（控制理论与控制工程专业论文）基于网络的热工参数测控关键技术研究.pdf

r e s e a r c ho fi n t e r n e t - b a s e dt h e r m a lp a r a m e t e r m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo f k e yt e c h n o l o g i e s l ij i a w e i u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f w a n gz h o n g h u a at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f d l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 0 ，2 0 1 0 吣8吣0 叭6眦7，47 川1y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：缝日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：衄导师签名：日期：竺竺垒! 壁j 7 日 r 一 济南人学硕 j 学位论文 曼曼! ! ! ! 曼曼曼! 曼! i i 一i 一_ i _ _ i , m , m , 。n i i 一! i i ! 目录 摘要1 ll a b s t r a c t 、， 第一章概述1 1 1 项目背景。l 1 2 国内外研究现状1 1 3 嵌入式网络通讯系统简介以及现有实现方案阐述3 1 40 si 模型与t c p ip 简介5 1 4 1o sl 模型5 1 4 2t c p ip 简介7 第二章系统方案模型9 2 1 系统方案模型9 2 2 网络测控方案关键技术1 1 第三章单芯片网络数据采集系统硬件设计1 3 3 1 选择m c u 1 3 3 2 物理层连接18 3 3 b d m 调试口2 0 3 4 连接入网络的p c 机2 0 第四章单芯片网络数据采集系统软件设计2 1 4 1 采集方案中简化t c p ip 协议栈的组成2 l 4 2 使用精简的t c p lp 协议栈数据发送的实现j 2 1 4 2 1 精简的lp 和a r p 协议2 5 4 2 2 判断是否为l 伽p 报文3l 4 2 3 使用精简的u d p 数据报发送数据3 3 4 2 4 精简t o p 协议实现方案3 7 4 3w 曲服务器数据管理4 3 4 3 1w e b 服务器ip 地址设置4 4 4 3 2win s o c k 控件使用4 5 4 3 3lp 地址动态功能4 6 4 4 数据接收软件设计4 6 4 4 1 使用浏览器远程访问4 7 4 4 2 远程数据管理4 8 第五章热工参数测控5 1 5 1 模拟信号传送5 1 5 2 数据采集模块一5 2 第六章总结与展望5 5 参考文献5 7 致谢6 1 附录6 3 附录a 攻读学位期间发表的学术论文和获奖情况。6 3 附录b 电路板实物图6 4 附录c 调试工具6 5 i l 济南人学硕 ：学位论文 曼曼曼皇! ! 曼曼曼曼! ! ! ! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼苎曼! ! ! 皇1 鼍曼曼曼量皇! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼蔓曼曼曼曼皇 摘要 能源问题对人类的可持续发展构成了严峻的考验。在热能利用中，约有8 0 通过 热能管、网及换热器转化为不同用途。先进的能源管理及合理分配、热能系统管网的 安全运行、准确反映用户能耗都需要对热力学状态参数进行测量。以往的热网系统往 往采用人工抄表对热网的热力参数进行统计。由于热网系统往往地域分散，得到的热 网参数的准确性、实时性很差，要对热网进行合理调节和调度几乎是不可能的。随着 信息技术的发展，使得研制网络环境下的热工参数测控系统成为可能。互联网的优势 使网络单芯片数据网络发送方案成为了热工参数采集中的关键技术之一。基于互联网 络热工参数测控方案的关键技术是嵌入式系统实现的低成本、高可靠性的网络连接。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，系统功能、可靠 性、成本、体积、功耗等要求非常严格的计算机系统。因此，低成本，高可靠性的网 络连接方案是关键部分。该方案关键技术在于实现单芯片的网络连接，通过低成本， 嵌入式的网络连接来完成数据的处理。 本文主要围绕以下几点来展开： l 、概述性的介绍了o s i 模型和t c p 口网络结构，介绍了该方案中使用的各种协 议和嵌入式系统的概况，分析了网络参数测控技术的多种实现方案以及未来趋势。 2 、提出一种比较通用的网络检测模型。在满足热工参数测控系统的发展要求前 提下，通过建模，对其软件体系结构进行功能模块划分，系统模块包括：测控端的数 据采集模块、嵌入式系统通讯模块以及网络安全模块；数据处理端包括客户端人机接 口模块、监控系统数据库模块、设备管理模块、本地文件系统管理模块、数据管理模 块以及数据处理端通讯模块。形成系统并研究各部分的调用机制。 3 、使用精简后的t c p i p 协议栈来实现一套能够完成连接网络的单芯片数据采集 系统网络连接方案：在网络中使用u d p 协议进行网络数据传送，在网络数据发送过 程中，网络层使用口发送函数来进行发送。