EPA控制網(wǎng)絡(luò )中ZigBee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國家標準——《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65C/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 617482、作為第14類(lèi)型將列入現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準IEC 61158（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(2 kbps～200 kbps)WPAN IEEE標準，傳輸速率只有100 Kbps，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——EPAZigBee接入點(diǎn)設備。經(jīng)過(guò)多次反復的測試、檢測，目前EPAZigBee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)接入到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EPAZigBee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)EPAZigBee接入點(diǎn)連接，EPAZigBee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EPAZigBee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IEEE802.15.4/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1所示。

圖1  EPA中ZigBee通信協(xié)議的應用模型

　　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：

　?、?nbsp; 物理層。IEEE802.15.4運行在2.4 GHz ISM頻段。采用直接序列擴頻DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）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。
　?、?nbsp; MAC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)體之間可靠的鏈路等。
　?、?nbsp; EPA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  EPAZigBee接入點(diǎn)的硬件設計

　　ZigBee現場(chǎng)設備采集的數據經(jīng)處理后通過(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128 KB Flash存儲器，8 448字節的片內RAM，峰值為100，64個(gè)數字I/O引腳。采用C8050F120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256 KB，工作電壓也是3.3 V。采用RAM的主要目的是擴展C8051F120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IPLink1270。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IPLink1270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機上顯示或從PC機上輸入。

　　RTL8019AS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10 Mbps網(wǎng)卡中占有相當的比例。

3  EPAZigBee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

　　下面是設計的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 )SON。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 )。

圖2  ZigBee接入點(diǎn)接口電路

  圖3  ZigBee接入點(diǎn)的協(xié)議模型圖

　　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EPAZigBee接入點(diǎn)設備的對應物理層。在EPAZigBee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C8051F120的連接采用UART1串口驅動(dòng)。(編寫(xiě)UART1的串口驅動(dòng)程序，實(shí)現ZigBee模塊與C8051F120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，要完成它們之間的通信需要編寫(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，才能最終完成工業(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:

　　#ifdef ADD_ZIGBEE_MODLE
　　static void perform_ZigBee_cmd(void);
　　void init_task_ZigBee(void)
　　加載EPA報文字段：
　　VarDistribute(); //變量發(fā)布
　　void setdata(float arg1, float arg2)

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、體積小，正好滿(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。

參考文獻

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