作者：孫永剛，廖戎，郭新成

針對(duì)當(dāng)前各領(lǐng)域中傳感器的微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)，從網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)入手，系統(tǒng)論述了一種基于TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的軟、硬件設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)證明，采用該方法設(shè)計(jì)的智能傳感器具有良好的檢測(cè)性能和網(wǎng)絡(luò)通信性能。該智能網(wǎng)絡(luò)傳感器已經(jīng)成功地應(yīng)用在廣東省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的環(huán)境因子網(wǎng)絡(luò)測(cè)控平臺(tái)上。

傳感器是人類獲取信息的重要工具。它在工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用，并在工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化等相關(guān)領(lǐng)域中得到了快速發(fā)展。但對(duì)于飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)說(shuō)，傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度。傳統(tǒng)的智能傳感器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化的需求，因此，開發(fā)高可靠性、多功能的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器概念及其功能特點(diǎn)

一般認(rèn)為，網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器在智能傳感技術(shù)上融合了通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，使傳感器具備自檢、自校、自診斷及網(wǎng)絡(luò)通信功能，從而實(shí)現(xiàn)信息的采集、傳輸和處理真正統(tǒng)一協(xié)調(diào)，是一種新型智能傳感器。而基于TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol ，傳輸控制協(xié)議/互連網(wǎng)協(xié)議） 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器則是把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的事實(shí)上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)——TCP/IP 協(xié)議引入到了傳感器中，即在傳感器中嵌入了簡(jiǎn)化的TCP/IP 協(xié)議，使傳感器不通過(guò)PC 或其他專用設(shè)備就能直接連上Internet/Intranet。

它相對(duì)于其他類型的傳感器而言，具有以下功能特點(diǎn)：

1） 結(jié)合了傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，分別完成對(duì)信息的采集、傳輸和處理，使各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上直接傳輸、發(fā)布和共享。

2） 基于TIP/ IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器———基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的最大區(qū)別：基于TIP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器因其在傳感器現(xiàn)場(chǎng)級(jí)就具備了TCP/IP 功能，測(cè)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、信息發(fā)布及系統(tǒng)集成等方面都以企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（ Intranet） 為依托，使得測(cè)控網(wǎng)和信息網(wǎng)統(tǒng)一起來(lái)。如果企業(yè)Intranet 與Internet 相連，各種現(xiàn)場(chǎng)信息均可在整個(gè)Internet 上實(shí)時(shí)瀏覽，如果需要，這些信息在全球任何開通了Internet 的地方均可實(shí)時(shí)瀏覽共享。

由上可以看出，網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器特別是基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器，使傳感器從被動(dòng)檢測(cè)向主動(dòng)進(jìn)行信息處理和信息發(fā)布方向發(fā)展;從孤立單一檢測(cè)向智能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展;從本地測(cè)量向遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線測(cè)控發(fā)展，它代表了當(dāng)今傳感器技術(shù)的發(fā)展方向。

基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器，并可與溫濕度傳感單元、光敏元件及氣敏元件等組成多功能集成的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器。下面介紹該傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

本系統(tǒng)由以下3 部分組成：傳感模塊、信號(hào)處理模塊和通訊模塊。

1） 傳感模塊

傳感模塊將各種物理量轉(zhuǎn)換為電量，主要由具體的傳感單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，如溫濕度傳感單元、光敏傳感單元及氣敏傳感單元等，其輸出包括模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量等。

2） 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊以微處理器為核心，主要完成A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理（如數(shù)字濾波、非線性補(bǔ)償、自診斷） 和數(shù)據(jù)輸出調(diào)度（選擇數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程輸出還是本地輸出等） 。 從智能傳感器高可靠性、低功耗、微體積等特點(diǎn)來(lái)考慮，選用Winbond 公司的W78E58 單片機(jī)，該型號(hào)的單片機(jī)性價(jià)比高、速度快、程序空間大，能很好地滿足設(shè)計(jì)要求。

3） 通訊模塊

通訊模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送及接收遠(yuǎn)程控制命令等。 工業(yè)應(yīng)用中采用的網(wǎng)絡(luò)形式有多種，早期的有RS232/485 ，近期的有各種現(xiàn)場(chǎng)總線等。 在這里采用的是在PC 機(jī)上廣泛使用的TCP/IP 協(xié)議，由于TCP/IP 協(xié)議已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它具有開放性、低成本、高速度、高可靠性等特點(diǎn)，而且連網(wǎng)方便，有眾多的應(yīng)用和開發(fā)軟件。

