基于LwIP的海洋數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)*

王 暉，周巧娣，章雪挺，盛慶華

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州310018）

以海底觀測節(jié)點為載體的海洋數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，可以實現(xiàn)海平面以下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時、自動獲取，它由各個傳感器、CPU控制器、數(shù)據(jù)傳輸接口以及水上遠程監(jiān)測平臺組成，可為海洋的探索和監(jiān)測提供豐富的信息和資料。從我國開始研制海洋數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)至今，先后采用了多種數(shù)據(jù)傳輸方式[1]，包括RS232、RS485、CAN總線等，各個傳輸方式各有利弊。RS232支持全雙工通信，雖然是眾多設(shè)備的直接連接渠道，但傳輸速率慢、抗干擾能力差、傳輸距離短；RS485只支持半雙工通信，抗噪聲干擾性好，傳輸距離較RS232遠，但傳輸速率慢；CAN總線只支持半雙工通信，通信距離遠，抗干擾能力強，但傳輸速率仍有限制[2]。根據(jù)數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，本文利用LwIP作為以太網(wǎng)協(xié)議棧，完成LwIP TCP/IP協(xié)議棧在STM32F207VGT6的移植；考慮到以太網(wǎng)支持全雙工通信，同時利用以太網(wǎng)中的UDP傳輸方式實現(xiàn)各類傳感器開啟、采集間隔的控制以及對采集數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，大幅度提高了系統(tǒng)遠程的可控性及實時性。

1 系統(tǒng)工作原理

海洋數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中數(shù)據(jù)采集板是本系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的主要組成部分，本文主要闡述由傳感器、數(shù)據(jù)采集板和用戶遠程檢測終端組成的海洋數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。它主要完成對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行存儲和傳輸以及對傳感器進行實時監(jiān)測，其目的是提高傳感器水下工作時長、提供外部電源供電引腳、方便進行長期觀測。

海洋數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)水下傳感器采集到數(shù)據(jù)時，即刻通過串口傳遞至數(shù)據(jù)采集板，采集板收到數(shù)據(jù)請求信號，立即執(zhí)行SD卡數(shù)據(jù)存儲操作，并通過以太網(wǎng)對數(shù)據(jù)進行接收，在UDP傳輸方式下通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳遞至用戶遠程計算機終端。數(shù)據(jù)接收完畢后，水下傳感器繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集。與此同時，遠程計算機終端通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制命令，信號經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至采集板CPU，CPU進行命令解析，針對不同的解析結(jié)果對傳感器發(fā)送相應(yīng)控制命令，實現(xiàn)對傳感器開啟、采集間隔設(shè)置的實時控制。

CTD傳感器1～傳感器5是一般的 RS232接口傳感器，而耦合傳感器1、2、3屬于感應(yīng)耦合自容式傳感器，若要連入電路，需要加入調(diào)制解調(diào)模塊。兩種傳感器除了都能以RS232形式輸出數(shù)據(jù)外，也可進行自容式存儲。

2 系統(tǒng)硬件

目前，實現(xiàn)傳感器串行數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的方式主要有3種：(1)使用專用的網(wǎng)絡(luò)處理芯片；(2)使用高檔嵌入式系統(tǒng)處理；(3)使用單片機和網(wǎng)絡(luò)控制芯片。通過比較可以發(fā)現(xiàn)：第(1)種成本較高，且用戶需要重新設(shè)計接口；第(2)種成本也較高，且如果僅用于通信接口，芯片資源則不能充分利用；相比較而言，通過從成本和使用場合考慮，第(3)種方法成本低，實現(xiàn)比較容易，并且可以根據(jù)實際需要進行功能擴展，只是軟件編程工作量比較大。因此本文采用第三種方法來實現(xiàn)。

本系統(tǒng)中主控板微處理器選用ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核的 32 bit微處理器 STM32F207，其主頻達 120 MHz，專用于網(wǎng)絡(luò)型嵌入式設(shè)備中。STM32F207具有豐富的串口資源、4路USART通道、2路UART通道。其中USART1和USART6最高波特率支持7.5 Mb/s，其他接口最高支持3.75 Mb/s，不僅支持調(diào)制解調(diào)模塊、傳感器的物理連接，而且對于數(shù)據(jù)的傳輸也提供了較高的傳輸速率，可以有效縮短傳感器通過串口下載歷史數(shù)據(jù)的時間。

以太網(wǎng)收發(fā)芯片選用美國National公司的10/100 M以太網(wǎng)物理層收發(fā)芯片DP83848C，該芯片遵循Ethernet II和 IEEE802.3u標(biāo)準(zhǔn)， 同時支持 MII、RMII、SNI三種數(shù)據(jù)連接方式，內(nèi)部還集成了數(shù)據(jù)收發(fā)及濾波功能。在全雙工模式下，可以同時實現(xiàn)發(fā)送和接收，理論上最高速度能達到100 Mb/s，本文對其配置為 100 Mb/s。采集板簡要框圖如圖2所示。

