工业无线射频通信网络平台及其现场部署方法

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工业无线射频通信网络平台及其现场部署方法\n技术领域\n[0001] 发明涉及一种工业无线射频通信网络平台及其现场部署方法，采用基于短距离射频通信的工业无线网络技术，属于工业测控领域。\n背景技术\n[0002] 当前的工业测控系统和设备主要采用可编程控制器或工业控制计算机为核心，以现场总线方式或者工业以太网通信方式对工业现场进行测控，现场传感器和被控设备与控制中心设备的互联互通采用硬介质，不仅布线复杂、施工和维护麻烦，而且成本特别高。随着技术的发展，工业测控由现地控制方式发展为现地控制和远程控制互为备份的控制方式并存，现在广为应用的远程控制主要利用公用通信网络作为远程通信介质；利用大功率窄带数传电台进行点到点或点到多点的无线控制方式在对SCADA应用中较为常见。利用公网传输控制命令和设备状态信息存在公网安全性和可靠性依赖通信网路运营商，公网瘫痪时，用户无能为力，其次，利用大功率窄带数传电台进行点到点或点到多点的数据传输，难以构造信道冗余备份的可靠的网络通信环境。\n[0003] 另外，以可编程控制器或工业控制计算机为核心构建的工业测控系统和设备的互联互通便利，但是可编程控制器或工业控制计算机只适用于测量和控制对象较为复杂且密集的地方，主要采用本发明在研究工业无线传感器网络的前沿技术的基础上，依据工业控制系统工作环境，采用无线传感器网络技术部署新型工业测控通信网络平台，实施对现场设备工作状态监测、控制和故障诊断。\n发明内容\n[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对现有工业控制网络系统安装布线复杂，维护麻烦等缺点，提供一种工业无线射频通信网络平台及其现场部署方法，采用基于短距离射频通信的工业无线网络技术，适用于各种工业现场、移动设备测控、环境监测、水利水文监测监控，实现无线远程测量和控制。\n[0005] 本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：\n[0006] 本发明工业无线射频通信网络平台，其特征在于由无线传感器/执行器网络网关节点、n个协调者节点、m个终端采集控制节点组成，其中无线传感器/执行器网络网关节点通过RS232异步串行通信接口与上位机管理系统互联，无线传感器/执行器网络网关节点通过Zigbee协议和协调者节点无线通信，协调者节点通过Zigbee协议与终端采集控制节点无线通信，终端采集控制节点输出控制量于受控对象实现现场信息采集和测量，所述n和m都为自然数。\n[0007] 所述的工业无线射频通信网络平台的现场部署方法，其特征在于包括如下步骤：\n[0008] 1)部署用户子系统于主控中心，所述用户子系统由无线传感器/执行器网络网关节点通过RS232异步串行通信接口与上位机管理系统互联安装构成，采用无线传感器/执行器网络网关节点负责协议的转换，包括物理层协议和数据链路层协议的转换，上行数据和命令、下行数据和命令的转发；\n[0009] 2)部署现场终端设备，现场终端设备由终端采集控制节点连接受控对象即工业现场设备构成，所述终端采集控制节点负责工业现场数据的采集和工业现场设备的控制；\n[0010] 3)部署无线通信网络系统，依据部署的现场终端的数量和计算工业现场和主控中心的最远距离，确定无线通信网络系统的节点数量，所述无线通信网络系统的节点即协调者节点，负责信息的路由和交换。\n[0011] 本发明工业无线射频通信网络平台及其现场部署方法，采用基于短距离射频通信的工业无线网络技术，其适用性强，与测控类型无关；整个系统只需要无线控制节点和采集隔离板，成本低，安装容易。\n附图说明\n[0012] 图1是本发明的系统组成示意图；\n[0013] 图2是本发明的终端采集控制节点结构图；\n[0014] 图3是本发明的终端采集控制节点电路原理图；\n[0015] 图4是无线传感器/执行器网络协调者节点的工作流程图；\n[0016] 图5是无线传感器/执行器网络终端采集控制节点的工作流程图；\n[0017] 图6是无线传感器/执行器网络上现场部署示意图；\n[0018] 图7是终端采集控制节点的信号输入/输出接线端子部署示意图。\n具体实施方式\n[0019] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。\n[0020] 如图1所示，本发明由无线传感器/执行器网络网关节点1、协调者节点21、协调者节点22、协调者节点23、终端采集控制节点31、终端采集控制节点32组成。无线传感器/执行器网络网关节点1主要完成Zigbee协议和RS232串行口物理层协议的转换；协调者节点21、协调者节点22和协调者节点23主要完成无线数据和控制信令的中继和路由；终端采集控制节点31和终端采集控制节点32输出控制量于受控对象、现场信息采集和测量。\n[0021] 无线传感器/执行器网络技术是二十一世纪十大新兴技术之一。本发明采用ZigBee协议和应用层自定义协议作为无线通信协议，它是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。基于ZigBee技术和应用层自定义协议的无线传感器/执行器网络可最多容纳65,000个设备，且网络自组织、自愈能力强，通信可靠，特别适用于移动设备测控、环境监测、水利水文监测监控等低传输率、短距离、低功率的领域。