运输层对u d p 数据包进行i p 头部封装 打包，填写好报文格式后，使用u d p 进行发送。通过m c 9 s 1 2 n e 6 4 的a d 模块进行 模数转换，将通过a d 通道转换后的数据，使用u d p 协议来进行发送。数据采集和 网络发送的过程，通过将模数转换集成在芯片中的单芯片处理器来实现。在网络连接 方案中完成t c p 协议的和h ：t t p 协议的设计，使得测控端支持h t t p 协议的访问，并且 i r 延于网络的热r 参数测撺关键技术研究 一- - , q i l l i i 量曼璺曼曼舅 可以从数据处理端使用浏览器方式完成对测控端的浏览。最后总结出参数检测的方 法。 4 、完成数据处理端功能：使用v b 编写软件，完成数据库相应功能；编写相关 网页，将数据显示在网页中，使用浏览器完成数据接收和存储功能。 关键词：t c p i p ，网络采集，u d p ，m c 9 s 1 2 n e 6 4 i v a b s t r a c t e n e r g yi s s u et a k e sas e r i o u st h r e a tf o rh u m a n sc o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n t i nt h ep r o c e s s o fe n e r g yu s i n g ，8 0 o ft h e mi sw a s t e di n t od i f f e r e n tw a y st h r o u g ht h ep i p e ，n e t w o r ka n d e x c h a n g e r t h et h e r m o d y n a m i cs t a t ep a r a m e t e r sn e e d st ob em e a s u r e di no r d e rt or e a l i z e m v a n c e de n e r g ym a n a g e m e n ta n dr a t i o n a la l l o c a t i o no fe n e r g y , g u a r a n t e es a f eo p e r a t i o no f t h e r m a lp a r a m e t e r ss y s t e ma n dr e f l e c te n e r g yc o n s u m p t i o no fu s e r s i nt h ep a s tt i m e ，t h e t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e dm a n u a lm o d e h o w e v e r , i ti sn e a r l yi m p o s s i b l e t or e g u l a t et h et h e r m a ln e t w o r k ，b e c a u s et h et h e r m a lp a r a m e t e r sw h i c ha r eq u i t ed i s t r i b u t e d h a v ear e a s o n l e s sr e a l - t i m ec h a r a c t e ra n da c c u r a c y r e c e n t l y , t h er e s e a r c ho ft h e r m a l m e a s u r e m e n ts y s t e mu n d e rt h ee n v i r o n m e n to fn e t w o r ki sp r o m o t e dw i t ht h ed e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y n e t w o r kc o n n e c t i o nw h i c hi sr e a l i z e db ye m b e d d e ds y s t e mi s ak e yt e c h n o l o g yo ft h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r sm e a s u r es o l u t i o nb a s e do ni n t e m e t w i 戗l t h eh e l po ft h ei n t e m e ta d v a n t a g e ，t h es o l u t i o n so fs i n g l e c h i pn e t w o r kd a t at r a n s m i t b e c o m eo n eo ft h em o s tp i v o t a lt e c h n o l o g i e si nt h ec o l l e c t i o np r o c e s so ft h et h e r m a l p a r a m e t e r s e m b e d d e ds y s t e mw h i c hi sa p p l i c a t i o n - o r i e n t e dt a k e sc o m p u t e rt e c h n o l o g ya s b a s i s t h ec o n f i g u r a t i o no