基于JAVA的工業(yè)控制移動(dòng)數(shù)據(jù)通信解決方案

J2ME技術(shù)目前在手機(jī)行業(yè)取得了較大成功，已經(jīng)成為手機(jī)增值開發(fā)平臺(tái)的業(yè)界事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，它創(chuàng)造性解決了不同軟硬件平臺(tái)上統(tǒng)一應(yīng)用開發(fā)的問(wèn)題把這個(gè)思路引入到工業(yè)控制無(wú)線數(shù)傳終端，具有廣闊的市場(chǎng)前景在工業(yè)控制系統(tǒng)中利用J2ME技術(shù)，不但可以降低系統(tǒng)的開發(fā)難度、實(shí)現(xiàn)嵌入式環(huán)境中基于服務(wù)級(jí)的互操作，而且可使系統(tǒng)具有很好的靈活性和可靠性使無(wú)線數(shù)傳終端實(shí)現(xiàn)了模塊化、構(gòu)件化設(shè)計(jì)，大大提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與可擴(kuò)充性JAVA嵌入式軟件具有標(biāo)準(zhǔn)的程序接口和協(xié)議，可解決應(yīng)用互聯(lián)帶來(lái)的各種問(wèn)題，消除不同軟件、硬件系統(tǒng)之間的異構(gòu)問(wèn)題，可支持各種通訊協(xié)議、各種通訊服務(wù)模式、傳輸各種數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)格式翻譯、流量控制、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮等；JAVA嵌入式軟件還可解決安全控制、并發(fā)控制、可靠性保證、效率保證等，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源的有效共享，并能提供基于不同平臺(tái)的豐富的開發(fā)接口、支持流行的開發(fā)工具 在工業(yè)控制系統(tǒng)中使用J2ME技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：提供了一種獨(dú)立于廠商的服務(wù)平臺(tái)，使得不同廠商的現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)可以相互兼容將工業(yè)控制系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備提供的功能都可以映射成J2ME服務(wù)，使其不僅可以被現(xiàn)場(chǎng)總線使用，而且還可以被支持J2ME的任何設(shè)備（如PDA）來(lái)訪問(wèn)；簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)編程，提高系統(tǒng)的安全性；將Java技術(shù)應(yīng)用到無(wú)線數(shù)傳終端產(chǎn)品中主要具有以下幾個(gè)方面的好處：將Java技術(shù)應(yīng)用到無(wú)線數(shù)傳終端產(chǎn)品中主要具有以下幾個(gè)方面的好處：可以容易地連接到Internet，這樣系統(tǒng)變成了開放的，提高了設(shè)備的可訪問(wèn)性；使工業(yè)控制系統(tǒng)中的設(shè)備可以與家用消費(fèi)電器和自動(dòng)化設(shè)備通信，增強(qiáng)設(shè)備的功能。

1、產(chǎn)品簡(jiǎn)介

基于JAVA的工業(yè)控制無(wú)線數(shù)傳終端是根據(jù)工業(yè)控制領(lǐng)域行業(yè)用戶需求特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)開發(fā)的具有良好的擴(kuò)展性和可移植性產(chǎn)品提供完整的PPP 協(xié)議及上層TCP/IP 協(xié)議，具有路由功能，提供100BaseT以太網(wǎng)接口、RS232、RS485等多種標(biāo)準(zhǔn)接口產(chǎn)品具有性能高、體積小、供耗低、組網(wǎng)靈活、配置簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、營(yíng)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)接入等各種行業(yè)應(yīng)用可廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制、數(shù)據(jù)采集、交通監(jiān)控、遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)點(diǎn)接入等多種領(lǐng)域，也可以內(nèi)置于控制面板，智能儀表等設(shè)備中，充分滿足行業(yè)用戶開展無(wú)線數(shù)據(jù)應(yīng)用的需求無(wú)線數(shù)傳終端產(chǎn)品系列包括：

（1）無(wú)線數(shù)傳終端內(nèi)建TCP/IP 功能及標(biāo)準(zhǔn)的串行端口功能，集成工業(yè)級(jí)GPRS/CDMA1X 模塊，并提供完備的電源系統(tǒng)，使用方便簡(jiǎn)潔GPRS 無(wú)線數(shù)傳終端CDMA1X 無(wú)線數(shù)傳終端。

（2）嵌入式開發(fā)板內(nèi)建TCP/IP功能及標(biāo)準(zhǔn)的串行端口功能，用戶可靈活選配GPRS/CDMA1X模塊，自定義產(chǎn)品尺寸該嵌入式開發(fā)板便于二次開發(fā)和快速整合到用戶原有系統(tǒng)，并通過(guò)軟硬件整體解決方案滿足行業(yè)用戶快速開發(fā)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需要。

