B/S架構(gòu)工控設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)

劉敏杰

【摘 要】本文論述B/S架構(gòu)工控設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，迫切需要一種升級(jí)維護(hù)方便，可以跨平臺(tái)并方便接入互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);探索B/S架構(gòu)下用戶以WEB模式通過(guò)Browser直接對(duì)設(shè)備訪問(wèn)，同時(shí)在WEB服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)控制瀏覽，在嵌入式端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和保存的一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】B/S架構(gòu)? WEB服務(wù)器? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

【中圖分類號(hào)】G? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2018）11C-0188-03

一、研究背景

隨著嵌入式設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)和嵌入式遠(yuǎn)程控制相互結(jié)合更加緊密，利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的嵌入式設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制已成為科學(xué)和技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用B/S結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可很好解決工業(yè)控制在不同的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問(wèn)題，改善現(xiàn)有的嵌入式設(shè)備的信息化水平，促進(jìn)傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展。嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)B/S架構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，用戶只需要使用Web瀏覽器就可以通過(guò)訪問(wèn)html網(wǎng)頁(yè)的方法遠(yuǎn)程登錄工控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用B/S結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并上傳，用戶通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器端，嵌入式識(shí)別上傳設(shè)備情況，用戶可以實(shí)時(shí)獲取目前工業(yè)控制設(shè)備的運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)掌握工控設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，使用戶直接通過(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和對(duì)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置。

二、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集和監(jiān)控可以理解為這樣的一個(gè)過(guò)程：無(wú)線采集模塊通過(guò)TCP協(xié)議或者UDP協(xié)議連接云端服務(wù)器，將用戶設(shè)備從USART端口傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部的儲(chǔ)存空間，當(dāng)云端服務(wù)器發(fā)出瀏覽申請(qǐng)時(shí)，可以把存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)內(nèi)容發(fā)送到云端服務(wù)器。同樣，無(wú)線采集模塊也可以接收來(lái)自云端服務(wù)器的控制命令、參數(shù)配置，然后對(duì)工控設(shè)備進(jìn)行控制。其中無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)備就是整個(gè)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)核心。

圖1為應(yīng)用嵌入式無(wú)線采集設(shè)備構(gòu)建一個(gè)B/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的示意圖。用戶設(shè)備通過(guò)無(wú)線采集模塊提供的網(wǎng)絡(luò)連接功能，比如TCP client，連接到云端平臺(tái)的服務(wù)器，比如YeeLink，那么工控設(shè)備通過(guò)無(wú)線采集模塊就可以將自身的運(yùn)行狀態(tài)、采集到的數(shù)據(jù)等上傳至云端服務(wù)器，移動(dòng)設(shè)備通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器就可以獲知設(shè)備的最新運(yùn)行狀態(tài)，以及查看采集到的數(shù)據(jù);對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，來(lái)自移動(dòng)終端的控制命令，也可以借助云端服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)，將控制命令下發(fā)到用戶設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)反向控制。

嵌入式MCU的種類繁多，從低端到高端，目前主流為以ARM為代表的32位單片機(jī)，在一些行業(yè)仍保留有如8051老式的八位單片機(jī)。對(duì)于不同級(jí)別的單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的方式有很多種。如ARM等高端處理器可以有足夠的資源直接運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，Linux是一種，對(duì)于不具備操作系統(tǒng)要求的單片機(jī)，也有實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的具體方法。在物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的今天，以網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理產(chǎn)品是一種有效的方法，常使用的方法包括SNMP（UDP）、HTTPelnet和TCP等，都要求具有網(wǎng)卡和對(duì)應(yīng)的軟件協(xié)議。

（一）實(shí)驗(yàn)分析軟件TCP/IP協(xié)議棧方案。TCP/IP協(xié)議棧是一系列網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的通用名稱。除了TCP協(xié)議和IP協(xié)議外，也包括不同層的SMTP協(xié)議、FTP協(xié)議、DNS協(xié)議、HTTP協(xié)議、UDP協(xié)議、ARP協(xié)議、IGMP協(xié)議、ICMP協(xié)議等。

如圖2所示，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的成功連接，則是由MCU、MAC、PHY加入網(wǎng)絡(luò)物理接口，而實(shí)現(xiàn)通信及上層應(yīng)用是將TCP/IP協(xié)議以代碼的形式植入主控芯片內(nèi)部完成。