fb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec a nb ei n c r e a s e da n dd e l e t e d i ti s i m p o r t a n tf o rt h i ss y s t e mt oh a v eg e n e r a lf u n c t i o n , h i g hr e l i a b i l i t y , l o wc o s ta n de n e r g y c o n s u m p t i o nc h a r a c t e r s t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h e s o l u t i o n i st oa c h i e v es i n g l e c h i p n e t w o r kc o n n e c t i o na n dt h ed a t ac o l l e c t i o np r o j e c tt h r o u g hl o w c o s t ，e m b e d d e dn e t w o r k c o n n e c t i o nt oc o m p l e t et h ed a t ap r o c e s s i n g t h er e s e a r c ht a s kr e l i e so nn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a n d o n gp r o v i n c e ：r e s e a r c h o nt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h e r m a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lb a s e do ni n t e r a c t t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h eo s im o d e la n dt c p i pn e t w o r k , i n t r o d u c e dv a r i o u sp r o t o c o l s u s e di ne m b e d d e ds y s t e m sa n dg e n e r a ls i t u a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m a f t e rt h a t ，t h i s p a p e rt e l l su sk i n d so fi m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fn e t w o r kp a r a m e t e rd e t e c t i o na n df u t u r e t r e n d so ft h i sp r o j e c t 2 ag e n e r a ln e t w o r kd e t e c t i o nm o d e li sp r o p o s e di nt h ep a p e r i no r d e rt os a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to ft h e r m a lm e a s u r e m e n ts y s t e md e v e l o p m e n t ，t h ea r c h i t e c t u r eo ft h es y s t e m v 基于网络的热工参数测控关键技术研究 s o f l a v a r em o d u l ew h i c hi n c l u d e sa c q u i s i t i o nm o d u l e ，e m b e d d e ds y s t e mc o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，n e t w o r ks e c u r i t ym o d u l e ，a n d c l i e n t h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c em o d u l e ， m o n i t o r i n gs y s t e md a t a b a s em o d u l e ，e q u i p m e n tm a n a g e m e n tm o d u l e , l o c a lf i l es y s t e m m a n a g e m e n tm o d u l e , d a t am a n a g e m e n tm o d u l ea n dd a t ap r o c e s s i n gs i d ec o m m u n i c a t i o n s m o d u l ei sd e s i g n e dt h r o u g hm o d e lb u i l d t h em e t h o do fc a l lm e c h a n i s mw a sr e s e a r c h e d ， a f t e rt