高速公路門架數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

姚杰森　彭來湖　史偉民

摘? 要：根據(jù)國內(nèi)高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)ETC（Electronic Toll Collection）建設(shè)要求，本文以嵌入式ARM（Advanced RISC Machine）系統(tǒng)STM32作為開發(fā)平臺(tái)，采用C語言開發(fā)一種用于高速公路ETC門架的基于HTTP協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端，提出總體設(shè)計(jì)概論，介紹終端系統(tǒng)各模塊功能、相關(guān)技術(shù)及相關(guān)工作流程，進(jìn)行終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。與常見的數(shù)采系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)通過HTTP嵌入式移植，利用多Socket連接技術(shù)進(jìn)行以太網(wǎng)傳輸，以滿足ETC系統(tǒng)建設(shè)的邊緣處理要求，使高速公路ETC門架現(xiàn)場(chǎng)數(shù)采更加方便高效。

關(guān)鍵詞：HTTP協(xié)議;數(shù)據(jù)采集;Socket連接

中圖分類號(hào)：TP311.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper proposes to develop a data acquisition terminal based on HTTP （Hyper Text Transfer Protocol） on expressway ETC （Electronic Toll Collection） gantry site according to construction requirements of domestic expressway toll collection system ETC. The proposed terminal uses embedded ARM （Advanced RISC Machine） system STM32 （SGS-THOMSON Microelectronics 32） as development platform and C programming language. This paper puts forward an overview of overall design， introduces module functions of the terminal system， related technologies and work flow， and carries out design and implementation of the terminal system. Compared with other data acquisition systems， this system uses HTTP embedded transplantation and multiple Socket connection technology for Ethernet transmission， so to meet edge processing requirements of ETC system construction and improve convenience and efficiency of data acquisition on expressway ETC gantry site.

Keywords： HTTP protocol; data acquisition; Socket connection

1? ?引言（Introduction）

近年來，國內(nèi)高速公路逐漸取消省界收費(fèi)站，逐步全面實(shí)現(xiàn)電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)。為更好地滿足基于高速公路ETC門架供電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的戶外一體化機(jī)柜日常維護(hù)要求，各省級(jí)高速公路監(jiān)控中心均先后提出針對(duì)高速公路ETC門架現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的要求[1]?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集終端作用對(duì)象分為現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力與環(huán)境，高速公路ETC門架數(shù)據(jù)采集終端實(shí)時(shí)將戶外一體化機(jī)柜工作運(yùn)行狀況上傳到收費(fèi)站監(jiān)控中心，便于維護(hù)管理。

目前高速公路ETC門架數(shù)據(jù)采集終端上傳數(shù)據(jù)方式調(diào)試工作量大，不便于后續(xù)的系統(tǒng)更新維護(hù)，局限性大[2]。本文針對(duì)此問題提出了一個(gè)設(shè)計(jì)方案，以嵌入式ARM系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過嵌入式移植HTTP協(xié)議，設(shè)計(jì)適用于高速公路ETC門架系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端，減少調(diào)試工作量并加快終端系統(tǒng)的開發(fā)速度。該數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端能夠同時(shí)作為客戶端與服務(wù)端，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)提供到不同管理層面，便于高速公路ETC建設(shè)總監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行邊緣管理。

2? 終端系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)（Overall design of terminal system）

ETC門架供電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及多種設(shè)備，包括交換機(jī)、防火墻、安全網(wǎng)關(guān)、天線接收設(shè)備、車道控制器、機(jī)柜專用空調(diào)、充電模塊、不間斷電源、智能管理模塊等[3，4]。為保證ETC門架供電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備處于正常工作環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)工作現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控就顯得至關(guān)重要。

ETC門架供電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于HTTP協(xié)議的ETC門架數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端可分為三層結(jié)構(gòu)，具體為：數(shù)據(jù)收發(fā)層、解析處理層、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層。數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端整體框架如圖2所示。

數(shù)據(jù)收發(fā)層包含對(duì)各動(dòng)力與環(huán)境設(shè)備工作狀態(tài)及工作參數(shù)的采集與控制，并與解析處理層通過系統(tǒng)寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;解析處理層對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，接收數(shù)據(jù)收發(fā)層上發(fā)的原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)碼處理，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層以實(shí)現(xiàn)不同的顯示需求;網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層開啟雙Socket通道，通過以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)包[5]。對(duì)于來自本地監(jiān)控室瀏覽器的請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層將終端系統(tǒng)切換到HTTP-WEB服務(wù)端模式，將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包反饋到瀏覽器。當(dāng)與總監(jiān)控系統(tǒng)通訊時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)采終端優(yōu)先處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，將終端系統(tǒng)切換到HTTP客戶端模式，與遠(yuǎn)程總監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器建立連接后，通過HTTP協(xié)議主動(dòng)上傳現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)json包，便于總監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行匯總管理，滿足邊緣處理要求。

