基于無線傳感器網(wǎng)絡的在線分析系統(tǒng)設計

劉宏飛，程明霄，陸春宇，陳明奇

（南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院，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—可見光譜法等方法［1］。近年來，在線分析系統(tǒng)的應用發(fā)展十分迅速，在線分析系統(tǒng)正在越來越廣泛的應用于各類工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境工程監(jiān)測等領域。

在線分析系統(tǒng)運行環(huán)境一般比較惡劣、環(huán)境復雜，傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸存在擴展困難，維修維護成本高等弊端，而且如果分析儀器在運行過程中的突發(fā)故障或時常性地出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)得不到及時反饋與處理就會造成很大損失，同時地理位置比較分散，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，各類無線網(wǎng)絡技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、冶金、制造等領域得到廣泛的應用，其中Zig Bee無線網(wǎng)絡技術(shù)以其低成本、低功耗、數(shù)據(jù)傳輸安全、可靠等優(yōu)勢給工業(yè)自動化控制領域提供了新的通信手段［2～4］。

本文設計實現(xiàn)了以無線傳感器網(wǎng)絡為數(shù)據(jù)傳輸和故障診斷平臺的在線分析系統(tǒng)，提高分析儀器數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性和實時性，對工業(yè)生產(chǎn)的安全性、穩(wěn)定性和準確性有著重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設計

圖1為基于無線傳感器網(wǎng)絡的在線分析系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包含終端儀器節(jié)點、現(xiàn)場基站、現(xiàn)場監(jiān)控中心和遠程服務器端。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各個分析儀器部署連接終端節(jié)點，這些節(jié)點通過總線接口與儀器通信，通過接收基站控制端的指令采集來自儀器的測量數(shù)據(jù)、故障等信息，并按照指令把相應測量數(shù)據(jù)通過無線技術(shù)上傳給基站協(xié)調(diào)器。

現(xiàn)場基站負責與節(jié)點進行組網(wǎng)，通過發(fā)送控制指令獲取各個儀器節(jié)點的參數(shù)數(shù)據(jù)，并串口上傳至現(xiàn)場監(jiān)控中心對儀器監(jiān)控，同時還可以通過GPRS/GSM給遠程服務器端。服務器端不僅可以實時監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場分析儀器的工作狀態(tài)，還能長期存儲各個儀表器過程狀態(tài)數(shù)據(jù)，并基于此進行數(shù)據(jù)分析和預處理。

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

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 終端節(jié)點設計

本設計采用TI公司的CC2430單片機作為終端節(jié)點主控芯片。它支持Zig Bee通信協(xié)議［5］，TI公司為CC2430芯片配備了免費的Zig Bee2006協(xié)議棧，在CC2430芯片集成了增強型8051處理器，具體符合標準的2.4 GHz的RF無線收發(fā)器、128 kB閃存、8 kB SRAM等高性能模塊，同時它還集成了8～14位的A/D轉(zhuǎn)換器、DMA、定時/計數(shù)器、上電復位電路、掉電檢測電路、看門狗定時器、USART，32.768 kHz睡眠模式定時器、ASE—128協(xié)處理器以及21個口編程I/O引腳。CC2430從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動模式用的時間很短，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、低成本等特點更適合于要求電池壽命長、運行時間長的在線分析系統(tǒng)［6］。

終端節(jié)點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、射頻電路以及其它外圍電路構(gòu)成，集成了增強型8051處理器，可完成分析儀器的通信任務與儀器數(shù)據(jù)采集任務。電源管理模塊主要完成不同電壓等級的轉(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)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure diagram of terminal node

2.2 基站硬件設計

基站負責建立網(wǎng)絡，管理網(wǎng)絡節(jié)點，同時將信息遠程傳輸，圖3所示的網(wǎng)關由處理器模塊、電源模塊、LCD/鍵盤輸入、多個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、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，配合操作鍵盤可進行網(wǎng)關相關運行參數(shù)的配置。

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

3 軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

本設計將無線終端節(jié)點與分析儀器以RS—485總線方式進行連接，采用自動化儀器儀表廣泛支持的Modbus協(xié)議進行通信，它是應用于電子控制器上的一種通用協(xié)議，該協(xié)議描述了控制器請求訪問其它設備過程，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)標準，能有效支持實時控制和分布式控制的串行通信網(wǎng)絡，在工業(yè)生產(chǎn)、控制領域廣泛使用該協(xié)議作為通用數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

它是一個請求/應答協(xié)議，每種請求幀格式都對應著一種應答幀格式，主機向從機發(fā)出請求幀后，當從機收到發(fā)給自己的請求幀，就作出相應的應答幀作為響應。通信模式分為RTU和ASCII 2種模式。相對于ASCII模式，RTU模式表達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，本設計采用Modbus協(xié)議中RTU通信模式來進行數(shù)據(jù)通信。

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

Modbus通信中用于區(qū)別不同設備的是Modbus地址，而Zig Bee網(wǎng)絡地址是設備加入網(wǎng)絡后被分配的16 bit短地址，用于識別或?qū)ふ移渌O備所用的地址，當設備申請加入網(wǎng)絡，基站動態(tài)給其分配地址，并生成一張設備IEEE地址與所對應的網(wǎng)絡地址的列表。為了使Modbus協(xié)議報文在Zig Bee網(wǎng)絡上進行數(shù)據(jù)傳輸，考慮到IEEE地址的唯一性，節(jié)點設備在運行中它不會改變，故將Zig Bee設備的IEEE地址與Modbus地址綁定，通過IEEE地址來獲取Zig Bee網(wǎng)絡地址，進而完成設備尋址與數(shù)據(jù)傳輸。在Zig Bee的網(wǎng)絡中，設備間尋址主要是通過網(wǎng)絡地址來尋找在Zig Bee網(wǎng)絡其它位置的節(jié)點設備。當Zig Bee節(jié)點申請加入網(wǎng)絡后，基站動態(tài)地給它分配16 bit短網(wǎng)絡地址，同時生成一張各個設備的IEEE地址與其對應網(wǎng)絡地址的列表，在節(jié)點設備成功加入網(wǎng)絡后，每個設備都有一個鄰居表，其中包含了無線網(wǎng)絡中各個設備IEEE地址、網(wǎng)絡地址、設備類型等相關信息。

