摘要：本文基于工業(yè)現(xiàn)場傳感器應(yīng)用需求差異、設(shè)備供應(yīng)商的各自為政，導(dǎo)致感知設(shè)備的數(shù)據(jù)接口和通訊協(xié)議多樣化的問題，分析了無線自組網(wǎng)的方法，以滿足對現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取、傳輸、處理的應(yīng)用需求，采用先進(jìn)嵌入式技術(shù)，實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種適用于各種工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集控制器。

1引言

無線自組網(wǎng)是一種多跳的臨時(shí)自治系統(tǒng)，在1968年，為了能夠和夏威夷的教育機(jī)構(gòu)交換數(shù)據(jù)，無線自組網(wǎng)的概念被提出。1973年在無線自組網(wǎng)被提出后，PR（PacketRadio，分包通信）網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)，這是一種多跳網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)不需要直接連接，節(jié)點(diǎn)之間能夠利用接力方式在兩個(gè)相距很遠(yuǎn)而無法直接通信的節(jié)點(diǎn)之間傳遞信息，這樣就突破了網(wǎng)絡(luò)之間的距離瓶頸。在開發(fā)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，IEEE提出將PR網(wǎng)絡(luò)改名為adhoc網(wǎng)絡(luò)（我國一般稱之為自組網(wǎng)或多跳網(wǎng)絡(luò)），并且希望能夠由此引出一個(gè)全新的發(fā)展領(lǐng)域[1]。

數(shù)據(jù)采集控制器是調(diào)度自動(dòng)化、化工等過程控制自動(dòng)化系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，它的職能是采集所在發(fā)電廠或化工廠等工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的模擬量和狀態(tài)量，并向調(diào)度中心傳送這些模擬量和狀態(tài)量，執(zhí)行調(diào)度中心發(fā)往所在發(fā)電廠或化工企業(yè)的控制和調(diào)節(jié)命令。

目前，數(shù)據(jù)采集控制器主要采用嵌入式系統(tǒng)對各種模擬量和數(shù)字量進(jìn)行采集傳輸，32位的嵌入式微處理器是國內(nèi)外主流的處理器，ARM公司是嵌入式微處理器（RISC）生產(chǎn)廠家之一，距2006年底，其32位嵌入式微處理器已經(jīng)占領(lǐng)了全球82.1%的市場，ARM處理器具有體積小、低功耗、成本低、高性能和16/32位的雙指令集的特點(diǎn)。在國外，基于嵌入式處理器ARM的數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)非常成熟。Motorola使用ARM的200MHz920TRISC核，生產(chǎn)出來屬于龍珠系列的32位MX-1高檔的無線接入的移動(dòng)式新產(chǎn)品，其中包括MP3和JPEG的解碼播放器，并且國外早己把嵌入式技術(shù)及嵌入式數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用到國防科技、科學(xué)研究之中[2-4]。

2無線自組網(wǎng)技術(shù)

無線自組網(wǎng)（adhocNetwork）是一種無基礎(chǔ)設(shè)施的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，也被稱為多跳無線網(wǎng)。它是一個(gè)多跳的臨時(shí)性中心的網(wǎng)絡(luò)，并由一組帶無線通信收發(fā)設(shè)備的移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)組成。它可以不受任何時(shí)間任何地點(diǎn)的影響迅速搭建起一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，在沒有現(xiàn)有的信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持下，它的每個(gè)終端也可以自由的移動(dòng)。

基于TCP/IP協(xié)議族的無線自組網(wǎng)以分組數(shù)據(jù)的格式和包交換機(jī)制進(jìn)行信息流的傳輸。由眾多移動(dòng)終端組成的獨(dú)立IP網(wǎng)絡(luò)可以與固定的互聯(lián)網(wǎng)并行且能夠與之互聯(lián)。

2.1無線自組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方法

無線通信標(biāo)準(zhǔn)是無線數(shù)傳模塊設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素，它關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此必須予以高度重視。當(dāng)前比較流行的近距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)有無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）、超寬帶通信（UWB）、藍(lán)牙和紅外線數(shù)據(jù)通信IrDA以及ZigBee技術(shù)。

當(dāng)前比較流行的5種短距離無線通信技術(shù)之間的比較如表2-1所示。

表2-1幾種短距離無線通信技術(shù)的比較

通過上表可以看出ZigBee技術(shù)在覆蓋距離、傳輸速率、功耗、安全性、成本等方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。非常適合應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。因此，本文的自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方法選用了ZigBee技術(shù)。

ZigBee路由算法的主要思想是先對接收數(shù)據(jù)幀的來源進(jìn)行判斷，然后分解出數(shù)據(jù)幀中的目的地址，根據(jù)目的地址采用相應(yīng)的機(jī)制傳送數(shù)據(jù)幀。具體實(shí)現(xiàn)過程如圖2-1所示。

