CN200947617Y - 一种Zigbee短程无线网关 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种Zigbee短程无线网关，其特点是，它包括：由MCU芯片、电源处理电路，存取电路，串口通讯电路以及晶振电路连接而成的微程序控制器(MCU)主板和由CC2420无线通讯芯片、RF电路、晶振电路以及外接SMA天线及预留PCB天线连接构成的射频电路(RF)通讯板，MCU主板通过插件连接至RF通讯板，并通过编程来完成与其的通讯及数据交换功能，本网关是Modbus现场总线技术与Zigbee无线通讯技术的有机结合技术的实现，比起传统的现场总线技术，克服了布线的弊端，对于无线现场总线技术，具有更好的通讯安全性、低功耗、更高的可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种网关，特别涉及用于工业环境中利用zigbee短程无线网络来对modbus现场总线信息进行交换的Zigbee短程无线网关。
背景技术
在工业控制系统中，大量使用PLC和DCS系统来对现场设备进行检测和控制，在早期的控制系统中，现场大量的IO信号都是通过电缆接入控制系统的IO模板中来进行测控的；以这种方式现场需要敷设大量的电缆而且维护极为麻烦，因而在70年代国际上一些大公司相继推出自己的总线标准及产品，随着技术的不断完善，各公司均推出了总线型的远程IO站，且遵循不同的现场总线标准(如Bitbus，Profibus，PROWAYC，PHOEBUS，HART，CAN，Dupline，L2，ModBus，SDS，ControlNET，FIP，SERCOS，FF，Lonworks等)。随着总线型的远程IO站的推出，极大地方便了对于远程设备的控制，PLC/DCS通过一条总线与若干个远程IO站相连，控制就地设备，这样一来节省了现场接线，由于总线的优势极大地方便了对于设备的状态查询及参数的设置。
但对于一些工业场合总线型的远程IO仍满足不了要求：对于水文监测、污水处理监测、西气东输的输气管路的监测、灯光的控制等，以上监测的特点是：监控点分布的范围很广，控制及监测点分散，用敷设管线的方法无法连接，针对这种系统又产生了很多解决方案，利用就地无线分布式IO或RTU(Remote Terminal Unit)的无线远程通讯来解决无法连线的现场，来降低环境成本，并利用了现有的如微波、扩频通讯、卫星通讯、铱星通讯、超短波通讯、短波通讯、GSM、CDMA、双向无线寻呼等。但对于以上无线通讯方式的应用局限性在于，虽然通讯很方便而且配套产品也越来越完善，但相当的一些通讯手段都要收取一定的费用来满足通讯的要求，因而运营成本变高，特别对于区域范围不大的，数据流量不大的近距离的数据通讯的矛盾尤为突出，束缚了其发展。因而人们的目光都聚焦在2.4G无线频段的产品，因为2.4G无线频段是开放的频段，无需申请即可通讯，针对于2.4G无线频段的产品代表的主要有：Wi-Fi(802.11b)无线局域网技术下的数据采集系统，Bluetooth(802.15.1)技术下的数据采集系统，以及ZigBee(802.15.4)技术下的数据采集系统，以及厂商自定义协议的无线通讯系统等。
但对于一些特定的场合应用，例如：污水处理厂的数据采集，楼宇自动控制网络，灯光控制网络等，对于这些场合主要的特点是，控制设备(IO)分散且距离不是很长，节点数多，数据采集交换的量不大，就地站局部采用现场总线连接(大多采用Modbus总线)，对于这样的一些场合，现有的无线网关尚不能与Modbus现场总线标准有机结合并实现无线现场总线网络系统。
发明内容
本实用新型的目的为了解决一些控制设备(IO)分散且距离不是很长，节点数多，数据采集交换的量不大，就地站局部大多采用Modbus总线场合的Modbus现场总线难以布线问题，和不同现场总线的互联来进行数据交换的问题，提供一种基于Modbus现场总线技术的Zigbee短程无线网关。
本实用新型的技术方案是，一种基于Modbus现场总线技术的Zigbee短程无线网关，其特点是，它包括：
一微程序控制器(MCU)主板，主要功能是完成本网关的程序下载、功能设置、数据处理、协议转换，它由MCU芯片、电源处理电路，存取电路，串口通讯电路以及晶振电路连接而成；
一射频电路(RF)通讯板，用于完成RF通讯板完成与其他通讯器点间的数据无线传输及通讯工作，主要由CC2420无线通讯芯片、RF电路、晶振电路以及外接SMA天线及预留PCB天线连接构成；
MCU主板通过插件连接至RF通讯板，并通过编程来完成与其的通讯及数据交换功能，并对从RF电路获取数据进行处理后将Zigbee数据包解析标准的Modbus数据包并通过串口电路与现场总线通讯，同时将现场总线由串口上传的Modbus数据包再次打包成Zigbee数据包通过RF通讯板传输到其他zigbee目的节点，完成本网关的无线通讯以及协议转换功能。
