基于WIA-PA的工業(yè)無線網關開發(fā)及實現(xiàn)

李巧劉楓

(西南大學計算機與信息科學學院，重慶 400715)

0 引言

隨著信息技術的飛速發(fā)展，工業(yè)無線網絡技術已經成為自動化領域新的研究熱點。從無線傳感器網絡發(fā)展而來的工業(yè)無線網絡技術是一種面向設備間信息交互的無線通信技術。它除了具有高可靠性、易用性、低能耗等特點外，還具有較強的抗干擾性和實時性，能以較低的投資和使用成本獲取工業(yè)現(xiàn)場的重要控制參數和實時數據，從而實現(xiàn)對工業(yè)生產流程進行監(jiān)控和管理［1］。基于 IEEE 802.15.4標準的用于工業(yè)過程測量、監(jiān)視與控制的無線網絡系統(tǒng)(wireless networks for industrial automation-process automation，WIA-PA)，其特點是近距離、低復雜度、低功耗和低數據傳輸速率［2］。

在WIA-PA工業(yè)無線網絡中，無線網關不僅是整個網絡資源、數據、設備儀表的管理者，而且還負責協(xié)議的轉換以及將WIA-PA無線設備網絡和遠程工業(yè)控制網絡連接，使得遠程工業(yè)控制網絡中的上位機可以實時地監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場設備儀表［3］。因此，無線網關在工業(yè)無線網絡中是必不可少的。

1 無線網關概述

1.1 傳統(tǒng)無線網關與WIA-PA無線網關

目前，工業(yè)無線網絡中使用的無線網關主要采用802.11b、GPRS、藍牙等通信技術，成本高、功耗小、移動性差以及安全性弱等特點限制了這類傳統(tǒng)網關的應用［4－5］。本文設計的基于WIA-PA的無線網關通信技術可以較大程度地改進這些性能。與ZigBee無線網關技術相比［6］，WIA-PA無線網關以其通信的高度確定性、較強的抗干擾能力等優(yōu)點，更適合應用于工業(yè)無線網絡。

在功能方面，傳統(tǒng)網關主要完成協(xié)議轉換和部分系統(tǒng)管理功能，而WIA-PA無線網關作為無線網絡接入有線網絡的連接部件，除了具備傳統(tǒng)網關的功能外，還具備一些特有的功能，如具備對無線網絡的管理功能，包括無線網絡形成、無線設備加入和斷開等管理功能［7］。在協(xié)議轉換方面，傳統(tǒng)的工業(yè)無線網關必須同時開發(fā)無線協(xié)議和有線協(xié)議兩部分，包括數據包在無線協(xié)議和有線協(xié)議間轉換，以實現(xiàn)對無線網絡的監(jiān)測和控制。在無線協(xié)議和有線協(xié)議開發(fā)過程中必須考慮為上位機提供相應的服務和服務接口［8］。而WIA-PA無線網關大大簡化了這部分開發(fā)過程，它將無線和有線協(xié)議以及數據的傳輸相互結合在一起，能夠控制無線網絡設備并與外部有線控制網絡互聯(lián)。WIA-PA無線網關以其技術優(yōu)勢，在工業(yè)應用中可逐漸取代傳統(tǒng)網關。目前，它已開始應用于工業(yè)現(xiàn)場測控系統(tǒng)的測試領域;將來，它在工業(yè)控制領域中將擁有深厚的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場前景。

1.2 WIA-PA 無線網關

WIA-PA網絡的體系結構如圖1所示。WIA-PA網絡采用星型和網狀(Mesh)相結合的雙層網絡拓撲結構，實現(xiàn)對網絡通信的分布-集中式控制。WIA-PA無線網關在整個無線網絡中處于核心位置，它不僅管理著整個無線網絡，而且起到中間橋梁的作用，將無線網絡與有線監(jiān)控網絡連接到一起［9］。

