胡順強 劉彥呈 周飛云

(大連海事大學輪機工程學院， 大連 116026)

1 引言

隨著工業(yè)控制網絡的發(fā)展，現場總線技術已經比較成熟?，F場總線基于OSI的開放式模型，采用全數字式通信，借助智能節(jié)點設備實現分布式控制，具有結構簡單，實時性和可靠性好，通訊速率高等優(yōu)點，在船舶機艙的監(jiān)控系統(tǒng)中應用廣泛。但由于機艙環(huán)境復雜，如高溫潮濕、線纜易被腐蝕，布線空間狹小等，現場總線的線纜鋪設受到很大限制缺乏靈活性且維護成本高；另外現場總線多采用令牌傳遞的總線訪問方式，如果總線掛靠監(jiān)控節(jié)點過多，會降低網絡監(jiān)控的實時性，這些都成為現場總線在船舶應用上的軟肋。無線傳感器網絡(WSN,Wireless Sensor Net-work)作為一種新型的測控網絡技術，是能夠自主實現數據采集和傳輸應用的智能網絡系統(tǒng)，具有成本低、便于布置、易于維護等優(yōu)點。WSN在船舶機艙自動化系統(tǒng)方面的應用研究，近幾年發(fā)展較快，其動態(tài)變化的網絡拓撲結構和無線傳輸等特點適合機艙環(huán)境中靈活放置進行參數采集和設備監(jiān)控。但也存在中心節(jié)點能耗限制、信號容易被干擾等缺陷，所以目前仍多處于理論探索階段，在實際中應用還很少。

綜合現場總線和WSN兩種網絡的技術特點，提出了一種面向船舶機艙的新型監(jiān)控網絡，將二者的優(yōu)勢結合到一起，作為一個整體共同完成機艙的數據采集、設備監(jiān)控和報警等任務。

2 網絡的整體架構

目前在船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)中應用廣泛的現場總線，作為一種現場控制網絡，向上可以通過計算機現有的通訊接口（如PCI、USB口等）與上層網絡連接，上層管理網絡的用戶之間可以共享信息。向下延伸到工業(yè)現場，通過連接在分支上的傳感器、執(zhí)行器和測控儀表等智能節(jié)點設備，將現場設備的運行參數、狀態(tài)以及故障信息傳送到集中控制室，又將各種控制、維護組態(tài)命令送到測控現場的設備中實現分布控制。

圖1 網絡整體架構

該設計將現場總線作為網絡主干線，選取現場總線上的某些節(jié)點作為具有特殊功能的通信節(jié)點，作為紐帶將現場總線和無線傳感器網絡連接在一起。該節(jié)點具有現場總線節(jié)點和 WSN協調器雙重身份，完成兩種網絡的協議轉換和物理連接。這樣在結構上擴展了現場設備網絡層，提高分支網絡的監(jiān)控性能。網絡的整體架構見圖1。

該監(jiān)控網絡在機艙布置中更加靈活，在相對安全、維護方便、強電磁輻射的工作場所采用鋪設線纜的方法，在空間狹小、高溫潮濕有腐蝕性的環(huán)境下采用無線網絡監(jiān)控。WSN組網靈活，在機艙監(jiān)控中可以隨時根據具體情況布置監(jiān)控終端節(jié)點；中心節(jié)點由于與總線相連，不用考慮能耗的問題，所以增強了其數據處理和傳輸能力。

3 WSN與現場總線的協議轉換

3.1 協議棧結構

根據兩種網絡技術的發(fā)展現狀和特點，該設計采用基于ZigBee通信標準的WSN和CAN總線。兩者通信時需要在節(jié)點內完成協議轉換，轉換過程如圖2所示。

