專利名稱：面向m2m的工業(yè)無線終端模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種跨網(wǎng)通信器件，尤其涉及一種工業(yè)應(yīng)用中面向M2M工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)臒o線終端模塊。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代社會最明顯的特征是信息的快速溝通。目前，除了少數(shù)智能化儀器儀表可以靠所帶的RS-232接口和GPIB接口增強通信能力之外，絕大多數(shù)的機器和傳感器尚不具備本地或者遠(yuǎn)程的通信和連網(wǎng)能力。今天，M2M(Machine to Machine)技術(shù)的出現(xiàn)，使得機器之間以及機器與人之間的有效溝通成為可能。M2M技術(shù)能有效將通訊網(wǎng)絡(luò)與智能傳感器網(wǎng)絡(luò)連接起來，實現(xiàn)和系統(tǒng)信息的有效交流。然而，要實現(xiàn)與大量遠(yuǎn)程的、可移動并作為終端用戶界面的機器裝置聯(lián)系起來，實現(xiàn)電子數(shù)據(jù)的采集和傳輸，僅通過包括^ternet在內(nèi)的有線網(wǎng)絡(luò)常難以實現(xiàn)。有線傳感網(wǎng)絡(luò)只能用于布線容易的短距離空間，對很多長距離的監(jiān)控則無能為力。例如，輸油管道的監(jiān)控，需要在輸油管道上散布很多傳感器，并且互相之間要交流信息。而以往的傳感器需要布線，同時傳感器之間不能互相通信，阻礙了這種應(yīng)用。因此，目前實現(xiàn)對機器的監(jiān)測和通訊功能正出現(xiàn)從有線網(wǎng)絡(luò)向無線網(wǎng)絡(luò)演化的趨勢。無線技術(shù)的發(fā)展是M2M市場發(fā)展的重要因素，它突破了傳統(tǒng)通信方式的時空限制和地域障礙，使企業(yè)和公眾擺脫了線纜束縛，讓客戶更有效地控制成本、降低安裝費用并且使用簡單方便。另外，日益增長的需求推動著M2M不斷向前發(fā)展與信息處理能力及網(wǎng)絡(luò)帶寬不斷增長相矛盾的是，信息獲取的手段遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。 而M2M很好滿足了人們的這一需求，通過它人們可以實時監(jiān)測外部環(huán)境，實現(xiàn)大范圍、自動化的信息采集。隨著企業(yè)越來越依賴于獲取的信息來管理日?；顒雍椭贫ㄩL期的業(yè)務(wù)戰(zhàn)略，將帶動對M2M更大容量和更高可靠性的需求。從現(xiàn)有的實現(xiàn)方案來看=WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)是中國工業(yè)無線聯(lián)盟針對過程自動化領(lǐng)域的迫切需求而率先制定的WIA子標(biāo)準(zhǔn)，其定義了用于過程自動化的WIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范。WIA-PA協(xié)議采用了 start-mesh兩層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。第一層是mesh結(jié)構(gòu)， 由路由設(shè)備構(gòu)成；第二層是星型結(jié)構(gòu)，由路由設(shè)備及現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成。本文中的路由設(shè)備包括網(wǎng)關(guān)路由設(shè)備(為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，采用有線方式與網(wǎng)關(guān)相連)、簇首路由(指星型網(wǎng)內(nèi)的簇首，完成對簇內(nèi)設(shè)備管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā))、mesh路由設(shè)備(指處在mesh網(wǎng)絡(luò)中的路由設(shè)備，完成簇間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā))。下文除非特別提及，路由設(shè)備均指mesh路由。根據(jù)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性高、可靠性高、實時性高、低功耗等特征，WIA-PA網(wǎng)絡(luò)采用集中式和分布式相結(jié)合的管理結(jié)構(gòu)、多信道技術(shù)以及跳頻技術(shù)等多種技術(shù)。WIA-PA提供無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案，定義用于過程自動化的WIA網(wǎng)絡(luò)、用于工廠自動化的WIA網(wǎng)絡(luò)與RFID/RTLS間的接口規(guī)范。
發(fā)明內(nèi)容鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)在長距離無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上存在的缺陷，本實用新型的目的是提出面向M2M的工業(yè)無線終端模塊，將ISA SP100和工業(yè)以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)距離傳輸處理。本實用新型的目的，將通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)面向M2M的工業(yè)無線終端模塊，其特征在于包括控制和協(xié)議融合處理器以及與之分別接口相連并一體集成的基于ISA SP100的無線通信模塊、以太網(wǎng)控制器和輔助電路， 其中所述基于ISA SP100的無線通信模塊為在片上嵌入ISA SP100協(xié)議，適應(yīng)2. 