接入點(diǎn)的軟硬件設計

引 言
在國家863計劃的連續滾動(dòng)支持下，重慶郵電學(xué)院作為核心單位參與制定了同家標準――《用于工業(yè)測量與控制系統的EPA(Ethernet for plant automation)系統結構和通信標準》(簡(jiǎn)稱(chēng)“EPA標準”)。在此基礎上形成的85C／357／NP以95．8％的得票率被國際電工委員會(huì )IEC發(fā)布為IEC/PAS 62409，作為第14類(lèi)型列入實(shí)時(shí)以太網(wǎng)國際標準IEC 61748-2、作為第14類(lèi)型將列入現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準IEC 51158(修訂版)。

EPA標準是一種基于以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、藍牙等信息網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，適用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統裝置與儀器儀表間、工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表相互間數據通信的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )通信標準。

ZigBee是一種低速率(2kbps～200kbps)WPANIEEE標準，傳輸速率只有100Kbps，同時(shí)，它又具有低功耗，架構簡(jiǎn)單，成本低的特點(diǎn)，適用于多種無(wú)線(xiàn)需求，尤其對工控(監視器、傳感器和自動(dòng)控制設備)等領(lǐng)域更是顯示出其獨有的優(yōu)勢。

在EPA網(wǎng)絡(luò )中，引入ZigBee技術(shù)是新提出的研究課題。本文重點(diǎn)研究如何將ZigBee無(wú)線(xiàn)通信與有線(xiàn)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)行融合，提出一種ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò )的方案，并按照提出的方案設計一種實(shí)施實(shí)例設備――EPA-ZigBee接入點(diǎn)設備。經(jīng)過(guò)多次反復的測試、檢測，目前EPA-ZigBce接入點(diǎn)設備運行穩定，工作可靠、安全，可以滿(mǎn)足工作現場(chǎng)的多種需要。

1 ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò )的方案
1．1 ZigBee接入點(diǎn)接入EPA組網(wǎng)方案
EPA是有線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )，而ZigBee是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，針對如何將ZigBee技術(shù)接人到EPA網(wǎng)絡(luò )這個(gè)研究課題，提出了一種組網(wǎng)方案。在這個(gè)方案中，EPA有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )由遠程監控中心、應用計算機、EPA服務(wù)器和數據庫等構成；ZigBee網(wǎng)絡(luò )由EPA現場(chǎng)設備和EVA-ZigBee接入點(diǎn)構成。EPA有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與ZigBee網(wǎng)絡(luò )之間通過(guò)EPA-ZigBee接入點(diǎn)連接，EPA-ZigBee接入點(diǎn)負責ZigBee網(wǎng)絡(luò )和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的連接和數據轉發(fā)。ZigBee網(wǎng)絡(luò )支持星形、樹(shù)形和網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲，可以對多個(gè)ZigBee設備進(jìn)行組網(wǎng)。

在整個(gè)方案中，ZigBee接入點(diǎn)是EPA控制網(wǎng)絡(luò )中的重要設備之一，是負責終端設備的管理及協(xié)調無(wú)線(xiàn)與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間通信的關(guān)鍵部件。ZigBee接入點(diǎn)具有將ZigBee設備接入EPA有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的功能，是連接EPA有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和ZigBee網(wǎng)絡(luò )的橋接設備。ZigBee接入點(diǎn)作為無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)，ZigBee終端設備采集現場(chǎng)數據，并對數據進(jìn)行處理、打包，通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路發(fā)送到ZigBee接入點(diǎn)。這里EPA-ZigBee接入點(diǎn)是一個(gè)具有接入點(diǎn)功能的ZigBee模塊，相當于一個(gè)EPA網(wǎng)關(guān)，將ZigBee中的每一個(gè)現場(chǎng)設備映射一個(gè)IP地址與TCP／UDP端口，實(shí)現IP地址與TCP／UDP端口與ZigBee網(wǎng)絡(luò )地址的互相轉換。從而使EPA有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的其他設備可以通過(guò)IP地址與TCP／UDP端口訪(fǎng)問(wèn)每一個(gè)現場(chǎng)設備。