如圖2所示，微控制器與以太網(wǎng)收發(fā)芯片間采用了RMII模式[3]。這種方式在保持物理層器件現(xiàn)有特性的前提下減少了PHY的連接引腳，在保持IEEE802.3規(guī)范中所有特性的同時，降低了系統(tǒng)設(shè)計的成本。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計包括兩部分：水下采集板傳感器數(shù)據(jù)采集、傳輸程序和遠程用戶界面實時監(jiān)測程序。其中，采集板程序均在KEIL Uvision4下編譯、測試，遠程監(jiān)測程序在Visual Studio 2008下編譯、測試。

3.1 TCP/IP協(xié)議?！狶wIP移植

LwIP是瑞士計算機科學(xué)院的Adam Dunkles等人開發(fā)的用于嵌入式系統(tǒng)的開放源碼TCP/IP協(xié)議棧，其在保持TCP主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用，一般只需要幾十字節(jié)的RAM和40 KB左右的ROM就可運行，使LwIP適合在中低端的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。

嵌入式TCP/IP協(xié)議棧有兩種普遍的實現(xiàn)方式：一種是將協(xié)議簇中的每個協(xié)議作為一個單獨的進程，并指定進程之間的通信點。其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)清晰，代碼易懂，占用系統(tǒng)資源較少，且方便調(diào)試；另一種方式是將協(xié)議棧駐留在操作系統(tǒng)內(nèi)核中，應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用與協(xié)議棧通信。該方式對系統(tǒng)RAM、ROM資源占用較高，且不能很好地支持MDK[4]環(huán)境下的斷點調(diào)試。故本文選擇第一種方式。

3.2 STM32F207采集板程序設(shè)計

主程序設(shè)計可以分為以下4個步驟：

(1)系統(tǒng)初始化

上電后，對系統(tǒng)時鐘、LwIP協(xié)議棧、RTC實時時鐘、通用I/O口初始化配置。

(2)串口配置和通信

在STM32中，struct USART_InitTypeDef中包括了串口的波特率、字符位數(shù)和奇偶校驗等重要屬性，在設(shè)置好該結(jié)構(gòu)體后，調(diào)用串口USART_Init使串口屬性生效。配置好串口后，用USART_DMACmd函數(shù)配置串口以DMA直接內(nèi)存訪問，當(dāng)有傳感器數(shù)據(jù)到達串口的緩沖區(qū)時，直接存儲至DMA指定緩沖區(qū)中，同時，當(dāng)數(shù)據(jù)到達最大長度時，執(zhí)行數(shù)據(jù)傳出、SD卡存儲并清空緩沖區(qū)。

(3)遠程端命令偵聽

在LwIP中，struct udp_pcb包括了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)最小傳輸單元的類型、IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、當(dāng)前端口號、目的端口號等重要屬性，在創(chuàng)建好udp_pcb之后，調(diào)用udp API操作函數(shù)udp_bind使指定的udp數(shù)據(jù)單元屬性生效。對于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的讀寫，設(shè)置以太網(wǎng)讀寫超時是非常重要的，LwIP_Periodic_Handle函數(shù)提供了這樣的功能。配置好udp后，用udp_recv函數(shù)打開數(shù)據(jù)接收回調(diào)函數(shù)，通過回調(diào)函數(shù)體中第二個參數(shù)創(chuàng)建監(jiān)聽線程。在監(jiān)聽中無線程阻塞，當(dāng)接收到遠程數(shù)據(jù)報時，用udp_send寫數(shù)據(jù)。遠程控制端對水下采集板的監(jiān)測是在監(jiān)聽線程udp_echoserver_receive_callback中完成的，接著，將接收到的命令反饋至CPU，CPU根據(jù)不同的命令，決定是否開啟傳感器。

(4)數(shù)據(jù)幀整合

根據(jù)傳感器的不同，將采集到的數(shù)據(jù)幀進行排序、整合，按照固定順序整合成特定幀格式，最后通過以太網(wǎng)發(fā)送至遠程監(jiān)測端。采集板程序流程如圖3所示。

