CN101902380A - 一种基于ZigBee的FF现场总线控制系统及其协议转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee的FF现场总线控制系统及其协议转换方法。一种基于ZigBee的FF现场总线控制系统包括FF-HSE网络、FF-HSE设备、FF-ZigBee网关、FF-ZigBee接口、FF-H1网络、FF-H1设备、模拟设备。其协议转换方法包括非FF-H1设备的虚拟FF-H1设备地址分配、FF-H1设备地址与ZigBee短地址的绑定、FF-HSE数据包与FF-H1数据包之间的格式转换。通过以上措施确保了在FF现场总线控制系统内FF-HSE、与FF-H1设备和模拟设备之间的数据互联。本发明的优点在于：1)实现了FF总线高速、低速设备与模拟设备的互联；2)弥补了模拟设备不能上网的缺陷；3)解决了在不易布线区域的设备安装问题；4)降低了控制系统的安装成本；5)系统开放，有良好的可扩展性。

Description

一种基于ZigBee的FF现场总线控制系统及其协议转换方法
技术领域
本发明涉及FF现场总线领域，尤其涉及一种基于ZigBee的FF现场总线控制系统及其协议转换方法。
背景技术
现场总线技术产生于上个世纪八十年代，是控制、计算机、通信技术的交叉与集成的产物。现场总线具有结构简洁、可靠高性、可控性强、可互操作性好、综合功能强、分散控制、系统开放等优点。随着以太网和TCP/IP技术的日趋成熟和广泛应用，现场总线和网络技术的结合成为现场总线领域的热点问题。
FF现场总线规范由众多世界著名仪表、自动化设备制造厂家、科研机构共同制定。由于这些企业和机构是自动化领域自控设备的主要供应商和研发力量，它们提供的变送器、执行器、DCS和流量仪表占世界市场的90％，具备足以左右该领域自控设备发展方向的能力。
FF现场总线规范由FF低速总线H1(31.25kbits/s)标准和高速以太网HSE(High Speed Ethernet，100Mbits/s)标准两部分组成，分别于1996年和2000年颁布。其中H1网络用于实现连续控制，连接现场的各种设备，如传感器、执行器、控制器及I/O设备等；HSE则通过以太网将高速控制器、H1子系统、各种数据服务器及工作站连接起来，使得企业的MIS(管理信息系统)、ERP(企业资源计划)和HMI系统可以直接通过数据服务器获得现场信息。
FF总线于上世纪末开始进入中国市场，经过几年的发展，FF不仅有力地推动了中国工业自动化技术的进步，同时也开始了在大型全区域系统集成领域的应用。
1998年3月31日，Fisher-Rosemount与清华大学自动化系合作建立了现场总线系统集成实验室，该系统是国内运行的第一套通过FF认证的仪表和系统。同年8月，Fisher-Rosemount公司与西安国家电力研究院以及西安交通大学签署了中国第一套电力行业FF现场总线应用合同。如今，在中国已有数百套正在运行或已签订合同的FF总线控制系统，如广西惠州大型石化装置、上海SECCO石化装置、宁夏大元炼油化工公司、苏州碳黑厂、唐山水泥厂、陕西兴平化工厂、广州石化炼油厂、吉林化纤、云南江川磷肥厂等。
在FF总线在国内大力发展的同时，我国的自动化厂商也在迎头赶上。国内一些著名企业和科研机构如浙大中控、北京华控、清华大学、中科院自动化研究所等已经成为FF的重要成员，并拥有相关的FF系统和设备。例如，2001年11月，北京华控开发出了FF温度变送器。2004年，中科院沈阳自动化研究所开发出了FF-HSE和FF-H1协议网关。2007年浙大中控开发了兼容DCS的FF-H1接口装置。
虽然，FF总线在国内大力发展，但是由于其高昂的价格、某些控制回路算法的复杂性、以及操作者对于传统控制系统产品的操作习惯都大大制约了FF总线的发展。目前，国内工业控制领域仍大量采用的是基于4-20mA电流信号的模拟设备。因此，寻找一种将FF现场总线控制与模拟设备数据互通的方法，尤其是将这些模拟设备纳入到FF-HSE现场总线控制系统的范围内，使之实现数字化、网络化必将大大推进FF总线在中国的发展。
目前，FF现场总线控制系统的代表性研究成果如下：
1、连接高速以太网与FF-H1网络的现场总线网络互联单元(ZL03209406.X)，提出设置HSE与H1的互联单元实现，实现了FF-HSE与FF-H1网络协议的转换以及FF-H1和FF-H1网络之间的桥接。
2、包含FF协议H1网段的控制系统及接口装置和通信方法(申请号：200710194743.7)提出通过网段控制系统将非FF总线的设备纳入FF-H1网络，实现了传统网络对FF-H1网络的控制。