MAC協(xié)議在數(shù)據(jù)接收的時(shí)候，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)輸入信息進(jìn)行傳輸錯(cuò)誤的判定。如通過(guò)無(wú)誤，則刪掉控制信息，發(fā)送至LLC層。反之在數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候，數(shù)據(jù)發(fā)送與否則通過(guò)MAC協(xié)議預(yù)先對(duì)其進(jìn)行判斷。如判定可以傳送，則在數(shù)據(jù)增加控制數(shù)據(jù)信息，最后把數(shù)據(jù)及控制信息傳送投至物理層;以太網(wǎng)MAC由IEEE-802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義。

PHY是物理層接口。物理層傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，尤其是MAC PHY上，只有數(shù)據(jù)和地址的概念，沒(méi)有數(shù)據(jù)幀的概念。在傳輸過(guò)程中，每一幀都經(jīng)過(guò)CRC校驗(yàn)，1位錯(cuò)誤檢測(cè)代碼被插入到每一位數(shù)據(jù)。同時(shí)將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成串行流數(shù)據(jù)，采用物理層的編碼規(guī)則將數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)變成幀，能實(shí)現(xiàn)接口中接收信號(hào)線與傳送信號(hào)線功能自動(dòng)互相交換。

物理層能夠檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)上是不是有數(shù)據(jù)正在傳輸，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)就發(fā)送等待的數(shù)據(jù)。反之，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)就繼續(xù)等待。這是該層實(shí)現(xiàn)CSMA/CD的一些關(guān)鍵功能的體現(xiàn)。

如果同時(shí)傳送兩個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)候發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，在這樣的情況下應(yīng)如何解決，其工作的原理是等待隨機(jī)節(jié)點(diǎn)再重新傳輸數(shù)據(jù)信息。這正是沖突檢測(cè)單元發(fā)揮的功能。隨機(jī)絕非是恒定不變的，是在不同的節(jié)點(diǎn)推算產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)分析如果使用TCP/IP協(xié)議棧方式，目前比較成熟的有自帶MAC+PHY的解決方案STM32F107。同時(shí)還有DM9000、ENC28J60等。

因?yàn)檐浖f(xié)議棧的操作需要主控制器的連續(xù)響應(yīng)，這在很大程度上占用了微控制器的時(shí)鐘資源。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，微控制器在單線程操作的情況下數(shù)據(jù)和運(yùn)行速度的處理速率剛能滿足基本需求，然而，隨著線程數(shù)量的增加，微控制器的工作效率會(huì)直線下降，這將嚴(yán)重影響通信質(zhì)量?？紤]到代碼量，就算使用LWIP協(xié)議，它也會(huì)給主控芯片帶來(lái)大于40KB的代碼量，這不僅降低了程序的可讀性，還給內(nèi)存資源有限的MUC帶來(lái)了負(fù)擔(dān)。

在網(wǎng)絡(luò)安全性實(shí)驗(yàn)分析，設(shè)備連接入網(wǎng)絡(luò)以后一定要提升在互聯(lián)網(wǎng)上的防護(hù)能力，像這樣的軟件協(xié)議棧的配置方案萬(wàn)一遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊，微控制器很可能發(fā)生停止響應(yīng)的故障，對(duì)工控行業(yè)帶來(lái)較大的風(fēng)險(xiǎn)。雖然目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，各類新的加密技術(shù)試圖讓通信變得更加安全，但是還會(huì)出現(xiàn)各種各樣的漏洞。

（二）實(shí)驗(yàn)分析硬件協(xié)議棧芯片方案。硬件協(xié)議棧芯片方案由微控制器加硬件協(xié)議棧芯片，內(nèi)含MAC和PHY，直接加網(wǎng)絡(luò)接口，便可方便地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)聯(lián)網(wǎng)，所有處理TCP/IP協(xié)議的工作都交給硬件協(xié)議棧芯片來(lái)完成。這套方案是由WIZnet首次提出，并成功推出以太網(wǎng)系列芯片：W5100、W5200、W5300和W5500。所謂硬件協(xié)議棧就是指通過(guò)把傳統(tǒng)的軟件TCP/IP協(xié)議棧改成用硬件化的邏輯門(mén)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

