專利名稱：一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于基于無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的嵌入式實(shí)時(shí)測(cè)控領(lǐng)域，涉及一套測(cè)控 儀器，更進(jìn)一步涉及一種用于自動(dòng)化生產(chǎn)線各生產(chǎn)工位以及移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人 協(xié)同作業(yè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的現(xiàn)場(chǎng)，包括各種傳感器，控制器，儀器儀表 等設(shè)備，并以有線的方式進(jìn)行之間的數(shù)據(jù)通信。雖然隨著微電子技術(shù)、計(jì)算 機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)得到了空前的發(fā)展，
從基于模擬信號(hào)傳輸?shù)募⒖刂葡到y(tǒng)(DCS),到數(shù)字化、智能化、全分散的 現(xiàn)場(chǎng)總線，然而依舊通過(guò)有線的方式進(jìn)行通信，針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的大量移動(dòng)、 旋轉(zhuǎn)或臨時(shí)安裝的設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)要求，仍不能很好滿足。同時(shí)，工業(yè)控制等實(shí) 時(shí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信中工作站需要傳輸數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)，以及數(shù)據(jù)類別的增多，傳 統(tǒng)的技術(shù)漸漸不能滿足實(shí)時(shí)工業(yè)控制的需要。無(wú)線局域網(wǎng)不需增加額外的布 線，并且支持節(jié)點(diǎn)的位置移動(dòng)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更適合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，覆 蓋范圍可以通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而擴(kuò)大，比起有線來(lái)說(shuō)更為方便。因此，將無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)或移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人群控，研制用于 工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器，對(duì)提高國(guó)內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化水平是 十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器，該控制器采用無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的嵌入式，具有實(shí)時(shí)性、 高可靠性和高性價(jià)比。能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線各生產(chǎn)工位以及移動(dòng)工業(yè)機(jī)器
人的協(xié)同作業(yè)的實(shí)時(shí)測(cè)控。同時(shí)，還可根據(jù)應(yīng)用目的的不同，結(jié)合配置的通 用測(cè)控系統(tǒng)組態(tài)軟件，可容易實(shí)現(xiàn)各種類型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的組建。 為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案-
一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器，其:恃征在于，該控制器包括終端測(cè)控器、 無(wú)線通信單元；所述的終端測(cè)控器設(shè)置在生產(chǎn)線的每個(gè)工位或者移動(dòng)工業(yè)機(jī)
器人上，終端測(cè)控器內(nèi)置終端軟件，通過(guò)預(yù)留的可配置的i/o接口，用于接
收所監(jiān)測(cè)工位傳感器的信息，并對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行控制；所述的無(wú)線通信單 元用于完成相關(guān)工位的數(shù)據(jù)通信，它包括一無(wú)線通信模塊以及符合ZigBee 協(xié)議的無(wú)線通信協(xié)議棧，終端測(cè)控器通過(guò)SPI接口和無(wú)線通信單元相連。
所述的終端控制器的核心為基于ARM9TDMI架構(gòu)的S3C2410芯片，配 合32MB的HY57V561620CT內(nèi)存芯片和64MB的K9F1208UOM的NAND FLASH芯片構(gòu)成控制器的最小系統(tǒng)；其中S3C2410芯片提供SPI接口 ，和2 個(gè)中斷，4個(gè)通用I/0， 2個(gè)電源，供CC2420射頻模塊傳輸數(shù)據(jù)使用。
按照在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中任務(wù)不同，終端測(cè)控器可分為ZigBee協(xié)調(diào)器 (ZigBee Coordinator), ZigBee路由器(ZigBee Router)禾n ZigBee終端 設(shè)備(ZigBee End Device)。