h em o d u l ec o r m e c t i o n 3 u s i n gt h es t r e a m l i n e dt c p i pp r o t o c o ls t a c kt oa c h i e v eas i n g l e - c h i pd a t aa c q u i s i t i o n p r o j e c tw h i c hc a l lb ec o n n e c t e dt oi n t e r a c t t h e r ea l es o m ef u n c t i o n sa sf o l l o w s ：t h i s p r o j e c tu s et h eu d pp r o t o c o lt oa c c o m p l i s hn e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o n a f t e rt h a t ，t h e n e t w o r kl a y e ru s ei pl a y e rs e n d sf u n c t i o nt os e n dt h ed a t ai n t h ed a t at r a n s m i s s i o np r o c e s s t r a n s p o r tl a y e rm a k eu s eo fl ph e a d e re n c a p s u l a t i o np a c k a g ef o ru d pp a c k e tp a c k e d a f t e r m lo u tt h ep a c k e tf o r m a t ，t h et r a n s p o r tl a y e ru s i n gu d pt os e n d d a t aw i l lb ec o n v e r t e d t h r o u g ht h ea dc h a n n e lb yt h ea d cm o d u l eo nt h em c 9 s 12 n e 6 4 ，a n dt h ed a t aa f t e r c o n v e r t e da r es e n tf r o mu d p p r o t o c 0 1 d a t ac o l l e c t i o na n dt h ep r o c e s ss e n tt ot h en e t w o r k a r ea c h i e v e db ya d cw h i c hi n t e g r a t i n gi ns i n g l e - c h i pp r o c e s s o r t h i sp r o j e c tc o m p l e t e d t h ed e s i g no fh r r pp r o t o c o la n dt c p p r o t o c o l ，a n dh t r pp r o t o c o li su s e dt or e a l i z et h e v i e wo fw e bp a g e a tl a s t ，c o n v e n i e n tp a r a m e t e rd e t e c t i o nm e t h o d sh a v eb e e ns u m m e du p 4 t h ed a t ap r o c e s s i n gs i d ec o m p l e t e sf o l l o wf u n c t i o n s ：f i r s t l y , t h ea p p l i c a t i o nc o d e w r i t t e nb yv bs o f t w a r ei su s e dt oc o m p l e t et h ed a t a b a s ef u n c t i o n s e c o n d l y , d a t ai s d i s p l a y e di nt h ew e bp a g e sa f t e rf i n i s h i n gt h ed e s i g no fr e l e v a n tw e bp a g e sw i t hh t m l ， a n dt h e nc a r r yt h eb r o w s e rt or e a l i z et h ef u n c t i o no fd a t ar e c e i v i n ga n ds t o r a g e k e y w o r d s ：t c p i p , n e t w o r ka c q u i s i t i o n , u d p , m c 9 s 1 2 n e 6 4 v i 济南人学硕 学位论文 1 1 项目背景 第一章概述 能源问题已经对人类的可持续发展构成了严峻的考验。在热能利用中，大约有 8 0 通过热能管、网及换热器转化为不同用途。先进的能源管理及合理分配、热能系 统管网的安全运行、准确反映用户能耗等等都需要对热力学状态参数进行测量。目前 国内热网的系统自动化程度还是较低【l 捌，由于热网系统往往地域分散，热网各计量 点相对分散管理比较困难，热网系统往往采用的是人工抄表对热网的热力参数进行统 计，得到的热网参数的准确性、实时性很差，要对热网进行合理调节和调度几乎是不 可能的。早期的热工参数人工抄表方式显然不能满足对管网进行先进管理的需求。 