遠(yuǎn)程無線管控體系的設(shè)計(jì)研究

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本文作者：潘高峰、薛軍、謝勇、梁盛 單位：中國衛(wèi)星海上測控部

1引言

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展,測量船所承擔(dān)的任務(wù)呈現(xiàn)高密度、高強(qiáng)度的趨勢,造成碼頭期間的任務(wù)準(zhǔn)備工作越來越繁重,面臨著考核項(xiàng)目多、考核時(shí)間短和多船協(xié)調(diào)對標(biāo)等現(xiàn)實(shí)情況,如何提高對標(biāo)效率、確保安全可靠對標(biāo)成為緊迫的課題。由于保密要求,原研制的遠(yuǎn)程標(biāo)校控制系統(tǒng)無法接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò),而鋪設(shè)專網(wǎng)的耗資巨大,性價(jià)比低,也非首選方案。近些年來,無線通信已經(jīng)成為信息通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的技術(shù),廣泛應(yīng)用于家居、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、航天等領(lǐng)域,已成為信息時(shí)代社會生活不可或缺的一部分[1],這種技術(shù)也為解決測量船遠(yuǎn)程控制標(biāo)校設(shè)備提供了支持。本文通過對常用中遠(yuǎn)距離無線通信方式的比較,擇優(yōu)選擇了無線網(wǎng)橋,采用了橋接中繼的網(wǎng)絡(luò)模式,通過開發(fā)遠(yuǎn)程設(shè)備端的網(wǎng)絡(luò)控制模塊,以及相應(yīng)的控制軟件,實(shí)現(xiàn)了測量船對遠(yuǎn)程設(shè)備的有效、安全控制。

2無線通信方式比較

無線通信技術(shù)是利用電磁波信號在自由空間中進(jìn)行信息傳播的一種通信方式,按技術(shù)形式可分為兩類:一是基于蜂窩的接入技術(shù),如蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)、通用分組無線傳輸技術(shù)、EDGE等;二是基于局域網(wǎng)的技術(shù),如WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距離無線通信技術(shù)等。在中遠(yuǎn)距離無線通信常用的有ISM頻段的通信技術(shù)(比如ZigBee以及其他頻段的數(shù)傳模塊等)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(比如GSM、GPRS以及無線網(wǎng)橋等)。基于ISM頻段的數(shù)傳模塊的通信頻率為公共頻段,產(chǎn)品開發(fā)沒有限制,因此發(fā)展非常迅速,得到了廣泛應(yīng)用。特別是近年來新興的ZigBee技術(shù),因其低功耗、低復(fù)雜度、低成本,尤其是采用自組織方式組網(wǎng),對網(wǎng)段內(nèi)設(shè)備數(shù)量不加限制,可以靈活地完成網(wǎng)絡(luò)鏈接,在智能家居、無線抄表等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)中得到應(yīng)用[2]。但是,對于本系統(tǒng)的開發(fā)而言,需要分別研制控制點(diǎn)和被控制點(diǎn)的硬件模塊,并需通過軟件配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,開發(fā)周期長,研制成本高,故非本系統(tǒng)開發(fā)的最優(yōu)方案。

GSM、GPRS這種無線移動通信技術(shù)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ鞅夭豢缮俚牟糠?在其他如無線定位、遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域的應(yīng)用也屢見不鮮[3],但是由于保密、通信費(fèi)用、開發(fā)成本等因素,也無法適用于本系統(tǒng)的開發(fā)。而無線網(wǎng)橋?yàn)楸鞠到y(tǒng)的低成本、高效率的研發(fā)提供了有利支持,是開發(fā)本系統(tǒng)的首選無線通信方式。無線網(wǎng)橋是無線網(wǎng)絡(luò)的橋接,它可在兩個或多個網(wǎng)絡(luò)之間搭起通信的橋梁,也是無線接入點(diǎn)的一個分支。無線網(wǎng)橋工作在2•4GHz或5•8GHz的免申請無線執(zhí)照的頻段,因而比其他有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更方便部署,特別適用于城市中的近距離、遠(yuǎn)距離通信。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是以保障測量船對遠(yuǎn)端標(biāo)校設(shè)備的有效控制為目標(biāo),包括標(biāo)校設(shè)備的開關(guān)機(jī)、狀態(tài)參數(shù)的采集等,主要由測量船控制微機(jī)、標(biāo)校設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)控制模塊、主控微機(jī)以及無線網(wǎng)橋等組成。工作流程為測量船控制微機(jī)或主控微機(jī)發(fā)送控制指令,通過無線網(wǎng)橋進(jìn)行信息傳播,網(wǎng)絡(luò)控制模塊接收、解析指令,按照Modbus協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式通過串口發(fā)給某一標(biāo)校設(shè)備,該標(biāo)校設(shè)備響應(yīng)控制指令并執(zhí)行;網(wǎng)絡(luò)控制模塊定時(shí)發(fā)送查詢指令,并將采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)打包,通過無線發(fā)給遠(yuǎn)程控制微機(jī),便于操作人員監(jiān)視。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用UDP方式,對于測量船控制微機(jī)、主控微機(jī)僅需按照一定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送或接收UDP包即可。網(wǎng)絡(luò)控制模塊是系統(tǒng)的核心部件,是本文研究、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。目前,常用的網(wǎng)絡(luò)芯片主要有ENC28J60、CP2200等,這里選用了ENC28J60,設(shè)計(jì)、加工了基于STC89C52RC單片機(jī)的硬件電路。通過網(wǎng)絡(luò)信息處理軟件模塊的開發(fā),滿足了網(wǎng)絡(luò)信息交互的功能要求;通過Modbus串口協(xié)議軟件模塊的開發(fā),滿足了標(biāo)校設(shè)備監(jiān)控功能,從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.1組網(wǎng)模式