3? ?硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Hardware system design）

基于HTTP協(xié)議的數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端以嵌入式ARM系列的STM32F103VET6芯片為核心，結(jié)合高速公路ETC門架供電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)要求對(duì)各硬件電路模塊協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的主要設(shè)備以數(shù)據(jù)參數(shù)方式劃分，主要分為兩類：包括精密空調(diào)、不間斷電源UPS、蓄電池、溫濕度傳感器、配電單元等在內(nèi)的以RS485總線通信的設(shè)備，通過終端系統(tǒng)硬件RS485電路傳輸設(shè)備工作與運(yùn)行傳輸;包括煙霧傳感器、漏水感應(yīng)器、門鎖行程開關(guān)等在內(nèi)的以干接點(diǎn)作為開關(guān)量狀態(tài)指示的設(shè)備，通過終端系統(tǒng)硬件開關(guān)量輸入電路將設(shè)備狀態(tài)信息反饋到終端系統(tǒng)。繼電器電路、開關(guān)量輸出電路用于終端系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警器、照明燈等設(shè)備進(jìn)行智能控制。

數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端采用W5500以太網(wǎng)通訊芯片，使網(wǎng)絡(luò)功能靈活，可操作性大。W5500以太網(wǎng)通訊芯片內(nèi)部安裝相對(duì)簡(jiǎn)單的TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了軟件硬化[6]，利用內(nèi)置的多Socket通道功能，支持基于HTTP協(xié)議的數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端進(jìn)行不同場(chǎng)合的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

4? ?軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Software system design）

4.1? ?數(shù)據(jù)收發(fā)與處理設(shè)計(jì)

為保證數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地通過以太網(wǎng)傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)控室與總監(jiān)控中心，終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊程序需做到實(shí)時(shí)響應(yīng)。對(duì)于干接點(diǎn)設(shè)備，僅需讀取終端系統(tǒng)開關(guān)量輸入口電平的高低變化情況，即可判斷設(shè)備是否產(chǎn)生異常報(bào)警信號(hào);基于RS485總線通訊的設(shè)備則需根據(jù)對(duì)應(yīng)設(shè)備協(xié)議（如MODBUS協(xié)議、機(jī)械指令協(xié)議等）讀取設(shè)備數(shù)據(jù)后將正常格式的數(shù)據(jù)保存。數(shù)據(jù)收發(fā)層以輪詢模式發(fā)送請(qǐng)求指令讀取設(shè)備數(shù)據(jù)，以接收中斷模式存儲(chǔ)并解析數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端從各設(shè)備處采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過解析處理后，才能封裝成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸格式。對(duì)于干接點(diǎn)設(shè)備，直接將對(duì)應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)字寫入對(duì)應(yīng)寄存器;對(duì)于基于總線協(xié)議通訊的設(shè)備，終端系統(tǒng)根據(jù)對(duì)應(yīng)設(shè)備通訊協(xié)議判斷原始數(shù)據(jù)是否正確后，根據(jù)對(duì)應(yīng)設(shè)備通訊協(xié)議對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行大端小端調(diào)換、ASCII碼轉(zhuǎn)換、數(shù)學(xué)運(yùn)算等，最后將處理完成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)寄存器，交由網(wǎng)絡(luò)傳輸調(diào)用。

4.2? ?HTTP協(xié)議嵌入式移植

HTTP協(xié)議是一個(gè)基于TCP/IP通訊協(xié)議來傳遞數(shù)據(jù)（HTML文件、圖片文件、查詢信息等）的協(xié)議。對(duì)HTTP協(xié)議的嵌入式移植即在對(duì)TCP/IP通訊協(xié)議移植的基礎(chǔ)上，以HTTP/1.1協(xié)議規(guī)定的json格式將數(shù)據(jù)封裝后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。

