基于EPA協(xié)議的IEEE802.11b無線測控系統(tǒng)

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(dòng)化控制系統(tǒng)裝置與儀器儀表間、工業(yè)自動(dòng)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)。

802.11b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(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(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(duì)工控現(xiàn)場遠(yuǎn)程圖像實(shí)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(dòng)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、無線網(wǎng)關(guān)模塊、液晶觸摸顯示模塊。在本系統(tǒng)中由溫度變送器通過串口實(shí)時(shí)采集熱電偶的溫度變化數(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)絜pa有線網(wǎng)絡(luò)中的epa上位機(jī)和其他epa設(shè)備，對(duì)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s3c2410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)。

2 802.1b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(tái)實(shí)現(xiàn)，需要比較高的系統(tǒng)性能。因此，本文選用基于摩托羅拉mpc852t處理器的硬件平臺(tái)（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)從上到下可以分為如下一些模塊：系統(tǒng)配置模塊，系統(tǒng)監(jiān)測模塊，底層驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊、命令行模塊（command line），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(duì)其進(jìn)行設(shè)置：

brctl addbr br0

brctl addif br0 eth1

brctl addif br0 wlan0

把無線和有線網(wǎng)絡(luò)接到一起，再使用工具軟件ifconfig對(duì)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 ieee802.1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(duì)較小而功能強(qiáng)大的s3c2410作為開發(fā)平臺(tái)，以這個(gè)平臺(tái)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(tái)上移植同樣小巧、靈活的usb無線網(wǎng)卡。這款無線網(wǎng)卡的芯片是prism系列芯片。無線網(wǎng)卡是移動(dòng)終端的主要設(shè)備，其軟件部分分為接口驅(qū)動(dòng)模塊（prism_usb.o）、無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)（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(duì)pc機(jī)的源代碼，要使它能在arm上運(yùn)行就進(jìn)行交叉編譯，第2步：交叉編譯usb無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)時(shí)必須先相應(yīng)地配置網(wǎng)絡(luò)類型、內(nèi)核路徑和交叉編譯工具，這是一款針對(duì)2.4.x的內(nèi)核源代碼，在編譯的過程中會(huì)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(dòng)生成的makefile，或者做一套適用于i386的makefile。在交叉編譯通過后生成usb接口驅(qū)動(dòng)prism_usb.o和無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)p802.o這兩個(gè)模塊。第3步，在arm linux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(dòng)態(tài)加載和靜態(tài)編譯到內(nèi)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，并用他們對(duì)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，0，（lparam）str）對(duì)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(dòng)模塊，溫度變送器串口被驅(qū)動(dòng)后，編寫一個(gè)對(duì)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(dòng)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(duì)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(dòng)的模式，當(dāng)給802.11b無線網(wǎng)關(guān)上電時(shí)，它就會(huì)自動(dòng)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802.11無線局域網(wǎng)的epa通信協(xié)議對(duì)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epa網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絧c機(jī)和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)反應(yīng)了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。這說明在ieee802.11b中能夠滿足工業(yè)的控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求。

結(jié)語

通過對(duì)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(duì)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ieee802.11b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(huì)越來越廣泛。