EPA控制网络中ZigBee接入点的软硬件设计

引言

　　在国家863计划的连续滚动支持下，重庆邮电学院作为核心单位参与制定了国家标准——《用于工业测量与控制系统的EPA（Ethernet for plant automation）系统结构和通信标准》（简称“EPA标准”）。在此基础上形成的65C/357/NP以95.8%的得票率被国际电工委员会IEC发布为IEC/PAS 62409，作为第14类型列入实时以太网国际标准IEC 617482、作为第14类型将列入现场总线国际标准IEC 61158（修订版）。

　　EPA标准是一种基于以太网、无线局域网、蓝牙等信息网络通信技术，适用于工业自动化控制系统装置与仪器仪表间、工业自动化仪器仪表相互间数据通信的工业控制网络通信标准。

　　ZigBee是一种低速率(2 kbps～200 kbps)WPAN IEEE标准，传输速率只有100 Kbps，同时，它又具有低功耗，架构简单，成本低的特点，适用于多种无线需求，尤其对工控（监视器、传感器和自动控制设备）等领域更是显示出其独有的优势。

　　在EPA网络中，引入ZigBee技术是新提出的研究课题。本文重点研究如何将ZigBee无线通信与有线的实时以太网进行融合，提出一种ZigBee接入EPA网络的方案，并按照提出的方案设计一种实施实例设备——EPAZigBee接入点设备。经过多次反复的测试、检测，目前EPAZigBee接入点设备运行稳定，工作可靠、安全，可以满足工作现场的多种需要。

1  ZigBee接入EPA网络的方案

1.1  ZigBee接入点接入EPA组网方案

　　EPA是有线的网络，而ZigBee是无线通信技术，针对如何将ZigBee技术接入到EPA网络这个研究课题，提出了一种组网方案。在这个方案中，EPA有线网络由远程监控中心、应用计算机、EPA服务器和数据库等构成；ZigBee网络由EPA现场设备和EPAZigBee接入点构成。EPA有线网络与ZigBee网络之间通过EPAZigBee接入点连接，EPAZigBee接入点负责ZigBee网络和有线网络的连接和数据转发。ZigBee网络支持星形、树形和网状网拓扑，可以对多个ZigBee设备进行组网。

　　在整个方案中，ZigBee接入点是EPA控制网络中的重要设备之一，是负责终端设备的管理及协调无线与有线网络之间通信的关键部件。ZigBee接入点具有将ZigBee设备接入EPA有线网络的功能，是连接EPA有线网络和ZigBee网络的桥接设备。ZigBee接入点作为无线访问点，ZigBee终端设备采集现场数据，并对数据进行处理、打包，通过无线链路发送到ZigBee接入点。这里EPAZigBee接入点是一个具有接入点功能的ZigBee模块，相当于一个EPA网关，将ZigBee中的每一个现场设备映射一个IP地址与TCP/UDP端口，实现IP地址与TCP/UDP端口与ZigBee网络地址的互相转换，从而使EPA有线网络中的其他设备可以通过IP地址与TCP/UDP端口访问每一个现场设备。

1.2  ZigBee接入EPA网络层次协议模型

　　考虑到控制网络中传送的信息多为短帧信息，且信息交换频繁的特点，同时为了使控制网络的通信协议简单实用，提高工作效率和通信的实时性及时间的确定性，缩短系统响应时间，在分析控制系统的特点、IEEE802.15.4协议与ZigBee协议的基础上，以及在EPA中ZigBee接入可行性的基础上，提出EPA接入设备与IEEE802.15.4/ZigBee网络通信协议层次，EPA接入设备与EPA有线网络通信协议层次的应用模型。该通信协议的层次体系结构如图1所示。

图1  EPA中ZigBee通信协议的应用模型

　　在这个通信协议层次中，IEEE802.15.4/ZigBee各层协议的功能如下：

　　①  物理层。IEEE802.15.4运行在2.4 GHz ISM频段。采用直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）调制方式，降低数字集成电路的成本，并且都使用相同的包结构，以便短作业周期、低功耗地运作。
　　②  MAC层。它负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号和同步信号，支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路等。
　　③  EPA应用层。EPA应用层为用户应用进程间的数据通信提供接口。针对工业控制实时应用，提供了变量访问服务、事件管理服务、文件上装/下载服务等实时通信服务。

　　发送时，EPA应用进程在调用应用层服务时，应该提供所有服务所需要的参数，然后由应用层服务将数据经过编码后，传给网络接口层对象，调用网络层数据传输服务把数据发送出去。

　　接收时，应用层收到来自通信端口的数据后，上传给应用层服务，由应用层服务根据服务报文中的目的应用进程标识ID，将接收到的数据传送到应用层中相应的用户应用进程，由用户应用进程对相应的参量进行更新和进一步处理。

