基于網絡協議實現工業以太網網關的應用設計

1 引言

工業無線通信技術是繼現場總線、工業以太網之后，工業自動化領域又一個研究熱點。 實際上，無論是場總線還是工業以太網，都已經形成了多標準并存的局面，在協議轉換、異 構網絡接入過程中，網關起著重要作用。工業無線通信技術要應用于工控領域，也面臨諸如 開放性、互操作等技術。

ZigBee 因其低成本、低功耗、組網靈活等眾多優勢，成為工業無線通信技術中備受關 注的技術之一。ZigBee 是一種低速網絡，傳輸速度為10KB/S～250KB/S，其在工業自動化 應用中，一般要接入上層網絡。本文介紹一種ZIGBEE/工業以太網網關設計，實現ZIGBEE 與工業以太網的一種接入，設計中ZigBee 和工業以太網應用層都采用自動化儀表廣泛支持 的Modbus/RTU 協議。

2 網關硬件體系結構

網關硬件體系結構如圖 1 所示。系統以Rabbit3000 MPU 為核心，擴展了以太網接口、 ZigBee 無線通信接口和基本的flash、RAM 及電源電路。圖中SST39LF040 為512Kflash， AS7C4096 為512K SRAM，與Rabbit3000 的地址線（A0～A18）、數據線（D0～D7）、片選 線（CS0～CS2）、讀寫線（OE0、OE1、WE0、WE1）直接無譯碼相連。AX88796L 為以太 網接口控制芯片，10M/100M 兼容，3.3V 供電。AX88796L 的TPOP、TPON、TPIP、TPIN 接RJ45 連接器LF1S022。

SZ05-ZBEE 是上海順舟公司的無線通信模塊，模塊將Freescale的MC13213及外圍電路 布置在2.75×4.8cm的PCB板上，提供標準2.54 雙排插針接口，包含電源接口、數據接口、 控制接口和系統指示燈接口和天線接口等，采用IEEE802.15.4/ZIGBEE 標準地址尋址，支持 星型、樹型、鏈型、網狀網等拓撲結構。SZ05-ZBEE通過RX1、TX1（串行通信接口）直接與 Rabbit3000的PC6、PC7（串行通信口A）連接。

3 網關軟件設計

網關的主要功能是實現Zigbee與以太網之間的數據傳輸。SZ05-ZBEE無線通信模塊集成 了符合ZigBee協議標準的射頻收發器和微處理器，初始化設置后，模塊即可以實現透明串口 傳輸。為適應短幀實時和確定性通信發展趨勢，以太網通信采用UDP/IP協議，應用層采用 Modbus/RTU主從式協議。類似于Modbus/TCP協議，也可以稱以太網側協議為Modbus/UDP 協議。網關軟件基于Dynamic C和μC/OS-Ⅱ實時操作系統設計。

3.1 網關轉發報文的總體設計

Modbus 標準中規定了完整的消息、數據結構、命令和應答方式，但只是OSI 模型第7 層上的應用層報文傳輸協議，定義的是一種以數據幀形式表示的能使設備相互識別和使用的 消息結構。因此，可以不對數據包作任何修改，將Modbus/RTU 報文作為應用層數據在不 同網絡之間傳輸。

網關中即是將 Modbus/RTU 報文作為UDP 和ZigBee 應用層數據傳輸。主站報文通過 UDP 端口接收，去掉幀頭幀尾，附加Zigbee 短地址，通過串口發給SZ05-ZBEE，轉化為 ZigBee 報文發送；從站的ZigBee 報文由SZ05-ZBEE 轉為串口數據接收，去掉ZigBee 短地 址，附加UDP 幀頭幀尾，然后由以太網口轉發。具體程序包括5 個任務：UDP 接收、串口 發送、串口接收、UDP 發送以及嵌入式Web Server。嵌入式Web Server 用于設備管理。系 統程序結構如圖2 所示。

