蘇憲利,鄭一麟
(1.渤海大學 信息科學與技術(shù)學院,遼寧 錦州 121013;2.中國科學院 沈陽計算技術(shù)研究所,沈陽110068)
基于RT-thread的機床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*
蘇憲利1,鄭一麟2
(1.渤海大學 信息科學與技術(shù)學院,遼寧 錦州 121013;2.中國科學院 沈陽計算技術(shù)研究所,沈陽110068)
針對機床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中多緊急度數(shù)據(jù)調(diào)度的要求和數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定性的要求,在機床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中采用了RT-thread實時操作系統(tǒng),通過對mailbox進程通信機制的改進,滿足了數(shù)據(jù)優(yōu)先級調(diào)度的需求,提高了系統(tǒng)對緊急數(shù)據(jù)優(yōu)先處理的能力。通過采用socket通信技術(shù),滿足了網(wǎng)絡重負載通信的要求,在硬件上采用了ARM Cortex-M3處理芯片和W5100網(wǎng)絡通信芯片。通過實驗仿真,證明了本系統(tǒng)大幅度提高了機床數(shù)據(jù)處理的實時性和可調(diào)度性。
數(shù)據(jù)調(diào)度;郵箱模型;socket
機床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]在機床領(lǐng)域的綜合應用,通過將物聯(lián)網(wǎng)設備、技術(shù)應用于機床設備,實現(xiàn)對機床數(shù)據(jù)的采集和傳輸。機床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是對傳統(tǒng)的機床信息采集技術(shù)的有益補充[2],對于不能直接通過機床控制系統(tǒng)自身獲取的機床運行狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境參數(shù),可以由機床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行獲取,通過網(wǎng)絡傳送給診斷系統(tǒng)或CNC系統(tǒng),對診斷系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)起到數(shù)據(jù)支持的作用。
根據(jù)機床數(shù)據(jù)獲取的實際需求,在機床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集通常采用溫度傳感器[3]、振動傳感器、壓力傳感器等傳感設備獲取數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)進行匯聚后通過匯聚節(jié)點傳送給診斷系統(tǒng)或CNC系統(tǒng)。在實際的機床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運行中出現(xiàn)了以下問題。
(1)根據(jù)工業(yè)要求采集到的數(shù)據(jù)被分為報警數(shù)據(jù)和普通數(shù)據(jù),所以數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中傳輸和處理時就產(chǎn)生了不同傳送和處理緊急度的要求,報警數(shù)據(jù)需要進行優(yōu)先傳送和處理,因而產(chǎn)生了數(shù)據(jù)調(diào)度的問題。
(2)由于傳感器設備數(shù)量的增加和采集頻率的提高,機床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信量在大幅度的上升,因此產(chǎn)生了大數(shù)據(jù)量、快速通信的要求。
為了解決上述問題,本文提出建設一套基于RT-thread操作系統(tǒng)的機床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送、處理的科學調(diào)度和大數(shù)據(jù)快速網(wǎng)絡通信的處理。
本系統(tǒng)的設計是為了采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成對機床數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸工作,所以在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上設計了感知層、匯聚層和應用層,感知層使用的主要設備有溫度傳感器、振動傳感器,感知層設備完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。匯聚層使用的主要設備為匯聚節(jié)點,匯聚節(jié)點完成數(shù)據(jù)的接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)。應用層完成數(shù)據(jù)分析、處理和反饋控制。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 機床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖
本系統(tǒng)中溫度(振動)傳感節(jié)點完成溫度(振動)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送,并接收來自匯聚節(jié)點傳來的反饋控制數(shù)據(jù)。溫度傳感節(jié)點采用了cc2430無線通信模塊通過zigbee協(xié)議與匯聚節(jié)點通信。匯聚節(jié)點完成傳感節(jié)點上傳數(shù)據(jù)的處理、調(diào)度,并轉(zhuǎn)發(fā)給診斷系統(tǒng),接收診斷系統(tǒng)發(fā)來的反饋控制命令并轉(zhuǎn)根據(jù)控制需求轉(zhuǎn)發(fā)給傳感節(jié)點。匯聚節(jié)點采用cc2430芯片和zigbee協(xié)議完成與傳感節(jié)點通信,采用w5100以太網(wǎng)網(wǎng)卡模塊和TCP協(xié)議通過工業(yè)以太網(wǎng)完成與診斷系統(tǒng)通信。診斷系統(tǒng)從以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)進行分析處理,根據(jù)分析結(jié)果產(chǎn)生反饋控制,將控制命令通過TCP協(xié)議發(fā)送給匯聚節(jié)點。
根據(jù)機床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能和性能的需求,本系統(tǒng)在匯聚節(jié)點上采用RT-thread操作系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝(解封)處理、數(shù)據(jù)調(diào)度、網(wǎng)絡通信和硬件設備管理功能。下面將進行RT-thread在匯聚節(jié)點上應用的討論,其中對數(shù)據(jù)調(diào)度算法的改進是本文的重點。
根據(jù)本系統(tǒng)的總體設計,匯聚節(jié)點在硬件結(jié)構(gòu)上設計為通過cc2430芯片采用zigbee協(xié)議與傳感節(jié)點通信,通過W5100芯片采用tcp協(xié)議完成與與診斷系統(tǒng)的通信。
在功能上匯聚節(jié)點需要完成數(shù)據(jù)接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)工作,匯聚節(jié)點處理數(shù)據(jù)來源有兩種,一種是由多個傳感節(jié)點通過cc2430發(fā)來的具有不同緊急度的數(shù)據(jù),一種是由診斷系統(tǒng)通過w5100發(fā)來的反饋控制數(shù)據(jù)。因此數(shù)據(jù)接收功能需要完成zigbee通信和tcp通信管理。數(shù)據(jù)處理功能需要完成兩部分工作內(nèi)容,一部分是根據(jù)數(shù)據(jù)的緊急度完成發(fā)送順序的調(diào)整和控制,也就是數(shù)據(jù)調(diào)度。另一部分是按約定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進行tcp封裝和解封。
根據(jù)對匯聚節(jié)點功能的分析,本系統(tǒng)設計為在RT-thread操作系統(tǒng)中采用多線程機制[4]、中斷機制和mailbox機制完成數(shù)據(jù)處理和調(diào)度,采用LWIP協(xié)議棧[5]機制完成以太網(wǎng)通信管理,采用zigbee技術(shù)完成無線通信管理。因此在RT-thread中設計了兩道線程,一道線程是轉(zhuǎn)發(fā)控制線程,完成數(shù)據(jù)從郵箱讀取和向以太網(wǎng)發(fā)送工作,該線程具有低優(yōu)先級。另一道是管理線程,完成tcp通信初始化和socket通信管理,該線程具有高優(yōu)先級。為了保證數(shù)據(jù)調(diào)度功能的優(yōu)先進行,單獨設計了數(shù)據(jù)調(diào)度處理函數(shù),該函數(shù)在中斷處理函數(shù)中被調(diào)用執(zhí)行。匯聚節(jié)點工作原理如圖2所示。
圖2 匯聚節(jié)點工作原理
RT-thread系統(tǒng)開始工作時完成系統(tǒng)初始化工作[6],包括系統(tǒng)核心硬件設備驅(qū)動、系統(tǒng)參數(shù)的設定和線程的創(chuàng)建。之后由管理線程[7-8]進行網(wǎng)絡通信設備w5100初始化和socket通信初始化,在初始化完成后該線程進入掛起狀態(tài),當socket監(jiān)聽有數(shù)據(jù)到來時喚醒該線程并進行數(shù)據(jù)處理,處理后轉(zhuǎn)發(fā)控制命令給cc2430。當cc2430接收到傳感節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)時,產(chǎn)生中斷,進入中斷處理程序,中斷處理程序調(diào)用數(shù)據(jù)調(diào)度函數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先級進行郵箱寫入,中斷返回后喚醒轉(zhuǎn)發(fā)控制線程讀取郵箱進行數(shù)據(jù)封裝和轉(zhuǎn)發(fā)。
RT-thread中的mailbox是一種輕量級進程通信機制[9],具有控制簡單、開銷低和運行效率高的特點,傳統(tǒng)mailbox進程通信機制中采用了如圖3所示的控制方法。
圖3 mailbox機制原理圖
