接入點的軟硬件設計
關(guān)鍵詞 IEEE802.15.4 ZigBee接入EPA MAC協(xié)議模型
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同家標準——《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85C／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 61748-2、作為第14類型將列入現(xiàn)場總線國際標準IEC 51158(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)絡通信標準。
ZigBee是一種低速率(2kbps～200kbps)WPANIEEE標準，傳輸速率只有100Kbps，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備)等領(lǐng)域更是顯示出其獨有的優(yōu)勢。
在EPA網(wǎng)絡中，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)絡的方案，并按照提出的方案設計一種實施實例設備——EPA-ZigBee接入點設備。經(jīng)過多次反復的測試、檢測，目前EPA-ZigBce接入點設備運行穩(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，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)絡由遠程監(jiān)控中心、應用計算機、EPA服務器和數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成；ZigBee網(wǎng)絡由EPA現(xiàn)場設備和EVA-ZigBee接入點構(gòu)成。EPA有線網(wǎng)絡與ZigBee網(wǎng)絡之間通過EPA-ZigBee接入點連接，EPA-ZigBee接入點負責ZigBee網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡的連接和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。ZigBee網(wǎng)絡支持星形、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲，可以對多個ZigBee設備進行組網(wǎng)。
在整個方案中，ZigBee接入點是EPA控制網(wǎng)絡中的重要設備之一，是負責終端設備的管理及協(xié)調(diào)無線與有線網(wǎng)絡之間通信的關(guān)鍵部件。ZigBee接入點具有將ZigBee設備接入EPA有線網(wǎng)絡的功能，是連接EPA有線網(wǎng)絡和ZigBee網(wǎng)絡的橋接設備。ZigBee接入點作為無線訪問點，ZigBee終端設備采集現(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EPA-ZigBee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)絡地址的互相轉(zhuǎn)換。從而使EPA有線網(wǎng)絡中的其他設備可以通過IP地址與TCP／UDP端口訪問每一個現(xiàn)場設備。
1.2 ZigBee接入EPA網(wǎng)絡層次協(xié)議模型
考慮到控制網(wǎng)絡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接入設備與IEEES02．15．4／ZigBee網(wǎng)絡通信協(xié)議層次，EPA接入設備與EPA有線網(wǎng)絡通信協(xié)議層次的應用模型。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運行在2．4 GHzISM頻段。采用直接序列擴頻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、低功耗地運作。
②MAC層。它負責處理所有的物理無線信道訪問，并產(chǎn)生網(wǎng)絡信號和同步信號，支持PAN連接和分離，提供兩個對等MAC實體之問可靠的鏈路等。
③EPA應用層。EPA應用層為用戶應用進程間的數(shù)據(jù)通信提供接口。針對工業(yè)控制實時應用，提供了變量訪問服務、事件管理服務、文件上裝／下載服務等實時通信服務。
發(fā)送時，EPA應用進程在調(diào)用應用層服務時，應該提供所有服務所需要的參數(shù)，然后由應用層服務將數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后，傳給網(wǎng)絡接口層對象，調(diào)用網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)傳輸服務把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
接收時，應用層收到來自通信端口的數(shù)據(jù)后，上傳給應用層服務，由應用層服務根據(jù)服務報文中的目的應用進程標識ID，將接收到的數(shù)據(jù)傳送到應用層中相應的用戶應用進程，由用戶應用進程對相應的參量進行更新和進一步處理。
2 EPA-ZigBee接入點的硬件設計
ZigBee現(xiàn)場設備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處坪后通過無線鏈路傳送到ZigBee接入點。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128KB Flash存儲器，8448字節(jié)的片內(nèi)RAM，峰值為100，64個數(shù)字I／O引腳。采用C8050Fl20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256KB，工作電壓也是3.3V。采用RAM的主要目的是擴展C805lFl20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IP-Linkl270。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)場設備(同樣具有IP-Linkl270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)絡傳輸?shù)絇C機七顯示或從PC機上輸入。
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10Mbps網(wǎng)卡中占有相當?shù)谋壤?/P>
3 EPA-ZigBee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
下面足設計的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)絡層構(gòu)建ZigBee PAN實現(xiàn)模式之一自組織網(wǎng)絡S0N。這是帶有ZigBee的設備間所形成的網(wǎng)絡?？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)絡接入點NAP功能，其他帶有ZigBee的設備在是PAN成員的基礎(chǔ)上才能通過NAP接入有線網(wǎng)絡。
用網(wǎng)絡層實現(xiàn)ZigBee接入點的通信過程是，連接完全建立之后，ZigBee設備與以太網(wǎng)設備之間的通信過程可描述如下：應用程序的數(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EPA-ZigBee接入點設備的對應物理層。在EPA—ZigBee接入點設備中，各對應層將對接收到的數(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)絡上。EPA現(xiàn)場設備接收到上述數(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C805lFl20的連接采用UARTl串口驅(qū)動。(編寫UARTl的串口驅(qū)動程序，實現(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，才能最終完成上業(yè)現(xiàn)場中的ZigBee應用。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)應用不同于其他的應用，在工業(yè)應用中傳輸?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?。脻M足工業(yè)現(xiàn)場的需求，同時安全性和可靠性使它的應用前景非常樂觀。
綜合起來，ZigBee接入點設備的設計和接入EPA網(wǎng)絡通信的實現(xiàn)，證明了ZigBee接入EPA網(wǎng)絡的可行性。ZigBee接入EPA網(wǎng)絡是對現(xiàn)有EPA無線接入方式的重要和有意義的補充。
編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站：www.mesnet.com.cn。
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