基于WSN與現(xiàn)場總線的機(jī)艙監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計研究

胡順強(qiáng) 劉彥呈 周飛云

(大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院， 大連 116026)

1 引言

隨著工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)比較成熟。現(xiàn)場總線基于OSI的開放式模型，采用全數(shù)字式通信，借助智能節(jié)點(diǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)分布式控制，具有結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)時性和可靠性好，通訊速率高等優(yōu)點(diǎn)，在船舶機(jī)艙的監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。但由于機(jī)艙環(huán)境復(fù)雜，如高溫潮濕、線纜易被腐蝕，布線空間狹小等，現(xiàn)場總線的線纜鋪設(shè)受到很大限制缺乏靈活性且維護(hù)成本高；另外現(xiàn)場總線多采用令牌傳遞的總線訪問方式，如果總線掛靠監(jiān)控節(jié)點(diǎn)過多，會降低網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的實(shí)時性，這些都成為現(xiàn)場總線在船舶應(yīng)用上的軟肋。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN,Wireless Sensor Net-work)作為一種新型的測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是能夠自主實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸應(yīng)用的智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有成本低、便于布置、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。WSN在船舶機(jī)艙自動化系統(tǒng)方面的應(yīng)用研究，近幾年發(fā)展較快，其動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)適合機(jī)艙環(huán)境中靈活放置進(jìn)行參數(shù)采集和設(shè)備監(jiān)控。但也存在中心節(jié)點(diǎn)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(shí)際中應(yīng)用還很少。

綜合現(xiàn)場總線和WSN兩種網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種面向船舶機(jī)艙的新型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，將二者的優(yōu)勢結(jié)合到一起，作為一個整體共同完成機(jī)艙的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控和報警等任務(wù)。

2 網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)

目前在船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場總線，作為一種現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，向上可以通過計算機(jī)現(xiàn)有的通訊接口（如PCI、USB口等）與上層網(wǎng)絡(luò)連接，上層管理網(wǎng)絡(luò)的用戶之間可以共享信息。向下延伸到工業(yè)現(xiàn)場，通過連接在分支上的傳感器、執(zhí)行器和測控儀表等智能節(jié)點(diǎn)設(shè)備，將現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)以及故障信息傳送到集中控制室，又將各種控制、維護(hù)組態(tài)命令送到測控現(xiàn)場的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)分布控制。

圖1 網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)

該設(shè)計將現(xiàn)場總線作為網(wǎng)絡(luò)主干線，選取現(xiàn)場總線上的某些節(jié)點(diǎn)作為具有特殊功能的通信節(jié)點(diǎn)，作為紐帶將現(xiàn)場總線和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接在一起。該節(jié)點(diǎn)具有現(xiàn)場總線節(jié)點(diǎn)和 WSN協(xié)調(diào)器雙重身份，完成兩種網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換和物理連接。這樣在結(jié)構(gòu)上擴(kuò)展了現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層，提高分支網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控性能。網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)見圖1。

該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在機(jī)艙布置中更加靈活，在相對安全、維護(hù)方便、強(qiáng)電磁輻射的工作場所采用鋪設(shè)線纜的方法，在空間狹小、高溫潮濕有腐蝕性的環(huán)境下采用無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。WSN組網(wǎng)靈活，在機(jī)艙監(jiān)控中可以隨時根據(jù)具體情況布置監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)；中心節(jié)點(diǎn)由于與總線相連，不用考慮能耗的問題，所以增強(qiáng)了其數(shù)據(jù)處理和傳輸能力。

3 WSN與現(xiàn)場總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換

3.1 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

根據(jù)兩種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)，該設(shè)計采用基于ZigBee通信標(biāo)準(zhǔn)的WSN和CAN總線。兩者通信時需要在節(jié)點(diǎn)內(nèi)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程如圖2所示。

圖2 協(xié)議轉(zhuǎn)換示意圖

WSN與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)是協(xié)議轉(zhuǎn)換。ZigBee雖然基于標(biāo)準(zhǔn)的七層開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型，但是 ZigBee聯(lián)盟僅對設(shè)計 ZigBee的應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層框架進(jìn)行了定義。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面兩層：物理層和介質(zhì)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(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)和功能。信息傳輸過程中，WSN的中心節(jié)點(diǎn)與微控制器以字符數(shù)據(jù)傳輸，然后向上逐層轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。下面介紹完成協(xié)議轉(zhuǎn)換的節(jié)點(diǎn)硬件和軟件設(shè)計。

3.2 硬件設(shè)計

完成協(xié)議轉(zhuǎn)換的通信節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖 3所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)選用支持ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的 CC2430芯片，CC2430能滿足以 ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用對低成本、低功耗的要求，它包括一個射頻收發(fā)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(fā)器選用PCA82C250。微控制器型號為AT89S51，負(fù)責(zé)協(xié)議轉(zhuǎn)換和向總線收發(fā)數(shù)據(jù)。

圖3 通信節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

該節(jié)點(diǎn)設(shè)計只是在原來 CAN總線應(yīng)用節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上通過微控制器完成 ZigBee協(xié)議和總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，不需要額外增加硬件成本，同時也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計分為三個功能模塊：ZigBee節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)收發(fā)。ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的通信協(xié)議是在 TI公司的Z-Stack協(xié)議棧基礎(chǔ)上開發(fā)的應(yīng)用層程序，在IAR平臺上調(diào)試編譯、下載。下面重點(diǎn)介紹 ZigBee網(wǎng)絡(luò)與CAN總線的通信。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(wù)，設(shè)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(jié)點(diǎn)CC2430收到前端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷，返回數(shù)據(jù)或指令。當(dāng)判斷該數(shù)據(jù)需要發(fā)送給現(xiàn)場總線時，通過CC2430的串口發(fā)送引腳傳輸給AT89S51的RX引腳；同樣當(dāng)來自上位機(jī)的指令需要傳達(dá)給 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的前端節(jié)點(diǎn)時，AT89S51通過總線通信控制器接收然后由串口發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。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(jié)束語

由 WSN與現(xiàn)場總線相結(jié)合構(gòu)成的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在機(jī)艙監(jiān)控應(yīng)用中優(yōu)勢互補(bǔ)，能降低線纜鋪設(shè)和維護(hù)成本，減少安全隱患提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以通過現(xiàn)場總線與船舶以太網(wǎng)互聯(lián)，進(jìn)而擴(kuò)展到互聯(lián)網(wǎng)，這在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大發(fā)展的今天，對研究物聯(lián)網(wǎng)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用同樣有著積極的意義。

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