其中郵箱是一個順序循環(huán)操作隊列,out_offset為出口偏移位置,in_offset為入口偏移位置,entry為郵箱中當前存放郵件的數(shù)量,size為郵箱長度即圖中n+1,每個郵件大小固定為4字節(jié),郵箱大小為size×4字節(jié),其中郵箱長度可由設計者自行設定,郵箱的寫入可以由線程或中斷程序完成,郵箱的讀取只能由線程完成。in_offset、out_offset初始時都指向郵箱0號位置,增長方向為0至n方向,entry初始值為0,郵箱寫入后in_offset增加1,向右移動,entry加1,郵件讀出后out_offset增加1,向右移動,entry減1,當in_offset、out_offset到達郵箱右端點時,再次發(fā)生寫入和讀取操作后in_offset、out_ffset重新指向郵箱0號位置。當郵箱空時即entry等于0,郵箱讀取線程被掛起(當該線程timeout設置為0時則直接返回超時錯誤),郵箱讀取線程由郵箱寫入操作喚醒。當郵箱滿時即entry等于size,郵箱寫入線程被掛起(當該線程timeout設置為0時則直接返回郵箱滿錯誤),由郵箱讀出操作喚醒。由于本系統(tǒng)設計中為了保證數(shù)據(jù)調(diào)度操作的最高優(yōu)先級采用了由中斷處理程序調(diào)用數(shù)據(jù)調(diào)度函數(shù)完成郵箱的寫入,由轉(zhuǎn)發(fā)控制線程完成數(shù)據(jù)的封裝和發(fā)送,因此本系統(tǒng)中沒有郵箱寫入線程。
在本系統(tǒng)中,傳感器上傳的數(shù)據(jù)由傳感節(jié)點在上傳前根據(jù)數(shù)據(jù)閾值設定了數(shù)據(jù)的優(yōu)先級。上傳數(shù)據(jù)共具有兩種優(yōu)先級,一種是低優(yōu)先級數(shù)據(jù)即普通數(shù)據(jù),是指傳感節(jié)點上傳的未達到報警閾值的數(shù)據(jù)。另一種是高優(yōu)先級數(shù)據(jù)即報警數(shù)據(jù),是指傳感節(jié)點上傳的到達或超過報警閾值的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運行的規(guī)則為,低優(yōu)先級數(shù)據(jù)到達后根據(jù)FIFO策略進行郵箱寫入和轉(zhuǎn)發(fā),當有高優(yōu)先級數(shù)據(jù)到達后,需立即停止低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的傳送,改為傳送高優(yōu)先級數(shù)據(jù),而在傳統(tǒng)的mailbox機制中是數(shù)據(jù)寫入和讀取是順序循環(huán)工作進行的,無法完成不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳送順序調(diào)整和控制的要求,因此本文提出一種改進式mailbox進程通信機制,實現(xiàn)不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)按需求進行轉(zhuǎn)發(fā)控制。改進式mailbox工作原理如圖4所示。
圖4 改進式mailbox工作原理
圖4a圖是當普通數(shù)據(jù)到達時改進式mailbox的處理過程:
①當有第k個普通數(shù)據(jù)到達時,中斷程序分析該數(shù)據(jù),由于數(shù)據(jù)為低優(yōu)先級數(shù)據(jù),則判斷郵箱是否為滿,如為滿立刻執(zhí)行中斷返回,該數(shù)據(jù)丟失。否則找到in_offset指針位置,in_offset指針當前指向第m號郵箱。
②將第k個普通數(shù)據(jù)復制到該位置,對in_offset進行加1操作,in_offset指針指向第m+1號郵箱,entry加1。
③中斷返回后由轉(zhuǎn)發(fā)控制線程找到out_offset指針位置,當前指向第j號郵箱,將該郵箱的內(nèi)容封裝發(fā)送,out_offset指針加1,entry減1。
當out_offset或in_offset指針指向郵箱最后一個位置時,再次發(fā)生指針加1操作時將把該指針指向第0號郵箱位置。
圖4b圖是當有高優(yōu)先級數(shù)據(jù)到達時改進式mailbox的處理過程,這是本文重點改進的內(nèi)容。
①當有高優(yōu)先級數(shù)據(jù)到達,中斷程序分析該數(shù)據(jù),由于數(shù)據(jù)為高優(yōu)先級數(shù)據(jù),直接找到out_offset指針位置,此處不進行郵箱滿的判斷,out_offset指針當前指向第t號郵箱,in_offset 指針指向第i個郵箱。
②對out_offset進行減1操作,out_offset指針指向第t-1號郵箱,將高優(yōu)先級數(shù)據(jù)放進第t-1號郵箱,判斷當entry小于size時,執(zhí)行entry加1,否則執(zhí)行in_offset等于out_offset。此操作用于保證后續(xù)的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)能寫在空郵箱位置上。
③中斷返回后由轉(zhuǎn)發(fā)控制線程找到out_offset指針位置第t-1號郵箱,將該郵箱的內(nèi)容封裝發(fā)送,out_offset指針加1,entry減1。繼續(xù)恢復正常發(fā)送。
當out_offset指針指向第0號郵箱時,再次發(fā)生減1操作則將該指針指向最大編號郵箱即第n號郵箱。
由于傳統(tǒng)mailbox機制中每個郵箱的大小為4個字節(jié),在本設計中采用郵箱存放變量地址的方法,實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的存儲和發(fā)送。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體設計如下:
struct datamsg
{
uint8_t * data_prt;
unit8_t data_pro;
unit32_t data_size;
};