HTTP協(xié)議嵌入式移植包括硬件移植與軟件移植，本設(shè)計(jì)的終端系統(tǒng)通過W5500以太網(wǎng)通訊芯片擴(kuò)展以太網(wǎng)功能，即HTTP協(xié)議硬件嵌入式移植本質(zhì)上是對(duì)W5500芯片驅(qū)動(dòng)移植，包括對(duì)應(yīng)GPIO寄存器配置、SPI總線寄存器配置、W5500芯片初始化、打開網(wǎng)絡(luò)通信Socket通道等[7]。HTTP協(xié)議軟件嵌入式移植是對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的解析與封裝，對(duì)于接收到的外界數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)分割將數(shù)據(jù)信息劃分成不同數(shù)據(jù)組，并進(jìn)行對(duì)比判斷以確定有效信息;對(duì)于將要傳輸?shù)酵饨绲臄?shù)據(jù)信息，按照HTTP/1.1協(xié)議json格式將報(bào)文頭與報(bào)文體打包封裝成即將進(jìn)行傳輸?shù)膉son數(shù)據(jù)包。HTTP協(xié)議嵌入式移植與配置流程如圖4所示。

4.3? ?數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端作為WEB服務(wù)端

當(dāng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端作為HTTP-WEB服務(wù)端時(shí)，即本地監(jiān)控室瀏覽器作為HTTP客戶端通過URL向WEB服務(wù)端發(fā)送GET請(qǐng)求，WEB服務(wù)端根據(jù)收到的請(qǐng)求向客戶端發(fā)送響應(yīng)信息，將參數(shù)顯示和監(jiān)控功能通過統(tǒng)一網(wǎng)頁界面呈現(xiàn)給客戶，只需通過運(yùn)行瀏覽器來調(diào)用分散在各個(gè)ETC門架的數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端中的WEB服務(wù)端信息，即能達(dá)到監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的目的。

嵌入式WEB服務(wù)器工作任務(wù)如圖5所示。

嵌入式WEB服務(wù)端以應(yīng)答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主要包含兩大模塊：WEB服務(wù)端接收處理瀏覽器命令模塊和WEB服務(wù)端向?yàn)g覽器發(fā)送命令模塊。

嵌入式WEB服務(wù)端接收處理瀏覽器命令模塊將接收到的請(qǐng)求命令保存到臨時(shí)存儲(chǔ)器中，解析HTTP協(xié)議數(shù)據(jù)包，從中劃分出不同數(shù)據(jù)組以確定此命令類型。嵌入式WEB服務(wù)端向?yàn)g覽器發(fā)送命令模塊根據(jù)不同的命令將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包反饋到瀏覽器中[8，9]。命令類型分為三類：靜態(tài)網(wǎng)頁、設(shè)備參數(shù)、控制操作。若請(qǐng)求命令為靜態(tài)網(wǎng)頁HTML請(qǐng)求命令，響應(yīng)瀏覽器請(qǐng)求將已保存在FLASH存儲(chǔ)器中的靜態(tài)網(wǎng)頁HTML以HTTP協(xié)議格式封裝并反饋回瀏覽器;若請(qǐng)求命令為設(shè)備參數(shù)命令，讀取系統(tǒng)寄存器中保存的設(shè)備參數(shù)，并以json格式封裝后響應(yīng)上傳到瀏覽器;若請(qǐng)求命令為遠(yuǎn)程控制操作命令，即執(zhí)行CGI程序，根據(jù)解析HTTP協(xié)議數(shù)據(jù)包得到的CGI程序具體控制操作命令，將對(duì)應(yīng)控制操作信息交付解析處理層處理以滿足遠(yuǎn)程控制要求。

WEB服務(wù)端具體工作流程如圖6所示。

4.4? ?數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端作為HTTP客戶端

當(dāng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端作為HTTP客戶端時(shí)，主要是將設(shè)備實(shí)時(shí)信息作為一種POST請(qǐng)求上傳到總監(jiān)控中心服務(wù)器[10]。完整的POST請(qǐng)求包括請(qǐng)求行、請(qǐng)求報(bào)文頭、空行和請(qǐng)求報(bào)文體，請(qǐng)求報(bào)文頭包含描述本次請(qǐng)求的URL值、時(shí)間戳、請(qǐng)求報(bào)文體長度、域名等信息;請(qǐng)求報(bào)文體為json數(shù)據(jù)格式，包含所有需要上傳的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)信息?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)采HTTP服務(wù)終端POST請(qǐng)求上傳現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)信息后，若收到反饋接收成功信息，即表示本次發(fā)送成功，HTTP客戶端斷開連接并等待下一次發(fā)送，否則重新整合POST請(qǐng)求信息并重新發(fā)送。

