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1 引言 工業(yè)無線通信技術是繼現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)之后，工業(yè)自動化領域又一個研究熱點。 實際上，無論是場總線還是工業(yè)以太網(wǎng)，都已經(jīng)形成了多標準并存的局面，在協(xié)議轉換、異 構網(wǎng)絡接入過程中，網(wǎng)關起著重要作用。工業(yè)無線通信技術要應用于工控領域，也面臨諸如 開放性、互操作等技術。 ZigBee 因其低成本、低功耗、組網(wǎng)靈活等眾多優(yōu)勢，成為工業(yè)無線通信技術中備受關 注的技術之一。ZigBee 是一種低速網(wǎng)絡，傳輸速度為10KB/S～250KB/S，其在工業(yè)自動化 應用中，一般要接入上層網(wǎng)絡。本文介紹一種ZIGBEE/工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關設計，實現(xiàn)ZIGBEE 與工業(yè)以太網(wǎng)的一種接入，設計中ZigBee 和工業(yè)以太網(wǎng)應用層都采用自動化儀表廣泛支持 的Modbus/RTU 協(xié)議。 2 網(wǎng)關硬件體系結構 網(wǎng)關硬件體系結構如圖 1 所示。系統(tǒng)以Rabbit3000 MPU 為核心，擴展了以太網(wǎng)接口、 ZigBee 無線通信接口和基本的flash、RAM 及電源電路。圖中SST39LF040 為512Kflash， AS7C4096 為512K SRAM，與Rabbit3000 的地址線（A0～A18）、數(shù)據(jù)線（D0～D7）、片選 線（CS0～CS2）、讀寫線（OE0、OE1、WE0、WE1）直接無譯碼相連。AX88796L 為以太 網(wǎng)接口控制芯片，10M/100M 兼容，3.3V 供電。AX88796L 的TPOP、TPON、TPIP、TPIN 接RJ45 連接器LF1S022。 SZ05-ZBEE 是上海順舟公司的無線通信模塊，模塊將Freescale的MC13213及外圍電路 布置在2.75×4.8cm的PCB板上，提供標準2.54 雙排插針接口，包含電源接口、數(shù)據(jù)接口、 控制接口和系統(tǒng)指示燈接口和天線接口等，采用IEEE802.15.4/ZIGBEE 標準地址尋址，支持 星型、樹型、鏈型、網(wǎng)狀網(wǎng)等拓撲結構。SZ05-ZBEE通過RX1、TX1（串行通信接口）直接與 Rabbit3000的PC6、PC7（串行通信口A）連接。 3 網(wǎng)關軟件設計 網(wǎng)關的主要功能是實現(xiàn)Zigbee與以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。SZ05-ZBEE無線通信模塊集成 了符合ZigBee協(xié)議標準的射頻收發(fā)器和微處理器，初始化設置后，模塊即可以實現(xiàn)透明串口 傳輸。為適應短幀實時和確定性通信發(fā)展趨勢，以太網(wǎng)通信采用UDP/IP協(xié)議，應用層采用 Modbus/RTU主從式協(xié)議。類似于Modbus/TCP協(xié)議，也可以稱以太網(wǎng)側協(xié)議為Modbus/UDP 協(xié)議。網(wǎng)關軟件基于Dynamic C和μC/OS-Ⅱ實時操作系統(tǒng)設計。 3.1 網(wǎng)關轉發(fā)報文的總體設計 Modbus 標準中規(guī)定了完整的消息、數(shù)據(jù)結構、命令和應答方式，但只是OSI 模型第7 層上的應用層報文傳輸協(xié)議，定義的是一種以數(shù)據(jù)幀形式表示的能使設備相互識別和使用的 消息結構。因此，可以不對數(shù)據(jù)包作任何修改，將Modbus/RTU 報文作為應用層數(shù)據(jù)在不 同網(wǎng)絡之間傳輸。 網(wǎng)關中即是將 Modbus/RTU 報文作為UDP 和ZigBee 應用層數(shù)據(jù)傳輸。主站報文通過 UDP 端口接收，去掉幀頭幀尾，附加Zigbee 短地址，通過串口發(fā)給SZ05-ZBEE，轉化為 ZigBee 報文發(fā)送；從站的ZigBee 報文由SZ05-ZBEE 轉為串口數(shù)據(jù)接收，去掉ZigBee 短地 址，附加UDP 幀頭幀尾，然后由以太網(wǎng)口轉發(fā)。具體程序包括5 個任務：UDP 接收、串口 發(fā)送、串口接收、UDP 發(fā)送以及嵌入式Web Server。嵌入式Web Server 用于設備管理。系 統(tǒng)程序結構如圖2 所示。 3.2 地址映射 對于ZigBee 設備，有其IEEE 地址和16 位短地址。設計中將ZigBee16 位短地址與Modbus 從站地址綁定，從而實現(xiàn)Modbus 主、從各節(jié)點之間地址定向。