EPA控制網(wǎng)絡(luò)中ZigBee接入點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)

在國家863計(jì)劃的連續(xù)滾動(dòng)支持下，重慶郵電學(xué)院作為核心單位參與制定了國家標(biāo)準(zhǔn)——《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA（Ethernet for plant automation）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信標(biāo)準(zhǔn)》（簡稱“EPA標(biāo)準(zhǔn)”）。在此基礎(chǔ)上形成的65C/357/NP以95.8%的得票率被國際電工委員會(huì)IEC 發(fā)布為IEC/PAS 62409，作為第14類型列入實(shí)時(shí)以太網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 617482、作為第14類型將列入現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158（修訂版）。

EPA標(biāo)準(zhǔn)是一種基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等信息網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，適用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)裝置與儀器儀表間、工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表相互間數(shù)據(jù)通信的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。

ZigBee是一種低速率(2 kbps～200 kbps)WPAN IEEE標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率只有100 Kbps，同時(shí)，它又具有低功耗，架構(gòu)簡單，成本低的特點(diǎn)，適用于多種無線需求，尤其對工控（監(jiān)視器、傳感器和自動(dòng)控制設(shè)備）等領(lǐng)域更是顯示出其獨(dú)有的優(yōu)勢。

在EPA網(wǎng)絡(luò)中，引入ZigBee技術(shù)是新提出的研究課題。本文重點(diǎn)研究如何將ZigBee無線通信與有線的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)行融合，提出一種 ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò)的方案，并按照提出的方案設(shè)計(jì)一種實(shí)施實(shí)例設(shè)備——EPAZigBee接入點(diǎn)設(shè)備。經(jīng)過多次反復(fù)的測試、檢測，目前 EPAZigBee接入點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠、安全，可以滿足工作現(xiàn)場的多種需要。

1  ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò)的方案

1.1  ZigBee接入點(diǎn)接入EPA組網(wǎng)方案

EPA是有線的網(wǎng)絡(luò)，而ZigBee是無線通信技術(shù)，針對如何將ZigBee技術(shù)接入到EPA網(wǎng)絡(luò)這個(gè)研究課題，提出了一種組網(wǎng)方案。在這個(gè)方案中，EPA有線網(wǎng)絡(luò)由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、應(yīng)用計(jì)算機(jī)、EPA服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成；ZigBee網(wǎng)絡(luò)由EPA現(xiàn)場設(shè)備和EPAZigBee接入點(diǎn)構(gòu)成。 EPA有線網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間通過EPAZigBee接入點(diǎn)連接，EPAZigBee接入點(diǎn)負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星形、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)?，可以對多個(gè)ZigBee設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)。

在整個(gè)方案中，ZigBee接入點(diǎn)是EPA控制網(wǎng)絡(luò)中的重要設(shè)備之一，是負(fù)責(zé)終端設(shè)備的管理及協(xié)調(diào)無線與有線網(wǎng)絡(luò)之間通信的關(guān)鍵部件。 ZigBee接入點(diǎn)具有將ZigBee設(shè)備接入EPA有線網(wǎng)絡(luò)的功能，是連接EPA有線網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的橋接設(shè)備。ZigBee接入點(diǎn)作為無線訪問點(diǎn)，ZigBee終端設(shè)備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、打包，通過無線鏈路發(fā)送到ZigBee接入點(diǎn)。這里EPAZigBee接入點(diǎn)是一個(gè)具有接入點(diǎn)功能的ZigBee模塊，相當(dāng)于一個(gè)EPA網(wǎng)關(guān)，將ZigBee中的每一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備映射一個(gè)IP地址與TCP/UDP端口，實(shí)現(xiàn)IP地址與 TCP/UDP端口與ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址的互相轉(zhuǎn)換，從而使EPA有線網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備可以通過IP地址與TCP/UDP端口訪問每一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備。

1.2  ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò)層次協(xié)議模型

考慮到控制網(wǎng)絡(luò)中傳送的信息多為短幀信息，且信息交換頻繁的特點(diǎn)，同時(shí)為了使控制網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議簡單實(shí)用，提高工作效率和通信的實(shí)時(shí)性及時(shí)間的確定性，縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，在分析控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、IEEE802.15.4協(xié)議與ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上，以及在EPA中ZigBee接入可行性的基礎(chǔ)上，提出EPA接入設(shè)備與IEEE802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次，EPA接入設(shè)備與EPA有線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次的應(yīng)用模型。該通信協(xié)議的層次體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

           
                                圖1  EPA中ZigBee通信協(xié)議的應(yīng)用模型

在這個(gè)通信協(xié)議層次中，IEEE802.15.4/ZigBee各層協(xié)議的功能如下：

①  物理層。IEEE802.15.4運(yùn)行在2.4 GHz ISM頻段。采用直接序列擴(kuò)頻DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）調(diào)制方式，降低數(shù)字集成電路的成本，并且都使用相同的包結(jié)構(gòu)，以便短作業(yè)周期、低功耗地運(yùn)作。

