基于無線傳感器網絡的在線分析系統設計

劉宏飛，程明霄，陸春宇，陳明奇

（南京工業大學自動化與電氣工程學院，江蘇南京 211816）

0 引言

在線分析系統是指由樣品處理系統、在線分析儀器、數據采集處理傳輸系統及公用工程集成在一起的組合系統，其中，分析儀器大致可分為電化學分析法、氣相色譜法、質譜分析法、紅外光譜法、高效液相色譜法、紫外—可見光譜法等方法［1］。近年來，在線分析系統的應用發展十分迅速，在線分析系統正在越來越廣泛的應用于各類工業生產、環境工程監測等領域。

在線分析系統運行環境一般比較惡劣、環境復雜，傳統的有線數據傳輸存在擴展困難，維修維護成本高等弊端，而且如果分析儀器在運行過程中的突發故障或時常性地出現異常數據得不到及時反饋與處理就會造成很大損失，同時地理位置比較分散，因此，要求分析儀器系統具有靈活可變的信息傳輸方式。近年來，各類無線網絡技術在工業生產、冶金、制造等領域得到廣泛的應用，其中Zig Bee無線網絡技術以其低成本、低功耗、數據傳輸安全、可靠等優勢給工業自動化控制領域提供了新的通信手段［2～4］。

本文設計實現了以無線傳感器網絡為數據傳輸和故障診斷平臺的在線分析系統，提高分析儀器數據傳輸的靈活性和實時性，對工業生產的安全性、穩定性和準確性有著重要的意義。

1 系統總體設計

圖1為基于無線傳感器網絡的在線分析系統，系統主要包含終端儀器節點、現場基站、現場監控中心和遠程服務器端。在工業生產現場的各個分析儀器部署連接終端節點，這些節點通過總線接口與儀器通信，通過接收基站控制端的指令采集來自儀器的測量數據、故障等信息，并按照指令把相應測量數據通過無線技術上傳給基站協調器。

現場基站負責與節點進行組網，通過發送控制指令獲取各個儀器節點的參數數據，并串口上傳至現場監控中心對儀器監控，同時還可以通過GPRS/GSM給遠程服務器端。服務器端不僅可以實時監控工業現場分析儀器的工作狀態，還能長期存儲各個儀表器過程狀態數據，并基于此進行數據分析和預處理。

圖1 總體結構圖Fig 1 Overall structure diagram

2 硬件系統設計

2.1 終端節點設計

本設計采用TI公司的CC2430單片機作為終端節點主控芯片。它支持Zig Bee通信協議［5］，TI公司為CC2430芯片配備了免費的Zig Bee2006協議棧，在CC2430芯片集成了增強型8051處理器，具體符合標準的2.4 GHz的RF無線收發器、128 kB閃存、8 kB SRAM等高性能模塊，同時它還集成了8～14位的A/D轉換器、DMA、定時/計數器、上電復位電路、掉電檢測電路、看門狗定時器、USART，32.768 kHz睡眠模式定時器、ASE—128協處理器以及21個口編程I/O引腳。CC2430從休眠模式轉換到主動模式用的時間很短，并且在接收和發射模式下，電流損耗很低，分別低于27，25mA。CC2430模塊的低功耗、低成本等特點更適合于要求電池壽命長、運行時間長的在線分析系統［6］。

終端節點的硬件由處理器模塊、串行通信模塊、電源管理模塊等構成。處理器模塊主要由 CC2430射頻單片機、射頻電路以及其它外圍電路構成，集成了增強型8051處理器，可完成分析儀器的通信任務與儀器數據采集任務。電源管理模塊主要完成不同電壓等級的轉換、電源穩壓與隔離、鋰電池充放電管理和電源切換的功能。串口通信模塊:在工業現場RS—232/RS—485是使用較多的2種串行通信方式，為此，配備了這2種串行通信接口，從而與智能分析儀器直接相連。終端節點硬件結構如圖2所示。

