作者：孫永剛，廖戎，郭新成

針對當(dāng)前各領(lǐng)域中傳感器的微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，從網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的結(jié)構(gòu)和特點入手，系統(tǒng)論述了一種基于TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的軟、硬件設(shè)計方法。實驗證明，采用該方法設(shè)計的智能傳感器具有良好的檢測性能和網(wǎng)絡(luò)通信性能。該智能網(wǎng)絡(luò)傳感器已經(jīng)成功地應(yīng)用在廣東省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的環(huán)境因子網(wǎng)絡(luò)測控平臺上。

傳感器是人類獲取信息的重要工具。它在工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用，并在工業(yè)過程自動化、制造自動化等相關(guān)領(lǐng)域中得到了快速發(fā)展。但對于飛速發(fā)展的計算機(jī)技術(shù)來說，傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上計算機(jī)的發(fā)展速度。傳統(tǒng)的智能傳感器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化的需求，因此，開發(fā)高可靠性、多功能的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器成為人們關(guān)注的熱點。

基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器概念及其功能特點

一般認(rèn)為，網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器在智能傳感技術(shù)上融合了通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，使傳感器具備自檢、自校、自診斷及網(wǎng)絡(luò)通信功能，從而實現(xiàn)信息的采集、傳輸和處理真正統(tǒng)一協(xié)調(diào)，是一種新型智能傳感器。而基于TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol ，傳輸控制協(xié)議/互連網(wǎng)協(xié)議） 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器則是把計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的事實上的國際標(biāo)準(zhǔn)——TCP/IP 協(xié)議引入到了傳感器中，即在傳感器中嵌入了簡化的TCP/IP 協(xié)議，使傳感器不通過PC 或其他專用設(shè)備就能直接連上Internet/Intranet。

它相對于其他類型的傳感器而言，具有以下功能特點：

1） 結(jié)合了傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，分別完成對信息的采集、傳輸和處理，使各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上直接傳輸、發(fā)布和共享。

2） 基于TIP/ IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器———基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的最大區(qū)別：基于TIP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器因其在傳感器現(xiàn)場級就具備了TCP/IP 功能，測控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、信息發(fā)布及系統(tǒng)集成等方面都以企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（ Intranet） 為依托，使得測控網(wǎng)和信息網(wǎng)統(tǒng)一起來。如果企業(yè)Intranet 與Internet 相連，各種現(xiàn)場信息均可在整個Internet 上實時瀏覽，如果需要，這些信息在全球任何開通了Internet 的地方均可實時瀏覽共享。

由上可以看出，網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器特別是基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器，使傳感器從被動檢測向主動進(jìn)行信息處理和信息發(fā)布方向發(fā)展;從孤立單一檢測向智能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展;從本地測量向遠(yuǎn)程實時在線測控發(fā)展，它代表了當(dāng)今傳感器技術(shù)的發(fā)展方向。

基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，設(shè)計了一種基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器，并可與溫濕度傳感單元、光敏元件及氣敏元件等組成多功能集成的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器。下面介紹該傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及軟硬件實現(xiàn)方法。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

本系統(tǒng)由以下3 部分組成：傳感模塊、信號處理模塊和通訊模塊。

1） 傳感模塊

傳感模塊將各種物理量轉(zhuǎn)換為電量，主要由具體的傳感單元來實現(xiàn)，如溫濕度傳感單元、光敏傳感單元及氣敏傳感單元等，其輸出包括模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量等。

2） 信號處理模塊

信號處理模塊以微處理器為核心，主要完成A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理（如數(shù)字濾波、非線性補(bǔ)償、自診斷） 和數(shù)據(jù)輸出調(diào)度（選擇數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程輸出還是本地輸出等） 。 從智能傳感器高可靠性、低功耗、微體積等特點來考慮，選用Winbond 公司的W78E58 單片機(jī)，該型號的單片機(jī)性價比高、速度快、程序空間大，能很好地滿足設(shè)計要求。

3） 通訊模塊

通訊模塊用來實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送及接收遠(yuǎn)程控制命令等。 工業(yè)應(yīng)用中采用的網(wǎng)絡(luò)形式有多種，早期的有RS232/485 ，近期的有各種現(xiàn)場總線等。 在這里采用的是在PC 機(jī)上廣泛使用的TCP/IP 協(xié)議，由于TCP/IP 協(xié)議已經(jīng)成為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中的事實標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它具有開放性、低成本、高速度、高可靠性等特點，而且連網(wǎng)方便，有眾多的應(yīng)用和開發(fā)軟件。

