基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的IP傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)

關(guān)鍵詞:智能傳感器;IP傳感器;網(wǎng)絡(luò)化傳感;網(wǎng)絡(luò)時延

0 引言
計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與智能傳感器技術(shù)的結(jié)合首次產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器這一全新概念。傳感器可以象其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一樣作為一個獨立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸、發(fā)布與共享數(shù)據(jù),可在網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點對現(xiàn)場傳感器進(jìn)行在線編程和組態(tài)。這種結(jié)合極大地促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展和信息化的進(jìn)程?，F(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了傳感器向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。在自動化過程的測量控制級,眾多的智能傳感器通過現(xiàn)場總線連接在一起構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)。然而由于歷史的原因,國際上并沒有一個統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)存的Profibus,FF,Lonworks,HART和CAN等多種總線標(biāo)準(zhǔn)之間協(xié)議互不兼容,互操作性差,各種現(xiàn)場總線產(chǎn)品既不能互連互換,也不能統(tǒng)一組態(tài),給系統(tǒng)的擴展、維護等帶來不利的影響。要保證所設(shè)計的傳感器完全滿足這些協(xié)議比較困難甚至根本不可能,從而大大限制了網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器在工業(yè)上的推廣應(yīng)用。業(yè)界迫切需要一個具有廣闊應(yīng)用前景并能被廣泛接受的傳感器接口標(biāo)準(zhǔn),以解決傳感器之間以及傳感器
與網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)問題。

1　基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器
1994年IEEE和NIST聯(lián)合發(fā)起合作制訂“智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE1451”。經(jīng)過多年的努力,分別于1997年和1999年通過了IEEE1451.2和IEEE1451.1網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器標(biāo)準(zhǔn),同時成立P1451.3和P1451.4工作組對IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步的擴展。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)得到了包括波音、惠普等在內(nèi)的一些大公司的積極支持。采用通用的A/D或D/A轉(zhuǎn)換裝置作為智能傳感器接口模塊STIM的I/O接口,將應(yīng)用的各種傳感器的模擬量轉(zhuǎn)換成具有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定格式的數(shù)據(jù),連同傳感器電子數(shù)據(jù)表TEDS與網(wǎng)絡(luò)適配器NCAP連接,使得傳感器數(shù)據(jù)可以按網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的協(xié)議登臨網(wǎng)絡(luò)而成為網(wǎng)絡(luò)的一個獨立節(jié)點,并具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組態(tài)性和互操作性。TEDS存儲了描述一個STIM所需的全部信息:制造商、數(shù)據(jù)格式、物理單位、序列號、測量范圍以及校正系數(shù)等。這些數(shù)據(jù)可以提供給NCAP或系統(tǒng)的其它部分,以用于STIM的自我描述與校正。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用極大地簡化了網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器設(shè)計。

2　基于嵌入式Internet的IP傳感器
2.1　IP傳感器的提出
IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)在很大程度上促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器技術(shù)的發(fā)展。然而,自1997年IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)頒布以來,該標(biāo)準(zhǔn)并沒有得到廣大傳感器制造商的支持,對該標(biāo)準(zhǔn)的探討還主要停留在學(xué)術(shù)研究的層面上,難以獲得實際的應(yīng)用。究其原因,主要表現(xiàn)在以下幾方面。

a.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議難以統(tǒng)一。IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)提出的網(wǎng)絡(luò)獨立信息模型,從理論上解決了多種總線協(xié)議之間互不兼容和不能互操作所帶來的傳感器接口問題。然而,在各總線技術(shù)廠商為維護自身利益仍各自為陣,不愿推廣使用的情況下,該標(biāo)準(zhǔn)難有作為。

b.傳感器獨立接口不具有廣闊的應(yīng)用前景。IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個以串行外設(shè)接口協(xié)議為基礎(chǔ)的數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)TII,對于高速、高精的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器以及其它的高頻場合,該接口將難以勝任。

c.NCAP過于復(fù)雜而不易低成本實現(xiàn)。IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)定義的網(wǎng)絡(luò)獨立信息模型是一個較為完整的通用模型,從實際應(yīng)用的角度考慮,該模型過于復(fù)雜,難以實現(xiàn),缺乏一個功能相對簡單的智能傳感器信息模型。

值得關(guān)注的是,相對于復(fù)雜和昂貴的NCAP,可以低成本實現(xiàn)的STIM,得到了眾多傳感器用戶的喜愛,并推動網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)從基于專有的總線技術(shù)向有著更加廣闊應(yīng)用空間的以太網(wǎng)方向發(fā)展。這種發(fā)展必將帶來一個新的“事實上的”網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)。此外,硅微電子技術(shù)的成熟使得在單個芯片中實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微電子機械系統(tǒng)成為現(xiàn)實,不僅解決了嵌入式微控制器與Internet連接的技術(shù)問題,同時也使得這種連接費用降低到工業(yè)應(yīng)用可以接受的程度。這種技術(shù)的發(fā)展促使了基于嵌入式Internet的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的出現(xiàn),稱之為IP傳感器。IP傳感器是指基于標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議,采用模塊化結(jié)構(gòu)將傳感器和嵌入式Inter2net技術(shù)有機地結(jié)合起來的一種新型的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器,并作為一個獨立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點直接與計算機網(wǎng)絡(luò)通信,從而使現(xiàn)場測控數(shù)據(jù)就近登臨網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)絡(luò)所能及的范圍內(nèi)實時發(fā)布和共享。敏感元件輸出的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理后,由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器實現(xiàn)TCP/IP數(shù)據(jù)包的封裝和網(wǎng)絡(luò)化傳輸。反過來,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器又能接受網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點傳給自己的數(shù)據(jù)和命令,實現(xiàn)對本節(jié)點的操作。

