基于WIA-PA的HSE系统节点设计

摘要：针对传统仪器仪表的缺点，介绍了一种基于WIA-PA工业无线网络标准的HSE系统节点设计方案。采用基于IEEE 802．15．4无线协议的射频芯片CC2420和16位超低功耗单片机MSP430F1161，分析并将系统模块化，给出模块设计与具体流程。
关键词：WIA-PA；HSE；工业无线网络

引言
    工业环境不仅影响企业的生产运行和生产效率，同时也影响企业员工的健康状态。对工业环境的实时监测不仅可以保障企业正常运行、降低事故风险，更能保障员工的生命安全。健康、安全和环境在企业的生产过程中有着密不可分的联系，因而把健康(Health)、安全(Safety)和环境(Environment)等要素整合成一个完整的体系是现代化工业的必然选择。HSE(Health，Safety and Environment健康、安全和环境体系)是20世纪80年代后期发展起来的工业监测体系，通过对工业环境的监测，进行风险识别和危害评估，确定工厂活动可能发生的危害和健康隐患，采取系统化的监测管理预警机制和控制措施，消除各类健康、安全和环境隐患，尽可能地减少人员伤害、财产损失和环境污染，实现企业的可持续发展。

1 WIA-PA技术简介
    传统的工业自动化过程自动化水平低、集成难度大。首先，系统线路架设困难，恶劣环境的工程布线还具有一定的危险程度；其次，系统布线复杂度大，限制了系统的扩展和自动化程度；再者，电缆易老化腐蚀，系统长期运行可靠性降低，不仅系统的安装调试需要大量时间，而且维护难度也大。工业无线网络是21世纪初新兴的、以工业应用为目的、面向设备间信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业现场环境下使用，部署成本低、使用简单、维护简便、灵活性高、扩展性强，同时还具有强抗干扰、超低功耗、高可靠性、实时通信等特点。因此，近几年来一些国际组织正积极推进工业无线网络技术的标准化进程，目前主流的工业无线网络标准主要有WIA-PA、Wireless-HART和ISA-SP100。
    WIA-PA标准是中国工业无线联盟针对过程自动化领域的迫切需求而率先制定的，定义了用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范。WIA-PA采用星型和Mesh结合的双层混合网络拓扑结构，如图1所示。第一层Mesh结构由网关及路由设备构成，结构灵活、健壮性好，同时具有自组织和自愈能力；第二层星型结构由路由设备及现场设备或手持设备构成，结构简单，易于集中控制，通信距离短，实时性好，又能保证端用户设备在网络结构中的独立性。相比较而言，Wireless-HART采用的是单层Mesh结构，网络结构单一。ISA-SP100网络拓扑结构和WIA-PA相同，不同的是ISA-SP100在路由器和网关的Mesh层采用的是IEEE 802．11协议，而路由设备及终端设备或手持设备所在的星型层采用的是IEEE 802．15．4协议。不同于ISA-SP100，WIA-PA和Wireless-HART都是基于IEEE 802．15．4协议。

    WIA-PA的主要技术特征如下：
    ①集中式和分布式管理：网关可下放管理权限给路由设备，既可提高网络效率，又方便用户使用和管理；
    ②聚合与解聚：支持报文的聚合与解聚，减少网络开销，延长电池寿命；
    ③TDMA／CSMA混合接入模式：通过TDMA／CSMA混合接入模式支持周期和非周期性通信；
    ④扩频通信与窄带通信：在2．4 GHz基础上，支持433 MHz低频窄带通信，并能无缝地集成到同一网络中；
    ⑤兼容IEEE 802．15．4标准：符合IEEE 802．15．4标准的设备也能加入WIA-PA网络。
    工业通信中可靠性十分重要，WIA-PA也提供了多种措施以保护传输的可靠性；
    ①全网TDMA模式：全网的时间同步精度达到μs级，避免报文冲突；
    ②自适应调频技术：在DSSS的基础上引入FHSS的思想，采用根据信道状态自适应跳频机制，可以有效地抑制突发性干扰，提高点到点通信的抗干扰能力；
    ③自动重传机制：链路层采用自动请求重传机制，应用层采用面向连接(connection-oriented)的数据传输技术，保证报文传输的成功率；
    ④Mesh路由：每个设备至少有两条可用的通信路径，以提高端到端通信的可靠性；
    ⑤设备冗余：可选冗余网管设备，增强系统鲁棒性。