無線網(wǎng)橋有3種工作方式,即點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)、中繼連接。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求以及環(huán)境因素,本系統(tǒng)采用了中繼連接的方式,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。從圖中可以清晰看出,這種中繼連接方式在遠(yuǎn)程控制端布置兩個無線網(wǎng)橋,分別與主控點(diǎn)和客戶端進(jìn)行通信,通過網(wǎng)絡(luò)控制模塊完成數(shù)據(jù)交互,從而完成組網(wǎng)。

3.2安全防范

由于是開放性設(shè)計(jì),無線網(wǎng)絡(luò)安全是一個必須考慮的問題。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是非定時(shí)或全天候開機(jī),涉密數(shù)據(jù)僅為頻點(diǎn)參數(shù),而被控設(shè)備自身均有保護(hù)措施(協(xié)議保護(hù))。因此,系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮接入點(diǎn)防范、防止攻擊,采取的措施有登錄密碼設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)密匙設(shè)置、固定IP、對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體的涉密數(shù)據(jù)采取動態(tài)加密等方式,從而最大限度地防止了“被黑”。同時(shí),采用了網(wǎng)絡(luò)防雷器來防護(hù)雷電破壞。

3.3網(wǎng)絡(luò)控制模塊設(shè)計(jì)

3.3.1硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)控制模塊的功能是收命令信息、發(fā)狀態(tài)信息,并通過串口與標(biāo)校設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息交互,其硬件電路主要由MCU(微控制單元)、ENC28J60(網(wǎng)絡(luò)芯片)、Max232(串口芯片)以及外圍電路組成,其電原理圖如圖2所示。硬件設(shè)計(jì)的核心是MCU、網(wǎng)絡(luò)芯片的選型,本系統(tǒng)MCU選用的STC89C52RC單片機(jī),是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,可直接使用串口下載,為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。ENC28J60是由M-icrochip公司出的一款高集成度的以太網(wǎng)控制芯片,其接口符合IEEE802.3協(xié)議,僅28個引腳就可提供相應(yīng)的功能,大大簡化了相關(guān)設(shè)計(jì)。ENC28J60提供了SPI接口,與MCU的通信通過兩個中斷引腳和SPI實(shí)現(xiàn),數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mbit/s。ENC28J60符合IEEE802.3的全部規(guī)范,采用了一系列包過濾機(jī)制對傳入的數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制,它提供了一個內(nèi)部DMA模塊,以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗(yàn)和計(jì)算[4]。ENC28J60對外網(wǎng)絡(luò)接口采用HR911102A,其內(nèi)置有網(wǎng)絡(luò)變壓器、電阻網(wǎng)絡(luò),并有狀態(tài)顯示燈,具有信號隔離、阻抗匹配、抑制干擾等特點(diǎn),可提高系統(tǒng)抗干擾能力和收發(fā)的穩(wěn)定性。

3.3.2軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)控制模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分,一是基于SPI總線的ENC28J60的驅(qū)動程序編寫,包括以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)定義、初始化和數(shù)據(jù)收發(fā);二是Modbus協(xié)議編制,其軟件流程如圖3所示。

