宋興儒， 凌志浩

（華東理工大學化工過程先進控制和優(yōu)化技術教育部重點實驗室，上海200237）

在工業(yè)應用現(xiàn)場，對諸如溫度、壓力和流量等變量的監(jiān)控對生產(chǎn)的安全有序進行至關重要。在傳統(tǒng)的監(jiān)控方式中，大多采用如Profibus、CAN和LonWork等現(xiàn)場總線的方式，而在一些鋪線困難和需要進行大規(guī)模鋪線等要求的工業(yè)現(xiàn)場，傳統(tǒng)的監(jiān)控方式無疑顯現(xiàn)出了很大的弊端。隨著網(wǎng)絡技術、通信技術和計算機技術的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡的不斷應用使得工業(yè)控制網(wǎng)絡的擴展得到進一步的增強。與傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡相比，工業(yè)無線網(wǎng)絡具有低成本、易使用、易維護、高度靈活性、擴展性強等特點[1]。無線網(wǎng)絡的應用不僅能節(jié)省出大量的連接線纜所用的成本，而且使得監(jiān)控的空間區(qū)域得到了極大的擴展，具有廣闊的應用前景[2]。

針對工業(yè)領域應用技術的低功耗、高可靠性等特點，本文采用ZigBee無線網(wǎng)絡技術來構建工業(yè)設備的通信網(wǎng)絡。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能[3]。基于上述特點，ZigBee技術被有效地應用于工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、家庭和樓宇自動化設備、醫(yī)療器械和農(nóng)業(yè)自動化等領域。

在工業(yè)控制現(xiàn)場應用無線技術對節(jié)點設備進行監(jiān)測，還需要將實時信息傳遞給客戶端，從而完成對網(wǎng)絡管理的交互處理，本文采用嵌入式以太網(wǎng)，與無線網(wǎng)絡完成異構通信，提出了一種基于32位ARM（Advanced RISC Machines）處理器、嵌入式Linux實時操作系統(tǒng)的無線網(wǎng)關設計方案。

1 網(wǎng)關的總體設計

本文的網(wǎng)關系統(tǒng)采用ARM920T核處理器S3C2440，應用嵌入式實時操作系統(tǒng)Linux，并在ARM 9處理器中移植Web服務器Boa[4]，負責對整個工業(yè)現(xiàn)場設備的管理及遠程監(jiān)控?，F(xiàn)場節(jié)點設備通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡與網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)關則通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機進行通訊。

該網(wǎng)關是面向無線網(wǎng)絡和工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)的通信應用，主要完成異構網(wǎng)絡之間的通信和控制，使用ZigBee無線射頻模塊與工業(yè)節(jié)點設備采集的數(shù)據(jù)進行無線傳輸。網(wǎng)關的基本工作原理如下：網(wǎng)關系統(tǒng)的無線模塊接收現(xiàn)場節(jié)點設備采集的數(shù)據(jù)；然后網(wǎng)關核心控制器控制以太網(wǎng)控制器，將接受到的數(shù)據(jù)進行封裝后在工業(yè)以太網(wǎng)中傳輸，通過有線的方式將數(shù)據(jù)傳輸至外部以太網(wǎng)。用戶可以通過遠程用戶界面訪問網(wǎng)關內(nèi)部的Web服務器，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的監(jiān)控和管理，完成異構網(wǎng)絡的集成。

2 網(wǎng)關的硬件平臺設計

網(wǎng)關裝置采用核心板和擴展板組合的硬件結構模式，核心板是一個基于ARM核處理器的最小系統(tǒng)，包括2片32MB的HY57V561620芯片，構成64MB的SRAM的存儲系統(tǒng)；1片K9F1G08U0B芯片，構成64MB的NAND FLASH存儲系統(tǒng)。硬件平臺由核心板進行擴展，主要由控制器模塊、無線通信模塊、以太網(wǎng)模塊、電源模塊等組成，硬件平臺的結構框架如圖1所示[5]。