2、技術(shù)來(lái)源

中聯(lián)科技開發(fā)的無(wú)線數(shù)傳終端產(chǎn)品核心技術(shù)來(lái)源于國(guó)家“863”計(jì)劃《無(wú)線移動(dòng)自組織互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制》技術(shù)成果，產(chǎn)品具有兩方面的核心技術(shù)：

（1）具有完整的嵌入式TCP/IP協(xié)議和GPRS、CDMA公眾無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信

（2）具有針對(duì)應(yīng)用的J2ME開放開發(fā)平臺(tái)目前，相關(guān)產(chǎn)品多集中在以PC機(jī)為架構(gòu)擴(kuò)展通信模塊，利用PC上的資源來(lái)完成相應(yīng)工作的公用市場(chǎng)，其中代表性產(chǎn)品就是GPRS、CDMA無(wú)線上網(wǎng)卡其特點(diǎn)是產(chǎn)品價(jià)格較高，同時(shí)應(yīng)用對(duì)行業(yè)沒(méi)有深入滲透，難以形成行業(yè)規(guī)模產(chǎn)業(yè)目前移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處于一個(gè)新興的蓬勃發(fā)展階段，由于GPRS、CDMA公眾無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP 技術(shù)，因此相應(yīng)的行業(yè)工控終端首先要解決TCP/IP 相關(guān)技術(shù)的長(zhǎng)期積累國(guó)內(nèi)目前的技術(shù)方案多采用傳統(tǒng)8051單片機(jī)增加簡(jiǎn)單的PPP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，而我們開發(fā)的無(wú)線數(shù)傳終端產(chǎn)品是在已成熟的寬帶路由器和SNMP 網(wǎng)管設(shè)備等產(chǎn)品的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的全新系列產(chǎn)品，硬件采用全新的ARM7 32位嵌入式RISC CPU，處理能力及系統(tǒng)資源提高10倍以上；軟件上采用完整的嵌入式OS及TCP/IP協(xié)議包，整體方案具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）完整TCP/IP協(xié)議，具有100BaseT網(wǎng)絡(luò)接口及完整的IP 路由功能

（2）針對(duì)應(yīng)用具有TCP 可靠連接方式，專為金融交易應(yīng)用而設(shè)計(jì)

（3）內(nèi)嵌WEB Server 配置方式，方便直觀

（4）支持TELNET、SNMP等網(wǎng)絡(luò)管理功能，適合行業(yè)應(yīng)用

（5）支持遠(yuǎn)程維護(hù)，具有遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程升級(jí)和重啟動(dòng)的功能目前公司在嵌入式TCP/IP技術(shù)、產(chǎn)品及市場(chǎng)方面都取得了較大成功。

3、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理

產(chǎn)品以32位嵌入式處理器為核心，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，支持協(xié)議轉(zhuǎn)換和透明數(shù)據(jù)傳輸，可提供各種應(yīng)用定制的嵌入式軟件的代碼空間，根據(jù)具體設(shè)備應(yīng)用，可在嵌入式專用處理器上開發(fā)新軟件，還可提供定制的中心主機(jī)軟件系統(tǒng)從硬件上主要分為電源、移動(dòng)通信模塊、嵌入式RISC CPU、存儲(chǔ)系統(tǒng)和邏輯控制電路、接口驅(qū)動(dòng)電路等五個(gè)部分，如圖所示接口驅(qū)動(dòng)支持同步和異步通信，采用和集成第三方的移動(dòng)通信模塊。

圖1:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)軟件包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議棧、數(shù)據(jù)加密、串行數(shù)據(jù)流到TCP/IP的協(xié)議轉(zhuǎn)換、接口驅(qū)動(dòng)程序等

4、產(chǎn)品功能特點(diǎn)

（1）多媒體數(shù)據(jù)處理功能

無(wú)線數(shù)傳終端集現(xiàn)場(chǎng)圖像監(jiān)視，現(xiàn)場(chǎng)聲音監(jiān)聽和數(shù)據(jù)采集傳輸多媒體監(jiān)控功能于一體設(shè)備集成視頻頻編碼壓縮功能，支持M-JPEG或MPEG-4的編解碼技術(shù)進(jìn)行視頻編解碼，可以串口外接攝像頭，能夠隨時(shí)隨地拍攝照片，完成實(shí)時(shí)視頻信號(hào)的壓縮、語(yǔ)音信號(hào)和數(shù)據(jù)的編碼，并經(jīng)過(guò)設(shè)備打包傳送到遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心，為用戶提供高質(zhì)量的實(shí)時(shí)圖像，可以廣泛應(yīng)用于變電站、郵電、石油、水利等系統(tǒng)的無(wú)人值守機(jī)房及其它環(huán)境監(jiān)控。

