STM32设计的变送器海洋观测网络化智能接口模块

海洋观测网络化智能接口模块设计研究
    海洋观测技术的发展方向主要是网络化和智能化，然而诸多传感器总线接口
不兼容等特点造成海洋观测系统布线复杂、不利于维护和升级等问题，海洋观测
网络化智能接口模块的设计就是为了解决这个问题，因此具有重要的现实意义和
广阔的应用前景。
    本文通过对国际上先进的IEEE 14_51标准进行深入理解和分析，阐述了海洋
观测网络化智能接口模块的总体系统模型，实现了网络化智能接口模块的硬件和
软件设计，通过搭建一简单有效的小型观测系统，完成了模块的整体性能测试。
    本文的主要研究内容和创新之处包括:
    1.结合IEEE 14_51标准理论，提出了应用于海洋观测领域的网络化智能接
口模块的系统模型，将网络化智能接口模块设计为相互通信的两个功能模块:C1)
实现网络独立性的网络适配处理器NCAP;  (2)实现“即插即用”智能化的变送器
接口模块TIM。依此模型设计双芯片系统，NCAP主要负责网络通信、数据处理
和任务管理，TIM主要负责底层数据采集和TEDS读取等。
    2.在总体系统模型基础上，进行硬件平台的搭建和软件系统的设计。选用
串口丰富的低功耗、高性能ARM芯片STM32作为NCAP与TIM的核心处理器，
利于系统的扩展;选用DS18B20, SHT7_5和GPS模块采集数据，设计了海洋观
测领域最基本的环境因素采集部分;结合LwIP协议和Web技术设计了嵌入式
Web服务器，实现了网络化功能，使客户只需要点击网页就能查询系统底层传感
器的位置信息和采集数据信息，可以实现远距离观测。
    3.对实现“即插即用”的智能化功能的TEDS技术进行了深入探讨，设计了
其中两种必备的TEDS，实现了系统的自检和自我识别功能。

    随着科技的发展，要想把我国建设成为海洋强国，发展高科技手段是必不可
少的。海洋观测技术作为开发海洋和探索海洋的最重要手段，是很多科学领域进
行研究的必要技术。在海洋观测领域，为了综合、协调、持续的获得海洋的各种
物理参数，构建一个或多个综合的海洋观测系统就成了重要的手段，甚至是必然
的发展趋势「‘]。目前国际上己经发展了多个先进的海洋观测系统，如海洋观测计
划(OOT}、全球海洋观测系统(COOS、综合海洋观测系统(IOOS)等。
    与个体化观测方式的传统站点观测相比，海洋观测系统的观测模式是网络化
的，更注重系统性和整体性，通过性能可靠和实时连接的所有观测平台、探测设
备、传感器协同观测，实现海洋环境信息共享与交互。网络化的观测方式与站点
观测方式两者的观测理念有着巨大的差异，是站点观测方式的进一步升级。
    在海洋观测系统中，人们为了获得各种不同的物理参数，必然会使用大量不
同类型的海洋仪器(内嵌传感器或本身就是传感器)。但是，这些不同种类或相
同种类不同厂家的传感器具有各种不同标准的总线接口，以及不同的总线标准都
有自己的协议格式，这种总线之间不兼容、协议格式多种多样的特点，给海洋观
测系统的构建、扩展、更新和维护等需求带来很多不便[2]0
    一方面，对于海洋观测系统的组建来说，不同种类或相同种类不同厂家的传
感器所使用总线协议的不兼容直接导致现场布线复杂，容易导致混乱并出错，大
大增加了工程任务量;另一方面，对于系统的维护来说，更换系统中的海洋仪器
时，几乎都需要技术人员进行手动安装和配置，而海上工作环境比较恶劣，这就
增加了人为出错的可能性。
    因此，对于目标是网络化和智能化的海洋观测来说，接口的标准化也是一个
必须要解决的问题，尤其是在海洋仪器和设备的测试维护保障技术方面显得更为
迫切和重要。目前国际上一些海洋研究机构和组织正在推广的针对海洋观测系统
网络化、智能化、标准化的标准和协议，主要有IEEE 14_51标准，OGC SWE(传
感器Web整合框架)，PUCK(智能化可编程水下连接器)协议[[3]0

