集成WSN、載波通信和多種現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和低壓電力線載波通信在樓宇控制系統(tǒng)中正在逐步得到應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)這兩種通信網(wǎng)與現(xiàn)有的多種現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)和集成，提出了一種基于ARM微處理器SEP4020的多功能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)思想。探討了以太網(wǎng)、RS 232、RS 485、WSN、低壓電力載波通信等多種通信接口的軟硬件設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)和低壓電力載波通信等多種通信協(xié)議，成功地解決了現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)和電力載波通信與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)問題。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；低壓電力栽波通信；網(wǎng)關(guān)；嵌入式Linux

0 引言
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，多用在用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、智能樓宇、城市交通、倉(cāng)庫(kù)管理，農(nóng)林業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域，傳感器節(jié)點(diǎn)部署于監(jiān)測(cè)區(qū)域中，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的信息采集，其中部分傳感器節(jié)點(diǎn)具有路由功能，通過無(wú)線組網(wǎng)方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端；電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)方興未艾，電力線載波多用在如遠(yuǎn)程抄表等直接與電力線有接觸的設(shè)備中，與采用現(xiàn)場(chǎng)總線的傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)直接通過電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)備部署方便，因?yàn)椴捎糜芯€通信，通信可靠性較高。
    目前這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的大部分研究還集中在自身網(wǎng)絡(luò)上，較少研究它與其他網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和集成問題。已有的控制網(wǎng)絡(luò)(如現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等)也很少考慮到它們與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)的集成問題，相關(guān)的集成技術(shù)研究和設(shè)備開發(fā)還處于起步階段。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一種支持多接口多協(xié)議的多功能網(wǎng)關(guān)，可解決WSN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)集成問題。

1 總體設(shè)計(jì)
    多功能網(wǎng)關(guān)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)建立異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的連接，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量的信息在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中通過多跳接力的方式傳輸，并經(jīng)過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換成其他介質(zhì)和協(xié)議，從而傳送給外部網(wǎng)絡(luò)和用戶。如圖1所示。

    現(xiàn)有的WSN產(chǎn)品中，大多只提供RS 232串行接口，用以連接上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。但是在現(xiàn)實(shí)的工控項(xiàng)目中存在各種各樣的接口和總線，需要無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他總線網(wǎng)絡(luò)互相傳輸信息。因此，需要一種能夠支持多種接口的網(wǎng)關(guān)。當(dāng)連接某種接口或通信協(xié)議時(shí)，稍加修改該網(wǎng)關(guān)的軟件和配置硬件模塊就可以快速投入使用。
    本文設(shè)計(jì)的多功能網(wǎng)關(guān)可支持多種接口和多種應(yīng)用模式。其主要支持以太網(wǎng)，RS 232，RS 485，GPRS和電力載波通信等接口。支持的應(yīng)用模式包括：通過GPRS接口連接上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、程序下載等功能；通過RS 485接口實(shí)現(xiàn)Modbus協(xié)議接入現(xiàn)場(chǎng)總線或其他控制總線中；通過以太網(wǎng)接口接入工業(yè)以太網(wǎng)，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為子網(wǎng)接入控制網(wǎng)絡(luò)；通過以太網(wǎng)接口，構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器?？蛻魴C(jī)可以以網(wǎng)頁(yè)瀏覽的方式查看WSN中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)控制。

2 硬件設(shè)計(jì)
    多功能網(wǎng)關(guān)主要包括主系統(tǒng)部分(控制器、存儲(chǔ)器)、電源模塊、ZigBee無(wú)線通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、GPRS通信模塊、電力載波通信模塊(PLC)和人機(jī)接口模塊等。硬件總體框圖如圖2所示。