其中data_prt為指向該結(jié)構(gòu)體變量的指針,data_pro為本條數(shù)據(jù)的優(yōu)先級,data_size為本條數(shù)據(jù)的長度。
算法改進分析:
(1)當高優(yōu)先級數(shù)據(jù)到達時,采用了對out_offset進行減1操作而不是操作in_offset是因為out_offset指向即將被讀取郵件的位置,所以out_offset-1指向位置的數(shù)據(jù)應該是已經(jīng)讀取完成的,對out_offset-1指向位置進行寫入不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失。同時在中斷返回后將立刻由轉(zhuǎn)發(fā)控制程序讀取out_offset指向位置的數(shù)據(jù)(此時為高優(yōu)先級數(shù)據(jù))進行發(fā)送,從而完成高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的優(yōu)先發(fā)送。
(2)當高優(yōu)先級數(shù)據(jù)是不連續(xù)偶發(fā)性出現(xiàn)時,該操作只是將out_offset進行減1,隨后郵箱讀取線程將讀取位置郵箱的內(nèi)容發(fā)送,并進行out_offset加1,此時out_offset恢復成為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)到達前的值,恢復到正常數(shù)據(jù)的收發(fā)過程。
(3)當高優(yōu)先級數(shù)據(jù)連續(xù)到達時,就會出現(xiàn)不斷的執(zhí)行out_offset減1操作,最壞的一種可能是經(jīng)過n+1個連續(xù)中斷后out_offset值比原始值小1,也就是全部郵箱都被高優(yōu)先級數(shù)據(jù)寫滿,并產(chǎn)生了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)間覆蓋,由于本算法中中斷處理程序內(nèi)容設計為不能被阻塞,所以只要中斷有間歇,高優(yōu)先級數(shù)據(jù)就能被轉(zhuǎn)發(fā)控制線程讀出并發(fā)給診斷系統(tǒng)。達到了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)優(yōu)先傳送的目的,根據(jù)本系統(tǒng)的實際工作情況,由于溫度和振動傳感器的采集頻率為每秒1次,cc2430發(fā)送頻率也為每秒1次,所以只要在1秒內(nèi)完成最大中斷數(shù)量的處理,本系統(tǒng)中設計負載為20個傳感器,所以最多為每秒20個中斷,就不會出現(xiàn)系統(tǒng)一直處于中斷狀態(tài)導致數(shù)據(jù)不能發(fā)送的情況,后續(xù)的實驗證明該情況不會出現(xiàn)。
(4)郵箱大小的設置,由于每個郵件長度為4個字節(jié),郵箱的大小為長度size×4,該參數(shù)將影響到嵌入式設備的內(nèi)存占用情況,郵箱長度size的設置過少將出現(xiàn)只要出現(xiàn)高優(yōu)先級數(shù)據(jù)就將把低優(yōu)先級數(shù)據(jù)覆蓋,郵箱數(shù)量設置過大內(nèi)存占用過大,影響系統(tǒng)的整體性能,所以可以根據(jù)實際傳感節(jié)點的并發(fā)數(shù)量進行設定和調(diào)整,本系統(tǒng)中設定郵箱長度size值為20。
算法實現(xiàn)核心偽代碼如下:
轉(zhuǎn)發(fā)控制線程進行郵件讀?。?/p>
rt_mb_read (rt_mailbox_t mb, rt_uint32_t value, rt_int32_t timeout)
{.......;
*value = mb->msg_pool[mb->out_offset];
++ mb->out_offset;
if (mb->out_offset >= mb->size)
mb->out_offset = 0;
mb->entry --;
.......;}
中斷處理程序調(diào)用數(shù)據(jù)調(diào)度函數(shù)進行郵件寫入,數(shù)據(jù)調(diào)度函數(shù)內(nèi)容為:
rt_mb_urgent(rt_mailbox_t mb, rt_uint32_t value, datamsg* msg)
{......;
if(msg->pro==0)//低優(yōu)先級數(shù)據(jù)
{mb->msg_pool[mb->in_offset] = msg->value;
++ mb->in_offset;
if (mb->in_offset >= mb->size)
mb->in_offset = 0;
mb->entry++;
......;}
if(msg->pro==1)//高優(yōu)先級數(shù)據(jù)
{if (mb->out_offset ==0)
mb->out_offset =mb->size-1;
else
-- mb->out_offset;
mb->msg_pool[mb->out_offset] = value;
if(mb->entry
mb->entry ++;
else
mb->in_offset=mb->out_offset; }
......;}
為了對改進式mailbox算法的性能進行分析,采用了以下條件進行系統(tǒng)仿真測試實驗:
(1)采用了10個溫度傳感節(jié)點、10個振動傳感節(jié)點進行預定數(shù)據(jù)的發(fā)送。為了測試算法在并行數(shù)據(jù)到達時的實際處理能力,這20個傳感節(jié)點沒有實際采集數(shù)據(jù),而是由傳感節(jié)點中的程序按預設的條件發(fā)送報警數(shù)據(jù)和普通數(shù)據(jù)。
