遠端無線管控體系的設計研究論文
遠端無線管控體系的設計研究論文
1引言
隨著我國航天事業的發展，測量船所承擔的任務呈現高密度、高強度的趨勢，造成碼頭期間的任務準備工作越來越繁重，面臨著考核專案多、考核時間短和多船協調對標等現實情況，如何提高對標效率、確保安全可靠對標成為緊迫的課題。由於保密要求，原研製的遠端標校控制系統無法接入現有網路，而鋪設專網的耗資巨大，價效比低，也非首選方案。近些年來，無線通訊已經成為資訊通訊領域中發展最快、應用最廣的技術，廣泛應用於家居、農業、工業、航天等領域，已成為資訊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端控制標校裝置提供了支援。本文透過對常用中遠距離無線通訊方式的比較，擇優選擇了無線網橋，採用了橋接中繼的網路模式，透過開發遠端裝置端的網路控制模組，以及相應的控制軟體，實現了測量船對遠端裝置的有效、安全控制。
2無線通訊方式比較
無線通訊技術是利用電磁波訊號在自由空間中進行資訊傳播的一種通訊方式，按技術形式可分為兩類：一是基於蜂窩的接入技術，如蜂窩數字分組資料、通用分組無線傳輸技術、EDGE等；二是基於區域網的技術，如WLAN、Bluetooth、IrDA、Home—RF、微功率短距離無線通訊技術等。在中遠距離無線通訊常用的有ISM頻段的通訊技術（比如ZigBee以及其他頻段的數傳模組等）和無線網路技術（比如GSM、GPRS以及無線網橋等）。基於ISM頻段的數傳模組的通訊頻率為公共頻段，產品開發沒有限制，因此發展非常迅速，得到了廣泛應用。特別是近年來新興的ZigBee技術，因其低功耗、低複雜度、低成本，尤其是採用自組織方式組網，對網段內裝置數量不加限制，可以靈活地完成網路連結，在智慧家居、無線抄表等網路系統開發中得到應用[2]。但是，對於本系統的開發而言，需要分別研製控制點和被控制點的硬體模組，並需透過軟體配置網路環境，開發週期長，研製成本高，故非本系統開發的最優方案。
GSM、GPRS這種無線移動通訊技術已經成為人們日常生活工作必不可少的部分，在其他如無線定位、遠端控制等領域的應用也屢見不鮮[3]，但是由於保密、通訊費用、開發成本等因素，也無法適用於本系統的開發。而無線網橋為本系統的低成本、高效率的研發提供了有利支援，是開發本系統的首選無線通訊方式。無線網橋是無線網路的橋接，它可在兩個或多個網路之間搭起通訊的橋樑，也是無線接入點的一個分支。無線網橋工作在24GHz或58GHz的免申請無線執照的頻段，因而比其他有線網路裝置更方便部署，特別適用於城市中的近距離、遠距離通訊。
3系統設計
該遠端控制系統是以保障測量船對遠端標校裝置的有效控制為目標，包括標校裝置的開關機、狀態引數的採集等，主要由測量船控制微機、標校裝置、網路控制模組、主控微機以及無線網橋等組成。工作流程為測量船控制微機或主控微機發送控制指令，透過無線網橋進行資訊傳播，網路控制模組接收、解析指令，按照Modbus協議規定的資料格式透過串列埠發給某一標校裝置，該標校裝置響應控制指令並執行；網路控制模組定時傳送查詢指令，並將採集的狀態資料打包，透過無線發給遠端控制微機，便於操作人員監視。網路通訊協議採用UDP方式，對於測量船控制微機、主控微機僅需按照一定的資料格式傳送或接收UDP包即可。網路控制模組是系統的核心部件，是本文研究、設計的重點。目前，常用的網路晶片主要有ENC28J60、CP2200等，這裡選用了ENC28J60，設計、加工了基於STC89C52RC微控制器的硬體電路。透過網路資訊處理軟體模組的開發，滿足了網路資訊互動的功能要求；透過Modbus串列埠協議軟體模組的開發，滿足了標校裝置監控功能，從而實現了系統設計目標。
3.1組網模式
無線網橋有3種工作方式，即點對點、點對多點、中繼連線。根據系統的控制要求以及環境因素，本系統採用了中繼連線的方式，其網路拓撲如圖1所示。從圖中可以清晰看出，這種中繼連線方式在遠端控制端佈置兩個無線網橋，分別與主控點和客戶端進行通訊，透過網路控制模組完成資料互動，從而完成組網。
3.2安全防範
由於是開放性設計，無線網路安全是一個必須考慮的問題。本系統的特點是非定時或全天候開機，涉密資料僅為頻點引數，而被控裝置自身均有保護措施（協議保護）。因此，系統在設計時重點考慮接入點防範、防止攻擊，採取的`措施有登入密碼設施、網路密匙設定、固定IP、對資料結構體的涉密資料採取動態加密等方式，從而最大限度地防止了“被黑”。同時，採用了網路防雷器來防護雷電破壞。
3.3網路控制模組設計
3.3.1硬體設計