    IEEE 14_51标准全称为用于传感器或执行器的智能变送器接口标准(Standard
for a Smart Transducer Interface for Sensor and Actuators，是一种用于实现变送器
互操作性和网络独立性的通用标准。SWE全称为传感器Web整合框架(Sensor
Web Enablement，是由开放地理空间联盟(OGC)提出的一种革命性的开放标
准架构，目的是能够通过Web发现、访问、应用接入 Internet的所有传感器资源
  (包括硬件资源和数据资源)，为构建“即插即用”的基于Web的传感器网络提
供一个标准的平台。PUCK协议全称为智能化可编程水下连接器(Programmable
Underwater Connector with Knowledge，是一种简单的命令协议，由美国的
MBARI研究所提出，目的是简化海洋传感器网络的集成和维修。
    其中，PUCK协议只用于实现底层仪器的互操作性，并不是针对整个海洋观
测系统的综合性标准[4]o OGC SWE虽然是一种综合性标准，致力于传感器数据
的传输和处理，但其侧重点是Web接口服务[fs,6l。与前两者相比，IEEE 14_51结
合了两者的特点，是一种针对整个系统的综合性标准，它的侧重点是系统底层的
变送器接口，目的是解决海洋观测系统中不同总线不兼容的问题，实现变送器的
“即插即用”，简化海洋观测系统的构建、维护与升级[f}l0
    经过比较，本文选择更加侧重变送器接口标准化的IEEE 14_51标准为理论基
础，对应用于我国海洋观测领域的网络化智能接口模块设计进行技术研究与探
索。

    IEEE 14_51标准全称为用于传感器或执行器的智能变送器接口标准(Standard
for a Smart Transducer Interface for Sensor and Actuators，是一种用于实现变送器
互操作性和网络独立性的通用标准。SWE全称为传感器Web整合框架(Sensor
Web Enablement，是由开放地理空间联盟(OGC)提出的一种革命性的开放标
准架构，目的是能够通过Web发现、访问、应用接入 Internet的所有传感器资源
  (包括硬件资源和数据资源)，为构建“即插即用”的基于Web的传感器网络提
供一个标准的平台。PUCK协议全称为智能化可编程水下连接器(Programmable
Underwater Connector with Knowledge，是一种简单的命令协议，由美国的
MBARI研究所提出，目的是简化海洋传感器网络的集成和维修。
    其中，PUCK协议只用于实现底层仪器的互操作性，并不是针对整个海洋观
测系统的综合性标准[4]o OGC SWE虽然是一种综合性标准，致力于传感器数据
的传输和处理，但其侧重点是Web接口服务[fs,6l。与前两者相比，IEEE 14_51结
合了两者的特点，是一种针对整个系统的综合性标准，它的侧重点是系统底层的
变送器接口，目的是解决海洋观测系统中不同总线不兼容的问题，实现变送器的
“即插即用”，简化海洋观测系统的构建、维护与升级[f}l0
    经过比较，本文选择更加侧重变送器接口标准化的IEEE 14_51标准为理论基
础，对应用于我国海洋观测领域的网络化智能接口模块设计进行技术研究与探
索。

    美国国家标准技术研究所NIST的专家Kang Lee等人，会同国际电气和电
子工程师协会IEEE，在各大公司的大力支持下，经过数年的努力，于1997年开
始推出网络化智能变送器接口通用标准一一IEEE 14_51系列标准，旨在解决一个
网络中不同总线带来的兼容性问题，实现底层仪器的“即插即用”和互操作性[fgl0
到目前为止，IEEE 14_51标准己经发展的非常成熟，它的飞速发展，与美国的军
方、民间以及各个研究机构的大力支持与研究息息相关。
    美国海军由于信息化建设对IEEE 14_51的发展提供了很大帮助。为了在舰船
上减少配备人员，提高自动化程度，实现特定环境的维护，美国海军计划在舰船
上使用数千个网络化传感器。200_5年6月8日，美国芝加哥举行的研讨会提出
了一个构建海军舰艇大型分布式测控系统的方案，该方案将IEEE 14_51标准应用
于海军舰艇局域网中[f9l，由本地数据处理模块连接一定数量的变送器组成网络节
点，这些节点分布在舰艇的不同应用区域，由工作站对其进行控制，组成分布式
测控系统。
    IEEE 14_51系列标准己经开始在美国海军的舰船测量与控制系统等传感器智
能化领域开展应用，简化了现场安装、更新，实现了传感器到设备系统乃至网络
的简单的“即插即用”，便于受条件限制的维护与保障(Conditioned-Based
Maintenance，CBM)yob。

