基于IEEE1451智能傳感器的遠程監測系統設計

為了給傳感器配備一個(gè)通用的軟硬件接口，使其方便地接入各種現場(chǎng)總線(xiàn)以及Internet和Intranet，從1993年開(kāi)始，美國國家標準技術(shù)研究所和IEEE儀器與測量協(xié)會(huì )的傳感技術(shù)委員會(huì )聯(lián)合制定了智能傳感器通用通信接口標準，即IEEE1451的智能變送器標準接口。針對變送器工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域的要求，多個(gè)工作組先后建立并開(kāi)發(fā)了接口標準的不同部分。

1 IEEE1451標準族介紹

IEEE1451是一個(gè)智能傳感器接口的標準族，它定義了一系列為使智能傳感器連接到微處理器、儀表系統和現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)放、通用、獨立于網(wǎng)絡(luò )的標準[1]，提供了一系列基于監測和控制應用的有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的協(xié)議。IEEE1451接口標準結構如圖1所示[2]。

在IEEE1451標準族中，IEEE1451.0標準定義了傳感器和執行器多種通用配置命令集，如點(diǎn)對點(diǎn)、分布多點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)的配置，以適應各種應用的需要。而且還規定了通用變送器電子表(TEDS)的格式，目的在于提高IEEE1451系列標準之間的互操作性，簡(jiǎn)化針對網(wǎng)絡(luò )適配器（NCAP）和智能變送器接口模塊（STIM）使用不同物理層傳輸介質(zhì)連接相關(guān)標準制定的工作難度和工作量。

IEEE1451.1：主要定義了NCAP的信息模型，這一標準為NCAP規定了一個(gè)公共的上層對象模型，網(wǎng)絡(luò )結構和變送器模塊類(lèi)型不同，其對象模型就有不同的版本。一個(gè)簡(jiǎn)單的編程模型封裝了傳感器硬件實(shí)現的細節，規定了不同NCAP與STIM物理層版本在具體實(shí)現時(shí)的軟件接口規范。
IEEE1451.4：主要針對于傳感器和變送器的混合模式通信協(xié)議及傳感器電子數據表格式?；旌夏Ｊ浇涌诘闹悄苄蛡鞲衅鞫x了一種為傳統模擬模式的傳感器和變送器增加自我識別技術(shù)的機制。
IEEE1451.5：定義了無(wú)線(xiàn)傳感器通信以及TEDS格式，定義了無(wú)線(xiàn)變送器模塊WTIM(Wireless Transducer Interface Module)與NCAP之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)方法建立連接的有關(guān)事項。

2 系統概述

本系統的設計背景為遠程環(huán)境檢測?？紤]到設備主要應用在野外，地形比較復雜， IEEE1451.2-4標準都是基于有線(xiàn)連接的，連線(xiàn)困難。而IEEE1451.5標準是基于無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的，也就是NCAP和WTIM之間的通信是基于無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，可以節省成本，而且還方便今后對系統的升級改造。但本系統的TIM部分和WTIM部分采用的是IEEE1451.4標準的MMI接口。因為MMI允許TEDS的數字信號和傳感器的模擬信號隔離傳輸，可以很方便地將傳統傳感器改造為符合標準的智能傳感器。系統框圖如圖2所示。

本系統包括三個(gè)部分：(1)變送器接口模塊（TIM）。該部分的主要功能是采集傳感器的模擬信號，并與TEDS的數字信號通過(guò)IEEE1451.4的標準MMI接口傳送到控制器；(2)無(wú)線(xiàn)變送器接口模塊(WTIM)。該部分包含一個(gè)控制器、一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和MMI（Mixed-Mode Interface）接口。MMI接口接收TIM傳來(lái)的信息并對其進(jìn)行處理，將處理完的信息傳給無(wú)線(xiàn)發(fā)送設備，由后者發(fā)送出去；(3)網(wǎng)絡(luò )適配器NCAP。該部分主要由無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備、控制器和DTU設備組成。無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備收到WTIM發(fā)送的信息后傳送給處理器，處理器做相應處理后通過(guò)相應的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議將數據發(fā)送到遠程終端。

