基于IEEE1451智能傳感器的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

 為了給傳感器配備一個通用的軟硬件接口，使其方便地接入各種現(xiàn)場總線以及Internet和Intranet，從1993年開始，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所和IEEE儀器與測量協(xié)會的傳感技術(shù)委員會聯(lián)合制定了智能傳感器通用通信接口標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE1451的智能變送器標(biāo)準(zhǔn)接口。針對變送器工業(yè)各個領(lǐng)域的要求，多個工作組先后建立并開發(fā)了接口標(biāo)準(zhǔn)的不同部分。

1 IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)族介紹

IEEE1451是一個智能傳感器接口的標(biāo)準(zhǔn)族，它定義了一系列為使智能傳感器連接到微處理器、儀表系統(tǒng)和現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的開放、通用、獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)[1]，提供了一系列基于監(jiān)測和控制應(yīng)用的有線或無線的協(xié)議。IEEE1451接口標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

在IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)族中，IEEE1451.0標(biāo)準(zhǔn)定義了傳感器和執(zhí)行器多種通用配置命令集，如點對點、分布多點和無線的配置，以適應(yīng)各種應(yīng)用的需要。而且還規(guī)定了通用變送器電子表(TEDS)的格式，目的在于提高IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)之間的互操作性，簡化針對網(wǎng)絡(luò)適配器（NCAP）和智能變送器接口模塊（STIM）使用不同物理層傳輸介質(zhì)連接相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的工作難度和工作量。

IEEE1451.1：主要定義了NCAP的信息模型，這一標(biāo)準(zhǔn)為NCAP規(guī)定了一個公共的上層對象模型，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和變送器模塊類型不同，其對象模型就有不同的版本。一個簡單的編程模型封裝了傳感器硬件實現(xiàn)的細(xì)節(jié)，規(guī)定了不同NCAP與STIM物理層版本在具體實現(xiàn)時的軟件接口規(guī)范。
IEEE1451.4：主要針對于傳感器和變送器的混合模式通信協(xié)議及傳感器電子數(shù)據(jù)表格式?；旌夏Ｊ浇涌诘闹悄苄蛡鞲衅鞫x了一種為傳統(tǒng)模擬模式的傳感器和變送器增加自我識別技術(shù)的機(jī)制。
IEEE1451.5：定義了無線傳感器通信以及TEDS格式，定義了無線變送器模塊WTIM(Wireless Transducer Interface Module)與NCAP之間通過無線方法建立連接的有關(guān)事項。

2 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)的設(shè)計背景為遠(yuǎn)程環(huán)境檢測?？紤]到設(shè)備主要應(yīng)用在野外，地形比較復(fù)雜， IEEE1451.2-4標(biāo)準(zhǔn)都是基于有線連接的，連線困難。而IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)是基于無線傳輸技術(shù)的，也就是NCAP和WTIM之間的通信是基于無線傳輸技術(shù)，可以節(jié)省成本，而且還方便今后對系統(tǒng)的升級改造。但本系統(tǒng)的TIM部分和WTIM部分采用的是IEEE1451.4標(biāo)準(zhǔn)的MMI接口。因為MMI允許TEDS的數(shù)字信號和傳感器的模擬信號隔離傳輸，可以很方便地將傳統(tǒng)傳感器改造為符合標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)包括三個部分：(1)變送器接口模塊（TIM）。該部分的主要功能是采集傳感器的模擬信號，并與TEDS的數(shù)字信號通過IEEE1451.4的標(biāo)準(zhǔn)MMI接口傳送到控制器；(2)無線變送器接口模塊(WTIM)。該部分包含一個控制器、一個無線收發(fā)器和MMI（Mixed-Mode Interface）接口。MMI接口接收TIM傳來的信息并對其進(jìn)行處理，將處理完的信息傳給無線發(fā)送設(shè)備，由后者發(fā)送出去；(3)網(wǎng)絡(luò)適配器NCAP。該部分主要由無線收發(fā)設(shè)備、控制器和DTU設(shè)備組成。無線收發(fā)設(shè)備收到WTIM發(fā)送的信息后傳送給處理器，處理器做相應(yīng)處理后通過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程終端。