2.2　IP傳感器原型實現(xiàn)
為了簡化設(shè)計,降低成本,IP傳感器在IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上對智能傳感器信息模型進(jìn)行了裁剪,保留了IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的STIM結(jié)構(gòu)和功能,并對TEDS進(jìn)行了擴展,以TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為載體,借助以太網(wǎng)傳輸傳感器數(shù)據(jù)。IP傳感器在整體結(jié)構(gòu)上主要由兩大部分構(gòu)成:智能傳感器接口模塊STIM和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器模塊NPPM。NPPM主要用于TCP/IP協(xié)議報文的收發(fā)和解析。一方面,接收其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)和命令,進(jìn)行報文解析后將指令交由STIM執(zhí)行;另一方面,接收STIM的數(shù)據(jù),完成報文封裝后傳輸給指定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

這里,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點既可以是一臺PC機,也可以是其它的IP傳感器。顯然IP傳感器實質(zhì)上就是將STIM和NPPM集成在一起的一個具有以太網(wǎng)通訊功能的嵌入式設(shè)備,STIM用于傳感器接口部分,NPPM用于網(wǎng)絡(luò)接口部分。為了協(xié)調(diào)STIM和NPPM之間的數(shù)據(jù)通訊,IP傳感器摒棄了難以實現(xiàn)的以同步串行數(shù)據(jù)傳送協(xié)議為基礎(chǔ)的TII接口,基于ISA標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了一個雙端口數(shù)據(jù)緩沖器DPBI來保證2者之間可靠的數(shù)據(jù)交換和STIM擴展?；谕ㄓ玫?位微處理器所開發(fā)的IP傳感器,是以UBICOM公司的SX52BD為基礎(chǔ)實現(xiàn)了簡化的智能傳感器信息模型NPPM,在ADI公司ADUC812的基礎(chǔ)上完成了IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)兼容的STIM結(jié)構(gòu),ADUC812內(nèi)置的閃速數(shù)據(jù)存儲器用于TEDS實現(xiàn)以支持分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下IP傳感器的自識別和自描述。IP傳感器具有如下優(yōu)點。

a.以當(dāng)今最為流行的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議TCP/IP為載體,利用廉價的Internet傳輸傳感器數(shù)據(jù)。這意味著IP傳感器有著更為廣闊的應(yīng)用空間。

b.TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用使得技術(shù)人員可通過瀏覽器對IP傳感器進(jìn)行在線管理和組態(tài)。這意味著基于以太網(wǎng)實施分布式網(wǎng)絡(luò)化測控成為可能。

c.IP傳感器具有的“即插即用”使得其能被動態(tài)的插拔到現(xiàn)有系統(tǒng),而無須變動任何的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這意味著測控系統(tǒng)可以根據(jù)需要動態(tài)構(gòu)建和重組。

d.IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的開放性使得基于這個標(biāo)準(zhǔn)的IP傳感器將具有很大的柔性。意味著基于IP傳感器的系統(tǒng)具有良好的可擴展性和可維護性。典型的基于IP傳感器的分布式測量控制系統(tǒng)是由一個公共的網(wǎng)絡(luò)將多個IP傳感器、控制節(jié)點及中央控制單元連接在一起。IP傳感器用來實現(xiàn)參數(shù)測量并將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點,控制節(jié)點是根據(jù)需要從網(wǎng)絡(luò)中獲取所需要的數(shù)據(jù),并根據(jù)這些數(shù)據(jù)制訂相應(yīng)的控制方法和執(zhí)行相應(yīng)的控制輸出。整個系統(tǒng)中,每個傳感器節(jié)點和控制節(jié)點是相互獨立且能夠自治,控制節(jié)點和IP傳感器的數(shù)目視應(yīng)用要求而定,并能根據(jù)需要動態(tài)增加和減少。網(wǎng)絡(luò)的選擇既可以是企業(yè)內(nèi)部的以太網(wǎng),也可以直接是Internet。

