隨著傳感器技術的發(fā)展，傳感器廣泛應用于各種工業(yè)現(xiàn)場總線場景。目前，基于現(xiàn)場總線技術的網(wǎng)絡傳感器和基于以太網(wǎng)絡協(xié)議的網(wǎng)絡傳感器也開始從實驗研究階段走向?qū)嵱没?，形成了許多以新型網(wǎng)絡化智能傳感器為數(shù)據(jù)采集前端的測控系統(tǒng)。由于采用多種總線技術，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)絡相連接的問題，IEEE制定了一個簡化控制網(wǎng)絡和智能傳感器連接標準的IEEE 1451智能變送器接口標準。該標準從1994年3月開始制定到現(xiàn)在已經(jīng)形成了一個完整的標準體系，其主要目標是要定義一套通用的通信接口，使變送器能夠獨立于各種網(wǎng)絡，并最終實現(xiàn)變送器到網(wǎng)絡的互換性與互操作性。
IEEE 1451協(xié)議標準主要定義傳感器或執(zhí)行器的硬件和軟件接口標準，也定義了傳感器或執(zhí)行器標準化的通信接口，使得不同的現(xiàn)場網(wǎng)絡接口之間可以通過IEEE 1451定義的接口進行互連。IEEE1451.5提供了一種無線解決方案，IEEE 1451.5標準無線傳感器接口模塊(WTIM:Wireless Transducer I nter face Module)與網(wǎng)絡適配處理器(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)應用場景的廣泛應用，設計符合基于IEEE 1451協(xié)議標準的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)議標準研究，本文設計了符合該系列標準的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)架構如圖1所示。系統(tǒng)包括無線傳感器接口模塊(WTIM)和網(wǎng)絡應用處理器(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)絡傳輸模塊進行數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)絡傳輸模塊內(nèi)部實現(xiàn)了IEEE 1451.5與WirelessHART協(xié)議的技術融合，將符合IEEE 1451.5協(xié)議標準的傳感器數(shù)據(jù)由WirelessHART數(shù)據(jù)幀格式傳輸?shù)骄W(wǎng)絡應用處理器，網(wǎng)絡應用處理器通過解析處理，實現(xiàn)WTIM與NCAP之間的數(shù)據(jù)通信。由于篇幅的限制，本文重點介紹無線傳感器接口模塊軟件設計方案，網(wǎng)絡應用處理器部分的軟件設計不作為本文介紹對象。
2、軟件設計
2.1 軟件系統(tǒng)功能介紹
智能傳感器模塊的軟件設計在整個模塊的設計工作中占據(jù)重要地位。通過編寫軟件實現(xiàn)智能變送器的“即插即用”、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。智能傳感器軟件系統(tǒng)設計分為3個部分：網(wǎng)絡傳輸模塊、通信采集模塊以及電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)模塊。
網(wǎng)絡傳輸模塊將作為從設備實時解析從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實時采集傳感器的測量數(shù)據(jù)、讀取傳感器的TEDS以及實現(xiàn)IEEE 1451.0和IEEE 1451.2的通信協(xié)議。此外，本設計使用了Microsoft公司的Visual Studio軟件編寫了TEDS燒寫上位機，通過智能傳感器模塊的TTL接口與計算機連接，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
2.2 智能傳感器TEDS設計
TEDS作為IEEE 1451標準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、實現(xiàn)傳感器“即插即用”功能的關鍵。它監(jiān)測到傳感節(jié)點接入無線傳感網(wǎng)的動作時，將發(fā)送給上級管理系統(tǒng)進行身份識別，用戶通過TEDS可獲取傳感節(jié)點相關信息，從而對其進行識別。在IEEE 1451.0標準中，TEDS按照信息功能被劃分為10余種，其中有4個TEDS是必需的，類型如下：
①Meta-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)結構定義如表1所示。
表1 MetaTEDS的數(shù)據(jù)結構(部分列出)
②Transducer Channel TEDS描述了TIM中特定傳感器通道的詳細信息，比如物理上實際的采集量，被控量，工作模式等。
③User's Transducer Name TEDS存儲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，格式無標準定義，可用戶自定。