圖1 WIA-PA網絡體系結構Fig.1 Architecture of WIA-PA network

2 設計方案

基于無線網關在WIA-PA網絡中所起的作用，需要設計一種基于工業(yè)無線網絡WIA-PA的無線網關:完成WIA-PA節(jié)點的接入和整個無線網絡的管理，如路由、網絡資源的分配等，并使遵循WIA-PA通信協(xié)議的節(jié)點通過無線網關與工業(yè)以太網進行有效通信。

2.1 無線網關結構

根據功能劃分，無線網關主要分為兩部分:負責無線通信的網關路由板(網關路由板是網關路由的數字電路部分)和負責網絡中所有數據資源管理的PC/104嵌入式處理板，其結構如圖2所示。

圖2 無線網關結構圖Fig.2 Structure of wireless gateway

網關路由可以與工業(yè)無線網絡中的節(jié)點進行無線通信，PC/104嵌入式處理板以有線(如網線)的方式連接到以太網中，而網關路由和PC/104嵌入式處理板通過串口連接。

2.2 硬件設計

2.2.1 網關路由板

無線網關中的網關路由板由無線接收模塊和存儲轉發(fā)模塊構成，能夠接收網絡中普通路由器發(fā)送的數據，并將這些數據存儲后通過串口發(fā)送至PC/104嵌入式處理板。

網關路由板中的無線模塊是實現(xiàn)無線通信的主要硬件部分，它能夠接收無線網絡中路由器發(fā)來的數據，也能夠向無線網絡發(fā)送數據。通信時可以采用2.4 GHz和433 MHz兩個頻段。在WIA-PA網絡中采用的是高頻，因為高頻信號強度較強，能夠抵抗工業(yè)現(xiàn)場中的一些干擾，從而提高通信的可靠性。同時，為了擴大射頻范圍，采用了無線放大器CC2591，它能夠進一步放大無線信號，使無線信號和抗干擾能力都得到增強。

在本設計中，網關路由板中的主處理芯片采用的是CC2431。CC2431管理整個無線通信過程，同時將接收到的數據存儲轉發(fā)至PC/104嵌入式處理板。由于主處理芯片CC2431自身的內存有限，而網關路由板需要對整個網絡中的無線通信數據進行接收和發(fā)送，因此，僅僅依靠CC2431自身的64 kB內存來完成存儲和轉發(fā)整個網絡中的無線通信數據和資源，完全不能滿足要求［10］。為此，在網關路由板上需要增加一個32位的ARM微處理機LPC2106。該微處理機通過獨立的DMA控制器進行數據存儲。這不僅擴大了內存，而且也提高了傳輸效率［11］。

2.2.2 PC/104 嵌入式處理板

PC/104嵌入式處理板是一個微型的PC機，其較強的抗電磁干擾能力和低功耗等特性使其完全能夠滿足工業(yè)無線網絡對網關的要求。它擁有小巧的外形、較高的穩(wěn)定性和可擴展性，與PC系統(tǒng)兼容的操作系統(tǒng)、開發(fā)工具、應用軟件都可以運行在 PC/104系統(tǒng)中，使得在此基礎上開發(fā)用于管理工業(yè)無線網絡的工具變得較為方便。PC/104嵌入式處理板中擁有工業(yè)無線網絡需要的所有通信資源，它對這些資源進行管理分配，并對整個無線網絡中節(jié)點進行控制，包括節(jié)點的加入與通信信道、時隙的分配等;它是整個工業(yè)無線網絡中的管理者，具有不可替代的作用。

PC/104嵌入式處理板通過串口與網關路由連接，并通過串口在它們之間傳送數據。網關路由板上接有Debug接口，通過仿真器連接到PC機的USB接口上，就可以實現(xiàn)PC機對主電路板的操作，包括將程序下載到主電路板的芯片中。此外，在調試程序時，通過Debug接口實現(xiàn)已下載到主電路板上的程序在電路板上和在PC機上同步運行，即電路板上的程序運行時，在PC機上通過單步運行觀察到程序運行的狀況，從而調試、測試程序。