（2）支持協(xié)議轉(zhuǎn)換與透明傳輸

透明傳輸模式是工業(yè)控制領(lǐng)域適用范圍最廣、通用性最強(qiáng)的一種工作模式在透明傳輸模式下，設(shè)備與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸采用TCP 連接方式，不解析從串口收到的任何數(shù)據(jù)，直接將數(shù)據(jù)作為TCP 或UDP 的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送，而對(duì)具體數(shù)據(jù)的解析分別由后端數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備和前端數(shù)據(jù)中心的相關(guān)服務(wù)器進(jìn)行處理同時(shí)，為了滿足SCADA 系統(tǒng)要求，設(shè)備也可配置命令串反向控制數(shù)據(jù)采集設(shè)備，按用戶所需改變數(shù)據(jù)采集設(shè)備的工作方式；定義數(shù)據(jù)成幀的方式，即設(shè)備直接將數(shù)據(jù)按要求的格式封裝成規(guī)定的幀，然后通過(guò)TCP/UDP傳送到上位機(jī)數(shù)字設(shè)備分為支持TCP/IP的設(shè)備和非TCP/IP設(shè)備兩大類TCP/IP設(shè)備包括采用Windows 系列操作系統(tǒng)的 PC、筆記本電腦和采用嵌入式操作系統(tǒng)的 PDA；而傳統(tǒng)的工業(yè)控制設(shè)備主要是非TCP/IP設(shè)備，如RS-232、RS-422、RS-485、CNC、PLC 串行設(shè)備或模擬傳感器設(shè)備。

（3）移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)底層使用的通信協(xié)議是TCP/IP，而傳統(tǒng)的工業(yè)控制設(shè)備不支持TCP/IP協(xié)議工業(yè)控制系統(tǒng)中通常采用實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，如CAN、TTP等，這些工業(yè)控制底層的通信協(xié)議也不支持TCP/IP因此，來(lái)自這些工業(yè)控制設(shè)備的數(shù)據(jù)，只有通過(guò)適當(dāng)?shù)膮f(xié)議轉(zhuǎn)換，才可以實(shí)現(xiàn)與TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)的連接 項(xiàng)目開發(fā)具有協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧用戶上位系統(tǒng)向無(wú)線數(shù)傳終端發(fā)送工作指令和數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)由嵌入式TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，打成IP數(shù)據(jù)包，再以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧使用戶可在缺少TCP/IP協(xié)議棧功能的工業(yè)控制設(shè)備（如單片機(jī)、可編程控制器PLC）通過(guò)PPP、FTP、TelNet、Direct Socket、SerialNet、E-Mail等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

（4）支持金融卡信息交換格式標(biāo)準(zhǔn)（ISO8583）ISO8583 是POS 機(jī)或ATM 柜員機(jī)等金融設(shè)備常用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它定義了數(shù)據(jù)的封裝格式等在8583應(yīng)用模式下，無(wú)線數(shù)傳終端與后端終端設(shè)備遵循一致的消息格式定義方式，IP 數(shù)據(jù)終端 解析串口收到的消息，并按照約定的命令格式識(shí)別消息，檢查校驗(yàn)和提取消息字段中特定的命令字，執(zhí)行相關(guān)操作，完成一次完整的命令處理設(shè)備工作在在8583 模式下，設(shè)備按照約定執(zhí)行相關(guān)操作，包括：網(wǎng)絡(luò)配置、建立TCP連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)等，提取8583格式封裝的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的傳輸，可以保證金融終端設(shè)備與數(shù)據(jù)中心間數(shù)據(jù)交互的完整性，能夠滿足工控、金融等行業(yè)的需求。

（5）支持路由功能設(shè)備通過(guò)以太口可與多個(gè)工業(yè)控制設(shè)備相連，提供無(wú)線路由功能，讓物理位置比較近的多個(gè)終端同時(shí)連接上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與數(shù)據(jù)中心的雙向數(shù)據(jù)傳輸在此模式下，設(shè)備完成以太接口所連局域網(wǎng)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的NAT 路由而設(shè)備的串口用作控制臺(tái)配置接口，設(shè)備對(duì)串口接收到的數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)的控制臺(tái)命令處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)IP 數(shù)據(jù)終端的配置管理。

（6）提供AT 擴(kuò)展命令集很多工業(yè)控制產(chǎn)品直接輸出AT 命令，控制外接設(shè)備無(wú)線數(shù)傳終端作為一個(gè)帶TCP/IP 功能的擴(kuò)展數(shù)據(jù)終端，從串口接收數(shù)據(jù)終端發(fā)來(lái)的類AT 命令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作無(wú)線數(shù)傳終端支持所有標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，主要用于控制數(shù)據(jù)通信模塊；同時(shí)IP 數(shù)據(jù)終端還根據(jù)應(yīng)用擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了以下命令：設(shè)置數(shù)據(jù)通信參數(shù)、激活/斷開數(shù)據(jù)通信連接、發(fā)送/接收短消息、激活/終止TCP連接、發(fā)送/接收TCP報(bào)文、發(fā)送/接收UDP報(bào)文等AT擴(kuò)展命令還可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行定制。