    最近几年美国军方提出的“系统中的系统”中的嵌入式仪器系统架构
C Embedded Instrumentation Systems Architecture,  EISA，为了满足开发灵活的
大规模数据采集设计目标，以确保武器装备的长期可靠使用，在EISA使用仪器
维护中，无论是指挥系统、控制系统、雷达系统和武器系统，都采用嵌入式仪器
节点(Embedded Instrumentation Node,  EI Node，而嵌入式仪器节点的构成就
是基于IEEE 14_51标准[y0
    除了美国军方，波音、惠普等一些大公司也积极支持IEEE 14_51，研究设计
了一些网络化智能传感器芯片「i2}，在传感器国际会议上也演示过他们自己研制的
IEEE 14_51标准传感器系统[[13]。随着现在自动化系统技术的发展，对系统的智能
化水平、稳定性、可靠性、互换性和可维护性要求也越来越高，目前，基于IEEE
14_51系列标准的传感器设计己在国内外的工业过程控制、测控等领域有所应用。
    除此之外，国际海洋科技界己经开始探索IEEE 14_51系列标准在海洋观测网
等全球海洋观测领域的应用，特别是在2008年10月于加拿大举行的海洋创新全
球峰会上，以海洋观测为主题，美国学者Kang Lee专门描述了IEEE 14_51系列
标准在海洋观测方面的应用前景与重要意义，并对其应用模式做了具体阐述「‘“]。
美国MBARI和欧洲ESONET也分别演示了它们在海洋观测网中应用IEEE 14_51
标准实现传感器“即插即用”的功能。
    美国NIST的学者Kang Lee与MBARI以及欧洲的ESONET演示的是他们
共同组建的一个基于标准的全球海洋监测系统。这个系统采用了IEEE 14_51标
准、OGC-SWE标准、PUCK协议以及智能变送器Web服务(STWS)接口构建
整个大型观测系统，并通过Internet互联网监测目标地的海洋环境。系统铺设了
四个NCAP节点，一个放置在美国的蒙特利海湾，三个放置在欧洲，分别为西
班牙的巴塞罗那、德国的基尔和不莱梅。每个NCAP控制着一个或多个海洋仪
器，总共多达41个传感器，通过Internet网络可以得到所有传感器的测量信息。
2008年海洋创新全球峰会展现出了传感器的网络化、智能化设计在未来海洋观
测网中的应用前景。

    IEEE 14_51标准经过多年的制定与修改，目前形成了八个子标准，而且国际
标准组织International Organization for Standardization ( ISO)和International
Electrotechnical Commission ( IEC)己经接受了IEEE 14_51系列标准，将其纳入
了ISO/IEC/IEEE 214_5X标准体系。IEEE 14_51.0成为ISO/IEC/IEEE214_50 ,
IEEE 14_51.1一 IEEE 14_51._5和IEEE   1451.7成为IS O/IEC/IEEE  214_51-1
一ISO/IEC/IEEE 214_51-_5和ISO/IEC/IEEE 21451-7，构成ISO/IEC/IEEE214_SX系
列标准。
    智能海洋传感器联盟(Smart Ocean Sensors Consortium,  SOSC)作为由海洋
设备制造商和用户组成的国际组织，2009年成立以来一直致力于改进水文传感
器和仪器设备的可靠性、实用性和经济性，并大力推广IEEE 14_51标准、SWE
以及PUCK协议。SOSC由水文仪器制造商加拿大RBR公司发起，成员包括美
洲、欧洲的制造商，非制造商成员包括大学、研究机构以及来自欧洲海洋观测网
CESONET、美国海洋观测计划(US Ocean Observatories Initiative,  OOI)、美
国海洋大气管理局NOAA和其他组织的代表，共同承诺使用符合接口标准的仪
器，以推广在海洋观测中的应用[ys}0

