摘要：本文基于工業(yè)現場傳感器應用需求差異、設備供應商的各自為政，導致感知設備的數據接口和通訊協(xié)議多樣化的問題，分析了無線自組網的方法，以滿足對現場數據獲取、傳輸、處理的應用需求，采用先進嵌入式技術，實時嵌入式操作系統(tǒng)，設計了一種適用于各種工業(yè)現場的數據采集控制器。

1引言

無線自組網是一種多跳的臨時自治系統(tǒng)，在1968年，為了能夠和夏威夷的教育機構交換數據，無線自組網的概念被提出。1973年在無線自組網被提出后，PR（PacketRadio，分包通信）網絡出現，這是一種多跳網絡，網絡中的各個節(jié)點不需要直接連接，節(jié)點之間能夠利用接力方式在兩個相距很遠而無法直接通信的節(jié)點之間傳遞信息，這樣就突破了網絡之間的距離瓶頸。在開發(fā)IEEE802.11標準時，IEEE提出將PR網絡改名為adhoc網絡（我國一般稱之為自組網或多跳網絡），并且希望能夠由此引出一個全新的發(fā)展領域[1]。

數據采集控制器是調度自動化、化工等過程控制自動化系統(tǒng)中的關鍵設備，它的職能是采集所在發(fā)電廠或化工廠等工業(yè)設備運行狀態(tài)的模擬量和狀態(tài)量，并向調度中心傳送這些模擬量和狀態(tài)量，執(zhí)行調度中心發(fā)往所在發(fā)電廠或化工企業(yè)的控制和調節(jié)命令。

目前，數據采集控制器主要采用嵌入式系統(tǒng)對各種模擬量和數字量進行采集傳輸，32位的嵌入式微處理器是國內外主流的處理器，ARM公司是嵌入式微處理器（RISC）生產廠家之一，距2006年底，其32位嵌入式微處理器已經占領了全球82.1%的市場，ARM處理器具有體積小、低功耗、成本低、高性能和16/32位的雙指令集的特點。在國外，基于嵌入式處理器ARM的數據采集技術已經非常成熟。Motorola使用ARM的200MHz920TRISC核，生產出來屬于龍珠系列的32位MX-1高檔的無線接入的移動式新產品，其中包括MP3和JPEG的解碼播放器，并且國外早己把嵌入式技術及嵌入式數據采集技術應用到國防科技、科學研究之中[2-4]。

2無線自組網技術

無線自組網（adhocNetwork）是一種無基礎設施的移動網絡，也被稱為多跳無線網。它是一個多跳的臨時性中心的網絡，并由一組帶無線通信收發(fā)設備的移動終端節(jié)點組成。它可以不受任何時間任何地點的影響迅速搭建起一個移動通信網絡，在沒有現有的信息基礎網絡設施的支持下，它的每個終端也可以自由的移動。

基于TCP/IP協(xié)議族的無線自組網以分組數據的格式和包交換機制進行信息流的傳輸。由眾多移動終端組成的獨立IP網絡可以與固定的互聯(lián)網并行且能夠與之互聯(lián)。

2.1無線自組網的實現方法

無線通信標準是無線數傳模塊設計中的關鍵因素，它關系著整個系統(tǒng)的性能，因此必須予以高度重視。當前比較流行的近距離無線通信標準有無線局域網（Wi-Fi）、超寬帶通信（UWB）、藍牙和紅外線數據通信IrDA以及ZigBee技術。

當前比較流行的5種短距離無線通信技術之間的比較如表2-1所示。

表2-1幾種短距離無線通信技術的比較

通過上表可以看出ZigBee技術在覆蓋距離、傳輸速率、功耗、安全性、成本等方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。非常適合應用于無線傳感器網絡的構建。因此，本文的自組網實現方法選用了ZigBee技術。

