接入點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)

摘要  在EPA網(wǎng)絡(luò)中，引入ZigBee技術(shù)是新提出的研究課題。本文在分析ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)上，對ZigBee技術(shù)接入EPA控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)建模和設(shè)計(jì)，給出ZigBee接入EPA控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施方案及協(xié)議模型，并按照提出的方案設(shè)計(jì)一種EPA-ZigBee接入點(diǎn)設(shè)備。最后，對設(shè)計(jì)的接入點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行多次測試。分析測試結(jié)果表明，EPA-ZigBee接入點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠，可以滿足工作現(xiàn)場的多種需要。
關(guān)鍵詞 IEEE802.15.4 ZigBee接入EPA MAC協(xié)議模型

引 言
    在國家863計(jì)劃的連續(xù)滾動(dòng)支持下，重慶郵電學(xué)院作為核心單位參與制定了同家標(biāo)準(zhǔn)——《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(biāo)準(zhǔn)》(簡稱“EPA標(biāo)準(zhǔn)”)。在此基礎(chǔ)上形成的85C／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類型列入實(shí)時(shí)以太網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61748-2、作為第14類型將列入現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 51158(修訂版)。

    EPA標(biāo)準(zhǔn)是一種基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、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)。

    ZigBee是一種低速率(2kbps～200kbps)WPANIEEE標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率只有100Kbps，同時(shí)，它又具有低功耗，架構(gòu)簡單，成本低的特點(diǎn)，適用于多種無線需求，尤其對工控(監(jiān)視器、傳感器和自動(dòng)控制設(shè)備)等領(lǐng)域更是顯示出其獨(dú)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無線通信與有線的實(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(shè)計(jì)一種實(shí)施實(shí)例設(shè)備——EPA-ZigBee接入點(diǎn)設(shè)備。經(jīng)過多次反復(fù)的測試、檢測，目前EPA-ZigBce接入點(diǎn)設(shè)備運(yùn)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(diǎn)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)接人到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有線網(wǎng)絡(luò)由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、應(yīng)用計(jì)算機(jī)、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EVA-ZigBee接入點(diǎn)構(gòu)成。EPA有線網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間通過EPA-ZigBee接入點(diǎn)連接，EPA-ZigBee接入點(diǎn)負(fù)責(zé)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?fù)洌梢詫Χ鄠€(gè)ZigBee設(shè)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(shè)備之一，是負(fù)責(zé)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(diǎn)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(diǎn)作為無線訪問點(diǎn)，ZigBee終端設(shè)備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、打包，通過無線鏈路發(fā)送到ZigBee接入點(diǎn)。這里EPA-ZigBee接入點(diǎn)是一個(gè)具有接入點(diǎn)功能的ZigBee模塊，相當(dāng)于一個(gè)EPA網(wǎng)關(guān)，將ZigBee中的每一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備映射一個(gè)IP地址與TCP／UDP端口，實(shí)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(gè)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(diǎn)，同時(shí)為了使控制網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議簡單實(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(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，在分析控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、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IEEES02．15．4／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l所示。

    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：
    ①物理層。IEEE802．15．4運(yùn)行在2．4 GHzISM頻段。采用直接序列擴(kuò)頻DSSS(Direct Sequcnce SpreadSpectrum)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(yùn)作。
    ②MAC層。它負(fù)責(zé)處理所有的物理無線信道訪問，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和同步信號(hào)，支持PAN連接和分離，提供兩個(gè)對等MAC實(shí)體之問可靠的鏈路等。
    ③EPA應(yīng)用層。EPA應(yīng)用層為用戶應(yīng)用進(jìn)程間的數(shù)據(jù)通信提供接口。針對工業(yè)控制實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)通信服務(wù)。

    發(fā)送時(shí)，EPA應(yīng)用進(jìn)程在調(diào)用應(yīng)用層服務(wù)時(shí)，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(shí)，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(bào)文中的目的應(yīng)用進(jìn)程標(biāo)識(shí)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(jìn)程，由用戶應(yīng)用進(jìn)程對相應(yīng)的參量進(jìn)行更新和進(jìn)一步處理。

2 EPA-ZigBee接入點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
    ZigBee現(xiàn)場設(shè)備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處坪后通過無線鏈路傳送到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(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有128KB Flash存儲(chǔ)器，8448字節(jié)的片內(nèi)RAM，峰值為100，64個(gè)數(shù)字I／O引腳。采用C8050Fl20主要是考慮到系統(tǒng)處理的存儲(chǔ)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(chǔ)器的型號(hào)為IS62LV2568，存儲(chǔ)空間為256KB，工作電壓也是3.3V。采用RAM的主要目的是擴(kuò)展C805lFl20的內(nèi)存，因?yàn)樵谶@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IP-Linkl270。這是一款完全符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行配置，用戶可以使用終端配置工具或者利用模塊的UART進(jìn)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IP-Linkl270模塊)進(jìn)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(jī)七顯示或從PC機(jī)上輸入。

    RTL8019PLS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(jì)基于ISA總線的系統(tǒng)，與通用單片機(jī)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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在市場上的10Mbps網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)谋壤?/P>

3 EPA-ZigBee接入點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)
    接入點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)大致由3個(gè)模塊組成：ZigBee與C8051F120之間的驅(qū)動(dòng)和通信，C8051F120與RTL8019之間的驅(qū)動(dòng)和通信，ZigBee報(bào)文轉(zhuǎn)換為EPA報(bào)文。在介紹軟件實(shí)現(xiàn)部分之前先簡要介紹ZigBee接入點(diǎn)的協(xié)議模型。

3.1 ZigBee接入點(diǎn)的通信過程
    下面足設(shè)計(jì)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，通過網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建ZigBee PAN實(shí)現(xiàn)模式之一自組織網(wǎng)絡(luò)S0N。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(diǎn)都是PAN的成員，同時(shí)對接入點(diǎn)來說又要實(shí)現(xiàn)ZigBee PAN的另一種實(shí)現(xiàn)模式網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)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)。

    用網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)ZigBee接入點(diǎn)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(jìn)行封裝，然后將封裝過的數(shù)據(jù)包通過物理層發(fā)送給EPA-ZigBee接入點(diǎn)設(shè)備的對應(yīng)物理層。在EPA—ZigBee接入點(diǎn)設(shè)備中，各對應(yīng)層將對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包，整個(gè)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(jìn)行封裝，并經(jīng)802．3 MAC層進(jìn)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(dòng)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C805lFl20的連接采用UARTl串口驅(qū)動(dòng)。(編寫UARTl的串口驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)ZigBee模塊與C805lFl20通信連接的源程序略)

3．3 C8051F120與RTL8019之間的驅(qū)動(dòng)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，要完成它們之問的通信需要編寫兩者的串口驅(qū)動(dòng)和通信程序。

3.4 ZigBee報(bào)文轉(zhuǎn)換為EPA報(bào)文
    需要將接收到的ZigBee報(bào)文轉(zhuǎn)化為EPA報(bào)文，才能最終完成上業(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(bào)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(bào)頭、包尾等字段，將其轉(zhuǎn)化為EPA協(xié)議定義的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文格式。
    從ZigBee協(xié)議格式中提取設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù)：

   
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(zhǔn)確，而且工業(yè)設(shè)備通常置于很惡劣的環(huán)境，如高溫、強(qiáng)列震動(dòng)等；同時(shí)功耗也是一個(gè)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?。脻M足工業(yè)現(xiàn)場的需求，同時(shí)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(diǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)和接入EPA網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)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(bǔ)充。

    編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站：www.mesnet.com.cn。