2.1 硬件設(shè)計

本設(shè)計選用STM32系列單片機(jī)作為各部分的主控制器。STM32 是意法半導(dǎo)體基于ARM CortexTM-M3 的32 bit嵌入式處理器，具有運(yùn)算速度快、外設(shè)資源豐富等特點，而且其價格僅與8 bit單片機(jī)相當(dāng)，性價比極高。因此本設(shè)計選用該芯片。

IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是為使用不同通信技術(shù)的無線傳感器提供一個統(tǒng)一的接口，采用已經(jīng)成熟的無線通信技術(shù)作為接口標(biāo)準(zhǔn)，并不是開發(fā)一種新的無線通信技術(shù)，而是基于該標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)接口在WTIM和 NCAP之間定義了多種無線通信方式。目前，其主要的通信協(xié)議有三種：IEEE 802.11協(xié)議、Bluetooth協(xié)議和ZigBee協(xié)議。從三者的開發(fā)成本、傳輸距離、速度等各個方面比較，本系統(tǒng)選用了由ZigBee技術(shù)來構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[3-4]。

本設(shè)計選用TI公司生產(chǎn)的符合ZigBee技術(shù)的CC2530射頻模塊。該芯片是一款真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS 解決方案，這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz IAM波段應(yīng)用對低成本、低功耗的要求。

2.2 操作系統(tǒng)

由于本系統(tǒng)的各部分任務(wù)比較多，所以軟件需要使用嵌入式操作系統(tǒng)。應(yīng)用比較廣泛的有以VxWorks、?滋C/OS等為代表的國外開發(fā)的操作系統(tǒng)，也有以RT-Thread為代表的國內(nèi)開發(fā)的操作系統(tǒng)。國外的操作系統(tǒng)雖然應(yīng)用比較廣泛，但費(fèi)用也比較高，使成本加大。

而國內(nèi)開發(fā)的RT-Thread是一個開放源代碼的實時操作系統(tǒng)，并且商業(yè)許可證是非常寬松的實時操作系統(tǒng)。采用面向?qū)ο箫L(fēng)格的設(shè)計是RT-Thread一個很大的特點，但它又不像eCOS操作系統(tǒng)那樣純粹使用C++來實現(xiàn)，而是采用了一種C編碼的面向?qū)ο缶幊獭Ｃ嫦驅(qū)ο笤O(shè)計更適合于人類思考問題的特點(例如繼承)，可以讓具備相同父類的子類共享使用父類的方法，這樣可以很方便地創(chuàng)造更多的函數(shù)。對象的好處在于封裝，因為當(dāng)一個對象封裝好了并測試完成后，基本上就代表這個類是健全的，從這個類派生的子類不需要過多考慮父類的不穩(wěn)定性[5]。

3 TIM設(shè)計

IEEE1451.4標(biāo)準(zhǔn)的核心是TEDS，TEDS包含了傳感器的相關(guān)信息，其信息有：廠商信息、模塊編號、版本信息、產(chǎn)品序列號、靈敏度、測量范圍、物理單位、傳輸功能、輸出范圍、校準(zhǔn)信息以及用戶數(shù)據(jù)等[6-7]。TEDS被存儲在EEPROM中，系統(tǒng)一旦上電或接受了請求，TEDS 就上載到系統(tǒng)。TEDS簡化了傳感器的安裝，一個被損壞的傳感器可以直接被替換而不需要更改任何設(shè)置。
TEDS包含一個64 bit的信息，稱為“Basic TEDS”，每一個傳感器必須包含一個Basic TEDS。表1為Basic TEDS包含的內(nèi)容。

由于TEDS存儲器大小的限制，Basic TEDS的信息應(yīng)該被壓縮到符合存儲器的要求。典型的系統(tǒng)存儲器存儲信息的單位為8 bit或者16 bit。但是TEDS可以做到按1 bit來存儲有效信息。這就要求謹(jǐn)慎小心地解析數(shù)據(jù)來獲得所需要的信息，給編程提出了更高的要求。此外，還可以根據(jù)不同的傳感器類型，選擇不同的模板來設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)模板TEDS。最后可以根據(jù)用戶需要添加一些用戶自定義信息。本系統(tǒng)所使用的溫度傳感器的TEDS如表2所示。
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4 WTIM 設(shè)計

