隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)現(xiàn)場總線場景。目前，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳感器和基于以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳感器也開始從實(shí)驗(yàn)研究階段走向?qū)嵱没纬闪嗽S多以新型網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器為數(shù)據(jù)采集前端的測控系統(tǒng)。由于采用多種總線技術(shù)，使得傳感器針對不同總線在兼容性和互換性等方面也存在著很多問題。為了解決傳感器與各種網(wǎng)絡(luò)相連接的問題，IEEE制定了一個(gè)簡化控制網(wǎng)絡(luò)和智能傳感器連接標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 1451智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)從1994年3月開始制定到現(xiàn)在已經(jīng)形成了一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，其主要目標(biāo)是要定義一套通用的通信接口，使變送器能夠獨(dú)立于各種網(wǎng)絡(luò)，并最終實(shí)現(xiàn)變送器到網(wǎng)絡(luò)的互換性與互操作性。
IEEE 1451協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要定義傳感器或執(zhí)行器的硬件和軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，也定義了傳感器或執(zhí)行器標(biāo)準(zhǔn)化的通信接口，使得不同的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)接口之間可以通過IEEE 1451定義的接口進(jìn)行互連。IEEE1451.5提供了一種無線解決方案，IEEE 1451.5標(biāo)準(zhǔn)無線傳感器接口模塊(WTIM:Wireless Transducer I nter face Module)與網(wǎng)絡(luò)適配處理器(NCAP:Network Capable Application Processor)的無線通信接口主要有IEEE 802.11(WiFi)、Bluetooth、IEEE 802.15.4(Zig Bee)與6LowPAN。隨著WirelessHART在工業(yè)應(yīng)用場景的廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)符合基于IEEE 1451協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的WirelessHART無線通信的智能傳感器接口已勢在必行。通過對IEEE1451系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)研究，本文設(shè)計(jì)了符合該系列標(biāo)準(zhǔn)的WirelessHART智能傳感器軟件。
1、系統(tǒng)概述
基于IEEE1451的WirelessHART智能傳感器系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括無線傳感器接口模塊(WTIM)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器(NCAP)。無線傳感器接口模塊通過通信采集模塊將與之連接終端傳感器輸出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合處理，并基于IEEE 1451協(xié)議要求，封裝成符合協(xié)議的智能傳感器接口軟件庫，通過TII(Transducer Independent Interface)接口與網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了IEEE 1451.5與WirelessHART協(xié)議的技術(shù)融合，將符合IEEE 1451.5協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的傳感器數(shù)據(jù)由WirelessHART數(shù)據(jù)幀格式傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器通過解析處理，實(shí)現(xiàn)WTIM與NCAP之間的數(shù)據(jù)通信。由于篇幅的限制，本文重點(diǎn)介紹無線傳感器接口模塊軟件設(shè)計(jì)方案，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器部分的軟件設(shè)計(jì)不作為本文介紹對象。
2、軟件設(shè)計(jì)
2.1 軟件系統(tǒng)功能介紹
智能傳感器模塊的軟件設(shè)計(jì)在整個(gè)模塊的設(shè)計(jì)工作中占據(jù)重要地位。通過編寫軟件實(shí)現(xiàn)智能變送器的“即插即用”、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。智能傳感器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分：網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、通信采集模塊以及電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)模塊。