4GHz IEEE 802. 15. 4的DSSS跳頻射頻收發(fā)的芯片；所述控制和協(xié)議融合處理器為基于ARM7核的、具有將工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)ISASP100、ZigBee和工業(yè)以太網(wǎng)802. 11協(xié)議融合處理能力的微處理器， 所述輔助電路至少包含時鐘電路，JTAG接口電路和RS-232接口電路。進(jìn)一步地，所述基于ISA SP100的無線通信模塊設(shè)有具上限輸出功率50mW的可調(diào)功率放大器。進(jìn)一步地，所述控制和協(xié)議融合處理器與以太網(wǎng)控制器之間為UART接口，控制和協(xié)議融合處理器通過以太網(wǎng)控制器連接工業(yè)有線總線，并通過無線通信模塊連入M2M工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)。本實用新型工業(yè)無線終端模塊的應(yīng)用實施，其突出效果簡單來看通過設(shè)計并應(yīng)用該無線終端模塊，能將ISA SP100和工業(yè)以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議完美融合在通信終端，從而實現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場的系統(tǒng)兼容性，滿足工業(yè)M2M產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)改造的需求；此外，應(yīng)用直序擴展跳頻技術(shù)、射頻收發(fā)能耗的可調(diào)控制、基于AES-U8密鑰的 CCM完整性校驗，進(jìn)一步滿足工業(yè)現(xiàn)場對工業(yè)無線通信實時性、可靠性、魯棒性和低能耗的要求。以下便結(jié)合實施例附圖，對本實用新型的具體實施方式
作進(jìn)一步的詳述，以使本實用新型技術(shù)方案更易于理解、掌握。

圖1是現(xiàn)有WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型工業(yè)無線終端模塊的模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本實用新型研究開發(fā)的面向M2M的工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)廠區(qū)設(shè)備的監(jiān)測和控制。本項目產(chǎn)品采取自主開發(fā)、按需定制、可靠的、標(biāo)準(zhǔn)化的通信技術(shù)， 在工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中，目前業(yè)界正在研制的ISA SP100工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是工業(yè)無線的第一個兼容眾多有線工業(yè)通信協(xié)議的無線標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。以工廠和企業(yè)現(xiàn)有有線工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議為基礎(chǔ)，以ISA SP100工業(yè)無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的終端設(shè)備為核心，開發(fā)研制面向 M2M的基于ISA SP100的工業(yè)無線終端設(shè)備和融合工業(yè)現(xiàn)場有線通信協(xié)議與ISA SP100協(xié)議的無線設(shè)備。從本實用新型工業(yè)無線終端模塊的設(shè)計原理來看將M2M智能傳感器網(wǎng)絡(luò)接入 Internet涉及兩個關(guān)鍵問題，即傳送信息的媒質(zhì)和采用的協(xié)議，傳輸媒質(zhì)可以是以太網(wǎng)或者無線網(wǎng)絡(luò)等媒介，在本設(shè)計中采用低功耗和安全的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)作為無線接入hternet 的媒質(zhì)；協(xié)議采用嵌入式工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)ISA SP100和ZigBee的協(xié)議棧。通過面向M2M的工業(yè)無線終端模塊與工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)中的業(yè)務(wù)節(jié)點進(jìn)行無線通信，進(jìn)入工業(yè)以太網(wǎng)，然后通過以太網(wǎng)與hternet進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)合圖2所示的本實用新型組成的模塊結(jié)構(gòu)示意圖來了解其硬件設(shè)計，其硬件劃分主要包括控制和協(xié)議融合處理器及與之分別接口相連并一體化集成的無線通信模塊、以太網(wǎng)控制器和輔助電路。(1)基于ISA SP100的無線終端模塊的硬件核心為基于ISA SP100. 11的無線通信部件，該無線通信部件采用TI的CC2530芯片，在片上嵌入ISASP100協(xié)議，適應(yīng)2. 4GHz IEEE 802. 