基于嵌入式TCP/IP的實時數(shù)據(jù)傳輸

1 引言
目前,液化氣廣泛用于居民生活和工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域,液化氣流通過程中大部分業(yè)務(wù)需要針對氣體和液體進行流量計量?，F(xiàn)有系統(tǒng)主要是稱重計量儀表作為計量裝置。以人工方式作計量數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)計匯總。人工方法存在費時費力,各個計量點都容易出現(xiàn)人為數(shù)據(jù)錯誤的缺點,造成不必要的損失和漏洞。而且人工處理石油液化氣儲運數(shù)據(jù),是屬于掛流水帳,各類原始數(shù)據(jù)的關(guān)系是分離的,不方便及時查詢和管理,無法作出正確的經(jīng)營決策。
將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到石油液化氣儲運數(shù)據(jù)中,首先可以對設(shè)備進行實時的運行狀態(tài)監(jiān)測,無需要人工干預(yù)即能自主運行;其次可以根據(jù)設(shè)備運行條件的改變,自適應(yīng)地調(diào)節(jié)自身的功能來保證監(jiān)控及診斷的準(zhǔn)確性。杜絕石油液化氣儲運各個環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的漏洞,提高企業(yè)經(jīng)濟效益;最后可以把各類石油液化氣儲運原始數(shù)據(jù)有機地組合在一起,統(tǒng)籌處理數(shù)據(jù)的輸入、查詢、統(tǒng)計及顯示和輸出,使處理石油液化氣儲運數(shù)據(jù)的過程通暢、合理、快捷、準(zhǔn)確。
2. 嵌入式系統(tǒng)及其石油液化氣儲運現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)解決方案
2.1 嵌入式系統(tǒng)簡介
嵌入式系統(tǒng)不以獨立設(shè)備的物理形態(tài)出現(xiàn),嵌入式系統(tǒng)的部件根據(jù)主體設(shè)備以及應(yīng)用的需要,嵌入在主體設(shè)備內(nèi)部,發(fā)揮著運算、處理、存儲以及控制等作用。從體系結(jié)構(gòu)看,嵌入式系統(tǒng)主要以嵌入式處理器、支撐硬件和嵌入式軟件組成。早期的嵌人式系統(tǒng)以單個芯片為核心,大部分應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中,后來發(fā)展為以嵌入式CPU、嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)為核心的新型組成結(jié)構(gòu)。但隨著信息技術(shù)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計所必須考慮的問題,可以說嵌入式TCP/IP技術(shù)是嵌入式計算機系統(tǒng)與Internet技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物,基于Internet的嵌入式系統(tǒng)成為一個研究熱點。
2.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計特點
本系統(tǒng)具有功耗低、可靠性高、功能完備等特點。系統(tǒng)的耗電量為1～3W,由于系統(tǒng)功耗很低,專用于工業(yè)級領(lǐng)域,因此在器件的選用、系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計等各個方面都進行了嚴(yán)格的論證和實驗分析,其運行可靠性得到了保證。系統(tǒng)使用400MHz以上主頻的32位微處理器,總線為100MHz,無論是高速實時處理還是大容量數(shù)據(jù)傳輸都能夠滿足,全新的設(shè)計體系使得整個系統(tǒng)具有強大的處理能力和廣泛的升級空間。該系統(tǒng)對于用戶來說,由于操作系統(tǒng)的支持,使用中根本感受不到體系的差異,而對于進行開發(fā)人員來講,以前在X86平臺下編寫的程序,也只需做一次重新編譯簡單移植一下即可,從而最大限度的保護了用戶的資源,增強了系統(tǒng)的可擴展性。
2.3  硬件結(jié)構(gòu)
針對傳輸數(shù)據(jù)量,實時數(shù)據(jù)采集控制盒中的核心控制芯片選用了Intel XScale255。其它電路包括A/D接口、I/O接口芯片、電壓變換芯片、充電保護芯片、濾波電路、顯示驅(qū)動等部分組成。系統(tǒng)使用的網(wǎng)卡芯片是選用Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS構(gòu)成,它是一種低價位的通用以太網(wǎng)控制器,采用了高度集成化的設(shè)計?，F(xiàn)場傳感器采集的信號為溫度、壓力、流量信號,均為模擬信號,需進行A/D轉(zhuǎn)換。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示:
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2.4  軟件結(jié)構(gòu)
2.4.1 操作系統(tǒng)
