GPRS和无线传感器网络技术在过程控制中的应用与研究图文.docx
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GPRS和无线传感器网络技术在过程控制中的应用与研究图文
南京理工大学
硕士学位论文
GPRS和无线传感器网络技术在过程控制中的应用与研究姓名:
吕文超
申请学位级别:
硕士
专业:
控制理论与控制工程
指导教师:
姜建芳
20090608
硕士论文GPRS和无线传感器网络技术在过程控制中的应用与研究
摘要
近年来,无线技术以其独有的优越性,越来越受到工业控制领域的重视。
工业过程控制系统是控制领域的一个重要组成部分,其现场信号离散性高、系统延时大等特点非常适合与无线技术相结合。
本论文在分析了工业过程控制发展现状的基础上,提出了在PLC过程控制系统中引入嵌入式系统、GPRS技术和无线传感器网络技术的整体应用方案。
即嵌入式系统通过Profibus.DP智能从站与PLC通信,利用类似于无线传感器网络的信息无线传输网络实现PLC与生产现场之间的信号通路,并利用GPRS网络实现远程监控计算机对过程控制系统的实时监控。
论文随后详细阐述了系统的软硬件设计方法,以及对软硬件的调试与验证。
其中硬件部分包括控制系统信息无线传输部分的主机板、信息无线传输节点电路板以及现场信号调理板的设计与实现。
软件部分包括对信息无线传输部分主机板gC/OS—II操作系统的移植,TCP/IP协议栈LwIP的移植,以及主机板各通信任务的编写与调试。
论文最后对所做的工作做了简要的总结,并对后续工作做了展望。
关键词:
过程控制系统,PLC,GPRS,无线传感器网络,嵌入式系统
Abstract
硕士论文Abstract
Inrecentyears,thefieldofindustrialcontrolisplacingincreasingemphasisonwirelesstechnologyforitsuniqueadvantages.Theprocesscontrol,asanimportantcomponentinthefieldofindustrialcontrol,isverysuitablewiththewirelesstechnologyascombination.
Basedontheanalysisofthedevelopmentstatusofindustrialprocesscontrolsystem,thispaperput
anoverallsolutionforwardinthePLCcontrolsystem,whichinvolvedtheembeddedsystemandthetechnologyofGPRSandthewirelesssensornetwork（WSN.Inthissolution,theembeddedsystemcommunicatswiththePLCviaanintelligentProfibias-DPslaverstation,withwirelesssignaltransportingnetworkwhichissimilartotheWSNprovidingthesignalpath
betweenthePLCandtheequipmentsandtheGPRSnetworkprovidinganreal—timeremotemonitoring.
Afterthat,thedesignanddebugofthehardwareandsoftwareisdescribedindetail.Amainboard,asignaltransportingnodeboardandasignalconditioningboardweredesignedandimplemented.Thenthedesignoftheembeddedsoftwareisdescribed,suchasthetransplantationoftheembeddedoperationsystem肛C/OS—IIandLwIPwhichservesastheTCP/IPstack.Thecompilinganddebuggingofthecommunicationprogrammesisalsointroduced.
Asummaryandlookoutismadeabouttheworkinthepaperfinally.
