基于WIA-PA的工业无线网关开发及实现

李巧刘枫

(西南大学计算机与信息科学学院，重庆 400715)

0 引言

随着信息技术的飞速发展，工业无线网络技术已经成为自动化领域新的研究热点。从无线传感器网络发展而来的工业无线网络技术是一种面向设备间信息交互的无线通信技术。它除了具有高可靠性、易用性、低能耗等特点外，还具有较强的抗干扰性和实时性，能以较低的投资和使用成本获取工业现场的重要控制参数和实时数据，从而实现对工业生产流程进行监控和管理［1］。基于 IEEE 802.15.4标准的用于工业过程测量、监视与控制的无线网络系统(wireless networks for industrial automation-process automation，WIA-PA)，其特点是近距离、低复杂度、低功耗和低数据传输速率［2］。

在WIA-PA工业无线网络中，无线网关不仅是整个网络资源、数据、设备仪表的管理者，而且还负责协议的转换以及将WIA-PA无线设备网络和远程工业控制网络连接，使得远程工业控制网络中的上位机可以实时地监控工业现场设备仪表［3］。因此，无线网关在工业无线网络中是必不可少的。

1 无线网关概述

1.1 传统无线网关与WIA-PA无线网关

目前，工业无线网络中使用的无线网关主要采用802.11b、GPRS、蓝牙等通信技术，成本高、功耗小、移动性差以及安全性弱等特点限制了这类传统网关的应用［4－5］。本文设计的基于WIA-PA的无线网关通信技术可以较大程度地改进这些性能。与ZigBee无线网关技术相比［6］，WIA-PA无线网关以其通信的高度确定性、较强的抗干扰能力等优点，更适合应用于工业无线网络。

在功能方面，传统网关主要完成协议转换和部分系统管理功能，而WIA-PA无线网关作为无线网络接入有线网络的连接部件，除了具备传统网关的功能外，还具备一些特有的功能，如具备对无线网络的管理功能，包括无线网络形成、无线设备加入和断开等管理功能［7］。在协议转换方面，传统的工业无线网关必须同时开发无线协议和有线协议两部分，包括数据包在无线协议和有线协议间转换，以实现对无线网络的监测和控制。在无线协议和有线协议开发过程中必须考虑为上位机提供相应的服务和服务接口［8］。而WIA-PA无线网关大大简化了这部分开发过程，它将无线和有线协议以及数据的传输相互结合在一起，能够控制无线网络设备并与外部有线控制网络互联。WIA-PA无线网关以其技术优势，在工业应用中可逐渐取代传统网关。目前，它已开始应用于工业现场测控系统的测试领域;将来，它在工业控制领域中将拥有深厚的发展潜力和广阔的市场前景。

1.2 WIA-PA 无线网关

WIA-PA网络的体系结构如图1所示。WIA-PA网络采用星型和网状(Mesh)相结合的双层网络拓扑结构，实现对网络通信的分布-集中式控制。WIA-PA无线网关在整个无线网络中处于核心位置，它不仅管理着整个无线网络，而且起到中间桥梁的作用，将无线网络与有线监控网络连接到一起［9］。

图1 WIA-PA网络体系结构Fig.1 Architecture of WIA-PA network

2 设计方案

基于无线网关在WIA-PA网络中所起的作用，需要设计一种基于工业无线网络WIA-PA的无线网关:完成WIA-PA节点的接入和整个无线网络的管理，如路由、网络资源的分配等，并使遵循WIA-PA通信协议的节点通过无线网关与工业以太网进行有效通信。

2.1 无线网关结构

根据功能划分，无线网关主要分为两部分:负责无线通信的网关路由板(网关路由板是网关路由的数字电路部分)和负责网络中所有数据资源管理的PC/104嵌入式处理板，其结构如图2所示。

图2 无线网关结构图Fig.2 Structure of wireless gateway

网关路由可以与工业无线网络中的节点进行无线通信，PC/104嵌入式处理板以有线(如网线)的方式连接到以太网中，而网关路由和PC/104嵌入式处理板通过串口连接。

2.2 硬件设计

2.2.1 网关路由板

无线网关中的网关路由板由无线接收模块和存储转发模块构成，能够接收网络中普通路由器发送的数据，并将这些数据存储后通过串口发送至PC/104嵌入式处理板。

网关路由板中的无线模块是实现无线通信的主要硬件部分，它能够接收无线网络中路由器发来的数据，也能够向无线网络发送数据。通信时可以采用2.4 GHz和433 MHz两个频段。在WIA-PA网络中采用的是高频，因为高频信号强度较强，能够抵抗工业现场中的一些干扰，从而提高通信的可靠性。同时，为了扩大射频范围，采用了无线放大器CC2591，它能够进一步放大无线信号，使无线信号和抗干扰能力都得到增强。