網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將作為從設(shè)備實(shí)時(shí)解析從NCAP傳來的基于IEEE 1451.5+WirelessHART格式的數(shù)據(jù)請求命令，并將數(shù)據(jù)封裝成IEEE 1451.2格式，通過TII接口傳輸?shù)酵ㄐ挪杉K。通信采集模塊的功能是自識別傳感器信息并通過A/D實(shí)時(shí)采集傳感器的測量數(shù)據(jù)、讀取傳感器的TEDS以及實(shí)現(xiàn)IEEE 1451.0和IEEE 1451.2的通信協(xié)議。此外，本設(shè)計(jì)使用了Microsoft公司的Visual Studio軟件編寫了TEDS燒寫上位機(jī)，通過智能傳感器模塊的TTL接口與計(jì)算機(jī)連接，并通過配置串口配置智能傳感器的TEDS。
圖1 基于IEEE 1451的WirelessHART智能傳感器系統(tǒng)架構(gòu)
2.2 智能傳感器TEDS設(shè)計(jì)
TEDS作為IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)族中不可缺少的重要部分，是使傳感器具有一定的“自覺”能力、實(shí)現(xiàn)傳感器“即插即用”功能的關(guān)鍵。它監(jiān)測到傳感節(jié)點(diǎn)接入無線傳感網(wǎng)的動(dòng)作時(shí)，將發(fā)送給上級管理系統(tǒng)進(jìn)行身份識別，用戶通過TEDS可獲取傳感節(jié)點(diǎn)相關(guān)信息，從而對其進(jìn)行識別。在IEEE 1451.0標(biāo)準(zhǔn)中，TEDS按照信息功能被劃分為10余種，其中有4個(gè)TEDS是必需的，類型如下：
①M(fèi)eta-TEDS描述了TIM(Transducer Interface Module)的基本信息，傳感器通道數(shù)，分組等情況；其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如表1所示。
表1 MetaTEDS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(部分列出)
②Transducer Channel TEDS描述了TIM中特定傳感器通道的詳細(xì)信息，比如物理上實(shí)際的采集量，被控量，工作模式等。
③User's Transducer Name TEDS存儲(chǔ)智能傳感器的名稱用于系統(tǒng)識別。
④PHY TEDS描述了TIM與NCAP之間的物理連接的媒介，格式無標(biāo)準(zhǔn)定義，可用戶自定。
TEDS提供了實(shí)現(xiàn)傳感器智能化的標(biāo)準(zhǔn)，但由于受到已有系統(tǒng)的限制以及實(shí)現(xiàn)TEDS的成本等方面的影響，TEDS實(shí)現(xiàn)有多種方法。目前主要有基于硬件的TEDS實(shí)現(xiàn)方法和基于純軟件的虛擬TEDS方法。硬件實(shí)現(xiàn)方法一般通過外部可編程存儲(chǔ)器EEPROM來更新或保存設(shè)備的TEDS。而軟件虛擬TEDS一般會(huì)將傳感器的相關(guān)信息以數(shù)據(jù)庫的形式存儲(chǔ)在采樣系統(tǒng)中。
本設(shè)計(jì)采用Atmel公司生產(chǎn)的基于IIC協(xié)議的AT24C128C的串行EEPROM存儲(chǔ)器芯片存儲(chǔ)TEDS。通過上位機(jī)編寫基本的TEDS數(shù)據(jù)塊。隨后使用自定義的EEPROM傳輸協(xié)議將待傳輸?shù)腡EDS數(shù)據(jù)封裝起來，借助UART端口燒寫到通信模塊的單片機(jī)中。單片機(jī)處理串口接收到的數(shù)據(jù)包并解析，隨后通過IIC總線將TEDS數(shù)據(jù)燒寫到EEPROM中，實(shí)現(xiàn)TEDS的離線編程，智能傳感器TEDS配置界面如圖2所示。
圖2 智能傳感器TEDS配置界面
2.3 通信采集模塊軟件設(shè)計(jì)通信采集模塊在整體的系統(tǒng)架構(gòu)中起到至關(guān)重要的作用，模塊的主要作用及功能如下：
①處理終端傳感器上傳的數(shù)字量或模擬量信號。
②處理上位機(jī)串口發(fā)送的燒寫設(shè)備TEDS的請求，并通過IIC總線燒寫TEDS數(shù)據(jù)到EEPROM中。
③實(shí)現(xiàn)IEEE 1451.2協(xié)議及通信狀態(tài)機(jī)，處理來自網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)請求并及時(shí)解析響應(yīng)。
④設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。在本設(shè)計(jì)中，為了傳感器操作的安全行和可控性，通信采集模塊如果需要進(jìn)行燒寫TEDS的操作，上電之前首先需要將撥碼撥到Write ON狀態(tài)下，上電待設(shè)備穩(wěn)定后，上位機(jī)可通過UART串口將準(zhǔn)備好的TEDS數(shù)據(jù)燒寫到單片機(jī)的EEPROM中(燒寫過程中可觀察撥碼開關(guān)旁邊的指示燈，正常運(yùn)行時(shí)為綠色常亮，燒寫時(shí)為綠色閃爍)。燒寫完成后需要將撥碼開關(guān)撥到Write OFF。如果EEPROM中已經(jīng)保存了TEDS數(shù)據(jù)，那么上電之前需要將撥碼開關(guān)保持在Write OFF。
