基于IEEE1451智能傳感器的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(一)

為了給傳感器配備一個(gè)通用的軟硬件接口，使其方便地接入各種現(xiàn)場(chǎng)總線以及Internet和Intranet，從1993年開(kāi)始，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所和IEEE儀器與測(cè)量協(xié)會(huì)的傳感技術(shù)委員會(huì)聯(lián)合制定了智能傳感器通用通信接口標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE1451的智能變送器標(biāo)準(zhǔn)接口。針對(duì)變送器工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域的要求，多個(gè)工作組先后建立并開(kāi)發(fā)了接口標(biāo)準(zhǔn)的不同部分。

1 IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)族介紹

IEEE1451是一個(gè)智能傳感器接口的標(biāo)準(zhǔn)族，它定義了一系列為使智能傳感器連接到微處理器、儀表系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放、通用、獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)［1］，提供了一系列基于監(jiān)測(cè)和控制應(yīng)用的有線或無(wú)線的協(xié)議。IEEE1451接口標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如圖1所示［2］。

在IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)族中，IEEE1451.0標(biāo)準(zhǔn)定義了傳感器和執(zhí)行器多種通用配置命令集，如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、分布多點(diǎn)和無(wú)線的配置，以適應(yīng)各種應(yīng)用的需要。而且還規(guī)定了通用變送器電子表（TEDS）的格式，目的在于提高IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)之間的互操作性，簡(jiǎn)化針對(duì)網(wǎng)絡(luò)適配器（NCAP）和智能變送器接口模塊（STIM）使用不同物理層傳輸介質(zhì)連接相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的工作難度和工作量。

IEEE1451.1：主要定義了NCAP的信息模型，這一標(biāo)準(zhǔn)為NCAP規(guī)定了一個(gè)公共的上層對(duì)象模型，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和變送器模塊類型不同，其對(duì)象模型就有不同的版本。一個(gè)簡(jiǎn)單的編程模型封裝了傳感器硬件實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，規(guī)定了不同NCAP與STIM物理層版本在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)的軟件接口規(guī)范。

IEEE1451.4：主要針對(duì)于傳感器和變送器的混合模式通信協(xié)議及傳感器電子數(shù)據(jù)表格式?；旌夏Ｊ浇涌诘闹悄苄蛡鞲衅鞫x了一種為傳統(tǒng)模擬模式的傳感器和變送器增加自我識(shí)別技術(shù)的機(jī)制。

IEEE1451.5：定義了無(wú)線傳感器通信以及TEDS格式，定義了無(wú)線變送器模塊WTIM（Wireless Transducer Interface Module）與NCAP之間通過(guò)無(wú)線方法建立連接的有關(guān)事項(xiàng)。

2 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景為遠(yuǎn)程環(huán)境檢測(cè)。考慮到設(shè)備主要應(yīng)用在野外，地形比較復(fù)雜， IEEE1451.2-4標(biāo)準(zhǔn)都是基于有線連接的，連線困難。而IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)是基于無(wú)線傳輸技術(shù)的，也就是NCAP和WTIM之間的通信是基于無(wú)線傳輸技術(shù)，可以節(jié)省成本，而且還方便今后對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)改造。但本系統(tǒng)的TIM部分和WTIM部分采用的是IEEE1451.4標(biāo)準(zhǔn)的MMI接口。因?yàn)镸MI允許TEDS的數(shù)字信號(hào)和傳感器的模擬信號(hào)隔離傳輸，可以很方便地將傳統(tǒng)傳感器改造為符合標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)包括三個(gè)部分：（1）變送器接口模塊（TIM）。該部分的主要功能是采集傳感器的模擬信號(hào)，并與TEDS的數(shù)字信號(hào)通過(guò)IEEE1451.4的標(biāo)準(zhǔn)MMI接口傳送到控制器；（2）無(wú)線變送器接口模塊（WTIM）。該部分包含一個(gè)控制器、一個(gè)無(wú)線收發(fā)器和MMI（Mixed-Mode Interface）接口。MMI接口接收TIM傳來(lái)的信息并對(duì)其進(jìn)行處理，將處理完的信息傳給無(wú)線發(fā)送設(shè)備，由后者發(fā)送出去；（3）網(wǎng)絡(luò)適配器NCAP。該部分主要由無(wú)線收發(fā)設(shè)備、控制器和DTU設(shè)備組成。無(wú)線收發(fā)設(shè)備收到WTIM發(fā)送的信息后傳送給處理器，處理器做相應(yīng)處理后通過(guò)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程終端。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用STM32系列單片機(jī)作為各部分的主控制器。STM32 是意法半導(dǎo)體基于ARM CortexTM-M3 的32 bit嵌入式處理器，具有運(yùn)算速度快、外設(shè)資源豐富等特點(diǎn)，而且其價(jià)格僅與8 bit單片機(jī)相當(dāng)，性價(jià)比極高。因此本設(shè)計(jì)選用該芯片。

IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是為使用不同通信技術(shù)的無(wú)線傳感器提供一個(gè)統(tǒng)一的接口，采用已經(jīng)成熟的無(wú)線通信技術(shù)作為接口標(biāo)準(zhǔn)，并不是開(kāi)發(fā)一種新的無(wú)線通信技術(shù)，而是基于該標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)接口在WTIM和 NCAP之間定義了多