工业无线短程监控网的接入方式研究

王秉臣 王海宽 费敏锐

(上海大学机电工程与自动化学院1，上海 200072;上海市电站自动化技术重点实验室2，上海 200072)

0 引言

近年来，随着短程无线通信技术的发展，无线网络在工业领域中的应用成为一个新的趋势，无线网络无疑会在下一代的工业自动化系统中扮演重要的角色。但是许多经验和实例表明，在相当长的一段时间内，无线通信无法完全取代在现有的许多工业控制系统中采用的现场总线和工业以太网;相反，无线通信不得不与现有的有线网络共存于工业自动化系统中。因此，如何将无线网络接入现有有线系统是一个需要认真研究的问题［1－2］。

本文在介绍了几种典型的无线网络接入有线系统的方式后，提出了一种新的无线网络接入有线系统的网关模型。该网关模型借鉴对等数据管理系统中的思想，试图建立一种在保持有线与无线协议各自完整与自主的前提下，能有效地将无线数据上传到有线网络中的机制。

1 无线网接入方式

一般来说，工业无线网络接入有线系统主要有基于OPC的应用层集成、网桥和网关3种方式。

①基于OPC的应用层集成方式，OPC客户端/服务器之间的数据映射方式通常被用来集成不同协议之间的信息。这种方式的优点主要在于易于实现、易于配置和无需改变系统结构等。然而，这种方式无法保证系统的实时性［3－4］。

②网桥方式，网桥通常工作在数据链路层，它能以较快的速度和较短的响应时间转发不同协议之间的数据。但这种方式实现的前提条件是不同协议之间需要具有较高的相似性［5］。

③网关方式，网关通常又被称作协议转换器，可以工作于OSI网络七层模型的任意一层，甚至可进行跨层转换。网关在不同协议的网络中都作为网络中的一个站点，在通信过程中通过运行专用的应用软件在不同的协议栈之间完成数据交换任务［6－7］。显然，网关方式能获得一定程度的实时性，同时又能处理协议之间的较大差异性。所以本文介绍的无线接入有线的方式基于协议转换网关。

2 工业有线/无线异构网络的架构

2.1 Profibus-DP和无线令牌环

本文介绍的工业有线/无线异构网络在有线段遵循Profibus-DP协议，而无线网络采用基于IEEE 802.15.4a的工业无线监控网络(wireless industrial control networts，WICN)无线令牌环网。

Profibus-DP是Profibus协议的一部分，主要用于现场分散的外围设备之间的高速数据传输。Profibus-DP协议模型主要由物理层(physical layer，PHY)、数据链路层(fieldbus data link，FDL)和应用层(application layer，APL)构成，以满足工业控制对实时性的要求。Profibus-DP使用主站/从站的通信机制并将轮询方式作为它的媒体访问层(media access layer，MAC)协议方式，以提供确定性的通信服务。一个连接到Profibus-DP网络上的站点不是主站就是从站，两者居其一。主站作为中心控制器，以预定的轮询时间周期性地读取从站的输入信息，并周期性地向从站发送输出信息，通常只有被主站要求时从站才能被动地加入到通信过程中。

面向工业现场的无线监控网络WICN协议是一个基于 IEEE 802.15.4a的无线令牌环协议。IEEE 802.15.4a协议是对 IEEE 802.15.4 协议物理层的修订，采用了切普扩频技术(chirp spread spectrum，CSS)，能十分有效地抑制环境中的各种噪声和多径干扰，在工业领域中有较为广阔的应用前景［8］。WICN协议是一个基于令牌控制无线信道独占性的协议，每个站点只有得到令牌后才能进行数据传输。WICN令牌环网中只有唯一一个具有管理功能的主站，它负责逻辑令牌环的建立与维护。而其他站点作为从站存在于网络中，知道其前趋站和后继站，并依次得到令牌，独占无线信道，在一定的时间段后放弃令牌传递给下一个站点［9－10］。

