基于无线传感器网络的在线分析系统设计

刘宏飞，程明霄，陆春宇，陈明奇

（南京工业大学自动化与电气工程学院，江苏南京 211816）

0 引言

在线分析系统是指由样品处理系统、在线分析仪器、数据采集处理传输系统及公用工程集成在一起的组合系统，其中，分析仪器大致可分为电化学分析法、气相色谱法、质谱分析法、红外光谱法、高效液相色谱法、紫外—可见光谱法等方法［1］。近年来，在线分析系统的应用发展十分迅速，在线分析系统正在越来越广泛的应用于各类工业生产、环境工程监测等领域。

在线分析系统运行环境一般比较恶劣、环境复杂，传统的有线数据传输存在扩展困难，维修维护成本高等弊端，而且如果分析仪器在运行过程中的突发故障或时常性地出现异常数据得不到及时反馈与处理就会造成很大损失，同时地理位置比较分散，因此，要求分析仪器系统具有灵活可变的信息传输方式。近年来，各类无线网络技术在工业生产、冶金、制造等领域得到广泛的应用，其中Zig Bee无线网络技术以其低成本、低功耗、数据传输安全、可靠等优势给工业自动化控制领域提供了新的通信手段［2～4］。

本文设计实现了以无线传感器网络为数据传输和故障诊断平台的在线分析系统，提高分析仪器数据传输的灵活性和实时性，对工业生产的安全性、稳定性和准确性有着重要的意义。

1 系统总体设计

图1为基于无线传感器网络的在线分析系统，系统主要包含终端仪器节点、现场基站、现场监控中心和远程服务器端。在工业生产现场的各个分析仪器部署连接终端节点，这些节点通过总线接口与仪器通信，通过接收基站控制端的指令采集来自仪器的测量数据、故障等信息，并按照指令把相应测量数据通过无线技术上传给基站协调器。

现场基站负责与节点进行组网，通过发送控制指令获取各个仪器节点的参数数据，并串口上传至现场监控中心对仪器监控，同时还可以通过GPRS/GSM给远程服务器端。服务器端不仅可以实时监控工业现场分析仪器的工作状态，还能长期存储各个仪表器过程状态数据，并基于此进行数据分析和预处理。

图1 总体结构图Fig 1 Overall structure diagram

2 硬件系统设计

2.1 终端节点设计

本设计采用TI公司的CC2430单片机作为终端节点主控芯片。它支持Zig Bee通信协议［5］，TI公司为CC2430芯片配备了免费的Zig Bee2006协议栈，在CC2430芯片集成了增强型8051处理器，具体符合标准的2.4 GHz的RF无线收发器、128 kB闪存、8 kB SRAM等高性能模块，同时它还集成了8～14位的A/D转换器、DMA、定时/计数器、上电复位电路、掉电检测电路、看门狗定时器、USART，32.768 kHz睡眠模式定时器、ASE—128协处理器以及21个口编程I/O引脚。CC2430从休眠模式转换到主动模式用的时间很短，并且在接收和发射模式下，电流损耗很低，分别低于27，25mA。CC2430模块的低功耗、低成本等特点更适合于要求电池寿命长、运行时间长的在线分析系统［6］。

终端节点的硬件由处理器模块、串行通信模块、电源管理模块等构成。处理器模块主要由 CC2430射频单片机、射频电路以及其它外围电路构成，集成了增强型8051处理器，可完成分析仪器的通信任务与仪器数据采集任务。电源管理模块主要完成不同电压等级的转换、电源稳压与隔离、锂电池充放电管理和电源切换的功能。串口通信模块:在工业现场RS—232/RS—485是使用较多的2种串行通信方式，为此，配备了这2种串行通信接口，从而与智能分析仪器直接相连。终端节点硬件结构如图2所示。

