劉宏飛，程明霄，陸春宇，陳明奇

（南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816）

0 引言

在線分析系統(tǒng)是指由樣品處理系統(tǒng)、在線分析儀器、數(shù)據(jù)采集處理傳輸系統(tǒng)及公用工程集成在一起的組合系統(tǒng)，其中，分析儀器大致可分為電化學(xué)分析法、氣相色譜法、質(zhì)譜分析法、紅外光譜法、高效液相色譜法、紫外—可見(jiàn)光譜法等方法［1］。近年來(lái)，在線分析系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展十分迅速，在線分析系統(tǒng)正在越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于各類工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境工程監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

在線分析系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境一般比較惡劣、環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸存在擴(kuò)展困難，維修維護(hù)成本高等弊端，而且如果分析儀器在運(yùn)行過(guò)程中的突發(fā)故障或時(shí)常性地出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)得不到及時(shí)反饋與處理就會(huì)造成很大損失，同時(shí)地理位置比較分散，因此，要求分析儀器系統(tǒng)具有靈活可變的信息傳輸方式。近年來(lái)，各類無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、冶金、制造等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，其中Zig Bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其低成本、低功耗、數(shù)據(jù)傳輸安全、可靠等優(yōu)勢(shì)給工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域提供了新的通信手段［2～4］。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)傳輸和故障診斷平臺(tái)的在線分析系統(tǒng)，提高分析儀器數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性和實(shí)時(shí)性，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的安全性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性有著重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1為基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的在線分析系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包含終端儀器節(jié)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)基站、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程服務(wù)器端。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)分析儀器部署連接終端節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)總線接口與儀器通信，通過(guò)接收基站控制端的指令采集來(lái)自儀器的測(cè)量數(shù)據(jù)、故障等信息，并按照指令把相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線技術(shù)上傳給基站協(xié)調(diào)器。

現(xiàn)場(chǎng)基站負(fù)責(zé)與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，通過(guò)發(fā)送控制指令獲取各個(gè)儀器節(jié)點(diǎn)的參數(shù)數(shù)據(jù)，并串口上傳至現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心對(duì)儀器監(jiān)控，同時(shí)還可以通過(guò)GPRS/GSM給遠(yuǎn)程服務(wù)器端。服務(wù)器端不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)分析儀器的工作狀態(tài)，還能長(zhǎng)期存儲(chǔ)各個(gè)儀表器過(guò)程狀態(tài)數(shù)據(jù)，并基于此進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和預(yù)處理。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Overall structure diagram

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用TI公司的CC2430單片機(jī)作為終端節(jié)點(diǎn)主控芯片。它支持Zig Bee通信協(xié)議［5］，TI公司為CC2430芯片配備了免費(fèi)的Zig Bee2006協(xié)議棧，在CC2430芯片集成了增強(qiáng)型8051處理器，具體符合標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的RF無(wú)線收發(fā)器、128 kB閃存、8 kB SRAM等高性能模塊，同時(shí)它還集成了8～14位的A/D轉(zhuǎn)換器、DMA、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路、看門狗定時(shí)器、USART，32.768 kHz睡眠模式定時(shí)器、ASE—128協(xié)處理器以及21個(gè)口編程I/O引腳。CC2430從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式用的時(shí)間很短，并且在接收和發(fā)射模式下，電流損耗很低，分別低于27，25mA。CC2430模塊的低功耗、低成本等特點(diǎn)更適合于要求電池壽命長(zhǎng)、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的在線分析系統(tǒng)［6］。

終端節(jié)點(diǎn)的硬件由處理器模塊、串行通信模塊、電源管理模塊等構(gòu)成。處理器模塊主要由 CC2430射頻單片機(jī)、射頻電路以及其它外圍電路構(gòu)成，集成了增強(qiáng)型8051處理器，可完成分析儀器的通信任務(wù)與儀器數(shù)據(jù)采集任務(wù)。電源管理模塊主要完成不同電壓等級(jí)的轉(zhuǎn)換、電源穩(wěn)壓與隔離、鋰電池充放電管理和電源切換的功能。串口通信模塊:在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)RS—232/RS—485是使用較多的2種串行通信方式，為此，配備了這2種串行通信接口，從而與智能分析儀器直接相連。終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure diagram of terminal node

2.2 基站硬件設(shè)計(jì)

