基于WIA-PA的HSE系统节点设计

摘要：针对传统仪器仪表的缺点，介绍了一种基于WIA-PA工业无线网络标准的HSE系统节点设计方案。采用基于IEEE 802．15．4无线协议的射频芯片CC2420和16位超低功耗单片机MSP430F1161，分析并将系统模块化，给出模块设计与具体流程。
关键词：WIA-PA；HSE；工业无线网络

引言
工业环境不仅影响企业的生产运行和生产效率，同时也影响企业员工的健康状态。对工业环境的实时监测不仅可以保障企业正常运行、降低事故风险，更能保障员工的生命安全。健康、安全和环境在企业的生产过程中有着密不可分的联系，因而把健康(Health)、安全(Safety)和环境(Environment)等要素整合成一个完整的体系是现代化工业的必然选择。HSE(Health，Safety and Environment健康、安全和环境体系)是20世纪80年代后期发展起来的工业监测体系，通过对工业环境的监测，进行风险识别和危害评估，确定工厂活动可能发生的危害和健康隐患，采取系统化的监测管理预警机制和控制措施，消除各类健康、安全和环境隐患，尽可能地减少人员伤害、财产损失和环境污染，实现企业的可持续发展。

1 WIA-PA技术简介
传统的工业自动化过程自动化水平低、集成难度大。首先，系统线路架设困难，恶劣环境的工程布线还具有一定的危险程度；其次，系统布线复杂度大，限制了系统的扩展和自动化程度；再者，电缆易老化腐蚀，系统长期运行可靠性降低，不仅系统的安装调试需要大量时间，而且维护难度也大。工业无线网络是21世纪初新兴的、以工业应用为目的、面向设备间信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业现场环境下使用，部署成本低、使用简单、维护简便、灵活性高、扩展性强，同时还具有强抗干扰、超低功耗、高可靠性、实时通信等特点。因此，近几年来一些国际组织正积极推进工业无线网络技术的标准化进程，目前主流的工业无线网络标准主要有WIA-PA、Wireless-HART和ISA-SP100。
WIA-PA标准是中国工业无线联盟针对过程自动化领域的迫切需求而率先制定的，定义了用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范。WIA-PA采用星型和Mesh结合的双层混合网络拓扑结构，如图1所示。第一层Mesh结构由网关及路由设备构成，结构灵活、健壮性好，同时具有自组织和自愈能力；第二层星型结构由路由设备及现场设备或手持设备构成，结构简单，易于集中控制，通信距离短，实时性好，又能保证端用户设备在网络结构中的独立性。相比较而言，Wireless-HART采用的是单层Mesh结构，网络结构单一。ISA-SP100网络拓扑结构和WIA-PA相同，不同的是ISA-SP100在路由器和网关的Mesh层采用的是IEEE 802．11协议，而路由设备及终端设备或手持设备所在的星型层采用的是IEEE 802．15．4协议。不同于ISA-SP100，WIA-PA和Wireless-HART都是基于IEEE 802．15．4协议。

WIA-PA的主要技术特征如下：
①集中式和分布式管理：网关可下放管理权限给路由设备，既可提高网络效率，又方便用户使用和管理；
②聚合与解聚：支持报文的聚合与解聚，减少网络开销，延长电池寿命；
③TDMA／CSMA混合接入模式：通过TDMA／CSMA混合接入模式支持周期和非周期性通信；
④扩频通信与窄带通信：在2．4 GHz基础上，支持433 MHz低频窄带通信，并能无缝地集成到同一网络中；
⑤兼容IEEE 802．15．4标准：符合IEEE 802．15．4标准的设备也能加入WIA-PA网络。
工业通信中可靠性十分重要，WIA-PA也提供了多种措施以保护传输的可靠性；
①全网TDMA模式：全网的时间同步精度达到μs级，避免报文冲突；
②自适应调频技术：在DSSS的基础上引入FHSS的思想，采用根据信道状态自适应跳频机制，可以有效地抑制突发性干扰，提高点到点通信的抗干扰能力；
③自动重传机制：链路层采用自动请求重传机制，应用层采用面向连接(connection-oriented)的数据传输技术，保证报文传输的成功率；
④Mesh路由：每个设备至少有两条可用的通信路径，以提高端到端通信的可靠性；
⑤设备冗余：可选冗余网管设备，增强系统鲁棒性。