1.2 ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò )層次協(xié)議模型
考慮到控制網(wǎng)絡(luò )中傳送的信息多為短幀信息，且信息交換頻繁的特點(diǎn)，同時(shí)為了使控制網(wǎng)絡(luò )的通信協(xié)議簡(jiǎn)單實(shí)用，提高工作效率和通信的實(shí)時(shí)性及時(shí)間的確定性，縮短系統響應時(shí)間，在分析控制系統的特點(diǎn)、IEEE802．15．4協(xié)議與ZigBee協(xié)議的基礎上，以及在EPA中ZigBee接入可行性的基礎上，提出EPA接入設備與IEEES02．15．4／ZigBee網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議層次，EPA接入設備與EPA有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議層次的應用模型。該通信協(xié)議的層次體系結構如圖l所示。

在這個(gè)通信協(xié)議層次中．IEEE802．15．4/ZigBee各層協(xié)議的功能如下：
①物理層。IEEE802．15．4運行在2．4 GHzISM頻段。采用直接序列擴頻DSSS(Direct Sequcnce SpreadSpectrum)調制方式，降低數字集成電路的成本，并且都使用相同的包結構，以便短作業(yè)周期、低功耗地運作。
②MAC層。它負責處理所有的物理無(wú)線(xiàn)信道訪(fǎng)問(wèn)，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò )信號和同步信號，支持PAN連接和分離，提供兩個(gè)對等MAC實(shí)體之問(wèn)可靠的鏈路等。
③EPA應用層。EPA應用層為用戶(hù)應用進(jìn)程間的數據通信提供接口。針對工業(yè)控制實(shí)時(shí)應用，提供了變量訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)、事件管理服務(wù)、文件上裝／下載服務(wù)等實(shí)時(shí)通信服務(wù)。

發(fā)送時(shí)，EPA應用進(jìn)程在調用應用層服務(wù)時(shí)，應該提供所有服務(wù)所需要的參數，然后由應用層服務(wù)將數據經(jīng)過(guò)編碼后，傳給網(wǎng)絡(luò )接口層對象，調用網(wǎng)絡(luò )層數據傳輸服務(wù)把數據發(fā)送出去。

接收時(shí)，應用層收到來(lái)自通信端口的數據后，上傳給應用層服務(wù)，由應用層服務(wù)根據服務(wù)報文中的目的應用進(jìn)程標識ID，將接收到的數據傳送到應用層中相應的用戶(hù)應用進(jìn)程，由用戶(hù)應用進(jìn)程對相應的參量進(jìn)行更新和進(jìn)一步處理。

2 EPA-ZigBee接入點(diǎn)的硬件設計
ZigBee現場(chǎng)設備采集的數據經(jīng)處坪后通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路傳送到ZigBee接入點(diǎn)。ZigBee接入點(diǎn)的接口電路如圖2所示。

MCU采用新華龍公司代理的C8051F120。它是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，具有128KB Flash存儲器，8448字節的片內RAM，峰值為100，64個(gè)數字I／O引腳。采用C8050Fl20主要是考慮到系統處理的存儲量和處理速度，在接入點(diǎn)需要處理的請求較終端多，所以使用C8050F120更加合理。RAM存儲器的型號為IS62LV2568，存儲空間為256KB，工作電壓也是3.3V。采用RAM的主要目的是擴展C805lFl20的內存，因為在這里需要燒寫(xiě)EPA協(xié)議堆棧，需要的內存空間比較大。

ZigBee模塊為IP-Linkl270。這是一款完全符合IEEE802．15．4標準與ZigBee規范的2．4 GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。模塊提供了一系列的命令，允許很方便地對模塊的各種關(guān)鍵屬性進(jìn)行配置，用戶(hù)可以使用終端配置工具或者利用模塊的UART進(jìn)行參數的配置。該模塊的功能主要是對工業(yè)現場(chǎng)設備(同樣具有IP-Linkl270模塊)進(jìn)行數據采集和控制，數據和控制信息通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸到PC機七顯示或從PC機上輸入。

RTL8019PLS以太網(wǎng)控制器是由Realtek公司生產(chǎn)的。這種高集成以太網(wǎng)控制器芯片集成了介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層(MAC)和物理層的性能，可以方便地設計基于ISA總線(xiàn)的系統，與通用單片機的接口簡(jiǎn)單。另外，它還具有與NE2000兼容、軟件可移植性好，以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在市場(chǎng)上的10Mbps網(wǎng)卡中占有相當的比例。

3 EPA-ZigBee接入點(diǎn)的軟件實(shí)現
接入點(diǎn)的軟件實(shí)現大致由3個(gè)模塊組成：ZigBee與C8051F120之間的驅動(dòng)和通信，C8051F120與RTL8019之間的驅動(dòng)和通信，ZigBee報文轉換為EPA報文。在介紹軟件實(shí)現部分之前先簡(jiǎn)要介紹ZigBee接入點(diǎn)的協(xié)議模型。