2.2 工业有线/无线异构网络架构

整个异构系统由Profibus-DP现场总线网络、WICN无线令牌环网和接入网关三部分组成。Profibus-DP网络为整个系统的主干网络，而WICN无线令牌环网作为扩展网络通过接入网关接入有线系统中。异构网络架构如图1所示。接入网关在Profibus-DP网络中作为Profibus-DP的一个从站，同时作为WICN无线令牌环网中的主站，对虚拟令牌进行控制，完成WICN协议中规定的各项管理任务。在接入网关上并发运行着Profibus-DP协议栈和WICN协议栈，并通过专有的协议转换程序完成无线数据向有线系统的接入。

图1 有线/无线异构网络架构Fig.1 Architecture of wired/wireless hybrid network

3 无线网络接入机制设计

从工业异构网络架构的描述中可知，网关作为无线网络接入有线网络的接入点，在其中必须同时运行无线端与有线端的两种协议，即 IEEE 802.15.4a的WICN协议和Profibus-DP协议。由于不同协议对于各自的数据管理方式的不同，因此，在将无线网络数据接入有线系统中时，必然要经过数据格式的转换。数据格式转换方式较多，其中一种方法是以构建中间层来处理协议及数据格式的不同［7］;而本文借鉴了对等数据管理系统中的映射表的方法，设计出一种在充分保持不同协议自治性的前提下，通过映射表机制来完成无线数据向有线系统的接入方法。

3.1 对等数据管理系统

对等数据管理系统是一种适用于异构分散数据源间共享数据的P2P(peer to peer)体系结构［11］。在对等网络(P2P网络)中，每一个对等点都具有高度的自治性。所谓自治性，就是指对等点对于自己的数据具有自己的管理方式和独特的存储方式。由于对等点的自治性造成的数据源之间的异构性，为语义上相关或相等的数据的共享和查询带来了困难，因此，映射表被引入对等数据管理系统中。映射表是对等节点之间进行信息交换的基础工具［12］。映射表将不同数据源中语义或逻辑上存在关系但表现形式上存在异构的数据以映射对的方式联系起来。如表1所示为基因与蛋白质映射表。

表1 基因与蛋白质映射表Tab.1 Mapping table of gene and protein

将基因数据库GDB_id中的g1与SwissProt数据库中的p2相联系，以表示用g1基因来编码p2蛋白质［13］，但并不关注这两个信息在他们各自的数据库中是如何被表示或存储的。通过映射表可以在保持对等节点自治性的前提下完成对等节点间异构数据某种程度上的集成与共享［13］。

3.2 接入机制的设计

如图2所示为在网关中不同协议对于本地数据存储模式的抽象。

图2 数据区储存模型Fig.2 Storage model for data area

图2左半部分代表的是WICN协议中对于其数据的管理方式。网关在无线网络中作为主站节点，其数据区即为从无线从站节点中读入的数据。图2所示数据区分为m个独立的数据块，对应于m个无线从站节点;同时，独立的数据块又分为输入数据(R)和输出数据(W)两部分。输入数据存储的是无线节点上传到控制器中的传感数据，而输出数据存储的是由控制器发出的控制信息数据。

图2的右半部分代表的是作为Profibus-DP网络中从站的网关所具有的数据存储模型。由图2可知，其数据储存将输入数据与输出数据分为两大部分并以数组的方式分别存储，而不像无线部分按节点分数据块分别存储。由此可见，由于协议的不同导致了数据在储存方式上的异构。两者存储方式上的不同可描述为对于无线区的数据，由于其数据块以节点号来区分，采用“{节点号，读/写属性}”来描述;而对于Profibus-DP从站的数据区，由于其数组的特性，采用“{读/写属性，顺序号}”来描述。

图2的中间部分为数据缓冲区，是为了保持不同协议数据之间的独立性与分离性而引入的，协议数据只与数据缓冲区进行数据交换，而不直接与不同协议的数据区发生关系。缓冲区采用不分读写属性的数组方式来表示，其描述为“{顺序号}”。