圖2-1ZigBee基本路由算法

3數(shù)據(jù)采集控制器的總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的情況，大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場采用沒有通信接口的模擬儀表，以人工讀取記錄的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣既浪費(fèi)時(shí)間和精力效率又很低，一些儀表要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳，需要安裝智能型變送器，從而提高成本；還有一些儀表帶有數(shù)字通信接口，但不能實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，通信距離非常短，如若實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳需要在儀表上安裝轉(zhuǎn)換協(xié)議的板卡，從而帶來不便和成本的提高。因此要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與匯聚，以方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，就必須有一個(gè)核心控制器。本文所設(shè)計(jì)的帶無線組網(wǎng)功能的數(shù)據(jù)采集控制器便可以連接不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備，使得設(shè)備的數(shù)據(jù)得以遠(yuǎn)傳和共享。

根據(jù)以上的分析，數(shù)據(jù)采集控制器必須完成以下三項(xiàng)重要任務(wù)，第一，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集；第二，轉(zhuǎn)換不同的數(shù)據(jù)協(xié)議；第三，完成數(shù)據(jù)的匯聚和遠(yuǎn)傳。該數(shù)據(jù)采集控制器可以集模擬量、數(shù)字化儀表以及數(shù)字量等于一體，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、匯聚、與遠(yuǎn)傳。其主要功能是：

（1）為實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場模擬控制器的控制功能，該數(shù)據(jù)采集控制器設(shè)計(jì)了兩路4~20mA/0~5V模擬量輸出通道，方便對現(xiàn)場模擬儀表的控制。

（2）為實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場溫度、壓力、流量等多種模擬量信號的采集，該數(shù)據(jù)采集控制器設(shè)計(jì)了8路、12位模擬量采集輸入通道，使其完成對現(xiàn)場模擬信號的采集。

（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)了8路數(shù)字量輸入和8路數(shù)字量輸出通道，以完成對現(xiàn)場大量數(shù)字量信號采集與控制。

（4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一路RS-232接口，以實(shí)現(xiàn)與數(shù)字化RS-232接口儀表的通信。

（5）系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一路RS-485總線接口，以實(shí)現(xiàn)與具有RS-485總線接口的設(shè)備和儀表通信。

（6）針對面向外部的網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了工業(yè)以太網(wǎng)和GPRS無線通信來完成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的需求。

（7）針對面向傳感器的網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以ZigBee技術(shù)為核心的面向傳感器網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與向應(yīng)用服務(wù)器的傳輸。

數(shù)據(jù)采集控制器的典型應(yīng)用場景如圖3-1所示。

圖3-1數(shù)據(jù)采集控制器的典型應(yīng)用場景

Fig.3-1Thetypicalapplicationsceneofthedataacquisitioncontroller

數(shù)據(jù)采集控制器可通過以太網(wǎng)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式接收來自數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的命令，然后進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和命令解析，通過解析Modbus協(xié)議地址判斷數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)發(fā)給誰的，如果地址是本機(jī)地址，那么直接讀寫本機(jī)的寄存器完成采集和控制功能，如果地址是給從設(shè)備的，則通過相應(yīng)的串口將ModbusRTU數(shù)據(jù)包透明轉(zhuǎn)發(fā)給被采集設(shè)備或儀表。進(jìn)而被采集設(shè)備或儀表做相應(yīng)的處理后生成響應(yīng)包送回，數(shù)據(jù)采集控制器將ModbusRTU格式的數(shù)據(jù)通過協(xié)議轉(zhuǎn)換成ModbusTCP格式，這樣便可以通過以太網(wǎng)或者無線網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送給數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)發(fā)便完成了。

4結(jié)論

針對工業(yè)現(xiàn)場普遍存在的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各異、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不一等問題，本文研究和給出了應(yīng)用于各種工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集控制器的設(shè)計(jì)方案，以解決傳感節(jié)點(diǎn)多種協(xié)議數(shù)據(jù)自適應(yīng)采集問題、非標(biāo)設(shè)備接口驅(qū)動(dòng)定制問題、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)同處理問題、自組網(wǎng)絡(luò)管理等問題，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)各行業(yè)中現(xiàn)場數(shù)據(jù)的匯聚和傳輸?shù)哪康?，并且結(jié)合自身及行業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行生產(chǎn)過程的控制，由于本文的局限性，并未給出該設(shè)計(jì)方案的數(shù)據(jù)采集器在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用結(jié)果，在今后的工作中，我們將該數(shù)據(jù)采集器與行業(yè)生產(chǎn)和業(yè)務(wù)流程緊密結(jié)合，從而以應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證該數(shù)據(jù)采集器對各企業(yè)的運(yùn)行管理的作用。

參考文獻(xiàn)

鄭相全，無線自組網(wǎng)技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004。96-99

JosephK，Effectiveness-AnalysisofReal-TimeDataAcquisitionandProcessingMultichannelSystems[J]，IEEE，2002，91-94

田湛君，基于μC/OS-II的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]，微計(jì)算機(jī)信息，2009，25(5)：86-88

鄧立為，基于ARM的壓力數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)[D]哈爾濱：.哈爾濱理工大學(xué)，2010

劉榮昌，無線自組網(wǎng)絡(luò)中多令牌介質(zhì)訪問控制算法的研究與仿真[D]沈陽：東北大學(xué)，2004