基于WSN與現場總線的機艙監控網絡設計研究

胡順強 劉彥呈 周飛云

(大連海事大學輪機工程學院， 大連 116026)

1 引言

隨著工業控制網絡的發展，現場總線技術已經比較成熟。現場總線基于OSI的開放式模型，采用全數字式通信，借助智能節點設備實現分布式控制，具有結構簡單，實時性和可靠性好，通訊速率高等優點，在船舶機艙的監控系統中應用廣泛。但由于機艙環境復雜，如高溫潮濕、線纜易被腐蝕，布線空間狹小等，現場總線的線纜鋪設受到很大限制缺乏靈活性且維護成本高；另外現場總線多采用令牌傳遞的總線訪問方式，如果總線掛靠監控節點過多，會降低網絡監控的實時性，這些都成為現場總線在船舶應用上的軟肋。無線傳感器網絡(WSN,Wireless Sensor Net-work)作為一種新型的測控網絡技術，是能夠自主實現數據采集和傳輸應用的智能網絡系統，具有成本低、便于布置、易于維護等優點。WSN在船舶機艙自動化系統方面的應用研究，近幾年發展較快，其動態變化的網絡拓撲結構和無線傳輸等特點適合機艙環境中靈活放置進行參數采集和設備監控。但也存在中心節點能耗限制、信號容易被干擾等缺陷，所以目前仍多處于理論探索階段，在實際中應用還很少。

綜合現場總線和WSN兩種網絡的技術特點，提出了一種面向船舶機艙的新型監控網絡，將二者的優勢結合到一起，作為一個整體共同完成機艙的數據采集、設備監控和報警等任務。

2 網絡的整體架構

目前在船舶機艙監控系統中應用廣泛的現場總線，作為一種現場控制網絡，向上可以通過計算機現有的通訊接口（如PCI、USB口等）與上層網絡連接，上層管理網絡的用戶之間可以共享信息。向下延伸到工業現場，通過連接在分支上的傳感器、執行器和測控儀表等智能節點設備，將現場設備的運行參數、狀態以及故障信息傳送到集中控制室，又將各種控制、維護組態命令送到測控現場的設備中實現分布控制。

圖1 網絡整體架構

該設計將現場總線作為網絡主干線，選取現場總線上的某些節點作為具有特殊功能的通信節點，作為紐帶將現場總線和無線傳感器網絡連接在一起。該節點具有現場總線節點和 WSN協調器雙重身份，完成兩種網絡的協議轉換和物理連接。這樣在結構上擴展了現場設備網絡層，提高分支網絡的監控性能。網絡的整體架構見圖1。

該監控網絡在機艙布置中更加靈活，在相對安全、維護方便、強電磁輻射的工作場所采用鋪設線纜的方法，在空間狹小、高溫潮濕有腐蝕性的環境下采用無線網絡監控。WSN組網靈活，在機艙監控中可以隨時根據具體情況布置監控終端節點；中心節點由于與總線相連，不用考慮能耗的問題，所以增強了其數據處理和傳輸能力。

3 WSN與現場總線的協議轉換

3.1 協議棧結構

根據兩種網絡技術的發展現狀和特點，該設計采用基于ZigBee通信標準的WSN和CAN總線。兩者通信時需要在節點內完成協議轉換，轉換過程如圖2所示。

圖2 協議轉換示意圖

WSN與現場總線網絡結構不同，網絡互聯的關鍵技術是協議轉換。ZigBee雖然基于標準的七層開放式系統互聯(OSI)模型，但是 ZigBee聯盟僅對設計 ZigBee的應用層和網絡層框架進行了定義。IEEE 802.15.4標準定義了最下面兩層：物理層和介質訪問控制子層。CAN總線分為對象層、傳輸層和物理層，這里的對象層和傳輸層包括了OSI模型里的數據鏈路層的服務和功能。信息傳輸過程中，WSN的中心節點與微控制器以字符數據傳輸，然后向上逐層轉換為相應的數據幀。下面介紹完成協議轉換的節點硬件和軟件設計。

3.2 硬件設計

完成協議轉換的通信節點結構圖如圖 3所示。無線傳感器網絡的中心節點選用支持ZigBee標準的 CC2430芯片，CC2430能滿足以 ZigBee為基礎的2.4GHz ISM波段應用對低成本、低功耗的要求，它包括一個射頻收發器核心和一個高效的 8051微控制器。CAN通信控制器為SJA1000，CAN總線收發器選用PCA82C250。微控制器型號為AT89S51，負責協議轉換和向總線收發數據。

圖3 通信節點結構圖

該節點設計只是在原來 CAN總線應用節點的基礎上通過微控制器完成 ZigBee協議和總線協議的轉換，不需要額外增加硬件成本，同時也提高了系統的穩定性。

3.3 軟件設計

軟件設計分為三個功能模塊：ZigBee節點之間的通信，CC2430與STC89S51的通信和微控制器對 CAN通信控制器的初始化及數據收發。ZigBee節點之間的通信協議是在 TI公司的Z-Stack協議棧基礎上開發的應用層程序，在IAR平臺上調試編譯、下載。下面重點介紹 ZigBee網絡與CAN總線的通信。

ZigBee網絡與CAN總線的通信具體到硬件上就是CC2430與STC89S51的通信，屬于雙機異步通信，由于二者之間除了相互通信還需要處理其他任務，設計中采用串口中斷方式，在中斷處理程序中完成通信，以提高時效性。中心節點CC2430收到前端監測節點的數據后，對數據進行處理判斷，返回數據或指令。當判斷該數據需要發送給現場總線時，通過CC2430的串口發送引腳傳輸給AT89S51的RX引腳；同樣當來自上位機的指令需要傳達給 ZigBee網絡的前端節點時，AT89S51通過總線通信控制器接收然后由串口發送給中心節點。AT89S51在整個通信過程中起到橋梁的作用，其主程序及中斷處理程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序和中斷程序流程圖

4 結束語

由 WSN與現場總線相結合構成的新型網絡結構，在機艙監控應用中優勢互補，能降低線纜鋪設和維護成本，減少安全隱患提高網絡可靠性。由無線傳感器網絡構成的底層監控網絡可以通過現場總線與船舶以太網互聯，進而擴展到互聯網，這在物聯網技術大發展的今天，對研究物聯網在船舶領域的應用同樣有著積極的意義。

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