2  EPAZigBee接入点的硬件设计

　　ZigBee现场设备采集的数据经处理后通过无线链路传送到ZigBee接入点。ZigBee接入点的接口电路如图2所示。

　　MCU采用新华龙公司代理的C8051F120。它是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有128 KB Flash存储器，8 448字节的片内RAM，峰值为100，64个数字I/O引脚。采用C8050F120主要是考虑到系统处理的存储量和处理速度，在接入点需要处理的请求较终端多，所以使用C8050F120更加合理。RAM存储器的型号为IS62LV2568，存储空间为256 KB，工作电压也是3.3 V。采用RAM的主要目的是扩展C8051F120的内存，因为在这里需要烧写EPA协议堆栈，需要的内存空间比较大。

　　ZigBee模块为IPLink1270。这是一款完全符合IEEE802.15.4标准与ZigBee规范的2.4 GHz无线收发模块。模块提供了一系列的命令，允许很方便地对模块的各种关键属性进行配置，用户可以使用终端配置工具或者利用模块的UART进行参数的配置。该模块的功能主要是对工业现场设备（同样具有IPLink1270模块）进行数据采集和控制，数据和控制信息通过有线网络传输到PC机上显示或从PC机上输入。

　　RTL8019AS以太网控制器是由Realtek公司生产的。这种高集成以太网控制器芯片集成了介质访问控制子层（MAC）和物理层的性能，可以方便地设计基于ISA总线的系统，与通用单片机的接口简单。另外，它还具有与NE2000兼容、软件可移植性好，以及价格低廉等优点，在市场上的10 Mbps网卡中占有相当的比例。

3  EPAZigBee接入点的软件实现

　　接入点的软件实现大致由3个模块组成：ZigBee与C8051F120之间的驱动和通信，C8051F120与RTL8019之间的驱动和通信，ZigBee报文转换为EPA报文。在介绍软件实现部分之前先简要介绍ZigBee接入点的协议模型。

3.1  ZigBee接入点的通信过程

　　下面是设计的ZigBee接入点的协议模型，如图3所示。基本原理就是在ZigBee的MAC层之上，通过网络层构建ZigBee PAN实现模式之一自组织网络SON。这是带有ZigBee的设备间所形成的网络。客户端和接入点都是PAN的成员，同时对接入点来说又要实现ZigBee PAN的另一种实现模式网络接入点NAP功能，其他带有ZigBee的设备在是PAN成员的基础上才能通过NAP接入有线网络。

图2  ZigBee接入点接口电路

  图3  ZigBee接入点的协议模型图

　　用网络层实现ZigBee接入点的通信过程是，连接完全建立之后，ZigBee设备与以太网设备之间的通信过程可描述如下：应用程序的数据经MAC层和LLC层打包后，再分别加上各层的分组头对其进行封装，然后将封装过的数据包通过物理层发送给EPAZigBee接入点设备的对应物理层。在EPAZigBee接入点设备中，各对应层将对接收到的数据包进行解包，整个解包的过程与封装的顺序相反。解出的数据包将交给LLC层重新进行封装，并经802.3 MAC层进一步封装之后通过物理层接口传到EPA网络上。EPA现场设备接收到上述数据包后，也将执行解包的过程，直到得到发送端应用程序的数据为止。

3.2  ZigBee与C8051F120之间的驱动和通信

　　ZigBee模块为2.4 GHz的无线收发模块，采用的串口波特率是38 400 bps。ZigBee模块与C8051F120的连接采用UART1串口驱动。(编写UART1的串口驱动程序，实现ZigBee模块与C8051F120通信连接的源程序略)

3.3  C8051F120与RTL8019之间的驱动和通信

　　RTL8019与C8051F120之间的连接由数据线、地址线和控制线组成，要完成它们之间的通信需要编写两者的串口驱动和通信程序。

3.4  ZigBee报文转换为EPA报文

　　需要将接收到的ZigBee报文转化为EPA报文，才能最终完成工业现场中的ZigBee应用。ZigBee模块接收到的是按照ZigBee协议封装的报文，需要将其中的数据字段（DATA）取出，并加上EPA协议定义的报头、包尾等字段，将其转化为EPA协议定义的标准报文格式。

　　从ZigBee协议格式中提取设备的数据参数:

　　#ifdef ADD_ZIGBEE_MODLE
　　static void perform_ZigBee_cmd(void);
　　void init_task_ZigBee(void)
　　加载EPA报文字段：
　　VarDistribute(); //变量发布
　　void setdata(float arg1, float arg2)

4  结论

　　工业环境对ZigBee技术的需求已经越来越受到业界的关注。ZigBee技术的工业应用不同于其他的应用，在工业应用中传输的数据信息较短，但非常重要，信息传输要准确，而且工业设备通常置于很恶劣的环境，如高温﹑强列震动等；同时功耗也是一个重要问题，若使用电池，则需要经常人为更换，其可用性就有待考虑。ZigBee技术低速率、低功耗、低成本，架构简单、体积小，正好满足工业现场的需求，同时安全性和可靠性使它的应用前景非常乐观。

　　综合起来， ZigBee接入点设备的设计和接入EPA网络通信的实现，证明了ZigBee接入EPA网络的可行性。ZigBee接入EPA网络是对现有EPA无线接入方式的重要和有意义的补充。

参考文献

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