遠程無(wú)線(xiàn)管控體系的設計研究論文
1引言
隨著(zhù)我國航天事業(yè)的發(fā)展，測量船所承擔的任務(wù)呈現高密度、高強度的趨勢，造成碼頭期間的任務(wù)準備工作越來(lái)越繁重，面臨著(zhù)考核項目多、考核時(shí)間短和多船協(xié)調對標等現實(shí)情況，如何提高對標效率、確保安全可靠對標成為緊迫的課題。由于保密要求，原研制的遠程標�？刂葡到y無(wú)法接入現有網(wǎng)絡(luò )，而鋪設專(zhuān)網(wǎng)的耗資巨大，性?xún)r(jià)比低，也非首選方案。近些年來(lái)，無(wú)線(xiàn)通信已經(jīng)成為信息通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、應用最廣的技術(shù)，廣泛應用于家居、農業(yè)、工業(yè)、航天等領(lǐng)域，已成為信息時(shí)代社會(huì )生活不可或缺的一部分[1]，這種技術(shù)也為解決測量船遠程控制標校設備提供了支持。本文通過(guò)對常用中遠距離無(wú)線(xiàn)通信方式的比較，擇優(yōu)選擇了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋，采用了橋接中繼的網(wǎng)絡(luò )模式，通過(guò)開(kāi)發(fā)遠程設備端的網(wǎng)絡(luò )控制模塊，以及相應的控制軟件，實(shí)現了測量船對遠程設備的有效、安全控制。
2無(wú)線(xiàn)通信方式比較
無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是利用電磁波信號在自由空間中進(jìn)行信息傳播的一種通信方式，按技術(shù)形式可分為兩類(lèi)：一是基于蜂窩的接入技術(shù)，如蜂窩數字分組數據、通用分組無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)、EDGE等；二是基于局域網(wǎng)的技術(shù)，如WLAN、Bluetooth、IrDA、Home—RF、微功率短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)等。在中遠距離無(wú)線(xiàn)通信常用的有ISM頻段的通信技術(shù)（比如ZigBee以及其他頻段的數傳模塊等）和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)（比如GSM、GPRS以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋等）�；贗SM頻段的數傳模塊的通信頻率為公共頻段，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)沒(méi)有限制，因此發(fā)展非常迅速，得到了廣泛應用。特別是近年來(lái)新興的ZigBee技術(shù)，因其低功耗、低復雜度、低成本，尤其是采用自組織方式組網(wǎng)，對網(wǎng)段內設備數量不加限制，可以靈活地完成網(wǎng)絡(luò )鏈接，在智能家居、無(wú)線(xiàn)抄表等網(wǎng)絡(luò )系統開(kāi)發(fā)中得到應用[2]。但是，對于本系統的開(kāi)發(fā)而言，需要分別研制控制點(diǎn)和被控制點(diǎn)的硬件模塊，并需通過(guò)軟件配置網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，研制成本高，故非本系統開(kāi)發(fā)的最優(yōu)方案。
GSM、GPRS這種無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)成為人們日常生活工作必不可少的部分，在其他如無(wú)線(xiàn)定位、遠程控制等領(lǐng)域的應用也屢見(jiàn)不鮮[3]，但是由于保密、通信費用、開(kāi)發(fā)成本等因素，也無(wú)法適用于本系統的開(kāi)發(fā)。而無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋為本系統的低成本、高效率的研發(fā)提供了有利支持，是開(kāi)發(fā)本系統的首選無(wú)線(xiàn)通信方式。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的橋接，它可在兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò )之間搭起通信的橋梁，也是無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)的一個(gè)分支。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋工作在24GHz或58GHz的免申請無(wú)線(xiàn)執照的頻段，因而比其他有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備更方便部署，特別適用于城市中的近距離、遠距離通信。
3系統設計
