基于WSN与现场总线的机舱监控网络设计研究

2011-07-03胡顺强刘彦呈周飞云

船电技术 2011年10期

胡顺强刘彦呈周飞云

(大连海事大学轮机工程学院，大连 116026)

1 引言

随着工业控制网络的发展，现场总线技术已经比较成熟。现场总线基于OSI的开放式模型，采用全数字式通信，借助智能节点设备实现分布式控制，具有结构简单，实时性和可靠性好，通讯速率高等优点，在船舶机舱的监控系统中应用广泛。但由于机舱环境复杂，如高温潮湿、线缆易被腐蚀，布线空间狭小等，现场总线的线缆铺设受到很大限制缺乏灵活性且维护成本高；另外现场总线多采用令牌传递的总线访问方式，如果总线挂靠监控节点过多，会降低网络监控的实时性，这些都成为现场总线在船舶应用上的软肋。无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Net-work)作为一种新型的测控网络技术，是能够自主实现数据采集和传输应用的智能网络系统，具有成本低、便于布置、易于维护等优点。WSN在船舶机舱自动化系统方面的应用研究，近几年发展较快，其动态变化的网络拓扑结构和无线传输等特点适合机舱环境中灵活放置进行参数采集和设备监控。但也存在中心节点能耗限制、信号容易被干扰等缺陷，所以目前仍多处于理论探索阶段，在实际中应用还很少。

综合现场总线和WSN两种网络的技术特点，提出了一种面向船舶机舱的新型监控网络，将二者的优势结合到一起，作为一个整体共同完成机舱的数据采集、设备监控和报警等任务。

2 网络的整体架构

目前在船舶机舱监控系统中应用广泛的现场总线，作为一种现场控制网络，向上可以通过计算机现有的通讯接口（如PCI、USB口等）与上层网络连接，上层管理网络的用户之间可以共享信息。向下延伸到工业现场，通过连接在分支上的传感器、执行器和测控仪表等智能节点设备，将现场设备的运行参数、状态以及故障信息传送到集中控制室，又将各种控制、维护组态命令送到测控现场的设备中实现分布控制。

图1 网络整体架构

该设计将现场总线作为网络主干线，选取现场总线上的某些节点作为具有特殊功能的通信节点，作为纽带将现场总线和无线传感器网络连接在一起。该节点具有现场总线节点和 WSN协调器双重身份，完成两种网络的协议转换和物理连接。这样在结构上扩展了现场设备网络层，提高分支网络的监控性能。网络的整体架构见图1。

该监控网络在机舱布置中更加灵活，在相对安全、维护方便、强电磁辐射的工作场所采用铺设线缆的方法，在空间狭小、高温潮湿有腐蚀性的环境下采用无线网络监控。WSN组网灵活，在机舱监控中可以随时根据具体情况布置监控终端节点；中心节点由于与总线相连，不用考虑能耗的问题，所以增强了其数据处理和传输能力。

3 WSN与现场总线的协议转换

3.1 协议栈结构

根据两种网络技术的发展现状和特点，该设计采用基于ZigBee通信标准的WSN和CAN总线。两者通信时需要在节点内完成协议转换，转换过程如图2所示。

图2 协议转换示意图

WSN与现场总线网络结构不同，网络互联的关键技术是协议转换。ZigBee虽然基于标准的七层开放式系统互联(OSI)模型，但是 ZigBee联盟仅对设计 ZigBee的应用层和网络层框架进行了定义。IEEE 802.15.4标准定义了最下面两层：物理层和介质访问控制子层。CAN总线分为对象层、传输层和物理层，这里的对象层和传输层包括了OSI模型里的数据链路层的服务和功能。信息传输过程中，WSN的中心节点与微控制器以字符数据传输，然后向上逐层转换为相应的数据帧。下面介绍完成协议转换的节点硬件和软件设计。

3.2 硬件设计

完成协议转换的通信节点结构图如图 3所示。无线传感器网络的中心节点选用支持ZigBee标准的 CC2430芯片，CC2430能满足以 ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求，它包括一个射频收发器核心和一个高效的 8051微控制器。CAN通信控制器为SJA1000，CAN总线收发器选用PCA82C250。微控制器型号为AT89S51，负责协议转换和向总线收发数据。

图3 通信节点结构图

该节点设计只是在原来 CAN总线应用节点的基础上通过微控制器完成 ZigBee协议和总线协议的转换，不需要额外增加硬件成本，同时也提高了系统的稳定性。

3.3 软件设计

软件设计分为三个功能模块：ZigBee节点之间的通信，CC2430与STC89S51的通信和微控制器对 CAN通信控制器的初始化及数据收发。ZigBee节点之间的通信协议是在 TI公司的Z-Stack协议栈基础上开发的应用层程序，在IAR平台上调试编译、下载。下面重点介绍 ZigBee网络与CAN总线的通信。

ZigBee网络与CAN总线的通信具体到硬件上就是CC2430与STC89S51的通信，属于双机异步通信，由于二者之间除了相互通信还需要处理其他任务，设计中采用串口中断方式，在中断处理程序中完成通信，以提高时效性。中心节点CC2430收到前端监测节点的数据后，对数据进行处理判断，返回数据或指令。当判断该数据需要发送给现场总线时，通过CC2430的串口发送引脚传输给AT89S51的RX引脚；同样当来自上位机的指令需要传达给 ZigBee网络的前端节点时，AT89S51通过总线通信控制器接收然后由串口发送给中心节点。AT89S51在整个通信过程中起到桥梁的作用，其主程序及中断处理程序流程图如图4所示。