随着传感器技术的发展，传感器广泛应用于各种工业现场总线场景。目前，基于现场总线技术的网络传感器和基于以太网络协议的网络传感器也开始从实验研究阶段走向实用化，形成了许多以新型网络化智能传感器为数据采集前端的测控系统。由于采用多种总线技术，使得传感器针对不同总线在兼容性和互换性等方面也存在着很多问题。为了解决传感器与各种网络相连接的问题，IEEE制定了一个简化控制网络和智能传感器连接标准的IEEE 1451智能变送器接口标准。该标准从1994年3月开始制定到现在已经形成了一个完整的标准体系，其主要目标是要定义一套通用的通信接口，使变送器能够独立于各种网络，并最终实现变送器到网络的互换性与互操作性。
IEEE 1451协议标准主要定义传感器或执行器的硬件和软件接口标准，也定义了传感器或执行器标准化的通信接口，使得不同的现场网络接口之间可以通过IEEE 1451定义的接口进行互连。IEEE1451.5提供了一种无线解决方案，IEEE 1451.5标准无线传感器接口模块(WTIM:Wireless Transducer I nter face Module)与网络适配处理器(NCAP:Network Capable Application Processor)的无线通信接口主要有IEEE 802.11(WiFi)、Bluetooth、IEEE 802.15.4(Zig Bee)与6LowPAN。随着WirelessHART在工业应用场景的广泛应用，设计符合基于IEEE 1451协议标准的WirelessHART无线通信的智能传感器接口已势在必行。通过对IEEE1451系列协议标准研究，本文设计了符合该系列标准的WirelessHART智能传感器软件。
1、系统概述
基于IEEE1451的WirelessHART智能传感器系统架构如图1所示。系统包括无线传感器接口模块(WTIM)和网络应用处理器(NCAP)。无线传感器接口模块通过通信采集模块将与之连接终端传感器输出的数据信息进行整合处理，并基于IEEE 1451协议要求，封装成符合协议的智能传感器接口软件库，通过TII(Transducer Independent Interface)接口与网络传输模块进行数据通信。网络传输模块内部实现了IEEE 1451.5与WirelessHART协议的技术融合，将符合IEEE 1451.5协议标准的传感器数据由WirelessHART数据帧格式传输到网络应用处理器，网络应用处理器通过解析处理，实现WTIM与NCAP之间的数据通信。由于篇幅的限制，本文重点介绍无线传感器接口模块软件设计方案，网络应用处理器部分的软件设计不作为本文介绍对象。
2、软件设计
2.1 软件系统功能介绍
智能传感器模块的软件设计在整个模块的设计工作中占据重要地位。通过编写软件实现智能变送器的“即插即用”、数据采集、数据转换和数据传输等功能。智能传感器软件系统设计分为3个部分：网络传输模块、通信采集模块以及电子数据表格(TEDS)模块。
网络传输模块将作为从设备实时解析从NCAP传来的基于IEEE 1451.5+WirelessHART格式的数据请求命令，并将数据封装成IEEE 1451.2格式，通过TII接口传输到通信采集模块。通信采集模块的功能是自识别传感器信息并通过A/D实时采集传感器的测量数据、读取传感器的TEDS以及实现IEEE 1451.0和IEEE 1451.2的通信协议。此外，本设计使用了Microsoft公司的Visual Studio软件编写了TEDS烧写上位机，通过智能传感器模块的TTL接口与计算机连接，并通过配置串口配置智能传感器的TEDS。
图1 基于IEEE 1451的WirelessHART智能传感器系统架构
2.2 智能传感器TEDS设计
TEDS作为IEEE 1451标准族中不可缺少的重要部分，是使传感器具有一定的“自觉”能力、实现传感器“即插即用”功能的关键。它监测到传感节点接入无线传感网的动作时，将发送给上级管理系统进行身份识别，用户通过TEDS可获取传感节点相关信息，从而对其进行识别。在IEEE 1451.0标准中，TEDS按照信息功能被划分为10余种，其中有4个TEDS是必需的，类型如下：
①Meta-TEDS描述了TIM(Transducer Interface Module)的基本信息，传感器通道数，分组等情况；其数据结构定义如表1所示。
表1 MetaTEDS的数据结构(部分列出)
②Transducer Channel TEDS描述了TIM中特定传感器通道的详细信息，比如物理上实际的采集量，被控量，工作模式等。
③User's Transducer Name TEDS存储智能传感器的名称用于系统识别。
