基于分層協議的無線控制網絡組網研究

鮑 琳，王 帥

（1.中國人民解放軍95668部隊，云南 昆明 650200；2.中國人民解放軍95037部隊，湖北 武漢 430000）

0 引 言

無線控制網絡是自動控制技術、通信技術和計算機技術相結合的產物，是一種在自動控制范疇使用較多的技術。目前，我國通常以有線為控制網絡的傳輸介質，但這種控制網絡在使用過程中存在網絡線路維護難、地表和墻體布線難等問題[1]。當信息交換器械在適用場合發生極大變化或遇到緊急情況時，移動方面難度會較大。無線技術因無線通信技術的發展而被應用于控制網絡，本文提出的基于分層協議的無線控制網絡，可以彌補傳統無線控制網絡的弱點，還能有效提高無線控制網絡組網的應用效率和應用質量。

1 基于分層協議的無線控制網絡組網研究

無線控制網絡可同時實現控制和測量，而控制、測量的目標多位于生產一線，并且是具備一定通信功能的傳感器、執行器和測控儀器等控制、測量節點[2]。其特點是通信數據傳輸量小、傳輸速率低，多為短數據幀傳送，可靠性與實時性相對較高。根據生產需求，無線控制網絡的具體應用需經常增加或撤銷節點，這對網絡拓撲提出了新的組網要求[3]。

星型網的主要設備是網絡控制的主節點，其對數據處理和分析的綜合能力較強，能夠使網絡覆蓋整個控制現場。由此可以推斷，節點作為整個工業生產的控制基礎，即星型網中的從設備，功能強大，能夠以無線信道為基礎，實時監控工業生產，收發生產現場實時數據，根據上級節點命令進行調控[4]。目前，無線局域網只采用國際上統一使用的ISM免許可證頻段進行研究與應用。本文所設計的基于分層協議的無線控制網絡組網的主設備和從設備均采用一致的射頻模塊和天線模塊，即PBA1313012/2。

1.1 基于分層協議的無線控制網絡組網主設備硬件

以微型計算機作為基于分層協議的無線控制網絡組網主設備的硬件核心，FPGA受USB接口控制。FPGA能夠控制射頻電路，同時實現數據的傳送與接收[5]?？紤]到微型計算機雖為Windows XP操作系統，但具有非實時性；因此，以可編程元件（FLEX10K10）輔助主設備控制信道進行數據緩沖，從而實現實時控制。

1.2 從設備硬件設計

從設備硬件包括監測器和執行器兩部分，以此保障網絡基礎控制功能的實現，即通信、監測?；诖耍瑥脑O備硬件的核心選擇了型號為80C196KC的單片機，詳情見圖1。

圖1 從設備硬件結構

80C196KC型號單片機在工業控制上的高性能無法彌補其在位（bit）控制方面的弱勢，為增強位（bit）控制能力，在射頻模塊中應用了8255A的C口，以擴充單片機。FLEX10K10由邏輯陣列、嵌入式陣列塊、輸入/輸出單元以及內部連線組成。其中：嵌入式陣列塊主要功能是實現一般陣列宏，并利用事先寫入查表值的方法構造如糾錯邏輯、乘法器等電路；邏輯陣列主要用于設計邏輯電路，包含了LAB局部互連、進位鏈LAB控制信號、級聯鏈和八大邏輯單元四部分；輸入/輸出單元具有時鐘功能，并可同時作為輸入/輸出端口、清零信號輸入口（可編程性），由雙向緩沖器和寄存器共同組成。

1.3 射頻模塊

射頻控制器（PBA31301/2）和天線共同組成了無線控制網絡組網的射頻模塊。射頻控制器的工作頻段為3.8 GHz，包含了2.402～2.480 GHz的97個信道，兩級射頻輸出（1 dBm（1 mW）和8 dBm（2.5 mW）），可快速跳屏。調制芯片GFSK的電壓極值為3.6 V，封裝選取34腳的BGA。射頻模塊已有完備的無線電結構，工作時只要連接13 MHz的基準頻率電路和50 Ω工業頻帶天線即可。整個基于分層協議的無線控制網絡組網中，其基本上提供了所需的全部射頻解決方案。

1.4 無線控制網絡組網的實現

實現無線控制網絡組網構建時，需要結合現場生產中控制設備的現實需求和復雜的控制網絡，因此軟件設計要使用OSI網絡參考模型中的三個層級?；诜謱訁f議的無線控制網絡組網的主設備中，數據鏈路層與網絡物理層的協議主要由射頻模塊PBA31301/2體現，數據幀的封裝的選取FLEX10K10，可根據實時網絡數據進行收發。核心PC與FLEX10K10以中斷方式進行網絡數據傳輸，可實現網絡上層協議。在所有的工作流程中，從設備利用中斷處理實現實時網絡數據的高效傳輸，一直受主設備支配。射頻模塊中，PBA31301/2 LPO_CLK引腳固定輸出為3.2 MHz的脈沖，進行高精度校準后，可協助單片機獲取300 Hz的中斷信號。

2 實驗論證分析

為驗證本文提出的網絡組網的實際效用，將基于分層協議的無線控制網絡與傳統組網無線網絡組網進行對比分析，具體對比數據見表1。

經實驗對比發現，本文提出的基于分層協議的無線控制網絡組網比傳統組網具有更加明顯的優勢，其運行周期較短、運行速度較快，運行效率較高，高達87%，比傳統的無線控制網絡組網的運行效率高42%。

3 結 論

本文主要設計了基于分層協議的無線控制網絡組網，有效克服了傳統網絡技術中有線傳輸介質所造成的組網困難問題。通過本文研究可以發現，基于分層協議的無線控制網絡是一種特殊的Ad-Hoc網絡，具有抗毀壞性強、快速展開自組織等優勢，比傳統無線控制網絡組網的運行效率高42%，以期本研究能夠為無線控制網絡組網的研究提供理論基礎。

表1 本文組網與傳統組網數據對比表