網路控制模組的功能是收命令資訊、髮狀態資訊，並透過串列埠與標校裝置實現資訊互動，其硬體電路主要由MCU（微控制單元）、ENC28J60（網路晶片）、Max232（串列埠晶片）以及外圍電路組成，其電原理圖如圖2所示。硬體設計的核心是MCU、網路晶片的選型，本系統MCU選用的STC89C52RC微控制器，是一種低功耗、高效能CMOS8位微控制器，可直接使用串列埠下載，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公司出的一款高整合度的乙太網控制晶片，其介面符合IEEE802。3協議，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介面，與MCU的通訊透過兩個中斷引腳和SPI實現，資料傳輸速率為10Mbit/s。ENC28J60符合IEEE802。3的全部規範，採用了一系列包過濾機制對傳入的資料包進行限制，它提供了一個內部DMA模組，以實現快速資料吞吐和硬體支援的IP校驗和計算[4]。ENC28J60對外網路介面採用HR911102A，其內建有網路變壓器、電阻網路，並有狀態顯示燈，具有訊號隔離、阻抗匹配、抑制干擾等特點，可提高系統抗干擾能力和收發的穩定性。
3.3.2軟體設計
網路控制模組的軟體設計主要包括兩部分，一是基於SPI匯流排的ENC28J60的驅動程式編寫，包括乙太網資料幀結構定義、初始化和資料收發；二是Modbus協議編制，其軟體流程如圖3所示。
3.3.2.1ENC28J60的驅動程式編寫
（1）乙太網資料幀結構符合IEEE802。3標準的乙太網幀的長度是介於64~1516byte之間，主要由目標MAC地址、源MAC地址、型別/長度欄位、資料有效負載、可選填充欄位和迴圈冗餘校驗組成。另外，在透過乙太網介質傳送資料包時，一個7byte的前導欄位和1byte的幀起始定界符被附加到乙太網資料包的開頭。乙太網資料包的結構如圖4所示。
（2）驅動程式編寫
1）ENC28J60的暫存器讀寫規則由於ENC28J60晶片採用的是SPI序列介面模式，其對內部暫存器讀寫的規則是先發操作碼<前3bit>+暫存器地址<後5bit>，再發送欲操作資料。透過不同操作碼來判別操作時讀暫存器（快取區）還是寫暫存器（緩衝區）或是其他。
2）ENC28J60晶片初始化程式ENC28J60傳送和接收資料包前必須進行初始化設定，主要包括定義收發緩衝區的大小，設定MAC地址與IP地址以及子網掩碼，初始化LEDA、LEDB顯示狀態通以及設定工作模式，常在復位後完成，設定後不需再更改。
3）ENC28J60傳送資料包ENC28J60內的MAC在傳送資料包時會自動生成前導符合幀起始定界符。此外，也會根據使用者配置以及資料具體情況自動生成資料填充和CRC欄位。主控器必須把所有其他要傳送的幀資料寫入ENC28J60緩衝儲存器中。另外，在待發送資料包前要新增一個包控制位元組。包控制位元組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個內容。
4）ENC28J60接收資料包如果檢測到EIR。PKTIF為1，並且EPKTCNT暫存器不為空，則說明接收到資料，進行相應處理。
3.3.2.2ModBus協議流程
本系統ModBus協議的資料通訊採用RTU模式[5]，網路控制模組作為主節點與從節點（標校裝置）透過串列埠建立連線，主節點定時向從節點發送查詢命令，對應從節點響應命令向主節點發送裝置狀態資訊。當偵測到網路資料時，從ENC28J60接收資料包中解析出命令，將對應的功能程式碼以及資料，按照Modbus資料幀結構進行組幀，傳送給從節點；對應從節點響應控制命令，進行裝置引數設定。
4系統除錯與驗證
試驗除錯環境按照圖1進行佈置，主要包括5個無線網橋、1個主控制點、2個客戶端、1塊網路控制模組板以及標校裝置等，主要測試有網路通訊效果、網路控制能力以及簡單的安全防護測試。測試結論：網路連線可靠，各控制點均能安全地對遠端裝置進行控制，具備一定安全防護能力，完全滿足遠端裝置控制要求。
5結束語
本文從實際需要出發，透過對當下流行的無線通訊技術的比較，選用無線網橋實現遠控系統組網；透過開發網路控制模組，以及相應的控制軟體編制，研製了一套用於測量船遠端控制裝置的系統。經幾艘測量船的應用表明，採用無線網橋進行組網完全滿足系統設計要求，具有高安全性、高可靠性、高擴充套件性等優點，在日趨繁重的保障任務中發揮了重要的作用。本系統所採用的無線組網方法，以及硬體電路的設計方案，對其他相關控制領域均有一定的參考價值。