嵌入式操作系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心,通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動程序、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形用戶界面(GUI)等。專門負(fù)責(zé)管理存儲器分配、中斷處理、任務(wù)調(diào)度等功能。本設(shè)計采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng),嵌入式Linux是一種由內(nèi)核(kerne1)以及根據(jù)需要定制的系統(tǒng)模塊組成的小型操作系統(tǒng)。相對于其他嵌入式RTOS,它具有鮮明的特點:微內(nèi)核結(jié)構(gòu),最多幾百KB;免費開放源代碼,具有可裁剪性,能根據(jù)特定需求自行設(shè)計;具有優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫支持功能,支持TCP/IP等常見協(xié)議,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通訊和實時處理。
系統(tǒng)在啟動時,由BootRom將Linux內(nèi)核從FLASH/ROM映像到RAM中,對系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境進行初始化。應(yīng)用程序中相關(guān)內(nèi)容的初始化作為應(yīng)用程序引導(dǎo)模塊,固化在FLASH/ROM上,以便主機上電后可以由內(nèi)核程序?qū)⑵渥x到RAM文件系統(tǒng)中,再由這部分引導(dǎo)應(yīng)用程序運行模塊。由于該系統(tǒng)是基于全IP的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò),在考慮了網(wǎng)絡(luò)帶寬和系統(tǒng)通信量的基礎(chǔ)上,我們選擇心跳檢測的正常閥值為1秒,數(shù)據(jù)恢復(fù)策略采用即時傳送數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]
2.4.2 嵌入式TCP/IP技術(shù)
由于本系統(tǒng)的用戶要求其可以在任意地點的通過web瀏覽器接入網(wǎng)絡(luò),實時查詢各液化氣站工作點儲運數(shù)據(jù),同時通過客戶端可任意對實現(xiàn)工作點遠(yuǎn)程控制和管理,實現(xiàn)大范圍的互聯(lián),因此數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸成了必須解決的問題。
嵌入式TCP/IP技術(shù)是一種設(shè)備接入技術(shù),主要解決如何通過Web和嵌入式技術(shù)實現(xiàn)從不同子網(wǎng)、不同物理區(qū)域?qū)尤氲絀nternet的設(shè)備和異類子網(wǎng)進行監(jiān)控、診斷、管理及維護等操作,使用戶對接入到Internet上的各種設(shè)備或其他類型的子網(wǎng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷和管理的能力。嵌入式系統(tǒng)由于其自身硬件資源有限,不同于通用計算機系統(tǒng),因此由通用計算機操作系統(tǒng)內(nèi)核實現(xiàn)的存儲器管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信等功能模塊不可能在嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核中全部實現(xiàn)。傳統(tǒng)的TCP/IP通信傳輸七層結(jié)構(gòu)模式不再適用于嵌入式系統(tǒng),必須根據(jù)實際傳輸數(shù)據(jù)的需求合理簡化協(xié)議。本系統(tǒng)采用圖2所示TCP/IP的四層結(jié)構(gòu)子協(xié)議集。
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其中應(yīng)用層負(fù)責(zé)實現(xiàn)HTTP協(xié)議;傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場與信息中心間可靠性的數(shù)據(jù)通信;互聯(lián)網(wǎng)層完成尋址、定址、數(shù)據(jù)打包和安排路徑,同時判斷網(wǎng)絡(luò)是否連通;數(shù)據(jù)鏈路層把幀送到線路中去,同時可以把需接收的幀從線路中取出來。
2.4.3 應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)
我們將應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)分為3層(如圖3所示),即:客戶端、信息中心、現(xiàn)場。其中信息中心由Web服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器構(gòu)成;數(shù)據(jù)庫設(shè)計考慮了位于信息中心層的本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和客戶端的虛擬服務(wù)器;現(xiàn)場控制系統(tǒng)包括各類現(xiàn)場儀表,傳感器的控制系統(tǒng)軟件。我們可以將上述系統(tǒng)理解為一個較為復(fù)雜的B/S體系機構(gòu)的軟件系統(tǒng)。

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本系統(tǒng)采取這樣復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)是由系統(tǒng)的功能設(shè)計及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決定的,這意味著一臺機器要與其他系統(tǒng)進行協(xié)作,它既提供服務(wù),同時也需要其他系統(tǒng)的服務(wù)。該3層結(jié)構(gòu)是指合理的利用系統(tǒng)資源,不同層次分工協(xié)作,使某項任務(wù)在多臺機器之間進行匹配,其中客戶機(Client)用來運行提供用戶接口和前端處理的應(yīng)用程序,應(yīng)用服務(wù)器及Web服務(wù)器用于發(fā)布信息、數(shù)據(jù)及指令的傳達。現(xiàn)場完成數(shù)據(jù)實時采集傳輸,并最終執(zhí)行控制指令、實現(xiàn)控制目標(biāo)和性能指標(biāo)。