圖1 網(wǎng)關硬件結構Fig.1 Structure of gateway hardware

2.1 主處理器模塊設計

主處理器是整個嵌入式工業(yè)無線網(wǎng)關的核心模塊，主要完成現(xiàn)場節(jié)點設備組成的無線傳感器網(wǎng)絡的配置，接受ZigBee終端節(jié)點設備發(fā)送進來的數(shù)據(jù)，將節(jié)點設備的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送到用戶管理端。由于工業(yè)現(xiàn)場復雜環(huán)境的要求，所采用的微控制器必須要滿足一定的電磁抗干擾能力；另外，針對數(shù)據(jù)處理的實時性，要求控制器必須具有高速的處理能力，且具有低功耗等特點。

本文所采用的控制器是Samsung公司的一種基于ARM920T內(nèi)核的亦適用于工業(yè)領域的微處理器S3C2440。該處理器提供了低功耗和高可靠性的微控制器解決方案，具有功耗低、高速度、高精度和高可靠性等優(yōu)點。主頻最高可達533MHz，運算速度快，片內(nèi)集成度高，可以滿足高速應用的要求。

S3C2440是一款32位嵌入式精簡指令集微處理 器 （Reduced Instructions Set Computer，RISC），其主要特性包括[6]：具備16KB的指令緩存和16KB的數(shù)據(jù)緩存和內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit，MMU）、1個液晶顯示器（Liq-uid Crystal Display，LCD）、3通道的通用異步接收／發(fā)送裝置（Universal Asynchronous Receiver／Transmitter，UART）、8通道的10位模／數(shù)變換器（Analog-to-Digital，ADC）、4通道的直接內(nèi)存存取器（Direct Memory Access，DMA）、4通道脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）定時器和1通道內(nèi)部定時器／看門狗定時器、2個USB接口，130個通用I／O口和24個外部中斷源。

2.2 無線通信模塊

在工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)中，采用ZigBee無線傳感技術將現(xiàn)場的節(jié)點設備組成星形網(wǎng)絡。在無線網(wǎng)絡中，網(wǎng)關的無線通信模塊作為無線網(wǎng)絡的中心協(xié)調(diào)器，負責網(wǎng)絡的建立和維護。其他現(xiàn)場節(jié)點作為無線終端設備，可以與網(wǎng)關建立同步、關聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸。現(xiàn)場設備之間需要通過網(wǎng)關和上層系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

ZigBee模塊采用TI公司的CC2530。這是一款與IEEE 802.15.4協(xié)議兼容的低成本無線控制模塊，是TI公司繼CC2430后的新一代系統(tǒng)級芯片（System on Chip，SOC）。該模塊結合了一個射頻收發(fā)器和一個8051處理器，具有49dB相鄰通道抑制和寬泛的溫度范圍：-40～＋125℃，符合工業(yè)標準[7]。它具有功耗低、接口簡單、易于組網(wǎng)和通信穩(wěn)定等優(yōu)點，在智能無線傳感網(wǎng)絡設計中有著廣闊的應用前景。ZigBee模塊與S3C2440通過串口UART1相連，設置相應波特率后實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。核心處理器與無線模塊的通信比較簡單，只需將ARM芯片的TXD1和RXD1兩根信號線連接到CC2530的USART0口，即可實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)傳輸通信。

2.3 其他主要外圍電路設計

2.3.1 電源模塊 整個網(wǎng)關系統(tǒng)采用24V直流穩(wěn)壓電源供電。24V分別經(jīng)過2片PP1R5-24-5電源芯片轉(zhuǎn)換成2路5V電源，一路經(jīng)過SPX1117M3-3.3和SPX1117M3-1.8芯片分別變壓為3.3V和1.8V，分別為板上芯片、外設和內(nèi)核供電；另一路為RS-485接口供電。

2.3.2 以太網(wǎng)接口 本文采用的以太網(wǎng)接口芯片是DAVICOM公司推出的工業(yè)級芯片DM9000CIEP，它是一種高度集成、功能強大、少引腳、性價比高的單片快速以太網(wǎng)控制芯片[8]。S3C2440通過外接以太網(wǎng)控制芯片DM9000CIEP和RJ45接口，完成與工業(yè)以太網(wǎng)之間的連接。RJ45接口元件選用內(nèi)置網(wǎng)絡變壓器的工業(yè)級元件HR911105A。接口部分的電路圖如圖2所示。2.3.3 串行接口 RS-232C是目前較為通用的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標準。本文設計采用MAX3232芯片來實現(xiàn)邏輯電平轉(zhuǎn)換，并采用目前常用的9芯D型插頭為接口，分別將S3C2440的RXD0（數(shù)據(jù)接收）、TXD0（數(shù)據(jù)發(fā)送）、NRTS0、NCTS0與芯片的RXD、TXD、RTS、CTS進行連接。而RS-485接口電路采用的是ADM2483電平轉(zhuǎn)換芯片，RS-485需要隔離的5V電源通過DCDC模塊得到。