ZigBee路由算法的主要思想是先對接收數據幀的來源進行判斷，然后分解出數據幀中的目的地址，根據目的地址采用相應的機制傳送數據幀。具體實現過程如圖2-1所示。

圖2-1ZigBee基本路由算法

3數據采集控制器的總體設計方案

根據工業(yè)現場的情況，大多數工業(yè)現場采用沒有通信接口的模擬儀表，以人工讀取記錄的方式進行數據采集，這樣既浪費時間和精力效率又很低，一些儀表要實現遠傳，需要安裝智能型變送器，從而提高成本；還有一些儀表帶有數字通信接口，但不能實現組網，通信距離非常短，如若實現遠傳需要在儀表上安裝轉換協(xié)議的板卡，從而帶來不便和成本的提高。因此要實現現場數據的采集與匯聚，以方便對數據進行管理，就必須有一個核心控制器。本文所設計的帶無線組網功能的數據采集控制器便可以連接不同通信協(xié)議的網絡與設備，使得設備的數據得以遠傳和共享。

根據以上的分析，數據采集控制器必須完成以下三項重要任務，第一，實現工業(yè)生產現場數據的采集；第二，轉換不同的數據協(xié)議；第三，完成數據的匯聚和遠傳。該數據采集控制器可以集模擬量、數字化儀表以及數字量等于一體，實現數據采集、匯聚、與遠傳。其主要功能是：

（1）為實現對工業(yè)現場模擬控制器的控制功能，該數據采集控制器設計了兩路4~20mA/0~5V模擬量輸出通道，方便對現場模擬儀表的控制。

（2）為實現對工業(yè)現場溫度、壓力、流量等多種模擬量信號的采集，該數據采集控制器設計了8路、12位模擬量采集輸入通道，使其完成對現場模擬信號的采集。

（3）系統(tǒng)設計了8路數字量輸入和8路數字量輸出通道，以完成對現場大量數字量信號采集與控制。

（4）系統(tǒng)設計了一路RS-232接口，以實現與數字化RS-232接口儀表的通信。

（5）系統(tǒng)設計了一路RS-485總線接口，以實現與具有RS-485總線接口的設備和儀表通信。

（6）針對面向外部的網絡，設計了工業(yè)以太網和GPRS無線通信來完成數據遠傳的需求。

（7）針對面向傳感器的網絡，系統(tǒng)設計了以ZigBee技術為核心的面向傳感器網絡，以實現現場設備數據轉發(fā)與向應用服務器的傳輸。

數據采集控制器的典型應用場景如圖3-1所示。

圖3-1數據采集控制器的典型應用場景

Fig.3-1Thetypicalapplicationsceneofthedataacquisitioncontroller

數據采集控制器可通過以太網、GPRS數據傳輸方式接收來自數據采集服務器的命令，然后進行協(xié)議轉換和命令解析，通過解析Modbus協(xié)議地址判斷數據是轉發(fā)給誰的，如果地址是本機地址，那么直接讀寫本機的寄存器完成采集和控制功能，如果地址是給從設備的，則通過相應的串口將ModbusRTU數據包透明轉發(fā)給被采集設備或儀表。進而被采集設備或儀表做相應的處理后生成響應包送回，數據采集控制器將ModbusRTU格式的數據通過協(xié)議轉換成ModbusTCP格式，這樣便可以通過以太網或者無線網絡將其發(fā)送給數據采集服務器，數據的采集轉發(fā)便完成了。

4結論

針對工業(yè)現場普遍存在的數據結構各異、協(xié)議標準不一等問題，本文研究和給出了應用于各種工業(yè)現場的數據采集控制器的設計方案，以解決傳感節(jié)點多種協(xié)議數據自適應采集問題、非標設備接口驅動定制問題、異構網絡數據協(xié)同處理問題、自組網絡管理等問題，從而達到實現各行業(yè)中現場數據的匯聚和傳輸的目的，并且結合自身及行業(yè)的特點進行生產過程的控制，由于本文的局限性，并未給出該設計方案的數據采集器在工業(yè)現場的應用結果，在今后的工作中，我們將該數據采集器與行業(yè)生產和業(yè)務流程緊密結合，從而以應用結果驗證該數據采集器對各企業(yè)的運行管理的作用。

參考文獻

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