工业用应急桥接通信标准化套件关键技术研究

李云雪　易勇　施一飞

摘  要：当前工业场景大量引入物联网技术来完成监测监控和数据采集。其中无线传感网异构多元，在网络融合使用方面需要研发能快速组网、使用便捷的套件装备。文章重点研究能接入既有工业传感网的应急桥接通信套件，实现近程无线网络协议融合、特殊场景数据快速上传。套件的标准化通信模组设计为可增减，现场作业时可组合完成无线传感网络的中继、桥接和通信抢险等功能。

关键词：异构无线网;应急桥接;标准化通信套件;嵌入式软件融合

中图分类号：TP311                 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）20-0171-04

Research on Key Technologies of Industrial Emergency Bridging Communication Standardization Kit

LI Yunxue， YI Yong， SHI Yifei

（Geely Univercity of China， Chengdu  641423， China）

Abstract： At present， internet of things technology is widely introduced into industrial scenes to complete monitoring and data collection. Among them， the wireless sensor network is heterogeneous and multivariate. In terms of network integration， it is necessary to develop kit equipments that can quickly set up a network and use conveniently. This paper focuses on the emergency bridging communication kit that can access the existing industrial sensor network to realize the integration of short-range wireless network protocols and the rapid upload of special scene data. The standardized communication module of the kit is designed to be increased or decreased. During the field operation， it can be combined to complete the functions of wireless sensor network， such as relay， bridging and communication rescue.

Keywords： heterogeneous wireless network; emergency bridging; standardized communication kit; embedded software integration

0  引  言

近年來，工业园区、工矿企业、能源管线等场所不断引入传感网络来监测工业生产中的各类参量，物联网终端/边缘设备和数据汇聚越来越重要。主要的近程无线传感网络有射频BaseRF、Zigbee、LoRa、NB-IOT、Wi-Fi、蓝牙等。

伴随物联网建设的持续推进，不同厂家、不同时期加入的设备型号各异，数据接口多样，统一调度难度不断增加。这些传感装备能完成各自应用上层规定的数据采集，但在特殊场景下急需现场可快速组合的通信套件。

通信套件关键技术的应用可改善现有非标准化终端在雷雨、运行方式调整后抢修掉线时通信协议不能及时融合的问题。所研制出的模组可避免不必要的人工配网，解决通信抢险费时费力的弊端，可让有限的人力资源腾出更多时间和精力聚焦企业本身的稳定生产。

1  工业应急通信场景下的异构网络融合分析

物联异构传感网数据通常不能灵活地融合，一般是通过网关设备传输数据到互联网，但企业经常会在边缘端进行通信协议的快速切换，达到工业现场复杂多样数据的整合和汇聚。所以，异构传感网融合也是工业物联网重要的研究热点之一。

如图1所示，异构网络融合主要有三种结构，分别是松耦合结构、紧耦合结构及超紧耦合结构：

（1）松耦合结构。为了实现两个异构网络的融合，数据传输到远程互联网应用平台实现不同异构网络的互联互通。松耦合结构的优点是研制难度小，能够面向众多网络协议，工程维护交由各自的异构网络完成，相互之间不易产生过多干扰，在工业互联网建设中能得到广泛应用。

（2）紧耦合结构。这种结构常用于地理区域下一个网络覆盖另外一个网络，通过边缘设备将子网连接到主网。用户基本察觉不到这种耦合，子网和主网的切换延迟小于原有网络。

（3）超紧耦合结构。两种异构网络的融合并非是通过网关类边缘设备连接的，而是连接到再上一层的节点。该节点只有部分异构网络信息，优点是方便边缘数据的处理，能配置异构网络，缺点是融合软件研制成本相对较高。

因需接入既有网络，应急通信套件属于超紧耦合融合类型。在桥接近程网络和数据远传的基础上具备模块标准化预置设计。

2  边缘域控框架和软件定义模型技术

基于边缘计算的数据融合框架是目前主流物联网技术框架之一，框架需在设备端解决传感器编码、网络节点定义、异构网络数据汇聚、数据转发规则定义、上层命令传达、通信协议栈等域控管理。此外，框架还需具备数据本地化存储、前期数据处理、云平台数据传输等边缘计算功能。

通信套件的域控框架主要面向通信转发和数据融合，为方便现场的应急操作而采用简化的域控模型，如图2所示。

套件本身设计理念并不排斥任何的无线和有线的通信协议，网络融合层面向现场复杂多样的既有网络，平行设计企业常用的串行通信和工控等协议，设备由统一的标准化接口接入数据接入层。