硬件結(jié)構(gòu)圖

實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的方式一般有兩種：軟件方式和硬件方式。 軟件方式是開發(fā)者將TCP/IP 協(xié)議嵌入到特定的芯片中，這種方法的優(yōu)點是成本低，但實現(xiàn)較麻煩;硬件方式是直接使用已經(jīng)嵌入了TCP/IP 協(xié)議的芯片，如研華的S-7600A ，韓國Wiznet 公司的Ether-3100 ，武漢力源公司的WebChip 等，使用這些芯片操作簡單、使用方便，但成本太高，利用這些芯片組網(wǎng)動輒幾千元。綜合考慮實現(xiàn)的方便性及設(shè)備的成本問題，這里采用的是軟硬件結(jié)合的方式，即把TCPPIP 協(xié)議寫入到單片機(jī)中，用單片機(jī)驅(qū)動8029 芯片的網(wǎng)卡。

硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

硬件電路說明：圖1 中微處理器1 及其以下部分即傳統(tǒng)的智能傳感器，微處理器2 及其以上部分是網(wǎng)絡(luò)化接口，實現(xiàn)與遠(yuǎn)程Internet 的通訊。復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device ，CPLD） 用于實現(xiàn)單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)芯片8029 之間的邏輯轉(zhuǎn)換。RAM作為收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。EEPROM用于存放斷電需保存的數(shù)據(jù)，如本機(jī)IP 地址、網(wǎng)關(guān)IP 地址等，這些設(shè)置可在線修改。

軟件設(shè)計

限于篇幅，這里重點介紹網(wǎng)絡(luò)接口的軟件實現(xiàn)方法。 本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口的實現(xiàn)采用的是軟硬件結(jié)合的方式，微處理器2 （采用Winbond 公司的W78E58 單片機(jī)） 是整個系統(tǒng)的核心。一方面，它要處理傳統(tǒng)傳感器部分傳過來的數(shù)據(jù);另一方面，它既要實現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議，即根據(jù)IP 地址和端口把待發(fā)送的數(shù)據(jù)壓縮成能直接在Internet 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包送給網(wǎng)絡(luò)芯片8029 發(fā)送，又要根據(jù)8029 芯片的邏輯時序，對8029 進(jìn)行控制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

由上分析可知，網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計的關(guān)鍵在于完成對待收發(fā)數(shù)據(jù)的解包打包及實現(xiàn)對8029 芯片的控制（即8029 驅(qū)動程序的編寫） 。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的打包解包

將待發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過某種變換，使之符合某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，即稱之為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的打包;解包與打包過程相反。 限于篇幅，這里只論述網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的打包過程.TCP/IP 體系結(jié)構(gòu)及其與OSI7 層模型對照關(guān)系如圖2 所示。

TCP/IP 體系的最高層為應(yīng)用層，相當(dāng)于OSI 的最高3 層;TCP/UDP 協(xié)議層與OSI 運(yùn)輸層相當(dāng); IP 協(xié)議層與OSI 網(wǎng)絡(luò)層相當(dāng)。TCP/IP 體系中沒有對最低的兩層做出規(guī)定。本系統(tǒng)中對網(wǎng)絡(luò)接口層采用的是IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議。具體應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)封裝中的順序如下：

1） 在待發(fā)送數(shù)據(jù)前后加上http 協(xié)議或telnet 等協(xié)議內(nèi)容形成應(yīng)用層數(shù)據(jù)包;

2） 在應(yīng)用層數(shù)據(jù)包前加上TCP 或UDP 協(xié)議對應(yīng)的幀頭形成TCP 或UDP 數(shù)據(jù)幀;

3） 在TCP 或UDP 數(shù)據(jù)幀前加上IP 協(xié)議頭形成IP 數(shù)據(jù)幀;

4） 在IP 數(shù)據(jù)幀前后加上IEEE802.3 局域網(wǎng)的MAC 幀格式形成最后的的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，將此、數(shù)據(jù)包交給8029 芯片發(fā)送。

