工業(yè)用應急橋接通信標準化套件關(guān)鍵技術(shù)研究

李云雪　易勇　施一飛

摘? 要：當前工業(yè)場景大量引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來完成監(jiān)測監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。其中無線傳感網(wǎng)異構(gòu)多元，在網(wǎng)絡融合使用方面需要研發(fā)能快速組網(wǎng)、使用便捷的套件裝備。文章重點研究能接入既有工業(yè)傳感網(wǎng)的應急橋接通信套件，實現(xiàn)近程無線網(wǎng)絡協(xié)議融合、特殊場景數(shù)據(jù)快速上傳。套件的標準化通信模組設計為可增減，現(xiàn)場作業(yè)時可組合完成無線傳感網(wǎng)絡的中繼、橋接和通信搶險等功能。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)無線網(wǎng);應急橋接;標準化通信套件;嵌入式軟件融合

中圖分類號：TP311? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）20-0171-04

Research on Key Technologies of Industrial Emergency Bridging Communication Standardization Kit

LI Yunxue， YI Yong， SHI Yifei

（Geely Univercity of China， Chengdu? 641423， China）

Abstract： At present， internet of things technology is widely introduced into industrial scenes to complete monitoring and data collection. Among them， the wireless sensor network is heterogeneous and multivariate. In terms of network integration， it is necessary to develop kit equipments that can quickly set up a network and use conveniently. This paper focuses on the emergency bridging communication kit that can access the existing industrial sensor network to realize the integration of short-range wireless network protocols and the rapid upload of special scene data. The standardized communication module of the kit is designed to be increased or decreased. During the field operation， it can be combined to complete the functions of wireless sensor network， such as relay， bridging and communication rescue.

Keywords： heterogeneous wireless network; emergency bridging; standardized communication kit; embedded software integration

0? 引? 言

近年來，工業(yè)園區(qū)、工礦企業(yè)、能源管線等場所不斷引入傳感網(wǎng)絡來監(jiān)測工業(yè)生產(chǎn)中的各類參量，物聯(lián)網(wǎng)終端/邊緣設備和數(shù)據(jù)匯聚越來越重要。主要的近程無線傳感網(wǎng)絡有射頻BaseRF、Zigbee、LoRa、NB-IOT、Wi-Fi、藍牙等。

伴隨物聯(lián)網(wǎng)建設的持續(xù)推進，不同廠家、不同時期加入的設備型號各異，數(shù)據(jù)接口多樣，統(tǒng)一調(diào)度難度不斷增加。這些傳感裝備能完成各自應用上層規(guī)定的數(shù)據(jù)采集，但在特殊場景下急需現(xiàn)場可快速組合的通信套件。

通信套件關(guān)鍵技術(shù)的應用可改善現(xiàn)有非標準化終端在雷雨、運行方式調(diào)整后搶修掉線時通信協(xié)議不能及時融合的問題。所研制出的模組可避免不必要的人工配網(wǎng)，解決通信搶險費時費力的弊端，可讓有限的人力資源騰出更多時間和精力聚焦企業(yè)本身的穩(wěn)定生產(chǎn)。

1? 工業(yè)應急通信場景下的異構(gòu)網(wǎng)絡融合分析

物聯(lián)異構(gòu)傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)通常不能靈活地融合，一般是通過網(wǎng)關(guān)設備傳輸數(shù)據(jù)到互聯(lián)網(wǎng)，但企業(yè)經(jīng)常會在邊緣端進行通信協(xié)議的快速切換，達到工業(yè)現(xiàn)場復雜多樣數(shù)據(jù)的整合和匯聚。所以，異構(gòu)傳感網(wǎng)融合也是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重要的研究熱點之一。

如圖1所示，異構(gòu)網(wǎng)絡融合主要有三種結(jié)構(gòu)，分別是松耦合結(jié)構(gòu)、緊耦合結(jié)構(gòu)及超緊耦合結(jié)構(gòu)：

（1）松耦合結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)兩個異構(gòu)網(wǎng)絡的融合，數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程互聯(lián)網(wǎng)應用平臺實現(xiàn)不同異構(gòu)網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。松耦合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是研制難度小，能夠面向眾多網(wǎng)絡協(xié)議，工程維護交由各自的異構(gòu)網(wǎng)絡完成，相互之間不易產(chǎn)生過多干擾，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設中能得到廣泛應用。