图2 终端节点结构图Fig 2 Structure diagram of terminal node

2.2 基站硬件设计

基站负责建立网络，管理网络节点，同时将信息远程传输，图3所示的网关由处理器模块、电源模块、LCD/键盘输入、多个CC2430模块和GSM模块组成。处理器模块使用LPC2210/2220 ARM7微控制器，该控制器内置了串行通信接口，因此，特别适用于工业控制、通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。主要通信模块由CC2430模块和GSM模块组成，还配置了LCD液晶显示器，配合操作键盘可进行网关相关运行参数的配置。

图3 基站硬件结构图Fig 3 Hardware structure diagram of base station

3 软件设计

3.1 数据通信协议

本设计将无线终端节点与分析仪器以RS—485总线方式进行连接，采用自动化仪器仪表广泛支持的Modbus协议进行通信，它是应用于电子控制器上的一种通用协议，该协议描述了控制器请求访问其它设备过程，制定了协议内容公共格式。Modbus已经成为一通用工业标准，能有效支持实时控制和分布式控制的串行通信网络，在工业生产、控制领域广泛使用该协议作为通用数据传输协议。

它是一个请求/应答协议，每种请求帧格式都对应着一种应答帧格式，主机向从机发出请求帧后，当从机收到发给自己的请求帧，就作出相应的应答帧作为响应。通信模式分为RTU和ASCII 2种模式。相对于ASCII模式，RTU模式表达相同信息需要较少的位数，且在相同通信速率下具有更大的数据流量，因此，本设计采用Modbus协议中RTU通信模式来进行数据通信。

本设计将分析仪器Modbus数据帧与无线网络技术的Zig Bee帧相结合实现仪器数据的无线传输［7，8］，由于 Modbus协议仅定义了OSI参考模型中的应用层，为不同网络或总线中的仪器设备提供了相互使用访问的消息结构，因此，以上设计是完全可行的。

Modbus通信中用于区别不同设备的是Modbus地址，而Zig Bee网络地址是设备加入网络后被分配的16 bit短地址，用于识别或寻找其他设备所用的地址，当设备申请加入网络，基站动态给其分配地址，并生成一张设备IEEE地址与所对应的网络地址的列表。为了使Modbus协议报文在Zig Bee网络上进行数据传输，考虑到IEEE地址的唯一性，节点设备在运行中它不会改变，故将Zig Bee设备的IEEE地址与Modbus地址绑定，通过IEEE地址来获取Zig Bee网络地址，进而完成设备寻址与数据传输。在Zig Bee的网络中，设备间寻址主要是通过网络地址来寻找在Zig Bee网络其它位置的节点设备。当Zig Bee节点申请加入网络后，基站动态地给它分配16 bit短网络地址，同时生成一张各个设备的IEEE地址与其对应网络地址的列表，在节点设备成功加入网络后，每个设备都有一个邻居表，其中包含了无线网络中各个设备IEEE地址、网络地址、设备类型等相关信息。

Modbus协议中规定了完整的信息、数据结构和命令应答方式，是应用层报文传输协议，因此，将Modbus协议报文加载到Zig Bee网络的应用层，实现Modbus报文数据在无线Zig Bee传感网络中的实时稳定的传输［9］。分析仪器收到Zig Bee数据包后需要转化为Modbus报文，只需将数据包进行拆包，去掉包头、MAC帧头、帧尾等，即可提取数据报文。Modbus报文数据加载到Zig Bee报文的流程如图4所示。

图4 数据包转换图Fig 4 Transfer chart of data packet

3.2 终端节点软件设计

终端节点与分析仪器相接，主要工作是接收基站控制端的指令采集来自仪器仪表的数据，比如:过程数据、测量数据和故障信息等，并按照控制指令信息把相应测量数据通过Zig Bee无线网络上传给基站。终端节点首先进行初始化，配置各模块，然后向基站发送入网请求，若请求得到正确响应，则入网成功。当没有接收指令时进入睡眠模式，若无线模块接收到数据指令，则进入工作状态，将收到的数据包地址与本身地址相比较是否一致，若一致，则接收数据，根据指令将分析仪器数据发往上层;若不一致，则舍弃。程序流程图如图5所示。