(2)傳感節(jié)點程序中設計CC2430發(fā)送頻率為1次/秒。
(3)為了保證實驗的可靠性,在數(shù)據(jù)出現(xiàn)報警時提高傳感節(jié)點報警數(shù)據(jù)的發(fā)送次數(shù),設計為一次報警發(fā)送3次報警數(shù)據(jù)。
(4)系統(tǒng)實驗時間為24個小時,其中每個傳感節(jié)點發(fā)生報警400次,其中連續(xù)報警200次即200秒完成600條報警數(shù)據(jù)的發(fā)送,且20個傳感節(jié)點同時發(fā)生連續(xù)報警。每個傳感節(jié)點間隔性報警200次,間隔時間為3秒。
實驗結(jié)果:匯聚節(jié)點成功收到報警數(shù)據(jù)24000條,普通數(shù)據(jù)1704000條,成功轉(zhuǎn)發(fā)報警數(shù)據(jù)24000條,普通數(shù)據(jù)1703992條。成功轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)論如圖5所示。
圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成功率對比
實驗分析:在實驗結(jié)論中轉(zhuǎn)發(fā)普通數(shù)據(jù)條數(shù)比收到的普通數(shù)據(jù)條數(shù)少了8條,這種情況是由于并發(fā)到達的中斷導致了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)對普通數(shù)據(jù)的覆蓋,該現(xiàn)象可以通過增大郵箱的size來解決。通過實驗結(jié)果證明了改進式mailbox算法不僅具有較好的數(shù)據(jù)優(yōu)先級調(diào)度能力,同時該算法具有較小的處理開銷。
本系統(tǒng)采用了RT-thread操作系統(tǒng)在匯聚節(jié)點上完成數(shù)據(jù)接收、調(diào)度、轉(zhuǎn)發(fā)等工作,完成了與傳感節(jié)點的zigbee無線通信,完成了與監(jiān)控系統(tǒng)以太網(wǎng)方式通信,重點對傳統(tǒng)的mailbox算法進行了改進,通過嚴格的仿真測試實驗證明了改進后的算法具有較好的實時處理能力和轉(zhuǎn)發(fā)性能,保證了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的完全優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā),證明了該系統(tǒng)具有很好的實時性和適用性,因此本系統(tǒng)具有很廣泛的應用價值和理論研究價值。
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(編輯 趙蓉)
Design and Implementation of Machine Things Network Based on RT-thread
SU Xian-li1,ZHENG Yi-lin2
(1. College of Information Science and Technology, Bohai University. Jinzhou Liaoning 121013,China;2.Shenyang Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110168,China)
The design and implementation of the machine tools internet of things system based on RT-Thread.To meet the demand of multi-urgency data scheduling and data communication stability, RT-Thread real-time operating system is used. The improvement of mailbox thread communication model satisfies the need of data scheduling priority, enhance the system’s ability to give a priority to urgent data. The use of Socket can meet the need of network heavy load communication. Employ ARM Cortex-M3 processing chip and w5100 network communication chip in hardware. The experiment result proved that the system can largely improve the real-time and Sheduling of machine tools data processing.
data scheduling; mailbox model; socket
1001-2265(2014)06-0069-04
10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.019
2014-03-03;
2014-04-01
"高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備"國家科技重大專項-開放式數(shù)控系統(tǒng)支撐技術(shù)創(chuàng)新平臺建設(2011ZX04016-071)
蘇憲利(1980—),男,遼寧錦州人,渤海大學講師,研究方向為實時控制,( E-mail)xianlis@sina.com.cn。
TH166;TG506
A