數(shù)據(jù)初始化完成后，通信采集模塊立刻向網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊發(fā)送設(shè)備識別中斷請求，告知NCAP及客戶端此時(shí)有傳感器上線(期間需要和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊反復(fù)確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊是否已經(jīng)入網(wǎng))。同時(shí)通信采集模塊處于數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，模塊按照一定的采集速率定時(shí)的采集傳感器的信息，此時(shí)通信端口將實(shí)時(shí)監(jiān)聽來自網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊TII端口的基于IEEE 1451.2協(xié)議的讀寫TEDS命令請求。通信采集模塊作為從站設(shè)備接收到命令請求后并及時(shí)響應(yīng)，完成一次數(shù)據(jù)傳輸。通信采集模塊軟件流程如圖3所示。
圖3 通信采集模塊軟件流程圖
2.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的作用是接收來自NCAP的基于IEEE 1451.5協(xié)議與Wireless HART協(xié)議相融合的無線信號。Wireless HART協(xié)議是第一個(gè)開放式的可互操作無線通信協(xié)議，在HART協(xié)議的基礎(chǔ)上增加了無線通信標(biāo)準(zhǔn)；在IEEE 802.15.4物理層的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了TDMA數(shù)據(jù)鏈路層，Mesh網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層。在本設(shè)計(jì)中，使用Wireless HART實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，將IEEE 1451.5協(xié)議置于Wireless HART特殊命令中的負(fù)載中。設(shè)備入網(wǎng)及診斷的過程依舊采用Wireless HART協(xié)議實(shí)現(xiàn)，NCAP通過讀取特殊命令，獲取IEEE 1451協(xié)議中定義的傳感器設(shè)備信息參數(shù)?？傮w通信方式采用請求-響應(yīng)模式。網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
圖4 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖
3、結(jié)論
本文提出的基于IEEE 1451協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的WirelessHART無線通信的智能傳感器接口，實(shí)現(xiàn)了WTIM與NCAP之間的數(shù)據(jù)通信；同時(shí)，設(shè)計(jì)的編輯界面能夠由用戶根據(jù)連接的傳感器自行進(jìn)行修改TEDS內(nèi)容；通信采集模塊在支持TEDS描述、采集傳感器通道值、獲取和保存?zhèn)鞲衅鞯男畔⒓皡?shù)的同時(shí)，也輸出了標(biāo)準(zhǔn)化的基于IEEE 1451.2協(xié)議的TII通信接口；網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊則將WirelessHART與IEEE 1451協(xié)議相融合，不僅僅提高了系統(tǒng)通信的可靠性，也極大的增加了系統(tǒng)移植的靈活性。
目前，國內(nèi)外關(guān)于IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)及無線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)的各項(xiàng)研究正在進(jìn)行，但是作為一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，其市場普及范圍還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。并且作為WTIM的“主站”，適配多種無線通信協(xié)議的NCAP網(wǎng)關(guān)研究也需要國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)一步研究和解決。隨著WirelessHART技術(shù)在市場上逐漸廣泛的應(yīng)用，基于IEEE 1451和WirelessHART協(xié)議相融合的技術(shù)希望為IEEE 1451進(jìn)入傳統(tǒng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場領(lǐng)域提供更多的可能。
作者： 張?jiān)讫?、孫洋、宗津誠、王進(jìn)超、于占茹