圖2 終端節點結構圖Fig 2 Structure diagram of terminal node

2.2 基站硬件設計

基站負責建立網絡，管理網絡節點，同時將信息遠程傳輸，圖3所示的網關由處理器模塊、電源模塊、LCD/鍵盤輸入、多個CC2430模塊和GSM模塊組成。處理器模塊使用LPC2210/2220 ARM7微控制器，該控制器內置了串行通信接口，因此，特別適用于工業控制、通信網關、協議轉換器、嵌入式軟件調制解調器以及其它各種類型的應用。主要通信模塊由CC2430模塊和GSM模塊組成，還配置了LCD液晶顯示器，配合操作鍵盤可進行網關相關運行參數的配置。

圖3 基站硬件結構圖Fig 3 Hardware structure diagram of base station

3 軟件設計

3.1 數據通信協議

本設計將無線終端節點與分析儀器以RS—485總線方式進行連接，采用自動化儀器儀表廣泛支持的Modbus協議進行通信，它是應用于電子控制器上的一種通用協議，該協議描述了控制器請求訪問其它設備過程，制定了協議內容公共格式。Modbus已經成為一通用工業標準，能有效支持實時控制和分布式控制的串行通信網絡，在工業生產、控制領域廣泛使用該協議作為通用數據傳輸協議。

它是一個請求/應答協議，每種請求幀格式都對應著一種應答幀格式，主機向從機發出請求幀后，當從機收到發給自己的請求幀，就作出相應的應答幀作為響應。通信模式分為RTU和ASCII 2種模式。相對于ASCII模式，RTU模式表達相同信息需要較少的位數，且在相同通信速率下具有更大的數據流量，因此，本設計采用Modbus協議中RTU通信模式來進行數據通信。

本設計將分析儀器Modbus數據幀與無線網絡技術的Zig Bee幀相結合實現儀器數據的無線傳輸［7，8］，由于 Modbus協議僅定義了OSI參考模型中的應用層，為不同網絡或總線中的儀器設備提供了相互使用訪問的消息結構，因此，以上設計是完全可行的。

Modbus通信中用于區別不同設備的是Modbus地址，而Zig Bee網絡地址是設備加入網絡后被分配的16 bit短地址，用于識別或尋找其他設備所用的地址，當設備申請加入網絡，基站動態給其分配地址，并生成一張設備IEEE地址與所對應的網絡地址的列表。為了使Modbus協議報文在Zig Bee網絡上進行數據傳輸，考慮到IEEE地址的唯一性，節點設備在運行中它不會改變，故將Zig Bee設備的IEEE地址與Modbus地址綁定，通過IEEE地址來獲取Zig Bee網絡地址，進而完成設備尋址與數據傳輸。在Zig Bee的網絡中，設備間尋址主要是通過網絡地址來尋找在Zig Bee網絡其它位置的節點設備。當Zig Bee節點申請加入網絡后，基站動態地給它分配16 bit短網絡地址，同時生成一張各個設備的IEEE地址與其對應網絡地址的列表，在節點設備成功加入網絡后，每個設備都有一個鄰居表，其中包含了無線網絡中各個設備IEEE地址、網絡地址、設備類型等相關信息。

Modbus協議中規定了完整的信息、數據結構和命令應答方式，是應用層報文傳輸協議，因此，將Modbus協議報文加載到Zig Bee網絡的應用層，實現Modbus報文數據在無線Zig Bee傳感網絡中的實時穩定的傳輸［9］。分析儀器收到Zig Bee數據包后需要轉化為Modbus報文，只需將數據包進行拆包，去掉包頭、MAC幀頭、幀尾等，即可提取數據報文。Modbus報文數據加載到Zig Bee報文的流程如圖4所示。

