隨著傳感器技術的發展，傳感器廣泛應用于各種工業現場總線場景。目前，基于現場總線技術的網絡傳感器和基于以太網絡協議的網絡傳感器也開始從實驗研究階段走向實用化，形成了許多以新型網絡化智能傳感器為數據采集前端的測控系統。由于采用多種總線技術，使得傳感器針對不同總線在兼容性和互換性等方面也存在著很多問題。為了解決傳感器與各種網絡相連接的問題，IEEE制定了一個簡化控制網絡和智能傳感器連接標準的IEEE 1451智能變送器接口標準。該標準從1994年3月開始制定到現在已經形成了一個完整的標準體系，其主要目標是要定義一套通用的通信接口，使變送器能夠獨立于各種網絡，并最終實現變送器到網絡的互換性與互操作性。
IEEE 1451協議標準主要定義傳感器或執行器的硬件和軟件接口標準，也定義了傳感器或執行器標準化的通信接口，使得不同的現場網絡接口之間可以通過IEEE 1451定義的接口進行互連。IEEE1451.5提供了一種無線解決方案，IEEE 1451.5標準無線傳感器接口模塊(WTIM:Wireless Transducer I nter face Module)與網絡適配處理器(NCAP:Network Capable Application Processor)的無線通信接口主要有IEEE 802.11(WiFi)、Bluetooth、IEEE 802.15.4(Zig Bee)與6LowPAN。隨著WirelessHART在工業應用場景的廣泛應用，設計符合基于IEEE 1451協議標準的WirelessHART無線通信的智能傳感器接口已勢在必行。通過對IEEE1451系列協議標準研究，本文設計了符合該系列標準的WirelessHART智能傳感器軟件。
1、系統概述
基于IEEE1451的WirelessHART智能傳感器系統架構如圖1所示。系統包括無線傳感器接口模塊(WTIM)和網絡應用處理器(NCAP)。無線傳感器接口模塊通過通信采集模塊將與之連接終端傳感器輸出的數據信息進行整合處理，并基于IEEE 1451協議要求，封裝成符合協議的智能傳感器接口軟件庫，通過TII(Transducer Independent Interface)接口與網絡傳輸模塊進行數據通信。網絡傳輸模塊內部實現了IEEE 1451.5與WirelessHART協議的技術融合，將符合IEEE 1451.5協議標準的傳感器數據由WirelessHART數據幀格式傳輸到網絡應用處理器，網絡應用處理器通過解析處理，實現WTIM與NCAP之間的數據通信。由于篇幅的限制，本文重點介紹無線傳感器接口模塊軟件設計方案，網絡應用處理器部分的軟件設計不作為本文介紹對象。
2、軟件設計
2.1 軟件系統功能介紹
智能傳感器模塊的軟件設計在整個模塊的設計工作中占據重要地位。通過編寫軟件實現智能變送器的“即插即用”、數據采集、數據轉換和數據傳輸等功能。智能傳感器軟件系統設計分為3個部分：網絡傳輸模塊、通信采集模塊以及電子數據表格(TEDS)模塊。
網絡傳輸模塊將作為從設備實時解析從NCAP傳來的基于IEEE 1451.5+WirelessHART格式的數據請求命令，并將數據封裝成IEEE 1451.2格式，通過TII接口傳輸到通信采集模塊。通信采集模塊的功能是自識別傳感器信息并通過A/D實時采集傳感器的測量數據、讀取傳感器的TEDS以及實現IEEE 1451.0和IEEE 1451.2的通信協議。此外，本設計使用了Microsoft公司的Visual Studio軟件編寫了TEDS燒寫上位機，通過智能傳感器模塊的TTL接口與計算機連接，并通過配置串口配置智能傳感器的TEDS。
圖1 基于IEEE 1451的WirelessHART智能傳感器系統架構
2.2 智能傳感器TEDS設計
TEDS作為IEEE 1451標準族中不可缺少的重要部分，是使傳感器具有一定的“自覺”能力、實現傳感器“即插即用”功能的關鍵。它監測到傳感節點接入無線傳感網的動作時，將發送給上級管理系統進行身份識別，用戶通過TEDS可獲取傳感節點相關信息，從而對其進行識別。在IEEE 1451.0標準中，TEDS按照信息功能被劃分為10余種，其中有4個TEDS是必需的，類型如下：
①Meta-TEDS描述了TIM(Transducer Interface Module)的基本信息，傳感器通道數，分組等情況；其數據結構定義如表1所示。
表1 MetaTEDS的數據結構(部分列出)
②Transducer Channel TEDS描述了TIM中特定傳感器通道的詳細信息，比如物理上實際的采集量，被控量，工作模式等。
③User's Transducer Name TEDS存儲智能傳感器的名稱用于系統識別。