具體是將一系列Modbus 從 站地址和ZigBee 短地址以配置文件config.txt 下裝到flash，網(wǎng)關在初始化時，讀取配置文件 內(nèi)容，存儲在數(shù)組中。數(shù)組形式為： char ModbusZigbee_Addr[ ]= [{ModbusAddr0,shortAdd0H, shortAdd0L},……{ ModbusAddrn,shortAddnH,shortAddnL}] 接收UDP 報文后，讀取報文中的Modbus 從站地址，檢索數(shù)組得到與之匹配的 ModbusAddrx（ModbusAddr0 到ModbusAddrn 中查找）,從而讀取該從站ZigBee 短地址 shortAddxH、 shortAddxL。該短地址將附加在所接收的UDP 報文之前，一同作為串行通信 口的轉發(fā)報文。 config.txt 文件中，Modbus 從站地址和ZigBee 短地址在存儲時以空格間隔，文件以#結 束。數(shù)組的第一維長度在讀取文件后確定，定義為Device_Number。檢索ZigBee 短地址函 數(shù)如下： int ZigBee_Search(char Modbusaddr) {int i=0; For(i=0;i{If(Addr[ i][0]== ModbusAddr) return i ; } return Device_Number } Addr[ i]、Addr[ i]為對應的ZigBee 短地址。返回值為Device_Number 表示未檢索到。 3.3 緩沖區(qū)設計及數(shù)據(jù)接收轉發(fā) 為了解決以太網(wǎng)口和串行通信口速度配合上，以及解除串口與以太網(wǎng)口耦合，設計了兩 個環(huán)形隊列作為UDP 接收緩沖區(qū)和串口接收緩沖區(qū)(用宏Buffer_Size 定義)。緩沖區(qū)仿雙口 RAM 思想、按照先進先出（FIFO）原則設計。 UDP 接收緩沖區(qū)同時是串口發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)。 緩沖區(qū)結構為： char UDP_ReceiveBuffer[Buffer_Size]= [SendNumber1，shortAddxH，shortAddxL，ModbusAddrx，F(xiàn)uncodex，…… ……SendNumbern，shortAddxH，shortAddxL，ModbusAddrx，F(xiàn)uncodex] ModbusAddrx 開始為所接收的UDP 報文，即完整的Modbus/RTU 數(shù)據(jù)。shortAddxH 和shortAddxL 為ZigBee 短地址，SendNumberx 為UDP 報文長度加2，即串口要轉發(fā)的數(shù)據(jù)長 度。每次接收的UDP 報文都附加ZigBee 短地址和SendNumberx 這3 個字節(jié)存放在緩沖區(qū) 中。UDP 接收緩沖區(qū)設置了當前存儲數(shù)據(jù)指針(int UDP_Location)，始終指向當前存儲數(shù)據(jù) 尾部。類似，針對串口轉發(fā)，設置了當前發(fā)送數(shù)據(jù)指針（int Serial_Location）始終指向已經(jīng) 發(fā)送數(shù)據(jù)尾部。系統(tǒng)默認Modbus/RTU 數(shù)據(jù)幀長度不大于256。指針大于Buffer_Size 以后 均回零，此后，原來的報文陸續(xù)被覆蓋。“串口發(fā)送”任務判斷兩指針是否重合，決定是否 啟動串口轉發(fā)。UDP 口接收報文部分程序如下。 串口接收緩沖區(qū)設計類似。由于數(shù)據(jù)通過固定的端口和IP 地址轉發(fā)，存儲數(shù)據(jù)中不再 包含類似于Zigbee 地址的數(shù)據(jù)項。 4 結束語 本文設計適當調(diào)整可以用于更多場合。如，動態(tài)管理地址綁定數(shù)組，可以適應動態(tài)組網(wǎng)；數(shù)組中增加IP 地址、端口號等可適應其他類型報文；調(diào)整緩沖區(qū)大小可以適應不同尺寸報 文收發(fā)等。 經(jīng)過多年的重點扶持，我國工業(yè)以太網(wǎng)研究已經(jīng)取得大量成果并廣泛應用。目前，工業(yè) 無線通信技術也列為我國“十一五”863 重點研究項目，ZigBee 等技術也將逐步廣泛應用于 工業(yè)自動化領域。本系統(tǒng)開發(fā)基于市場現(xiàn)有的通用技術，對中小型控制系統(tǒng)開發(fā)和改造有借 鑒意義。 文章創(chuàng)新點：提出了一種簡潔方便的 Zigbee/以太網(wǎng)接入方案，應用地址映射、環(huán)形緩 沖隊列等解決了Zigbee 通信與以太網(wǎng)通信速度協(xié)調(diào)技術。 |