网络参数测控是集现代计算机技术、通信技术、传感器技术、人机系统技术以及 网络技术等为一体。在参数测控中，其关键技术是低成本、高可靠性的网络连接技术。 嵌 随着信息技术的发展，使得研制网络环境下的热工参数测控系统成为可能。网络环境 下的热工参数测试系统有着广泛的市场需求和应用前景，特别是冬季供暖分户式计量 等等方式的实行，使得网络环境下的热工参数测控技术需求更为迫切。国外热网系统 调度运营已经开始使用计算机完成，主体功能通过网络及通讯系统来完成热网系统的 测控。 f 长期以来，国内热工参数测试系统的应用，只是对国外产品的系统集成。本课题 拟研究基于i n t e m e t 的热工参数测控系统，对具有i n t e m e t 接口的工业测控智能i o 模块 设计的关键技术进行系统研究。通过研究系统构架，建立网络系统方案模型以及实现 单芯片的网络连接，优化网络连接方案的关键技术研究。因此，本项目的开展不仅对 于热网建模、系统优化具有理论价值，而且对于工程应用具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 当前，国内应用和研究最多的是分布式热工参数测控系统，主要采用上、下位机 形式。上位机采用工控机作为管理计算机，下位机采用数据采集系统进行热工参数数 据采集；上、下位机通讯部分由多端口智能r s 2 3 2 通信控制器和调制解调器组成， 下位机与测控装置的接口通常采用p r o f i b u s 、c o n t r o l n e t 等总线形式。这类系统由于 采用了独立的硬件平台，数据采集部分和数据处理部分的软、硬件相互依赖性强，使 得系统升级和维护成本很高：另一方面，由于通讯方式、数据采集硬件的限制以及供 l 的技术，实现基于i n t e r a c t 的远程数据采集、远程控制、自动报警、上传下载数据文 件等功能，大大扩展h t e r n e t 的应用范围。嵌入式i n t e r a c t 技术出现以来，发展速度 非常之快，从底层硬件技术所提供的解决方案到项层软件的应用，都在不断地推陈出 2 济南大学硕f ：学位论文 曼毫曼! 曼曼兰! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 蔓曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼鼍皇i m = 。曼曼皇曼曼皇置曼曼曼曼皇皇曼曼! 皇曼璺曼曼曼曼曼曼! 曼曼 新；网络专家预测，将来在i n t e m e t 上传输的信息中，将有7 0 的信息来自小型嵌入 式系统。因此嵌入式系统与i n t e r n e t 的接入方式成为人们研究的热点。家庭电器和工 业设备中无处不在的充满了单独应用的单片机或微控制器( m c u ) ，由于工业应用中要 求实时性、可靠性和安全性，大量利用孤立于i n t e r n e t 以外的工业控制通信网络( 如 c a n ，1 2 c ，p r o f i b u s 等现场总线) 实现了m c u 组网。将嵌入式系统连接到应用广泛 的i n t e m e t 上面，或者在现有网络的基础上利用i n t e r n e t 为介质，合法用户通过i n t e m e t 网络上任一台p c 可以进行远程控制与监测【2 2 】。 互联网的优势使网络单芯片数据发送方案成为了热工参数采集中的关键技术之 一。 使用以太网实现嵌入式的i o 测试系统网络连接有多种方案，传统的多器件以太 网连接方案是通过m c u 扩展以太网控制器等外围设备来实现的，必要时还需要扩展 外部r a m 和r o m 。虽然这种方案应用起来不是很困难，但所用外部元件数量较多， 系统开销较大，稳定性不高。 矗 也可以通过其他方式来实现网络数据通讯。除了双芯片的实现方案以外，还可以 外接内存来满足网络服务器的巨大的r a m 使用量。使用与i n t e r x l 9 6 系列兼容的1 6 位微控制器8 0 c 1 9 6 k c 。系统中建立了一个标准的内部总线，以太网控制器、r o m 和r a m 通过这个总线与微控制器相连。这种方式采用了三芯片的方法，不仅使得芯 片复杂，而且还会提升产品的成本。这种开发的思路不仅太复杂，而且还增加设计开蠢 发的时间。 已有的实现方案中也有使用双芯片的方式来实现以太网服务器。双芯片方案实现 方式显然需要两个主要芯片来完成，包括m c u ( 具备一定处理功能和片上存储功能) 和以太网控制器组合完成。例如使用r e a l t e k 生产的r t l 8 0 1 a s 以太网控制器与 8 9 e 5 5 4 r c 单片机共同完成以太网服务器的功能。该方案中，网络s e r v e r 中有两个主 要芯片构成，结构复杂，成本较高。同样也有基于a r m 处理器来对嵌入式网络终端 设备进行开发。我们可以看到，即使使用a r m 系列功能强大的单片机，因为没有内 嵌的网络层，也不得不再使用外扩以太网控制器来与以太网相连接。因此要想进行单 芯片的开发以节省成本和减少外部器件的数量，就必须使用内嵌以太网的m a c p h y 层的芯片来进行开发。 1 3 嵌入式网络通讯系统简介以及现有实现方案阐述 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，系统功能、 3 基于网络的热1 二参数测挖关键技术研究 曼皇曼曼曼皇曼曼曼鼍皇量曼量曼基曼曼曼曼曼曼曼曼曼量! 曼i 一一一一i ；i i 舅 成本、可靠性、体积、功耗等要求非常严格的计算机系统。