上述有益探索的技术路线是正确的，但存在诸多局限，需作进一步的改进。首先，传统控制系统在国内工业控制领域占主导地位的情况下，放弃原有的控制系统重新搭建FF总线的控制系统，其成本是绝大部分企业都无法承受的。因此，更为合理的方式是通过主干网络采用DCS，底层网络采用FF-HSE网络，具体的控制回路可以采用FF设备或保持原有的模拟设备，利用接口将这些控制器纳入到FF-HSE网络控制系统的网络中。其次，随着以太网和TCP/IP技术的发展，现场总线上网、设备网络化控制已成为历史的必然，无法通过网络进行在线控制的设备必将被历史所淘汰。因此，通过网关将模拟设备接入网络将是现阶段解决模拟设备上网的最佳选择。再次，在控制系统中60％以上的安装成本来自传输电缆，而无线技术的发展能有效解决这一问题，通过廉价可靠的ZigBee技术在部分设备之间进行无线通信，在大大降低安装成本的同时增加了系统的可扩展性，也解决了在一些难以布线的位置安装设备的难题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于ZigBee的FF现场总线控制系统及其协议转换方法。
基于ZigBee的FF现场总线控制系统包括FF-HSE网络、FF-HSE设备、FF-ZigBee网关、FF-ZigBee接口、FF-H1网络、FF-H1设备、模拟设备；其中FF-HSE网络与FF-HSE设备以及FF-ZigBee网关相连，FF-ZigBee网关通过FF-H1网络与FF-H1设备相连，FF-ZigBee网关通过ZigBee网络与FF-ZigBee接口相连，FF-ZigBee接口与FF-H1设备以及模拟设备相连。
所述的FF-ZigBee网关包括低压保护模块、ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器、HSE接口单元、逻辑控制模块、RAM、FLASH、媒介访问单元，其中ZigBee模块由TI CC2430芯片及其外围电路组成，ARM9模块由S3C2440X系列芯片及其外围电路组成，通信控制器采用SMAR FB3050；FF-ZigBee网关的内部连接关系为：低压保护模块分别与ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器相连，HSE接口单元与逻辑控制模块相连，ARM9模块分别与ZigBee模块、通信控制器、逻辑控制模块相连，通信控制器分别与媒介访问单元、RAM、FLASH相连；FF-ZigBee网关的内在逻辑关系为：低压保护模块为ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器提供保护，防止由于过流、过压而造成的模块烧毁，HSE接口单元和逻辑控制模块在ARM9模块和FF-HSE网络之间进行数字信号和电器信号的转换，媒介访问单元和通信控制器在ARM9模块和FF-H1网络之间进行数字信号和电器信号的转换，RAM为ARM9模块和通信控制器提供数据缓存，FLASH为ARM9模块和通信控制器提供程序存储空间，ZigBee模块为ARM9模块提供ZigBee数据包收发服务。
所述的FF-ZigBee接口包括低压保护模块、ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器、RAM、FLASH、媒介访问单元、模拟接口，其中ZigBee模块由TICC2430芯片及其外围电路组成，ARM9模块由S3C2440X系列芯片及其外围电路组成，通信控制器采用SMAR FB3050；FF-ZigBee接口的内部连接关系为：低压保护模块分别与ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器相连，ARM9模块分别与ZigBee模块、模拟接口、通信控制器相连，通信控制器分别与RAM、FLASH、媒介访问单元相连；FF-ZigBee接口的内在逻辑关系为：低压保护模块为ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器提供保护，防止由于过流、过压而造成的模块烧毁，模拟接口在ARM9模块和模拟设备之间进行数字信号和4-20mA模拟信号的转换，媒介访问单元和通信控制器在ARM9模块和FF-H1设备之间进行数字信号和电器信号的转换，RAM为ARM9模块和通信控制器提供数据缓存，FLASH为ARM9模块和通信控制器提供程序存储空间，ZigBee模块为ARM9模块提供ZigBee数据包收发服务。
