基于EPA協議的IEEE802.11b無線測控系統

引言

epa（ethernet for plant automation）標準是一種基于以太網、無線局域網和藍牙等信息網絡通信技術，適用于工業自動化控制系統裝置與儀器儀表間、工業自動化儀器儀表相互間數據通信的工業控制網絡通信標準。

802.11b是一種靈活的數據傳輸系統，使用無線射頻（rf）技術越空收發數據，減少使用線纜的連接，因此802.11b無線網絡系統既可達到建設計算機網絡系統的目的，又可讓設備自由安排和隨意移動。802.11b協議的這些特點使它在工業控制領域有較好的應用前景，不僅能實現工業遙控、遙調、遙測功能，而且還能實現對工控現場遠程圖像實時監控，可集中管理各工業控制設備的工作狀態，滿足工業控制自動化發展的要求，本文主要討論了epa協議在ieee802.11b無線現場設備中的實現和測控。

1 802.11b無線測控系統的設計

如圖1所示，802.11b無線測控系統包括epa協議通信模塊、epa上位機監控模塊、無線網關模塊、液晶觸摸顯示模塊。在本系統中由溫度變送器通過串口實時采集熱電偶的溫度變化數據，用epa協議棧進行數據的封裝后，經過802.11b無線網絡把epa報文發送到epa無線手持設備中進行顯示，并通過無線網關傳輸到epa有線網絡中的epa上位機和其他epa設備，對epa報文數據進行處理。

系統中除手持設備采用電池供電外還采用了以太網供電模塊，通過以太網傳輸直流電源，簡化了系統設計，提高了系統的可靠性，最后，設計好的設備（基于mpc852t的802.11b無線網關、基于s3c2410的802.11b無線手持設備和基于s3c2410的802.11b無線溫度傳感器）就構成了一個完整、可應用的無線測控系統。

2 802.1b無線測控系統的軟件實現

2.1 ieee802.11b的無線網關軟件設計

802.11b的通信協議在嵌入式平臺實現，需要比較高的系統性能。因此，本文選用基于摩托羅拉mpc852t處理器的硬件平臺（其中包括以太網供電模塊和802.11b通信接口等）開發ieee802.11b無線網關。

要實現無線網關的功能，將系統軟件結構從上到下可以分為如下一些模塊：系統配置模塊，系統監測模塊，底層驅動、數據收發模塊，數據轉發模塊、命令行模塊（command line），ieee802.1x認證、授權模塊（authentication authorization）和web管理模塊。

無線網關軟件功能模塊流程如圖2所示。

無線網關在此系統中起到的作用是在以太網和802.11b無線局域網之間進行數據幀格式的轉換，并要求其能轉發不同網段之間的數據，這就要求在無線網關的軟件模塊中移植bridge模塊，在嵌入式linux系統中編譯，移植完bridge模塊后對其進行設置：

brctl addbr br0

brctl addif br0 eth1

brctl addif br0 wlan0

把無線和有線網絡接到一起，再使用工具軟件ifconfig對其中有線網卡和無線網卡進行相應的網絡配置，無線網關就可以正常運行了。

2.2 ieee802.1無線手持設備軟件設計

無線手持設備在開發過程中，要求具有小巧、靈活的特點，在開發過程中采用了體積相對較小而功能強大的s3c2410作為開發平臺，以這個平臺為基礎開發802.11b溫度傳感器和802.11b無線手持設備等現場設備。

首先，在s3c2410平臺上移植同樣小巧、靈活的usb無線網卡。這款無線網卡的芯片是prism系列芯片。無線網卡是移動終端的主要設備，其軟件部分分為接口驅動模塊（prism_usb.o）、無線網卡驅動（p802.o）和無線網卡配置管理軟件3部分，第1步：下載無線網卡的源代碼linux-wlan-ng，這是針對pc機的源代碼，要使它能在arm上運行就進行交叉編譯，第2步：交叉編譯usb無線網卡驅動時必須先相應地配置網絡類型、內核路徑和交叉編譯工具，這是一款針對2.4.x的內核源代碼，在編譯的過程中會出現錯誤，原因是生成的mkmetadef和mkmetastruct是arm arch的，在i386上不能執行，必須修改自動生成的makefile，或者做一套適用于i386的makefile。在交叉編譯通過后生成usb接口驅動prism_usb.o和無線網卡驅動p802.o這兩個模塊。第3步，在arm linux系統的內核中加載這兩個模塊。加載時有兩種方式，動態加載和靜態編譯到內核里，筆者采用了動態加載的方式，并采用nfs mount的方式來調試要加載的模塊，第4步：把無線網卡的配置文件rc.wlan和工具軟件wlanctl-ng、wland、nwepgen、wlancfg等拷貝到相應的目錄下，并用他們對802.11b無線網絡進行系統認證、密鑰認證、wep加密和ssid設定等。

在無線手持端加載minigui界面，以顯示控制模塊和epa通信協議模塊。在minigui主程序中把接收到epa報文解包后，通過函數sendreadmessage（hwnd，idc_readinfobox，lb_addstring，0，（lparam）str）發送到設定的位置進行顯示，完成epa協議中的信息讀服務，通過函數sendwritemessage（hwnd，idc_writeinfobox，lb_addstring，0，（lparam）str）對溫度變送器的最高量程進行設定，完成epa協議中的信息寫服務。

在802.11b無線測控系統，在溫度變送器端要加載溫度變換器串口驅動模塊，溫度變送器串口被驅動后，編寫一個對溫度采集的應用程序，把epa通信協議的模塊和溫度數據采集模塊嵌套在同一個主程序中進行編譯，模塊啟動后，溫度變送器采集從串口讀到的數據，進行查詢，crc校驗等服務后運用epa協議棧對將從設備得到的數據進行封裝，然后通過ieee802.11b usb無線網卡進行數據的發送。軟件模塊如圖3和圖4所示。

在802.11b無線測控系統中，把包含epa協議的無線現場設備設置成開機啟動的模式，當給802.11b無線網關上電時，它就會自動搜索在其通信范圍內的802.11b無線現場設備，并建立通信連接，在需要它工作時開啟epa通信，其他時候處于節電模式。

3 測試與結論

最后，通過觀察溫度變送器采集到的溫度數據的變化來測試基于802.11無線局域網的epa通信協議對實時性和穩定性的要求，把采集到并處理成浮點型的溫度數據通過epa網絡傳輸到pc機和opc上進行監控，同時在802.11b的無線手持設備上進行顯示，如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，opc監控機和802.11b無線手持設備接收到的數據反應了設備運行穩定。這說明在ieee802.11b中能夠滿足工業的控制系統對實時性和穩定性的要求。

結語

通過對當前現場總線系統的深入研究，結合ieee802.11b的特點，經過長時間對無線網關和現場設備的開發，本文在實踐的基礎上建立了基于epa通信協議的ieee802.11b無線測控系統，隨著現場總線技術和無線通信技術的進一步發展，無線現場設備在工業控制系統中的應用將會越來越廣泛。