基于IEEE1451標準的IP傳感器的設計與實現(xiàn)

關鍵詞:智能傳感器;IP傳感器;網(wǎng)絡化傳感;網(wǎng)絡時延

0 引言
計算機網(wǎng)絡技術與智能傳感器技術的結合首次產(chǎn)生了網(wǎng)絡化智能傳感器這一全新概念。傳感器可以象其它網(wǎng)絡設備一樣作為一個獨立的網(wǎng)絡節(jié)點直接在網(wǎng)絡上傳輸、發(fā)布與共享數(shù)據(jù),可在網(wǎng)絡上任何節(jié)點對現(xiàn)場傳感器進行在線編程和組態(tài)。這種結合極大地促進了傳感器技術的發(fā)展和信息化的進程。現(xiàn)場總線技術的應用促進了傳感器向智能化、網(wǎng)絡化方向發(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成分布式網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)。然而由于歷史的原因,國際上并沒有一個統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準,現(xiàn)存的Profibus,FF,Lonworks,HART和CAN等多種總線標準之間協(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)絡化智能傳感器在工業(yè)上的推廣應用。業(yè)界迫切需要一個具有廣闊應用前景并能被廣泛接受的傳感器接口標準,以解決傳感器之間以及傳感器
與網(wǎng)絡的互聯(lián)問題。

1　基于IEEE1451標準的智能傳感器
1994年IEEE和NIST聯(lián)合發(fā)起合作制訂“智能傳感器接口標準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)絡化智能傳感器標準,同時成立P1451.3和P1451.4工作組對IEEE1451.2標準進行進一步的擴展。IEEE1451標準得到了包括波音、惠普等在內的一些大公司的積極支持。采用通用的A/D或D/A轉換裝置作為智能傳感器接口模塊STIM的I/O接口,將應用的各種傳感器的模擬量轉換成具有標準規(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)絡適配器NCAP連接,使得傳感器數(shù)據(jù)可以按網(wǎng)絡規(guī)定的協(xié)議登臨網(wǎng)絡而成為網(wǎng)絡的一個獨立節(jié)點,并具有網(wǎng)絡節(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標準的應用極大地簡化了網(wǎng)絡化智能傳感器設計。

2　基于嵌入式Internet的IP傳感器
2.1　IP傳感器的提出
IEEE1451標準在很大程度上促進了網(wǎng)絡化智能傳感器技術的發(fā)展。然而,自1997年IEEE1451.2標準頒布以來,該標準并沒有得到廣大傳感器制造商的支持,對該標準的探討還主要停留在學術研究的層面上,難以獲得實際的應用。究其原因,主要表現(xiàn)在以下幾方面。

a.網(wǎng)絡協(xié)議難以統(tǒng)一。IEEE1451.1標準提出的網(wǎng)絡獨立信息模型,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,該標準難有作為。

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

c.NCAP過于復雜而不易低成本實現(xiàn)。IEEE1451.1標準定義的網(wǎng)絡獨立信息模型是一個較為完整的通用模型,從實際應用的角度考慮,該模型過于復雜,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。

值得關注的是,相對于復雜和昂貴的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)絡化智能傳感器標準從基于專有的總線技術向有著更加廣闊應用空間的以太網(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)絡化智能傳感器標準。此外,硅微電子技術的成熟使得在單個芯片中實現(xiàn)復雜結構的微電子機械系統(tǒng)成為現(xiàn)實,不僅解決了嵌入式微控制器與Internet連接的技術問題,同時也使得這種連接費用降低到工業(yè)應用可以接受的程度。這種技術的發(fā)展促使了基于嵌入式Internet的網(wǎng)絡化智能傳感器的出現(xiàn),稱之為IP傳感器。IP傳感器是指基于標準的TCP/IP協(xié)議,采用模塊化結構將傳感器和嵌入式Inter2net技術有機地結合起來的一種新型的網(wǎng)絡化智能傳感器,并作為一個獨立的網(wǎng)絡節(jié)點直接與計算機網(wǎng)絡通信,從而使現(xiàn)場測控數(shù)據(jù)就近登臨網(wǎng)絡,在網(wǎng)絡所能及的范圍內實時發(fā)布和共享。敏感元件輸出的模擬信號經(jīng)A/D轉換及數(shù)據(jù)處理后,由網(wǎng)絡協(xié)議處理器實現(xiàn)TCP/IP數(shù)據(jù)包的封裝和網(wǎng)絡化傳輸。反過來,網(wǎng)絡協(xié)議處理器又能接受網(wǎng)絡上其它節(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)
為了簡化設計,降低成本,IP傳感器在IEEE1451.1標準基礎上對智能傳感器信息模型進行了裁剪,保留了IEEE1451.2標準的STIM結構和功能,并對TEDS進行了擴展,以TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議為載體,借助以太網(wǎng)傳輸傳感器數(shù)據(jù)。IP傳感器在整體結構上主要由兩大部分構成:智能傳感器接口模塊STIM和網(wǎng)絡協(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)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)和命令,進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)絡節(jié)點。

