠(yuǎn)程終端單元模式通信時(shí)，在消息中的每個(gè)8 bit的字節(jié)包含2個(gè)4 bit的十六進(jìn)制字符。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。

　　代碼系統(tǒng)：8位二進(jìn)制，十六進(jìn)制數(shù)0…9,A…F.

　　消息中的每個(gè)8位域都是由2個(gè)十六進(jìn)制字符組成。

　　每個(gè)字節(jié)的位：1個(gè)起始位；8個(gè)數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送；1個(gè)奇偶校驗(yàn)位；1個(gè)停止位，2個(gè)bit;錯(cuò)誤檢測(cè)域；CRC（循環(huán)冗長(zhǎng)檢測(cè)）。

　　2.3.2 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

　　組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。

　　三維力控組態(tài)軟件是國(guó)產(chǎn)監(jiān)控組態(tài)軟件唯一的完整的冗余與熱備體系設(shè)計(jì)，完整的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；支持控制設(shè)備冗余、多重網(wǎng)絡(luò)冗余，多客戶端冗余、冗余的主從站都可以操作；人機(jī)監(jiān)控圖形界面與過(guò)程數(shù)據(jù)處理分離，內(nèi)置獨(dú)立的實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　方便、靈活的開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供各種工程、畫(huà)面模板、可嵌入各種格式的圖片，方便畫(huà)面制作，大大降低了組態(tài)開(kāi)發(fā)的工作量。

　　高性能實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，快速訪問(wèn)接口在數(shù)據(jù)庫(kù)4萬(wàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)負(fù)荷時(shí)，訪問(wèn)吞吐量可達(dá)到20 000次/s.

　　強(qiáng)大的分布式報(bào)警、事件處理能力，支持報(bào)警、事件網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)斷線存儲(chǔ)，恢復(fù)功能；支持操作圖元對(duì)象的多個(gè)圖層，通過(guò)腳本可靈活控制各圖層的顯示與隱藏；強(qiáng)大的ACTIVEX控件對(duì)象容器，定義了全新的容器接口集，增加了通過(guò)腳本對(duì)容器對(duì)象的直接操作功能，通過(guò)腳本可調(diào)用對(duì)象的方法、屬性。

　　全新的、靈活的報(bào)表設(shè)計(jì)工具提供豐富的報(bào)表操作函數(shù)集、支持復(fù)雜腳本控制，包括：腳本調(diào)用和事件腳本，可以提供報(bào)表設(shè)計(jì)器，可以設(shè)計(jì)多套報(bào)表模板。

　　支持控制設(shè)備冗余、控制網(wǎng)絡(luò)冗余、監(jiān)控服務(wù)器冗余、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)冗余、監(jiān)控客戶端冗余等多種系統(tǒng)冗余方式。全新的高性能實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　以溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，本文采用上面提到的方案開(kāi)發(fā)了一套如圖1所示工業(yè)用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。

　　本文重點(diǎn)介紹了工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分的實(shí)現(xiàn)。在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)間雙向通信的前提下，很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備的無(wú)線控制控制，包括繼電器、I/O、開(kāi)關(guān)控制、電機(jī)控制，只需要在軟件和硬件上進(jìn)行一些小的擴(kuò)展就可以了。