宋興儒， 凌志浩

（華東理工大學(xué)化工過程先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237）

在工業(yè)應(yīng)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(jìn)行至關(guān)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(jìn)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(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷應(yīng)用使得工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展得到進(jìn)一步的增強(qiáng)。與傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)相比，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)具有低成本、易使用、易維護(hù)、高度靈活性、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)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(kuò)展，具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

針對工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)的低功耗、高可靠性等特點(diǎn)，本文采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來構(gòu)建工業(yè)設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能[3]?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，ZigBee技術(shù)被有效地應(yīng)用于工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、家庭和樓宇自動化設(shè)備、醫(yī)療器械和農(nóng)業(yè)自動化等領(lǐng)域。

在工業(yè)控制現(xiàn)場應(yīng)用無線技術(shù)對節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，還需要將實(shí)時(shí)信息傳遞給客戶端，從而完成對網(wǎng)絡(luò)管理的交互處理，本文采用嵌入式以太網(wǎng)，與無線網(wǎng)絡(luò)完成異構(gòu)通信，提出了一種基于32位ARM（Advanced RISC Machines）處理器、嵌入式Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案。

1 網(wǎng)關(guān)的總體設(shè)計(jì)

本文的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用ARM920T核處理器S3C2440，應(yīng)用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Linux，并在ARM 9處理器中移植Web服務(wù)器Boa[4]，負(fù)責(zé)對整個(gè)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的管理及遠(yuǎn)程監(jiān)控?，F(xiàn)場節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)關(guān)則通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

該網(wǎng)關(guān)是面向無線網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)的通信應(yīng)用，主要完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信和控制，使用ZigBee無線射頻模塊與工業(yè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸。網(wǎng)關(guān)的基本工作原理如下：網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的無線模塊接收現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)；然后網(wǎng)關(guān)核心控制器控制以太網(wǎng)控制器，將接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(yuǎn)程用戶界面訪問網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的Web服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控和管理，完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的集成。

2 網(wǎng)關(guān)的硬件平臺設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)裝置采用核心板和擴(kuò)展板組合的硬件結(jié)構(gòu)模式，核心板是一個(gè)基于ARM核處理器的最小系統(tǒng)，包括2片32MB的HY57V561620芯片，構(gòu)成64MB的SRAM的存儲系統(tǒng)；1片K9F1G08U0B芯片，構(gòu)成64MB的NAND FLASH存儲系統(tǒng)。硬件平臺由核心板進(jìn)行擴(kuò)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(jié)構(gòu)框架如圖1所示[5]。

圖1 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of gateway hardware

2.1 主處理器模塊設(shè)計(jì)

主處理器是整個(gè)嵌入式工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)的核心模塊，主要完成現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)設(shè)備組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置，接受ZigBee終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送進(jìn)來的數(shù)據(jù)，將節(jié)點(diǎn)設(shè)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(fù)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(shí)時(shí)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(diǎn)。

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(lǐng)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(diǎn)。主頻最高可達(dá)533MHz，運(yùn)算速度快，片內(nèi)集成度高，可以滿足高速應(yīng)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(gè)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(shí)器和1通道內(nèi)部定時(shí)器／看門狗定時(shí)器、2個(gè)USB接口，130個(gè)通用I／O口和24個(gè)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(shù)將現(xiàn)場的節(jié)點(diǎn)設(shè)備組成星形網(wǎng)絡(luò)。在無線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)的無線通信模塊作為無線網(wǎng)絡(luò)的中心協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)。其他現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)作為無線終端設(shè)備，可以與網(wǎng)關(guān)建立同步、關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)場設(shè)備之間需要通過網(wǎng)關(guān)和上層系統(tǒng)實(shí)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(jié)合了一個(gè)射頻收發(fā)器和一個(gè)8051處理器，具有49dB相鄰?fù)ǖ酪种坪蛯挿旱臏囟确秶?40～＋125℃，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[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(diǎn)，在智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中有著廣闊的應(yīng)用前景。ZigBee模塊與S3C2440通過串口UART1相連，設(shè)置相應(yīng)波特率后實(shí)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(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)傳輸通信。