3 網(wǎng)關的軟件平臺設計

軟件平臺采用在各種嵌入式設備上廣泛應用的Linux操作系統(tǒng)，在此基礎上完成相關的驅(qū)動程序和應用程序的編寫。軟件系統(tǒng)主要包括操作系統(tǒng)的移植、設備驅(qū)動程序和應用程序。網(wǎng)關軟件平臺主要包括設備驅(qū)動層、操作系統(tǒng)內(nèi)核層、協(xié)議層和應用程序?qū)?。其中應用程序?qū)邮窃诓僮飨到y(tǒng)上移植嵌入式Web服務器Boa，從而可以使用戶通過瀏覽器訪問網(wǎng)關，實現(xiàn)對整個無線網(wǎng)絡節(jié)點設備的監(jiān)測和管理。

網(wǎng)關正常工作時，網(wǎng)絡協(xié)議層主要負責完成ZigBee協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議之間相互轉(zhuǎn)換工作。從工業(yè)現(xiàn)場設備采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過ZigBee無線網(wǎng)絡發(fā)送到網(wǎng)關無線模塊，由無線模塊通過串行通信接口將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關核心處理器S3C2440，處理器將ZigBee報文按照通信轉(zhuǎn)換協(xié)議轉(zhuǎn)換成TCP／IP報文發(fā)送到以太網(wǎng)端口，進而上傳至有線網(wǎng)絡的一端。在網(wǎng)關中的轉(zhuǎn)換步驟如下[9]：網(wǎng)關無線模塊接收ZigBee報文→解除ZigBee PHY層分組→解除ZigBee MAC層分組→打包添加TCP／IP MAC層→打包添加TCP／IP PHY層→打包封裝成TCP／IP報文發(fā)送。以太網(wǎng)模塊接收數(shù)據(jù)發(fā)送至無線模塊的轉(zhuǎn)換方式是上述步驟的逆過程。ZigBee與以太網(wǎng)之間的通信協(xié)議模型如圖3所示。

圖2 以太網(wǎng)接口原理圖Fig.2 Schematic of ether net interface

圖3 網(wǎng)關通信協(xié)議模型Fig.3 Model of gateway communication protocol

3.1 操作系統(tǒng)的移植

操作系統(tǒng)的移植包括引導加載程序（Bootloader）、內(nèi)核和根文件系統(tǒng)的移植。Bootloader初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟、硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，為最終執(zhí)行內(nèi)核準備好環(huán)境[10]。Bootloader的移植依賴于所選CPU的體系結構和設備具體外圍接口設備的配置，本文選擇Uboot 1.1.6作為網(wǎng)關設備的引導程序[11]。網(wǎng)關采用Linux 2.6作為其操作系統(tǒng)，在構建嵌入式Linux內(nèi)核的過程中，其剪裁和配置可以根據(jù)需要完成，做到首先要保證系統(tǒng)具有的基本功能，然后保證系統(tǒng)各部分硬件電路的正常運行，包括基本輸入、輸出口的使用，以及存儲器、串口、USB和ZigBee無線模塊驅(qū)動。設備的根文件系統(tǒng)選用jffs2文件系統(tǒng)，最后制作好的jffs2映像文件將燒錄到Nand Flash中。文件系統(tǒng)中基本、必須應具有的目錄包括／dev，／proc，／bin，／usr，／lib，／etc和／sbin[12]，其余可以根據(jù)系統(tǒng)的實際需要添加。網(wǎng)關設備允許多用戶登陸使用查看，故保留root和home目錄；另外，保留mnt目錄用于支持外圍設備的臨時掛載。其中，采用嵌入式Linux系統(tǒng)中的“瑞士軍刀”Busybox創(chuàng)建 bin，sbin，usr／bin和 usr／sbin 4個目錄[13]。

