EPA控制網(wǎng)絡(luò)中ZigBee接入點的軟硬件設(shè)計

引言

　　在國家863計劃的連續(xù)滾動支持下，重慶郵電學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(tǒng)的EPA（Ethernet for plant automation）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信標準》（簡稱“EPA標準”）。在此基礎(chǔ)上形成的65C/357/NP以95.8%的得票率被國際電工委員會IEC發(fā)布為IEC/PAS 62409，作為第14類型列入實時以太網(wǎng)國際標準IEC 617482、作為第14類型將列入現(xiàn)場總線國際標準IEC 61158（修訂版）。

　　EPA標準是一種基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙等信息網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，適用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)裝置與儀器儀表間、工業(yè)自動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，它又具有低功耗，架構(gòu)簡單，成本低的特點，適用于多種無線需求，尤其對工控（監(jiān)視器、傳感器和自動控制設(shè)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。本文重點研究如何將ZigBee無線通信與有線的實時以太網(wǎng)進行融合，提出一種ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò)的方案，并按照提出的方案設(shè)計一種實施實例設(shè)備——EPAZigBee接入點設(shè)備。經(jīng)過多次反復(fù)的測試、檢測，目前EPAZigBee接入點設(shè)備運行穩(wěn)定，工作可靠、安全，可以滿足工作現(xiàn)場的多種需要。

1  ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò)的方案

1.1  ZigBee接入點接入EPA組網(wǎng)方案

　　EPA是有線的網(wǎng)絡(luò)，而ZigBee是無線通信技術(shù)，針對如何將ZigBee技術(shù)接入到EPA網(wǎng)絡(luò)這個研究課題，提出了一種組網(wǎng)方案。在這個方案中，EPA有線網(wǎng)絡(luò)由遠程監(jiān)控中心、應(yīng)用計算機、EPA服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成；ZigBee網(wǎng)絡(luò)由EPA現(xiàn)場設(shè)備和EPAZigBee接入點構(gòu)成。EPA有線網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間通過EPAZigBee接入點連接，EPAZigBee接入點負責ZigBee網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星形、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲，可以對多個ZigBee設(shè)備進行組網(wǎng)。

　　在整個方案中，ZigBee接入點是EPA控制網(wǎng)絡(luò)中的重要設(shè)備之一，是負責終端設(shè)備的管理及協(xié)調(diào)無線與有線網(wǎng)絡(luò)之間通信的關(guān)鍵部件。ZigBee接入點具有將ZigBee設(shè)備接入EPA有線網(wǎng)絡(luò)的功能，是連接EPA有線網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的橋接設(shè)備。ZigBee接入點作為無線訪問點，ZigBee終端設(shè)備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理、打包，通過無線鏈路發(fā)送到ZigBee接入點。這里EPAZigBee接入點是一個具有接入點功能的ZigBee模塊，相當于一個EPA網(wǎng)關(guān)，將ZigBee中的每一個現(xiàn)場設(shè)備映射一個IP地址與TCP/UDP端口，實現(xiàn)IP地址與TCP/UDP端口與ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址的互相轉(zhuǎn)換，從而使EPA有線網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備可以通過IP地址與TCP/UDP端口訪問每一個現(xiàn)場設(shè)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，同時為了使控制網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議簡單實用，提高工作效率和通信的實時性及時間的確定性，縮短系統(tǒng)響應(yīng)時間，在分析控制系統(tǒng)的特點、IEEE802.15.4協(xié)議與ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上，以及在EPA中ZigBee接入可行性的基礎(chǔ)上，提出EPA接入設(shè)備與IEEE802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次，EPA接入設(shè)備與EPA有線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次的應(yīng)用模型。該通信協(xié)議的層次體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  EPA中ZigBee通信協(xié)議的應(yīng)用模型

　　在這個通信協(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(diào)制方式，降低數(shù)字集成電路的成本，并且都使用相同的包結(jié)構(gòu)，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線信道訪問，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號和同步信號，支持PAN連接和分離，提供兩個對等MAC實體之間可靠的鏈路等。
　?、?nbsp; EPA應(yīng)用層。EPA應(yīng)用層為用戶應(yīng)用進程間的數(shù)據(jù)通信提供接口。針對工業(yè)控制實時應(yīng)用，提供了變量訪問服務(wù)、事件管理服務(wù)、文件上裝/下載服務(wù)等實時通信服務(wù)。

　　發(fā)送時，EPA應(yīng)用進程在調(diào)用應(yīng)用層服務(wù)時，應(yīng)該提供所有服務(wù)所需要的參數(shù)，然后由應(yīng)用層服務(wù)將數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后，傳給網(wǎng)絡(luò)接口層對象，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　接收時，應(yīng)用層收到來自通信端口的數(shù)據(jù)后，上傳給應(yīng)用層服務(wù)，由應(yīng)用層服務(wù)根據(jù)服務(wù)報文中的目的應(yīng)用進程標識ID，將接收到的數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用層中相應(yīng)的用戶應(yīng)用進程，由用戶應(yīng)用進程對相應(yīng)的參量進行更新和進一步處理。