Keywords:
Processcontrolsystem,PLC,GPRS,WSN,Embeddedsystem
II
声明
本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。
与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。
研究生签名:
2■年多月7日
学位论文使用授权声明
南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。
对于保密论文,按保密的有关规定和程序处理。
研究生签名:
≯哆年多月7日
硕士论文GPRS和无线传感器网络技术在过程控制中的应用与研究
1绪论
工业过程大致可分为连续过程工业、离散过程工业和间隙过程工业三大类【I】。
连续过程工业在石化、电力、冶金、造纸、化工、医药等多个领域都有着十分广泛的应用。
1991年以来我国公布的产品销售额排名的前十名中,约有80%"-'90%属于连续工业:
按利润排名的前二十名中,连续工业约占70%。
可见连续工业的发展对我国国民经济有着十分重要的意义。
随着我国国民经济的迅速发展,连续工业也以空前的速度增长。
但在生产规模、经济效益、品种、质量以及环境保护等方面与发达国家相比差距仍很大,在国际竞争中面临严峻的形势。
因此,必须采用高新技术改造传统工业,以提高我国工业的国际竞争能力【2J。
本论文在分析了工业过程控制发展现状的基础上,介绍了一种GPRS技术和无线传感器网络技术在过程控制领域的应用方法。
1.1论文研究背景
1.1.1过程控制系统发展现状
我国的过程控制自动化起步于20世纪50年代,图1.1所示为我国过程控制自动化的发展历程和主要技术特征。
图1.1我国过程自动化发展历程
由图可见,在经历了50多年的发展历程后,我国的过程自动化已经进入了基于现l
第l章绪论硕±论立
场总线的分布式智能控制系统的发展阶段。
在这个阶段,可编程逻辑控制器（PLC、分布式控制系统（DCS和工业控制计算机（IPC已经形成了三足鼎立之势。
其中PLC不断融入新技术、新方法,推陈出新,以其高可靠性、逻辑功能强大、体积小、可在线修改程序、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制等特点,已经成为过程控制领域的主流控制设备。
新一代PLC将能够更加满足各种工业自动化控制应用的需要。
从发展趋势看,PLC控制技术将成为实现工业自动化的主要手段,在未来的工业化生产中,PLC技术、机器人技术、CAD/CAM和数控技术将成为实现Z_qk生产自动化的四人支柱技术I’1。
1.1.2典型的PLC过程控制系统
典型的PLC过程控制系统以PLC作为控制器,通过现场总线与被控对象相连,被控对象与PLC的IO端口之间通过导线传输数字量或模拟量信号。
PLC通过工业以太网连接现场的监控计算机,并通过haternet将1业现场的信息发送给远程的监控计算机。
网I2所示为以西门子s7.300PLC为控制器的典型过程控制系统示意图。
远程监控
监控部分
控制器
图1.2典型的PLC过程控制系统
1.1.3无线技术在PLC控制系统中的应用
由于无线技术的迅速发展,无线技术以其独有的优越性,越来越受到工业控制领域的重视。
其优越性主要表现在;
●经济性。
运行有线网络需要耗费大量的人力物力,而无线网络更为经济。
・便于维护。
有线网络在故障时难以排查故障点,维护工作量大,相比之下无线网络的维护则更为简便、快捷。
碗士论文GPRS和无线传感器月结技术在过程控制中的应用与研究
・连通性。
无线网络可以连通人难以到达或有线网络难咀布设的区域。
・节省空间。
无线网络所占用的空间远小于有线网络。
・远距离。
通过GPRS等无线网络可以方便的连接两个或多个远距离甚至超远距离的区域。
基于无线技术的上述优势,国内外工业控制领域的生产厂商都推出了应用于工业控制领域的无线传输设备,例如基于IEEE80211标准的无线远程IO和基于GPRS的无线远程监控系统等。
目前在工业领域常用的无线网络包括基于IEEE80211标准的无线传输网络,基于IEEE802154标准的无线传输网络和中国移动提供的GSM/GPRS网络。
1.1.4课题的提出
GPRS技术具有传输速率高、接入时间短、实时在线和按流量计费的特点,非常适台于为过程控制系统提供远程监控的接八方式。
而基于IEEES0215.4标准的无线传感器【i可络低功耗、高可靠性和能够自组织和自愈合的特点,使其适合于应用在短距离且对实时性和可靠性要求高的工业现场级无线网络。
本课题拟将GPRS和无线传感器网络技术应用于工业过程控制领域,设计一种信息无线传输系统。
按照无线传感器网络的工作方式设计信息无线传输网络,以代替传统的过程控制系统控制嚣与现场设各间的有线连接。
