基于EPA協(xié)議的IEEE802．11b無線測控系統(tǒng)

摘要  論述EPA通信協(xié)議在IEEE802．11b無線局域網(wǎng)中的開發(fā)和應(yīng)用；重點(diǎn)介紹在Linux系統(tǒng)中無線網(wǎng)關(guān)和無線現(xiàn)場設(shè)備的開發(fā)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于EPA通信的無線測控系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞  IEEE802．11b EPA通信協(xié)議 現(xiàn)場設(shè)備 無線網(wǎng)關(guān)

引 言
    EPA(Ethernet for Plant Automation)標(biāo)準(zhǔn)是一種基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和藍(lán)牙等信息網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，適用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)裝置與儀器儀表間、工業(yè)自動化儀器儀表相互間數(shù)據(jù)通信的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。

    802．11h是一種靈活的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，使用無線射頻(RF)技術(shù)越空收發(fā)數(shù)據(jù)，減少使用線纜的連接，因此802.11b無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)既可達(dá)到建設(shè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的目的，又可讓設(shè)備自由安排和隨意移動。802．11b協(xié)議的這些特點(diǎn)使它在工業(yè)控制領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景，不僅能實(shí)現(xiàn)工業(yè)遙控、遙調(diào)、遙測功能，而且還能實(shí)現(xiàn)對工控現(xiàn)場遠(yuǎn)程圖像宴時(shí)監(jiān)控，可集中管理各工業(yè)控制設(shè)備的工作狀態(tài)，滿足工業(yè)控制自動化發(fā)展的要求。本文主要討論了EPA協(xié)議在IEEE802．11b無線現(xiàn)場設(shè)備中的實(shí)現(xiàn)和測控。

1 802．11b無線測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    如圖1所示，802．11b無線測控系統(tǒng)包括EPA協(xié)議通信模塊、EPA 上位機(jī)監(jiān)控模塊、無線嘲關(guān)模塊、液晶觸摸顯示模塊、手持沒備數(shù)據(jù)顯示監(jiān)控模塊和溫度變送器數(shù)據(jù)采集模塊。在本系統(tǒng)中由溫度變送器通過串口實(shí)時(shí)采集熱電耦的溫度變化數(shù)據(jù)，用EPA協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)的封裝后，經(jīng)過802．11b無線網(wǎng)絡(luò)把EPA報(bào)文發(fā)送到EPA無線手持設(shè)備中進(jìn)行顯示；并通過無線網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)紼PA有線網(wǎng)絡(luò)中的EPA上位機(jī)和其他EPA設(shè)備，對EPA報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

    系統(tǒng)中除手持設(shè)備采用電池供電外還采用了以太網(wǎng)供電模塊，通過以太網(wǎng)傳輸直流電源，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，最后，設(shè)計(jì)好的設(shè)備(基于MPC852T的802．11b無線網(wǎng)關(guān)、基于S3C2410的802．11b無線手持設(shè)備和基于S3C24lO的802．11b無線溫度傳感器)就構(gòu)成了一個(gè)完整、可應(yīng)用的無線測控系統(tǒng)。

2 802．11b無線測控系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)
2.1 IEEE802 11b的無線網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)
    802．11b的通信協(xié)議在嵌入式平臺實(shí)現(xiàn)，需要比較高的系統(tǒng)性能。因此，本文選用基于摩托歲拉MPC852T處理器的硬件平臺(其中包括以太網(wǎng)供電模塊和802．11b通信接口等)開發(fā)IEEE802．11b無線網(wǎng)關(guān)。

    要實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)關(guān)的功能。將系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)從上到下可分為如下一些模塊：系統(tǒng)配置模塊，系統(tǒng)監(jiān)測模塊，底層驅(qū)動、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊，命令行模塊(CommandLine)，IEEE802．1x認(rèn)證、授權(quán)模塊(Authentication Authorization)和WEB管理模塊。

    無線網(wǎng)關(guān)軟件功能模塊流程如圖2所示。

    無線網(wǎng)關(guān)在此系統(tǒng)中起到的作用是在以太網(wǎng)和802．11b無線局域網(wǎng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)幀格式的轉(zhuǎn)換，并要求其能轉(zhuǎn)發(fā)不同網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)。這就要求在無線網(wǎng)關(guān)的軟件模塊中移植Bridge模塊，在嵌入式Linux系統(tǒng)中編譯，移植完Bridge模塊后對其進(jìn)行設(shè)置：
    brctl addbr br0
    brctl addif br0 ethl
    brctl addif br0 wlanO

    把無線和有線網(wǎng)絡(luò)橋接到一起，再使用工具軟件ifconfig對其中有線網(wǎng)卡和無線網(wǎng)卡進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)配置，無線網(wǎng)關(guān)就可以正常運(yùn)行了。

2.2 IEEE802 11b無線手持設(shè)備軟件設(shè)計(jì)
    無線手持設(shè)備在開發(fā)過程中，要求具有小巧、靈活的特點(diǎn)。在開發(fā)過程中采用了體積相對較小而功能強(qiáng)大的S3C2410作為開發(fā)平臺，以這個(gè)平臺為基礎(chǔ)開發(fā)802．11b溫度傳感器和802．11b無線手持設(shè)備等現(xiàn)場設(shè)備。

