江宇琛　盧彪

摘 要：在工業(yè)自動化、汽車制造、能源和電網(wǎng)電力等工業(yè)制造或生產(chǎn)領(lǐng)域中，經(jīng)常需要對離散空間工作場所進行生產(chǎn)或制造車間圖像視頻信號和工作現(xiàn)場機器環(huán)境監(jiān)測性能參數(shù)進行實時監(jiān)控和調(diào)度，以便行政管理部門對工作現(xiàn)場領(lǐng)域進行遠程控制和指揮調(diào)度。為了解決當(dāng)今工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中實時工業(yè)環(huán)境測繪監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能實現(xiàn)跨域傳輸和數(shù)據(jù)速率延時等問題，提出了一種基于基于ZIGBEE協(xié)議的工業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

基于ZIGBEE總線協(xié)議（簡稱ZIGBEE協(xié)議）的工業(yè)企業(yè)環(huán)境測繪監(jiān)測系統(tǒng)信號聯(lián)網(wǎng)跨域的限制，實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場遠程環(huán)境數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)設(shè)備的性能參數(shù)數(shù)據(jù)實時上傳管理，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?、性能和時效性。

關(guān)鍵詞：校企合作；工業(yè)環(huán)境；測繪監(jiān)測系統(tǒng)

一、工業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)的主控制芯片采用SUN公司生產(chǎn)的同構(gòu)四核處理器AthZIGBEE 64，該64位處理器由2組AthZIGBEE 64 X2內(nèi)置芯片和2組AthZIGBEE 64 X4內(nèi)置芯片組成。AthZIGBEE 64 X2內(nèi)核主要實現(xiàn)的功能[4]是處理器VxWorks（嵌入式實時操作系統(tǒng)）的安裝、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議異構(gòu)互連轉(zhuǎn)換和監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交互。AthZIGBEE 64 X4內(nèi)核能夠執(zhí)行一系列高效可靠算法來實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的浮點控制數(shù)據(jù)計算，四個核心芯片之間的數(shù)據(jù)互通是利用片上共享前端總線實現(xiàn)的。遠程監(jiān)控系統(tǒng)的終端層采用支持快速以太網(wǎng)技術(shù)的人機交互HMI系統(tǒng)。

二、工業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計

遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計主要包括了：VxWorks在AthZIGBEE 64上的移植設(shè)計、ZIGBEE協(xié)議在AthZIGBEE 64芯片上的移植設(shè)計、基于三次握手機制的TCP/IP協(xié)議棧在VxWorks上的植入設(shè)計和HIM系統(tǒng)觸摸屏操作面板程序的開發(fā)設(shè)計。

（一）ZIGBEE協(xié)議在AthZIGBEE 64芯片上的移植

ZIGBEE協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)自動化領(lǐng)域中不同工業(yè)設(shè)備之間的智能數(shù)據(jù)交互，是工業(yè)自動化領(lǐng)域使用頻率較高的全雙工并行通訊總線協(xié)議。在遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)中ZIGBEE協(xié)議執(zhí)行的主要功能是在AthZIGBEE 64芯片上完成ZIGBEE協(xié)議的啟動初始化和程序運行過程中斷服務(wù)機制。ZIGBEE協(xié)議初始化啟動為每個AthZIGBEE 64芯片寄存器參數(shù)設(shè)置來執(zhí)行ZIGBEE模塊開始、時間和服務(wù)器參數(shù)、比特值配置和操作模式調(diào)用等功能，然后打開AthZIGBEE 64處理器繼續(xù)執(zhí)行函數(shù)高級中斷、中級中斷和低級中斷功能。AthZIGBEE 64芯片上的ZIGBEE中斷服務(wù)例程任務(wù)包括：測試中斷源、服務(wù)器數(shù)據(jù)采集和服務(wù)器響應(yīng)等。