15.4的DSSS跳頻射頻收發(fā)，考慮到動態(tài)功率發(fā)射的需求，將增加電路功耗管理功能；(2)控制和協(xié)議融合處理器是主控軟件的載體，為了解決網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件和實時操作系統(tǒng)處理的硬件瓶頸，采用Atmel公司的AT91R40008微控制器，一款基于ARM7TDMI核的 32位微控制器，負(fù)責(zé)控制將處理好的數(shù)據(jù)通過無線通信部件發(fā)送出去或者通過以太控制器傳向工業(yè)總線，其片內(nèi)集成了 256KB的RAM，可以直接將工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)ISA SP100、ZigBee 和工業(yè)以太網(wǎng)802. 11協(xié)議之間融合處理代碼運行在片上RAM中，應(yīng)用程序可以采用任務(wù)查詢方式，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且兩個全雙工通用同步/異步收發(fā)器(UART)與外圍控制器 PDC連接，使用PDC方式，整段數(shù)據(jù)交給硬件自動收發(fā)處理比單字節(jié)處理大大減輕系統(tǒng)處理壓力，提高了系統(tǒng)的實時性。(3)微控制器的一個串行接口連接以太網(wǎng)控制芯片CS8900A，通過對CS8900A的控制和通信，實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)，當(dāng)ISA SP100的無線通信部件和網(wǎng)關(guān)建立連接后， 封裝好的數(shù)據(jù)就可以通過控制和協(xié)議融合處理器處理，由CS8900A完成和有線工業(yè)以太網(wǎng)的無縫集成，實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無線網(wǎng)兩網(wǎng)融合，通過兩網(wǎng)的內(nèi)部通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)的透明傳輸，在此基礎(chǔ)上用戶繼而實現(xiàn)相關(guān)工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)功能，如Modbus TCP網(wǎng)關(guān)功能等。另一個串行接口通過工業(yè)總線與其他嵌入式設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，該實現(xiàn)方法采用數(shù)據(jù)透明傳輸，較好地實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)功能；(4)輔助電路包括時鐘電路、JTAG接口電路，RS232接口電路等，考慮到工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)存儲的需求，在片上系統(tǒng)之外將增加外置Flash ；根據(jù)接口設(shè)計，終端對外預(yù)留串口通信口，對外同時提供通用輸入/輸出接口 GPI0、模擬信號接口 ADC，通過這些接口，該終端可以無縫地和工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備如傳感器和變送器相鏈接，接口設(shè)計對外預(yù)留2個RS232串口， 其中一個可和ISASP100工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)管理器相連，通過發(fā)送預(yù)先定義好的數(shù)字指令，可以實現(xiàn)ISA SP100無線網(wǎng)絡(luò)的管理，MAX232負(fù)責(zé)實現(xiàn)系統(tǒng)的另一個用戶接口與標(biāo)準(zhǔn)RS232總線之間的電平轉(zhuǎn)換；另外，圖2所示的其它輔助電路說明如下Crystal Oscillator為晶振電路； Flash為片外閃存，用戶接口與標(biāo)準(zhǔn)RS232總線之間的電轉(zhuǎn)換芯片為MAX232 ；實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)的太網(wǎng)控制芯片為CS8900A ；模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口 ADC、并行I/O 口控制器ΡΙ0、通用同步/異步收發(fā)器UART、功率放大器與低噪聲放大器PA&LNA、開關(guān)引腳TX/RX和RF端采用單端天線ANT。上述該工業(yè)無線終端模塊的創(chuàng)新特點主要包括以下幾個方面1、主線立足于ISA SP100協(xié)議的終端模塊開發(fā)。采用跨層開發(fā)，實現(xiàn)硬件資源最小的協(xié)議棧，ISA100標(biāo)準(zhǔn)的物理層符合IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)，工作于2. 4GHz ISM頻段，有16條信道可以選擇。2. 4GHz頻段是一個全球性15的通用頻段而且免費不需要申請，開發(fā)的產(chǎn)品具有全球通用性。基于TI的CC2530芯片，加設(shè)功率放大器可實現(xiàn)最大至50mW可調(diào)功率輸出帶ISA SP100. Ila工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)的射頻模塊設(shè)備；采用ARM處理器，支持無線ISA SP100. Ila的接入，同時支持包括符合IEEE802. 3 和802. 11 10/100Mbps以太網(wǎng)，支持標(biāo)準(zhǔn)的10/100Mbps TCP/IP、UDP協(xié)議，支持跨網(wǎng)段訪問，通信接口將支持符合IEEE 802. 310/100M接口和支持串口速率300bps至115200bps的串口通信接口，同時考慮到數(shù)據(jù)的存儲和協(xié)議轉(zhuǎn)換等的需要，將集成不低于8MB的FLASH和不低于U8KB的RAM。