项目概况：

       随着高科技电子相关产业的蓬勃发展，无尘室(Cleanroom)目前已成为医用
器械、医疗、生化科技、半导体制造工业及食品工业等不可或缺的重要基础设施。
而风机-滤网机组(Fan—filter Unit，FFU)以其使用简便、运行高效的优势，近年来在无尘室中得到了大量应用。
       目前，FFU及其附属设备的控制和监测方式仍然是有线为主。随着企业生产规模的改变以及生产设备的更新改造，FFU设备有线控制系统扩充性不佳、移位不便，以及由此伴随的重复施工、耗材浪费等问题越来越突出。无线通信技术可以有效解决有线系统的局限性，并降低维护成本，将现有FFU设备及无尘室内各类传感器的控制或数据进行无线化传输，可解决无线系统带来的诸多问题。
       基于企业实际需求，适应FFU及其附属设备的集群化和协议的多元化，采用无线技术解决有线控制的种种弊端显得尤为重要。本课题拟开展无尘室FFU无线控制网关开发研究，针对使用无尘室的生产企业目前存在的技术问题，通过对无线路由传输技术的优化，进一步增强对信道资源的利用率以及对数据的高速处理和可靠转换能力，使无线控制网关具有智能化、大吞吐量，并具备自我诊断修复能力，逐步增强适用性，满足生产企业对无尘室FFU及相关设备的控制要求。

       技术特点：
       针对无尘室FFU 无线控制网关的研究主要集中在以下方面：
    （1）多场景无尘室 FFU 无线控制网关的部署研究：针对乱流式、层流式、复合式等不同类型等级的无尘室 FFU 系统，设计了替换式、旁路式等多种无线控制网关部署方式，可以有效与 FFU 设备兼容，降低了无尘室内空间的占用。

图1 所示为FFU 无线控制网关的部署拓扑图。

    （2）无尘室FFU无线控制网关的协议转换和低延迟传输技术研究：为及时响应传感器的回传信息，迅速让FFU系统做出相应动作，设计了以PPS信号为基础的预先同步方式。课题中以GPS为辅助信号，借助精确的时间同步来确保指令在允许延迟的时间内执行。定位与授时模占用主控模块的MCU资源有UART4接口、外部中断接口和16位的通用定时器TIM3。UART4接口用于接收GPRMC信息，外部中断接口用于监测PPS信号，TIM3通用定时器用于实现秒以下的精确计时。

图2所示为参考时间提取的示意图。图2 PPS与GPRMC输出顺序示意图
       GPRMC 信息和 PPS 信号的接收采用中断的方式，接收到 GPRMC 信息、PPS 信号或 TIM3 定时器溢出后会进入对应的中断服务函数进行相关操作当接收到一条完整的 GPRMC 语句时将关闭接收中断并置位语句接收完成标志GPSData_Flag；外部中断接口设置为上升沿触发，在检测到 PPS 脉冲信号上升沿后关闭外部中断并置位收到 PPS 脉冲信号标志 GPSPPS_Flag；TIM3 定时器被设置为向上计数模式，预分频系数为31，自动重装载值为50000，由于系统时钟频率为 32MHz，故 TIM3 频率为 32/(31+1)=1MHz，即 TIM3 定时器的计时精度为1μs，能够满足FFU 系统响应的需求。图3 所示授时模块中断服务程序流程图。

    （3）无线网络路由算法研究：实现了DSR-UU协议在FFU无线控制网关平台的移植，DSR是按需被动路由协议，可以节约FFU系统资源。DSR采用源路由策略，即源节点保存到目的节点的完整路由。由于FFU无线控制网关部署后一般不再移动，所以适宜采用此种路由算法。
       源节点向全网洪泛广播 RREQ 数据包，所经过的中间节点的地址将被累积在RREQ 和RREP 控制包中。网络中的每一个节点通过 RREQ/RREP 包中的信息来获取到网络中其它节点的路由。图 4 所示为使用 DSR-UU 的两个 FFU 无线网关的（虚拟）接口图。

图3 授时模块中断服务程序流程图

图4 两个FFU无线网关的（虚拟）接口

（4）无尘室FFU无线控制网关的系统功能整合。在分别研究了网关部署、传感器及动作组件、总线协议和硬盘平台的基础上，对DSR-UU协议、预先同步模式和能量均衡算法进行了整合。在此基础上，采用课题组设计的成熟的嵌入式ARM嵌入式平台，并移植嵌入式Linux系统进行协议栈管理与FFU相关设备的管理。以801.11x技术为依托，保证了无尘室的安全运行。图5为无尘室FFU无线控制网关架构图。

图5 无尘室FFU无线控制网关架构图
     主要指标：
   （1）可与多种传感器和控制设备的协议匹配，兼容CAN、RS485、RS232、模拟信号等多种规范；
   （2）低延迟命令传输。采用预先同步模式，让FFU无线控制网关进入同步状态，以延迟运行阈值为目标，对实时业务报文转发时延不超过10毫秒；

    （3） 无线网关(低功率)有效覆盖范围：室外半径50米，室内半径20米；
    （4） 同时支持在线监测终端数量大于50台；
    （5） 并发指令执行数每指令周期内大于30条。
       市场前景：

       本课题开发了无尘室FFU无线控制网关，已进行了单无尘室FFU设备的控制实验，适合小规模应用。为实现大规模应用，还需要取得多个场景下的无尘室内相关传感器、控制机组的数据集，进行测试优化升级，以便适合于更广泛实际应用系统环境中，提高该开发的无尘室FFU无线控制网功能的实用性，为后期在大规模系统中的应用打下坚实基础。

       为适应目前多变的市场发展，企业的设备更新速度也逐渐加快，从节约成本提高效率的角度，该无尘室FFU无线控制网关可以很好的适应场景的变换，不仅可以控制FFU机组，也可以对其改造以适应其他的符合总线标准的设备。具有较好的市场应用潜力。

      投资预算及效益：

       项目研制过程中，不计开发成本，根据配备模块不同，FFU无线控制网关的硬件成本每台100-500元左右，根据无尘室相关设备的价格情况，该控制网关价格可以数千元。视销售数量，可为生产销售企业带来每年数十万的效益，并可为购买企业节约数万元无尘室运营维护成本。