同时利用GPRS技术可以方便快捷的接入互联网的特点,为过程控制系统提供实时、稳定、低成本的无线远程监控连接方式。
提出了如图13所示的应用了IEEE802154无线传感器网络技术和GPRS技术的PLC过程控制系统。
远程监控
监控目:
*
控糊*
图13使用了无线传输技术的过程控制系统
第1章绪论硕士论文1.2作者所做的工作和论文内容安排
1.2.1作者所做的工作
本论文对GPRS和无线传感器网络技术在PLC过程控制系统中的应用进行了研究,并实现了其硬件和主机板软件的设计。
具体工作如下:
（1对GPRS技术和无线传感器网络技术进行了研究,提出系统的总体设计方案,包括系统通信方案的选择,软硬件开发平台的选择以及主要器件的选型。
（2设计并实现了信息无线传输部分的硬件,包括主机板、无线传输节点电路板和现场接口板的原理图和PCB。
（3设计并实现了主机板软件,包括gC/OS.II和嵌入式TCP/IP协议栈LwlP的移植和系统通信任务的编写。
实现了过程控制系统控制器和现场设备间信号的无线传输,以及系统GPRS通信功能。
（4对系统的软硬件分别进行了调试和验证,并在实验室条件下对整个系统进行了验证。
1.2.2论文内容安排
论文共分六章进行叙述。
第一章为绪论,叙述论文的背景和研究意义,作者所作的工作以及论文的组织结构。
第二章主要介绍GPRS和无线传感器网络技术的特点及其在过程控制系统中总体应用方案的设计,包括系统的总体结构和各部分的功能,系统各部分的通信方式,系统的网络结构以及开发环境的选择等。
第三章介绍了信息无线传输部分硬件的设计与实现方法,包括主机板、无线传输节点电路板和现场信号接口板的原理图和PCB设计。
并对其中一些关键电路进行了详细分析,最后就电路板的可靠性设计进行了讨论。
第四章介绍了主机板软件设计,包括lxC/OS.II操作系统和嵌入式网络协议栈LwlP的移植,以及GPRS通信任务、信息无线传输节点通信任务和Profibus—DP通信任务程序的编写等。
第五章叙述系统各部分的调试,并通过一个经典的顺序控制系统“化工混料过程"为过程控制实例对系统进行验证。
第六章总结与展望,对论文所叙述的内容作了总结,并提出了对后续研究的展望。
4
硕士论文GPRS和无线传感器网络技术在过程控制中的应用与研究2GPRS和无线传感器网络技术在过程控制中应用方案
2.1无线传感器网络技术简介
传感器网络是由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成的网络。
借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多人们感兴趣的现象。
在通信方式上,可以采用有线、无线、红外和光等多种形式,但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用,一般称作无线传感器网络【6】【71。
2.1.1IEEE802.15.4协议规范
IEEE802.15.4协议标准是一种新兴的短距离无线射频通信协议,它与蓝牙同属于802.15（聊AN-WirelessPersonalAreaNetworks,无线个域网协议家族,具有低速、低成本、低复杂度等特点。
它的传播距离最远可达100m,传输速率在20kbit/s一-250kbit/s。
可适用于各种自动控制和远程控制领域,以在某些应用场合取代传统的有线方式【8J【9】【10】。
IEEE802.15.4包括用于低速无线个人区域网的物理层（PHY和介质访问控制层（MAC两个规范。
2.1.2无线传感器网络的技术特点
基于IEEE802.15.4的无线传感器网络由于具有廉价、简单、低功耗、低数据传输速率以及工作于免执照的ISM频段的特点,在自动控制、环境监测等领域得到广泛应用,其特点如下【9】:
（1工作频段和数据速率:
IEEE802.15.4工作在工业科学医疗（ISM频段,它定义了2.4GHz频段和868/915MHz频段。
在IEEE802.15.4中,总共分配了27个具有三种速率的信道:
在2.4GHz频段有16个速率为250kbps的信道,在915MHz频段有10个40kbps的信道,在868MHz频段有1个20kbps的信道。
（2简单器件:
在IEEE802.15.4中定义了14个物理层基本参数和35个媒体接入控制层基本参数,共49个。
在IEEE802.15.4中定义了两种器件:
全功能器件（FFD和简化功能器件（RFD。
对全功能器件,要求它支持所有的49个基本参数。
而对简化功能器件,在最小配置时只要求它支持38个基本参数。
（3信标方式和超帧结构:
IEEE802.15.4可以工作于信标使能方式或非信标使能方式。
在信标使能方式中,协调器定期广播信标,以达到相关器件同步。
