遠程無線管控體系的設計研究論文
1引言
隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，測量船所承擔的任務呈現(xiàn)高密度、高強度的趨勢，造成碼頭期間的任務準備工作越來越繁重，面臨著考核項目多、考核時間短和多船協(xié)調(diào)對標等現(xiàn)實情況，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(tǒng)無法接入現(xiàn)有網(wǎng)絡，而鋪設專網(wǎng)的耗資巨大，性價比低，也非首選方案。近些年來，無線通信已經(jīng)成為信息通信領域中發(fā)展最快、應用最廣的技術，廣泛應用于家居、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、航天等領域，已成為信息時代社會生活不可或缺的一部分[1]，這種技術也為解決測量船遠程控制標校設備提供了支持。本文通過對常用中遠距離無線通信方式的比較，擇優(yōu)選擇了無線網(wǎng)橋，采用了橋接中繼的網(wǎng)絡模式，通過開發(fā)遠程設備端的網(wǎng)絡控制模塊，以及相應的控制軟件，實現(xiàn)了測量船對遠程設備的有效、安全控制。
2無線通信方式比較
無線通信技術是利用電磁波信號在自由空間中進行信息傳播的一種通信方式，按技術形式可分為兩類：一是基于蜂窩的接入技術，如蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)、通用分組無線傳輸技術、EDGE等；二是基于局域網(wǎng)的技術，如WLAN、Bluetooth、IrDA、Home—RF、微功率短距離無線通信技術等。在中遠距離無線通信常用的有ISM頻段的通信技術（比如ZigBee以及其他頻段的數(shù)傳模塊等）和無線網(wǎng)絡技術（比如GSM、GPRS以及無線網(wǎng)橋等）�；贗SM頻段的數(shù)傳模塊的通信頻率為公共頻段，產(chǎn)品開發(fā)沒有限制，因此發(fā)展非常迅速，得到了廣泛應用。特別是近年來新興的ZigBee技術，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(nèi)設備數(shù)量不加限制，可以靈活地完成網(wǎng)絡鏈接，在智能家居、無線抄表等網(wǎng)絡系統(tǒng)開發(fā)中得到應用[2]。但是，對于本系統(tǒng)的開發(fā)而言，需要分別研制控制點和被控制點的硬件模塊，并需通過軟件配置網(wǎng)絡環(huán)境，開發(fā)周期長，研制成本高，故非本系統(tǒng)開發(fā)的最優(yōu)方案。
GSM、GPRS這種無線移動通信技術已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ鞅夭豢缮俚牟糠郑谄渌鐭o線定位、遠程控制等領域的應用也屢見不鮮[3]，但是由于保密、通信費用、開發(fā)成本等因素，也無法適用于本系統(tǒng)的開發(fā)。而無線網(wǎng)橋為本系統(tǒng)的低成本、高效率的研發(fā)提供了有利支持，是開發(fā)本系統(tǒng)的首選無線通信方式。無線網(wǎng)橋是無線網(wǎng)絡的橋接，它可在兩個或多個網(wǎng)絡之間搭起通信的橋梁，也是無線接入點的一個分支。無線網(wǎng)橋工作在24GHz或58GHz的免申請無線執(zhí)照的頻段，因而比其他有線網(wǎng)絡設備更方便部署，特別適用于城市中的近距離、遠距離通信。
3系統(tǒng)設計
該遠程控制系統(tǒng)是以保障測量船對遠端標校設備的有效控制為目標，包括標校設備的開關機、狀態(tài)參數(shù)的采集等，主要由測量船控制微機、標校設備、網(wǎng)絡控制模塊、主控微機以及無線網(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，通過無線網(wǎng)橋進行信息傳播，網(wǎng)絡控制模塊接收、解析指令，按照Modbus協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式通過串口發(fā)給某一標校設備，該標校設備響應控制指令并執(zhí)行；網(wǎng)絡控制模塊定時發(fā)送查詢指令，并將采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)打包，通過無線發(fā)給遠程控制微機，便于操作人員監(jiān)視。網(wǎng)絡通信協(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(shù)據(jù)格式發(fā)送或接收UDP包即可。網(wǎng)絡控制模塊是系統(tǒng)的核心部件，是本文研究、設計的重點。目前，常用的網(wǎng)絡芯片主要有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。通過網(wǎng)絡信息處理軟件模塊的開發(fā)，滿足了網(wǎng)絡信息交互的功能要求；通過Modbus串口協(xié)議軟件模塊的開發(fā)，滿足了標校設備監(jiān)控功能，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)設計目標。
3.1組網(wǎng)模式
無線網(wǎng)橋有3種工作方式，即點對點、點對多點、中繼連接。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求以及環(huán)境因素，本系統(tǒng)采用了中繼連接的方式，其網(wǎng)絡拓撲如圖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無線網(wǎng)橋，分別與主控點和客戶端進行通信，通過網(wǎng)絡控制模塊完成數(shù)據(jù)交互，從而完成組網(wǎng)。
3.2安全防范
由于是開放性設計，無線網(wǎng)絡安全是一個必須考慮的問題。本系統(tǒng)的特點是非定時或全天候開機，涉密數(shù)據(jù)僅為頻點參數(shù)，而被控設備自身均有保護措施（協(xié)議保護）。因此，系統(tǒng)在設計時重點考慮接入點防范、防止攻擊，采取的`措施有登錄密碼設施、網(wǎng)絡密匙設置、固定IP、對數(shù)據(jù)結構體的涉密數(shù)據(jù)采取動態(tài)加密等方式，從而最大限度地防止了“被黑”。同時，采用了網(wǎng)絡防雷器來防護雷電破壞。
3.3網(wǎng)絡控制模塊設計
3.3.1硬件設計