所述的ZigBee模块的电路为：CC2430集成芯片的引脚20、7、47、41相连后与数字电路电源DVDD_3.3V、电容C411、电容C71的一端相连，电容C411及电容C71的另一端接地；引脚42与电容C421的一端相连，电容C421的另一端接地；引脚10与电容C678的一端、电阻R406、按键S1的一端相连，电容C678及按键S1的另一端接地，电阻R406的另一端与数字电路电源DVDD_3.3V相连；引脚23与数字电路电源DVDD_3.3V及电容C231的一端相连，电容C231的另一端接地；引脚24与模拟电路电源VCC1.8及电容C241的一端相连，电容C241的另一端接地；引脚26与电阻R261的一端相连，电阻R261的另一端接地；引脚22与电阻R221的一端相连，电阻R221的另一端接地；引脚19与晶振X1及电容C191的一端相连，晶振X1的另一端与引脚21及电容C211的一端相连，电容C191及电容C211的另一端均接地；引脚44与晶振X2及电容C441的一端相连，晶振X2的另一端与引脚43及电容C431的一端相连，电容C441及电容C431的另一端均接地；引脚34与电感L2、电感L3及电感L5的一端相连，电感L4及电感L1的一端与电感L5的另一端相连，引脚33与电感L1的另一端相连，引脚32与电感L2及电感L4的另一端相连，电感L3的另一端与电容C63的一端相连，电容C63的另一端与天线ANT1相连；引脚25、27、28、29、30、31、35、36、37、38、39、40与模拟电路电源VCC1.8、电容C11、电容C101、电容C371的一端相连，电容C11、电容C101、电容C371的另一端接地。
所述的ARM9模块与通信控制器之间的电路为：S3C2440X系列芯片的管脚D0-D7分别与芯片FB3050的管脚PB_CDATA_0-PB_CDATA_7相连，S3C2440X芯片的管脚A0-A7分别与芯片FB3050的管脚PI_ADDR_8-PI_ADDR_15相连，S3C2440X系列芯片的管脚EINT0与FB3050的管脚PO_INI_I相连，S3C2440X系列芯片的管脚nWE与FB3050的管脚PI_CRW相连，S3C2440X系列芯片的管脚nRD与FB3050的管脚PI_CET相连，S3C2440X系列芯片的管脚ALE与FB3050的管脚PI_CAS相连，S3C2440X系列芯片的管脚nRESET与FB3050的管脚PI_RESET_I相连，S3C2440X系列芯片的管脚EXTCLK与FB3050的管脚PI_CLK相连，S3C2440X系列芯片的管脚AIN1与FB3050的管脚PI_CSREG_I相连，S3C2440X系列芯片的管脚AIN0与FB3050的管脚PI_CSMEM_I相连。
基于ZigBee的FF现场总线控制系统的FF与ZigBee协议的转换方法包含如下步骤：
(1)FF-ZigBee网关启动后建立ZigBee网络，允许FF-ZigBee接口加入ZigBee网络；
(2)FF-ZigBee接口在加入ZigBee网络后，将FF-ZigBee接口接入设备的描述信息发送至FF-ZigBee网关；FF-ZigBee网关根据描述信息的协议名称判断FF-ZigBee接口接入的设备是否为FF-H1设备，如果是FF-H1设备，FF-ZigBee网关将描述信息的设备地址与其对应FF-ZigBee接口的ZigBee短地址绑定，并写入地址映射表中；如果不是FF-H1设备，网关动态分配一个与现有FF-H1设备地址不冲突的虚拟FF-H1设备地址给该设备，并将该地址与其对应FF-ZigBee接口的ZigBee短地址绑定，写入地址映射表中；同时，网关更新该描述信息的设备地址，并将更新后的描述信息下传至对应的FF-ZigBee接口；如果接收到的描述信息的设备地址与原有的动态分配地址冲突，则FF-ZigBee网关解除原有的动态分配虚拟FF-H1设备地址与其对应FF-ZigBee接口ZigBee短地址的绑定，重新动态分配虚拟FF-H1设备地址，与对应FF-ZigBee接口ZigBee短地址重新绑定后写入地址映射表，同时更新描述信息的设备地址并下传至对应的FF-ZigBee接口；消除地址冲突后，FF-ZigBee网关将新接收的FF-H1设备地址与对应FF-ZigBee接口的ZigBee短地址绑定并写入地址映射表；
(3)FF-ZigBee网关监听到来自FF-HSE网络上的数据包，如果有访问FF-H1设备或模拟设备的数据包，FF-ZigBee网关将这些数据包的服务报文、虚拟通信关系(VCR)、原语等信息进行格式转换，使之符合FF-H1网络通信规范；如果数据包的目的地址需通过ZigBee网络进行访问，FF-ZigBee网关检索地址映射表，将消息通过ZigBee网络以单播方式传输至对应的FF-ZigBee接口；
(4)FF-ZigBee接口接收到来自FF-ZigBee网关的数据包，根据描述信息的协议名称和设备类型对数据包进行后续处理，如果接入设备是FF-H1设备则直接向该设备发送数据包；如果是模拟设备则根据设备类型提取数据包中的有效数据转换成4-20mA电流信号进行传输；
(5)如果FF-ZigBee接口接入设备有数据包需要上传，如果来自非FF-H1设备，则FF-ZigBee接口将这些数据包转换成FF-H1格式数据包上传至FF-ZigBee网关；如果来自FF-H1设备，则FF-ZigBee接口直接将这些数据包上传至FF-ZigBee网关；
