基于WIA-PA的HSE系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計

摘要：針對傳統(tǒng)儀器儀表的缺點，介紹了一種基于WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的HSE系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計方案。采用基于IEEE 802．15．4無線協(xié)議的射頻芯片CC2420和16位超低功耗單片機(jī)MSP430F1161，分析并將系統(tǒng)模塊化，給出模塊設(shè)計與具體流程。
關(guān)鍵詞：WIA-PA；HSE；工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)

引言
    工業(yè)環(huán)境不僅影響企業(yè)的生產(chǎn)運行和生產(chǎn)效率，同時也影響企業(yè)員工的健康狀態(tài)。對工業(yè)環(huán)境的實時監(jiān)測不僅可以保障企業(yè)正常運行、降低事故風(fēng)險，更能保障員工的生命安全。健康、安全和環(huán)境在企業(yè)的生產(chǎn)過程中有著密不可分的聯(lián)系，因而把健康(Health)、安全(Safety)和環(huán)境(Environment)等要素整合成一個完整的體系是現(xiàn)代化工業(yè)的必然選擇。HSE(Health，Safety and Environment健康、安全和環(huán)境體系)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的工業(yè)監(jiān)測體系，通過對工業(yè)環(huán)境的監(jiān)測，進(jìn)行風(fēng)險識別和危害評估，確定工廠活動可能發(fā)生的危害和健康隱患，采取系統(tǒng)化的監(jiān)測管理預(yù)警機(jī)制和控制措施，消除各類健康、安全和環(huán)境隱患，盡可能地減少人員傷害、財產(chǎn)損失和環(huán)境污染，實現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 WIA-PA技術(shù)簡介
    傳統(tǒng)的工業(yè)自動化過程自動化水平低、集成難度大。首先，系統(tǒng)線路架設(shè)困難，惡劣環(huán)境的工程布線還具有一定的危險程度；其次，系統(tǒng)布線復(fù)雜度大，限制了系統(tǒng)的擴(kuò)展和自動化程度；再者，電纜易老化腐蝕，系統(tǒng)長期運行可靠性降低，不僅系統(tǒng)的安裝調(diào)試需要大量時間，而且維護(hù)難度也大。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)是21世紀(jì)初新興的、以工業(yè)應(yīng)用為目的、面向設(shè)備間信息交互的無線通信技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下使用，部署成本低、使用簡單、維護(hù)簡便、靈活性高、擴(kuò)展性強(qiáng)，同時還具有強(qiáng)抗干擾、超低功耗、高可靠性、實時通信等特點。因此，近幾年來一些國際組織正積極推進(jìn)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，目前主流的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)主要有WIA-PA、Wireless-HART和ISA-SP100。
    WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)是中國工業(yè)無線聯(lián)盟針對過程自動化領(lǐng)域的迫切需求而率先制定的，定義了用于過程自動化的WIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范。WIA-PA采用星型和Mesh結(jié)合的雙層混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。第一層Mesh結(jié)構(gòu)由網(wǎng)關(guān)及路由設(shè)備構(gòu)成，結(jié)構(gòu)靈活、健壯性好，同時具有自組織和自愈能力；第二層星型結(jié)構(gòu)由路由設(shè)備及現(xiàn)場設(shè)備或手持設(shè)備構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，易于集中控制，通信距離短，實時性好，又能保證端用戶設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的獨立性。相比較而言，Wireless-HART采用的是單層Mesh結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一。ISA-SP100網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和WIA-PA相同，不同的是ISA-SP100在路由器和網(wǎng)關(guān)的Mesh層采用的是IEEE 802．11協(xié)議，而路由設(shè)備及終端設(shè)備或手持設(shè)備所在的星型層采用的是IEEE 802．15．4協(xié)議。不同于ISA-SP100，WIA-PA和Wireless-HART都是基于IEEE 802．15．4協(xié)議。