本發(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器，適用于自動(dòng)化生產(chǎn)線各生產(chǎn)工位以及 移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的協(xié)同作業(yè)的實(shí)時(shí)測(cè)J空。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器可根據(jù)應(yīng)用 目的的不同，結(jié)合配置的通用測(cè)控系纟充組態(tài)軟件，可容易實(shí)現(xiàn)各種類型無(wú)線 網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的組建。無(wú)線傳感器網(wǎng)t各控制器具有通信周期小，CPU占用率 低，系統(tǒng)裝置體積小、重量輕、功耗低，系統(tǒng)組網(wǎng)通信覆蓋范圍不大于2km， 2.4GHz通信頻率，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖3是本發(fā)明的軟件功能結(jié)構(gòu)圖； 圖4是本發(fā)明的路由算法流程圖； 圖5是樹形路由網(wǎng)絡(luò)模型；
圖6是本發(fā)明的通用測(cè)控系統(tǒng)組態(tài)軟件算法的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)； 為了更清楚的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的具體實(shí)施例， 對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述與說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)采用了 ARM技術(shù)和CC2420射頻模塊；軟件設(shè)計(jì)上 采用以Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)核心，完成Linux下IEEE 802. 15. 4/ZigBee 協(xié)議棧和通用測(cè)控系統(tǒng)組態(tài)軟件。
圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖；可以將生產(chǎn)線劃分為幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的 部分，稱為工位。每個(gè)工位都有監(jiān)測(cè)的傳感器，用于生產(chǎn)操作的執(zhí)行單元。 每個(gè)工位都需要配備該終端設(shè)備一套。工位的所有傳感器信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn) 換為一組開關(guān)量與終端測(cè)控器提供的輸入接口相連。終端測(cè)控器輸出一組 24V直流通斷控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)外部的控制調(diào)理電路，控制執(zhí)行單元。CC2420 射頻通信模塊通過(guò)SPI接口 、2個(gè)終端和4個(gè)I/O與終端設(shè)備相連。通過(guò)RS232 接口和PC相連，用以配置通用測(cè)控系統(tǒng)組態(tài)軟件。
對(duì)本工位的信息，由傳感器經(jīng)調(diào)理電路輸入終端設(shè)備，調(diào)理電路可以針 對(duì)每個(gè)傳感器輸出特性按照電路的要求另行設(shè)計(jì)，這對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員 并不困難。并通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送。其它工位的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，經(jīng)由無(wú)線 通信模塊接收。有這些工位的狀態(tài)信息和當(dāng)前工位的輸出狀態(tài)，通過(guò)配置好 的測(cè)控系統(tǒng)組態(tài)軟件，決定下一時(shí)刻的輸出狀態(tài)。再經(jīng)由特定的控制調(diào)理電 路，控制執(zhí)行單元?？刂普{(diào)理電路是針對(duì)每個(gè)執(zhí)行單元另行設(shè)計(jì)的。工位之 間的通信由CC2420射頻通信模塊和ZigBee通信協(xié)議完成，采用樹形路由網(wǎng) 絡(luò)模型。
圖2是發(fā)明人給出的終端測(cè)控器的電路框圖。控制器的核心為基于
ARM9TDMI架構(gòu)的S3C2410芯片。配合32MB的HY57V561620CT內(nèi)存芯 片和64MB的K9F1208UOM的NAND FLASH芯片構(gòu)成控制器的最小系統(tǒng)； 其中S3C2410提供的SPI接口，禾口2個(gè)中斷，4個(gè)通用I/0， 2個(gè)電源，供 CC2420射頻模塊傳輸數(shù)據(jù)使用。S3C2410提供的UART接口通過(guò)MAX3232
的電平轉(zhuǎn)換，對(duì)外提供一組帶硬件流控制的5線串口，供和計(jì)算機(jī)通信用。 S3C2410提供的一組LCD接口通過(guò)轉(zhuǎn)接板直接驅(qū)動(dòng)5.7英寸的液晶屏，完成 圖形和數(shù)據(jù)的顯示。S3C2410通過(guò)一組可配置的I/O接口進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采 集及輸出控制。系統(tǒng)輸出從S3C2410經(jīng)過(guò)SN74ALV164245電平轉(zhuǎn)換后，由 TIL113進(jìn)行光電隔離。