④PHY TEDS描述了TIM與NCAP之間的物理連接的媒介，格式無標準定義，可用戶自定。
TEDS提供了實現傳感器智能化的標準，但由于受到已有系統的限制以及實現TEDS的成本等方面的影響，TEDS實現有多種方法。目前主要有基于硬件的TEDS實現方法和基于純軟件的虛擬TEDS方法。硬件實現方法一般通過外部可編程存儲器EEPROM來更新或保存設備的TEDS。而軟件虛擬TEDS一般會將傳感器的相關信息以數據庫的形式存儲在采樣系統中。
本設計采用Atmel公司生產的基于IIC協議的AT24C128C的串行EEPROM存儲器芯片存儲TEDS。通過上位機編寫基本的TEDS數據塊。隨后使用自定義的EEPROM傳輸協議將待傳輸的TEDS數據封裝起來，借助UART端口燒寫到通信模塊的單片機中。單片機處理串口接收到的數據包并解析，隨后通過IIC總線將TEDS數據燒寫到EEPROM中，實現TEDS的離線編程，智能傳感器TEDS配置界面如圖2所示。
圖2 智能傳感器TEDS配置界面
2.3 通信采集模塊軟件設計通信采集模塊在整體的系統架構中起到至關重要的作用，模塊的主要作用及功能如下：
①處理終端傳感器上傳的數字量或模擬量信號。
②處理上位機串口發送的燒寫設備TEDS的請求，并通過IIC總線燒寫TEDS數據到EEPROM中。
③實現IEEE 1451.2協議及通信狀態機，處理來自網絡傳輸模塊傳輸過來的數據請求并及時解析響應。
④設備狀態監控。在本設計中，為了傳感器操作的安全行和可控性，通信采集模塊如果需要進行燒寫TEDS的操作，上電之前首先需要將撥碼撥到Write ON狀態下，上電待設備穩定后，上位機可通過UART串口將準備好的TEDS數據燒寫到單片機的EEPROM中(燒寫過程中可觀察撥碼開關旁邊的指示燈，正常運行時為綠色常亮，燒寫時為綠色閃爍)。燒寫完成后需要將撥碼開關撥到Write OFF。如果EEPROM中已經保存了TEDS數據，那么上電之前需要將撥碼開關保持在Write OFF。
數據初始化完成后，通信采集模塊立刻向網絡傳輸模塊發送設備識別中斷請求，告知NCAP及客戶端此時有傳感器上線(期間需要和網絡傳輸模塊反復確認網絡傳輸模塊是否已經入網)。同時通信采集模塊處于數據采集狀態，模塊按照一定的采集速率定時的采集傳感器的信息，此時通信端口將實時監聽來自網絡傳輸模塊TII端口的基于IEEE 1451.2協議的讀寫TEDS命令請求。通信采集模塊作為從站設備接收到命令請求后并及時響應，完成一次數據傳輸。通信采集模塊軟件流程如圖3所示。
圖3 通信采集模塊軟件流程圖
2.4 網絡傳輸模塊軟件設計網絡傳輸模塊的作用是接收來自NCAP的基于IEEE 1451.5協議與Wireless HART協議相融合的無線信號。Wireless HART協議是第一個開放式的可互操作無線通信協議，在HART協議的基礎上增加了無線通信標準；在IEEE 802.15.4物理層的基礎上實現了TDMA數據鏈路層，Mesh網絡層及應用層。在本設計中，使用Wireless HART實現數據鏈路層、網絡層和應用層，將IEEE 1451.5協議置于Wireless HART特殊命令中的負載中。設備入網及診斷的過程依舊采用Wireless HART協議實現，NCAP通過讀取特殊命令，獲取IEEE 1451協議中定義的傳感器設備信息參數。總體通信方式采用請求-響應模式。網絡傳輸模塊軟件設計流程如圖4所示。
圖4 網絡傳輸模塊軟件設計流程圖
3、結論
本文提出的基于IEEE 1451協議標準的WirelessHART無線通信的智能傳感器接口，實現了WTIM與NCAP之間的數據通信；同時，設計的編輯界面能夠由用戶根據連接的傳感器自行進行修改TEDS內容；通信采集模塊在支持TEDS描述、采集傳感器通道值、獲取和保存傳感器的信息及參數的同時，也輸出了標準化的基于IEEE 1451.2協議的TII通信接口；網絡傳輸模塊則將WirelessHART與IEEE 1451協議相融合，不僅僅提高了系統通信的可靠性，也極大的增加了系統移植的靈活性。
目前，國內外關于IEEE 1451標準及無線網絡傳感器技術的各項研究正在進行，但是作為一個通用的標準，其市場普及范圍還遠遠不夠。并且作為WTIM的“主站”，適配多種無線通信協議的NCAP網關研究也需要國內外專家學者進一步研究和解決。隨著WirelessHART技術在市場上逐漸廣泛的應用，基于IEEE 1451和WirelessHART協議相融合的技術希望為IEEE 1451進入傳統的工業互聯網市場領域提供更多的可能。
作者： 張云龍、孫洋、宗津誠、王進超、于占茹