圖4 數據包轉換圖Fig 4 Transfer chart of data packet

3.2 終端節點軟件設計

終端節點與分析儀器相接，主要工作是接收基站控制端的指令采集來自儀器儀表的數據，比如:過程數據、測量數據和故障信息等，并按照控制指令信息把相應測量數據通過Zig Bee無線網絡上傳給基站。終端節點首先進行初始化，配置各模塊，然后向基站發送入網請求，若請求得到正確響應，則入網成功。當沒有接收指令時進入睡眠模式，若無線模塊接收到數據指令，則進入工作狀態，將收到的數據包地址與本身地址相比較是否一致，若一致，則接收數據，根據指令將分析儀器數據發往上層;若不一致，則舍棄。程序流程圖如圖5所示。

圖5 終端節點流程圖Fig 5 Flow chart of terminal node

3.3 基站軟件設計

現場基站負責建立無線網絡，等待終端節點加入網絡，給其動態分配網絡地址，從而完成與節點的組網。協調器主要接收現場控制端和遠程服務器端控制指令，將這些指令向終端節點發送，同時能獲取分析儀器通過終端節點發送來的相應參數數據信息，并轉發至上層?；拒浖鞒虉D如圖6所示。

圖6 基站流程圖Fig 6 Flow chart of base station

4 數據測試驗證

數據測試在南京工業大學儀器研究所，以DH—6001紅外氣體分析儀器為實驗對象，將10組分析儀器分別與終端節點相接，通入含有CO組分的被測氣體，搭建一種無線傳感網在線分析儀器系統?？刂浦行模ǖ刂窞?x01）向分析儀器發送如下數據幀，查詢紅外氣體分析儀器儀器被測組分含量:

1）無線基站收到控制中心發來的Modbus命令幀，如表1示，其中，功能碼03表示讀取二進制值，起始地址表示CO組分含量值所在寄存器位置。

表1 Modbus下行幀格式Tab 1 Downlink frame format of Modbus

根據用戶手冊可知，分析儀器測量組分地址:HC—10H，CO—11H，CO2—12H，NO—13H，O2—14H。

2）基站將收到的Modbus數據幀封裝成Zig Bee數據包，轉發至分析儀器端。提取目的Modbus地址按映射列表查找網絡地址為0x2B，同時將自己網絡地址0x1A加載到數據包中。Zig Bee數據包如表2所示。

表2 Zig Bee數據包Tab 2 Data packet of Zig Bee

3）分析儀器收到Zig Bee通信數據包后，將拆包解析并回應上層，回應的Modbus上行數據包如表3所示，其中，返回數據“2300”表示23轉換為10進制為35，00表示%vol，得出CO組分含量為3.5%。同時將上行數據包加載到Zig Bee網絡，向源地址進行發送。控制中心可以實時接收到相應分析儀器儀表返回數據，并發送至遠程服務器端。

表3 Modbus上行幀格式Tab 3 Uplink frame format of Modbus

經實驗室多次數據測試，整體無線網絡系統組網方便，運行穩定，能有效進行數據傳輸，完全符合設計要求。

5 結論

本文設計的利用無線傳感網絡實現在線分析儀器數據傳輸，是分析儀器智能化的發展趨勢，能提高傳統分析儀器系統總體性能和數據傳輸的靈活性、實時性，同時利用Zig Bee終端節點的結構簡單、成本低、功耗小、易于擴展與維護等特點，使網絡更加穩定長時間工作綜合考慮可廣泛應用于工業自動化控制領域，同時也可應用到其他領域中，具有較高的實用價值和廣闊的應用前景。

［1］王 森.在線分析儀器技術進展、市場前景、存在問題及建議［J］.中國儀器儀表，2009（2）:26-30.

［2］梁煥煥，熊慶宇，石為人.基于無線傳感器網絡的水質在線監測系統研究［J］.傳感器與微系統，2011，30（5）:149-152.

［3］李雄飛，孫俊杰，陳 磊，等.基于Zig Bee技術的無線設備狀態監測系統［J］.儀表技術與傳感器，2012（12）:139-140.

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［5］趙淳臣，王亞剛，王 凱.Zig Bee協議的工業無線網關的設計［J］.自動化儀表，2013，34（2）:89-91.

［6］李文仲，段朝玉.Zig Bee無線網絡技術入門與實戰［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

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