基于WIA-PA的有害气体监测系统设计

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.45MB 55 页 15积分

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基于 WIA-PA 的有害气体监测系统设计

摘要

工业无线技术作为一种通信手段，具备十分可观的应用前景，它以无线传感

网络为基础，用于工业环境中的一种无线通信技术。与有线技术相比，它具备移

动性强、抗干扰强、扩展性强、安全可靠等多种优势，即便是在一些布线困难、

环境恶劣的工业环境中，也可以很好地实现对工业设备状态和各种工业参数的自

动化检测。WIA-PA 无线技术是一种适用于复杂工业环境的无线通信技术，具有

我国自主知识产权，将广泛应用于各种工业领域中的设备运行监控、工业环境质

量监控等，具备十分广阔的应用前景和市场前景。

本文基于 WIA-PA 无线通信网络协议，设计了符合 WIA-PA 通信标准的智能

无线有害气体监测系统。先是在 WIA-PA 无线标准的基础上对该网络的应用进行

了研究，介绍了 WIA-PA 无线网络标准的基本特点和它的网络结构中各层的功能，

并对一些关键技术做了分析和研究。系统的下位机部分采用 MSP430 低功耗单片

机作为核心控制器，选用 AD7795 作为模数转换芯片，采集的数据经模数转换及

单片机处理后通过异步串行方式传输到通信模块。通过软件编程设置定时器的中

断，使系统每隔一段时间从休眠模式被唤醒一次，令传感器采集数据，进行 AD

转换、数据处理，再按 WIA-PA 通信协议要求经无线模块将数据发送到网关模块。

WIA-PA 网关通过 RS232 串口实现与上位机之间的通信，使被测环境中有害

气体的浓度值在上位机的界面中能够实时显示，并且能够达到良好的精度和较低

的功耗。

关键字：WIA-PA 技术无线网络 MSP430 模数转换

ABSTRACT

As a means of communication, industrial wireless technology has a very

considerable prospect, it is based on wireless sensor network, which is a wireless

communication technology that used in industrial environment. Compared with

traditional technology, it has advantages such as strong anti-interference ability, low

power consumption, easy to extend, can satisfy measuring and controlling the process

parameters and equipment status of some severe environment, unfavorable for cable

wiring, high corrosion and high pollution in factory automation. WIA-PA technology is

a wireless communication technology that is suitable for complicated industrial

environment, it has independent intellectual property rights in our country, which will

be widely used in equipment operation monitoring, industrial environment quality

monitoring of indus sectors, the market potential is tremendous.

In this paper, the application of WIA-PA is based on the basis of industrial wireless

protocol WIA-PA, according to this protocol designed the Noxious Gas Monitoring

System. First, the paper introduced the research of the basic characteristics of wireless

protocolWIA-PA and its architecture of each layer, and how to manage the WIA-PA

system, and thenresearched and analyzed the characteristics of the some key

technologies, which laid a foundation for the design. In the lower computer of the

system, MSP430 microcomputer is the core processing unit, AD7795 is selected as

conversion module. Instrument module can exchange the datas with communication

module by UART, the battery is charged for supplying the power. On software

programming, the status of the instrument is set to the mode of sleeping, and the

instrument is awakened up every 10 seconds through the timer interrupting to do the AD

sampling, data processing and conversion, after this, the wireless module sent the data

to wireless gateway according to the WIA-PA agreement requirements.

WIA-PA gateway communicate with the upper computer through the RS232

interface, make the harmful gas density of the test environment can be real-time

displayed in upper computer, and be able to achieve good accuracy and low power

consumption.