数据接入层是域控框架的核心层，“标准化装配”为不同的通信模组提供软件包完成协议标准化转换，与本地协议相关的封包和解包交由模组各自协议栈完成。“传感数据”面向裸数据，完成数据存储、完整性检查等功能。“数据接口”完成桥接、中继和远传接口的在线监测，可对模组进行命令传达。数据接入层接受域控规则层的配置，完成数据转发。

域控规则层完成转发规则的定义。应急状态下通信转发需要简洁的表达，主要有桥接、中继和传感器数据采集几种抢险模式。“数据采集”在紧急上传特殊传感器数据时，需要按照应用逻辑对设备进行注册。

边缘计算层提供边缘分析能力，可依据云平台接口传输数据。“边缘计算”完成数据整理、数据拟合应用和数据清洗等初步处理，“本地存储”利用本地持久化完成离线存储和在线续传，传感器数量较大时可用边缘设备中的队列来处理。“远程传输”主要完成数据整合上传云平台，并使用云平台业务服务，也处理来自云平台的命令并转发到底层相关接口。

通信套件的设计非常拟合物联网的软件定义网络模型，该模型可简化为三层：应用层、控制层和数据转发层，其中控制层中的数据流表对应于简化域控模型的域控规则层。软件定义物联网的重点是突出控制层的软件能力，采用软件分层接口技术屏蔽数据转发层相關细节，使得应用层专注于实际的管理。通信模组的可增减设计，理论上也具备了软件定义转发节点的强大能力。

3  应急桥接标准化套件软硬件关键技术

通信套件硬件的设计架构是用总线连接不同协议类型的模组，模组可以按照统一的CAN总线接口汇聚到带CPU的通信背板，便于软件进行统一的封装以实现底层的标准化处置。

采用业界主流的通信板卡拼接组成，分为通信模组板和核心背板，开发板实物结构如图3所示。

核心背板配置双通道的CAN总线收发器，自带网口和Wi-Fi能实现数据远传、人机交付和命令传达。为方便现场快速操作，CAN通道的地址被设计用于数据转发规则的定义：如果通道一和通道二均接入了套件，则进行数据桥接。如果只有一个通道有套件则转发数据到IP网络。CAN总线采用数据线连接实现对通信板的供电，利用CAN总线的高速性能和远距离通信还能实现套件在有异物阻挡，无线信号不畅通情况下的灵活组网。所有板卡采用STM32芯片，涉及有线组网（RS-485）和低功耗窄带组网（NB-IoT、LoRa）外设开发。具体芯片选型采用高性能产品系列：STM32F4、STM32F7、STM32H7和无线产品系列：STM32WB。

基于嵌入式软件智能融合的理念，软件关键技术采用分层和封装的思想完成架构设计。在核心板对所有外部可组合通信模组进行嵌入式软件融合，对通信套件提供SDK包完成标准化预置，软件分层架构如图4所示。

通信套件中抽象出软件融合层，屏蔽既有传感网络协议设备的不同嵌入式软件，对接各通信模组的处理逻辑并调用统一的CAN总线接口。套件设计为可增减，依据组网逻辑可完成异构网络桥接，通过5G、卫星、RS485等通信方式上传数据。核心板的软件架构首先是对外部设备和通信芯片驱动的封装，形成统一的硬件驱动层。核心板自带TCP/IP协议栈，完成默认的IP网络数据远传。核心板的软件融合层与通信套件相对应，面向CAN协议屏蔽了核心板自带的通信协议栈，通过包转发层完成传感数据包和命令数据包的转发。

核心板对其他板卡的处置和配置则通过统一的命令解析层完成（套件嵌入到软件融合层）。对套件进行标准化预制，可以快速改造不同协议的模组，模组可依据应急通信的具体需求组合更换。这样的软件架构设计可扩展性强，能快速完成多人的并行开发，开发效率和测试效率得到极大的提升，并且能很好地利用STM32本身带来的库函数和芯片驱动源码。

通信套件的顶层函数算法代码为：

/*融合层预置标准化通信套件算法概要*/

int main（void）

{

......

if（CanP_TestFifo（） == 1）{ //CAN总线检测，指示灯控制

LED1=BLUE;

}

Can_Rx_Check（）;

Local_Rx_Check（）;

switch（Frm_Rx_Flag）{

case CAN_FRM：

if（CMD_Rx_flag == 1）{//收到核心板传来命令

SetCmdCallBack（CanRxMsg.Data， CallBackLocalFunc）;

}

else if（DAT_Rx_flag == 1） {   //收到核心板转发包

SendToLocalProtocol（CanRxMsg.Data，len）;

}

Can_Flag_clean（）;   //清除标志位状态

break;

case LOCAL_FRM：//本地协议栈数据包

Send_Data_To_CANFifo（CanRxMsg.Data，len）;//发往核心板

LOCAL_Flag_clean（）;

break;

default：

break;

}

......