2.3 其他主要外圍電路設(shè)計(jì)

2.3.1 電源模塊 整個(gè)網(wǎng)關(guān)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(shè)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(qiáng)大、少引腳、性價(jià)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)。本文設(shè)計(jì)采用MAX3232芯片來實(shí)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(jìn)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(guān)的軟件平臺設(shè)計(jì)

軟件平臺采用在各種嵌入式設(shè)備上廣泛應(yīng)用的Linux操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上完成相關(guān)的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的編寫。軟件系統(tǒng)主要包括操作系統(tǒng)的移植、設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。網(wǎng)關(guān)軟件平臺主要包括設(shè)備驅(qū)動層、操作系統(tǒng)內(nèi)核層、協(xié)議層和應(yīng)用程序?qū)?。其中?yīng)用程序?qū)邮窃诓僮飨到y(tǒng)上移植嵌入式Web服務(wù)器Boa，從而可以使用戶通過瀏覽器訪問網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的監(jiān)測和管理。

網(wǎng)關(guān)正常工作時(shí)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層主要負(fù)責(zé)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(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)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(guān)核心處理器S3C2440，處理器將ZigBee報(bào)文按照通信轉(zhuǎn)換協(xié)議轉(zhuǎn)換成TCP／IP報(bào)文發(fā)送到以太網(wǎng)端口，進(jìn)而上傳至有線網(wǎng)絡(luò)的一端。在網(wǎng)關(guān)中的轉(zhuǎn)換步驟如下[9]：網(wǎng)關(guān)無線模塊接收ZigBee報(bào)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(bào)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(guān)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(dǎo)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(shè)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(gè)合適的狀態(tài)，為最終執(zhí)行內(nèi)核準(zhǔn)備好環(huán)境[10]。Bootloader的移植依賴于所選CPU的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)備具體外圍接口設(shè)備的配置，本文選擇Uboot 1.1.6作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備的引導(dǎo)程序[11]。網(wǎng)關(guān)采用Linux 2.6作為其操作系統(tǒng)，在構(gòu)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(yùn)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(shè)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(yīng)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(shí)際需要添加。網(wǎng)關(guān)設(shè)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(shè)備的臨時(shí)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(gè)目錄[13]。

3.2 無線模塊軟件設(shè)計(jì)

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

無線模塊作為網(wǎng)絡(luò)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(luò)并分配16位的地址，監(jiān)聽等待節(jié)點(diǎn)設(shè)備的加入。現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)設(shè)備向協(xié)調(diào)器發(fā)送綁定請求信號，得到響應(yīng)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(diǎn)分配節(jié)點(diǎn)地址，完成節(jié)點(diǎn)設(shè)備的加入。網(wǎng)絡(luò)組建完成后，協(xié)調(diào)器又進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)接收到節(jié)點(diǎn)設(shè)備采集到的濕度、溫度和壓力等數(shù)據(jù)量時(shí)，立即觸發(fā)任務(wù)事件，進(jìn)入事件處理函數(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完成后觸發(fā)中斷機(jī)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(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)。應(yīng)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(guān)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

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

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

整個(gè)系統(tǒng)完成啟動后，網(wǎng)關(guān)進(jìn)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(dāng)接受到傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)入串口中斷狀態(tài)，接著對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(jié) 語

本文提出了工業(yè)嵌入式無線網(wǎng)關(guān)的總體構(gòu)架，通過對工業(yè)現(xiàn)場工控網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)之間的異構(gòu)通訊方法的研究，完成了兩種網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)互通的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，分別設(shè)計(jì)了網(wǎng)關(guān)裝置的硬件和軟件平臺，實(shí)現(xiàn)了對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。本文提出的工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案已應(yīng)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(shè)備監(jiān)控的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機(jī)，取得了良好的應(yīng)用效果，并降低了工廠的設(shè)備成本。相信隨著無線技術(shù)的不斷應(yīng)用，該系統(tǒng)將具有越來越廣泛的應(yīng)用前景。

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