    首先，在S3C2410平臺上移植同樣小巧、靈活的USB無線網(wǎng)乍。這款無線網(wǎng)卡的芯片是Prism系列芯片。無線網(wǎng)卡是移動終端的主要設(shè)備，其軟件部分分為接口驅(qū)動模塊(Prism_usb．o)、無線網(wǎng)卡驅(qū)動(P802．o)和無線網(wǎng)卡配置管理軟件3部分。第1步：下載無線網(wǎng)卡的源代碼linux-wlan-ng，這是針對PC機(jī)的源代碼，要使它能在ARM上運(yùn)行就要進(jìn)行交叉編譯。第2步：交叉編譯USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動時(shí)必須先相應(yīng)地配置網(wǎng)卡類型、內(nèi)核路徑和交叉編譯工具。這是一款針對2．4．x的內(nèi)核源代碼，在編譯的過程中會出現(xiàn)錯(cuò)誤。原因是生成的mkmetadef和mkmetastruct是ARM arch的，在i386上不能執(zhí)行。必須修改自動生成的Makefile，或者做一套適用于i386的Makefile。在交叉編譯通過后會生成USB接口驅(qū)動Prism_usb．o和無線網(wǎng)卡驅(qū)動P802．0這兩個(gè)模塊。第3步：在ARMLinux系統(tǒng)的內(nèi)核中加載這兩個(gè)模塊。加載時(shí)有兩種方式：動態(tài)加載和靜態(tài)編譯到內(nèi)核里。筆者采用了動態(tài)加載的方式，并采用NFS Mount的方式來調(diào)試要加載的模塊。第4步：把無線網(wǎng)卡的配置文件rc．wlan和工具軟件wlanctl-ng、wland、nwepgen、wlancfg等拷貝到相應(yīng)的目錄下，并用它們對802．11b無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)認(rèn)證、密鑰認(rèn)證、WEP加密和SSID設(shè)定等。

    在無線手持端加載MINIGUI界面，以顯示控制模塊和EPA通信協(xié)議模塊。在MINIGUI主程序中把接收到EPA報(bào)文解包后，通過函數(shù)SendReadMessage(hwnd，IDC_ReadINFOBOX，LB_ADDSTRING，0，(LPARAM)str)發(fā)送到設(shè)定的位置進(jìn)行顯示，完成EPA協(xié)議中的信息讀服務(wù)；通過函數(shù)SendWriteMessage(hwnd，IDC_WriteINFOBOX，LB_ADDSTRING，O，(LPARAM)str)對溫度變送器的最高量程進(jìn)行設(shè)定，完成EPA協(xié)議中的信息寫服務(wù)。

    在802．11b無線測控系統(tǒng)，在溫度變送器端要加載溫度變換器串口驅(qū)動模塊；溫度變送器串口被驅(qū)動后,編寫一個(gè)對溫度采集的應(yīng)用程序。把EPA通信協(xié)議的模塊和溫度數(shù)據(jù)采集模塊嵌套在同一個(gè)主程序中進(jìn)行編譯。模塊啟動后，溫度變送器采集從串口讀到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行查詢、CRC校驗(yàn)等服務(wù)后運(yùn)用EPA協(xié)議棧對將從設(shè)備得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后通過IEEE802．11b USB無線網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。軟件模塊如圖3和圖4所示。

    在802．11b無線測控系統(tǒng)中，把包含EPA協(xié)議的無線現(xiàn)場設(shè)備設(shè)置成開機(jī)啟動的模式。當(dāng)給802．11b無線網(wǎng)關(guān)上電時(shí)，它就會自動搜索在其通信范圍內(nèi)的802．11b無線現(xiàn)場設(shè)備，并建立通信連接；在需要它工作時(shí)開啟EPA通信，其他時(shí)候處于節(jié)電模式。

3 測試與結(jié)論
    最后，通過觀察溫度變送器采集到的溫度數(shù)據(jù)的變化來測試基于802．1l無線局域網(wǎng)的EPA通信協(xié)議對實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求。把采集到并處理成浮點(diǎn)型的溫度數(shù)據(jù)通過FPA網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C機(jī)OPC上進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)在802．11b的無線手持設(shè)備上進(jìn)行顯示．如圖5和圖6所示。

    由圖5和圖6可知，OPC監(jiān)控機(jī)和802．11b無線手持設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)反映了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。這說明在IEEE802．11b中能夠滿足工業(yè)控制系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求。

結(jié)語
    通過對當(dāng)前現(xiàn)場總線系統(tǒng)的深入研究，結(jié)合IEEE802．11b的特點(diǎn)，經(jīng)過長時(shí)間對無線網(wǎng)關(guān)和現(xiàn)場設(shè)備的開發(fā)，本文在實(shí)踐的基礎(chǔ)上建立了基于EPA通信協(xié)議的IEEE802．1lb無線測控系統(tǒng)。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)和無線通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無線現(xiàn)場設(shè)備在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用將會越來越廣泛。