Modbus協(xié)議中規(guī)定了完整的信息、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和命令應答方式，是應用層報文傳輸協(xié)議，因此，將Modbus協(xié)議報文加載到Zig Bee網(wǎng)絡的應用層，實現(xiàn)Modbus報文數(shù)據(jù)在無線Zig Bee傳感網(wǎng)絡中的實時穩(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報文，只需將數(shù)據(jù)包進行拆包，去掉包頭、MAC幀頭、幀尾等，即可提取數(shù)據(jù)報文。Modbus報文數(shù)據(jù)加載到Zig Bee報文的流程如圖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)點軟件設計

終端節(jié)點與分析儀器相接，主要工作是接收基站控制端的指令采集來自儀器儀表的數(shù)據(jù)，比如:過程數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)和故障信息等，并按照控制指令信息把相應測量數(shù)據(jù)通過Zig Bee無線網(wǎng)絡上傳給基站。終端節(jié)點首先進行初始化，配置各模塊，然后向基站發(fā)送入網(wǎng)請求，若請求得到正確響應，則入網(wǎng)成功。當沒有接收指令時進入睡眠模式，若無線模塊接收到數(shù)據(jù)指令，則進入工作狀態(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)點流程圖Fig 5 Flow chart of terminal node

3.3 基站軟件設計

現(xiàn)場基站負責建立無線網(wǎng)絡，等待終端節(jié)點加入網(wǎng)絡，給其動態(tài)分配網(wǎng)絡地址，從而完成與節(jié)點的組網(wǎng)。協(xié)調(diào)器主要接收現(xiàn)場控制端和遠程服務器端控制指令，將這些指令向終端節(jié)點發(fā)送，同時能獲取分析儀器通過終端節(jié)點發(fā)送來的相應參數(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)測試驗證

數(shù)據(jù)測試在南京工業(yè)大學儀器研究所，以DH—6001紅外氣體分析儀器為實驗對象，將10組分析儀器分別與終端節(jié)點相接，通入含有CO組分的被測氣體，搭建一種無線傳感網(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組分含量:

1）無線基站收到控制中心發(fā)來的Modbus命令幀，如表1示，其中，功能碼03表示讀取二進制值，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)用戶手冊可知，分析儀器測量組分地址: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)絡地址為0x2B，同時將自己網(wǎng)絡地址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，將拆包解析并回應上層，回應的Modbus上行數(shù)據(jù)包如表3所示，其中，返回數(shù)據(jù)“2300”表示23轉(zhuǎn)換為10進制為35，00表示%vol，得出CO組分含量為3.5%。同時將上行數(shù)據(jù)包加載到Zig Bee網(wǎng)絡，向源地址進行發(fā)送?？刂浦行目梢詫崟r接收到相應分析儀器儀表返回數(shù)據(jù)，并發(fā)送至遠程服務器端。

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

經(jīng)實驗室多次數(shù)據(jù)測試，整體無線網(wǎng)絡系統(tǒng)組網(wǎng)方便，運行穩(wěn)定，能有效進行數(shù)據(jù)傳輸，完全符合設計要求。

5 結(jié)論

本文設計的利用無線傳感網(wǎng)絡實現(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，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、實時性，同時利用Zig Bee終端節(jié)點的結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗小、易于擴展與維護等特點，使網(wǎng)絡更加穩(wěn)定長時間工作綜合考慮可廣泛應用于工業(yè)自動化控制領域，同時也可應用到其他領域中，具有較高的實用價值和廣闊的應用前景。

［1］王 森.在線分析儀器技術(shù)進展、市場前景、存在問題及建議［J］.中國儀器儀表，2009（2）:26-30.

［2］梁煥煥，熊慶宇，石為人.基于無線傳感器網(wǎng)絡的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（5）:149-152.

［3］李雄飛，孫俊杰，陳 磊，等.基于Zig Bee技術(shù)的無線設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012（12）:139-140.

［4］王 輝，董學仁，楊小偉，等.基于Zig Bee的溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.儀器儀表與分析監(jiān)測，2012（2）:30-33.

［5］趙淳臣，王亞剛，王 凱.Zig Bee協(xié)議的工業(yè)無線網(wǎng)關的設計［J］.自動化儀表，2013，34（2）:89-91.

［6］李文仲，段朝玉.Zig Bee無線網(wǎng)絡技術(shù)入門與實戰(zhàn)［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［7］邢偉偉，白瑞林，孟 偉.Zig Bee無線網(wǎng)關在Modbus通信中的應用［J］.計算機工程與應用，2011，47（29）:81-84.

［8］蘇 雷，熊建設，孫玉智.基于Zig Bee和ModBus的分布式電子警察系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（15）:202-204.

［9］周惠椒，譚喜堂，朱琴躍，等.Zig Bee無線通信技術(shù)在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應用［J］.低壓電器，2011（18）:36-41.