②  MAC層。它負(fù)責(zé)處理所有的物理無線信道訪問，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號和同步信號，支持PAN連接和分離，提供兩個(gè)對等MAC實(shí)體之間可靠的鏈路等。

③  EPA應(yīng)用層。EPA應(yīng)用層為用戶應(yīng)用進(jìn)程間的數(shù)據(jù)通信提供接口。針對工業(yè)控制實(shí)時(shí)應(yīng)用，提供了變量訪問服務(wù)、事件管理服務(wù)、文件上裝/下載服務(wù)等實(shí)時(shí)通信服務(wù)。

發(fā)送時(shí)，EPA應(yīng)用進(jìn)程在調(diào)用應(yīng)用層服務(wù)時(shí)，應(yīng)該提供所有服務(wù)所需要的參數(shù)，然后由應(yīng)用層服務(wù)將數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后，傳給網(wǎng)絡(luò)接口層對象，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

接收時(shí)，應(yīng)用層收到來自通信端口的數(shù)據(jù)后，上傳給應(yīng)用層服務(wù)，由應(yīng)用層服務(wù)根據(jù)服務(wù)報(bào)文中的目的應(yīng)用進(jìn)程標(biāo)識ID，將接收到的數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用層中相應(yīng)的用戶應(yīng)用進(jìn)程，由用戶應(yīng)用進(jìn)程對相應(yīng)的參量進(jìn)行更新和進(jìn)一步處理。

2  EPAZigBee接入點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

ZigBee現(xiàn)場設(shè)備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過無線鏈路傳送到ZigBee接入點(diǎn)。ZigBee接入點(diǎn)的接口電路如圖2所示。

MCU采用新華龍公司代理的C8051F120。它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有128 KB Flash存儲(chǔ)器，8 448字節(jié)的片內(nèi)RAM，峰值為100，64個(gè)數(shù)字I/O引腳。采用C8050F120主要是考慮到系統(tǒng)處理的存儲(chǔ)量和處理速度，在接入點(diǎn)需要處理的請求較終端多，所以使用C8050F120更加合理。RAM存儲(chǔ)器的型號為IS62LV2568，存儲(chǔ)空間為256 KB，工作電壓也是3.3 V。采用RAM的主要目的是擴(kuò)展C8051F120的內(nèi)存，因?yàn)樵谶@里需要燒寫EPA協(xié)議堆棧，需要的內(nèi)存空間比較大。

ZigBee模塊為IPLink1270。這是一款完全符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)與ZigBee規(guī)范的2.4 GHz無線收發(fā)模塊。模塊提供了一系列的命令，允許很方便地對模塊的各種關(guān)鍵屬性進(jìn)行配置，用戶可以使用終端配置工具或者利用模塊的UART進(jìn)行參數(shù)的配置。該模塊的功能主要是對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備（同樣具有IPLink1270模塊）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，數(shù)據(jù)和控制信息通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C機(jī)上顯示或從PC 機(jī)上輸入。

RTL8019AS以太網(wǎng)控制器是由Realtek公司生產(chǎn)的。這種高集成以太網(wǎng)控制器芯片集成了介質(zhì)訪問控制子層（MAC）和物理層的性能，可以方便地設(shè)計(jì)基于ISA總線的系統(tǒng)，與通用單片機(jī)的接口簡單。另外，它還具有與NE2000兼容、軟件可移植性好，以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在市場上的10 Mbps網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)谋壤?/P>

3  EPAZigBee接入點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)

接入點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)大致由3個(gè)模塊組成：ZigBee與C8051F120之間的驅(qū)動(dòng)和通信，C8051F120與RTL8019之間的驅(qū)動(dòng)和通信，ZigBee報(bào)文轉(zhuǎn)換為EPA報(bào)文。在介紹軟件實(shí)現(xiàn)部分之前先簡要介紹ZigBee接入點(diǎn)的協(xié)議模型。

3.1  ZigBee接入點(diǎn)的通信過程

下面是設(shè)計(jì)的ZigBee接入點(diǎn)的協(xié)議模型，如圖3所示。基本原理就是在ZigBee的MAC層之上，通過網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建ZigBee PAN實(shí)現(xiàn)模式之一自組織網(wǎng)絡(luò)SON。這是帶有ZigBee的設(shè)備間所形成的網(wǎng)絡(luò)?？蛻舳撕徒尤朦c(diǎn)都是PAN的成員，同時(shí)對接入點(diǎn)來說又要實(shí)現(xiàn) ZigBee PAN的另一種實(shí)現(xiàn)模式網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)NAP功能，其他帶有ZigBee的設(shè)備在是PAN成員的基礎(chǔ)上才能通過NAP接入有線網(wǎng)絡(luò)。