該遠程控制系統是以保障測量船對遠端標校設備的有效控制為目標，包括標校設備的開(kāi)關(guān)機、狀態(tài)參數的采集等，主要由測量船控制微機、標校設備、網(wǎng)絡(luò )控制模塊、主控微機以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋等組成。工作流程為測量船控制微機或主控微機發(fā)送控制指令，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋進(jìn)行信息傳播，網(wǎng)絡(luò )控制模塊接收、解析指令，按照Modbus協(xié)議規定的數據格式通過(guò)串口發(fā)給某一標校設備，該標校設備響應控制指令并執行；網(wǎng)絡(luò )控制模塊定時(shí)發(fā)送查詢(xún)指令，并將采集的狀態(tài)數據打包，通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)給遠程控制微機，便于操作人員監視。網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議采用UDP方式，對于測量船控制微機、主控微機僅需按照一定的數據格式發(fā)送或接收UDP包即可。網(wǎng)絡(luò )控制模塊是系統的核心部件，是本文研究、設計的重點(diǎn)。目前，常用的網(wǎng)絡(luò )芯片主要有ENC28J60、CP2200等，這里選用了ENC28J60，設計、加工了基于STC89C52RC單片機的硬件電路。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )信息處理軟件模塊的開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足了網(wǎng)絡(luò )信息交互的功能要求；通過(guò)Modbus串口協(xié)議軟件模塊的開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足了標校設備監控功能，從而實(shí)現了系統設計目標。
3.1組網(wǎng)模式
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋有3種工作方式，即點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)、中繼連接。根據系統的控制要求以及環(huán)境因素，本系統采用了中繼連接的方式，其網(wǎng)絡(luò )拓撲如圖1所示。從圖中可以清晰看出，這種中繼連接方式在遠程控制端布置兩個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋，分別與主控點(diǎn)和客戶(hù)端進(jìn)行通信，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )控制模塊完成數據交互，從而完成組網(wǎng)。
3.2安全防范
由于是開(kāi)放性設計，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )安全是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。本系統的特點(diǎn)是非定時(shí)或全天候開(kāi)機，涉密數據僅為頻點(diǎn)參數，而被控設備自身均有保護措施（協(xié)議保護）。因此，系統在設計時(shí)重點(diǎn)考慮接入點(diǎn)防范、防止攻擊，采取的`措施有登錄密碼設施、網(wǎng)絡(luò )密匙設置、固定IP、對數據結構體的涉密數據采取動(dòng)態(tài)加密等方式，從而最大限度地防止了“被黑”。同時(shí)，采用了網(wǎng)絡(luò )防雷器來(lái)防護雷電破壞。
3.3網(wǎng)絡(luò )控制模塊設計
3.3.1硬件設計
網(wǎng)絡(luò )控制模塊的功能是收命令信息、發(fā)狀態(tài)信息，并通過(guò)串口與標校設備實(shí)現信息交互，其硬件電路主要由MCU（微控制單元）、ENC28J60（網(wǎng)絡(luò )芯片）、Max232（串口芯片）以及外圍電路組成，其電原理圖如圖2所示。硬件設計的核心是MCU、網(wǎng)絡(luò )芯片的選型，本系統MCU選用的STC89C52RC單片機，是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，可直接使用串口下載，為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。ENC28J60是由M—icrochip公司出的一款高集成度的以太網(wǎng)控制芯片，其接口符合IEEE802。3協(xié)議，僅28個(gè)引腳就可提供相應的功能，大大簡(jiǎn)化了相關(guān)設計。ENC28J60提供了SPI接口，與MCU的通信通過(guò)兩個(gè)中斷引腳和SPI實(shí)現，數據傳輸速率為10Mbit/s。ENC28J60符合IEEE802。3的全部規范，采用了一系列包過(guò)濾機制對傳入的數據包進(jìn)行限制，它提供了一個(gè)內部DMA模塊，以實(shí)現快速數據吞吐和硬件支持的IP校驗和計算[4]。ENC28J60對外網(wǎng)絡(luò )接口采用HR911102A，其內置有網(wǎng)絡(luò )變壓器、電阻網(wǎng)絡(luò )，并有狀態(tài)顯示燈，具有信號隔離、阻抗匹配、抑制干擾等特點(diǎn)，可提高系統抗干擾能力和收發(fā)的穩定性。