Key Words: WIA-PA technology, Wireless network, MSP430, Analog

digital conversion

摘要

ABSTRACT
第一章 绪 论.......................................................1
1 课题背景......................................................1
2 工业无线技术..................................................1
2.1 现有的工业无线标准........................................2
2.2 无线技术在工业领域的意义..................................5
3 无线传感器网络................................................5
4 气体监测技术的发展............................................7
5 目前主要的工业无线产平........................................8
6 本文主要内容.................................................11
第二章 系统的整体设计.............................................13
1 WIA-PA 技术..................................................13
1.1 WIA-PA 技术概要..........................................13
1.2 WIA-PA 协议栈结构........................................14
1.3 WIA-PA 网络安全机制......................................18
2 气体传感器技术...............................................19
2.1 气体传感器简介...........................................19
2.2 气体传感器种类...........................................19
3 系统整体设计思想.............................................20
4 本章小结.....................................................21
第三章 系统硬件设计...............................................22
1 数据采集处理模块的设计.......................................22
1.1  MSP430 微处理器.........................................22
1.2 数模转换模块.............................................23
1.3 开关选择电路.............................................25
1.4 电源电路.................................................26
1.5 复位电路.................................................27
2 通信模块.....................................................27
3 微处理器与通信模块接口电路设计...............................29
4 本章小结.....................................................29
第四章 系统的软件设计.............................................30
1 主程序.......................................................30
1.1  软件的低功耗设计........................................31
1.2 标定程序.................................................33
2 通信程序设计.................................................35
2.1 通信模块参数.............................................35
2.2 异步串行通信方式.........................................35
2.3 报文结构.................................................37
2.4 通信服务程序的设计.......................................38
3 定时器中断设定...............................................41
4 数据采集及处理程序...........................................43
4.1 AD转换驱动程序的设计....................................43
4.2 AD转换及数据处理程序....................................43

5 本章小结.....................................................47
第五章 系统测试...................................................48
1 引言.........................................................48
2 系统的网络配置...............................................48
3 系统通信模块的测试...........................................51
4 系统测试.....................................................52
4.1 串口程序.................................................52
4.2 数据处理与显示模块.......................................52
5 本章小结.....................................................54
第六章总结与展望..................................................55
1 论文总结.....................................................55
2 发展与展望...................................................55
参考文献..........................................................57