（7）提供多種標(biāo)準(zhǔn)通信接口提供100BaseT以太網(wǎng)接口、PCMCIA、RS232、USB、RS485等多種標(biāo)準(zhǔn)接口，同時(shí)開發(fā)相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動(dòng)軟件，以適應(yīng)工業(yè)控制設(shè)備及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)儀器分布式處理結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接的需要。

（8）采用嵌入式高性能處理器為了支持多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，采用處理能力強(qiáng)大32位的嵌入式處理器，提供強(qiáng)大的處理能力，并能夠滿足未來(lái)應(yīng)用功能的升級(jí)同時(shí)采用實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開發(fā)工具技術(shù)來(lái)控制功能復(fù)雜性，簡(jiǎn)化應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。

（9）小尺寸、微功耗和低成本通過(guò)選用最佳的編程模型和不斷改進(jìn)算法，采用Java編程模式，優(yōu)化編譯器性能，滿足小尺寸、微功耗和低成本的特性 典型應(yīng)用領(lǐng)域移動(dòng)數(shù)據(jù)通信正逐步進(jìn)入傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域利用移動(dòng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)可以為工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)搭建遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)無(wú)線數(shù)傳終端利用最新的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)作為傳輸介質(zhì)，可以與眾多的RTU終端、DTU終端、PLC終端、單片機(jī)終端、工控機(jī)、GPS車載定位儀、儀器儀表、POS終端等工業(yè)控制設(shè)備無(wú)縫連接各種遠(yuǎn)程工業(yè)控制設(shè)備通過(guò)移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接到數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)瀏覽溫度，設(shè)置點(diǎn)，報(bào)警或者其他監(jiān)控功能，并使數(shù)據(jù)采樣更加實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，用戶可以在異地遠(yuǎn)程控制監(jiān)控設(shè)備，使工業(yè)控制更加高效率，有助于實(shí)現(xiàn)行業(yè)管理現(xiàn)代化、數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化等目標(biāo) 。

工業(yè)控制無(wú)線數(shù)傳終端產(chǎn)品具有支持多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，不僅能滿足工業(yè)遙控、遙調(diào)、遙測(cè)、遙信功能，而且還能實(shí)現(xiàn)對(duì)工控現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控，即“遙視”功能，可集中管理各工業(yè)控制設(shè)備的工作狀態(tài)，滿足工業(yè)控制自動(dòng)化發(fā)展的要求設(shè)備能夠應(yīng)用在電力、自來(lái)水、天然氣等領(lǐng)域表計(jì)的計(jì)量，還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量讀取、自動(dòng)計(jì)量發(fā)送、遠(yuǎn)程信息處理、遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控，以及安防、車輛調(diào)度、公眾流量業(yè)務(wù)、工業(yè)處理自動(dòng)化等任何需要統(tǒng)一管理服務(wù)終端的應(yīng)用方案中，可廣泛用于金融、保險(xiǎn)、證券、商業(yè)、公安、多媒體通信、稅務(wù)、氣象、石油等行業(yè)。

例如，在環(huán)保系統(tǒng)中，常常需要對(duì)眾多的污染排放點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，大部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)發(fā)送到管理中心的后端服務(wù)器進(jìn)行處理由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散，分布范圍廣，而且大多設(shè)置在環(huán)境較惡劣的地區(qū)，通過(guò)電話線傳送數(shù)據(jù)往往事倍功半利用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，成為環(huán)保部門選擇的通信手段亮點(diǎn)之一污染監(jiān)測(cè)設(shè)備將采集到的污染數(shù)據(jù)和告警信息，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)發(fā)送到環(huán)保監(jiān)察部門，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排污單位或個(gè)人的及時(shí)管理，大大提高了工作效率，為環(huán)境保護(hù)提供了嶄新方式。


無(wú)線數(shù)傳終端在環(huán)保系統(tǒng)的應(yīng)用

無(wú)線數(shù)傳終端在工業(yè)控制領(lǐng)域的主要應(yīng)用有：

（1）城市配電網(wǎng)系統(tǒng)與自動(dòng)化抄表、變電站設(shè)備監(jiān)測(cè)

（2）自來(lái)水、煤氣管道、閘門、泵站與水廠監(jiān)控

（3）供熱系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控和維護(hù)級(jí)

（4）環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

（5）三防與水文監(jiān)測(cè)

（6）氣象數(shù)據(jù)采集

（7）無(wú)人值守如倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控

（8）無(wú)人值守站機(jī)房監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)（如移動(dòng)基站、微波、光纖中繼站等）