基站負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將信息遠(yuǎn)程傳輸，圖3所示的網(wǎng)關(guān)由處理器模塊、電源模塊、LCD/鍵盤輸入、多個(gè)CC2430模塊和GSM模塊組成。處理器模塊使用LPC2210/2220 ARM7微控制器，該控制器內(nèi)置了串行通信接口，因此，特別適用于工業(yè)控制、通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器以及其它各種類型的應(yīng)用。主要通信模塊由CC2430模塊和GSM模塊組成，還配置了LCD液晶顯示器，配合操作鍵盤可進(jìn)行網(wǎng)關(guān)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的配置。

圖3 基站硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Hardware structure diagram of base station

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

本設(shè)計(jì)將無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)與分析儀器以RS—485總線方式進(jìn)行連接，采用自動(dòng)化儀器儀表廣泛支持的Modbus協(xié)議進(jìn)行通信，它是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用協(xié)議，該協(xié)議描述了控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備過(guò)程，制定了協(xié)議內(nèi)容公共格式。Modbus已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能有效支持實(shí)時(shí)控制和分布式控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)生產(chǎn)、控制領(lǐng)域廣泛使用該協(xié)議作為通用數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

它是一個(gè)請(qǐng)求/應(yīng)答協(xié)議，每種請(qǐng)求幀格式都對(duì)應(yīng)著一種應(yīng)答幀格式，主機(jī)向從機(jī)發(fā)出請(qǐng)求幀后，當(dāng)從機(jī)收到發(fā)給自己的請(qǐng)求幀，就作出相應(yīng)的應(yīng)答幀作為響應(yīng)。通信模式分為RTU和ASCII 2種模式。相對(duì)于ASCII模式，RTU模式表達(dá)相同信息需要較少的位數(shù)，且在相同通信速率下具有更大的數(shù)據(jù)流量，因此，本設(shè)計(jì)采用Modbus協(xié)議中RTU通信模式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

本設(shè)計(jì)將分析儀器Modbus數(shù)據(jù)幀與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的Zig Bee幀相結(jié)合實(shí)現(xiàn)儀器數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸［7，8］，由于 Modbus協(xié)議僅定義了OSI參考模型中的應(yīng)用層，為不同網(wǎng)絡(luò)或總線中的儀器設(shè)備提供了相互使用訪問(wèn)的消息結(jié)構(gòu)，因此，以上設(shè)計(jì)是完全可行的。

Modbus通信中用于區(qū)別不同設(shè)備的是Modbus地址，而Zig Bee網(wǎng)絡(luò)地址是設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后被分配的16 bit短地址，用于識(shí)別或?qū)ふ移渌O(shè)備所用的地址，當(dāng)設(shè)備申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，基站動(dòng)態(tài)給其分配地址，并生成一張?jiān)O(shè)備IEEE地址與所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址的列表。為了使Modbus協(xié)議報(bào)文在Zig Bee網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，考慮到IEEE地址的唯一性，節(jié)點(diǎn)設(shè)備在運(yùn)行中它不會(huì)改變，故將Zig Bee設(shè)備的IEEE地址與Modbus地址綁定，通過(guò)IEEE地址來(lái)獲取Zig Bee網(wǎng)絡(luò)地址，進(jìn)而完成設(shè)備尋址與數(shù)據(jù)傳輸。在Zig Bee的網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備間尋址主要是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)地址來(lái)尋找在Zig Bee網(wǎng)絡(luò)其它位置的節(jié)點(diǎn)設(shè)備。當(dāng)Zig Bee節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)后，基站動(dòng)態(tài)地給它分配16 bit短網(wǎng)絡(luò)地址，同時(shí)生成一張各個(gè)設(shè)備的IEEE地址與其對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)地址的列表，在節(jié)點(diǎn)設(shè)備成功加入網(wǎng)絡(luò)后，每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)鄰居表，其中包含了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備IEEE地址、網(wǎng)絡(luò)地址、設(shè)備類型等相關(guān)信息。

Modbus協(xié)議中規(guī)定了完整的信息、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和命令應(yīng)答方式，是應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，因此，將Modbus協(xié)議報(bào)文加載到Zig Bee網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)Modbus報(bào)文數(shù)據(jù)在無(wú)線Zig Bee傳感網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)穩(wěn)定的傳輸［9］。分析儀器收到Zig Bee數(shù)據(jù)包后需要轉(zhuǎn)化為Modbus報(bào)文，只需將數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包，去掉包頭、MAC幀頭、幀尾等，即可提取數(shù)據(jù)報(bào)文。Modbus報(bào)文數(shù)據(jù)加載到Zig Bee報(bào)文的流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換圖Fig 4 Transfer chart of data packet

