基于EPA協(xié)議的IEEE802．11b無(wú)線(xiàn)測控系統

引 言
EPA(Ethernet for Plant Automation)標準是一種基于以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和藍牙等信息網(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。

802．11h是一種靈活的數據傳輸系統，使用無(wú)線(xiàn)射頻(RF)技術(shù)越空收發(fā)數據，減少使用線(xiàn)纜的連接，因此802.11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統既可達到建設計算機網(wǎng)絡(luò )系統的目的，又可讓設備自由安排和隨意移動(dòng)。802．11b協(xié)議的這些特點(diǎn)使它在工業(yè)控制領(lǐng)域有較好的應用前景，不僅能實(shí)現工業(yè)遙控、遙調、遙測功能，而且還能實(shí)現對工控現場(chǎng)遠程圖像宴時(shí)監控，可集中管理各工業(yè)控制設備的工作狀態(tài)，滿(mǎn)足工業(yè)控制自動(dòng)化發(fā)展的要求。本文主要討論了EPA協(xié)議在IEEE802．11b無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備中的實(shí)現和測控。

1 802．11b無(wú)線(xiàn)測控系統的設計
如圖1所示，802．11b無(wú)線(xiàn)測控系統包括EPA協(xié)議通信模塊、EPA 上位機監控模塊、無(wú)線(xiàn)嘲關(guān)模塊、液晶觸摸顯示模塊、手持沒(méi)備數據顯示監控模塊和溫度變送器數據采集模塊。在本系統中由溫度變送器通過(guò)串口實(shí)時(shí)采集熱電耦的溫度變化數據，用EPA協(xié)議棧進(jìn)行數據的封裝后，經(jīng)過(guò)802．11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )把EPA報文發(fā)送到EPA無(wú)線(xiàn)手持設備中進(jìn)行顯示；并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)傳輸到EPA有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的EPA上位機和其他EPA設備，對EPA報文數據進(jìn)行處理。

系統中除手持設備采用電池供電外還采用了以太網(wǎng)供電模塊，通過(guò)以太網(wǎng)傳輸直流電源，簡(jiǎn)化了系統設計，提高了系統的可靠性，最后，設計好的設備(基于MPC852T的802．11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)、基于S3C2410的802．11b無(wú)線(xiàn)手持設備和基于S3C24lO的802．11b無(wú)線(xiàn)溫度傳感器)就構成了一個(gè)完整、可應用的無(wú)線(xiàn)測控系統。

2 802．11b無(wú)線(xiàn)測控系統的軟件實(shí)現
2.1 IEEE802 11b的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)軟件設計
802．11b的通信協(xié)議在嵌入式平臺實(shí)現，需要比較高的系統性能。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(kāi)發(fā)IEEE802．11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)。

要實(shí)現無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的功能。將系統軟件結構從上到下可分為如下一些模塊：系統配置模塊，系統監測模塊，底層驅動(dòng)、數據收發(fā)模塊，數據轉發(fā)模塊，命令行模塊(CommandLine)，IEEE802．1x認證、授權模塊(Authentication Authorization)和WEB管理模塊。

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)軟件功能模塊流程如圖2所示。

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)在此系統中起到的作用是在以太網(wǎng)和802．11b無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)之間進(jìn)行數據幀格式的轉換，并要求其能轉發(fā)不同網(wǎng)段之間的數據。這就要求在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的軟件模塊中移植Bridge模塊，在嵌入式Linux系統中編譯，移植完Bridge模塊后對其進(jìn)行設置：
brctl addbr br0
brctl addif br0 ethl
brctl addif br0 wlanO

把無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )橋接到一起，再使用工具軟件ifconfig對其中有線(xiàn)網(wǎng)卡和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡進(jìn)行相應的網(wǎng)絡(luò )配置，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)就可以正常運行了。

2.2 IEEE802 11b無(wú)線(xiàn)手持設備軟件設計
無(wú)線(xiàn)手持設備在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，要求具有小巧、靈活的特點(diǎn)。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用了體積相對較小而功能強大的S3C2410作為開(kāi)發(fā)平臺，以這個(gè)平臺為基礎開(kāi)發(fā)802．11b溫度傳感器和802．11b無(wú)線(xiàn)手持設備等現場(chǎng)設備。