3.2 無線模塊軟件設計

無線模塊CC2530運行TI公司的協(xié)議棧ZStack。Z-Stack包括一個小型的操作系統(tǒng)抽象層（Operating System Abstraction Layer，OSAL）。當OSAL啟動初始化之后，系統(tǒng)進入低功耗模式，OSAL通過任務事件的觸發(fā)進行工作。每個任務包括多種事件，一旦有事件觸發(fā)，就喚醒系統(tǒng)進行處理，事件處理完成后繼續(xù)進入低功耗模式[14]。ZigBee模塊是整個網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，主要任務是建立并維護整個無線網(wǎng)絡，并且完成處理器S3C2440和ZigBee網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳輸。

無線模塊作為網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，在OSAL操作系統(tǒng)初始化啟動后，開始掃描空閑信道，找到后創(chuàng)建網(wǎng)絡并分配16位的地址，監(jiān)聽等待節(jié)點設備的加入?，F(xiàn)場節(jié)點設備向協(xié)調(diào)器發(fā)送綁定請求信號，得到響應后發(fā)送地址請求信號，協(xié)調(diào)器接收信號后開始給節(jié)點分配節(jié)點地址，完成節(jié)點設備的加入。網(wǎng)絡組建完成后，協(xié)調(diào)器又進入監(jiān)聽狀態(tài)，當接收到節(jié)點設備采集到的濕度、溫度和壓力等數(shù)據(jù)量時，立即觸發(fā)任務事件，進入事件處理函數(shù)，對數(shù)據(jù)進行處理，處理完成后觸發(fā)中斷機制，通過串口總線向主處理器發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理完畢后，協(xié)調(diào)器繼續(xù)進入監(jiān)聽狀態(tài)。應用程序的流程如圖4所示。

圖4 無線模塊程序流程圖Fig.4 Flow chart of wireless module program

3.3 網(wǎng)關應用程序設計

網(wǎng)關上電啟動后，先運行u-boot的第1部分代碼，即完成Flash及同步動態(tài)隨機存儲器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM）控制器等硬件初始化和系統(tǒng)時鐘初始化，接著搬運第2部分代碼到SDRAM中運行[15]。這部分代碼完成異常向量表構建和重映射，初始化全部硬件，然后加載運行操作系統(tǒng)，接著完成應用程序的初始化。網(wǎng)關主程序流程圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)關主處理器程序流程圖Fig.5 Flow chart of gateway processor program

整個系統(tǒng)完成啟動后，網(wǎng)關進入監(jiān)聽狀態(tài)。監(jiān)聽來自以太網(wǎng)端口和無線通信端口的有效信息，當接受到傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)時，網(wǎng)關進入串口中斷狀態(tài)，接著對數(shù)據(jù)進行解包，并按照TCP／IP協(xié)議棧打包發(fā)送到以太網(wǎng)模塊，然后返回監(jiān)聽狀態(tài)；如果監(jiān)聽到的數(shù)據(jù)是來自以太網(wǎng)端口的IP數(shù)據(jù)包，則把數(shù)據(jù)解包并按照ZigBee協(xié)議進行封裝發(fā)送到無線模塊，接著繼續(xù)返回監(jiān)聽狀態(tài)。

4 結 語

本文提出了工業(yè)嵌入式無線網(wǎng)關的總體構架，通過對工業(yè)現(xiàn)場工控網(wǎng)絡與以太網(wǎng)之間的異構通訊方法的研究，完成了兩種網(wǎng)絡之間互聯(lián)互通的技術實現(xiàn)，分別設計了網(wǎng)關裝置的硬件和軟件平臺，實現(xiàn)了對工業(yè)現(xiàn)場設備的遠程監(jiān)控和管理。本文提出的工業(yè)無線網(wǎng)關設計方案已應用于某鍋爐廠的焊接質(zhì)量檢測系統(tǒng)中，成功地將現(xiàn)場設備監(jiān)控的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡上傳至上位機，取得了良好的應用效果，并降低了工廠的設備成本。相信隨著無線技術的不斷應用，該系統(tǒng)將具有越來越廣泛的應用前景。

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