3.3.2.1ENC28J60的驅(qū)動程序編寫

(1)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀的長度是介于64~1516byte之間,主要由目標(biāo)MAC地址、源MAC地址、類型/長度字段、數(shù)據(jù)有效負(fù)載、可選填充字段和循環(huán)冗余校驗(yàn)組成。另外,在通過以太網(wǎng)介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí),一個7byte的前導(dǎo)字段和1byte的幀起始定界符被附加到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的開頭。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)如圖4所示。(2)驅(qū)動程序編寫1)ENC28J60的寄存器讀寫規(guī)則由于ENC28J60芯片采用的是SPI串行接口模式,其對內(nèi)部寄存器讀寫的規(guī)則是先發(fā)操作碼<前3bit>+寄存器地址<后5bit>,再發(fā)送欲操作數(shù)據(jù)。通過不同操作碼來判別操作時(shí)讀寄存器(緩存區(qū))還是寫寄存器(緩沖區(qū))或是其他。2)ENC28J60芯片初始化程序ENC28J60發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包前必須進(jìn)行初始化設(shè)置,主要包括定義收發(fā)緩沖區(qū)的大小,設(shè)置MAC地址與IP地址以及子網(wǎng)掩碼,初始化LEDA、LEDB顯示狀態(tài)通以及設(shè)置工作模式,常在復(fù)位后完成,設(shè)置后不需再更改。3)ENC28J60發(fā)送數(shù)據(jù)包ENC28J60內(nèi)的MAC在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)會自動生成前導(dǎo)符合幀起始定界符。此外,也會根據(jù)用戶配置以及數(shù)據(jù)具體情況自動生成數(shù)據(jù)填充和CRC字段。主控器必須把所有其他要發(fā)送的幀數(shù)據(jù)寫入ENC28J60緩沖存儲器中。另外,在待發(fā)送數(shù)據(jù)包前要添加一個包控制字節(jié)。包控制字節(jié)包括包超大幀使能位(PHUGEEN)、包填充使能位(PPADEN)、包CRC使能位(PCRCEN)和包改寫位(POVERRIDE)4個內(nèi)容。4)ENC28J60接收數(shù)據(jù)包如果檢測到EIR.PKTIF為1,并且EPKTCNT寄存器不為空,則說明接收到數(shù)據(jù),進(jìn)行相應(yīng)處理。

3.3.2.2ModBus協(xié)議流程

本系統(tǒng)ModBus協(xié)議的數(shù)據(jù)通信采用RTU模式[5],網(wǎng)絡(luò)控制模塊作為主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)(標(biāo)校設(shè)備)通過串口建立連接,主節(jié)點(diǎn)定時(shí)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢命令,對應(yīng)從節(jié)點(diǎn)響應(yīng)命令向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息。當(dāng)偵測到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí),從ENC28J60接收數(shù)據(jù)包中解析出命令,將對應(yīng)的功能代碼以及數(shù)據(jù),按照Modbus數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行組幀,發(fā)送給從節(jié)點(diǎn);對應(yīng)從節(jié)點(diǎn)響應(yīng)控制命令,進(jìn)行設(shè)備參數(shù)設(shè)置。

4系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)證

試驗(yàn)調(diào)試環(huán)境按照圖1進(jìn)行布置,主要包括5個無線網(wǎng)橋、1個主控制點(diǎn)、2個客戶端、1塊網(wǎng)絡(luò)控制模塊板以及標(biāo)校設(shè)備等,主要測試有網(wǎng)絡(luò)通信效果、網(wǎng)絡(luò)控制能力以及簡單的安全防護(hù)測試。測試結(jié)論:網(wǎng)絡(luò)連接可靠,各控制點(diǎn)均能安全地對遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行控制,具備一定安全防護(hù)能力,完全滿足遠(yuǎn)程設(shè)備控制要求。

5結(jié)束語

本文從實(shí)際需要出發(fā),通過對當(dāng)下流行的無線通信技術(shù)的比較,選用無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)控系統(tǒng)組網(wǎng);通過開發(fā)網(wǎng)絡(luò)控制模塊,以及相應(yīng)的控制軟件編制,研制了一套用于測量船遠(yuǎn)程控制設(shè)備的系統(tǒng)。經(jīng)幾艘測量船的應(yīng)用表明,采用無線網(wǎng)橋進(jìn)行組網(wǎng)完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,具有高安全性、高可靠性、高擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn),在日趨繁重的保障任務(wù)中發(fā)揮了重要的作用。本系統(tǒng)所采用的無線組網(wǎng)方法,以及硬件電路的設(shè)計(jì)方案,對其他相關(guān)控制領(lǐng)域均有一定的參考價(jià)值。