硬件結(jié)構(gòu)圖

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的方式一般有兩種：軟件方式和硬件方式。 軟件方式是開發(fā)者將TCP/IP 協(xié)議嵌入到特定的芯片中，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，但實(shí)現(xiàn)較麻煩;硬件方式是直接使用已經(jīng)嵌入了TCP/IP 協(xié)議的芯片，如研華的S-7600A ，韓國(guó)Wiznet 公司的Ether-3100 ，武漢力源公司的WebChip 等，使用這些芯片操作簡(jiǎn)單、使用方便，但成本太高，利用這些芯片組網(wǎng)動(dòng)輒幾千元。綜合考慮實(shí)現(xiàn)的方便性及設(shè)備的成本問(wèn)題，這里采用的是軟硬件結(jié)合的方式，即把TCPPIP 協(xié)議寫入到單片機(jī)中，用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)8029 芯片的網(wǎng)卡。

硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

硬件電路說(shuō)明：圖1 中微處理器1 及其以下部分即傳統(tǒng)的智能傳感器，微處理器2 及其以上部分是網(wǎng)絡(luò)化接口，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程Internet 的通訊。復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device ，CPLD） 用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)芯片8029 之間的邏輯轉(zhuǎn)換。RAM作為收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。EEPROM用于存放斷電需保存的數(shù)據(jù)，如本機(jī)IP 地址、網(wǎng)關(guān)IP 地址等，這些設(shè)置可在線修改。

軟件設(shè)計(jì)

限于篇幅，這里重點(diǎn)介紹網(wǎng)絡(luò)接口的軟件實(shí)現(xiàn)方法。 本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口的實(shí)現(xiàn)采用的是軟硬件結(jié)合的方式，微處理器2 （采用Winbond 公司的W78E58 單片機(jī)） 是整個(gè)系統(tǒng)的核心。一方面，它要處理傳統(tǒng)傳感器部分傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù);另一方面，它既要實(shí)現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議，即根據(jù)IP 地址和端口把待發(fā)送的數(shù)據(jù)壓縮成能直接在Internet 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包送給網(wǎng)絡(luò)芯片8029 發(fā)送，又要根據(jù)8029 芯片的邏輯時(shí)序，對(duì)8029 進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

由上分析可知，網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于完成對(duì)待收發(fā)數(shù)據(jù)的解包打包及實(shí)現(xiàn)對(duì)8029 芯片的控制（即8029 驅(qū)動(dòng)程序的編寫） 。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的打包解包

將待發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)某種變換，使之符合某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，即稱之為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的打包;解包與打包過(guò)程相反。 限于篇幅，這里只論述網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的打包過(guò)程.TCP/IP 體系結(jié)構(gòu)及其與OSI7 層模型對(duì)照關(guān)系如圖2 所示。

TCP/IP 體系的最高層為應(yīng)用層，相當(dāng)于OSI 的最高3 層;TCP/UDP 協(xié)議層與OSI 運(yùn)輸層相當(dāng); IP 協(xié)議層與OSI 網(wǎng)絡(luò)層相當(dāng)。TCP/IP 體系中沒(méi)有對(duì)最低的兩層做出規(guī)定。本系統(tǒng)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口層采用的是IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議。具體應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)封裝中的順序如下：

1） 在待發(fā)送數(shù)據(jù)前后加上http 協(xié)議或telnet 等協(xié)議內(nèi)容形成應(yīng)用層數(shù)據(jù)包;

2） 在應(yīng)用層數(shù)據(jù)包前加上TCP 或UDP 協(xié)議對(duì)應(yīng)的幀頭形成TCP 或UDP 數(shù)據(jù)幀;

3） 在TCP 或UDP 數(shù)據(jù)幀前加上IP 協(xié)議頭形成IP 數(shù)據(jù)幀;

4） 在IP 數(shù)據(jù)幀前后加上IEEE802.3 局域網(wǎng)的MAC 幀格式形成最后的的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，將此、數(shù)據(jù)包交給8029 芯片發(fā)送。

接收數(shù)據(jù)時(shí)的解包過(guò)程與打包過(guò)程剛好相反。

本系統(tǒng)中，采用是IPV4 版本的IP 協(xié)議，簡(jiǎn)化后的TCP/IP 協(xié)議嵌入到微處理器2 中后約占用8kB 存儲(chǔ)空間，上層功能主要支持http 協(xié)議和telnet 協(xié)議。