3.3 遠程用戶監(jiān)測程序設(shè)計

遠程用戶控制端主要實現(xiàn)對水下采集板采集到的數(shù)據(jù)和傳感器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測?？刂贫送ㄟ^查找IP地址的形式對連接在用戶局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備進行搜索，經(jīng)過濾，找出設(shè)備，與水下采集板建立虛擬鏈接。然后以UDP面向無連接的通信方式[5]通過以太網(wǎng)接口向采集板發(fā)送傳感器開啟命令。待發(fā)送完畢后，每隔1 s時間，控制端間歇性地通過以太網(wǎng)向水下系統(tǒng)發(fā)送獲取數(shù)據(jù)命令，用于得到最新的采集數(shù)據(jù)。若采集板中已收到傳感器當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)，隨即將水下系統(tǒng)中已整合的幀數(shù)據(jù)再次通過以太網(wǎng)傳遞至遠程控制端。當(dāng)接收到完整幀數(shù)據(jù)后，控制端通過分析之前的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，對數(shù)據(jù)包進行解析，將各類傳感器分別采集到的數(shù)據(jù)進行分離，顯示在用戶界面中。程序流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

在實驗室環(huán)境下，將采集板的4個串口分別與調(diào)制解調(diào)器、CTD傳感器1、2、3相連，網(wǎng)口通過網(wǎng)線與電腦的網(wǎng)口相連。采集板程序中設(shè)置 UDP偵聽端口號為5 000、子網(wǎng)掩碼為 255.255.255.1，網(wǎng)關(guān)為 192.168.1.1，設(shè)置本地IP為192.168.1.103，采集板IP地址為192.168.1.220，這兩個地址不能與局域網(wǎng)其他地址沖突。系統(tǒng)上電后，在局域網(wǎng)的 PC機中，通過ping命令，發(fā)送 ICMP請求，客戶端可得到ICMP回應(yīng)。接著打開PC機上用戶遠程監(jiān)測軟件，通過搜索指定目標(biāo)IP，搜索到采集板設(shè)備，此時采集板與PC機控制端握手成功后進行數(shù)據(jù)通信，按照配置的采集時間間隔，采集板將數(shù)據(jù)保存在SD中。其中，傳感器每秒采集數(shù)據(jù)長度約500 B。經(jīng)10 min運行，通過將監(jiān)測軟件顯示的以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)與SD卡中的數(shù)據(jù)進行比較可知，系統(tǒng)運行穩(wěn)定；通過PC機對傳感器配置不同采集間隔時，兩種方式下數(shù)據(jù)仍保持一致。

接著同樣以每秒500 B的數(shù)據(jù)量近似作為傳感器采集數(shù)據(jù)長度，系統(tǒng)均運行10 min，分別對采用串口RS232、RS485、CAN總線傳輸方式下傳輸完成時間、誤碼數(shù)進行測試，得出的結(jié)果如表1所示。

表1 各類傳輸方式下參數(shù)對比圖

由表1中測試結(jié)果可知，在相同傳輸條件下，以太網(wǎng)傳輸速度是RS232的14.03倍，是RS485的3.97倍，是CAN總線的6.02倍，說明以太網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)量較大的情況下，不管在傳輸時間方面還是在誤碼數(shù)方面都占有優(yōu)勢。

在實驗室模擬調(diào)試的基礎(chǔ)上，在戶外也進行了進一步的測試，選擇水深、湖區(qū)面積適中的杭州千島湖中心湖區(qū)作為野外主要實測地點。測試前主要將浮球、水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放入水中，接著進行為期一周的實地觀測。結(jié)果表明，系統(tǒng)工作正常，達到了預(yù)期的測試效果。這里選擇其中某個時間點對監(jiān)測軟件的顯示界面進行截圖，如圖5所示。

本文利用基于LwIP協(xié)議棧的以太網(wǎng)設(shè)計和實現(xiàn)了一種海洋數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。該采集系統(tǒng)豐富的串口資源使其至多可接入6種不同的傳感器設(shè)備。設(shè)計時，在保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的前提下，用以太網(wǎng)傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模式，不僅提高了系統(tǒng)實時性，而且使采集板和用戶監(jiān)測端數(shù)據(jù)交互更為快捷。同時，在水下通過加入互聯(lián)設(shè)備，易于水下設(shè)備的擴展或組網(wǎng)。系統(tǒng)很好地滿足了海洋數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)男枨?，達到了傳輸速率在相同條件下優(yōu)于RS232、RS485、CAN總線傳輸速度的設(shè)計目標(biāo)。

[1]莊彥霞，孫運強，姚愛琴.基于CAN總線的實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2006，12(21)：222-225.

[2]陳敬謙，何志偉，劉文澤.RS2232與CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換單元設(shè)計[J].電子工程師，2004，30(4)：63-66.

[3]宋鑫，郭勇，謝興紅.RMII模式以太網(wǎng)PHY芯片DP83848C的應(yīng)用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010(8)：50-53.

[4]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：366-368.

[5]THOMAS G.用于控制TCP/UDP[J].國內(nèi)外機電一體化技術(shù)，2001，6(4)：9-11.