    WIA-PA的主要技術(shù)特征如下：
    ①集中式和分布式管理：網(wǎng)關(guān)可下放管理權(quán)限給路由設(shè)備，既可提高網(wǎng)絡(luò)效率，又方便用戶使用和管理；
    ②聚合與解聚：支持報文的聚合與解聚，減少網(wǎng)絡(luò)開銷，延長電池壽命；
    ③TDMA／CSMA混合接入模式：通過TDMA／CSMA混合接入模式支持周期和非周期性通信；
    ④擴(kuò)頻通信與窄帶通信：在2．4 GHz基礎(chǔ)上，支持433 MHz低頻窄帶通信，并能無縫地集成到同一網(wǎng)絡(luò)中；
    ⑤兼容IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)：符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備也能加入WIA-PA網(wǎng)絡(luò)。
    工業(yè)通信中可靠性十分重要，WIA-PA也提供了多種措施以保護(hù)傳輸?shù)目煽啃裕?br />     ①全網(wǎng)TDMA模式：全網(wǎng)的時間同步精度達(dá)到μs級，避免報文沖突；
    ②自適應(yīng)調(diào)頻技術(shù)：在DSSS的基礎(chǔ)上引入FHSS的思想，采用根據(jù)信道狀態(tài)自適應(yīng)跳頻機(jī)制，可以有效地抑制突發(fā)性干擾，提高點到點通信的抗干擾能力；
    ③自動重傳機(jī)制：鏈路層采用自動請求重傳機(jī)制，應(yīng)用層采用面向連接(connection-oriented)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，保證報文傳輸?shù)某晒β剩?br />     ④Mesh路由：每個設(shè)備至少有兩條可用的通信路徑，以提高端到端通信的可靠性；
    ⑤設(shè)備冗余：可選冗余網(wǎng)管設(shè)備，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。

2 硬件設(shè)計
    節(jié)點設(shè)備在WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中處于第二層——星型層，與傳統(tǒng)的儀器相比，增加了無線傳輸模塊，設(shè)備可以接入WIA-PA網(wǎng)絡(luò)，無需現(xiàn)場布線，且可由電池供電，方便使用。設(shè)備通過檢測WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中的超幀信號加入WIA-PA網(wǎng)絡(luò)，傳感器采集數(shù)據(jù)使用2．4 GHz頻段傳送數(shù)據(jù)，最大傳輸速率為250 kbps，室外的最大通信距離為1000 m，室內(nèi)的最大通信距離為200 m，設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送周期可以達(dá)到1 s。節(jié)點的硬件總體框圖如圖2所示，主要包括傳感器模塊、無線通信模塊和電源模塊。

2．1 傳感器模塊
    傳感器模塊負(fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù)，主要對環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和綜合空氣質(zhì)量進(jìn)行采集。溫度傳感器采用ADT7301ARMZ，通過SPI與MCU通信；濕度傳感器和綜合空氣質(zhì)量傳感器分別采用HIH-4010-003和QS-01，均為模擬輸出，通過ADC輸入到MCU。以上傳感器的數(shù)據(jù)由MCU讀取后，再由MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。
    ADT7301ARMZ是一款高度集成的高精度數(shù)字溫度傳感器芯片，提供全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出。該傳感器包含一個帶隙材料制成的溫度敏感元件、一個13位ADC轉(zhuǎn)換器和一個串行接口電路。串口電路兼容SPI、QSPI、MICROWIRE協(xié)議和DSPs，可以很方便地與其他微處理器／微控制器直接通信。傳感器工作溫度范圍為-40～155℃，轉(zhuǎn)換精度為±0．5℃。此外，ADT7301ARMZ也有著較寬的工作電壓(2．7～5．5 V)，提供待機(jī)模式，待機(jī)模式下電流低至1μA，非常適合電池供電和低功耗工業(yè)測量應(yīng)用。
    HIH-4010-003濕度傳感器為內(nèi)置信號處理單元、經(jīng)激光修正的熱固聚合物電容式感應(yīng)元件，感應(yīng)元件采用多層結(jié)構(gòu)，使傳感器對大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境中的不利因素(如潮濕、多塵、臟污、油類和普通化學(xué)環(huán)境)具備良好的抵抗性能。HIH-4010-003工作濕度為0％RH～100％RH；在典型工作電壓5 V下，工作電流僅為200μA，功耗低，典型響應(yīng)時間為5 s，響應(yīng)速度快；輸出接近線形，穩(wěn)定而且漂移低。傳感器在標(biāo)定數(shù)據(jù)的最佳擬合曲線下輸出精度為±3．5％RH。為了使得傳感器輸出模擬量能夠轉(zhuǎn)換為具有實際意義的物理量，同時還要獲得上述精度，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)變換處理和溫度補(bǔ)償修正處理?？梢杂萌缦鹿剑瑢@得的輸出值轉(zhuǎn)換為實際濕度值：
    Sensor_RH=(R-Zero_offset)／θ
    Real_RH=(Sensor_RH)／(1．054 6--0．002 16T)
    式中，Sensor_RH為計算所得濕度值；Real_RH為實際空氣濕度值；R為輸出電壓值；Zero_offset為零點漂移；θ為輸出電壓隨濕度變化的斜率；T為溫度值。
    HIH-4010-003的標(biāo)定數(shù)據(jù)分別為：Zero_offset為0．958 V、θ為30．680 mV／％RH。
    QS-01是一種二氧化錫半導(dǎo)體氣體傳感器，對氣態(tài)的空氣污染(如香煙、氨氣、酒精、硫化氫、一氧化碳、氫氣、VOCs等)有很高的靈敏度，響應(yīng)時間快，功耗低。室內(nèi)空氣污染存在許多潛在重要來源，大致有如下幾個：首先是燃燒附屬產(chǎn)物，主要指在采暖和烹飪過程中產(chǎn)生的附屬物，包括一氧化碳、硫化物以及各類碳?xì)浠衔?；其次是各種揮發(fā)性有機(jī)物，主要來源于室內(nèi)潮濕陰暗角落、空氣交換設(shè)備以及建材輔料等；最后就是各種煙草煙霧。由此可見，QS-01對于室內(nèi)常見的各種污染源有著很好的檢測覆蓋率，能夠有效地響應(yīng)各種室內(nèi)常見污染。