}

包括CAN通信帧ID在内的传感器编码控制等参数可以通过命令解析完成。具体的协议栈和控制沿用本地的处理逻辑，如自组网的磋商、路由算法等。融合汇聚数据包必须发往核心板完成转发。核心板完成数据包转发算法的概要代码为：

/*核心板数据包转发域控算法概要*/

int main（void）

{

......

if（Can1_TestFifo（） == 1）{//CAN1总线检测，指示灯控制

CAN1_ONLINE_FLAGE = 1;

LED1=BLUE;

}

if（Can2_TestFifo（） == 1）{ //CAN2總线检测，指示灯控制

CAN2_ONLINE_FLAGE = 1;

LED2=BLUE;

}

Can1_Rx_Check（）;

Can2_Rx_Check（）;

Local_Rx_Check（）;//本地WAN口和WIFI检测

switch（Frm_Rx_Flag）{

case CAN1_FRM：

if（Can1_CMD_Rx_flag == 1）{ //收到套件命令应答

SetCmdCallBack（Can1RxMsg.Data，len，CallBackLocalSet）;

}

else if（Can1_DAT_Rx_flag == 1&& CAN2_ONLINE_FLAGE == 1） {//中继桥接转发

SendToCan2Fifo（Can1RxMsg.Data，len）;

}

else if（Can1_DAT_Rx_flag == 1&& CAN2_ONLINE_FLAGE == 0）{     //核心板采集数据上传

SendToWanIp（Can1RxMsg.Data，len）;

}

Can_Flag_clean（）; //清除标志位状态

break;

case CAN2_FRM：

if（Can2_CMD_Rx_flag == 1）{//收到套件命令应答

SetCmdCallBack（Can2RxMsg.Data，len，CallBackLocalSet）;

}

else if（Can2_DAT_Rx_flag == 1&& CAN1_ONLINE_FLAGE == 1） {//中继桥接转发

SendToCan1Fifo（Can2RxMsg.Data，len）;

}

else if（Can2_DAT_Rx_flag == 1&&CAN1_ONLINE_FLAGE == 0）{//核心板采集数据上传

SendToWanIp（Can2RxMsg.Data，len）;

}

Can_Flag_clean（）;

break;

case LOCAL_FRM：//本地WAN口和WIFI数据包

if（CAN1_ONLINE_FLAGE == 0）

Send_Data_To_CAN1Fifo （CanRxMsg.Data，len）;//发往CAN1

if（CAN2_ONLINE_FLAGE == 0）

Send_Data_To_CAN1Fifo （CanRx Msg. Data，len）;//发往CAN2

LOCAL_Flag_clean（）;

break;

default：

break;

}

......

}

包转发中调度逻辑不需要耗时配置，系统默认调度逻辑为如果两端均有套件，指示灯亮则完成中继或桥接，如果只有一端有套件则采集数据上传。

4  结  论

标准化通信套件工作环境多样，需要解决电池长时间带电工作，板卡的CPU具备休眠和信号唤醒模式，采用低功耗的算法和微处理内核支撑来达到套件的功耗要求。在工程应用中还需要关注套件本身的供电方式，支持有源供电与可充电高容量电池的集成，为野外作业和通信提供保障。在完成研制后要匹配套件封装设计，达到野外可防水防尘的效果;要设计可插拔接口和自锁装置，具备各自独立的通信天线设计。

套件的具体应用与数据类型有关，需针对性研究和开发。工业应急通信抢险、快速网络修复和数据紧急组网上传在工矿企业、电力系统、能源管线、桥梁大坝等场所均有迫切的应用需求。所研究的软硬件关键技术能在一定程度上为开发者提供指引。

参考文献：

[1] 李辉，李秀华，熊庆宇，等.边缘计算助力工业互联网：架构、应用与挑战[J].计算机科学，2021，48（1）：1-10.

[2] 李庆，刘金娣，李栋.面向边缘计算的工业互联网工厂内网络架构及关键技术 [J].电信科学，2019，35（S2）：160-168.

[3] 李玲，郭晓玲，武仁杰，等.基于NB-IoT及ZigBee的无线传感器网络网关设计 [J].通信技术，2019，52（1）：234-238.

[4] 朱成，黄娅，刘沁，等.基于无线传感器与边缘网关的变电站全物联体系方案 [J].电力大数据，2020，23（9）：10-17.

[5] 张朝昆，崔勇，唐翯翯，等.软件定义网络（SDN）研究进展 [J].软件学报，2015，26（1）：62-81.

作者简介：李云雪（1974—），男，汉族，四川雅安人，讲师，硕士研究生，研究方向：物联网技术、大数据分析。