在非信标使能方式中,协调器不定期地广播信标,而是在器件请求信标时向它单播信标。
在信标使能
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第2章GPRS和无线传感器网络技术在过程控制中应用方案设计硕士论文
方式中使用超帧结构,超帧结构的格式由协调器来定义。
（4数据传输:
在IEEE802.15.4中为了突出低功耗的特点,把数据传输分为以下三种方式:
直接数据传输、间接数据传输、有保证时隙（GTS数据传输。
（5低功耗:
在IEEE802.15.4的数据传输过程中引入了几种延长器件电池寿命或节省功率的机制。
多数机制是基于信标使能的方式,主要是限制器件或协调器的收发信机的开通时间,或者在无数据传输时使它们处于休眠状态。
（6安全性:
IEEE802.15.4在数据传输中提供了三级安全性。
第一级实际是无安全性方式;第二级安全性是器件可以使用接入控制清单（ACL来防止非法器件获取数据,在这一级不采取加密措施;第三级安全性在数据转移中采用属于高级加密标准（AES的对称密码。
（7自组织和自愈合:
IEEE802.15.4在媒体接入控制层中加入了关联和分离功能,以达到支持自组织和自愈合的目的。
自组织是指在无线传感器网络中不像传统网络需要人为指定拓扑结构,其各个节点在部署之后可以自动探测邻居节点并形成网状的最终汇聚到网关节点的多跳路由,整个过程不需人为干预。
同时整个网络具有动态鲁棒性,在任何节点损坏,或加入新节点时,网络都可以自动调节路由随时适应物理网络的变化。
这就是所谓的自愈合特性。
2.2GPRS技术简介
GPRS（GeneralPacketRadioService为通用分组无线业务的简称,是一种基于GSM系统的无线分组交换技术,提供端到端的、广域的无线IP连接。
GPRS充分利用共享的无线信道,采用IPOverPPP实现数据终端的高速、远程接入。
GPRS系统实现了高达171.2kbps理论速率的吞吐量,从而可以实现移动用户Internet接入的需求。
作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术（2.5G,GPRS在许多方面都具有显著的优势【11】【12】:
（1可充分利用现有资源——中国移动全国范围的通信网络——GSM,方便、快速、低建设成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署。
（2传输速率高。
GRPS的理论数据传输速率最高可达到171.2kb/s,完全可以满足用户应用的需求,下一代GPRS业务的速度可以达到384kb/s。
（3接入时间短。
GPRS接入等待时间短,可快速建立连接,平均为2s。
（4提供实时在线功能“alwaysonline”。
用户将始终处于连线和在线状态,这将使访问服务变得非常简单、快速。
（5按流量计费。
GPRS用户只有在发送或接收数据期间才占用资源,用户可以~直在线,按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用,没有数据流量传递时,用户即使挂在网上也是不收费的。
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硕士论文GPRS和无线传感器网络技术在过程控制中的应用与研究
对于GPRS业务,每一用户能够同时占有多个无线信道,同一信道又可以由多个用户所共享,为手机或移动终端用户提供实时在线服务。
GPRS采用根据用户接收或发送数据的字节数来计费,而不考虑通信时间,因此它将更能为用户所接受。
2.3控制系统总体设计
过程控制系统的硬件组成主要包括控制器、监控部分、现场传感器和执行器以及现场与控制器间的信号通路。
本过程控制系统采用西门子S7.300PLC作为控制器,该款PLC的CPU型号为CPU.315PN/DP,带有现场总线Profinet和Profibus.DP接口。
现场监控部分采用运行有监控软件WinCC的PC机,远程监控部分采用运行有OPC服务器和WinCC的PC机。
工业现场部分采用本教研室自行设计的PLC软硬件仿真被控对象实现,该软硬件仿真被控对象能够模拟真实被控对象的信号输入输出和运行时序。
主机板通过Profibus-DP智能从站与PLC通信,该Profibus。
DP智能从站系本教研室自行开发,其控制器为集成有5l内核的单片机AT89S52,使用西门子生产的Profibus.DP从站接口芯片SPC3作为Profibus—DP的接口。
该Profibus.DP智能从站带有RS232接口,用作与主机板的通信端口。
信息无线传输部分由主机板、信息无线传输节点电路板和现场信号调理板组成。
图2.1展示了系统各部分的信号通路。
图2.1系统各部分的信号通路
2.3.1系统中各部分的功能.