圖3是本發(fā)明的軟件功能結(jié)構(gòu)圖，所示終端軟件共分為三大模塊，數(shù)據(jù) 管理模塊，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊，通用測(cè)控系統(tǒng)組態(tài)軟件。各任務(wù)由嵌入式 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。
數(shù)據(jù)管理模塊用于模擬和數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，本機(jī)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與恢 復(fù)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的壓縮。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊用于路由算法、動(dòng)態(tài)接入退出的服務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?容錯(cuò)控制，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的Qos控制；
通用測(cè)控系統(tǒng)組態(tài)軟件用于通過(guò)配置狀態(tài)的轉(zhuǎn)移的條件，實(shí)現(xiàn)不同的測(cè) 控策略。
圖4是本發(fā)明的路由算法。在網(wǎng)絡(luò)層收到數(shù)據(jù)幀后，路由算法流程進(jìn)行 路由。
如果網(wǎng)絡(luò)層從應(yīng)用層收到廣播數(shù)據(jù)幀，那么就按照廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù) 幀。如果網(wǎng)絡(luò)層從MAC層收到的數(shù)據(jù)幀為廣播幀，并且目的地址為本地地址， 網(wǎng)絡(luò)層就將收到的數(shù)據(jù)幀傳輸給應(yīng)用層處理。如果ZigBee協(xié)調(diào)器或ZigBee 路由器收到數(shù)據(jù)幀，并且目的地址恰好是它們的子節(jié)點(diǎn)，那么設(shè)置下一站地
址為最終目的地址并直接路由到目的節(jié)點(diǎn)。如果收到數(shù)據(jù)幀的節(jié)點(diǎn)有路由能 力，它會(huì)檢査幀頭的控制域，看是否需要進(jìn)行強(qiáng)制路由發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也會(huì)檢查 本地的路由表項(xiàng)中是否有到達(dá)目的地址的路由表項(xiàng)，如果路由表中有到達(dá)目 的地的路由表項(xiàng)，就根據(jù)路由表項(xiàng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一站，如果沒(méi)有就在需要 的情況下觸發(fā)路由發(fā)現(xiàn)，否則，觸發(fā)樹形路由。 圖5是樹形路由網(wǎng)絡(luò)模型。
在ZigBee協(xié)議棧中MAC層設(shè)備的16位網(wǎng)絡(luò)地址的分配是通過(guò)公式1和 2所描述的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。<formula>formula see original document page 7</formula> ， (1)
<formula>formula see original document page 7</formula>( 2 )
其中d為節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)深度，Cm為節(jié)點(diǎn)數(shù)最大值，Lm為網(wǎng)絡(luò)最大深度，
Rm為路由器節(jié)點(diǎn)數(shù)最大值。
對(duì)于地址為A深度為d的ZigBee路由器，如果數(shù)據(jù)幀目的地址D滿足
公式3，那么它就是該路由器的子孫。
爿〈Z)d + C鄉(xiāng)(c/-l) (3)
并且下一站地址N是
[A目的節(jié)點(diǎn)為終端節(jié)點(diǎn) <formula>formula see original document page 7</formula> (4)
如果不滿足上述條件路由器就將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給它的父親節(jié)點(diǎn)。
圖6是本發(fā)明的通用測(cè)控系統(tǒng)組態(tài)軟件的算法的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。
每個(gè)工位正常工作時(shí)都可以理解為狀態(tài)順序轉(zhuǎn)移，即一種時(shí)序關(guān)系，這
里的狀態(tài)，指的是工位的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)狀態(tài)。
圖中圓角矩形內(nèi)為輸出狀態(tài)，"邊"為輸入條件，即本工位和相關(guān)工位
的傳感器信息。各輸入輸出狀態(tài)中"1"表示高電平，"0"表示低電平。每 個(gè)工位的輸出狀態(tài)從start開始，然后通過(guò)一個(gè)輸入信號(hào)激勵(lì)進(jìn)入工作狀態(tài)
循環(huán)，當(dāng)某次輸入滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件時(shí)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移并輸出相應(yīng)狀態(tài)，圖中 輸入信號(hào)激勵(lì)中的"X"表示本位輸入對(duì)輸出沒(méi)有影響，輸出狀態(tài)上的時(shí)間
表示在輸入條件滿足時(shí)需要延時(shí)多少秒再輸出下一狀態(tài)。start狀態(tài)只是表 示一個(gè)初始狀態(tài)，可利用一個(gè)空閑的狀態(tài)作為初始態(tài)。
