CN105553838A - 基于ARM的PROFIBUS-DP接入Wi-Fi的嵌入式网关及其通信方法 - Google Patents

基于ARM的PROFIBUS-DP接入Wi-Fi的嵌入式网关及其通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ARM的PROFIBUS-DP接入Wi-Fi的嵌入式网关及其通信方法，其硬件部分主要包括主控制器模块、PROFIBUS-DP通信接口电路、USB接口电路、Wi-Fi无线网卡接口电路、外部存储模块电路、电源电路；其软件部分包括网关交叉编译环境的建立、嵌入式Linux操作系统的搭建、安卓客户端的开发。通过本发明的网关，人们可以利用无处不在的Wi-Fi网络和广泛使用的安卓客户端，实现对PROFIBUS-DP总线上设备的快捷、实时监控。本发明给企业管理人员和工程技术人员带来极大的方便，并且具有容易实施、低成本的优点，具有强烈的市场需求和广阔的应用前景。

Description

基于ARM的PROFIBUS-DP接入Wi-Fi的嵌入式网关及其通信方法
技术领域
本发明属于工业自动化及无线通信领域，涉及一种基于ARM硬件平台和嵌入式Linux操作系统平台的PROFIBUS-DP接入Wi-Fi网络的网关，特别涉及基于Wi-Fi，通过无线客户端监控PROFIBUS-DP总线上设备的技术。
背景技术
PROFIBUS，是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，是最流行的一类总线。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案，是世界范围内唯一可以覆盖从工厂自动化场合到过程自动化应用的现场总线标准。它由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP（DecentralizedPeriphery）、PROFIBUS－PA（ProcessAutomation）、PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification)。其中PROFIUBS-DP用于现场级快速高效的数据交换。在这一级，中央自动化设备(如PLC/PC或过程控制系统)通过快速串行连接与分散的现场设备(如I/O、驱动器和阀门、测量变送器等)进行通信，PROFBUS-DP连接的设备通常由主站和从站构成，主站具有总线控制权，它可以向从站发送信息，从站就是PROFIBUS-DP总线上连接的受控的外围设备。
Wi-Fi（WirelessFidelity，无线保真）是一种可以将个人电脑、手持设备（如pad、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，事实上它是一个高频无线电信号。作为新一代无线通信技术，Wi-Fi同时兼顾了移动通信技术的可移动性和固定接入的高宽带体验，是一种常在办公室、工厂和家庭中使用的无线局域网技术。Wi-Fi使用IEEE802.11无线技术，使用IEEE802.11b协议，可以使无线网络用户获得以太网的速率、网络性能和可用性，形成一种能够最大限度满足用户需求的网络。
随着工业自动化、工厂智能化的发展，有效监管和控制生产过程、对现场生产设备等进行实时监控，成为研究的热点。利用无处不在的Wi-Fi网络和广泛使用的无线客户端，对工业网络中的现场设备进行实时监控，可为企业管理者和工程技术人员随时掌控和调试设备带来极大的便利。
本发明针对将PROFIBUS-DP现场总线接入Wi-Fi无线网络的应用场景，发明了一种将工业现场总线PROFIBUS-DP接入Wi-Fi无线网络的网关。利用该网关，用户只需通过Wi-Fi无线网和安卓客户端就可以对PROFIBUS-DP上的设备进行远程实时和安全监控，具有强烈的市场需求和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于公开一种能够实现PROFIBUS-DP总线接入Wi-Fi无线网络的网关，解决PROFIBUS-DP到Wi-Fi的协议转换问题；并能通过安卓客户端对设备进行远程监控，实现工厂自动化和设备智能化，解决有线监控布线繁杂、成本高、智能化低问题。