3.系統(tǒng)的可靠性設(shè)計
在保障功能的前提下,系統(tǒng)的可靠性是評價其性能的重要指標(biāo)。石油液化氣儲運實時數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)采用無人值守方式,為提高嵌入式遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性,我們從硬件、軟件兩個方面進行系統(tǒng)設(shè)計。
3.1 硬件抗干擾措施
系統(tǒng)中所采用的嵌入式主機是為工業(yè)現(xiàn)場研制開發(fā)的。本身的機械和電氣特性足以在惡劣環(huán)境條件下的連續(xù)運行,但為防止其它電磁干擾對開關(guān)電源的輸出或數(shù)字系統(tǒng)的信號線造成沖擊,從而導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)異常運行或死機。只有提高系統(tǒng)的電磁兼容性才能提高其可靠性。仔細(xì)分析造成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。抑制電磁干擾的方式也從這3方面著手:抑制干擾源;消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑;提高受擾設(shè)備的抗干擾能力,降低其對噪聲的敏感度。目前電子設(shè)備大多采用切斷電磁干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道對電磁干擾進行抑制,常用的方法包括屏蔽、接地和濾波。本系統(tǒng)采用了下述3種措施降低或消除電磁干擾所造成的影響:(1)電源采用本安電源供電,直接消除電源干擾的可能性。普通電源當(dāng)接的負(fù)載過多時,電壓降的現(xiàn)象很厲害,而本安電源的避免了這種情況;(2)嵌入式計算機主機外放置金屬屏蔽外殼,且整個屏蔽罩與系統(tǒng)的機殼和地連接為一體;(2)在電源輸入端加接由鐵氧體磁性材料加工成的電磁干擾吸收元件,改善系統(tǒng)的濾波特性。[!--empirenews.page--]
3.2 軟件抗干擾措施
軟件設(shè)計方面主要采用以下措施來保障程序運行的穩(wěn)定性:
(1)啟動看門狗定時器,使其能在程序異常運行時自動重啟整個系統(tǒng)。
(2)編寫專門程序?qū)PU的可利用資源及內(nèi)存可利用空間進行監(jiān)控,如果CPU資源和內(nèi)存無法滿足應(yīng)用程序的正常運行則重啟系統(tǒng),該監(jiān)控程序獨立運行。
4. 安全性
本系統(tǒng)設(shè)計的安全性涉及到兩個方面,其一是數(shù)據(jù)傳輸安全性,其二是該系統(tǒng)的對象是易燃易爆物品,防止出現(xiàn)火情是另一個非常重要的問題。
數(shù)據(jù)傳輸安全性問題是由于系統(tǒng)采用Internet的訪問技術(shù),網(wǎng)絡(luò)被攻擊的可能性增大,網(wǎng)絡(luò)安全防護成了大問題,必須采用多種技術(shù)手段和防范策略,確保系統(tǒng)不受病毒和黑客的破壞,以達到確保系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性、統(tǒng)一性。主要解決策略是采用密碼和防火墻策略,根據(jù)規(guī)則過濾掉外部的數(shù)據(jù)流,且數(shù)據(jù)傳送必須加密,訪問所有可能受到攻擊的點都必須提供正確的用戶名和密碼才可以訪問。另外采用只讀訪問策略,將關(guān)鍵信息和敏感信息標(biāo)記為只讀特性,尤其是從Intranet范圍外的IP地址來的訪問請求。
為防止由于現(xiàn)場采集系統(tǒng)導(dǎo)致石油液化氣燃燒,發(fā)生意外,本設(shè)計采用了2個措施:(1)如前所述,前端控制盒電源采用本安電源,該電源工作極其穩(wěn)定,不產(chǎn)生電火花,被廣泛用于防爆工作環(huán)境;(2)由于監(jiān)控設(shè)備需要長期運轉(zhuǎn),因此系統(tǒng)要求有很好的散熱功能。系統(tǒng)的散熱片結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的一個改裝成為兩個散熱片,使得系統(tǒng)適用于易燃易爆工作環(huán)境。
5. 小結(jié)與本文作者創(chuàng)新點
本文介紹的系統(tǒng)具有分層合理、模塊劃分清晰、可移植性好等特點,并且系統(tǒng)充分利用現(xiàn)成的電信網(wǎng)絡(luò),省去了現(xiàn)場建設(shè)及有線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)的費用。此外該系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)表明:系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對被管理設(shè)備的各項基本操作、管理和訪問,滿足一般嵌入式系統(tǒng)對系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)實時采集的應(yīng)用需要,該設(shè)計思想可以廣泛應(yīng)用于其它類似的現(xiàn)場分散、網(wǎng)絡(luò)化實時數(shù)據(jù)的采集傳輸管理系統(tǒng),不論從經(jīng)濟效益還是社會效益角度來講,都有著廣泛的應(yīng)用前景。