2、基于工業(yè)無線技術(shù)與其他有線工業(yè)技術(shù)通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以及IP網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在無縫轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)距離傳輸處理。支持工業(yè)無線ISA SP100. Ila標(biāo)準(zhǔn)通信技術(shù)和和工業(yè)以太網(wǎng)兩網(wǎng)融合，并在此基礎(chǔ)上提供可以進(jìn)行二次開發(fā)的其他工業(yè)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的融合的平臺。實現(xiàn)ISA100網(wǎng)絡(luò)支持與其他無線短距離網(wǎng)絡(luò)的共存，比如IEEE 802. 11網(wǎng)絡(luò)，基于IEEE STD 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)；基于DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum，直序擴展跳頻)的跳頻技術(shù)保證通信的可靠性，采用IEEE 802. 15. 4的DSSS技術(shù)方式。減少了設(shè)備在每一條信道工作的時間，可以在其他信道重發(fā)數(shù)據(jù)包，進(jìn)而也增加了網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性，使用空閑信道評估避免與其他非同步系統(tǒng)的沖突，可以最大限度保證通信信道在受到干擾的時候跳到暢通的信道上通信3、ISA100通信協(xié)議棧數(shù)據(jù)安全技術(shù)使用基于AES-U8密鑰技術(shù)。在設(shè)計中，數(shù)據(jù)傳輸保護(hù)包括對整個數(shù)據(jù)鏈路層幀和傳輸層幀實施基于AES-128 密鑰的CCM完整性校驗，可獲取可選32位、64位的完整性校驗碼，以及對數(shù)據(jù)鏈路層幀和傳輸層幀內(nèi)的有效載荷進(jìn)行加密(或解密)。4、動態(tài)能耗管理，降低無線網(wǎng)絡(luò)的能耗。本模塊將采用可調(diào)功率輸出的射頻電路，最大發(fā)射功率可到50mW以保證網(wǎng)絡(luò)信號的可靠性。同時，在網(wǎng)絡(luò)組建后，模塊自身可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的組織情況以及功能需求動態(tài)地調(diào)節(jié)發(fā)射功率，最大限度地保證能耗的最小化。該功能對于現(xiàn)場采用電池供電的設(shè)備尤其關(guān)鍵，通過該功能，可以最大化電池的使用壽命，也使得許多現(xiàn)場設(shè)備的升級換代無需重新考慮電源以上僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾， 均仍屬于本實用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.面向M2M的工業(yè)無線終端模塊，其特征在于包括控制和協(xié)議融合處理器以及與之分別接口相連并一體集成的基于ISA SP100的無線通信模塊、以太網(wǎng)控制器和輔助電路，其中所述基于ISA SP100的無線通信模塊為在片上嵌入ISA SP100協(xié)議，適應(yīng)2. 4GHz IEEE 802. 15. 4的DSSS跳頻射頻收發(fā)的芯片；所述控制和協(xié)議融合處理器為基于ARM7核的、具有將工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)ISASP100、ZigBee和工業(yè)以太網(wǎng)802. 11協(xié)議融合處理能力的微處理器， 所述輔助電路至少包含時鐘電路，JTAG接口電路和RS-232接口電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向M2M的工業(yè)無線終端模塊，其特征在于所述基于ISA SP100的無線通信模塊設(shè)有具上限輸出功率50mW的可調(diào)功率放大器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向M2M的工業(yè)無線終端模塊，其特征在于所述控制和協(xié)議融合處理器與以太網(wǎng)控制器之間為UART接口，控制和協(xié)議融合處理器通過以太網(wǎng)控制器連接工業(yè)有線總線，并通過無線通信模塊連入M2M工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)。
專利摘要本實用新型涉及一種由以太網(wǎng)控制器、基于ARM7核的微處理器和嵌入了ISA SP100與ZigBee協(xié)議的CC2530芯片相一體化集成的工業(yè)無線傳輸終端硬件設(shè)計和實現(xiàn)方案，采用了跨層開發(fā)的層次結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)接口，實現(xiàn)了基于實時操作系統(tǒng)μC/OS-II的嵌入式ISA SP100和ZigBee協(xié)議棧，同時兼容工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無線網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，滿足工業(yè)現(xiàn)場對工業(yè)無線通信的實時性、可靠性、魯棒性和兼容性，該設(shè)計方案具有成本低、低功耗、精度高和處理能力強等優(yōu)點。
文檔編號H04W88/16GK202121790SQ201120153508
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月16日
發(fā)明者劉文芝, 劉昭斌, 吳鑫, 王志紅 申請人:蘇州市職業(yè)大學(xué)