（2）緊耦合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)常用于地理區(qū)域下一個網(wǎng)絡覆蓋另外一個網(wǎng)絡，通過邊緣設備將子網(wǎng)連接到主網(wǎng)。用戶基本察覺不到這種耦合，子網(wǎng)和主網(wǎng)的切換延遲小于原有網(wǎng)絡。

（3）超緊耦合結(jié)構(gòu)。兩種異構(gòu)網(wǎng)絡的融合并非是通過網(wǎng)關(guān)類邊緣設備連接的，而是連接到再上一層的節(jié)點。該節(jié)點只有部分異構(gòu)網(wǎng)絡信息，優(yōu)點是方便邊緣數(shù)據(jù)的處理，能配置異構(gòu)網(wǎng)絡，缺點是融合軟件研制成本相對較高。

因需接入既有網(wǎng)絡，應急通信套件屬于超緊耦合融合類型。在橋接近程網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)遠傳的基礎上具備模塊標準化預置設計。

2? 邊緣域控框架和軟件定義模型技術(shù)

基于邊緣計算的數(shù)據(jù)融合框架是目前主流物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架之一，框架需在設備端解決傳感器編碼、網(wǎng)絡節(jié)點定義、異構(gòu)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則定義、上層命令傳達、通信協(xié)議棧等域控管理。此外，框架還需具備數(shù)據(jù)本地化存儲、前期數(shù)據(jù)處理、云平臺數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗吘売嬎愎δ堋?/p>

通信套件的域控框架主要面向通信轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)融合，為方便現(xiàn)場的應急操作而采用簡化的域控模型，如圖2所示。

套件本身設計理念并不排斥任何的無線和有線的通信協(xié)議，網(wǎng)絡融合層面向現(xiàn)場復雜多樣的既有網(wǎng)絡，平行設計企業(yè)常用的串行通信和工控等協(xié)議，設備由統(tǒng)一的標準化接口接入數(shù)據(jù)接入層。

數(shù)據(jù)接入層是域控框架的核心層，“標準化裝配”為不同的通信模組提供軟件包完成協(xié)議標準化轉(zhuǎn)換，與本地協(xié)議相關(guān)的封包和解包交由模組各自協(xié)議棧完成。“傳感數(shù)據(jù)”面向裸數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)存儲、完整性檢查等功能。“數(shù)據(jù)接口”完成橋接、中繼和遠傳接口的在線監(jiān)測，可對模組進行命令傳達。數(shù)據(jù)接入層接受域控規(guī)則層的配置，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

域控規(guī)則層完成轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的定義。應急狀態(tài)下通信轉(zhuǎn)發(fā)需要簡潔的表達，主要有橋接、中繼和傳感器數(shù)據(jù)采集幾種搶險模式?！皵?shù)據(jù)采集”在緊急上傳特殊傳感器數(shù)據(jù)時，需要按照應用邏輯對設備進行注冊。

邊緣計算層提供邊緣分析能力，可依據(jù)云平臺接口傳輸數(shù)據(jù)。“邊緣計算”完成數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)擬合應用和數(shù)據(jù)清洗等初步處理，“本地存儲”利用本地持久化完成離線存儲和在線續(xù)傳，傳感器數(shù)量較大時可用邊緣設備中的隊列來處理?！斑h程傳輸”主要完成數(shù)據(jù)整合上傳云平臺，并使用云平臺業(yè)務服務，也處理來自云平臺的命令并轉(zhuǎn)發(fā)到底層相關(guān)接口。

通信套件的設計非常擬合物聯(lián)網(wǎng)的軟件定義網(wǎng)絡模型，該模型可簡化為三層：應用層、控制層和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層，其中控制層中的數(shù)據(jù)流表對應于簡化域控模型的域控規(guī)則層。軟件定義物聯(lián)網(wǎng)的重點是突出控制層的軟件能力，采用軟件分層接口技術(shù)屏蔽數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層相關(guān)細節(jié)，使得應用層專注于實際的管理。通信模組的可增減設計，理論上也具備了軟件定義轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的強大能力。

3? 應急橋接標準化套件軟硬件關(guān)鍵技術(shù)