2  EPAZigBee接入點的硬件設(shè)計

　　ZigBee現(xiàn)場設(shè)備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過無線鏈路傳送到ZigBee接入點。ZigBee接入點的接口電路如圖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(tǒng)級MCU芯片，具有128 KB Flash存儲器，8 448字節(jié)的片內(nèi)RAM，峰值為100，64個數(shù)字I/O引腳。采用C8050F120主要是考慮到系統(tǒng)處理的存儲量和處理速度，在接入點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(nèi)存，因為在這里需要燒寫EPA協(xié)議堆棧，需要的內(nèi)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(guī)范的2.4 GHz無線收發(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)鍵屬性進行配置，用戶可以使用終端配置工具或者利用模塊的UART進行參數(shù)的配置。該模塊的功能主要是對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備（同樣具有IPLink1270模塊）進行數(shù)據(jù)采集和控制，數(shù)據(jù)和控制信息通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C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)訪問控制子層（MAC）和物理層的性能，可以方便地設(shè)計基于ISA總線的系統(tǒng)，與通用單片機的接口簡單。另外，它還具有與NE2000兼容、軟件可移植性好，以及價格低廉等優(yōu)點，在市場上的10 Mbps網(wǎng)卡中占有相當?shù)谋壤?/p>

3  EPAZigBee接入點的軟件實現(xiàn)

　　接入點的軟件實現(xiàn)大致由3個模塊組成：ZigBee與C8051F120之間的驅(qū)動和通信，C8051F120與RTL8019之間的驅(qū)動和通信，ZigBee報文轉(zhuǎn)換為EPA報文。在介紹軟件實現(xiàn)部分之前先簡要介紹ZigBee接入點的協(xié)議模型。

3.1  ZigBee接入點的通信過程

　　下面是設(shè)計的ZigBee接入點的協(xié)議模型，如圖3所示?；驹砭褪窃赯igBee的MAC層之上，通過網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建ZigBee PAN實現(xiàn)模式之一自組織網(wǎng)絡(luò)SON。這是帶有ZigBee的設(shè)備間所形成的網(wǎng)絡(luò)?？蛻舳撕徒尤朦c都是PAN的成員，同時對接入點來說又要實現(xiàn)ZigBee PAN的另一種實現(xiàn)模式網(wǎng)絡(luò)接入點NAP功能，其他帶有ZigBee的設(shè)備在是PAN成員的基礎(chǔ)上才能通過NAP接入有線網(wǎng)絡(luò)。

圖2  ZigBee接入點接口電路

  圖3  ZigBee接入點的協(xié)議模型圖

　　用網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)ZigBee接入點的通信過程是，連接完全建立之后，ZigBee設(shè)備與以太網(wǎng)設(shè)備之間的通信過程可描述如下：應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)經(jīng)MAC層和LLC層打包后，再分別加上各層的分組頭對其進行封裝，然后將封裝過的數(shù)據(jù)包通過物理層發(fā)送給EPAZigBee接入點設(shè)備的對應(yīng)物理層。在EPAZigBee接入點設(shè)備中，各對應(yīng)層將對接收到的數(shù)據(jù)包進行解包，整個解包的過程與封裝的順序相反。解出的數(shù)據(jù)包將交給LLC層重新進行封裝，并經(jīng)802.3 MAC層進一步封裝之后通過物理層接口傳到EPA網(wǎng)絡(luò)上。EPA現(xiàn)場設(shè)備接收到上述數(shù)據(jù)包后，也將執(zhí)行解包的過程，直到得到發(fā)送端應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)為止。

3.2  ZigBee與C8051F120之間的驅(qū)動和通信

　　ZigBee模塊為2.4 GHz的無線收發(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(qū)動。(編寫UART1的串口驅(qū)動程序，實現(xiàn)ZigBee模塊與C8051F120通信連接的源程序略)

3.3  C8051F120與RTL8019之間的驅(qū)動和通信

　　RTL8019與C8051F120之間的連接由數(shù)據(jù)線、地址線和控制線組成，要完成它們之間的通信需要編寫兩者的串口驅(qū)動和通信程序。

3.4  ZigBee報文轉(zhuǎn)換為EPA報文

　　需要將接收到的ZigBee報文轉(zhuǎn)化為EPA報文，才能最終完成工業(yè)現(xiàn)場中的ZigBee應(yīng)用。ZigBee模塊接收到的是按照ZigBee協(xié)議封裝的報文，需要將其中的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù):

　　#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(jié)論

　　工業(yè)環(huán)境對ZigBee技術(shù)的需求已經(jīng)越來越受到業(yè)界的關(guān)注。ZigBee技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用不同于其他的應(yīng)用，在工業(yè)應(yīng)用中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息較短，但非常重要，信息傳輸要準確，而且工業(yè)設(shè)備通常置于很惡劣的環(huán)境，如高溫﹑強列震動等；同時功耗也是一個重要問題，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(gòu)簡單、體積小，正好滿足工業(yè)現(xiàn)場的需求，同時安全性和可靠性使它的應(yīng)用前景非常樂觀。

　　綜合起來， ZigBee接入點設(shè)備的設(shè)計和接入EPA網(wǎng)絡(luò)通信的實現(xiàn)，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(xiàn)有EPA無線接入方式的重要和有意義的補充。

參考文獻

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