单总线传感器网络协议研究及应用模型设计

论文摘要

工业过程的现场监控设备类型和数量很多,普遍使用了大量的传感器、执行器和控制器来完成工业现场流程的监控和自动化。随着工厂生产自动化和管理信息化发展的要求,如何获取、控制这些传感器/执行器/控制器的信息和状态以及如何将这些信息整合到企业的ERP系统和管理决策系统中成为研究的重点。因此有必要采用一个传感器/执行器与主机的接口标准,使传感器/执行器/控制器具有即插即用功能,具备一定的自治能力。国内外早在七八十年代就开展了过程控制系统中的网络协议及其标准化的研究工作,也取得了大量的成果和应用范例。但是现有协议不完全适合过程监控系统的最前端部件(如传感器、执行器和控制器等),主要由于:(1)出于成本考虑,节点计算和存储资源较少,而现有通讯协议栈(如TCP/IP,DeviceNet等)都较复杂;(2)部分总线的链路层协议适合于网络数据通讯(如以太网),而传感器网络中单个节点传输数据较少,传输内容也较为简单;(3)传感器网络实时性要求高,对于某些异步事件,须实时反馈并处理。因此,提供一种独立于开发者和使用者,同时又具备扩展性应用层的协议很有必要。基于扩展性应用层协议研究,在传感器的开发者和使用者之间建立一个透明的访问接口,以加速网络传感器节点的开发,简化传感器与应用的集成和使用。本文提出了一种轻量级的单总线传感器网络协议,采用以下技术来解决上述问题:(1)在链路层引入帧类型,显示区分事件、主从通讯、节点识别等消息,提高节点对异步事件的响应速度,使应用层中无须通过消息优先级来区分实时和非实时事件。同时保留了主从通信方式,简化从节点的实现。(2)在应用层中引入事件/动作模型,将节点抽象为多个通道组成的对象,每个通道上定义了一些事件源和动作。这些抽象使每个网络节点成为类似于软件模型中的组件,具备属性、事件和方法,使用者无须了解其实现细节,而开发者也无须关心节点如何被调用。本文从上述形成的传感器网络协议入手,利用现有技术进行协议的硬件基础设计并构建成IP软核。在此基础上实现协议的网络控制器,并提出传感器/执行器主、从节点的应用模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 前言
• 1.1 研究现状概述
• 1.1.1 现场总线（Field Bus）
• 1.1.2 工业以太网
• 1.1.3 HART协议
• 1.1.4 1-wire协议
• 1.1.5 IEEE 1451标准
• 1.2 研究内容
• 1.2.1 单总线传感器网络协议
• 1.2.2 应用模型设计
• 1.3 研究方案
• 1.3.1 单总线传感器网络协议
• 1.3.2 应用模型设计
• 1.4 关键技术
• 1.5 本文组织
• 第2章 通信协议
• 2.1 概述
• 2.2 事件/动作模型
• 2.3 物理层
• 2.3.1 位定时
• 2.3.2 位同步
• 2.4 链路层
• 2.4.1 链路层简介
• 2.5 应用层
• 2.6 小结
• 第3章 硬件设计
• 3.1 IP软核的特点
• 3.2 IP软核设计步骤
• 3.3 IP软核的体系结构
• 3.4 任务逻辑单元设计
• 3.5 小结
• 第4章 应用模型
• 4.1 核心板设计
• 4.2 主节点应用模型
• 4.2.1 主节点硬件设计
• 4.2.2 主节点软件设计
• 4.3 从节点应用模型
• 4.3.1 从节点硬件设计
• 4.3.2 从节点软件设计
• 4.4 模型测试
• 4.5 系统应用简介
• 4.6 小结
• 第5章 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