接收數(shù)據(jù)時的解包過程與打包過程剛好相反。

本系統(tǒng)中，采用是IPV4 版本的IP 協(xié)議，簡化后的TCP/IP 協(xié)議嵌入到微處理器2 中后約占用8kB 存儲空間，上層功能主要支持http 協(xié)議和telnet 協(xié)議。

8029 驅(qū)動程序的編寫

8029 芯片驅(qū)動程序主要包括以下幾個步驟：

1） 8029 芯片上電復(fù)位

8029 芯片跟復(fù)位有關(guān)的引腳是89 腳RSTB ，只需給該引腳一個至少120 ns 的低電平信號，然后拉高，即可使其復(fù)位。

2） 8029 芯片初始化

完成復(fù)位之后，還需對8029 的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以使芯片開始工作。 主要是對8029 芯片的各個工作寄存器的設(shè)置，如3 個配置寄存器（CONFIG0 ， CONFIG2 ， CONFIG3） 及命令寄存器（Command Register ， CR） 等。 設(shè)置完各個工作寄存器后，還需設(shè)置芯片的IP 地址。通過上述設(shè)置后，8029 芯片就可以正常工作了。

8029 芯片正常工作后，微處理器處理一次網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的流程圖如圖3 所示。 在以太網(wǎng)幀中，協(xié)議類型值為0x0800 時表明下一層協(xié)議為IP 協(xié)議，為0x0806 時表明下一層協(xié)議是ARP（Address Resolution Protocol ，地址轉(zhuǎn)換協(xié)議） 協(xié)議; IP 幀中，協(xié)議類型值為1 時表明下一層協(xié)議是ICMP（ InternetControl Message Protocol ，Internet 控制報文協(xié)議） ，為6 時表明下一層協(xié)議是TCP 協(xié)議，為17 時表明下一層協(xié)議是UDP（User Datagram Protocol ，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議） 協(xié)議。由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量可能非常大，因此采用了專門的單片機(jī)（圖1 中微處理器2） 對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和控制，微處理器2 對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理采用是定時查詢的方式，對微處理器1 傳來的數(shù)據(jù)或命令采用的是中斷方式。微處理器2將微處理器1 傳來的數(shù)據(jù)放到接收緩沖區(qū)RXD-BUF 中，IsCommand 變量用來標(biāo)志接收到的是數(shù)據(jù)還是命令。微處理器2 處理一次接收到的指令的流程圖如圖4 所示。

應(yīng)用實例

圖5 為應(yīng)用于廣東省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化環(huán)境因子測控平臺中的基于TCP/IP 的智能網(wǎng)絡(luò)傳感器設(shè)備連接圖1 已經(jīng)標(biāo)定后的基于熱敏電阻溫度傳感和基于高分子電阻式濕度傳感器通過網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備接入到現(xiàn)場以太網(wǎng)，系統(tǒng)中的傳感器、設(shè)備與微機(jī)可以通過以太網(wǎng)相互通信，實現(xiàn)多機(jī)協(xié)同工作。實際應(yīng)用結(jié)果表明，基于TCP/IP 的智能網(wǎng)絡(luò)測控平臺的測量結(jié)果與原來單個傳感測量結(jié)果是一致的，測量結(jié)果是可靠的。這是基于TCP/IP 的智能網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)，現(xiàn)場測量的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)字信號傳輸，系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度主要取決于所連接的傳感器件的測量準(zhǔn)確度。

結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器是將智能傳感技術(shù)和計算機(jī)通信技術(shù)相結(jié)合而提出的一個全新概念。基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器在傳感器現(xiàn)場級實現(xiàn)了TCP/IP 協(xié)議，且組網(wǎng)方便可靠，組網(wǎng)費用低廉，在過程控制領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用。采用文中所介紹的軟硬件設(shè)計方法設(shè)計的智能傳感器及其網(wǎng)絡(luò)接口，已在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的環(huán)境參數(shù)測控平臺上得到成功應(yīng)用。實踐證明，該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，組網(wǎng)十分方便，使監(jiān)控系統(tǒng)的兼容性和可擴(kuò)充性得到很大提高。 文中所介紹的網(wǎng)絡(luò)接口軟、硬件設(shè)計方案，不僅適用于環(huán)境參數(shù)測控系統(tǒng)，而且可以推廣到其它過程控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊設(shè)計中。

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