④PHY TEDS描述了TIM与NCAP之间的物理连接的媒介，格式无标准定义，可用户自定。
TEDS提供了实现传感器智能化的标准，但由于受到已有系统的限制以及实现TEDS的成本等方面的影响，TEDS实现有多种方法。目前主要有基于硬件的TEDS实现方法和基于纯软件的虚拟TEDS方法。硬件实现方法一般通过外部可编程存储器EEPROM来更新或保存设备的TEDS。而软件虚拟TEDS一般会将传感器的相关信息以数据库的形式存储在采样系统中。
本设计采用Atmel公司生产的基于IIC协议的AT24C128C的串行EEPROM存储器芯片存储TEDS。通过上位机编写基本的TEDS数据块。随后使用自定义的EEPROM传输协议将待传输的TEDS数据封装起来，借助UART端口烧写到通信模块的单片机中。单片机处理串口接收到的数据包并解析，随后通过IIC总线将TEDS数据烧写到EEPROM中，实现TEDS的离线编程，智能传感器TEDS配置界面如图2所示。
图2 智能传感器TEDS配置界面
2.3 通信采集模块软件设计通信采集模块在整体的系统架构中起到至关重要的作用，模块的主要作用及功能如下：
①处理终端传感器上传的数字量或模拟量信号。
②处理上位机串口发送的烧写设备TEDS的请求，并通过IIC总线烧写TEDS数据到EEPROM中。
③实现IEEE 1451.2协议及通信状态机，处理来自网络传输模块传输过来的数据请求并及时解析响应。
④设备状态监控。在本设计中，为了传感器操作的安全行和可控性，通信采集模块如果需要进行烧写TEDS的操作，上电之前首先需要将拨码拨到Write ON状态下，上电待设备稳定后，上位机可通过UART串口将准备好的TEDS数据烧写到单片机的EEPROM中(烧写过程中可观察拨码开关旁边的指示灯，正常运行时为绿色常亮，烧写时为绿色闪烁)。烧写完成后需要将拨码开关拨到Write OFF。如果EEPROM中已经保存了TEDS数据，那么上电之前需要将拨码开关保持在Write OFF。
数据初始化完成后，通信采集模块立刻向网络传输模块发送设备识别中断请求，告知NCAP及客户端此时有传感器上线(期间需要和网络传输模块反复确认网络传输模块是否已经入网)。同时通信采集模块处于数据采集状态，模块按照一定的采集速率定时的采集传感器的信息，此时通信端口将实时监听来自网络传输模块TII端口的基于IEEE 1451.2协议的读写TEDS命令请求。通信采集模块作为从站设备接收到命令请求后并及时响应，完成一次数据传输。通信采集模块软件流程如图3所示。
图3 通信采集模块软件流程图
2.4 网络传输模块软件设计网络传输模块的作用是接收来自NCAP的基于IEEE 1451.5协议与Wireless HART协议相融合的无线信号。Wireless HART协议是第一个开放式的可互操作无线通信协议，在HART协议的基础上增加了无线通信标准；在IEEE 802.15.4物理层的基础上实现了TDMA数据链路层，Mesh网络层及应用层。在本设计中，使用Wireless HART实现数据链路层、网络层和应用层，将IEEE 1451.5协议置于Wireless HART特殊命令中的负载中。设备入网及诊断的过程依旧采用Wireless HART协议实现，NCAP通过读取特殊命令，获取IEEE 1451协议中定义的传感器设备信息参数。总体通信方式采用请求-响应模式。网络传输模块软件设计流程如图4所示。
图4 网络传输模块软件设计流程图
3、结论
本文提出的基于IEEE 1451协议标准的WirelessHART无线通信的智能传感器接口，实现了WTIM与NCAP之间的数据通信；同时，设计的编辑界面能够由用户根据连接的传感器自行进行修改TEDS内容；通信采集模块在支持TEDS描述、采集传感器通道值、获取和保存传感器的信息及参数的同时，也输出了标准化的基于IEEE 1451.2协议的TII通信接口；网络传输模块则将WirelessHART与IEEE 1451协议相融合，不仅仅提高了系统通信的可靠性，也极大的增加了系统移植的灵活性。
目前，国内外关于IEEE 1451标准及无线网络传感器技术的各项研究正在进行，但是作为一个通用的标准，其市场普及范围还远远不够。并且作为WTIM的“主站”，适配多种无线通信协议的NCAP网关研究也需要国内外专家学者进一步研究和解决。随着WirelessHART技术在市场上逐渐广泛的应用，基于IEEE 1451和WirelessHART协议相融合的技术希望为IEEE 1451进入传统的工业互联网市场领域提供更多的可能。
作者： 张云龙、孙洋、宗津诚、王进超、于占茹