3　IP傳感器網(wǎng)絡(luò)時延分析
IP傳感器是以TCP/IP協(xié)議為載體借助以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的,其數(shù)據(jù)傳輸性能不可避免地受到網(wǎng)絡(luò)時延的限制,而且將直接影響到IP傳感器能否獲得廣泛的實際應(yīng)用。在網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)中,IP傳感器和控制節(jié)點通過以太網(wǎng)連接在一起。不同的路由選擇使得傳感器數(shù)據(jù)包沿著不同的線路傳輸,加上CSM/ACD固有的傳輸不確定性導(dǎo)致了IP傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟环€(wěn)定性和傳輸時延的隨機性。然而隨著交換式集線路的使用、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率的提高,這個問題已得到重要改善。通過限制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,可大大降低發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的概率,特別是在低負(fù)載的局域網(wǎng)應(yīng)用場合,IP傳感器還具有廣闊的應(yīng)用空間。大致上講,基于以太網(wǎng)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)中,設(shè)IP傳感器總的網(wǎng)絡(luò)時延為T_TOT,則有:
T_TOT=T_c+T_v+T_p
式中　
T_c———通訊時延
T_v———擾動時延
T_p———執(zhí)行時延

顯然,僅T_c和T_v受網(wǎng)絡(luò)通訊影響,是IP傳感器網(wǎng)絡(luò)時延分析的主要研究內(nèi)容。值得一提的是,網(wǎng)絡(luò)時延強烈依賴于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,要構(gòu)造精確的網(wǎng)絡(luò)時延數(shù)學(xué)模型非常困難,在微觀上沒有規(guī)律可遵循,而只能從宏觀上研究其統(tǒng)計特征。

4　試驗與結(jié)果分析
在Internet應(yīng)用中,控制報文協(xié)議ICMP主要用于測試目的主機的網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性,任何收到ICMP回送請求的主機都將形成回送應(yīng)答并把它返還給最初的發(fā)送者,所返回的數(shù)據(jù)往返時間RTT實際上是數(shù)據(jù)包從源端被發(fā)送到目的機后并返回源端的時間總和,可近似反映T_c,T_v總和的變化。本文基于ICMP協(xié)議測試IP傳感器的網(wǎng)絡(luò)時延性能,通過PC機等時間間隔的向IP傳感器發(fā)送ICMP回送請求,統(tǒng)計RTT分布。令t_var=T_c+T_v≈RTT,這代表單次測試中的網(wǎng)絡(luò)時延數(shù)值,T_var代表相應(yīng)的時延平均值?？紤]到測試的代表性和IP傳感器可能的應(yīng)用模式,分局域網(wǎng)(IP傳感器和PC機位于同一個子網(wǎng))和廣域網(wǎng)(IP傳感器位于上海交通大學(xué),PC機位于華中科技大學(xué))兩種情況在同一時間段(意味著近似的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載)對IP傳感器網(wǎng)絡(luò)時延性能進(jìn)行了測試,測試了不同網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包下IP傳感器平均時延的變化情況。IP傳感器在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)環(huán)境下t_var和T_var的分布情況和統(tǒng)計學(xué)結(jié)果如圖1、圖2和表1所示。


圖1 　數(shù)據(jù)包為1024字節(jié)時IP傳感器的網(wǎng)絡(luò)時延

圖2 　不同網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包下IP傳感器平均時延分布

表1 　IP傳感器網(wǎng)絡(luò)時延測試結(jié)果

從圖中可以看出,如果不考慮數(shù)據(jù)包丟失和個別異常情況,雖然IP傳感器的網(wǎng)絡(luò)時延總是隨機存在的,但網(wǎng)絡(luò)時延的幅值以及幅值變化率卻都是有界的,即網(wǎng)絡(luò)時延t_var 總是在一定范圍內(nèi)隨機變動。數(shù)據(jù)流量對IP傳感器的網(wǎng)絡(luò)時延有一定的影響,平均時延T_var 隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的增大而呈現(xiàn)顯微的由小到大的變化過程。

實驗結(jié)果表明,經(jīng)過一定的傳輸時延后(對于1024字節(jié)的數(shù)據(jù)包,考慮到90%的概率,局域網(wǎng)為23～36ms,廣域網(wǎng)為408～580ms) , IP傳感器可基于以太網(wǎng)與其它的網(wǎng)絡(luò)主機進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)交換,可廣泛應(yīng)用于非嚴(yán)格實時要求的網(wǎng)絡(luò)化傳感、測量系統(tǒng)中完成現(xiàn)場設(shè)備的信號采集。

5 　結(jié)束語
21世紀(jì)將是嵌入式Internet的時代,據(jù)有關(guān)專家預(yù)測,下一代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中嵌入式設(shè)備將大大增加,70%的將是嵌入式設(shè)備。如果嵌入式傳感器設(shè)備能夠連接到Internet,則可以方便、低廉地將信息傳送到世界上任何一個地方?？梢灶A(yù)見,隨著以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的完善和成熟,基于嵌入式Internet技術(shù)所開發(fā)的IP傳感器必將在分布式網(wǎng)絡(luò)化傳感、測量和控制應(yīng)用中得到廣泛的應(yīng)用,并將帶來測控系統(tǒng)本身新的變革:現(xiàn)場傳感器將與普通計算機一樣成為網(wǎng)絡(luò)中的獨立節(jié)點,傳感器信息可以不受時間和空間的限制跨越網(wǎng)絡(luò)所能及的任何領(lǐng)域。