图5 终端节点流程图Fig 5 Flow chart of terminal node

3.3 基站软件设计

现场基站负责建立无线网络，等待终端节点加入网络，给其动态分配网络地址，从而完成与节点的组网。协调器主要接收现场控制端和远程服务器端控制指令，将这些指令向终端节点发送，同时能获取分析仪器通过终端节点发送来的相应参数数据信息，并转发至上层。基站软件流程图如图6所示。

图6 基站流程图Fig 6 Flow chart of base station

4 数据测试验证

数据测试在南京工业大学仪器研究所，以DH—6001红外气体分析仪器为实验对象，将10组分析仪器分别与终端节点相接，通入含有CO组分的被测气体，搭建一种无线传感网在线分析仪器系统。控制中心（地址为0x01）向分析仪器发送如下数据帧，查询红外气体分析仪器仪器被测组分含量:

1）无线基站收到控制中心发来的Modbus命令帧，如表1示，其中，功能码03表示读取二进制值，起始地址表示CO组分含量值所在寄存器位置。

表1 Modbus下行帧格式Tab 1 Downlink frame format of Modbus

根据用户手册可知，分析仪器测量组分地址:HC—10H，CO—11H，CO2—12H，NO—13H，O2—14H。

2）基站将收到的Modbus数据帧封装成Zig Bee数据包，转发至分析仪器端。提取目的Modbus地址按映射列表查找网络地址为0x2B，同时将自己网络地址0x1A加载到数据包中。Zig Bee数据包如表2所示。

表2 Zig Bee数据包Tab 2 Data packet of Zig Bee

3）分析仪器收到Zig Bee通信数据包后，将拆包解析并回应上层，回应的Modbus上行数据包如表3所示，其中，返回数据“2300”表示23转换为10进制为35，00表示%vol，得出CO组分含量为3.5%。同时将上行数据包加载到Zig Bee网络，向源地址进行发送。控制中心可以实时接收到相应分析仪器仪表返回数据，并发送至远程服务器端。

表3 Modbus上行帧格式Tab 3 Uplink frame format of Modbus

经实验室多次数据测试，整体无线网络系统组网方便，运行稳定，能有效进行数据传输，完全符合设计要求。

5 结论

本文设计的利用无线传感网络实现在线分析仪器数据传输，是分析仪器智能化的发展趋势，能提高传统分析仪器系统总体性能和数据传输的灵活性、实时性，同时利用Zig Bee终端节点的结构简单、成本低、功耗小、易于扩展与维护等特点，使网络更加稳定长时间工作综合考虑可广泛应用于工业自动化控制领域，同时也可应用到其他领域中，具有较高的实用价值和广阔的应用前景。

［1］王 森.在线分析仪器技术进展、市场前景、存在问题及建议［J］.中国仪器仪表，2009（2）:26-30.

［2］梁焕焕，熊庆宇，石为人.基于无线传感器网络的水质在线监测系统研究［J］.传感器与微系统，2011，30（5）:149-152.

［3］李雄飞，孙俊杰，陈 磊，等.基于Zig Bee技术的无线设备状态监测系统［J］.仪表技术与传感器，2012（12）:139-140.

［4］王 辉，董学仁，杨小伟，等.基于Zig Bee的温室无线监测系统设计［J］.仪器仪表与分析监测，2012（2）:30-33.

［5］赵淳臣，王亚刚，王 凯.Zig Bee协议的工业无线网关的设计［J］.自动化仪表，2013，34（2）:89-91.

［6］李文仲，段朝玉.Zig Bee无线网络技术入门与实战［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.

［7］邢伟伟，白瑞林，孟 伟.Zig Bee无线网关在Modbus通信中的应用［J］.计算机工程与应用，2011，47（29）:81-84.

［8］苏 雷，熊建设，孙玉智.基于Zig Bee和ModBus的分布式电子警察系统［J］.现代电子技术，2009，32（15）:202-204.

［9］周惠椒，谭喜堂，朱琴跃，等.Zig Bee无线通信技术在电力监控系统中的应用［J］.低压电器，2011（18）:36-41.