在对等数据管理系统中，当两个对等点的内容具有语义或逻辑上的关系时，虽然他们的数据存储方式或管理方式存在不一致(即数据源的异构性)，但可通过映射表将两者相互联系起来，从而达到数据共享与集成的目的。

而在本文所描述的系统中，我们可以将具有不同数据存储模式的协议数据区看成具有异构数据源的对等点，通过映射表的构建，使不同协议的数据区在语义或逻辑上发生联系。结合数据区描述方式构建映射表，如表2所示。无线从节点1的输入数据区(R)与Profibus-DP协议的输入数据区(R)的第一项同时表示了无线从节点1的采样值，而Profibus-DP协议的输出数据区(W)的第一项与无线从节点1的输出数据区(W)同时表示了控制器对于无线从节点1的控制数据。这样虽然协议在数据的管理与存储上存在异构，但通过映射表，可使不同的协议数据在语义上发生联系，从而在尊重不同协议的自治的前提下，使协议之间共享数据，以此达到数据上传或下发的目的。

表2 数据区映射表Tab.2 Mapping table of data area

3.3 接入机制的实现

消息序列图(message sequence chart，MSC)显示了数据在无线网络与有线网络之间上传与下发的重要步骤，如图3所示。

图3(a)描述了无线从节点将数据上传至接入网关的重要步骤。当无线从节点获得令牌后，它即获得了独占信道的时间，此时，它可以将数据传送至与它地位平等的其他无线从站节点，同时也可以将数据上传至无线主节点。由于无线主节点即为接入网关，则从节点上传的数据不仅会依照协议的特有方式存储在无线数据区，同时映射表处理模块会根据映射表1将数据共享至数据缓冲区。当无线从节点上传完数据后即会释放令牌给下一个节点。

图3 无线网络与网关的数据交互Fig.3 Data exchange between wireless network and gateway

图3(b)描述了接入网关将数据下发至无线从节点的重要步骤。由于令牌的存在，接入网关只有当获得令牌后才有机会独占信道并进行数据的下发。又由于需将有线网络中的最新数据下发至无线从节点，因此，接入网关首先需要通过映射表处理模块，依据映射表1将数据缓冲区的数据共享至无线数据区，再根据无线网络的配置，将数据发送至相应的无线从节点。

图4描述了接入网关与有线网络之间的数据交互。

图4 有线网络与网关的数据交互Fig.4 Data exchange between wired network and gateway

由于接入网关是作为Profibus从站接入有线网络的，所以通信过程由Profibus主站发起。在每次与从站的交互过程中，Profibus主站都要完成对从站数据的一次读入与一次写出。当接入网关收到输出数据后，它会根据自己的数据存储方式更新本地数据区，并通过映射表处理模块和映射表2将数据共享至数据缓冲区。

同时，为了响应Profibus主站的读数据要求，映射表处理模块会将输入数据共享至Profibus从站数据区，此时接入网关便可响应主站的读数据要求，完成一次与有线网络的数据交互。

3.4 试验验证

实验室中已搭建了采用上述接入方式的有线/无线异构网络，并针对实验室中的蒸汽透平发电实验平台进行了数据采集。在采集过程中针对同一个测量值分别通过工业以太网Modbus/TCP节点和无线节点进行采样，而无线节点的采样值通过由上述方法构建的协议接入网关，接入到Profibus-DP网络中并最终上传到上位机监控界面。如图5所示为上位机保存的历史数据。可以看到，通过采用本文提出的无线接入有线系统的方式，使有线/无线异构网络能准确地对现场测控数据进行采集。

图5 历史数据曲线Fig.5 Historical data curves

4 结束语

无线通信技术无疑将在工业领域中得到越来越多的广泛应用，本文提供了一种能使工业无线监控网络接入现有有线测控系统的方案。该方案采用网关模型，借鉴对等数据管理系统中映射表的思想，建立了一种在保持有线与无线协议各自完整与自主的前提下，能将无线网络中的数据上传到有线网络中的机制。在实验室中采用上述接入方式有效地将无线监控网WICN与现场总线Profibus-DP进行了集成，形成了有线/无线异构网络测控系统。

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