为实现本发明的目的，采取的技术方案如下：
基于ARM的PROFIBUS-DP接入Wi-Fi的嵌入式网关及其通信方法，包括以下几个模块：用于实现PROFIBUS-DP和Wi-Fi两种异构网络互联通信的网关硬件模块；用于实现PROFIBUS-DP和Wi-Fi两种异构网络互联通信的网关软件模块；用于实现用户和设备远程、友好交互的安卓客户端模块；
本发明的各个模块所实现的功能具体如下：用于实现PROFIBUS-DP网络和Wi-Fi网络互联的网关，硬件主要包括主控制器模块、PROFIBUS-DP通信接口电路、USB接口电路、Wi-Fi无线网卡接口电路、外部存储模块电路、电源管理电路；所述的PROFIBUS-DP通信接口电路、USB接口电路、Wi-Fi无线网卡接口电路、外部存储模块电路、电源管理电路均与主控制器模块连接，能实现PROFIBUS-DP和Wi-Fi两种异构网络的物理连接和数据通信。
进一步的技术方案是用于嵌入式网关的主控制器模块采用ARM11系列S3C6410芯片，作为整个网关的主控制芯片，控制数据流和命令指令的接收与发送，保证协议转换的速度和准确度。
进一步的技术方案是用于嵌入式网关的PROFIBUS-DP通信接口电路包括RS485串口电路和RS232串口电路。
进一步的技术方案是用于嵌入式网关的Wi-Fi无线网卡采用的是高速无线网卡EDUPMS-1578，提供高速稳定的Wi-Fi无线网络，理论能达到300Mbps，为整个系统提供网络支持。
进一步的技术方案是所述的高速无线网卡EDUPMS-1578是通过USB接口电路与主控制器连接。
进一步的技术方案是用于嵌入式网关的外部存储器是由三星公司型号为K9F4G08U0E的512MFLASH存储器和由4片具有8位总线接口型号为K4T1G084QQ的512MSDRAM存储器扩展组成的。
进一步的技术方案是所述的电源管理电路采用稳压芯片AMS1086CD-3.3和稳压芯片PT9011-MGPJ6分别的为系统提供3.3V和1.8V电源。
进一步的技术方案是所述USB接口用于主控制器与无线网卡的无缝连接；所述PROFIBUS-DP接口用于主控制器与PROFIBUS-DP的有效连接；电源电路为整个系统提供电能；SDRAM和FLASH存储器提供大容量的数据存储和读取空间。
进一步的技术方案是在不改变PROFIBUS协议和Wi-Fi协议的情况下，只要把PROFIBUS-DP总线连上本发明网关的PROFIBUS-DP接口，网关通过USB接口连接上Wi-Fi无线网卡，电源电路供电，其他电路连接好，就可以直接实现PROFIBUS-DP网络和Wi-Fi无线网络的互联通信。
进一步的技术方案是用于实现PROFIBUS-DP和Wi-Fi两种异构网络互联通信的网关软件模块，主要是协议转换程序用于实现PROFIBUS-DP协议和Wi-Fi协议的转换。当安卓客户端通过Wi-Fi要访问控制PROFIBUS总线上设备时，它先发送数据帧到网关上，该数据帧包括Wi-Fi协议的帧头、帧尾、从站设备地址信息和操作数据。当网关接收到该数据帧时按照协议数据链路层、物理层的顺序对数据包进行解包，将数据包中的数据提取出来，然后网关将此数据按照PROFIBUS协议进行封装，按照用户层、数据链路层、物理层的顺序依次加上首部和尾部信息。此时PROFIBUS协议帧的源地址是网关的PROFIBUS地址，目的地址是从站的PROFIBUS地址，封装后的数据包就可以在PROFIBUS总线上传输；相反当从站响应主站的请求时，从站发送PROFIBUS数据包到网关，该数据包源地址是从站的PROFIBUS地址，目的地址是网关的PROFIBUS地址，网关对此PROFIBUS协议数据包按照用户层、数据链路层、物理层的顺序进行解包，然后再对解包后的数据按照Wi-Fi协议进行封装，封装后的数据包即可在Wi-Fi无线网络上传输。