WTIM 部分可以通過MMI 接口將傳感器的TEDS 讀出， 并將其通過無線設(shè)備發(fā)送給NCAP， 并且通過IEEE1451.0 標(biāo)準(zhǔn)定義的通用API 函數(shù)來控制可讀取傳感器和執(zhí)行器的運(yùn)行狀態(tài)。WTIM 狀態(tài)圖如圖3 所示。

在WTIM一上電時即進(jìn)入初始化狀態(tài)，隨后馬上進(jìn)入PREREG狀態(tài)。在PREREG狀態(tài)中TIM要通過完成向NCAPREG的任務(wù)，之后進(jìn)入NCAPREG狀態(tài)。進(jìn)入NCAPREG狀態(tài)意味著WTIM已經(jīng)與一個NCAP進(jìn)行了連接，但是并沒有被設(shè)置與TIM完成數(shù)據(jù)交互。當(dāng)NCAP設(shè)置WTIM與TIM進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時，它就會發(fā)送一個開放命令和一個或多個寫命令，然后WTIM進(jìn)入OPEN狀態(tài)。在OPEN狀態(tài)中，WTIM就可以和NCAP、TIM進(jìn)行數(shù)據(jù)交互了。OPEN狀態(tài)可以被關(guān)閉命令終止。如果多次通信失敗,則表明TIM當(dāng)前沒有通道可用，WTIM將由OPEN狀態(tài)轉(zhuǎn)為NCAPREG狀態(tài)。如果TIM沒有被注冊，則WTIM狀態(tài)由NCAPREG狀態(tài)轉(zhuǎn)為PREREG狀態(tài)，進(jìn)行TIM注冊。

5 NCAP設(shè)計

符合IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)的NCAP支持接入多個同一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的WTIM。當(dāng)首次上電NCAP進(jìn)入初始化狀態(tài)時，馬上進(jìn)入UNREGDOT5狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計要求，NCAP應(yīng)該包含一個符合ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)器，在UNREGDOT5狀態(tài)意味著協(xié)調(diào)器并沒有建立一個有效的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。之后NCAP將進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的注冊和建立，這時NCAP就會進(jìn)入DOT5REG狀態(tài)。DOT5REG狀態(tài)說明NCAP已經(jīng)建立了一個網(wǎng)絡(luò)，但是并沒有和WTIM建立連接，因此也就不存在與TIM進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。NCAP網(wǎng)絡(luò)注冊狀態(tài)圖如圖4所示。


當(dāng)一個NCAP 建立的網(wǎng)絡(luò)有一個或多個WTIM 注冊時， 它就會進(jìn)入TIMREG 狀態(tài)。在這一狀態(tài)NCAP 會完成對所有TIM 的注冊。為了完成與TIM 的數(shù)據(jù)交互，NCAP 會發(fā)送一條開放命令和一條或多條寫命令， 隨后NCAP 進(jìn)入OPEN 狀態(tài)。在OPEN 狀態(tài)， 即可以和WTIM進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。OPEN 狀態(tài)可以被關(guān)閉命令結(jié)束。因為NCAP 維持各個WTIM 相互獨(dú)立， 所以NCAP 可以在任
何時刻發(fā)現(xiàn)和連接節(jié)點。NCAP 運(yùn)行狀態(tài)圖和順序圖分別如圖5、圖6 所示。

在國外對于智能傳感器的研究起步比較早，到目前為止已有相當(dāng)一部分投入到應(yīng)用中，如在遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制、分布測量和控制系統(tǒng)中的應(yīng)用和在協(xié)作式測量和控制中的應(yīng)用。而國內(nèi)對于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)族的研究還處于起步狀態(tài)，一些高等院校也在進(jìn)行針對IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)族的研究，但是目前絕大部分的研究工作還是停留在對標(biāo)準(zhǔn)本身的解釋和闡述，并沒有將其應(yīng)用在實際的工程中。而且主要集中于對IEEE1451協(xié)議中較早版本的研究，明顯落后于國外的研究現(xiàn)狀。

本文將IEEE145標(biāo)準(zhǔn)族中的四種標(biāo)準(zhǔn)通過組合使用，設(shè)計完成了一套完整的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，這對于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的推廣有一定的現(xiàn)實意義。