3.1 ZigBee接入點(diǎn)的通信過(guò)程
下面足設計的ZigBee接入點(diǎn)的協(xié)議模型，如圖3所示?；驹砭褪窃赯igBee的MAC層之上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )層構建ZigBee PAN實(shí)現模式之一自組織網(wǎng)絡(luò )S0N。這是帶有ZigBee的設備間所形成的網(wǎng)絡(luò )?？蛻?hù)端和接入點(diǎn)都是PAN的成員，同時(shí)對接入點(diǎn)來(lái)說(shuō)又要實(shí)現ZigBee PAN的另一種實(shí)現模式網(wǎng)絡(luò )接入點(diǎn)NAP功能，其他帶有ZigBee的設備在是PAN成員的基礎上才能通過(guò)NAP接入有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

用網(wǎng)絡(luò )層實(shí)現ZigBee接入點(diǎn)的通信過(guò)程是，連接完全建立之后，ZigBee設備與以太網(wǎng)設備之間的通信過(guò)程可描述如下：應用程序的數據經(jīng)MAC層和LLC層打包后，再分別加上各層的分組頭對其進(jìn)行封裝，然后將封裝過(guò)的數據包通過(guò)物理層發(fā)送給EPA-ZigBee接入點(diǎn)設備的對應物理層。在EPA―ZigBee接入點(diǎn)設備中，各對應層將對接收到的數據包進(jìn)行解包，整個(gè)解包的過(guò)程與封裝的順序相反。解出的數據包將交給LLC層重新進(jìn)行封裝，并經(jīng)802．3 MAC層進(jìn)一步封裝之后通過(guò)物理層接口傳到EPA網(wǎng)絡(luò )上。EPA現場(chǎng)設備接收到上述數據包后，也將執行解包的過(guò)程，直到得到發(fā)送端應用程序的數據為止。

3.2 ZigBee與C8051F120之間的驅動(dòng)和通信
ZigBee模塊為2．4 GHz的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊．采用的串口波特率是38 400 bps。ZigBee模塊與C805lFl20的連接采用UARTl串口驅動(dòng)。(編寫(xiě)UARTl的串口驅動(dòng)程序，實(shí)現ZigBee模塊與C805lFl20通信連接的源程序略)

3．3 C8051F120與RTL8019之間的驅動(dòng)和通信
RTL8019與C8051F120之間的連接由數據線(xiàn)、地址線(xiàn)和控制線(xiàn)組成，要完成它們之問(wèn)的通信需要編寫(xiě)兩者的串口驅動(dòng)和通信程序。

3.4 ZigBee報文轉換為EPA報文
需要將接收到的ZigBee報文轉化為EPA報文，才能最終完成上業(yè)現場(chǎng)中的ZigBee應用。ZigBee模塊接收到的是按照Z(yǔ)igBee協(xié)議封裝的報文，需要將其中的數據字段(DATA)取出，并加上EPA協(xié)議定義的報頭、包尾等字段，將其轉化為EPA協(xié)議定義的標準報文格式。
從ZigBee協(xié)議格式中提取設備的數據參數：

4 結論
工業(yè)環(huán)境對ZigBee技術(shù)的需求已經(jīng)越來(lái)越受到業(yè)界的關(guān)注。ZigBee技術(shù)的工業(yè)應用不同于其他的應用，在工業(yè)應用中傳輸的數據信息較短，但非常重要，信息傳輸要準確，而且工業(yè)設備通常置于很惡劣的環(huán)境，如高溫、強列震動(dòng)等；同時(shí)功耗也是一個(gè)重要問(wèn)題，若使用電池，則需要經(jīng)常人為更換。其可用性就有待考慮。ZigBee技術(shù)低速率、低功耗、低成本，架構簡(jiǎn)單、體積?。脻M(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的需求，同時(shí)安全性和可靠性使它的應用前景非常樂(lè )觀(guān)。

綜合起來(lái)，ZigBee接入點(diǎn)設備的設計和接入EPA網(wǎng)絡(luò )通信的實(shí)現，證明了ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò )的可行性。ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò )是對現有EPA無(wú)線(xiàn)接入方式的重要和有意義的補充。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站：www.mesnet.com.cn。