這里,網(wǎng)絡節(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備,STIM用于傳感器接口部分,NPPM用于網(wǎng)絡接口部分。為了協(xié)調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)議為基礎的TII接口,基于ISA標準設計了一個雙端口數(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的基礎上完成了IEEE1451.2標準兼容的STIM結構,ADUC812內置的閃速數(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.以當今最為流行的網(wǎng)絡通信協(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用空間。

b.TCP/IP協(xié)議的應用使得技術人員可通過瀏覽器對IP傳感器進行在線管理和組態(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)絡結構。這意味著測控系統(tǒng)可以根據(jù)需要動態(tài)構建和重組。

d.IEEE1451.2標準的開放性使得基于這個標準的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)絡中的其它節(jié)點,控制節(jié)點是根據(jù)需要從網(wǎng)絡中獲取所需要的數(shù)據(jù),并根據(jù)這些數(shù)據(jù)制訂相應的控制方法和執(zhí)行相應的控制輸出。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)目視應用要求而定,并能根據(jù)需要動態(tài)增加和減少。網(wǎng)絡的選擇既可以是企業(yè)內部的以太網(wǎng),也可以直接是Internet。

3　IP傳感器網(wǎng)絡時延分析
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用。在網(wǎng)絡化測控系統(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)絡負載,可大大降低發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的概率,特別是在低負載的局域網(wǎng)應用場合,IP傳感器還具有廣闊的應用空間。大致上講,基于以太網(wǎng)的分布式傳感器網(wǎng)絡中,設IP傳感器總的網(wǎng)絡時延為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)絡通訊影響,是IP傳感器網(wǎng)絡時延分析的主要研究內容。值得一提的是,網(wǎng)絡時延強烈依賴于網(wǎng)絡負載,要構造精確的網(wǎng)絡時延數(shù)學模型非常困難,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　試驗與結果分析
在Internet應用中,控制報文協(xié)議ICMP主要用于測試目的主機的網(wǎng)絡可達性,任何收到ICMP回送請求的主機都將形成回送應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)絡時延數(shù)值,T_var代表相應的時延平均值。考慮到測試的代表性和IP傳感器可能的應用模式,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,PC機位于華中科技大學)兩種情況在同一時間段(意味著近似的網(wǎng)絡負載)對IP傳感器網(wǎng)絡時延性能進行了測試,測試了不同網(wǎng)絡數(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)計學結果如圖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)絡時延

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

表1 　IP傳感器網(wǎng)絡時延測試結果

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)絡時延總是隨機存在的,但網(wǎng)絡時延的幅值以及幅值變化率卻都是有界的,即網(wǎng)絡時延t_var 總是在一定范圍內隨機變動。數(shù)據(jù)流量對IP傳感器的網(wǎng)絡時延有一定的影響,平均時延T_var 隨著網(wǎng)絡數(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)絡主機進行可靠的數(shù)據(jù)交換,可廣泛應用于非嚴格實時要求的網(wǎng)絡化傳感、測量系統(tǒng)中完成現(xiàn)場設備的信號采集。

5 　結束語
21世紀將是嵌入式Internet的時代,據(jù)有關專家預測,下一代網(wǎng)絡設備中嵌入式設備將大大增加,70%的將是嵌入式設備。如果嵌入式傳感器設備能夠連接到Internet,則可以方便、低廉地將信息傳送到世界上任何一個地方。可以預見,隨著以太網(wǎng)等網(wǎng)絡技術的完善和成熟,基于嵌入式Internet技術所開發(fā)的IP傳感器必將在分布式網(wǎng)絡化傳感、測量和控制應用中得到廣泛的應用,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)絡所能及的任何領域。