集成WSN、载波通信和多种现场总线的网关设计

2．3 外接通信模块
外接通信模块为ZigBee无线通信模块、GPRS通信模块、电力载波通信模块。无线模块的ZigBee通信芯片选用TI公司生产的2．4 GHz射频系统单芯片CC2430，该芯片整合了ZigBee RF前端、内存和8051微控制器；GPRS通信模块选用SIM300GSM／GPRS模块，该模块主要应用于WLL，M2M和手持设备方面，实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输；电力载波通信模块采用扩频通信技术，选择北京福星晓程公司的PL3106载波芯片，内嵌扩频通信调制／解调电路和8051微控制器，内部集成2路A／D，其中一路用来采集负载端电压，另一路用来采集负载电流，可以实现负载功率的精确测量。外围的配置电路主要包括功率放大电路、载波耦合电路、滤波整形电路、谐振电路及接收电路等。以上通信模块与SEP4020之间均使用UART接口进行通信。

3 软件设计
软件平台采用一种开放源码的Linux操作系统，便于在其基础上完成各项相关应用程序的开发。软件主要涉及到操作系统的裁剪与编译、驱动程序编写和系统主程序编写。多功能网关软件体系架构如图4所示。

由底层到高层，软件部分依次包括：BootLoader移植、Linux操作系统移植、设备驱动程序编写、嵌入式端软件和协议转换设计、主站监控软件设计等。
3．1 BootLoader与Linux
BootLoader是系统加电后运行的一小段程序，用来初始化硬件设备、建立内存空间映射，为调用操作系统内核准备好正确的环境，同时也将启动内核所需要的一些信息通过相关机制传递给内核，并引导和加载内核。它的主要功能是完成硬件设备的初始化、操作系统代码的搬运，并提供一个控制台及一个命令集在操作系统运行前操控硬件设备。
Linux 2．6在内核主体中加入了提高中断性能和调度响应时间的改进，其中有三个最显著的改进：采用可抢占内核、更加有效的调度算法以及同步性的提高。
3．2 通信网关
网关的核心功能是完成协议转换和数据中转，即将ZigBee和载波协议的数据转成TCP／IP格式的数据，并在ZigBee网络、Modbus、以太网、电力载波通信和GPRS远程通信网之间无障碍的交互数据。
网关软件包括：数据采集、数据存储、数据显示(测试用)和远程数据传输。数据采集功能负责获取从串口传过来的数据。具体过程是主线程中初始化并打开串口，建立串口接收信号，在信号处理函数中。处理接收到的数据。当接到数据包时产生信号，在信号处理函数里调用协议转换程序按照ZigBee，Modbus和载波协议的定义解析数据，解析出原始数据中的节点号、传感器模拟量、开关量值等信息。整个网关对多种协议的处理采用事件通知和分发机制，如图5所示。利用多线程技术，将数据处理部分、数据存储部分分别放在单独的线程中处理，以提高程序的运行速度。通过在Linux上移植了嵌入式数据库系统，可以有效的实现实时数据的存储。

网关通过GPRS与远程主站通信，主站以自身设置的通信协议发送指令，指令下达到网关后，网关解析主站的指令并获取操作对象，依据操作对象选取载波协议或者ZigBee，对指令进行再封装，并下发指令至操作对象，等待对象返回信息，在获得对象的信息后，根据选取的协议解析对象数据，使用主站协议重新对该数据进行封装，而后将数据上传至主站。
网关是建立在传输层以上的协议转换器，通常它连接两个或多个相互独立的网络，每接收一种协议的数据包后，在转发之前将它转换为另一种协议的格式。该网关不仅实现了4种协议的转换和4种工控网络的互联，而且通过TCP／IP协议连入工业以太网，实现了与工业以太网之间的数据互传。通过在Linux上移植了嵌入式Web服务器功能，使操作人员能够通过网页远程监控网络节点运行状态。

4 结语
该系统将WSN、电力线载波、以太网和公共通信网络有机地结合在一起，将信息汇集之后通过以太网接口或者GPRS达到远程传输的目的。通过在一个软硬件平台上提供了工业控制中常见的多种总线和网络的接口，能够支持多种应用模式。该设计适合于现实应用中的多种需求，可以根据具体应用进行快速的裁剪和配置，具有实际的应用价值。