进一步的技术方案是网关接收到PROFIBUS-DP设备传过来的数据后，针对每一个收到的PROFIBUS-DP数据帧，进行所有字节的校验，并按照PROFIBUS-DP协议帧具体结构进行解包。在一个帧结构的校验过程中，如果有一个字节出现错误，则整个帧都将被丢弃。PROFIBUS-DP协议帧的封装过程就是解包过程的逆过程。数据按照PROFIBUS-DP协议帧的结构添加起始字节、DA、SA等字节，最后封装成在PROFIBUS-DP现场总线传输的数据。
进一步的技术方案是用于实现用户和设备远程、友好交互的安卓客户端模块，安卓客户端模块使用JAVA语言在Eclipse开发环境下进行的设计。程序的设计流程如下：系统网关上电工作后，首先启动系统的服务器功能，打开PROFIBUS安卓应用软件的客户端界面，显示出系统登录界面，输入用户信息名和密码，SSL协议进行加密，服务器对输入信息进行验证，验证正确则根据用户权限显示出相应的界面；验证错误则提示出错返回登录界面。用户可以根据自己的权限对设备进行操控，如管理员用户既可以查看设备，也可以控制设备；普通用户只能查看设备；非法用户无法登录系统。所有用户的操作都会被记录在系统的日志中，帮助最高级管理员及时定位和防范系统漏洞。
本发明的优点在于：
1）设计了实现PROFIBUS-DP现场总线网络和Wi-Fi无线网络互联的专用协议转换网关，在不改变两种异构网络现有结构的基础上，只要把接口连接上就可直接实现两种异构网络的互联通信，用户能随时随地的对设备进行快捷方便的监控。
2）设计的网关从用户身份访问控制、SSL安全协议进行数据加密、自动生成监控系统日志等三方面对系统提供较为全面的安全保障，同时只占用系统的软件资源，降低了开发成本，具有广泛的应用价值。
3）本发明的网关上开发设计了安卓客户端，利用安卓手机的客户端，用户可以通过便携设备手机、pad等便捷的对远程现场总线上的设备进行实时地监控和管理，也是工业自动化、互联网+工业网发展的必然趋势。
附图说明
图1为本发明中网关硬件结构框图；
图2为本发明中PROFIBUS-DP协议封装和解包过程示意图；
图3为本发明中Wi-Fi协议封装和解包过程示意图；
图4为本发明网关功能示意图；
图5为本发明安卓客户端程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个优选实施方式进行说明：
本发明的网关硬件结构框图如图1所示，硬件主要包括主控制器模块、PROFIBUS-DP通信接口电路、USB接口电路、Wi-Fi无线网卡接口电路、外部存储模块电路、电源管理电路；所述的PROFIBUS-DP通信接口电路、USB接口电路、Wi-Fi无线网卡接口电路、外部存储模块电路、电源管理电路均与主控制器模块连接，能实现PROFIBUS-DP和Wi-Fi两种异构网络的物理连接和数据通信。
S3C6410微处理器作为整个网关的主控制芯片，控制数据流和命令指令的接收与发送，保证协议转换的速度和准确度；高速无线网卡EDUPEP-8508GS提供高速稳定的Wi-Fi无线网络，为整个系统提供网络支持；USB接口用于微处理器与无线网卡的无缝连接，当系统工作时，USB接口首先供给无线网卡一个5V稳定电压，然后再通过中间两根信号线传送所有的信息；PROFIBUS-DP接口用于微处理器与PROFIBUS-DP的有效连接；电源管理电路的稳压芯片AMS1086CD-3.3和稳压芯片PT9011-MGPJ6分别的为系统提供3.3V和1.8V电源；SDRAM和FLASH存储器提供大容量的数据存储和读取空间。
本发明中PROFIBUS-DP与Wi-Fi按照各自协议封装和解包的原理如图2，3所示。封装的过程就是各个协议层将接收到的数据包按照上层交付的协议数据单元PDU（ProtocolDataUnit）加上自己的控制首部信息形成本层PDU，然后传递给下一层的过程，最后得到按照协议封装好的数据包。而解封装的过程就是按照协议层去掉本层PDU控制首部信息从而得到上层PDU，直到得到真实数据的过程。协议转换的过程就是数据包按照协议封装和解封装的过程，例如PROFIBUS-DP转换到Wi-Fi的过程为：网关接收到PROFIBUS-DP来的数据包后，按照PROFIBUS-DP的协议进行从物理层、数据链路层、用户接口层一层一层的解包，得到真实数据包后再按照Wi-Fi的协议从媒体访问控制层、逻辑链路控制层、物理层一层一层的封装，封装完成后发送给Wi-Fi设备。