(6)FF-ZigBee网关接收到FF-ZigBee接口上传的数据包后根据规则判断是否需要上传至FF-HSE网络，如果需要则将数据包的服务报文、虚拟通信关系(VCR)、原语等信息进行格式转换，使之符合FF-HSE网络通信规范，并上传至FF-HSE网络中。
所述的描述信息包含：接入设备类型、协议名称、版本号和设备地址。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：1)实现了FF总线高速、低速设备与模拟设备的互联；2)弥补了模拟设备不能上网的缺陷；3)解决了在不易布线区域的设备安装问题；4)降低了控制系统的安装成本；5)系统开放，有良好的可扩展性。
附图说明
图1是基于ZigBee的FF现场总线控制系统的结构框图；
图2是FF-ZigBee网关结构框图；
图3是FF-ZigBee接口结构框图；
图4是ZigBee模块的电路图；
图5是ARM9模块与通信控制器之间的电路图；
图6是FF-ZigBee网关协议转换流程图；
图7是描述信息内容格式；
图8是FF-ZigBee网关流程图；
图9是FF-ZigBee接口流程图。
具体实施方式
如图1所示，基于ZigBee的FF现场总线控制系统包括FF-HSE网络、FF-HSE设备、FF-ZigBee网关、FF-ZigBee接口、FF-H1网络、FF-H1设备、模拟设备；其中FF-HSE网络与FF-HSE设备以及FF-ZigBee网关相连，FF-ZigBee网关通过FF-H1网络与FF-H1设备相连，FF-ZigBee网关通过ZigBee网络与FF-ZigBee接口相连，FF-ZigBee接口与FF-H1设备以及模拟设备相连，其中FF-HSE设备是指具有FF-HSE网络接口支持FF协议HSE标准的控制器、变送器以及执行机构；FF-H1设备是指具有FF-H1网络接口支持FF协议HI标准的控制器、变送器以及执行机构；模拟设备是指采用4-20mA电流进行通信的控制器、变送器以及执行机构。
如图2所示，FF-ZigBee网关包括低压保护模块、ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器、HSE接口单元、逻辑控制模块、RAM、FLASH、媒介访问单元，其中ZigBee模块由TI CC2430芯片及其外围电路组成，ARM9模块由S3C2440X系列芯片及其外围电路组成，通信控制器采用SMAR FB3050；FF-ZigBee网关的内部连接关系为：低压保护模块分别与ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器相连，HSE接口单元与逻辑控制模块相连，ARM9模块分别与ZigBee模块、通信控制器、逻辑控制模块相连，通信控制器分别与媒介访问单元、RAM、FLASH相连；FF-ZigBee网关的内在逻辑关系为：低压保护模块为ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器提供保护，防止由于过流、过压而造成的模块烧毁，HSE接口单元和逻辑控制模块在ARM9模块和FF-HSE网络之间进行数字信号和电器信号的转换，媒介访问单元和通信控制器在ARM9模块和FF-H1网络之间进行数字信号和电器信号的转换，RAM是随机存储器为ARM9模块和通信控制器提供数据缓存，FLASH是闪存为ARM9模块和通信控制器提供程序存储空间，ZigBee模块为ARM9模块提供ZigBee数据包收发服务。
如图3所示，FF-ZigBee接口包括低压保护模块、ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器、RAM、FLASH、媒介访问单元、模拟接口，其中ZigBee模块由TI CC2430芯片及其外围电路组成，ARM9模块由S3C2440X系列芯片及其外围电路组成，通信控制器采用SMAR FB3050；FF-ZigBee接口的内部连接关系为：低压保护模块分别与ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器相连，ARM9模块分别与ZigBee模块、模拟接口、通信控制器相连，通信控制器分别与RAM、FLASH、媒介访问单元相连；FF-ZigBee接口的内在逻辑关系为：低压保护模块为ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器提供保护，防止由于过流、过压而造成的模块烧毁，模拟接口在ARM9模块和模拟设备之间进行数字信号和4-20mA模拟信号的转换，媒介访问单元和通信控制器在ARM9模块和FF-H1设备之间进行数字信号和电器信号的转换，RAM为ARM9模块和通信控制器提供数据缓存，FLASH为ARM9模块和通信控制器提供程序存储空间，ZigBee模块为ARM9模块提供ZigBee数据包收发服务。