2.3 軟件設計

根據WIA-PA無線通信網絡協(xié)議，無線網關中的PC/104嵌入式處理板需要安裝合適的操作系統(tǒng)。本設計通過安裝Linux操作系統(tǒng)來管理整個工業(yè)無線網絡資源，包括網絡的通信協(xié)議處理、現(xiàn)場設備通信資源的分配、網絡中路由通信資源以及整個網絡通信資源的分配。

基于WIA-PA的工業(yè)無線網關路由需要開發(fā)單片機程序。這部分的程序開發(fā)可以單獨開發(fā)，然后將其和PC/104網關配合調試。網關路由的串口可以通過仿真器與PC機連接。將在PC機上設計調試好的完整網關路由程序下載到主處理芯片CC2431內存中之后，網關路由便可單獨運行。

系統(tǒng)使用C語言開發(fā)網關路由上的單片機程序，主要程序語句如下。無線網關加電啟動后，首先啟動PC/104嵌入式處理板，加載操作系統(tǒng);操作系統(tǒng)啟動后，將由它配置并啟動網關路由，然后網關將等待來自以太網的連接，以便上位機能夠連接到網關;網關路由啟動后，等待來自PC/104網關的命令，PC/104網關將一些資源和配置屬性通過串口發(fā)送給網關路由。此時，網關路由便可通過無線發(fā)送至網絡中，使整個網絡可用。

無線網關啟動流程圖如圖3所示。

圖3 無線網關啟動流程圖Fig.3 Startup flowchart of wireless gateway

3 結束語

本文提供了WIA-PA工業(yè)無線網絡網關設計方案。與傳統(tǒng)網關相比，WIA-PA工業(yè)無線網絡網關具有結構簡單、協(xié)議轉換容易等優(yōu)點，且連接了有線網絡和無線網絡，使得它能夠靈活應用在工業(yè)網絡中。基于WIA-PA的工業(yè)無線網關采用32位的ARM微處理機LPC2106、CC2591無線放大器以及無線單片機CC2431，解決了CC2431內存有限和射頻范圍小的問題，提高了無線通信的效率以及無線信號的抗干擾能力。WIA-PA無線網關完全符合WIA-PA工業(yè)無線網絡的要求。目前，它已經在WIA-PA工業(yè)無線網絡中得到很好的應用。

［1］冀翔宇，馮冬芹.低功耗工業(yè)無線傳感器網絡的設計與實現(xiàn)［J］.化工自動化及儀表，2008，35(4):47－50.

［2］曾鵬，于海斌.工業(yè)無線網絡WIA標準體系與關鍵技術［J］.自動化博覽，2009，26(1):24－27.

［3］王華，劉楓，楊頌華.工業(yè)無線網絡WIA-PA網絡研究與設計［J］.自動化與儀表，2009，24(27):17－21.

［4］何戟，李孝安.基于藍牙的移動數據采集處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.計算機應用研究，2006，23(11):196－198.

［5］張黎，羅藝榮.基于IEEE 802.11b的無線局域網網關的研究［J］.計算機科學，2007，34(2):62－64.

［6］劉雅舉，蔡振江，張莉，等.基于射頻芯片的ZigBee無線傳感器網絡節(jié)點的設計［J］.微計算機信息，2007，23(22):167－168.

［7］段渭軍，何戟.無線傳感器網絡移動sink網關系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.計算機應用研究，2007，24(3):241－243.

［8］胥軍，方彥軍.嵌入式現(xiàn)場總線協(xié)議轉換網關開發(fā)［J］.計算機工程，2006，32(12):255－257.

［9］曾鵬.無線傳感器網絡與工業(yè)無線測控系統(tǒng)［J］.控制工程，2007(10):44－47.

［10］杜小杰，劉楓，戴志奇.基于CC2431的WIA-PA網絡節(jié)點設計［J］.化工自動化及儀表，2010，37(2):63－66.

［11］周立功.ARM微控制器基礎與實踐［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.