本实用新型的有益效果是：本网关是Modbus现场总线技术与Zigbee无线通讯技术的有机结合技术的实现，比起传统的现场总线技术，克服了布线的弊端，对于无线现场总线技术，具有更好的通讯安全性、低功耗、更高的可靠性。由于ZigBee使用的是2.4G公用频段，无需交纳租金和管理费，由于采用跳频技术，可以有效提高数据传输的安全性和可靠性；没有方向上的限制，可以从各个角度进行测控数据的传输；可以应用于移动设备；可以实现多个测控仪器设备间的联网，且基于ZigBee技术的芯片功耗低，成本低；且由于大多数工控产品都具有支持ModBus协议标准的接口(如：Siemens CP341ModBus接口模块)，本网关能很方便的接入已有的控制系统中；而且可与其他现场总线的网关通过Zigbee无线网络实现数据交换；并利用ZigBee通讯网络特性扩展已有系统，有着远大的市场前景。
附图说明
图1为本网关总体结构图；
图2为本网关编程框图；
图3为本网关的工业应用图。
具体实施方式
一种基于Modbus现场总线技术的Zigbee短程无线网关，由图1所示，其特点是，它包括：
一微程序控制器(MCU)主板1，主要功能是完成本网关的程序下载、功能设置、数据处理、协议转换，它由MCU芯片、电源处理电路，存取电路，串口通讯电路以及晶振电路连接而成，电源处理电路将外部提供的5V直流电压转换为3.3V直流电压，为主板的各部分电路提供所需工作电压；存取电路采用IDT71V256SA存取芯片，该芯片能为MCU在处理较大数据量时提供足够的存取空间；串口通讯电路负责主板与外部现场总线通讯功能；晶振电路为MCU芯片提供标准的时钟信号；
一射频电路(RF)通讯板2，用于完成RF通讯板完成与其他通讯器点间的数据无线传输及通讯工作，主要由CC2420无线通讯芯片、RF电路、晶振电路以及外接SMA天线及预留PCB天线连接构成，其供电由MCU主板来直接提供，CC2420无线通讯芯片通过RF电路来完成无线通讯的处理，并负责完成与MCU主板的通讯；晶振电路为无线通讯芯片标准的时钟；天线为RF电路的外延，应用外接SMA天线还是预留的PCB天线可通过跨接不同电容来实现。由于PCB天线的通讯距离较SMA天线短，因而当工业现场布设本网关时，各节点之间的距离比较远时，则采用SMA天线，应用时只需在电路板上将PCB天线后端的电容去掉，将SMA天线后端得电容接上即可；较近的节点间通讯采用PCB天线即可，方法同上；
MCU主板通过插件连接至RF通讯板，并通过编程来完成与其的通讯及数据交换功能，并对从RF电路获取数据进行处理后将Zigbee数据包解析标准的Modbus数据包并通过串口电路与现场总线通讯，同时将现场总线由串口上传的Modbus数据包再次打包成Zigbee数据包通过RF通讯板传输到其他zigbee目的节点；从而完成本网关的无线通讯以及协议转换功能。
本实用新型采用ZigBee通讯芯片与MCU分离方式来设计电路，原则上是RF电路与MCU电路分开设计单独成板，在MCU电路上设计与现场总线通讯接口。本网关，相当于设计一个协议转换器，它应同时支持ZigBee通讯接口和RS485/RS232C接口，将从Modbus通讯接口接收到的Modbus信号进行解析，解析成标准Zigbee协议的数据格式，并通过RF电路上传到网络协调器，协调器接收到Zigbee协议格式的数据后，将其解析为标准的Modubs协议的数据包，利用串口与现场总线通讯。由于通过串口传输标准的ModBus的协议通讯是比较成熟的技术，因而该模板的技术关键在处理器的软件中于如何将无线信号解析成标准的ModBus协议，其如何通过编程来完成与其的通讯及数据交换功能，如图2所示：我们在软件编制一开始首先建立Profile文件(应用程序框架)；在此框架下，我们必须注意Cluster的属性配置，因为我们在通讯中采用绑定方式，只有具有输出功能的Cluster才能与具有输入功能的Cluster实现绑定；通过以上步骤后，我们就可生成所需要的正确的项目文件；在项目文件中，可以通过定义的OTAFrameIn和OTAFrameOut来接收和发送消息帧，实现无线接口数据传输；我们还通过定义的MBusFrameIn和MBusFrameOut对串口上传来的ModBus消息帧进行适当地处理，实现ZigBee到ModBus的协议转换；我们定义MSG数据包，它由OTAFrameIn和OTAFrameOut的协议帧、MBusFrameIn和MBusFrameOut协议帧以及Modbus地址和ZigbeeIEEE地址绑定生成的数据等组成，因而它包含了传输需要有效的数据，并能通过对MSG数据包的解析实现Modbus数据在Zigbee中的定向传输；通过调用afFillAndSendMessage()函数和afIncomingData()函数可发送和接收MSG数据包，从而完成不同网关节点间数据包的传输；通过以上数据帧的定义和函数的调用就基本完成了软件中实现数据转换及收发的功能，再通过GCC编译器的对项目文件进行编译：如若编译出错，则检查编程中的每一步，重新编译，一旦通过，就可将软件下载至网关的MCU中，即可实现网关的通讯及数据交换功能。