如图4所示，ZigBee模块的电路为：CC2430集成芯片的引脚20、7、47、41相连后与数字电路电源DVDD_3.3V、电容C411、电容C71的一端相连，电容C411及电容C71的另一端接地；引脚42与电容C421的一端相连，电容C421的另一端接地；引脚10与电容C678的一端、电阻R406、按键S1的一端相连，电容C678及按键S1的另一端接地，电阻R406的另一端与数字电路电源DVDD_3.3V相连；引脚23与数字电路电源DVDD_3.3V及电容C231的一端相连，电容C231的另一端接地；引脚24与模拟电路电源VCC1.8及电容C241的一端相连，电容C241的另一端接地；引脚26与电阻R261的一端相连，电阻R261的另一端接地；引脚22与电阻R221的一端相连，电阻R221的另一端接地；引脚19与晶振X1及电容C191的一端相连，晶振X1的另一端与引脚21及电容C211的一端相连，电容C191及电容C211的另一端均接地；引脚44与晶振X2及电容C441的一端相连，晶振X2的另一端与引脚43及电容C431的一端相连，电容C441及电容C431的另一端均接地；引脚34与电感L2、电感L3及电感L5的一端相连，电感L4及电感L1的一端和电感L5的另一端相连，引脚33与电感L1的另一端相连，引脚32与电感L2及电感L4的另一端相连，电感L3的另一端与电容C63的一端相连，电容C63的另一端与天线ANT1相连；引脚25、27、28、29、30、31、35、36、37、38、39、40与模拟电路电源VCC1.8、电容C11、电容C101、电容C371的一端相连，电容C11、电容C101、电容C371的另一端接地。
如图5所示，ARM9模块与通信控制器之间的电路为：S3C2440X系列芯片的管脚D0-D7分别与芯片FB3050的管脚PB_CDATA_0-PB_CDATA_7相连，S3C2440X芯片的管脚A0-A7分别与芯片FB3050的管脚PI_ADDR_8-PI_ADDR_15相连，S3C2440X系列芯片的管脚EINT0与FB3050的管脚PO_INI_I相连，S3C2440X系列芯片的管脚nWE与FB3050的管脚PI_CRW相连，S3C2440X系列芯片的管脚nRD与FB3050的管脚PI_CET相连，S3C2440X系列芯片的管脚ALE与FB3050的管脚PI_CAS相连，S3C2440X系列芯片的管脚nRESET与FB3050的管脚PI_RESET_I相连，S3C2440X系列芯片的管脚EXTCLK与FB3050的管脚PI_CLK相连，S3C2440X系列芯片的管脚AIN1与FB3050的管脚PI_CSREG_I相连，S3C2440X系列芯片的管脚AIN0与FB3050的管脚PI_CSMEM_I相连。
如图6所示，基于ZigBee的FF现场总线控制系统的FF与ZigBee协议的转换方法包括如下步骤：
(1)FF-ZigBee网关启动后建立ZigBee网络，允许FF-ZigBee接口加入ZigBee网络；
(2)FF-ZigBee接口在加入ZigBee网络后，将FF-ZigBee接口接入设备的描述信息发送至FF-ZigBee网关；FF-ZigBee网关根据描述信息的协议名称判断FF-ZigBee接口接入的设备是否为FF-H1设备，如果是FF-H1设备，FF-ZigBee网关将描述信息的设备地址与其对应FF-ZigBee接口的ZigBee短地址绑定，并写入地址映射表中；如果不是FF-H1设备，网关动态分配一个与现有FF-H1设备地址不冲突的虚拟FF-H1设备地址给该设备，并将该地址与其对应FF-ZigBee接口的ZigBee短地址绑定，写入地址映射表中；同时，网关更新该描述信息的设备地址，并将更新后的描述信息下传至对应的FF-ZigBee接口；如果接收到的描述信息的设备地址与原有的动态分配地址冲突，则FF-ZigBee网关解除原有的动态分配虚拟FF-H1设备地址与其对应FF-ZigBee接口ZigBee短地址的绑定，重新动态分配虚拟FF-H1设备地址，与对应FF-ZigBee接口ZigBee短地址重新绑定后写入地址映射表，同时更新描述信息的设备地址并下传至对应的FF-ZigBee接口；消除地址冲突后，FF-ZigBee网关将新接收的FF-H1设备地址与对应FF-ZigBee接口的ZigBee短地址绑定并写入地址映射表；
(3)FF-ZigBee网关监听到来自FF-HSE网络上的数据包，如果有访问FF-H1设备或模拟设备的数据包，FF-ZigBee网关将这些数据包的服务报文、虚拟通信关系(VCR)、原语等信息进行格式转换，使之符合FF-H1网络通信规范；如果数据包的目的地址需通过ZigBee网络进行访问，FF-ZigBee网关检索地址映射表，将消息通过ZigBee网络以单播方式传输至对应的FF-ZigBee接口；