嵌入式系统是软硬件结合 体，系统的设计目的在于满足某种特定的功能。嵌入式系统大致分为五个部分：处理 器、内存、输出与输入设备、操作系统和应用软件。这些系统部分也是可以根据需要 裁剪的【3 1 。嵌入式系统不同于一般计算机系统，它具有其他应用设备所不具备的一些 特性睁1 0 】： ( 1 ) 体积较小：在嵌入式系统主要的应用环境中，例如手持设备、智能仪器仪 表以及信息家电等对体积有较严格限制的设备，一般要求占用空间尽可能小一些。 ( 2 ) 存储容量较小：嵌入式系统一般使用r o m 、f l a s hm e m o r y 等存储介 质来进行数据存储。由成本以及系统体积等因素制约，故而不会有比较大的存储容量。 ( 3 ) 较良好的性能价格比：许多嵌入式设备要求嵌入设备与寄主设备高效地完 成所需功能，因此性价比要求高。 ( 4 ) 对实时性要求较高：嵌入式设备在实际应用中一般作为关键部件，对时间 特性的要求比较高，例如用于工业控制中的嵌入式系统等等。 要实现嵌入式系统与互联网的连接，就需要将因特网技术应用在嵌入式系统中。 因此要求嵌入式系统在软件上支持因特网所需的t c p i p 协议栈。嵌入式系统中使用 的t c p i p 协议栈与平时在p c 机上使用的t c p i p 协议栈有较大区别。由于嵌入式系 统自身的资源的有限性，其所采用的t c p i p 协议栈是经过裁剪后的简化t c p i p 协议 栈。这里的裁剪不仅仅指对所需协议种类和部分类型的删减，同时包括在使用过程中 对一个具体的网络协议的裁剪，即只使用具体网络协议中的一些必须的基本功能。 目前的嵌入式i n t e r n e t 方案的实现方式主要有如下几种1 3 - 1 0 】： ( 1 ) 通过使用支持t c p i p 协议栈的实时操作系统来实现嵌入式系统接入i n t e m e t 。 例如q n x 公司的n e a t r i n o 实时内核中包含t c p i p 协议模块，用户应用程序只需要 调用相关系统函数即可实现t c p i p 相关功能，其他如：v x w o r k s ，w i n c e ，p s o s ，嵌 入式l i n u x 等实时操作系统均支持t c p i p 协议栈。 ( 2 ) 采用由硬件实现t c p i p 协议栈。例如日本精t ( s e i k o ) 公司生产的s 7 6 0 0 a 芯 片，该芯片使用硬件实现t c p i p 协议功能，可以用s 7 6 0 0 a 作为微控制器与因特网 或其他具备t c p i p 协议功能端口之间的网络接口。类似的产品还有以色列 c o n n e c t o n e 的i c h i p 方案等。 ( 3 ) 使用以d s p 为基础的网络协议栈实现方案，d s p 处理器速度较高，处理能力 较强，可实现t c p f l p 功能。例如e d e v i c e 公司的s m a r t s t a c k 协议栈就是在a d l 2 1 8 x 4 济南大学硕卜学位论文 芯片上实现的。 ( 4 ) 采用网关代理方式来实现网络连接。网关可以选择专门的网关产品，例如 e i l l w p r e 公司开发的e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) 技术，武汉力 源公司开发的w e b c h i p 网络芯片等等。也可以使用p c 作为中转网关，利用操作系统 上的t c p i p 协议栈实现网络连接。 ( 5 ) 采用第三方提供的嵌入式协议栈实现嵌入式网络连接。如c m x 、i n t e r n i c h e 、 m u l t i p o r t 、p a c i f i c s o f t w o r k 等公司。这些公司可以根据客户的需求提供独立嵌入式 t c p i p 协议栈，商业化较强。这一类协议栈通常采用c 编写，并不依赖硬件和操作 系统。 1 40 sl 模型与t c p lp 简介 1 4 10 si 模型 o s i 模型是一个分层次的网络系统框架结构，o s i 模型为所有类型的计算机 系统的通信提供了结构支持。o s i 模型中包含7 个层次，其中的每一层都定义了 通过网络传送信息的过程。 o s i 模型由7 个有序层组成：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话 层、表示层和应用层。 图1 1 表示使用设备a 将一个数据报文发送到设备b 上时所涉及的一些层 以及层次之间的关系。在图中位于中间的结( 站点) 一般只涉及到o s i 模型中 较为底层的3 个层次，例如路由器这些网络设备。 图中显示，在一个o s i 模型网络架构中，每一层调用紧靠着该层的下一层 所提供的服务。例如链路层使用物理层提供的服务，同时向网络层提供服务。在 o s i 模型网络架构之间的通信模式则是一个架构中的第n 层与另一个架构中的第 1 1 层进行通信。这种通信是由一组相关的协议来控制的，而这一组相关协议的内 涵即是实现双方都同意的一组规则和约定。系统是通过对等进程来完成通信的， 对等进程即是在每一个架构的某一个给定层上进行通信。因此在两个架构之间进 行通信的方式就是使用某一个给定的协议并且针对系统中的某一层完成对等进 程之间的通信。 5 物理通讯 图卜1o s i 通讯层次 o s i 的7 层可以看成三个部分组成。物理层、数据链路层和网络层可以视为 网络支持层，这3 层从事的是在物理方面将数据从一个设备传送到另一个设备 ( 例如物理连接、物理编址、电气规约以及传输的定时机制和可靠性保证) 。