3.2 地址映射

對于ZigBee 設備，有其IEEE 地址和16 位短地址。設計中將ZigBee16 位短地址與Modbus 從站地址綁定，從而實現Modbus 主、從各節點之間地址定向。具體是將一系列Modbus 從 站地址和ZigBee 短地址以配置文件config.txt 下裝到flash，網關在初始化時，讀取配置文件 內容，存儲在數組中。數組形式為：

char ModbusZigbee_Addr［ ］=

［{ModbusAddr0，shortAdd0H， shortAdd0L}，……{ ModbusAddrn，shortAddnH，shortAddnL}］

接收UDP 報文后，讀取報文中的Modbus 從站地址，檢索數組得到與之匹配的 ModbusAddrx（ModbusAddr0 到ModbusAddrn 中查找），從而讀取該從站ZigBee 短地址 shortAddxH、 shortAddxL。該短地址將附加在所接收的UDP 報文之前，一同作為串行通信 口的轉發報文。

config.txt 文件中，Modbus 從站地址和ZigBee 短地址在存儲時以空格間隔，文件以#結 束。數組的第一維長度在讀取文件后確定，定義為Device_Number。檢索ZigBee 短地址函 數如下：

int ZigBee_Search（char Modbusaddr）

{int i=0;

For（i=0;i{If（Addr［ i］［0］== ModbusAddr）

return i ;

}

return Device_Number }

Addr［ i］、Addr［ i］為對應的ZigBee 短地址。返回值為Device_Number 表示未檢索到。

3.3 緩沖區設計及數據接收轉發

為了解決以太網口和串行通信口速度配合上，以及解除串口與以太網口耦合，設計了兩 個環形隊列作為UDP 接收緩沖區和串口接收緩沖區（用宏Buffer_Size 定義）。緩沖區仿雙口 RAM 思想、按照先進先出（FIFO）原則設計。 UDP 接收緩沖區同時是串口發送數據區。 緩沖區結構為：

char UDP_ReceiveBuffer［Buffer_Size］=

［SendNumber1，shortAddxH，shortAddxL，ModbusAddrx，Funcodex，……

……SendNumbern，shortAddxH，shortAddxL，ModbusAddrx，Funcodex］

ModbusAddrx 開始為所接收的UDP 報文，即完整的Modbus/RTU 數據。shortAddxH 和shortAddxL 為ZigBee 短地址，SendNumberx 為UDP 報文長度加2，即串口要轉發的數據長 度。每次接收的UDP 報文都附加ZigBee 短地址和SendNumberx 這3 個字節存放在緩沖區 中。UDP 接收緩沖區設置了當前存儲數據指針（int UDP_Location），始終指向當前存儲數據 尾部。類似，針對串口轉發，設置了當前發送數據指針（int Serial_Location）始終指向已經 發送數據尾部。系統默認Modbus/RTU 數據幀長度不大于256。指針大于Buffer_Size 以后 均回零，此后，原來的報文陸續被覆蓋?！按诎l送”任務判斷兩指針是否重合，決定是否 啟動串口轉發。UDP 口接收報文部分程序如下。

串口接收緩沖區設計類似。由于數據通過固定的端口和IP 地址轉發，存儲數據中不再 包含類似于Zigbee 地址的數據項。

4 結束語

本文設計適當調整可以用于更多場合。如，動態管理地址綁定數組，可以適應動態組網；數組中增加IP 地址、端口號等可適應其他類型報文；調整緩沖區大小可以適應不同尺寸報 文收發等。 經過多年的重點扶持，我國工業以太網研究已經取得大量成果并廣泛應用。目前，工業 無線通信技術也列為我國“十一五”863 重點研究項目，ZigBee 等技術也將逐步廣泛應用于 工業自動化領域。本系統開發基于市場現有的通用技術，對中小型控制系統開發和改造有借 鑒意義。

文章創新點：提出了一種簡潔方便的 Zigbee/以太網接入方案，應用地址映射、環形緩 沖隊列等解決了Zigbee 通信與以太網通信速度協調技術。

責任編輯：gt