    系統(tǒng)硬件分為核心板、擴(kuò)展底板和外接通信模塊3部分。核心板包括主控制器和存儲(chǔ)器；外接通信模塊包括ZigBee無(wú)線模塊、GPRS模塊和電力載波通信模塊；核心板和外接通信模塊插接在擴(kuò)展底板上，并在擴(kuò)展底板上擴(kuò)展電源電路、調(diào)試接口、RS 485通信模塊、人機(jī)接口等電路。
2．1 微控制器選型
    多功能網(wǎng)關(guān)的功能比較復(fù)雜，需要實(shí)現(xiàn)多種接口和協(xié)議的轉(zhuǎn)換，由于外接通信模塊較多，應(yīng)盡量選擇性能強(qiáng)大、通信接口豐富，內(nèi)置所需各種接口的控制器，以降低成本。
    本文選擇基于ARM體系結(jié)構(gòu)的微控制器搭建整個(gè)系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)的微控制器具有強(qiáng)大的功能和豐富的接口擴(kuò)展，在嵌入式智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計(jì)中得到了大量應(yīng)用。通過分析對(duì)比常用的多種ARM7微處理器，最終選擇了基于ARM720T核心的工業(yè)級(jí)微控制器SEP4020。該款微控制器由東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心設(shè)計(jì)，集成MMU單元，內(nèi)置以太網(wǎng)MAC，LCD接口，可通過外部總線接口(EBI)進(jìn)行擴(kuò)展，功能豐富、性能強(qiáng)大，接口豐富，功耗較低，完全適合于工業(yè)控制的需要。
2．2 串行通信接口擴(kuò)展
    SEP4020內(nèi)置4路UART接口，其中一路設(shè)計(jì)時(shí)使用跳線的方式連接MAX3221芯片，作為DEBUG串行RS 232接口，主要用于調(diào)試時(shí)發(fā)送信息，同時(shí)也可復(fù)用為紅外接口；其余3路直接以TTL電平引出，分別連接ZigBee無(wú)線通信模塊、GPRS通信模塊、電力載波通信模塊。另外利用SEP 4020提供的SPI接口連接SC16IS752芯片進(jìn)行UART接口擴(kuò)展，該芯片是NXP公司推出的一款通過SPI／I2C總線擴(kuò)展為UART接口的芯片，可以擴(kuò)展出兩個(gè)通道高性能的UART。用來(lái)連接RS 485系列隔離收發(fā)器模塊，該模塊內(nèi)部集成電源隔離、電氣隔離、RS 485接口芯片和總線保護(hù)器件，具有很好的隔離特性。整個(gè)串行通信接口結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2．3 外接通信模塊
    外接通信模塊為ZigBee無(wú)線通信模塊、GPRS通信模塊、電力載波通信模塊。無(wú)線模塊的ZigBee通信芯片選用TI公司生產(chǎn)的2．4 GHz射頻系統(tǒng)單芯片CC2430，該芯片整合了ZigBee RF前端、內(nèi)存和8051微控制器；GPRS通信模塊選用SIM300GSM／GPRS模塊，該模塊主要應(yīng)用于WLL，M2M和手持設(shè)備方面，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸；電力載波通信模塊采用擴(kuò)頻通信技術(shù)，選擇北京福星曉程公司的PL3106載波芯片，內(nèi)嵌擴(kuò)頻通信調(diào)制／解調(diào)電路和8051微控制器，內(nèi)部集成2路A／D，其中一路用來(lái)采集負(fù)載端電壓，另一路用來(lái)采集負(fù)載電流，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率的精確測(cè)量。外圍的配置電路主要包括功率放大電路、載波耦合電路、濾波整形電路、諧振電路及接收電路等。以上通信模塊與SEP4020之間均使用UART接口進(jìn)行通信。

3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件平臺(tái)采用一種開放源碼的Linux操作系統(tǒng)，便于在其基礎(chǔ)上完成各項(xiàng)相關(guān)應(yīng)用程序的開發(fā)。軟件主要涉及到操作系統(tǒng)的裁剪與編譯、驅(qū)動(dòng)程序編寫和系統(tǒng)主程序編寫。多功能網(wǎng)關(guān)軟件體系架構(gòu)如圖4所示。