    QS-01作為一款綜合空氣質(zhì)量傳感器，容易受到環(huán)境變化的影響，輸出電阻也很容易變動，因此需要定期在潔凈大氣環(huán)境中進(jìn)行輸出電阻(RS)的“0”點更新。使用QS-01來表示傳感器感度的時候，通常對比“0”點和空氣污濁時輸出電阻(Rs)的變化率來表示，也就是說，以檢測相對值來度量空氣質(zhì)量。同時，傳感器對溫濕度也有一定的依賴性，如圖3所示。我們以相對值來度量空氣質(zhì)量，前提是溫濕度等條件不變，所以當(dāng)溫濕度變化落差大時，為了得到較為精確的結(jié)果，需要進(jìn)行一定的溫濕度補(bǔ)償計算。QS-01傳感器對于各種不同氣體敏感性也不一樣，如圖4所示。因此，在某些特殊場合(例如污染氣體比較單一)，可以選取不同擬合曲線來比較精確地獲取當(dāng)前場合實際的空氣污染程度。

    QS-01是以輸出電阻來顯示空氣污染程度的，但是直接讀取傳感器的輸出阻值(Rs)會比較困難，所以通常是讀取R(負(fù)載輸出電壓)，以電壓變動來衡量空氣質(zhì)量：
    Rs=(Vc÷R-1)×RL
    式中，Rs為傳感器電阻值；Vc為供電電壓；RL為輸出負(fù)載；R為負(fù)載輸出電壓。
2．2 無線通信模塊
    無線通信模塊主要包含一個16位的MSP430F1611單片機(jī)和一個符合2．4 GHz IEEE 802. 15．4的CC2420無線射頻芯片。MSP430F1611是16位超低功耗單片機(jī)，擁有48 KB的Flash存儲器，可支持在線編程和仿真；2個16位定時器Timer_A和Timer_B，具有捕獲／比較功能的寄存器；12位A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)200 ksps，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集的要求；多功能串口模塊，兼容多種串行協(xié)議，方便外設(shè)與電腦通信。  CC2420是一款低功耗、短距離的工業(yè)級射頻收發(fā)芯片，可確保短距離通信的有效性和可靠性，工作于2．4 GHz免授權(quán)頻段，支持16個最大傳輸速率為250 kbps的信道。CC2420功耗低，相應(yīng)的傳輸距離短，接收靈敏度也低，所以在射頻前段分別增加PA和LNA，以提高發(fā)射功率和接收靈敏度，在室外可視通信距離能達(dá)到1000 m以上。雖然增加了PA和LNA，但是在典型的Mesh網(wǎng)絡(luò)中最小工作電流也僅為30μA。MCU通過SPI總線訪問CC2420，MSP430F1611和CC2420的硬件接口電路如圖5所示。