    国内基本上是本世纪才开始对于IEEE 14_51系列标准有所关注，目前，国内
只有一些重点大学与一些科研院所关注到了国际上先进的理论标准，并相继发表
了关于接口标准的综述性**，但是也只是针对变送器的网络化、智能化实现的
研究，而没有针对整个系统性的研究。
  .中国科学院合肥智能机械研究所对基于IEEE 14_51的机器人网络感知系统进
行了研究「i6};国防科学技术大学叶湘滨教授带领学生根据IEEE 14_51标准对网络
化智能传感器的研究取得了一定成果「i2};大连理工大学对基于IEEE 14_51标准的
中间件技术进行了一定的研究「m};华东师范大学对基于IEEE 14_51标准网络适配
器NCAP的实现进行了研究[fgl;中北大学对基于IEEE 14_51.4标准的数字传感器
进行了设计「‘“];华南理工大学对IEEE 14_51网络化智能传感器的通用建模方法进
行了一定的研究并取得了一定的应用成果「‘”]。
    虽然国内对于传感器网络化与智能化方面有一些研究与进展，但是与国外相
比还有很大的差距，尤其是目前国内海洋观测技术领域，有关的应用研究较少，
有待于进一步进行技术研究和探索，促进我国海洋观测技术的快速发展。

    海洋观测网络化智能接口模块的设计，对于我国海洋观测技术的发展具有深
远的理论研究意义和重要的实际应用价值。
    1、在理论方面，我国的海洋观测系统的研究重点几乎都集中在高层的数据
处理方面，对整个网络化系统的智能化、标准化问题并没有过多的研究，并且缺
少针对底层仪器的网络化、智能化和标准化如何简化海洋观测系统的构建和维护
的基础性理论。本文通过对国际上先进的IEEE 14_51标准理论的初步研究，为打
造适用于我国海洋观测领域的系统性、综合性理论做出探索。
    2、在实际应用方面，本文通过对海洋观测网络化智能接口模块进行设计，
尝试了我国海洋观测领域在变送器智能化、网络化、标准化方面的可操作性，通
能
过这项技术，大规模的海洋观测系统建设的复杂度大大降低，获取传感信息的
力获得了增强，变送器配置的时间大大缩短，
保障性需求。
够满足我国海洋观测系统的各种需求。

    根据IEEE 14_51标准，网络化智能变送器主要分为两个功能模块[f2,71，如图
2-1所示。
    一个模块是网络适配应用处理器(Network Capable Application Processor,
NCAP。它的功能包括网络客户端与TIM的通信、数据转换和校正等。实体模
型由IEEE 14_51.1标准定义。NCAP是TIM与网络之间的接口，在网络化智能变
送器中起网关和控制的作用;
    另一个模块是变送器接口模块(Transducer Interface Module, TIM。每个子
标准定义的变送器接口模块并不相同，这里统称为TIM。该模块集成了传感器或
执行器、信号调理器、AD/DA以及变送器电子数据表格(TEDS)，能够支持单
个或多达2_5_5个变送器通道。

    在一个分层次的海洋观测系统中，NCAP与TIM是上下层的关系，一个
NCAP可以连接并控制多个TIM。网络客户端通过网络向NCAP发送命令，NCAP
经过对命令进行解析，再发送到TIM,   TIM根据客户端要求，进行传感器数据
采集或者TEDS数据的读取，之后将这些数据返回到NCAP中，NCAP再对这些
数据进行处理之后发送到网络客户端。
    NCAP与网络连接有三种方式:Cl) IEEE 1451.0超文本传送协议(HTTP ) ;
  C2) IEEE 1451.1标准;C3智能变送器网络服务(STWS) o NCAP和TIM之
间的连接方式有很多，包括点对点、多点分布、无线、CANopen, RFID等，以
满足不同的应用需求。