（二）VxWorks在AthZIGBEE 64芯片上的移植

VxWorks能夠為AthZIGBEE 64芯片提供各類任務(wù)管理的函數(shù)調(diào)度，調(diào)度函數(shù)的功能主要包括：實時調(diào)度TCP/IP協(xié)議棧線程、遠程過程調(diào)度（RFC）、調(diào)度ZIGBEE協(xié)議數(shù)據(jù)的傳輸、調(diào)度遠程文件訪問、調(diào)度Ethernet網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸、BSD套接字兼容的編程接口以及時鐘同步等。

（三）TCP/IP協(xié)議棧在AthZIGBEE 64芯片上的移植

AthZIGBEE 64數(shù)據(jù)幀的傳輸過程主要是靠數(shù)據(jù)幀收發(fā)模塊來處理的。當(dāng)有數(shù)據(jù)幀發(fā)送至幀模塊之后首先啟動啟動Ethernet服務(wù)中斷程序，通過中斷服務(wù)程序接收進程將數(shù)據(jù)幀交給TCP/IP協(xié)議棧進行封裝處理，然后封裝的數(shù)據(jù)包被TCP/IP協(xié)議棧進行數(shù)據(jù)包的分解、復(fù)用、校驗和丟失等處理工作。在這里，幀收發(fā)模塊采用直接數(shù)據(jù)接收處理機制，不需要AthZIGBEE 64內(nèi)核CPU直接處理，使得數(shù)據(jù)幀的傳輸效率和傳輸實時性得到了保障。

（四）VxWorks系統(tǒng)對TCP/IP協(xié)議棧的功能調(diào)用

當(dāng)TCP/IP協(xié)議棧在AthZIGBEE 64芯片上完成移植之后，VxWorks需要調(diào)用TCP/IP協(xié)議棧才能具備網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信功能。TCP/IP協(xié)議在通信過程中主要涉及了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)函數(shù)Data-structure（）、數(shù)據(jù)封裝函數(shù)Data-encapsulation（）、數(shù)據(jù)解封裝函數(shù)Data-decapsulation（）、數(shù)據(jù)進程函數(shù)Data-Process（）和數(shù)據(jù)接收函數(shù)Data-Receives（）的編寫，而VxWorks系統(tǒng)本身設(shè)計了數(shù)據(jù)傳輸過程中涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)，因此在TCP/IP協(xié)議棧的功能調(diào)用時VxWorks系統(tǒng)只要稍加修改便可以實現(xiàn)協(xié)議棧的直接功能調(diào)用。

三、系統(tǒng)測試環(huán)境搭建

系統(tǒng)測試提供1000M光纖IP網(wǎng)絡(luò)，將AthZIGBEE 64核心芯片的網(wǎng)絡(luò)IP地址設(shè)置為168.2.1.1，人機監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)出口路由器IP地址設(shè)置為168.1.1.1，客戶端主機IP地址設(shè)置為192.168.1.1。本地接入路由器IP地址設(shè)置為168.2.1.2，對外端口號設(shè)置為176，數(shù)據(jù)傳輸目的IP地址設(shè)置為192.168.1.2，端口號設(shè)置為176。20套控制終端通過ZIGBEE協(xié)議連到AthZIGBEE 64上，然后上電運行監(jiān)控系統(tǒng)。

作者簡介：江宇琛，宿州學(xué)院學(xué)生（學(xué)號：2020103215）

指導(dǎo)教師：盧彪（1985-），男，宿州學(xué)院專業(yè)教師。

基金項目：安徽省教育廳質(zhì)量工程項目 （專業(yè)服務(wù)安徽省十大新興產(chǎn)業(yè)項目：基于人工智能產(chǎn)業(yè)鏈的“四位融一體促三創(chuàng)”校企合作人才培養(yǎng)模式研究：項目編號：2022sdxx029）；安徽省教育廳高?？茖W(xué)研究重點項目2022AH051379;

【子課題：基于ZIGBEE協(xié)議的工業(yè)企業(yè)環(huán)境測繪監(jiān)測系統(tǒng)研究】