B/S架構工控設備數據采集系統的實驗與設計

劉敏杰

【摘 要】本文論述B/S架構工控設備數據采集系統的實驗與設計，數據采集系統被廣泛應用于工控設備的運行狀態監測，隨著互聯網的普及，迫切需要一種升級維護方便，可以跨平臺并方便接入互聯網的數據采集系統;探索B/S架構下用戶以WEB模式通過Browser直接對設備訪問，同時在WEB服務器端實現控制瀏覽，在嵌入式端實現數據采集和保存的一套數據采集系統。

【關鍵詞】B/S架構? WEB服務器? 數據采集系統

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）11C-0188-03

一、研究背景

隨著嵌入式設備、互聯網和嵌入式遠程控制相互結合更加緊密，利用網絡來訪問網絡的嵌入式設備進行遠程控制已成為科學和技術在工業控制領域的發展趨勢。實驗設計使用B/S結構系統，可很好解決工業控制在不同的網絡互聯問題，改善現有的嵌入式設備的信息化水平，促進傳統工業控制系統的發展。嵌入式互聯網技術是實現B/S架構數據采集系統的核心，用戶只需要使用Web瀏覽器就可以通過訪問html網頁的方法遠程登錄工控設備進行監視和控制。

實驗設計采用B/S結構開發數據采集系統，嵌入式系統采集數據并上傳，用戶通過訪問服務器端，嵌入式識別上傳設備情況，用戶可以實時獲取目前工業控制設備的運行情況，實時掌握工控設備的運行參數設置，使用戶直接通過瀏覽器實現遠程對嵌入式設備進行監控和對參數進行遠程設置。

二、系統實驗設計方案

實現數據的遠程采集和監控可以理解為這樣的一個過程：無線采集模塊通過TCP協議或者UDP協議連接云端服務器，將用戶設備從USART端口傳過來的數據保存在內部的儲存空間，當云端服務器發出瀏覽申請時，可以把存儲的數據內容發送到云端服務器。同樣，無線采集模塊也可以接收來自云端服務器的控制命令、參數配置，然后對工控設備進行控制。其中無線數據采集設備就是整個采集系統的軟硬件設計核心。

圖1為應用嵌入式無線采集設備構建一個B/S架構的遠程數據采集的示意圖。用戶設備通過無線采集模塊提供的網絡連接功能，比如TCP client，連接到云端平臺的服務器，比如YeeLink，那么工控設備通過無線采集模塊就可以將自身的運行狀態、采集到的數據等上傳至云端服務器，移動設備通過訪問服務器就可以獲知設備的最新運行狀態，以及查看采集到的數據;對于用戶來說，來自移動終端的控制命令，也可以借助云端服務器的轉發，將控制命令下發到用戶設備上，實現反向控制。

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，在一些行業仍保留有如8051老式的八位單片機。對于不同級別的單片機，實現網絡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行嵌入式操作系統，Linux是一種，對于不具備操作系統要求的單片機，也有實現網絡訪問的具體方法。在物聯網高速發展的今天，以網絡遠程管理產品是一種有效的方法，常使用的方法包括SNMP（UDP）、HTTPelnet和TCP等，都要求具有網卡和對應的軟件協議。

（一）實驗分析軟件TCP/IP協議棧方案。TCP/IP協議棧是一系列網絡協議的通用名稱。除了TCP協議和IP協議外，也包括不同層的SMTP協議、FTP協議、DNS協議、HTTP協議、UDP協議、ARP協議、IGMP協議、ICMP協議等。

如圖2所示，實現以太網的成功連接，則是由MCU、MAC、PHY加入網絡物理接口，而實現通信及上層應用是將TCP/IP協議以代碼的形式植入主控芯片內部完成。

MAC協議在數據接收的時候，會對數據的正確性進行校驗，對輸入信息進行傳輸錯誤的判定。如通過無誤，則刪掉控制信息，發送至LLC層。反之在數據發送的時候，數據發送與否則通過MAC協議預先對其進行判斷。如判定可以傳送，則在數據增加控制數據信息，最后把數據及控制信息傳送投至物理層;以太網MAC由IEEE-802.3以太網標準定義。

PHY是物理層接口。物理層傳輸數據時，尤其是MAC PHY上，只有數據和地址的概念，沒有數據幀的概念。在傳輸過程中，每一幀都經過CRC校驗，1位錯誤檢測代碼被插入到每一位數據。同時將并行數據轉變成串行流數據，采用物理層的編碼規則將數據編碼轉變成幀，能實現接口中接收信號線與傳送信號線功能自動互相交換。

物理層能夠檢測網絡上是不是有數據正在傳輸，當檢測到網絡空閑時就發送等待的數據。反之，當網絡繁忙時就繼續等待。這是該層實現CSMA/CD的一些關鍵功能的體現。

如果同時傳送兩個數據的時候發生數據沖突，在這樣的情況下應如何解決，其工作的原理是等待隨機節點再重新傳輸數據信息。這正是沖突檢測單元發揮的功能。隨機絕非是恒定不變的，是在不同的節點推算產生。實驗分析如果使用TCP/IP協議棧方式，目前比較成熟的有自帶MAC+PHY的解決方案STM32F107。同時還有DM9000、ENC28J60等。