(4)FF-ZigBee接口接收到来自FF-ZigBee网关的数据包，根据描述信息的协议名称和设备类型对数据包进行后续处理，如果接入设备是FF-H1设备则直接向该设备发送数据包；如果是模拟设备则根据设备类型提取数据包中的有效数据转换成4-20mA电流信号进行传输；
(5)如果FF-ZigBee接口接入设备有数据包需要上传，如果来自非FF-H1设备，则FF-ZigBee接口将这些数据包转换成FF-H1格式数据包上传至FF-ZigBee网关；如果来自FF-H1设备，则FF-ZigBee接口直接将这些数据包上传至FF-ZigBee网关；
(6)FF-ZigBee网关接收到FF-ZigBee接口上传的数据包后根据规则判断是否需要上传至FF-HSE网络，如果需要则将数据包的服务报文、虚拟通信关系(VCR)、原语等信息进行格式转换，使之符合FF-HSE网络通信规范，并上传至FF-HSE网络中。
如图7所示，所述的描述信息包含：接入设备类型、协议名称、版本号、设备地址。其中，接入设备类型是指接入FF-ZigBee接口的设备是控制器、变送器或执行机构；协议名称是指接入FF-ZigBee接口的设备所采用的协议类型，若无采用任何协议其值为NULL，且接下来的版本号为NULL；版本号是指接入FF-ZigBee接口的设备所采用协议的版本；设备地址是指接入FF-ZigBee接口的设备的物理地址，若无物理地址其值则为NULL。
如图8所示，FF-ZigBee网关在启动后完成初始化并建立ZigBee网络。如果ZigBee网络中有FF-ZigBee接口加入，则系统接收FF-ZigBee接口发送的描述信息，根据描述信息的协议名称判断FF-ZigBee接口设备是否为FF-H1设备，如果是FF-H1设备，FF-ZigBee网关将描述信息的设备地址与其对应FF-ZigBee接口的ZigBee短地址绑定，并写入地址映射表中；如果不是FF-H1设备，网关动态分配一个与现有FF-H1设备地址不冲突的虚拟FF-H1设备地址给该设备，并将该地址与其对应FF-ZigBee接口的ZigBee短地址绑定，写入地址映射表中；同时，网关更新该描述信息的设备地址，并将更新后的信息下传至对应的FF-ZigBee接口；如果接收到的描述信息的设备地址与原有的动态分配地址冲突，则FF-ZigBee网关解除原有的动态分配虚拟FF-H1设备地址与其对应FF-ZigBee接口ZigBee短地址的绑定，重新动态分配虚拟FF-H1设备地址，与对应FF-ZigBee接口ZigBee短地址重新绑定后写入地址映射表，同时更新描述信息的设备地址下传至对应的FF-ZigBee接口；消除地址冲突后，FF-ZigBee网关将新接收的FF-H1设备地址与对应FF-ZigBee接口的ZigBee短地址绑定，并写入地址映射表。FF-ZigBee网关时刻监听来自FF-HSE的数据包，如果有访问FF-H1设备或模拟设备的数据包，FF-ZigBee网关将这些数据包的服务报文、虚拟通信关系(VCR)、原语等信息进行格式转换，使之符合FF-H1网络通信规范，否则则直接进行服务应答；如果数据包的目的地址可通过FF-H1网络传输，则FF-ZigBee网关直接将信息通过FF-H1网络传输；如果数据包的目的地址需通过ZigBee网络进行访问，FF-ZigBee网关检索地址映射表，将消息通过ZigBee网络以单播方式传输至对应的FF-ZigBee接口。FF-ZigBee网关接收到来自FF-H1网络或FF-ZigBee接口上传数据包后根据规则判断是否需要上传至FF-HSE网络，如果需要则数据包的服务报文、虚拟通信关系(VCR)、原语等信息进行格式转换，使之符合FF-HSE网络通信规范，并上传至FF-HSE网络中。
如图9所示，FF-ZigBee接口完成初始化后获取接入设备的描述信息并加入ZigBee网络，将描述信息发送至FF-ZigBee网关。如果接收到来自FF-ZigBee网关的描述信息，则FF-ZigBee接口更新自身的描述信息。如果接收到来自ZigBee网络的数据包，FF-ZigBee接口根据描述信息的协议名称和设备类型对数据包进行后续处理，如果接入设备是FF-H1设备则直接向该设备发送数据包；如果是模拟设备则根据设备类型提取数据包中的有效数据，并转换成4-20mA电流进行传输。如果FF-ZigBee接口接入设备有数据包需要上传，如果来自非FF-H1设备，则FF-ZigBee接口将这些数据包转换成FF-H1格式数据包上传至FF-ZigBee网关；如果来自FF-H1设备，则FF-ZigBee接口直接将这些数据包上传至FF-ZigBee网关。

Claims (7)