首先，在S3C2410平臺上移植同樣小巧、靈活的USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)乍。這款無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的芯片是Prism系列芯片。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡是移動(dòng)終端的主要設備，其軟件部分分為接口驅動(dòng)模塊(Prism_usb．o)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡驅動(dòng)(P802．o)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡配置管理軟件3部分。第1步：下載無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的源代碼linux-wlan-ng，這是針對PC機的源代碼，要使它能在A(yíng)RM上運行就要進(jìn)行交叉編譯。第2步：交叉編譯USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡驅動(dòng)時(shí)必須先相應地配置網(wǎng)卡類(lèi)型、內核路徑和交叉編譯工具。這是一款針對2．4．x的內核源代碼，在編譯的過(guò)程中會(huì )出現錯誤。原因是生成的mkmetadef和mkmetastruct是ARM arch的，在i386上不能執行。必須修改自動(dòng)生成的Makefile，或者做一套適用于i386的Makefile。在交叉編譯通過(guò)后會(huì )生成USB接口驅動(dòng)Prism_usb．o和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡驅動(dòng)P802．0這兩個(gè)模塊。第3步：在A(yíng)RMLinux系統的內核中加載這兩個(gè)模塊。加載時(shí)有兩種方式：動(dòng)態(tài)加載和靜態(tài)編譯到內核里。筆者采用了動(dòng)態(tài)加載的方式，并采用NFS Mount的方式來(lái)調試要加載的模塊。第4步：把無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的配置文件rc．wlan和工具軟件wlanctl-ng、wland、nwepgen、wlancfg等拷貝到相應的目錄下，并用它們對802．11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行系統認證、密鑰認證、WEP加密和SSID設定等。

在無(wú)線(xiàn)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報文解包后，通過(guò)函數SendReadMessage(hwnd，IDC_ReadINFOBOX，LB_ADDSTRING，0，(LPARAM)str)發(fā)送到設定的位置進(jìn)行顯示，完成EPA協(xié)議中的信息讀服務(wù)；通過(guò)函數SendWriteMessage(hwnd，IDC_WriteINFOBOX，LB_ADDSTRING，O，(LPARAM)str)對溫度變送器的最高量程進(jìn)行設定，完成EPA協(xié)議中的信息寫(xiě)服務(wù)。

在802．11b無(wú)線(xiàn)測控系統，在溫度變送器端要加載溫度變換器串口驅動(dòng)模塊；溫度變送器串口被驅動(dòng)后,編寫(xiě)一個(gè)對溫度采集的應用程序。把EPA通信協(xié)議的模塊和溫度數據采集模塊嵌套在同一個(gè)主程序中進(jìn)行編譯。模塊啟動(dòng)后，溫度變送器采集從串口讀到的數據，進(jìn)行查詢(xún)、CRC校驗等服務(wù)后運用EPA協(xié)議棧對將從設備得到的數據進(jìn)行封裝，然后通過(guò)IEEE802．11b USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡進(jìn)行數據的發(fā)送。軟件模塊如圖3和圖4所示。

在802．11b無(wú)線(xiàn)測控系統中，把包含EPA協(xié)議的無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備設置成開(kāi)機啟動(dòng)的模式。當給802．11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)上電時(shí)，它就會(huì )自動(dòng)搜索在其通信范圍內的802．11b無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備，并建立通信連接；在需要它工作時(shí)開(kāi)啟EPA通信，其他時(shí)候處于節電模式。

3 測試與結論
最后，通過(guò)觀(guān)察溫度變送器采集到的溫度數據的變化來(lái)測試基于802．1l無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的EPA通信協(xié)議對實(shí)時(shí)性和穩定性的要求。把采集到并處理成浮點(diǎn)型的溫度數據通過(guò)FPA網(wǎng)絡(luò )傳輸到PC機OPC上進(jìn)行監控，同時(shí)在802．11b的無(wú)線(xiàn)手持設備上進(jìn)行顯示．如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，OPC監控機和802．11b無(wú)線(xiàn)手持設備接收到的數據反映了設備運行穩定。這說(shuō)明在IEEE802．11b中能夠滿(mǎn)足工業(yè)控制系統對實(shí)時(shí)性和穩定性的要求。

結語(yǔ)
通過(guò)對當前現場(chǎng)總線(xiàn)系統的深入研究，結合IEEE802．11b的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)和現場(chǎng)設備的開(kāi)發(fā)，本文在實(shí)踐的基礎上建立了基于EPA通信協(xié)議的IEEE802．1lb無(wú)線(xiàn)測控系統。隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備在工業(yè)控制系統中的應用將會(huì )越來(lái)越廣泛。