    IEEE 14_51标准目前共有八个子标准，为IEEE 1451.01451.7，分为面向软
件与面向硬件两大部分。IEEE 14_51.0加强子标准的互操作性，IEEE 14_51.1通过
面向对象的方法定义了一个通用的网络化智能变送器模型，这两个子标准属于软
件部分;硬件部分由IEEE 1451.X ( IEEE 1451.2^}IEEE 1451.7组成，每个子标
准对应的应用背景和目的并不相同「13,21,22,23]0
      1 .IEEE 14_51.0
    2007年颁布，即通用的功能、通信协议和变送器电子数据表格式标准。在
IEEE 14_51.0标准提出之前，IEEE 14_51系列标准虽然每个单独都能应用，但它们
之间并没有通用的部分，因此这些标准的互操作性很差，阻碍了IEEE 14_51的推
广使用。IEEE 14_51.0标准的颁布之后，各个子标准之间的兼容性问题就解决了。
      2. IEEE 14_51 .1
    1999年颁布，即智能变送器网络适配处理器(NCAP信息模型。该标准采
用面向对象的方法定义了多个功能模块，上文所述的NCAP和TIM即此标准所
定义，这些模块组合成为一个通用的网络化智能变送器信息模型，涵盖了IEEE
14_51各子标准应用[21,22]0
    该标准定义的信息模型具有网络无关性，并且提供了适合一对一通信的客户
一一服务器模式以及适用于一对多或多对多通信的发布一一订阅模式。根据这两
种模式，IEEE 14_51.1标准定义的是NCAP之间以及NCAP与TIM之间的通信，
非常适用于多个测量点的海洋观测系统。

    变送器电子数据表格TEDS是IEEE 14_51标准最重要的创新技术，使变送器
具有了自我描述能力并使系统能自动识别嵌入到系统中的变送器，可以支持很多
不同种类的变送器组成网络。它能够完整详细地描述变送器的类型、操作和性能
属性，例如，变送器厂商信息、版本信息、序列号、物理单位、性能参数等。

    在IEEE 14_51.4标准中，TEDS的定义是其核心部分，该标准定义的TEDS内
容少，只是IEEE 14_51.2标准的子集，但是一些必备的信息都被包含在内，扩展
性良好，详见图2-3 0
    该标准定义的TEDS分为四部分:第一部分是基本TEDS，包含变送器厂商、
型号和序列号等基本的变送器识别信息;第二部分是标准模板TEDS，它包含了
变送器的基本性能参数，如电气特性、测量范围和灵敏度等;第三部分是标定模
板TEDS，此TEDS不是必须使用的，只有对于需要标定的变送器，需要输入标定
信息时才用得到;最后一部分是用户数据区，用来存放用户自定义的数据和信息。

    根据IEEE 14_51标准协议的规定以及海洋观测的要求，设计的网络化智能接
口模块必须具有以下最基本的功能:
    1.系统上电自检功能:
    此功能属于智能化功能之一，系统上电后进行自我检测，检测出系统中使用
的传感器数目及类型。
    2.变送器自识别功能:
    此功能属于智能化功能之一，当变送器插入到系统中时，系统通过读取变送
器中TEDS信息，对其进行自动识别和配置，并将新加入系统中的变送器信息传
送到客户端。
    3.变送器网络通信功能:
    此功能是实现变送器组网的基本功能，主要完成变送器与网络客户端之间的
数据传输和命令传递等功能。
    4. TEDS的设置和读取功能:
    当变送器嵌入到系统之前，必须首先将变送器电子数据表格TEDS设计好，
并将其置入相关存储器中，如此当变送器嵌入到系统中时，系统才能对其进行自
识别，实现变送器的“即插即用”。
    _5.数据的接收、处理、传输和显示功能:
    基本功能，系统要能够接收底层传感器采集的原始数据，能够对其进行处理，
将处理之后的数据传输到顶层客户端并且能够显示在程序界面上。
    6.数据的记录功能:
    可选功能，对上传到客户端的数据进行记录，以方便进行事后提取和回放处理