因為軟件協議棧的操作需要主控制器的連續響應，這在很大程度上占用了微控制器的時鐘資源。經實驗分析發現，微控制器在單線程操作的情況下數據和運行速度的處理速率剛能滿足基本需求，然而，隨著線程數量的增加，微控制器的工作效率會直線下降，這將嚴重影響通信質量。考慮到代碼量，就算使用LWIP協議，它也會給主控芯片帶來大于40KB的代碼量，這不僅降低了程序的可讀性，還給內存資源有限的MUC帶來了負擔。

在網絡安全性實驗分析，設備連接入網絡以后一定要提升在互聯網上的防護能力，像這樣的軟件協議棧的配置方案萬一遭受網絡攻擊，微控制器很可能發生停止響應的故障，對工控行業帶來較大的風險。雖然目前網絡技術不斷發展，各類新的加密技術試圖讓通信變得更加安全，但是還會出現各種各樣的漏洞。

（二）實驗分析硬件協議棧芯片方案。硬件協議棧芯片方案由微控制器加硬件協議棧芯片，內含MAC和PHY，直接加網絡接口，便可方便地實現單片機聯網，所有處理TCP/IP協議的工作都交給硬件協議棧芯片來完成。這套方案是由WIZnet首次提出，并成功推出以太網系列芯片：W5100、W5200、W5300和W5500。所謂硬件協議棧就是指通過把傳統的軟件TCP/IP協議棧改成用硬件化的邏輯門電路來實現。

以太網芯片的內核可以分為以下幾個層次：

物理層PHY和外圍寄存器、存儲器和SPI接口;鏈路層的MAC結構;網絡層的IP、ARP、PPPoE等協議;傳輸層中的TCP、UDP和其他協議。上述部分構成一個完整的硬件以太網解決方案。即硬件TCP/IP協議棧取代了以前的MCU來處理這些中斷請求，也就是說，處理只需要處理面向用戶的應用層數據。外圍芯片將完成物理層、鏈路層、傳輸層、網絡層。該方案從硬件開銷和軟件開發兩個方面簡化了上述網絡模型，并簡化了產品開發方案。這樣開發人員不必面對復雜的通信協議代碼，只專注理解簡易的Socket編程函數就可以完成網絡功能開發部分的產品開發工作。

因為硬件協議棧幫助MCU處理幾乎所有的TCP/IP協議任務，它不僅大大減少了中斷的數量，還讓單片機騰出足夠的資源來做其他重要的工作，并且電路處理協議的硬件將更加快速和穩定。在單個線程之中，隨著線程的增加，該方案的通信速度大約是軟件協議的10倍，所以硬件協議棧是通過獨立的Socket通信，使通信速度增加了;并且單個芯片的效率仍然保持在高水平。

從代碼量實驗分析，因為程序主要是完成寄存器和Socket的編程的調用，所以對于STM32和其他小內存來說只需大約10K的代碼，遠遠小于軟件協議。

從成本角度來看，硬件協議棧芯片的價格幾乎與MAC+PHY相同。硬件協議棧芯片簡單易用，可以在短時間內完成產品開發過程。此外，官方例行程序庫和主機程序豐富，這也縮短了測試過程，并且在后期基本上不需要維護。

在網絡安全性實驗分析，病毒和網絡攻擊對它不起作用，很好彌補網絡協議在安全性存在不足的問題。正由于這個突出的優點，硬件協議棧技術在將來互聯網和智能設備領域發展很有潛力，降低了開發門檻的同時提高安全性和可靠性。

論證了兩種TCP/IP的實現方式，WIFI接入對于實現接入物聯網的數據采集系統來所十分重要。對于嵌入式Linux就支持TCP/IP的協議棧，在MDK下使用RL-RTX+RL-TCPNet構建應用十分合適。注意RL-TCPnet是不開源的，本文設計的數據采集系統最終選擇了硬件協議棧芯片作為TCP/IP實現方案。

總之，現代的數據采集系統的發展方向是與嵌入式技術、物聯網技術結合。文中從軟件協議棧和硬件協議棧的處理方式的分析、代碼量、成本角度、網絡安全性等幾個方面對比，總結出采用不同設計方案的優缺點，為最后系統采用硬件協議棧作了充分論證。高效的工控設備數據采集系統，不僅需要一個穩定的控制系統，更需要友好便捷的人機互交界面。在實驗設計系統的研究過程中，驗證了遠程網絡控制的功能，收獲了數據采集系統和互聯網開發的技術和能力。

【參考文獻】

[1]王瓊.基于嵌入式Linux數據采集系統的軟件設計與實現[D].西安：西安電子科技大學，2013