     MCU通過FIFO、FIFOP、SFD引腳查詢CC2420數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)，通過I／O引腳與其相連，起到查詢狀態(tài)的作用。CCA為空閑信道檢測引腳，VR EG_EN是CC2420的電壓調(diào)整器引腳。CC2420和MCU的數(shù)據(jù)、命令交換主要通過SPI串行接口完成，MSP430F1611單片機(jī)設(shè)置為主機(jī)模式，通過SPI接口訪問CC2420內(nèi)部寄存器和存儲器；作為從設(shè)備的CC2420接收來自MSP430F1611的時鐘信號和片選信號，并在其控制下執(zhí)行輸入／輸出操作。
2．3 電源模塊
    供電是電路設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，節(jié)點采用穩(wěn)壓5 V供電，通過一個SPX1117M3低壓差電壓調(diào)節(jié)芯片輸出3．3 V為元器件供電。SPX1117M3的輸出電壓誤差在±1％以內(nèi)，同時芯片還提供電流限制和熱保護(hù)功能。

3 軟件設(shè)計
    WIA-PA協(xié)議層次結(jié)構(gòu)遵循ISO／OSI層次結(jié)構(gòu)，WIA-PA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議只涉及物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物理層基于IEEE802．1 5．4，MAC層基于IEEE802．15．4并進(jìn)行了擴(kuò)展。數(shù)據(jù)鏈路層為網(wǎng)絡(luò)層和MAC層提供接口，包括用于收發(fā)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)實體和配置維護(hù)數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)鏈路管理實體。網(wǎng)絡(luò)層則主要為應(yīng)用層提供接口，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的管理配置控制功能。應(yīng)用層是WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的最高層，定義了與工業(yè)過程進(jìn)行交互的軟件對象，用戶可以直接調(diào)用服務(wù)對象實現(xiàn)通信。
    WIA-PA網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在入網(wǎng)前需設(shè)置傳感器標(biāo)簽，每個節(jié)點設(shè)備唯一，取值范圍是1～255。如不初始化將從Flash中讀取初始設(shè)定值，主動重啟后會將當(dāng)前設(shè)定值寫入Flash。每個節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送周期不得少于1 s，每次發(fā)送的信息量應(yīng)少于25字節(jié)。一切準(zhǔn)備就緒后打開帶有無線模塊的節(jié)點，節(jié)點設(shè)備會自動搜尋WIA-PA網(wǎng)絡(luò)超幀并加入網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)所需要的時間，一般是同時打開的點數(shù)、環(huán)境信號情況而定，一般為1～5 min。
    接入網(wǎng)絡(luò)后，節(jié)點就通過串口與網(wǎng)關(guān)交互信息，串口波特率為115 200 bps。串口報文帶有CRC，CRC算法為IBM算法，代碼如下：
   
   
    WIA-PA網(wǎng)絡(luò)報文有一定的格式，網(wǎng)關(guān)的報文末尾必須帶有2字節(jié)的CRC校驗碼。網(wǎng)絡(luò)報文封裝以7E開頭、7E結(jié)尾，若報文里含有7E和7D字節(jié)，規(guī)定都轉(zhuǎn)換為7D 5E和7D 5D。用戶通過串口傳給網(wǎng)關(guān)，進(jìn)而傳給節(jié)點透傳報文，報文內(nèi)容的第一個字節(jié)要求必須是設(shè)備節(jié)點傳感器標(biāo)簽，報文末尾是CRC校驗碼，以7E開頭、7E結(jié)尾來封裝；封裝后通過串口傳遞給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行CRC校驗，通過后再傳遞給目的節(jié)點。收到串口報文后，先將接收到的報文按照串口協(xié)議解碼，判斷CRC校驗是否正確；正確繼續(xù)處理，否則丟棄。對于需要回復(fù)ACK的報文回復(fù)ACK，然后對報文進(jìn)行解析；是本地的報文則進(jìn)行處理，否則經(jīng)過無線通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)。

結(jié)語
    WIA-PA目前已經(jīng)正式成為IEC的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，本文實現(xiàn)了基于WIA-PA的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備。基于WIA-PA的HSE無線工業(yè)設(shè)備不僅具有傳統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)點，而且沒有現(xiàn)場布線的成本花費，安裝靈活，功耗低，數(shù)據(jù)通信安全性及可靠性較高，還具有良好的開放性，勢必將成為工業(yè)應(yīng)用的主流。