图4为本发明网关功能示意图，嵌入式网关作为PROFIBUS-DP总线与Wi-Fi网络的桥梁，负责两种异构网络的协议转换、数据通信。嵌入式网关将PROFIBUS-DP现场设备发送来的数据转换为按照Wi-Fi协议封装的数据，然后发送到相应的客户端；同样的，嵌入式网关将Wi-Fi客户端发送来的数据转换为按照PROFIBUS-DP协议封装的数据，然后发送到对应的现场设备。用户还可以通过无线客户端在网关系统上对PROFIBUS-DP上的设备进行实时监控。
图5为本发明安卓客户端的程序流程图；整个过程为打开PROFIBUS安卓应用软件的客户端界面，显示出系统登录界面，输入用户信息名和密码，SSL协议进行加密，服务器对输入信息进行验证，验证正确则根据用户权限显示出相应的界面；验证错误则提示出错返回登录界面。用户可以根据自己的权限对设备进行操控，如管理员用户既可以查看设备，也可以控制设备；普通用户只能查看设备；非法用户无法登录系统。
以上给出的实施例用以说明本发明和它的实际应用，并非对本发明作任何形式上的限制，任何一个本专业的技术人员在不偏离本发明技术方案的范围内，依据以上技术和方法作一定的修饰和变更当视为等同变化的等效实施例。

Claims (9)

1.基于ARM的PROFIBUS-DP接入Wi-Fi的嵌入式网关及其通信方法，其特征在于：所述网关硬件系统架构上包括主控制器模块、PROFIBUS-DP通信接口电路、USB接口电路、Wi-Fi无线网卡接口电路、外部存储模块电路、电源管理电路；所述的PROFIBUS-DP通信接口电路、USB接口电路、Wi-Fi无线网卡接口电路、外部存储模块电路、电源管理电路均与主控制器模块连接。
2.基于ARM的PROFIBUS-DP接入Wi-Fi的嵌入式网关及其通信方法，其特征在于：所述网关在软件系统架构上，采用了嵌入式Linux操作系统，引入了嵌入式数据库技术，并开发了基于安卓系统的无线监控客户端。
3.根据权利要求1所述的基于ARM的PROFIBUS-DP接入Wi-Fi的嵌入式网关及其通信方法，其特征在于：所述主控制器模块采用ARM11系列S3C6410芯片。
4.根据权利要求1所述的基于ARM的PROFIBUS-DP接入Wi-Fi的嵌入式网关及其通信方法，其特征在于：所述PROFIBUS-DP通信接口电路包括RS485串口电路和RS232串口电路。
5.根据权利要求1所述的基于ARM的PROFIBUS-DP接入Wi-Fi的嵌入式网关及其通信方法，其特征在于：所述Wi-Fi无线网卡采用的是高速无线网卡EDUPMS-1578。
6.根据权利要求1所述的基于ARM的PROFIBUS-DP接入Wi-Fi的嵌入式网关及其通信方法，其特征在于：所述外部存储器是由三星公司型号为K9F4G08U0E的512MFLASH存储器和由4片具有8位总线接口的K4T1G084QQ存储器扩展组成的。
7.根据权利要求1所述的基于ARM的PROFIBUS-DP接入Wi-Fi的嵌入式网关及其通信方法，其特征在于：电源管理电路采用稳压芯片AMS1086CD-3.3和稳压芯片PT9011-MGPJ6。
8.根据权利要求1所述的基于ARM的PROFIBUS-DP接入Wi-Fi的嵌入式网关及其通信方法，其特征在于：所述USB接口用于主控制器与无线网卡的物理连接；所述PROFIBUS-DP接口用于主控制器与PROFIBUS-DP的物理连接。
9.根据权利要求2所述的基于ARM的PROFIBUS-DP接入Wi-Fi的嵌入式网关及其通信方法，其特征在于：本发明网关的安卓客户端用户身份认证采用SSL安全协议。
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