在本设计中，网关路由板中的主处理芯片采用的是CC2431。CC2431管理整个无线通信过程，同时将接收到的数据存储转发至PC/104嵌入式处理板。由于主处理芯片CC2431自身的内存有限，而网关路由板需要对整个网络中的无线通信数据进行接收和发送，因此，仅仅依靠CC2431自身的64 kB内存来完成存储和转发整个网络中的无线通信数据和资源，完全不能满足要求［10］。为此，在网关路由板上需要增加一个32位的ARM微处理机LPC2106。该微处理机通过独立的DMA控制器进行数据存储。这不仅扩大了内存，而且也提高了传输效率［11］。

2.2.2 PC/104 嵌入式处理板

PC/104嵌入式处理板是一个微型的PC机，其较强的抗电磁干扰能力和低功耗等特性使其完全能够满足工业无线网络对网关的要求。它拥有小巧的外形、较高的稳定性和可扩展性，与PC系统兼容的操作系统、开发工具、应用软件都可以运行在 PC/104系统中，使得在此基础上开发用于管理工业无线网络的工具变得较为方便。PC/104嵌入式处理板中拥有工业无线网络需要的所有通信资源，它对这些资源进行管理分配，并对整个无线网络中节点进行控制，包括节点的加入与通信信道、时隙的分配等;它是整个工业无线网络中的管理者，具有不可替代的作用。

PC/104嵌入式处理板通过串口与网关路由连接，并通过串口在它们之间传送数据。网关路由板上接有Debug接口，通过仿真器连接到PC机的USB接口上，就可以实现PC机对主电路板的操作，包括将程序下载到主电路板的芯片中。此外，在调试程序时，通过Debug接口实现已下载到主电路板上的程序在电路板上和在PC机上同步运行，即电路板上的程序运行时，在PC机上通过单步运行观察到程序运行的状况，从而调试、测试程序。

2.3 软件设计

根据WIA-PA无线通信网络协议，无线网关中的PC/104嵌入式处理板需要安装合适的操作系统。本设计通过安装Linux操作系统来管理整个工业无线网络资源，包括网络的通信协议处理、现场设备通信资源的分配、网络中路由通信资源以及整个网络通信资源的分配。

基于WIA-PA的工业无线网关路由需要开发单片机程序。这部分的程序开发可以单独开发，然后将其和PC/104网关配合调试。网关路由的串口可以通过仿真器与PC机连接。将在PC机上设计调试好的完整网关路由程序下载到主处理芯片CC2431内存中之后，网关路由便可单独运行。

系统使用C语言开发网关路由上的单片机程序，主要程序语句如下。无线网关加电启动后，首先启动PC/104嵌入式处理板，加载操作系统;操作系统启动后，将由它配置并启动网关路由，然后网关将等待来自以太网的连接，以便上位机能够连接到网关;网关路由启动后，等待来自PC/104网关的命令，PC/104网关将一些资源和配置属性通过串口发送给网关路由。此时，网关路由便可通过无线发送至网络中，使整个网络可用。

无线网关启动流程图如图3所示。

图3 无线网关启动流程图Fig.3 Startup flowchart of wireless gateway

3 结束语

本文提供了WIA-PA工业无线网络网关设计方案。与传统网关相比，WIA-PA工业无线网络网关具有结构简单、协议转换容易等优点，且连接了有线网络和无线网络，使得它能够灵活应用在工业网络中。基于WIA-PA的工业无线网关采用32位的ARM微处理机LPC2106、CC2591无线放大器以及无线单片机CC2431，解决了CC2431内存有限和射频范围小的问题，提高了无线通信的效率以及无线信号的抗干扰能力。WIA-PA无线网关完全符合WIA-PA工业无线网络的要求。目前，它已经在WIA-PA工业无线网络中得到很好的应用。

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