8029 驅(qū)動(dòng)程序的編寫

8029 芯片驅(qū)動(dòng)程序主要包括以下幾個(gè)步驟：

1） 8029 芯片上電復(fù)位

8029 芯片跟復(fù)位有關(guān)的引腳是89 腳RSTB ，只需給該引腳一個(gè)至少120 ns 的低電平信號(hào)，然后拉高，即可使其復(fù)位。

2） 8029 芯片初始化

完成復(fù)位之后，還需對(duì)8029 的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以使芯片開始工作。 主要是對(duì)8029 芯片的各個(gè)工作寄存器的設(shè)置，如3 個(gè)配置寄存器（CONFIG0 ， CONFIG2 ， CONFIG3） 及命令寄存器（Command Register ， CR） 等。 設(shè)置完各個(gè)工作寄存器后，還需設(shè)置芯片的IP 地址。通過(guò)上述設(shè)置后，8029 芯片就可以正常工作了。

8029 芯片正常工作后，微處理器處理一次網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的流程圖如圖3 所示。 在以太網(wǎng)幀中，協(xié)議類型值為0x0800 時(shí)表明下一層協(xié)議為IP 協(xié)議，為0x0806 時(shí)表明下一層協(xié)議是ARP（Address Resolution Protocol ，地址轉(zhuǎn)換協(xié)議） 協(xié)議; IP 幀中，協(xié)議類型值為1 時(shí)表明下一層協(xié)議是ICMP（ InternetControl Message Protocol ，Internet 控制報(bào)文協(xié)議） ，為6 時(shí)表明下一層協(xié)議是TCP 協(xié)議，為17 時(shí)表明下一層協(xié)議是UDP（User Datagram Protocol ，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議） 協(xié)議。由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量可能非常大，因此采用了專門的單片機(jī)（圖1 中微處理器2） 對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和控制，微處理器2 對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理采用是定時(shí)查詢的方式，對(duì)微處理器1 傳來(lái)的數(shù)據(jù)或命令采用的是中斷方式。微處理器2將微處理器1 傳來(lái)的數(shù)據(jù)放到接收緩沖區(qū)RXD-BUF 中，IsCommand 變量用來(lái)標(biāo)志接收到的是數(shù)據(jù)還是命令。微處理器2 處理一次接收到的指令的流程圖如圖4 所示。

應(yīng)用實(shí)例

圖5 為應(yīng)用于廣東省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化環(huán)境因子測(cè)控平臺(tái)中的基于TCP/IP 的智能網(wǎng)絡(luò)傳感器設(shè)備連接圖1 已經(jīng)標(biāo)定后的基于熱敏電阻溫度傳感和基于高分子電阻式濕度傳感器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備接入到現(xiàn)場(chǎng)以太網(wǎng)，系統(tǒng)中的傳感器、設(shè)備與微機(jī)可以通過(guò)以太網(wǎng)相互通信，實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同工作。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，基于TCP/IP 的智能網(wǎng)絡(luò)測(cè)控平臺(tái)的測(cè)量結(jié)果與原來(lái)單個(gè)傳感測(cè)量結(jié)果是一致的，測(cè)量結(jié)果是可靠的。這是基于TCP/IP 的智能網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)字信號(hào)傳輸，系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度主要取決于所連接的傳感器件的測(cè)量準(zhǔn)確度。

結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器是將智能傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)相結(jié)合而提出的一個(gè)全新概念?；赥CP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器在傳感器現(xiàn)場(chǎng)級(jí)實(shí)現(xiàn)了TCP/IP 協(xié)議，且組網(wǎng)方便可靠，組網(wǎng)費(fèi)用低廉，在過(guò)程控制領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用。采用文中所介紹的軟硬件設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的智能傳感器及其網(wǎng)絡(luò)接口，已在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的環(huán)境參數(shù)測(cè)控平臺(tái)上得到成功應(yīng)用。實(shí)踐證明，該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，組網(wǎng)十分方便，使監(jiān)控系統(tǒng)的兼容性和可擴(kuò)充性得到很大提高。 文中所介紹的網(wǎng)絡(luò)接口軟、硬件設(shè)計(jì)方案，不僅適用于環(huán)境參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)，而且可以推廣到其它過(guò)程控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)中。

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