2 硬件设计
    节点设备在WIA-PA网络中处于第二层——星型层，与传统的仪器相比，增加了无线传输模块，设备可以接入WIA-PA网络，无需现场布线，且可由电池供电，方便使用。设备通过检测WIA-PA网络中的超帧信号加入WIA-PA网络，传感器采集数据使用2．4 GHz频段传送数据，最大传输速率为250 kbps，室外的最大通信距离为1000 m，室内的最大通信距离为200 m，设备数据发送周期可以达到1 s。节点的硬件总体框图如图2所示，主要包括传感器模块、无线通信模块和电源模块。

2．1 传感器模块
    传感器模块负责采集环境参数，主要对环境温度、环境湿度和综合空气质量进行采集。温度传感器采用ADT7301ARMZ，通过SPI与MCU通信；湿度传感器和综合空气质量传感器分别采用HIH-4010-003和QS-01，均为模拟输出，通过ADC输入到MCU。以上传感器的数据由MCU读取后，再由MCU进行数据的预处理。
    ADT7301ARMZ是一款高度集成的高精度数字温度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。该传感器包含一个带隙材料制成的温度敏感元件、一个13位ADC转换器和一个串行接口电路。串口电路兼容SPI、QSPI、MICROWIRE协议和DSPs，可以很方便地与其他微处理器／微控制器直接通信。传感器工作温度范围为-40～155℃，转换精度为±0．5℃。此外，ADT7301ARMZ也有着较宽的工作电压(2．7～5．5 V)，提供待机模式，待机模式下电流低至1μA，非常适合电池供电和低功耗工业测量应用。
    HIH-4010-003湿度传感器为内置信号处理单元、经激光修正的热固聚合物电容式感应元件，感应元件采用多层结构，使传感器对大多数应用环境中的不利因素(如潮湿、多尘、脏污、油类和普通化学环境)具备良好的抵抗性能。HIH-4010-003工作湿度为0％RH～100％RH；在典型工作电压5 V下，工作电流仅为200μA，功耗低，典型响应时间为5 s，响应速度快；输出接近线形，稳定而且漂移低。传感器在标定数据的最佳拟合曲线下输出精度为±3．5％RH。为了使得传感器输出模拟量能够转换为具有实际意义的物理量，同时还要获得上述精度，需要进行数据变换处理和温度补偿修正处理。可以用如下公式，将获得的输出值转换为实际湿度值：
    Sensor_RH=(R-Zero_offset)／θ
    Real_RH=(Sensor_RH)／(1．054 6--0．002 16T)
    式中，Sensor_RH为计算所得湿度值；Real_RH为实际空气湿度值；R为输出电压值；Zero_offset为零点漂移；θ为输出电压随湿度变化的斜率；T为温度值。
    HIH-4010-003的标定数据分别为：Zero_offset为0．958 V、θ为30．680 mV／％RH。
    QS-01是一种二氧化锡半导体气体传感器，对气态的空气污染(如香烟、氨气、酒精、硫化氢、一氧化碳、氢气、VOCs等)有很高的灵敏度，响应时间快，功耗低。室内空气污染存在许多潜在重要来源，大致有如下几个：首先是燃烧附属产物，主要指在采暖和烹饪过程中产生的附属物，包括一氧化碳、硫化物以及各类碳氢化合物；其次是各种挥发性有机物，主要来源于室内潮湿阴暗角落、空气交换设备以及建材辅料等；最后就是各种烟草烟雾。由此可见，QS-01对于室内常见的各种污染源有着很好的检测覆盖率，能够有效地响应各种室内常见污染。

    QS-01作为一款综合空气质量传感器，容易受到环境变化的影响，输出电阻也很容易变动，因此需要定期在洁净大气环境中进行输出电阻(RS)的“0”点更新。使用QS-01来表示传感器感度的时候，通常对比“0”点和空气污浊时输出电阻(Rs)的变化率来表示，也就是说，以检测相对值来度量空气质量。同时，传感器对温湿度也有一定的依赖性，如图3所示。我们以相对值来度量空气质量，前提是温湿度等条件不变，所以当温湿度变化落差大时，为了得到较为精确的结果，需要进行一定的温湿度补偿计算。QS-01传感器对于各种不同气体敏感性也不一样，如图4所示。因此，在某些特殊场合(例如污染气体比较单一)，可以选取不同拟合曲线来比较精确地获取当前场合实际的空气污染程度。