在需要在設(shè)置參數(shù)的時(shí)候找出對(duì)應(yīng)工位的輸出狀態(tài)點(diǎn)，設(shè)置狀態(tài)之間轉(zhuǎn) 換的"邊"，同時(shí)附加一些參數(shù)即可。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器，其特征在于，該控制器包括終端測(cè)控器、無(wú)線通信單元；所述的終端測(cè)控器設(shè)置在生產(chǎn)線的每個(gè)工位或者移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人上，終端測(cè)控器內(nèi)置終端軟件，通過(guò)預(yù)留的可配置的I/O接口，用于接收所監(jiān)測(cè)工位傳感器的信息，并對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行控制；所述的無(wú)線通信單元用于完成相關(guān)工位的數(shù)據(jù)通信，它包括一無(wú)線通信模塊以及符合ZigBee協(xié)議的無(wú)線通信協(xié)議棧，終端測(cè)控器通過(guò)SPI接口和無(wú)線通信單元相連。
2. 如權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器裝置，其特征在于，所 述的終端控制器的核心為基于ARM9TDMI架構(gòu)的S3C2410芯片，配合32MB 的HY57V561620CT內(nèi)存芯片和64MB的K9F1208UOM的NAND FLASH芯 片構(gòu)成控制器的最小系統(tǒng)；其中S3C2410芯片提供SPI接口，和2個(gè)中斷， 4個(gè)通用I/0， 2個(gè)電源，供CC2420射頻模塊傳輸數(shù)據(jù)使用。
3. 如權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器裝置，其特征在于，所 述的終端軟件由通用測(cè)控系統(tǒng)組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)管理模塊和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模 塊構(gòu)成；通用測(cè)控系統(tǒng)組態(tài)軟件還包括采用樹形路由的ZigBee協(xié)議棧；數(shù)據(jù)管理模塊用于模擬和數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，本機(jī)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與恢 復(fù)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的壓縮；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊用于路由算法、動(dòng)態(tài)接入退出的服務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?容錯(cuò)控制，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的Qos控制；通用測(cè)控系統(tǒng)組態(tài)軟件用于通過(guò)配置狀態(tài)的轉(zhuǎn)移的條件，實(shí)現(xiàn)不同的測(cè) 控策略。
4. 如權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器裝置，其特征在于，所 述的終端測(cè)控器分為ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器，該控制器包括終端測(cè)控器、無(wú)線通信單元；所述的終端測(cè)控器內(nèi)置終端軟件，通過(guò)預(yù)留的可配置的I/O接口，用于接收所監(jiān)測(cè)工位傳感器的信息，并對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行控制；無(wú)線通信單元用于完成相關(guān)工位的數(shù)據(jù)通信，它包括一無(wú)線通信模塊以及符合ZigBee協(xié)議的無(wú)線通信協(xié)議棧，終端測(cè)控器通過(guò)SPI接口和無(wú)線通信單元相連。終端測(cè)控器設(shè)置在生產(chǎn)線的每個(gè)工位或者移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人上；該儀器制造成本低、功能強(qiáng)、精度高，速度快，操作方便，是集無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)控制于一體的智能化、網(wǎng)絡(luò)化的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量、控制系統(tǒng)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線各生產(chǎn)工位以及移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的協(xié)同作業(yè)的實(shí)時(shí)測(cè)控。
文檔編號(hào)G08B25/10GK101178837SQ20071001888
公開日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2007年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月16日
發(fā)明者劉瑞玲, 崔少云, 張新曼, 謙 束, 沈建坤, 瑋 趙, 韓九強(qiáng), 魏全瑞 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)