圖2 協議轉換示意圖

WSN與現場總線網絡結構不同，網絡互聯的關鍵技術是協議轉換。ZigBee雖然基于標準的七層開放式系統(tǒng)互聯(OSI)模型，但是 ZigBee聯盟僅對設計 ZigBee的應用層和網絡層框架進行了定義。IEEE 802.15.4標準定義了最下面兩層：物理層和介質訪問控制子層。CAN總線分為對象層、傳輸層和物理層，這里的對象層和傳輸層包括了OSI模型里的數據鏈路層的服務和功能。信息傳輸過程中，WSN的中心節(jié)點與微控制器以字符數據傳輸，然后向上逐層轉換為相應的數據幀。下面介紹完成協議轉換的節(jié)點硬件和軟件設計。

3.2 硬件設計

完成協議轉換的通信節(jié)點結構圖如圖 3所示。無線傳感器網絡的中心節(jié)點選用支持ZigBee標準的 CC2430芯片，CC2430能滿足以 ZigBee為基礎的2.4GHz ISM波段應用對低成本、低功耗的要求，它包括一個射頻收發(fā)器核心和一個高效的 8051微控制器。CAN通信控制器為SJA1000，CAN總線收發(fā)器選用PCA82C250。微控制器型號為AT89S51，負責協議轉換和向總線收發(fā)數據。

圖3 通信節(jié)點結構圖

該節(jié)點設計只是在原來 CAN總線應用節(jié)點的基礎上通過微控制器完成 ZigBee協議和總線協議的轉換，不需要額外增加硬件成本，同時也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 軟件設計

軟件設計分為三個功能模塊：ZigBee節(jié)點之間的通信，CC2430與STC89S51的通信和微控制器對 CAN通信控制器的初始化及數據收發(fā)。ZigBee節(jié)點之間的通信協議是在 TI公司的Z-Stack協議?；A上開發(fā)的應用層程序，在IAR平臺上調試編譯、下載。下面重點介紹 ZigBee網絡與CAN總線的通信。

ZigBee網絡與CAN總線的通信具體到硬件上就是CC2430與STC89S51的通信，屬于雙機異步通信，由于二者之間除了相互通信還需要處理其他任務，設計中采用串口中斷方式，在中斷處理程序中完成通信，以提高時效性。中心節(jié)點CC2430收到前端監(jiān)測節(jié)點的數據后，對數據進行處理判斷，返回數據或指令。當判斷該數據需要發(fā)送給現場總線時，通過CC2430的串口發(fā)送引腳傳輸給AT89S51的RX引腳；同樣當來自上位機的指令需要傳達給 ZigBee網絡的前端節(jié)點時，AT89S51通過總線通信控制器接收然后由串口發(fā)送給中心節(jié)點。AT89S51在整個通信過程中起到橋梁的作用，其主程序及中斷處理程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序和中斷程序流程圖

4 結束語

由 WSN與現場總線相結合構成的新型網絡結構，在機艙監(jiān)控應用中優(yōu)勢互補，能降低線纜鋪設和維護成本，減少安全隱患提高網絡可靠性。由無線傳感器網絡構成的底層監(jiān)控網絡可以通過現場總線與船舶以太網互聯，進而擴展到互聯網，這在物聯網技術大發(fā)展的今天，對研究物聯網在船舶領域的應用同樣有著積極的意義。

[1]李正軍. 現場總線及其應用技術[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2]李曉維. 無線傳感器網絡技術[M]. 北京：北京理工大學出版社，2007.

[3]李文仲, 段朝玉等. ZigBee無線網絡技術入門與實戰(zhàn)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4]馬善偉, 劉赟. 無線傳感網絡系統(tǒng)在船舶機艙中的應用研究[J]. 船舶動力裝置，2008(1).34-36.

[5]楊家龍. 基于網絡環(huán)境的艦船機艙動力裝置監(jiān)控系統(tǒng)技術研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006.

[6]肖德宏. 基于 WSN的船舶機艙溫度檢測系統(tǒng)研究與設計[D]. 大連：大連海事大學，2008.