網(wǎng)絡控制模塊的功能是收命令信息、發(fā)狀態(tài)信息，并通過串口與標校設備實現(xiàn)信息交互，其硬件電路主要由MCU（微控制單元）、ENC28J60（網(wǎng)絡芯片）、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)絡芯片的選型，本系統(tǒng)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(tǒng)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個引腳就可提供相應的功能，大大簡化了相關設計。ENC28J60提供了SPI接口，與MCU的通信通過兩個中斷引腳和SPI實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mbit/s。ENC28J60符合IEEE802。3的全部規(guī)范，采用了一系列包過濾機制對傳入的數(shù)據(jù)包進行限制，它提供了一個內(nèi)部DMA模塊，以實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗和計算[4]。ENC28J60對外網(wǎng)絡接口采用HR911102A，其內(nèi)置有網(wǎng)絡變壓器、電阻網(wǎng)絡，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，可提高系統(tǒng)抗干擾能力和收發(fā)的穩(wěn)定性。
3.3.2軟件設計
網(wǎng)絡控制模塊的軟件設計主要包括兩部分，一是基于SPI總線的ENC28J60的驅(qū)動程序編寫，包括以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀結構定義、初始化和數(shù)據(jù)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(qū)動程序編寫
（1）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀結構符合IEEE802。3標準的以太網(wǎng)幀的長度是介于64~1516byte之間，主要由目標MAC地址、源MAC地址、類型/長度字段、數(shù)據(jù)有效負載、可選填充字段和循環(huán)冗余校驗組成。另外，在通過以太網(wǎng)介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)包時，一個7byte的前導字段和1byte的幀起始定界符被附加到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的開頭。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的結構如圖4所示。
�。�2）驅(qū)動程序編寫
1）ENC28J60的寄存器讀寫規(guī)則由于ENC28J60芯片采用的是SPI串行接口模式，其對內(nèi)部寄存器讀寫的規(guī)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(shù)據(jù)。通過不同操作碼來判別操作時讀寄存器（緩存區(qū)）還是寫寄存器（緩沖區(qū)）或是其他。
2）ENC28J60芯片初始化程序ENC28J60發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包前必須進行初始化設置，主要包括定義收發(fā)緩沖區(qū)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(shù)據(jù)包ENC28J60內(nèi)的MAC在發(fā)送數(shù)據(jù)包時會自動生成前導符合幀起始定界符。此外，也會根據(jù)用戶配置以及數(shù)據(jù)具體情況自動生成數(shù)據(jù)填充和CRC字段。主控器必須把所有其他要發(fā)送的幀數(shù)據(jù)寫入ENC28J60緩沖存儲器中。另外，在待發(fā)送數(shù)據(jù)包前要添加一個包控制字節(jié)。包控制字節(jié)包括包超大幀使能位（PHUGEEN）、包填充使能位（PPADEN）、包CRC使能位（PCRCEN）和包改寫位（POVERRIDE）4個內(nèi)容。
4）ENC28J60接收數(shù)據(jù)包如果檢測到EIR。PKTIF為1，并且EPKTCNT寄存器不為空，則說明接收到數(shù)據(jù)，進行相應處理。
3.3.2.2ModBus協(xié)議流程
本系統(tǒng)ModBus協(xié)議的數(shù)據(jù)通信采用RTU模式[5]，網(wǎng)絡控制模塊作為主節(jié)點與從節(jié)點（標校設備）通過串口建立連接，主節(jié)點定時向從節(jié)點發(fā)送查詢命令，對應從節(jié)點響應命令向主節(jié)點發(fā)送設備狀態(tài)信息。當偵測到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)時，從ENC28J60接收數(shù)據(jù)包中解析出命令，將對應的功能代碼以及數(shù)據(jù)，按照Modbus數(shù)據(jù)幀結構進行組幀，發(fā)送給從節(jié)點；對應從節(jié)點響應控制命令，進行設備參數(shù)設置。
4系統(tǒng)調(diào)試與驗證
試驗調(diào)試環(huán)境按照圖1進行布置，主要包括5個無線網(wǎng)橋、1個主控制點、2個客戶端、1塊網(wǎng)絡控制模塊板以及標校設備等，主要測試有網(wǎng)絡通信效果、網(wǎng)絡控制能力以及簡單的安全防護測試。測試結論：網(wǎng)絡連接可靠，各控制點均能安全地對遠端設備進行控制，具備一定安全防護能力，完全滿足遠程設備控制要求。
5結束語
本文從實際需要出發(fā)，通過對當下流行的無線通信技術的比較，選用無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)遠控系統(tǒng)組網(wǎng)；通過開發(fā)網(wǎng)絡控制模塊，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(tǒng)。經(jīng)幾艘測量船的應用表明，采用無線網(wǎng)橋進行組網(wǎng)完全滿足系統(tǒng)設計要求，具有高安全性、高可靠性、高擴展性等優(yōu)點，在日趨繁重的保障任務中發(fā)揮了重要的作用。本系統(tǒng)所采用的無線組網(wǎng)方法，以及硬件電路的設計方案，對其他相關控制領域均有一定的參考價值。
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