PLC为系统控制器,监控部分由位于现场和远程的监控计算机组成。
Profibus.DP
7
一输
陌盯制姒卜圆
第2章GPRS和无线传感器网络技术在过程控制中应用方案设计硕士论文
智能从站作为主机板与现场总线Profibus.DP的接口,实现主机板与PLC的数据交换。
.主机板负责通过Profibus.DP智能从站与PLC进行通信,实现PLC对现场数据的读写。
同时,主机板将现场状态通过GPRS发送到远程监控计算机。
主机板提供与Profibus.DP智能从站、GSM/GPRS无线数据收发模块以及无线传输节点的接口,在操作系统的调度下,完成对各端口数据的接收、处理与转发。
论文中IEEE802.15.4无线网络采用网状拓扑结构,因此无线传输节点分为网关节点和IO节点,其中网关节点为主机板读写IEEE802。
15.4无线网络提供接口。
Io节点负责连接IEEE802.15.4无线网络与工业现场。
现场信号调理板负责数字量信号和模拟量信号的转换。
在数字量的转换上,该电路提供节点的DC3.3V电平信号与现场DC24V电平信号的电平转换。
在模拟量的转换上,该电路提供现场4----20mA的电流信号与节点ADC和DAC能够处理的0--一2.5V电压信号的转换。
2.3.2系统中各部分的实现
（1系统主机板采用“核心板+功能底板”的形式,实现多种接口,其中包括以太网、串口、GSM/GPRS模块接口以及节点接口等,预留USB接口以备后续功能开发;DC24V直流电源输入,内部电压转换;选用工业级器件。
（2无线传输节点采用“MCU+射频收发电路”的形式。
DC3.3V直流电源输入,内部使用低功耗器件。
使用内部集成了ADC和DAC的MCU,并将其与普通IO端口~同引出,作为信号输入输出通道。
采用小封装器件,使电路板尺寸尽量小,以便于集成。
（3现场信号调理板采用DC24V转DC5V的DC/DC电源隔离模块。
使用光电隔离芯片提供数字量信号的隔离和电平转换,接口采取NPN输出。
提供4一.-20mA模拟量的输入输出通道,输入电流通过采样电阻后被调理电路转换成需要的电压信号,输出通道采用调理电路加4一-20mA电流变送器的形式。
加入RS232电平转换电路,以方便调试节点。
2.4开发环境简介
本论文的软件开发环境为ADSl.2。
ADS全称是ARMDeveloperSuRe,用于ARM处理器底层软件的开发。
是ARM公司推出的新一代ARM集成开发工具,现在的版本是1.2,由命令行开发工具,ARM实时库,GUI开发环境（CodeWarrior和AXD,实用程序和支持软件组成Il31。
硬件开发环境为Protel99SE。
Protel99SE是Protel公司2000年推出的基于Windows平台的第六代产品,集强大的设计能力、复杂工艺的可生产性和设计过程管理（PDM
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硕士论文GPRS和无线传感器网络技术在过程控制中的应用与研究
于一体,可完整实现电子产品从电学概念设计到生成物理生产数据的全过程,以及中问的所有分析、仿真和验证（14】。
调试工具为SecureCRT4.1,这是一款串口超级终端工具,比Windows自带的超级终端功能更强大,用来显示主机板的调试信息。
网络调试工具使用网络抓包软件Wireshark。
2.5本章小结
本章首先讨论了GPRS技术与无线传感器网络技术在过程控制系统中的应用方案,以及系统的组成和各部分的功能,并对系统各部分的实现方案作了简介。
本章最后简要介绍了系统的软硬件开发环境以及调试工具。
9
礤±论文GPRS和无线传盛*网络技术在过程控制中的应用与研究
3过程控制系统信息无线传输部分硬件设计与实现
3.1信息无线传输部分硬件总体设计
本工业过程控制系统信息无线传输部分的硬件主要包括两个部分。
一个部分是主机板,该部分主要完成通过Profibus-DP智能从站与PLC进行数据交换,通过IEEE802.15.4无线网络与工业现场的传感器和执行器进行数据交换,并把监控数据通过OPRs网络实时发送给远程监控计算机的功能。
另一部分是工业现场的信号转换模块,这一部分主要实现的是1EEE802.15.4无线网络与工业现场设各间的接口,具体过程是将无线传输节点接收到的来自PLC的控制数据转换为现场执行嚣能够接收的信号,以及对现场传感器发出的模拟量或数字量信号加以转换,并以IEEE802.154网络数据包的
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