EPA控制網(wǎng)絡中ZigBee接入點的軟硬件設計

在國家863計劃的連續(xù)滾動支持下，重慶郵電學院作為核心單位參與制定了國家標準——《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA（Ethernet for plant automation）系統(tǒng)結構和通信標準》（簡稱“EPA標準”）。在此基礎上形成的65C/357/NP以95.8%的得票率被國際電工委員會IEC 發(fā)布為IEC/PAS 62409，作為第14類型列入實時以太網(wǎng)國際標準IEC 617482、作為第14類型將列入現(xiàn)場總線國際標準IEC 61158（修訂版）。

EPA標準是一種基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙等信息網(wǎng)絡通信技術，適用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)裝置與儀器儀表間、工業(yè)自動化儀器儀表相互間數(shù)據(jù)通信的工業(yè)控制網(wǎng)絡通信標準。

ZigBee是一種低速率(2 kbps～200 kbps)WPAN IEEE標準，傳輸速率只有100 Kbps，同時，它又具有低功耗，架構簡單，成本低的特點，適用于多種無線需求，尤其對工控（監(jiān)視器、傳感器和自動控制設備）等領域更是顯示出其獨有的優(yōu)勢。

在EPA網(wǎng)絡中，引入ZigBee技術是新提出的研究課題。本文重點研究如何將ZigBee無線通信與有線的實時以太網(wǎng)進行融合，提出一種 ZigBee接入EPA網(wǎng)絡的方案，并按照提出的方案設計一種實施實例設備——EPAZigBee接入點設備。經(jīng)過多次反復的測試、檢測，目前 EPAZigBee接入點設備運行穩(wěn)定，工作可靠、安全，可以滿足工作現(xiàn)場的多種需要。

1  ZigBee接入EPA網(wǎng)絡的方案

1.1  ZigBee接入點接入EPA組網(wǎng)方案

EPA是有線的網(wǎng)絡，而ZigBee是無線通信技術，針對如何將ZigBee技術接入到EPA網(wǎng)絡這個研究課題，提出了一種組網(wǎng)方案。在這個方案中，EPA有線網(wǎng)絡由遠程監(jiān)控中心、應用計算機、EPA服務器和數(shù)據(jù)庫等構成；ZigBee網(wǎng)絡由EPA現(xiàn)場設備和EPAZigBee接入點構成。 EPA有線網(wǎng)絡與ZigBee網(wǎng)絡之間通過EPAZigBee接入點連接，EPAZigBee接入點負責ZigBee網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡的連接和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。 ZigBee網(wǎng)絡支持星形、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲，可以對多個ZigBee設備進行組網(wǎng)。

在整個方案中，ZigBee接入點是EPA控制網(wǎng)絡中的重要設備之一，是負責終端設備的管理及協(xié)調(diào)無線與有線網(wǎng)絡之間通信的關鍵部件。 ZigBee接入點具有將ZigBee設備接入EPA有線網(wǎng)絡的功能，是連接EPA有線網(wǎng)絡和ZigBee網(wǎng)絡的橋接設備。ZigBee接入點作為無線訪問點，ZigBee終端設備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理、打包，通過無線鏈路發(fā)送到ZigBee接入點。這里EPAZigBee接入點是一個具有接入點功能的ZigBee模塊，相當于一個EPA網(wǎng)關，將ZigBee中的每一個現(xiàn)場設備映射一個IP地址與TCP/UDP端口，實現(xiàn)IP地址與 TCP/UDP端口與ZigBee網(wǎng)絡地址的互相轉(zhuǎn)換，從而使EPA有線網(wǎng)絡中的其他設備可以通過IP地址與TCP/UDP端口訪問每一個現(xiàn)場設備。

1.2  ZigBee接入EPA網(wǎng)絡層次協(xié)議模型

考慮到控制網(wǎng)絡中傳送的信息多為短幀信息，且信息交換頻繁的特點，同時為了使控制網(wǎng)絡的通信協(xié)議簡單實用，提高工作效率和通信的實時性及時間的確定性，縮短系統(tǒng)響應時間，在分析控制系統(tǒng)的特點、IEEE802.15.4協(xié)議與ZigBee協(xié)議的基礎上，以及在EPA中ZigBee接入可行性的基礎上，提出EPA接入設備與IEEE802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡通信協(xié)議層次，EPA接入設備與EPA有線網(wǎng)絡通信協(xié)議層次的應用模型。該通信協(xié)議的層次體系結構如圖1所示。