本无线网关(以编号7来表示)的工业应用实施例，由图3所示：当工业现场控制设备或仪表将采集到的数据通过自身的Modbus通讯接口与无线本网关通讯并进行数据交换，该网关将接收到的数据解析成Zigbee数据包，并通过Zigbee无线网络上传至监控工作站所带的网关，该无线网关将Zigbee数据包解析为Modbus数据包，并通过串口与Mdobus监控工作站进行数据交换，从而完成设备到主站的数据交换。图3中提出了三种实现的方式(由虚线圈出部分)，3表示现场仪表通过Modbus总线将数据传输到无线网关，该网关直接通过Zigbee无线网络传送到监控工作站6；4表示当现场仪表通过Modbus总线将数据传输到无线网关，该网关直接通过Zigbee无线网络将数据传送到现场可编程控制器，现场可编程控制器之间也可通过本网关利用Zigbee无线网络进行数据交换；5表示现场可编程控制器之间也可通过本网关将Modbus协议的数据转换为符合Zigbee通讯的数据包并利用zigbee无线网络来进行数据交换，同时也可利用该网络上传至监控工作站6。因而本无线网关可以在工业场合得到灵活应用。
Claims (1)
1、一种Zigbee短程无线网关，其特征在于，它包括：
一微程序控制器(MCU)主板，主要功能是完成本网关的程序下载、功能设置、数据处理、协议转换，它由MCU芯片、电源处理电路，存取电路，串口通讯电路以及晶振电路连接而成；
一射频电路(RF)通讯板，用于完成RF通讯板完成与其他通讯器点间的数据无线传输及通讯工作，主要由CC2420无线通讯芯片、RF电路、晶振电路以及外接SMA天线及预留PCB天线连接构成；
MCU主板通过插件连接至RF通讯板，并通过编程来完成与其的通讯及数据交换功能，并对从RF电路获取数据进行处理后将Zigbee数据包解析标准的Modbus数据包并通过串口电路与现场总线通讯，同时将现场总线由串口上传的Modbus数据包再次打包成Zigbee数据包通过RF通讯板传输到其他zigbee目的节点，完成本网关的无线通讯以及协议转换功能。
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|---|---|---|---|---|
| CN102271100A (zh) * | 2011-09-05 | 2011-12-07 | 国电南京自动化股份有限公司 | EtherCAT工业以太网与无线Zigbee间的网关装置及其协议转换方法 |
| CN101620771B (zh) * | 2009-07-29 | 2012-04-18 | 山东建筑大学 | 远程无线环境实时数据采集方法和装置 |
| CN103136140A (zh) * | 2011-12-05 | 2013-06-05 | 沈阳高精数控技术有限公司 | 一种用于数控总线通讯板的数据读写装置和方法 |
| CN103293978A (zh) * | 2013-05-30 | 2013-09-11 | 郑州郑大信息技术有限公司 | Rtu数据采集终端 |
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2006
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Assignee: Shanghai Chenzhui Instrument Co., Ltd. Assignor: Shanghai Institute of Process Automation Instrumentation Contract fulfillment period: 2008.11.16 to 2013.11.15 Contract record no.: 2008310000240 Denomination of utility model: Zigbee short distance wireless gateway Granted publication date: 20070912 License type: Exclusive license Record date: 20081124 |
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