3.3.2軟件設計
網(wǎng)絡(luò )控制模塊的軟件設計主要包括兩部分，一是基于SPI總線(xiàn)的ENC28J60的驅動(dòng)程序編寫(xiě)，包括以太網(wǎng)數據幀結構定義、初始化和數據收發(fā)；二是Modbus協(xié)議編制，其軟件流程如圖3所示。
3.3.2.1ENC28J60的驅動(dòng)程序編寫(xiě)
�。�1）以太網(wǎng)數據幀結構符合IEEE802。3標準的以太網(wǎng)幀的長(cháng)度是介于64~1516byte之間，主要由目標MAC地址、源MAC地址、類(lèi)型/長(cháng)度字段、數據有效負載、可選填充字段和循環(huán)冗余校驗組成。另外，在通過(guò)以太網(wǎng)介質(zhì)發(fā)送數據包時(shí)，一個(gè)7byte的前導字段和1byte的幀起始定界符被附加到以太網(wǎng)數據包的開(kāi)頭。以太網(wǎng)數據包的結構如圖4所示。
�。�2）驅動(dòng)程序編寫(xiě)
1）ENC28J60的寄存器讀寫(xiě)規則由于ENC28J60芯片采用的是SPI串行接口模式，其對內部寄存器讀寫(xiě)的規則是先發(fā)操作碼<前3bit>+寄存器地址<后5bit>，再發(fā)送欲操作數據。通過(guò)不同操作碼來(lái)判別操作時(shí)讀寄存器（緩存區）還是寫(xiě)寄存器（緩沖區）或是其他。
2）ENC28J60芯片初始化程序ENC28J60發(fā)送和接收數據包前必須進(jìn)行初始化設置，主要包括定義收發(fā)緩沖區的大小，設置MAC地址與IP地址以及子網(wǎng)掩碼，初始化LEDA、LEDB顯示狀態(tài)通以及設置工作模式，常在復位后完成，設置后不需再更改。
3）ENC28J60發(fā)送數據包ENC28J60內的MAC在發(fā)送數據包時(shí)會(huì )自動(dòng)生成前導符合幀起始定界符。此外，也會(huì )根據用戶(hù)配置以及數據具體情況自動(dòng)生成數據填充和CRC字段。主控器必須把所有其他要發(fā)送的幀數據寫(xiě)入ENC28J60緩沖存儲器中。另外，在待發(fā)送數據包前要添加一個(gè)包控制字節。包控制字節包括包超大幀使能位（PHUGEEN）、包填充使能位（PPADEN）、包CRC使能位（PCRCEN）和包改寫(xiě)位（POVERRIDE）4個(gè)內容。
4）ENC28J60接收數據包如果檢測到EIR。PKTIF為1，并且EPKTCNT寄存器不為空，則說(shuō)明接收到數據，進(jìn)行相應處理。
3.3.2.2ModBus協(xié)議流程
本系統ModBus協(xié)議的數據通信采用RTU模式[5]，網(wǎng)絡(luò )控制模塊作為主節點(diǎn)與從節點(diǎn)（標校設備）通過(guò)串口建立連接，主節點(diǎn)定時(shí)向從節點(diǎn)發(fā)送查詢(xún)命令，對應從節點(diǎn)響應命令向主節點(diǎn)發(fā)送設備狀態(tài)信息。當偵測到網(wǎng)絡(luò )數據時(shí)，從ENC28J60接收數據包中解析出命令，將對應的功能代碼以及數據，按照Modbus數據幀結構進(jìn)行組幀，發(fā)送給從節點(diǎn)；對應從節點(diǎn)響應控制命令，進(jìn)行設備參數設置。
4系統調試與驗證
試驗調試環(huán)境按照圖1進(jìn)行布置，主要包括5個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋、1個(gè)主控制點(diǎn)、2個(gè)客戶(hù)端、1塊網(wǎng)絡(luò )控制模塊板以及標校設備等，主要測試有網(wǎng)絡(luò )通信效果、網(wǎng)絡(luò )控制能力以及簡(jiǎn)單的安全防護測試。測試結論：網(wǎng)絡(luò )連接可靠，各控制點(diǎn)均能安全地對遠端設備進(jìn)行控制，具備一定安全防護能力，完全滿(mǎn)足遠程設備控制要求。
5結束語(yǔ)
本文從實(shí)際需要出發(fā)，通過(guò)對當下流行的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的比較，選用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋實(shí)現遠控系統組網(wǎng)；通過(guò)開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )控制模塊，以及相應的控制軟件編制，研制了一套用于測量船遠程控制設備的系統。經(jīng)幾艘測量船的應用表明，采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋進(jìn)行組網(wǎng)完全滿(mǎn)足系統設計要求，具有高安全性、高可靠性、高擴展性等優(yōu)點(diǎn)，在日趨繁重的保障任務(wù)中發(fā)揮了重要的作用。本系統所采用的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方法，以及硬件電路的設計方案，對其他相關(guān)控制領(lǐng)域均有一定的參考價(jià)值。
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