HTTP客戶端具體工作流程如圖7所示。

4.5? ?MD5加密處理機(jī)制

為確保實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，?duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)信息json包進(jìn)行MD5加密。MD5實(shí)際上是一種不可逆加密散列算法（哈希算法），把任意數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為定長（或限制長度）數(shù)據(jù)，再通過加密算法運(yùn)算得到哈希值標(biāo)識(shí)碼[11]?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)采HTTP服務(wù)終端作為HTTP客戶端上傳現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)信息時(shí)，通過哈希算法將請(qǐng)求報(bào)文體加密得到對(duì)應(yīng)的哈希值，并置于請(qǐng)求報(bào)文頭中一并上傳到總監(jiān)控中心服務(wù)器?？偙O(jiān)控中心服務(wù)器接收到POST請(qǐng)求的報(bào)文體后，進(jìn)行MD5加密運(yùn)算得到哈希值，通過兩組哈希值對(duì)比，一致則表明本次現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)信息在傳輸過程中無誤[12]。

MD5加密運(yùn)算首先對(duì)原文長度進(jìn)行處理，使得長度為512×N+448，不足位補(bǔ)零，其后64位為記錄原文長度值，組成處理后的信息，長度M為512×（N+1）。初始化MD5哈希值后進(jìn)行數(shù)據(jù)循環(huán)加工，每512位原文數(shù)據(jù)分為一組，即循環(huán)次數(shù)為處理后的信息長度M/512，每組循環(huán)內(nèi)各有64次子循環(huán)，F(xiàn)（B，C，D）為四種形式的非線性函數(shù)統(tǒng)稱，Mj為32位的處理后的數(shù)據(jù)片段，Ki值為232×abs（sin（i））的整數(shù)部分，其中i與j的取值范圍從1到16。F（B，C，D）、Mj、Ki三者在64次子循環(huán)里每16次循環(huán)采用一組。其中。循環(huán)加工完成后將四個(gè)新哈希值abcd拼接得到MD5哈希值[13]。數(shù)據(jù)包MD5處理流程圖如圖8所示。

5? ?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（System implementation）

通過使用IE瀏覽器地址欄輸入數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端IP地址，瀏覽器通過URL向WEB服務(wù)端發(fā)送GET請(qǐng)求指令請(qǐng)求網(wǎng)頁數(shù)據(jù)包，WEB服務(wù)端接收到相應(yīng)命令后，向?yàn)g覽器響應(yīng)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包。當(dāng)瀏覽器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制操作時(shí)，瀏覽器通過URL向WEB服務(wù)端發(fā)送POST請(qǐng)求指令，數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端接收到請(qǐng)求指令后，對(duì)相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送控制指令并將成功與否信息反饋回瀏覽器。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端作為HTTP客戶端，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)信息在等待發(fā)送POST請(qǐng)求到總監(jiān)控中心管理系統(tǒng)時(shí)，HTTP客戶端與總監(jiān)控中心斷開連接;當(dāng)需要傳輸現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)信息時(shí)才開始建立連接，隨后發(fā)送POST請(qǐng)求提交json數(shù)據(jù)包，在接收到反饋信息后斷開連接，等待下一次發(fā)送。

瀏覽器中顯示W(wǎng)EB服務(wù)端響應(yīng)網(wǎng)頁界面如圖9所示。

6? ?結(jié)論（Conclusion）

在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，根據(jù)各地高速公路要求，實(shí)現(xiàn)電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)為高速公路建設(shè)的重心。本文設(shè)計(jì)的基于HTTP協(xié)議的數(shù)據(jù)采集服務(wù)終端利用多Socket通道，以嵌入式ARM系統(tǒng)為平臺(tái)的基礎(chǔ)，向本地監(jiān)控室提供監(jiān)控網(wǎng)頁的同時(shí)，提供便于匯總處理的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到總監(jiān)控中心。本終端系統(tǒng)是高速公路ETC總系統(tǒng)邊緣處理的一部分。作為邊緣端，本終端系統(tǒng)有利于減輕高速公路ETC總系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理工作量，使高速公路ETC門架供電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)采與監(jiān)控更加方便、高效，為高速公路ETC建設(shè)提供一種可靠的解決方案。

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作者簡(jiǎn)介：

姚杰森（1996-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：機(jī)械電子工程.

彭來湖（1980-），男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：智能裝備與嵌入式控制技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信.

史偉民（1965-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：紡織機(jī)械自動(dòng)控制.