\n[0022] 该系统具有以下优点：1)安装方便，维护容易；2)可重配置，适应性强；3)能实现无线远程测量和控制；4)成本低。\n[0023] 如图2、3所示，本发明所述的终端采集控制节点31和终端采集控制节点32，其组成单元完全相同，主要由无线传感器/执行器网络芯片U1(型号：CC2430)、4路集成运放芯片(型号：LM324)，分别是U5A、U5B、U5C、U5D、，光耦隔离芯片U2、U3、U7、U8(型号：PC817)和电压转换芯片U4(型号：REG1117-5)、U6(型号：REG1117-3.3)，继电器K1和继电器K2组成。无线传感器/执行器节点模块由芯片U1，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8，电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11，电感L1、电感L2、电感L3，天线E1组成，晶振Y1，晶振Y2，其中电阻R7，电阻R8，电感L1，电感L2，电感L3和电容C7、天线E1组成天线发射电路，R11和C8组成复位电路。两路模拟信号输入：一路通过由集成运放芯片U5A和U5B，电阻R12，R13组成的运放电路与U1的18引脚相连，一路通过集成运放芯片U5C和U5D，电阻R14，R15组成的运放电路与U1的17引脚相连。两路数字输入：一路通过二极管D2，二极管D4与U1的11脚相连，一路通过二极管D5，二极管D3与U1的12脚相连。四路数字输出：(1)由U1的9脚输出高电平或低电平，经过连接电阻R2与芯片U2的1脚连接，U2的3脚分别与电阻R1和电阻R3相连，其中电阻R3的的另外一只脚与三极管Q1的基极相连接，Q1的集电极输出控制量至继电器K1，实现对现场控制对象的控制；(2)由U1的8脚输出高电平或低电平，经过连接电阻R5与芯片U3的1脚连接，U3的3脚分别与电阻R4和电阻R6相连，其中电阻R6的的另外一只脚与三极管Q2的基极相连接，Q2的集电极输出控制量至继电器K2，实现对现场控制对象的控制；(3)由U1的6脚输出频率可变的脉冲量，经过连接电阻R18与芯片U7的1脚连接，U7的3脚分别与电阻R16和电阻R19相连，其中电阻R19的的另外一只脚与三极管Q3的基极相连接，Q3的集电极输出频率可控的脉冲量，实现对现场控制对象的控制；(4)由U1的5脚输出频率可变的脉冲量，经过连接电阻R20与芯片U8的1脚连接，U8的3脚分别与电阻R17和电阻R21相连，其中电阻R21的的另外一只脚与三极管Q4的基极相连接，Q4的集电极输出频率可控的脉冲量，实现对现场控制对象的控制；\n[0024] 如图4所示，是无线传感器/执行器网络协调者节点的工作流程图。\n[0025] 如图5所示，是无线传感器/执行器网络终端采集控制节点的工作流程图。\n[0026] 如图6所示，无线传感器/执行器网络的现场部署示意图，整个系统分为相对独立的三部分，I为用户应用子系统；II为无线通信网络系统；III为现场终端设备。所属的用户应用子系统由工业计算机和网关设备组成，工业计算机和网关设备之间通过标准RS232通信接口连接，工业计算机运行用户应用软件，提高用户操作人机交互的界面，网管设备主要负责协议的转换，包括物理层协议和数据链路层协议的转换，上行数据和命令、下行数据和命令的转发；所属的无线网络通信系统，由若干功能完全相同的协调者节点组成，负责信息的路由和交换；所属现场终端设备由若干终端采集控制节点组成，负责工业现场数据的采集和工业现场设备的控制。整个系统在部署流程是：(1)部署用户子系统于主控中心，安装用户软件网关设备的天线尽量置于高处；(2)部署现场终端设备，粗略计算工业现场和主控中心的最远距离；(3)部署无线通信网络系统，依据部署的现场终端的数量和计算工业现场和主控中心的最远距离，确定无线通信网络系统的节点数量，通常情况下，为了使无线通信网络系统具有足够的容错能力，其部署的节点数量不少于现场终端设备数量的2倍。\n[0027] 如图7所示，终端采集控制节点的信号输入/输出接线端子部署示意图，图中第1路模拟信号输入端子A1和GND1，所述模拟信号的频率范围为50Hz-500KHz，幅度为0-5V；\n图中第2路模拟信号输入端子A2和GND2，所述模拟信号的频率范围为50Hz-500KHz，幅度为0-5V；第1路开关量信号输入端子为DI1，开关量信号为干触点信号，第2路开关量信号输入端子为DI2，开关量信号为干触点信号，且第1路开关量信号和第2路开关量信号共用同一地线DGND1；第1路数字量输出端子为P1，数字量输出信号的频率为20Hz-200KHz，第\n2路数字量输出端子为P2，数字量输出信号的频率为20Hz-200KHz，且第1路数字量输出信号和第2路数字量输出信号共用同一地线DGND4；继电器长开触点输出P3和DGND2，继电器长闭出点输出P4和DGND3。终端采集控制节点又直流12V供电，接线端子为12V和GND[0028] 本系统中，为保证终端与采集板之间实现快速、准确、可靠、安全的通信，在应用层自定了一套简洁的数据通信协议(双字节数据低八位在前，高八位在后)。\n[0029] 例如：0x1234打包后3412即LSB MSB\n[0030] 1.