1.一种基于ZigBee的FF现场总线控制系统，其特征在于包括FF-HSE网络、FF-HSE设备、FF-ZigBee网关、FF-ZigBee接口、FF-H1网络、FF-H1设备、模拟设备；其中FF-HSE网络与FF-HSE设备以及FF-ZigBee网关相连，FF-ZigBee网关通过FF-H1网络与FF-H1设备相连，FF-ZigBee网关通过ZigBee网络与FF-ZigBee接口相连，FF-ZigBee接口与FF-H1设备以及模拟设备相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的FF现场总线控制系统，其特征在于所述的FF-ZigBee网关包括低压保护模块、ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器、HSE接口单元、逻辑控制模块、RAM、FLASH、媒介访问单元，其中ZigBee模块由TI CC2430芯片及其外围电路组成，ARM9模块由S3C2440X系列芯片及其外围电路组成，通信控制器采用SMAR FB3050；FF-ZigBee网关的内部连接关系为：低压保护模块分别与ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器相连，HSE接口单元与逻辑控制模块相连，ARM9模块分别与ZigBee模块、通信控制器、逻辑控制模块相连，通信控制器分别与媒介访问单元、RAM、FLASH相连；FF-ZigBee网关的内在逻辑关系为：低压保护模块为ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器提供保护，防止由于过流、过压而造成的模块烧毁，HSE接口单元和逻辑控制模块在ARM9模块和FF-HSE网络之间进行数字信号和电器信号的转换，媒介访问单元和通信控制器在ARM9模块和FF-H1网络之间进行数字信号和电器信号的转换，RAM为ARM9模块和通信控制器提供数据缓存，FLASH为ARM9模块和通信控制器提供程序存储空间，ZigBee模块为ARM9模块提供ZigBee数据包收发服务。
3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的FF现场总线控制系统，其特征在于所述的FF-ZigBee接口包括低压保护模块、ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器、RAM、FLASH、媒介访问单元、模拟接口，其中ZigBee模块由TI CC2430芯片及其外围电路组成，ARM9模块由S3C2440X系列芯片及其外围电路组成，通信控制器采用SMAR FB3050；FF-ZigBee接口的内部连接关系为：低压保护模块分别与ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器相连，ARM9模块分别与ZigBee模块、模拟接口、通信控制器相连，通信控制器分别与RAM、FLASH、媒介访问单元相连；FF-ZigBee接口的内在逻辑关系为：低压保护模块为ZigBee模块、ARM9模块、通信控制器提供保护，防止由于过流、过压而造成的模块烧毁，模拟接口在ARM9模块和模拟设备之间进行数字信号和4-20mA模拟信号的转换，媒介访问单元和通信控制器在ARM9模块和FF-H1设备之间进行数字信号和电器信号的转换，RAM为ARM9模块和通信控制器提供数据缓存，FLASH为ARM9模块和通信控制器提供程序存储空间，ZigBee模块为ARM9模块提供ZigBee数据包收发服务。
4.根据权利要求2、3所述的一种基于ZigBee的FF现场总线控制系统，其特征在于所述的ZigBee模块的电路为：CC2430集成芯片的引脚20、7、47、41相连后与数字电路电源DVDD_3.3V、电容C411、电容C71的一端相连，电容C411及电容C71的另一端接地；引脚42与电容C421的一端相连，电容C421的另一端接地；引脚10与电容C678的一端、电阻R406、按键S1的一端相连，电容C678及按键S1的另一端接地，电阻R406的另一端与数字电路电源DVDD_3.3V相连；引脚23与数字电路电源DVDD_3.3V及电容C231的一端相连，电容C231的另一端接地；引脚24与模拟电路电源VCC1.8及电容C241的一端相连，电容C241的另一端接地；引脚26与电阻R261的一端相连，电阻R261的另一端接地；引脚22与电阻R221的一端相连，电阻R221的另一端接地；引脚19与晶振X1及电容C191的一端相连，晶振X1的另一端与引脚21及电容C211的一端相连，电容C191及电容C211的另一端均接地；引脚44与晶振X2及电容C441的一端相连，晶振X2的另一端与引脚43及电容C431的一端相连，电容C441及电容C431的另一端均接地；引脚34与电感L2、电感L3及电感L5的一端相连，电感L4及电感L1的一端与电感L5的另一端相连，引脚33与电感L1的另一端相连，引脚32与电感L2及电感L4的另一端相连，电感L3的另一端与电容C63的一端相连，电容C63的另一端与天线ANT1相连；引脚25、27、28、29、30、31、35、36、37、38、39、40与模拟电路电源VCC1.8、电容C11、电容C101、电容C371的一端相连，电容C11、电容C101、电容C371的另一端接地。