    由底層到高層，軟件部分依次包括：BootLoader移植、Linux操作系統(tǒng)移植、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編寫、嵌入式端軟件和協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)、主站監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)等。
3．1 BootLoader與Linux
    BootLoader是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的一小段程序，用來(lái)初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射，為調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境，同時(shí)也將啟動(dòng)內(nèi)核所需要的一些信息通過相關(guān)機(jī)制傳遞給內(nèi)核，并引導(dǎo)和加載內(nèi)核。它的主要功能是完成硬件設(shè)備的初始化、操作系統(tǒng)代碼的搬運(yùn)，并提供一個(gè)控制臺(tái)及一個(gè)命令集在操作系統(tǒng)運(yùn)行前操控硬件設(shè)備。
    Linux 2．6在內(nèi)核主體中加入了提高中斷性能和調(diào)度響應(yīng)時(shí)間的改進(jìn)，其中有三個(gè)最顯著的改進(jìn)：采用可搶占內(nèi)核、更加有效的調(diào)度算法以及同步性的提高。
3．2 通信網(wǎng)關(guān)
    網(wǎng)關(guān)的核心功能是完成協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，即將ZigBee和載波協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成TCP／IP格式的數(shù)據(jù)，并在ZigBee網(wǎng)絡(luò)、Modbus、以太網(wǎng)、電力載波通信和GPRS遠(yuǎn)程通信網(wǎng)之間無(wú)障礙的交互數(shù)據(jù)。
    網(wǎng)關(guān)軟件包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示(測(cè)試用)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集功能負(fù)責(zé)獲取從串口傳過來(lái)的數(shù)據(jù)。具體過程是主線程中初始化并打開串口，建立串口接收信號(hào)，在信號(hào)處理函數(shù)中。處理接收到的數(shù)據(jù)。當(dāng)接到數(shù)據(jù)包時(shí)產(chǎn)生信號(hào)，在信號(hào)處理函數(shù)里調(diào)用協(xié)議轉(zhuǎn)換程序按照Z(yǔ)igBee，Modbus和載波協(xié)議的定義解析數(shù)據(jù)，解析出原始數(shù)據(jù)中的節(jié)點(diǎn)號(hào)、傳感器模擬量、開關(guān)量值等信息。整個(gè)網(wǎng)關(guān)對(duì)多種協(xié)議的處理采用事件通知和分發(fā)機(jī)制，如圖5所示。利用多線程技術(shù)，將數(shù)據(jù)處理部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分分別放在單獨(dú)的線程中處理，以提高程序的運(yùn)行速度。通過在Linux上移植了嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，可以有效的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

    網(wǎng)關(guān)通過GPRS與遠(yuǎn)程主站通信，主站以自身設(shè)置的通信協(xié)議發(fā)送指令，指令下達(dá)到網(wǎng)關(guān)后，網(wǎng)關(guān)解析主站的指令并獲取操作對(duì)象，依據(jù)操作對(duì)象選取載波協(xié)議或者ZigBee，對(duì)指令進(jìn)行再封裝，并下發(fā)指令至操作對(duì)象，等待對(duì)象返回信息，在獲得對(duì)象的信息后，根據(jù)選取的協(xié)議解析對(duì)象數(shù)據(jù)，使用主站協(xié)議重新對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，而后將數(shù)據(jù)上傳至主站。
    網(wǎng)關(guān)是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，通常它連接兩個(gè)或多個(gè)相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，每接收一種協(xié)議的數(shù)據(jù)包后，在轉(zhuǎn)發(fā)之前將它轉(zhuǎn)換為另一種協(xié)議的格式。該網(wǎng)關(guān)不僅實(shí)現(xiàn)了4種協(xié)議的轉(zhuǎn)換和4種工控網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，而且通過TCP／IP協(xié)議連入工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了與工業(yè)以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)互傳。通過在Linux上移植了嵌入式Web服務(wù)器功能，使操作人員能夠通過網(wǎng)頁(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)
    該系統(tǒng)將WSN、電力線載波、以太網(wǎng)和公共通信網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地結(jié)合在一起，將信息匯集之后通過以太網(wǎng)接口或者GPRS達(dá)到遠(yuǎn)程傳輸?shù)哪康?。通過在一個(gè)軟硬件平臺(tái)上提供了工業(yè)控制中常見的多種總線和網(wǎng)絡(luò)的接口，能夠支持多種應(yīng)用模式。該設(shè)計(jì)適合于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的多種需求，可以根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行快速的裁剪和配置，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。