           
                                圖1  EPA中ZigBee通信協(xié)議的應用模型

在這個通信協(xié)議層次中，IEEE802.15.4/ZigBee各層協(xié)議的功能如下：

①  物理層。IEEE802.15.4運行在2.4 GHz ISM頻段。采用直接序列擴頻DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）調(diào)制方式，降低數(shù)字集成電路的成本，并且都使用相同的包結構，以便短作業(yè)周期、低功耗地運作。

②  MAC層。它負責處理所有的物理無線信道訪問，并產(chǎn)生網(wǎng)絡信號和同步信號，支持PAN連接和分離，提供兩個對等MAC實體之間可靠的鏈路等。

③  EPA應用層。EPA應用層為用戶應用進程間的數(shù)據(jù)通信提供接口。針對工業(yè)控制實時應用，提供了變量訪問服務、事件管理服務、文件上裝/下載服務等實時通信服務。

發(fā)送時，EPA應用進程在調(diào)用應用層服務時，應該提供所有服務所需要的參數(shù)，然后由應用層服務將數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后，傳給網(wǎng)絡接口層對象，調(diào)用網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)傳輸服務把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

接收時，應用層收到來自通信端口的數(shù)據(jù)后，上傳給應用層服務，由應用層服務根據(jù)服務報文中的目的應用進程標識ID，將接收到的數(shù)據(jù)傳送到應用層中相應的用戶應用進程，由用戶應用進程對相應的參量進行更新和進一步處理。

2  EPAZigBee接入點的硬件設計

ZigBee現(xiàn)場設備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過無線鏈路傳送到ZigBee接入點。ZigBee接入點的接口電路如圖2所示。

MCU采用新華龍公司代理的C8051F120。它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有128 KB Flash存儲器，8 448字節(jié)的片內(nèi)RAM，峰值為100，64個數(shù)字I/O引腳。采用C8050F120主要是考慮到系統(tǒng)處理的存儲量和處理速度，在接入點需要處理的請求較終端多，所以使用C8050F120更加合理。RAM存儲器的型號為IS62LV2568，存儲空間為256 KB，工作電壓也是3.3 V。采用RAM的主要目的是擴展C8051F120的內(nèi)存，因為在這里需要燒寫EPA協(xié)議堆棧，需要的內(nèi)存空間比較大。

ZigBee模塊為IPLink1270。這是一款完全符合IEEE802.15.4標準與ZigBee規(guī)范的2.4 GHz無線收發(fā)模塊。模塊提供了一系列的命令，允許很方便地對模塊的各種關鍵屬性進行配置，用戶可以使用終端配置工具或者利用模塊的UART進行參數(shù)的配置。該模塊的功能主要是對工業(yè)現(xiàn)場設備（同樣具有IPLink1270模塊）進行數(shù)據(jù)采集和控制，數(shù)據(jù)和控制信息通過有線網(wǎng)絡傳輸?shù)絇C機上顯示或從PC 機上輸入。

RTL8019AS以太網(wǎng)控制器是由Realtek公司生產(chǎn)的。這種高集成以太網(wǎng)控制器芯片集成了介質(zhì)訪問控制子層（MAC）和物理層的性能，可以方便地設計基于ISA總線的系統(tǒng)，與通用單片機的接口簡單。另外，它還具有與NE2000兼容、軟件可移植性好，以及價格低廉等優(yōu)點，在市場上的10 Mbps網(wǎng)卡中占有相當?shù)谋壤?/P>

3  EPAZigBee接入點的軟件實現(xiàn)

接入點的軟件實現(xiàn)大致由3個模塊組成：ZigBee與C8051F120之間的驅(qū)動和通信，C8051F120與RTL8019之間的驅(qū)動和通信，ZigBee報文轉(zhuǎn)換為EPA報文。在介紹軟件實現(xiàn)部分之前先簡要介紹ZigBee接入點的協(xié)議模型。

3.1  ZigBee接入點的通信過程

下面是設計的ZigBee接入點的協(xié)議模型，如圖3所示?；驹砭褪窃赯igBee的MAC層之上，通過網(wǎng)絡層構建ZigBee PAN實現(xiàn)模式之一自組織網(wǎng)絡SON。這是帶有ZigBee的設備間所形成的網(wǎng)絡?？蛻舳撕徒尤朦c都是PAN的成員，同時對接入點來說又要實現(xiàn) ZigBee PAN的另一種實現(xiàn)模式網(wǎng)絡接入點NAP功能，其他帶有ZigBee的設備在是PAN成員的基礎上才能通過NAP接入有線網(wǎng)絡。