以太網(wǎng)芯片的內(nèi)核可以分為以下幾個(gè)層次：

物理層PHY和外圍寄存器、存儲(chǔ)器和SPI接口;鏈路層的MAC結(jié)構(gòu);網(wǎng)絡(luò)層的IP、ARP、PPPoE等協(xié)議;傳輸層中的TCP、UDP和其他協(xié)議。上述部分構(gòu)成一個(gè)完整的硬件以太網(wǎng)解決方案。即硬件TCP/IP協(xié)議棧取代了以前的MCU來(lái)處理這些中斷請(qǐng)求，也就是說(shuō)，處理只需要處理面向用戶的應(yīng)用層數(shù)據(jù)。外圍芯片將完成物理層、鏈路層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層。該方案從硬件開(kāi)銷和軟件開(kāi)發(fā)兩個(gè)方面簡(jiǎn)化了上述網(wǎng)絡(luò)模型，并簡(jiǎn)化了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方案。這樣開(kāi)發(fā)人員不必面對(duì)復(fù)雜的通信協(xié)議代碼，只專注理解簡(jiǎn)易的Socket編程函數(shù)就可以完成網(wǎng)絡(luò)功能開(kāi)發(fā)部分的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。

因?yàn)橛布f(xié)議棧幫助MCU處理幾乎所有的TCP/IP協(xié)議任務(wù)，它不僅大大減少了中斷的數(shù)量，還讓單片機(jī)騰出足夠的資源來(lái)做其他重要的工作，并且電路處理協(xié)議的硬件將更加快速和穩(wěn)定。在單個(gè)線程之中，隨著線程的增加，該方案的通信速度大約是軟件協(xié)議的10倍，所以硬件協(xié)議棧是通過(guò)獨(dú)立的Socket通信，使通信速度增加了;并且單個(gè)芯片的效率仍然保持在高水平。

從代碼量實(shí)驗(yàn)分析，因?yàn)槌绦蛑饕峭瓿杉拇嫫骱蚐ocket的編程的調(diào)用，所以對(duì)于STM32和其他小內(nèi)存來(lái)說(shuō)只需大約10K的代碼，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軟件協(xié)議。

從成本角度來(lái)看，硬件協(xié)議棧芯片的價(jià)格幾乎與MAC+PHY相同。硬件協(xié)議棧芯片簡(jiǎn)單易用，可以在短時(shí)間內(nèi)完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程。此外，官方例行程序庫(kù)和主機(jī)程序豐富，這也縮短了測(cè)試過(guò)程，并且在后期基本上不需要維護(hù)。

在網(wǎng)絡(luò)安全性實(shí)驗(yàn)分析，病毒和網(wǎng)絡(luò)攻擊對(duì)它不起作用，很好彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在安全性存在不足的問(wèn)題。正由于這個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，硬件協(xié)議棧技術(shù)在將來(lái)互聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備領(lǐng)域發(fā)展很有潛力，降低了開(kāi)發(fā)門(mén)檻的同時(shí)提高安全性和可靠性。

論證了兩種TCP/IP的實(shí)現(xiàn)方式，WIFI接入對(duì)于實(shí)現(xiàn)接入物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)所十分重要。對(duì)于嵌入式Linux就支持TCP/IP的協(xié)議棧，在MDK下使用RL-RTX+RL-TCPNet構(gòu)建應(yīng)用十分合適。注意RL-TCPnet是不開(kāi)源的，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最終選擇了硬件協(xié)議棧芯片作為T(mén)CP/IP實(shí)現(xiàn)方案。

總之，現(xiàn)代的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展方向是與嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合。文中從軟件協(xié)議棧和硬件協(xié)議棧的處理方式的分析、代碼量、成本角度、網(wǎng)絡(luò)安全性等幾個(gè)方面對(duì)比，總結(jié)出采用不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為最后系統(tǒng)采用硬件協(xié)議棧作了充分論證。高效的工控設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅需要一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，更需要友好便捷的人機(jī)互交界面。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究過(guò)程中，驗(yàn)證了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制的功能，收獲了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)的技術(shù)和能力。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王瓊.基于嵌入式Linux數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013