3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)與分析儀器相接，主要工作是接收基站控制端的指令采集來(lái)自儀器儀表的數(shù)據(jù)，比如:過(guò)程數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)和故障信息等，并按照控制指令信息把相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)Zig Bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳給基站。終端節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行初始化，配置各模塊，然后向基站發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，若請(qǐng)求得到正確響應(yīng)，則入網(wǎng)成功。當(dāng)沒(méi)有接收指令時(shí)進(jìn)入睡眠模式，若無(wú)線模塊接收到數(shù)據(jù)指令，則進(jìn)入工作狀態(tài)，將收到的數(shù)據(jù)包地址與本身地址相比較是否一致，若一致，則接收數(shù)據(jù)，根據(jù)指令將分析儀器數(shù)據(jù)發(fā)往上層;若不一致，則舍棄。程序流程圖如圖5所示。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)流程圖Fig 5 Flow chart of terminal node

3.3 基站軟件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)基站負(fù)責(zé)建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，等待終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，給其動(dòng)態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)地址，從而完成與節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)。協(xié)調(diào)器主要接收現(xiàn)場(chǎng)控制端和遠(yuǎn)程服務(wù)器端控制指令，將這些指令向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送，同時(shí)能獲取分析儀器通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的相應(yīng)參數(shù)數(shù)據(jù)信息，并轉(zhuǎn)發(fā)至上層?；拒浖鞒虉D如圖6所示。

圖6 基站流程圖Fig 6 Flow chart of base station

4 數(shù)據(jù)測(cè)試驗(yàn)證

數(shù)據(jù)測(cè)試在南京工業(yè)大學(xué)儀器研究所，以DH—6001紅外氣體分析儀器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將10組分析儀器分別與終端節(jié)點(diǎn)相接，通入含有CO組分的被測(cè)氣體，搭建一種無(wú)線傳感網(wǎng)在線分析儀器系統(tǒng)。控制中心（地址為0x01）向分析儀器發(fā)送如下數(shù)據(jù)幀，查詢紅外氣體分析儀器儀器被測(cè)組分含量:

1）無(wú)線基站收到控制中心發(fā)來(lái)的Modbus命令幀，如表1示，其中，功能碼03表示讀取二進(jìn)制值，起始地址表示CO組分含量值所在寄存器位置。

表1 Modbus下行幀格式Tab 1 Downlink frame format of Modbus

根據(jù)用戶手冊(cè)可知，分析儀器測(cè)量組分地址:HC—10H，CO—11H，CO2—12H，NO—13H，O2—14H。

2）基站將收到的Modbus數(shù)據(jù)幀封裝成Zig Bee數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)發(fā)至分析儀器端。提取目的Modbus地址按映射列表查找網(wǎng)絡(luò)地址為0x2B，同時(shí)將自己網(wǎng)絡(luò)地址0x1A加載到數(shù)據(jù)包中。Zig Bee數(shù)據(jù)包如表2所示。

表2 Zig Bee數(shù)據(jù)包Tab 2 Data packet of Zig Bee

3）分析儀器收到Zig Bee通信數(shù)據(jù)包后，將拆包解析并回應(yīng)上層，回應(yīng)的Modbus上行數(shù)據(jù)包如表3所示，其中，返回?cái)?shù)據(jù)“2300”表示23轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制為35，00表示%vol，得出CO組分含量為3.5%。同時(shí)將上行數(shù)據(jù)包加載到Zig Bee網(wǎng)絡(luò)，向源地址進(jìn)行發(fā)送?？刂浦行目梢詫?shí)時(shí)接收到相應(yīng)分析儀器儀表返回?cái)?shù)據(jù)，并發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器端。

表3 Modbus上行幀格式Tab 3 Uplink frame format of Modbus

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室多次數(shù)據(jù)測(cè)試，整體無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組網(wǎng)方便，運(yùn)行穩(wěn)定，能有效進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完全符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在線分析儀器數(shù)據(jù)傳輸，是分析儀器智能化的發(fā)展趨勢(shì)，能提高傳統(tǒng)分析儀器系統(tǒng)總體性能和數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性、實(shí)時(shí)性，同時(shí)利用Zig Bee終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、功耗小、易于擴(kuò)展與維護(hù)等特點(diǎn)，使網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間工作綜合考慮可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，同時(shí)也可應(yīng)用到其他領(lǐng)域中，具有較高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

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