通信套件硬件的設計架構(gòu)是用總線連接不同協(xié)議類型的模組，模組可以按照統(tǒng)一的CAN總線接口匯聚到帶CPU的通信背板，便于軟件進行統(tǒng)一的封裝以實現(xiàn)底層的標準化處置。

采用業(yè)界主流的通信板卡拼接組成，分為通信模組板和核心背板，開發(fā)板實物結(jié)構(gòu)如圖3所示。

核心背板配置雙通道的CAN總線收發(fā)器，自帶網(wǎng)口和Wi-Fi能實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳、人機交付和命令傳達。為方便現(xiàn)場快速操作，CAN通道的地址被設計用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的定義：如果通道一和通道二均接入了套件，則進行數(shù)據(jù)橋接。如果只有一個通道有套件則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到IP網(wǎng)絡。CAN總線采用數(shù)據(jù)線連接實現(xiàn)對通信板的供電，利用CAN總線的高速性能和遠距離通信還能實現(xiàn)套件在有異物阻擋，無線信號不暢通情況下的靈活組網(wǎng)。所有板卡采用STM32芯片，涉及有線組網(wǎng)（RS-485）和低功耗窄帶組網(wǎng)（NB-IoT、LoRa）外設開發(fā)。具體芯片選型采用高性能產(chǎn)品系列：STM32F4、STM32F7、STM32H7和無線產(chǎn)品系列：STM32WB。

基于嵌入式軟件智能融合的理念，軟件關(guān)鍵技術(shù)采用分層和封裝的思想完成架構(gòu)設計。在核心板對所有外部可組合通信模組進行嵌入式軟件融合，對通信套件提供SDK包完成標準化預置，軟件分層架構(gòu)如圖4所示。

通信套件中抽象出軟件融合層，屏蔽既有傳感網(wǎng)絡協(xié)議設備的不同嵌入式軟件，對接各通信模組的處理邏輯并調(diào)用統(tǒng)一的CAN總線接口。套件設計為可增減，依據(jù)組網(wǎng)邏輯可完成異構(gòu)網(wǎng)絡橋接，通過5G、衛(wèi)星、RS485等通信方式上傳數(shù)據(jù)。核心板的軟件架構(gòu)首先是對外部設備和通信芯片驅(qū)動的封裝，形成統(tǒng)一的硬件驅(qū)動層。核心板自帶TCP/IP協(xié)議棧，完成默認的IP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)遠傳。核心板的軟件融合層與通信套件相對應，面向CAN協(xié)議屏蔽了核心板自帶的通信協(xié)議棧，通過包轉(zhuǎn)發(fā)層完成傳感數(shù)據(jù)包和命令數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。

核心板對其他板卡的處置和配置則通過統(tǒng)一的命令解析層完成（套件嵌入到軟件融合層）。對套件進行標準化預制，可以快速改造不同協(xié)議的模組，模組可依據(jù)應急通信的具體需求組合更換。這樣的軟件架構(gòu)設計可擴展性強，能快速完成多人的并行開發(fā)，開發(fā)效率和測試效率得到極大的提升，并且能很好地利用STM32本身帶來的庫函數(shù)和芯片驅(qū)動源碼。

通信套件的頂層函數(shù)算法代碼為：

/*融合層預置標準化通信套件算法概要*/

int main（void）

{

......

if（CanP_TestFifo（） == 1）{ //CAN總線檢測，指示燈控制

LED1=BLUE;

}

Can_Rx_Check（）;

Local_Rx_Check（）;

switch（Frm_Rx_Flag）{

case CAN_FRM：

if（CMD_Rx_flag == 1）{//收到核心板傳來命令

SetCmdCallBack（CanRxMsg.Data， CallBackLocalFunc）;

}

else if（DAT_Rx_flag == 1） {? ?//收到核心板轉(zhuǎn)發(fā)包

SendToLocalProtocol（CanRxMsg.Data，len）;

}

Can_Flag_clean（）; ? //清除標志位狀態(tài)

break;

case LOCAL_FRM：//本地協(xié)議棧數(shù)據(jù)包

Send_Data_To_CANFifo（CanRxMsg.Data，len）;//發(fā)往核心板

LOCAL_Flag_clean（）;

break;

default：

break;

}

......