参考文献

第一章绪论

1.1 课题背景

顺应工业无线技术在世界范围内的不断发展，本课题旨在通过使用具有自主

知识产权的 WIA-PA 无线技术，为该技术的应用在工业上的推广提供硬件、软件

以及完整系统的支持，推广其在各种复杂工业现场的应用，提高工业系统中的节

能环保与自控领域的改造升级水平，加强自主研发品牌在国际市场上的竞争力。

以建立实际可用的实时监测系统为目标，以绿色环保节能减排为要求，本课题设

计了符合 WIA-PA 标准的监测装置，基于无线测控系统的仪表位置部署和在线维

护等关键技术，代替现今主流的工业系统，通过对应用平台和新型仪表的开发，

形成 WIA-PA 的系统配套技术以及应用解决方案，并在各种工业生产行业内形成

示范作用，从而让自主技术在业内形成大规模的应用。技术方案则主要用于工业

现场各种底层参数的测量和仪表装置的状态检测，以及工业过程控制的优化，改

变传统工业测量装置的模式。

WIA 是中国科学院沈阳自动化研究所于2007 年开发的具备自主知识产权的

无线传输体系，由中国工业无线联盟攻克一系列难题，如实时通信、超低功耗等

之后成功建立，并相继开发出一系列符合该协议的无线产品。WIA-PA 是WIA 技

术中专门用于工业过程测控的通信协议与体系结构，并于 2008 年10 月获取全体

IEC 成员国的投票通过，现今已作为国际标准化文件被公布于世。

本设计作为工业监控系统方案中的一个工业环境监控装置，目的在于突破传

统的现场总线模式和 DCS 模式等，对于过程自动化工业工厂内，监控现场监控装

置数量少但分布较密集，涉及非关键过程的自动控制，通信的实时性要求高等需

求，预先对工业无线测控装置进行总体设计，规划其功能，再通过自主研发和集

成相结合的途径达到对信息的高效采集和处理。同时，经过协议裁剪或者配置可

以达到不同的数据传输特征，采用合作开发与自主研发两者相结合的方法，开发

对应的各种系统应用软件。从而集成各项关键技术形成预定的系统，然后进行测

试并且逆向推动各项关键技术的进一步发展。

1.2 工业无线技术

工业无线技术的起源要追述到21 世纪初，它是一种是主要用于工业环境的无

线技术。它是继现场总线之后，在工业领域出现的另一个热门技术，是一项可以

有效提高工业监控系统应用范围和降低工业监控成本的革命性技术，将是今后工

业自动化产品的新增长点[1]。它具备低功耗、抗干扰能力强、可实时通信等优点，

主要面向工业设备间的短距离低速率的数据交换。

工业无线技术的发展主要可以分为两个阶段：

（1）第一阶段：20 世纪七八十年代，无线技术解决了工业应用中远距离数

据传输的问题，它能够减少线路故障，主要是点对点的通信方式。

（2）第二阶段：21 世纪初，无线技术被应用到短距离的通信中，从而满足

低成本、易布网、易维护的信息获取要求。该时期的工业无线技术就是当前应用

的、由无线传感器网络技术当中演变而成的。

上海理工大学硕士学位论文

1.2.1 现有的工业无线标准

目前世界上各公司所使用的工业无线标准主要有三种：

（1）WirelessHART

WirelessHART 起源于Highway Address Remote Transducer 通信协议（第7

版）的主要部分，是一种专门用于过程自动化应用设计的工业无线网络通信协议

它吸取了HART 面世之后用于服务各种工业过程自动化的经验，主要满足流程工

业中对于实时工厂的应用中可靠性、安全性以及稳定性等方面的需求。

2008 年9月，WirelessHART 通讯规范经29 个国家投票表决（仅有一张否决

票）正式成为一种公共可用的通讯规范，并获取国际电工标准委员会的正式认可

[4]。WirelessHART 通讯标准是在已有的经现场测试过的国际标准上建立起来的，

其中包括 EDDL (IEC 61804-3)、IEEE 802.15.4 无线电、HART 协议(IEC 61158)以

及跳频、扩频和网状网络等技术。虽然只成为了 IEC 的PAS 而并非正式的 IEC 规

范，但可以肯定WirelessHART 已经迈出了十分重要的一步，而且对后续的产品

进一步开发，以及意义都十分重大。

WirelessHART 的工作频率处于 2.4GHz 射频阶段，专门用于工业、科技等领

域，基于 IEEE802.15.4 协议，并且兼容 FHSS 跳频扩频技术（frequency-hopping

spread spectrum ）和DSSS 直序扩频技术（direct sequence spread

spectrum）。WirelessHART 所使用的时分多址同步技术也兼容原先的 HART 设备，

使原设备在没有进行软件升级的情况下也可以进行无线传输，此项标准已成为

IEC 62591 国际标准。

图1-1 HART7 协议框架

WirelessHART 协议包含三种类型的设备：无线适配器、无线网关以及现场设

备。无线适配器主要用于实现原先有线 HART 设备进行数据的无线传输；无线网

关主要用于配置网络参数、检测网络环境、接收来自现场设备的数据等，且其仅

支持现场设备和系统之间的数据通信，可以支持冗余网关和多个接入点；现场设

备则主要负责采集工业现场的数据[10]。如今使用的大部分 WirelessHART 是无线

和有线的结合体，既降低了通信风险，又减少了成本。

ISA SP100 技术

美国工业无线通讯委员会成立了 ISA100.14 和ISA100.11 两个小组来指定此

标准，ISA100.14 制定工业监测、纪录和报警的无线标准；ISA100.11 定义控制应

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摘要：

基于WIA-PA的有害气体监测系统设计摘要工业无线技术作为一种通信手段，具备十分可观的应用前景，它以无线传感网络为基础，用于工业环境中的一种无线通信技术。与有线技术相比，它具备移动性强、抗干扰强、扩展性强、安全可靠等多种优势，即便是在一些布线困难、环境恶劣的工业环境中，也可以很好地实现对工业设备状态和各种工业参数的自动化检测。WIA-PA无线技术是一种适用于复杂工业环境的无线通信技术，具有我国自主知识产权，将广泛应用于各种工业领域中的设备运行监控、工业环境质量监控等，具备十分广阔的应用前景和市场前景。本文基于WIA-PA无线通信网络协议，设计了符合WIA-PA通信标准的智能无线有害气体监测系统...

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