    QS-01是以输出电阻来显示空气污染程度的，但是直接读取传感器的输出阻值(Rs)会比较困难，所以通常是读取R(负载输出电压)，以电压变动来衡量空气质量：
    Rs=(Vc÷R-1)×RL
    式中，Rs为传感器电阻值；Vc为供电电压；RL为输出负载；R为负载输出电压。
2．2 无线通信模块
    无线通信模块主要包含一个16位的MSP430F1611单片机和一个符合2．4 GHz IEEE 802. 15．4的CC2420无线射频芯片。MSP430F1611是16位超低功耗单片机，拥有48 KB的Flash存储器，可支持在线编程和仿真；2个16位定时器Timer_A和Timer_B，具有捕获／比较功能的寄存器；12位A／D转换器，转换速率高达200 ksps，能够满足大多数数据采集的要求；多功能串口模块，兼容多种串行协议，方便外设与电脑通信。  CC2420是一款低功耗、短距离的工业级射频收发芯片，可确保短距离通信的有效性和可靠性，工作于2．4 GHz免授权频段，支持16个最大传输速率为250 kbps的信道。CC2420功耗低，相应的传输距离短，接收灵敏度也低，所以在射频前段分别增加PA和LNA，以提高发射功率和接收灵敏度，在室外可视通信距离能达到1000 m以上。虽然增加了PA和LNA，但是在典型的Mesh网络中最小工作电流也仅为30μA。MCU通过SPI总线访问CC2420，MSP430F1611和CC2420的硬件接口电路如图5所示。

     MCU通过FIFO、FIFOP、SFD引脚查询CC2420数据收发状态，通过I／O引脚与其相连，起到查询状态的作用。CCA为空闲信道检测引脚，VR EG_EN是CC2420的电压调整器引脚。CC2420和MCU的数据、命令交换主要通过SPI串行接口完成，MSP430F1611单片机设置为主机模式，通过SPI接口访问CC2420内部寄存器和存储器；作为从设备的CC2420接收来自MSP430F1611的时钟信号和片选信号，并在其控制下执行输入／输出操作。
2．3 电源模块
    供电是电路设计的重要环节，节点采用稳压5 V供电，通过一个SPX1117M3低压差电压调节芯片输出3．3 V为元器件供电。SPX1117M3的输出电压误差在±1％以内，同时芯片还提供电流限制和热保护功能。

3 软件设计
    WIA-PA协议层次结构遵循ISO／OSI层次结构，WIA-PA网络协议只涉及物理层、数据链路层、网络层和应用层。物理层基于IEEE802．1 5．4，MAC层基于IEEE802．15．4并进行了扩展。数据链路层为网络层和MAC层提供接口，包括用于收发数据的数据链路层数据实体和配置维护数据链路层的数据链路管理实体。网络层则主要为应用层提供接口，以实现网络层的管理配置控制功能。应用层是WIA-PA网络的最高层，定义了与工业过程进行交互的软件对象，用户可以直接调用服务对象实现通信。
    WIA-PA网络节点在入网前需设置传感器标签，每个节点设备唯一，取值范围是1～255。如不初始化将从Flash中读取初始设定值，主动重启后会将当前设定值写入Flash。每个节点的数据发送周期不得少于1 s，每次发送的信息量应少于25字节。一切准备就绪后打开带有无线模块的节点，节点设备会自动搜寻WIA-PA网络超帧并加入网络，设备加入网络所需要的时间，一般是同时打开的点数、环境信号情况而定，一般为1～5 min。
    接入网络后，节点就通过串口与网关交互信息，串口波特率为115 200 bps。串口报文带有CRC，CRC算法为IBM算法，代码如下：
   

   

    WIA-PA网络报文有一定的格式，网关的报文末尾必须带有2字节的CRC校验码。网络报文封装以7E开头、7E结尾，若报文里含有7E和7D字节，规定都转换为7D 5E和7D 5D。用户通过串口传给网关，进而传给节点透传报文，报文内容的第一个字节要求必须是设备节点传感器标签，报文末尾是CRC校验码，以7E开头、7E结尾来封装；封装后通过串口传递给网关，网关进行CRC校验，通过后再传递给目的节点。收到串口报文后，先将接收到的报文按照串口协议解码，判断CRC校验是否正确；正确继续处理，否则丢弃。对于需要回复ACK的报文回复ACK，然后对报文进行解析；是本地的报文则进行处理，否则经过无线通信模块转发。

结语
    WIA-PA目前已经正式成为IEC的工业无线网络标准，本文实现了基于WIA-PA的工业无线网络系统的网络节点设备。基于WIA-PA的HSE无线工业设备不仅具有传统设备的优点，而且没有现场布线的成本花费，安装灵活，功耗低，数据通信安全性及可靠性较高，还具有良好的开放性，势必将成为工业应用的主流。