5.根据权利要求2或3所述的一种基于ZigBee的FF现场总线控制系统，其特征在于所述的ARM9模块与通信控制器之间的电路为：S3C2440X系列芯片的管脚D0-D7分别与芯片FB3050的管脚PB_CDATA_0-PB_CDATA_7相连，S3C2440X芯片的管脚A0-A7分别与芯片FB3050的管脚PI_ADDR_8-PI_ADDR_15相连，S3C2440X系列芯片的管脚EINT0与FB3050的管脚PO_INI_I相连，S3C2440X系列芯片的管脚nWE与FB3050的管脚PI_CRW相连，S3C2440X系列芯片的管脚nRD与FB3050的管脚PI_CET相连，S3C2440X系列芯片的管脚ALE与FB3050的管脚PI_CAS相连，S3C2440X系列芯片的管脚nRESET与FB3050的管脚PI_RESET_I相连，S3C2440X系列芯片的管脚EXTCLK与FB3050的管脚PI_CLK相连，S3C2440X系列芯片的管脚AIN1与FB3050的管脚PI_CSREG_I相连，S3C2440X系列芯片的管脚AIN0与FB3050的管脚PI_CSMEM_I相连。
6.一种基于ZigBee的FF现场总线控制系统的FF与ZigBee协议的转换方法，其特征包含如下步骤：
(1)FF-ZigBee网关启动后建立ZigBee网络，允许FF-ZigBee接口加入ZigBee网络；
(2)FF-ZigBee接口在加入ZigBee网络后，将FF-ZigBee接口接入设备的描述信息发送至FF-ZigBee网关；FF-ZigBee网关根据描述信息的协议名称判断FF-ZigBee接口接入的设备是否为FF-H1设备，如果是FF-H1设备，FF-ZigBee网关将描述信息的设备地址与其对应FF-ZigBee接口的ZigBee短地址绑定，并写入地址映射表中；如果不是FF-H1设备，网关动态分配一个与现有FF-H1设备地址不冲突的虚拟FF-H1设备地址给该设备，并将该地址与其对应FF-ZigBee接口的ZigBee短地址绑定，写入地址映射表中；同时，网关更新该描述信息的设备地址，并将更新后的描述信息下传至对应的FF-ZigBee接口；如果接收到的描述信息的设备地址与原有的动态分配地址冲突，则FF-ZigBee网关解除原有的动态分配虚拟FF-H1设备地址与其对应FF-ZigBee接口ZigBee短地址的绑定，重新动态分配虚拟FF-H1设备地址，与对应FF-ZigBee接口ZigBee短地址重新绑定后写入地址映射表，同时更新描述信息的设备地址并下传至对应的FF-ZigBee接口；消除地址冲突后，FF-ZigBee网关将新接收的FF-H1设备地址与对应FF-ZigBee接口的ZigBee短地址绑定并写入地址映射表；
(3)FF-ZigBee网关监听到来自FF-HSE网络上的数据包，如果有访问FF-H1设备或模拟设备的数据包，FF-ZigBee网关将这些数据包的服务报文、虚拟通信关系(VCR)、原语等信息进行格式转换，使之符合FF-H1网络通信规范；如果数据包的目的地址需通过ZigBee网络进行访问，FF-ZigBee网关检索地址映射表，将消息通过ZigBee网络以单播方式传输至对应的FF-ZigBee接口；
(4)FF-ZigBee接口接收到来自FF-ZigBee网关的数据包，根据描述信息的协议名称和设备类型对数据包进行后续处理，如果接入设备是FF-H1设备则直接向该设备发送数据包；如果是模拟设备则根据设备类型提取数据包中的有效数据转换成4-20mA电流信号进行传输；
(5)如果FF-ZigBee接口接入设备有数据包需要上传，如果来自非FF-H1设备，则FF-ZigBee接口将这些数据包转换成FF-H1格式数据包上传至FF-ZigBee网关；如果来自FF-H1设备，则FF-ZigBee接口直接将这些数据包上传至FF-ZigBee网关；
(6)FF-ZigBee网关接收到FF-ZigBee接口上传的数据包后根据规则判断是否需要上传至FF-HSE网络，如果需要则将数据包的服务报文、虚拟通信关系(VCR)、原语等信息进行格式转换，使之符合FF-HSE网络通信规范，并上传至FF-HSE网络中。
7.根据权利要求6所述的一种基于ZigBee的FF现场总线控制系统的FF与ZigBee协议的转换方法，其特征在于所述的描述信息包含：接入设备类型、协议名称、版本号和设备地址。
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