2.1 硬件設計

本設計選用STM32系列單片機作為各部分的主控制器。STM32 是意法半導體基于A(yíng)RM CortexTM-M3 的32 bit嵌入式處理器，具有運算速度快、外設資源豐富等特點(diǎn)，而且其價(jià)格僅與8 bit單片機相當，性?xún)r(jià)比極高。因此本設計選用該芯片。

IEEE1451.5標準的目標是為使用不同通信技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器提供一個(gè)統一的接口，采用已經(jīng)成熟的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)作為接口標準，并不是開(kāi)發(fā)一種新的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，而是基于該標準的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )接口在WTIM和 NCAP之間定義了多種無(wú)線(xiàn)通信方式。目前，其主要的通信協(xié)議有三種：IEEE 802.11協(xié)議、Bluetooth協(xié)議和ZigBee協(xié)議。從三者的開(kāi)發(fā)成本、傳輸距離、速度等各個(gè)方面比較，本系統選用了由ZigBee技術(shù)來(lái)構建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )[3-4]。

本設計選用TI公司生產(chǎn)的符合ZigBee技術(shù)的CC2530射頻模塊。該芯片是一款真正的系統芯片(SoC)CMOS 解決方案，這種解決方案能夠提高性能并滿(mǎn)足以ZigBee為基礎的2.4 GHz IAM波段應用對低成本、低功耗的要求。

2.2 操作系統

由于本系統的各部分任務(wù)比較多，所以軟件需要使用嵌入式操作系統。應用比較廣泛的有以VxWorks、?滋C/OS等為代表的國外開(kāi)發(fā)的操作系統，也有以RT-Thread為代表的國內開(kāi)發(fā)的操作系統。國外的操作系統雖然應用比較廣泛，但費用也比較高，使成本加大。

而國內開(kāi)發(fā)的RT-Thread是一個(gè)開(kāi)放源代碼的實(shí)時(shí)操作系統，并且商業(yè)許可證是非常寬松的實(shí)時(shí)操作系統。采用面向對象風(fēng)格的設計是RT-Thread一個(gè)很大的特點(diǎn)，但它又不像eCOS操作系統那樣純粹使用C++來(lái)實(shí)現，而是采用了一種C編碼的面向對象編程。面向對象設計更適合于人類(lèi)思考問(wèn)題的特點(diǎn)(例如繼承)，可以讓具備相同父類(lèi)的子類(lèi)共享使用父類(lèi)的方法，這樣可以很方便地創(chuàng )造更多的函數。對象的好處在于封裝，因為當一個(gè)對象封裝好了并測試完成后，基本上就代表這個(gè)類(lèi)是健全的，從這個(gè)類(lèi)派生的子類(lèi)不需要過(guò)多考慮父類(lèi)的不穩定性[5]。

3 TIM設計

IEEE1451.4標準的核心是TEDS，TEDS包含了傳感器的相關(guān)信息，其信息有：廠(chǎng)商信息、模塊編號、版本信息、產(chǎn)品序列號、靈敏度、測量范圍、物理單位、傳輸功能、輸出范圍、校準信息以及用戶(hù)數據等[6-7]。TEDS被存儲在EEPROM中，系統一旦上電或接受了請求，TEDS 就上載到系統。TEDS簡(jiǎn)化了傳感器的安裝，一個(gè)被損壞的傳感器可以直接被替換而不需要更改任何設置。
TEDS包含一個(gè)64 bit的信息，稱(chēng)為“Basic TEDS”，每一個(gè)傳感器必須包含一個(gè)Basic TEDS。表1為Basic TEDS包含的內容。

由于TEDS存儲器大小的限制，Basic TEDS的信息應該被壓縮到符合存儲器的要求。典型的系統存儲器存儲信息的單位為8 bit或者16 bit。但是TEDS可以做到按1 bit來(lái)存儲有效信息。這就要求謹慎小心地解析數據來(lái)獲得所需要的信息，給編程提出了更高的要求。此外，還可以根據不同的傳感器類(lèi)型，選擇不同的模板來(lái)設計標準模板TEDS。最后可以根據用戶(hù)需要添加一些用戶(hù)自定義信息。本系統所使用的溫度傳感器的TEDS如表2所示。