}

包括CAN通信幀ID在內(nèi)的傳感器編碼控制等參數(shù)可以通過命令解析完成。具體的協(xié)議棧和控制沿用本地的處理邏輯，如自組網(wǎng)的磋商、路由算法等。融合匯聚數(shù)據(jù)包必須發(fā)往核心板完成轉(zhuǎn)發(fā)。核心板完成數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)算法的概要代碼為：

/*核心板數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)域控算法概要*/

int main（void）

{

......

if（Can1_TestFifo（） == 1）{//CAN1總線檢測，指示燈控制

CAN1_ONLINE_FLAGE = 1;

LED1=BLUE;

}

if（Can2_TestFifo（） == 1）{ //CAN2總線檢測，指示燈控制

CAN2_ONLINE_FLAGE = 1;

LED2=BLUE;

}

Can1_Rx_Check（）;

Can2_Rx_Check（）;

Local_Rx_Check（）;//本地WAN口和WIFI檢測

switch（Frm_Rx_Flag）{

case CAN1_FRM：

if（Can1_CMD_Rx_flag == 1）{ //收到套件命令應答

SetCmdCallBack（Can1RxMsg.Data，len，CallBackLocalSet）;

}

else if（Can1_DAT_Rx_flag == 1&& CAN2_ONLINE_FLAGE == 1） {//中繼橋接轉(zhuǎn)發(fā)

SendToCan2Fifo（Can1RxMsg.Data，len）;

}

else if（Can1_DAT_Rx_flag == 1&& CAN2_ONLINE_FLAGE == 0）{? ? ?//核心板采集數(shù)據(jù)上傳

SendToWanIp（Can1RxMsg.Data，len）;

}

Can_Flag_clean（）; //清除標志位狀態(tài)

break;

case CAN2_FRM：

if（Can2_CMD_Rx_flag == 1）{//收到套件命令應答

SetCmdCallBack（Can2RxMsg.Data，len，CallBackLocalSet）;

}

else if（Can2_DAT_Rx_flag == 1&& CAN1_ONLINE_FLAGE == 1） {//中繼橋接轉(zhuǎn)發(fā)

SendToCan1Fifo（Can2RxMsg.Data，len）;

}

else if（Can2_DAT_Rx_flag == 1&&CAN1_ONLINE_FLAGE == 0）{//核心板采集數(shù)據(jù)上傳

SendToWanIp（Can2RxMsg.Data，len）;

}

Can_Flag_clean（）;

break;

case LOCAL_FRM：//本地WAN口和WIFI數(shù)據(jù)包

if（CAN1_ONLINE_FLAGE == 0）

Send_Data_To_CAN1Fifo （CanRxMsg.Data，len）;//發(fā)往CAN1

if（CAN2_ONLINE_FLAGE == 0）

Send_Data_To_CAN1Fifo （CanRx Msg. Data，len）;//發(fā)往CAN2

LOCAL_Flag_clean（）;

break;

default：

break;

}

......

}

包轉(zhuǎn)發(fā)中調(diào)度邏輯不需要耗時配置，系統(tǒng)默認調(diào)度邏輯為如果兩端均有套件，指示燈亮則完成中繼或橋接，如果只有一端有套件則采集數(shù)據(jù)上傳。

4? 結(jié)? 論

標準化通信套件工作環(huán)境多樣，需要解決電池長時間帶電工作，板卡的CPU具備休眠和信號喚醒模式，采用低功耗的算法和微處理內(nèi)核支撐來達到套件的功耗要求。在工程應用中還需要關(guān)注套件本身的供電方式，支持有源供電與可充電高容量電池的集成，為野外作業(yè)和通信提供保障。在完成研制后要匹配套件封裝設計，達到野外可防水防塵的效果;要設計可插拔接口和自鎖裝置，具備各自獨立的通信天線設計。

套件的具體應用與數(shù)據(jù)類型有關(guān)，需針對性研究和開發(fā)。工業(yè)應急通信搶險、快速網(wǎng)絡修復和數(shù)據(jù)緊急組網(wǎng)上傳在工礦企業(yè)、電力系統(tǒng)、能源管線、橋梁大壩等場所均有迫切的應用需求。所研究的軟硬件關(guān)鍵技術(shù)能在一定程度上為開發(fā)者提供指引。

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作者簡介：李云雪（1974—），男，漢族，四川雅安人，講師，碩士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析。