基于WIA-PA的HSE系统节点设计

QS-01作为一款综合空气质量传感器，容易受到环境变化的影响，输出电阻也很容易变动，因此需要定期在洁净大气环境中进行输出电阻(RS)的“0”点更新。使用QS-01来表示传感器感度的时候，通常对比“0”点和空气污浊时输出电阻(Rs)的变化率来表示，也就是说，以检测相对值来度量空气质量。同时，传感器对温湿度也有一定的依赖性，如图3所示。我们以相对值来度量空气质量，前提是温湿度等条件不变，所以当温湿度变化落差大时，为了得到较为精确的结果，需要进行一定的温湿度补偿计算。QS-01传感器对于各种不同气体敏感性也不一样，如图4所示。因此，在某些特殊场合(例如污染气体比较单一)，可以选取不同拟合曲线来比较精确地获取当前场合实际的空气污染程度。

QS-01是以输出电阻来显示空气污染程度的，但是直接读取传感器的输出阻值(Rs)会比较困难，所以通常是读取R(负载输出电压)，以电压变动来衡量空气质量：
Rs=(Vc÷R-1)×RL
式中，Rs为传感器电阻值；Vc为供电电压；RL为输出负载；R为负载输出电压。
2．2 无线通信模块
无线通信模块主要包含一个16位的MSP430F1611单片机和一个符合2．4 GHz IEEE 802. 15．4的CC2420无线射频芯片。MSP430F1611是16位超低功耗单片机，拥有48 KB的Flash存储器，可支持在线编程和仿真；2个16位定时器Timer_A和Timer_B，具有捕获／比较功能的寄存器；12位A／D转换器，转换速率高达200 ksps，能够满足大多数数据采集的要求；多功能串口模块，兼容多种串行协议，方便外设与电脑通信。 CC2420是一款低功耗、短距离的工业级射频收发芯片，可确保短距离通信的有效性和可靠性，工作于2．4 GHz免授权频段，支持16个最大传输速率为250 kbps的信道。CC2420功耗低，相应的传输距离短，接收灵敏度也低，所以在射频前段分别增加PA和LNA，以提高发射功率和接收灵敏度，在室外可视通信距离能达到1000 m以上。虽然增加了PA和LNA，但是在典型的Mesh网络中最小工作电流也仅为30μA。MCU通过SPI总线访问CC2420，MSP430F1611和CC2420的硬件接口电路如图5所示。

MCU通过FIFO、FIFOP、SFD引脚查询CC2420数据收发状态，通过I／O引脚与其相连，起到查询状态的作用。CCA为空闲信道检测引脚，VR EG_EN是CC2420的电压调整器引脚。CC2420和MCU的数据、命令交换主要通过SPI串行接口完成，MSP430F1611单片机设置为主机模式，通过SPI接口访问CC2420内部寄存器和存储器；作为从设备的CC2420接收来自MSP430F1611的时钟信号和片选信号，并在其控制下执行输入／输出操作。
2．3 电源模块
供电是电路设计的重要环节，节点采用稳压5 V供电，通过一个SPX1117M3低压差电压调节芯片输出3．3 V为元器件供电。SPX1117M3的输出电压误差在±1％以内，同时芯片还提供电流限制和热保护功能。

3 软件设计
WIA-PA协议层次结构遵循ISO／OSI层次结构，WIA-PA网络协议只涉及物理层、数据链路层、网络层和应用层。物理层基于IEEE802．1 5．4，MAC层基于IEEE802．15．4并进行了扩展。数据链路层为网络层和MAC层提供接口，包括用于收发数据的数据链路层数据实体和配置维护数据链路层的数据链路管理实体。网络层则主要为应用层提供接口，以实现网络层的管理配置控制功能。应用层是WIA-PA网络的最高层，定义了与工业过程进行交互的软件对象，用户可以直接调用服务对象实现通信。
WIA-PA网络节点在入网前需设置传感器标签，每个节点设备唯一，取值范围是1～255。如不初始化将从Flash中读取初始设定值，主动重启后会将当前设定值写入Flash。每个节点的数据发送周期不得少于1 s，每次发送的信息量应少于25字节。一切准备就绪后打开带有无线模块的节点，节点设备会自动搜寻WIA-PA网络超帧并加入网络，设备加入网络所需要的时间，一般是同时打开的点数、环境信号情况而定，一般为1～5 min。
接入网络后，节点就通过串口与网关交互信息，串口波特率为115 200 bps。串口报文带有CRC，CRC算法为IBM算法，代码如下：


WIA-PA网络报文有一定的格式，网关的报文末尾必须带有2字节的CRC校验码。网络报文封装以7E开头、7E结尾，若报文里含有7E和7D字节，规定都转换为7D 5E和7D 5D。用户通过串口传给网关，进而传给节点透传报文，报文内容的第一个字节要求必须是设备节点传感器标签，报文末尾是CRC校验码，以7E开头、7E结尾来封装；封装后通过串口传递给网关，网关进行CRC校验，通过后再传递给目的节点。收到串口报文后，先将接收到的报文按照串口协议解码，判断CRC校验是否正确；正确继续处理，否则丢弃。对于需要回复ACK的报文回复ACK，然后对报文进行解析；是本地的报文则进行处理，否则经过无线通信模块转发。

结语
WIA-PA目前已经正式成为IEC的工业无线网络标准，本文实现了基于WIA-PA的工业无线网络系统的网络节点设备。基于WIA-PA的HSE无线工业设备不仅具有传统设备的优点，而且没有现场布线的成本花费，安装灵活，功耗低，数据通信安全性及可靠性较高，还具有良好的开放性，势必将成为工业应用的主流。