TEDS提供了實現(xiàn)傳感器智能化的標準，但由于受到已有系統(tǒng)的限制以及實現(xiàn)TEDS的成本等方面的影響，TEDS實現(xiàn)有多種方法。目前主要有基于硬件的TEDS實現(xiàn)方法和基于純軟件的虛擬TEDS方法。硬件實現(xiàn)方法一般通過外部可編程存儲器EEPROM來更新或保存設備的TEDS。而軟件虛擬TEDS一般會將傳感器的相關信息以數(shù)據(jù)庫的形式存儲在采樣系統(tǒng)中。
本設計采用Atmel公司生產(chǎn)的基于IIC協(xié)議的AT24C128C的串行EEPROM存儲器芯片存儲TEDS。通過上位機編寫基本的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中。單片機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計通信采集模塊在整體的系統(tǒng)架構中起到至關重要的作用，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處理上位機串口發(fā)送的燒寫設備TEDS的請求，并通過IIC總線燒寫TEDS數(shù)據(jù)到EEPROM中。
③實現(xiàn)IEEE 1451.2協(xié)議及通信狀態(tài)機，處理來自網(wǎng)絡傳輸模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)請求并及時解析響應。
④設備狀態(tài)監(jiān)控。在本設計中，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，上電待設備穩(wěn)定后，上位機可通過UART串口將準備好的TEDS數(shù)據(jù)燒寫到單片機的EEPROM中(燒寫過程中可觀察撥碼開關旁邊的指示燈，正常運行時為綠色常亮，燒寫時為綠色閃爍)。燒寫完成后需要將撥碼開關撥到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)絡傳輸模塊發(fā)送設備識別中斷請求，告知NCAP及客戶端此時有傳感器上線(期間需要和網(wǎng)絡傳輸模塊反復確認網(wǎng)絡傳輸模塊是否已經(jīng)入網(wǎng))。同時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的采集傳感器的信息，此時通信端口將實時監(jiān)聽來自網(wǎng)絡傳輸模塊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備接收到命令請求后并及時響應，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)絡傳輸模塊軟件設計網(wǎng)絡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)議是第一個開放式的可互操作無線通信協(xié)議，在HART協(xié)議的基礎上增加了無線通信標準；在IEEE 802.15.4物理層的基礎上實現(xiàn)了TDMA數(shù)據(jù)鏈路層，Mesh網(wǎng)絡層及應用層。在本設計中，使用Wireless HART實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層，將IEEE 1451.5協(xié)議置于Wireless HART特殊命令中的負載中。設備入網(wǎng)及診斷的過程依舊采用Wireless HART協(xié)議實現(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備信息參數(shù)。總體通信方式采用請求-響應模式。網(wǎng)絡傳輸模塊軟件設計流程如圖4所示。
圖4 網(wǎng)絡傳輸模塊軟件設計流程圖
3、結論
本文提出的基于IEEE 1451協(xié)議標準的WirelessHART無線通信的智能傳感器接口，實現(xiàn)了WTIM與NCAP之間的數(shù)據(jù)通信；同時，設計的編輯界面能夠由用戶根據(jù)連接的傳感器自行進行修改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，也輸出了標準化的基于IEEE 1451.2協(xié)議的TII通信接口；網(wǎng)絡傳輸模塊則將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)外關于IEEE 1451標準及無線網(wǎng)絡傳感器技術的各項研究正在進行，但是作為一個通用的標準，其市場普及范圍還遠遠不夠。并且作為WTIM的“主站”，適配多種無線通信協(xié)議的NCAP網(wǎng)關研究也需要國內(nèi)外專家學者進一步研究和解決。隨著WirelessHART技術在市場上逐漸廣泛的應用，基于IEEE 1451和WirelessHART協(xié)議相融合的技術希望為IEEE 1451進入傳統(tǒng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場領域提供更多的可能。
作者： 張云龍、孫洋、宗津誠、王進超、于占茹