2 硬件设计
节点设备在WIA-PA网络中处于第二层——星型层，与传统的仪器相比，增加了无线传输模块，设备可以接入WIA-PA网络，无需现场布线，且可由电池供电，方便使用。设备通过检测WIA-PA网络中的超帧信号加入WIA-PA网络，传感器采集数据使用2．4 GHz频段传送数据，最大传输速率为250 kbps，室外的最大通信距离为1000 m，室内的最大通信距离为200 m，设备数据发送周期可以达到1 s。节点的硬件总体框图如图2所示，主要包括传感器模块、无线通信模块和电源模块。

2．1 传感器模块
传感器模块负责采集环境参数，主要对环境温度、环境湿度和综合空气质量进行采集。温度传感器采用ADT7301ARMZ，通过SPI与MCU通信；湿度传感器和综合空气质量传感器分别采用HIH-4010-003和QS-01，均为模拟输出，通过ADC输入到MCU。以上传感器的数据由MCU读取后，再由MCU进行数据的预处理。
ADT7301ARMZ是一款高度集成的高精度数字温度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。该传感器包含一个带隙材料制成的温度敏感元件、一个13位ADC转换器和一个串行接口电路。串口电路兼容SPI、QSPI、MICROWIRE协议和DSPs，可以很方便地与其他微处理器／微控制器直接通信。传感器工作温度范围为-40～155℃，转换精度为±0．5℃。此外，ADT7301ARMZ也有着较宽的工作电压(2．7～5．5 V)，提供待机模式，待机模式下电流低至1μA，非常适合电池供电和低功耗工业测量应用。
HIH-4010-003湿度传感器为内置信号处理单元、经激光修正的热固聚合物电容式感应元件，感应元件采用多层结构，使传感器对大多数应用环境中的不利因素(如潮湿、多尘、脏污、油类和普通化学环境)具备良好的抵抗性能。HIH-4010-003工作湿度为0％RH～100％RH；在典型工作电压5 V下，工作电流仅为200μA，功耗低，典型响应时间为5 s，响应速度快；输出接近线形，稳定而且漂移低。传感器在标定数据的最佳拟合曲线下输出精度为±3．5％RH。为了使得传感器输出模拟量能够转换为具有实际意义的物理量，同时还要获得上述精度，需要进行数据变换处理和温度补偿修正处理。可以用如下公式，将获得的输出值转换为实际湿度值：
Sensor_RH=(R-Zero_offset)／θ
Real_RH=(Sensor_RH)／(1．054 6--0．002 16T)
式中，Sensor_RH为计算所得湿度值；Real_RH为实际空气湿度值；R为输出电压值；Zero_offset为零点漂移；θ为输出电压随湿度变化的斜率；T为温度值。
HIH-4010-003的标定数据分别为：Zero_offset为0．958 V、θ为30．680 mV／％RH。
QS-01是一种二氧化锡半导体气体传感器，对气态的空气污染(如香烟、氨气、酒精、硫化氢、一氧化碳、氢气、VOCs等)有很高的灵敏度，响应时间快，功耗低。室内空气污染存在许多潜在重要来源，大致有如下几个：首先是燃烧附属产物，主要指在采暖和烹饪过程中产生的附属物，包括一氧化碳、硫化物以及各类碳氢化合物；其次是各种挥发性有机物，主要来源于室内潮湿阴暗角落、空气交换设备以及建材辅料等；最后就是各种烟草烟雾。由此可见，QS-01对于室内常见的各种污染源有着很好的检测覆盖率，能够有效地响应各种室内常见污染。