采集A模拟量\n[0031] 包头 数据长度 用户数据 短地址 模拟量\n[0032] 01 02 04 00 FF 01 00 01 19\n[0033] 发送：01 02 LSB MSB FF SADDR 01 CRC\n[0034] 接收：01 02 LSB MSB FF SADDR 01 LSB MSB LSB MSB CRC[0035] 例如：\n[0036] 发送：01 02 04 00 FF 47 13 01 CRC\n[0037] 接收：01 02 06 00 FF 00 00 01 LSB MSB LSB MSB CRC\n[0038] 发送：01 02 04 00 FF 01 00 01 19(发送命令，唯一)\n[0039] 接收：01 02 08 00 FF 01 00 01 0F 0F 0F 0F 54(测试用)\n[0040] 接收：01 02 08 00 FF 01 00 01 74 00 01 00 50(VDD/3，GND)\n[0041] 接收：01 02 08 00 FF 01 00 01 E2 14 CF 19 0F(0x14E2，0X19CF)[0042] 2.输出A模拟量\n[0043] 发送：01 02 LSB MSB FF SADDR 02 LSB MSB LSB MSB CRC\n[0044] 接收：无\n[0045] 例如：\n[0046] 发送：01 02 08 00 FF 01 00 02 LSB MSB LSB MSB CRC\n[0047] 接收：无\n[0048] 发送：01 02 08 00 FF 01 00 02 0F 0F 0F 0F F2\n[0049] 接收：01 02 03 00 FF 01 00 98\n[0050] 3.采集D数字量\n[0051] 发送：01 02 LSB MSB FF SADDR 03 CRC\n[0052] 接收：01 02 LSB MSB FF SADDR 03 SB CRC\n[0053] 例如：\n[0054] 发送：01 02 04 00 FF 01 00 03 17\n[0055] 接收：01 02 05 00 FF 00 00 03 LSB CRC\n[0056] 发送：01 02 04 00 FF 01 00 03 17(发送命令，唯一)\n[0057] 接收：01 02 05 00 FF 01 00 03 00 BA开关状态(关关)\n[0058] 接收：01 02 05 00 FF 01 00 03 0F 97开关状态(开开)\n[0059] 接收：01 02 05 00 FF 01 00 03 F0 64开关状态(开关)\n[0060] 接收：01 02 05 00 FF 01 00 03 FF 49开关状态(开关)\n[0061] 备注：在采集数字量时，0xF代表逻辑1(高电平)，0x0代表逻辑0(低电平)状态[0062] 4.输出D数字量\n[0063] 发送：01 02 LSB MSB FF SADDR 04 SB CRC\n[0064] 接收：无\n[0065] 例如：\n[0066] 发送：01 02 05 00 FF 01 00 04 0F FC\n[0067] 接收：无\n[0068] 发送：01 02 05 00 FF 01 00 04 0F FC\n[0069] 接收：01 02 03 00 FF 01 00 98\n[0070] 备注：在输出数字量时，0xF代表逻辑1(高电平)，0x0代表逻辑0(低电平)状态[0071] 5.采集F频率量\n[0072] 发送：01 02 LSB MSB FF SADDR 05 CRC\n[0073] 接收：01 02 LSB MSB FF SADDR 05 LSB MSB CRC\n[0074] 例如：\n[0075] 发送：01 02 04 00 FF 47 13 05 05\n[0076] 接收：01 02 05 00 FF 00 00 05 LSB MSB CRC\n[0077] 发送：01 02 04 00 FF 01 00 05 05\n[0078] 接收：01 02 06 00 FF 01 00 05 0F 0F 89\n[0079] 6.输出F频率量\n[0080] 发送：01 02 LSB MSB FF SADDR 06 LSB MSB CRC\n[0081] 接收：无\n[0082] 例如：\n[0083] 发送：01 02 05 00 FF 00 00 06 0F 0F 34\n[0084] 接收：无\n[0085] 发送：01 02 06 00 FF 01 00 06 0F 0F 34\n[0086] 接收：01 02 03 00 FF 01 00 98\n[0087] 7.控制步进电机控制器\n[0088] 发送：01 02 LSB MSB FF SADDR 06 LSB MSB CRC\n[0089] 接收：无\n[0090] 例如：\n[0091] 发送：01 02 05 00 FF 00 00 07 FF xx xx 34//反转\n[0092] 00 xx xx xx //正转[0093] 接收：无\n[0094] 发送：01 02 07 00 FF 01 00 07 FF FF FF 34 //正转输出FF FF个脉冲[0095] 发送：01 02 07 00 FF 01 00 07 00 FF FF CA //反转输出FF FF个脉冲[0096] 接收：01 02 04 00 FF 01 00 07 0B(接收命令，唯一)\n[0097] 正转：0xFF\n[0098] 反转：0x00