会 话层、应用层和表示层可以看成用户支持层，这3 层使得一些无关的软件系统具 备了互操作性。中间第4 层是传输层，为了使得低层所发送的数据形式是高层可 以使用的形式，传输层将以上提到的两个组连接起来。o s i 的位于高层的3 个层 6 济南大学硕，f j 学位论文 1 i 一_ ii 曼一 曼 曼曼一 曼 i 曼! 皇曼曼兰曼曼曼曼蔓曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼鼍 次是用软件实现的，而处于低层的3 个层次除物理层外是硬件和软件的组合，物 理层的绝大部分是由硬件组成的。 在o s i 七层模型中，每一层都在为其上一层提供服务。各层的基本功能如 下所示【1 1 1 ： 物理层：该层功能为负责在物理介质中传输以字节为单位的数据流，充当物 理线缆的机械、电气、光学等特性的功能性接口。物理层主要设备是一些介质， 例如双绞线、同轴电缆、光纤等等。物理层是网络通信的基础。 数据链路层：负责完成从网络层向物理层发送数据帧，同时将来自于物理层 的以字节为单位的数据流打包为数据帧，打包之后将数据传送给网络层。数据链 路层主要设备包括网卡，集线器，交换机等等。链路层设备主要功能是起到包转 发的作用，从而实现控制数据包的传送。 网络层：该层负责信息寻址。网络层将数据流的逻辑地址和名称转化为物理 地址，并且负责完成路由控制和数据拥挤控制。 传输层：负责报文数据端到端的完整性。在发送端，传输层负责将数据重新 打包，其中长的信息将被分成多个报文，短的信息合并成一个报文i 在接收端， 传输层进行信息解包、重新组织信息的工作。 会话层：负责为表示层( 上层) 实体提供建立、维护、结束一次会话连接的 功能，允许在不同的计算机上建立应用程序、使用会话，并且提供名字识别和安 。 全性保证。 表示层：负责解释应用层所提供的交换信息。发送端将应用层传来的数据解 释成能够分辨的格式；接收端将数据转换成应用层能够理解的格式。起到解释应 用层信息的功能。 应用层：本层是o s i 模型的最高层，负责完成支持用户的文件传输、数据 库访问、电子邮件服务等功能。在此需要注意的是，o s l 只是一种模型结构，在 实际应用中并不一定是完整使用的，并非必须分成七层。应用中只要完成各层相 关的功能即可，例如t c p i p 协议只有四层，同样可以完成了七层的功能。 1 4 2t o p ip 简介 t c p i p 通讯协议结构采用了4 层的层级结构，4 层中的每一层都通过呼叫它 的下一层所提供的网络来完成自己的需求f 1 1 j 2 1 。这4 层分别为： 7 基于网络的热t 参数测控关键技术研究 链路层，也称做数据链路层或网络接口层，包括操作系统中的设备驱动程序 和计算机中对应的网络接口卡。这些软硬件一起处理与电缆或其他任何传输媒介 的物理接口细节问题。 网络层，也称做互联网层，用来处理分组在网络中的活动。在t c p i p 协议 族中，网络层协议包括i p 协议( 网际协议) ，i c m p 协议( i n t e r n e t 互联网控制 报文协议) ，以及i g m p 协议( i n t e m e t 组管理协议) 。 运输层，主要为两台不同主机上的应用程序提供端到端的通信。在t c p i p 协议族中，有两个互不相同的传输协议可以提供使用：t c p ( 传输控制协议) 和 u d p ( 用户数据报协议) 。 应用层，负责处理特定的应用程序细节。 t c p i p 结构如图1 2 。 应用层 运输层 网络层 链路层 t e h l e t 、f i p 和e - m a i l t c p 和i j l ) p i p 、i c m p 和i g m p 设备驱动器及接口卡 图1 - 2 网络协议层结构 本方案中，选取部分t c p i p 协议族中的协议进行测试，构成实现数据发送的基 本组合。 8 济南火学硕f ：学位论文 第二章系统方案模型 随着城市供热管、网向大规模、多热源和复杂化的不断发展，热网的计算机网络 监测、控制和管理也随之发展，成为热网调度管理不可缺少的一部分。网络环境下的 热工参数测控系统框架体系结构是基于互联网络的系统方案。该方案集成了在网络协 议通讯基础上的测控和数据处理，并且对系统方案的关键技术进行了研究。 2 1 系统方案模型 以热工参数测控系统方案为例，构建参数测控方案模型。该模型由两大软件体系 构成，一部分位于测控端，另一部分位于数据处理端。在此对软件体系中各功能模块 进行系统划分。 软件体系中的主要部分有：测控端和数据处理端。测控端包括数据采集模块、嵌 入式系统通讯模块以及网络安全模块。数据处理端包括客户端人机接口模块、监控系 统数据库模块、设备管理模块、本地文件系统管理模块、数据管理模块以及数据处理 端通讯模块。方案结构模型主要模块如图2 1 。 图2 - 1 系统方案图 9 务。 2 、监控系统数据库模块： 监控系统数据库模块在数据处理端将通过数据处理端通讯模块从网络中接收到 的数据按照类别进行分类和存储，完成数据库功能。数据库模块在能够连接网络的条 件下可以采取多种实现方式。监控系统包括对数据库进行实时监控，可以侦测多个正 在存取数据库的工作执行绪以及保护数据库功能等等。 3 、设备管理模块： 设备管理模块是一个方便用户用于全方位管理系统设备的原则、方法和技术，最 终目的是帮助系统实现各种设备的正常运行。 4 、本地文件系统管理模块： 本地文件系统管理模块用于管理本地文件并且方便用户使用的模块，从属于系统 1 0 济南大学硕卜学位论文 曼曼i i ioi i! o 曼! 曼曼皇曼曼曼鼍曼曼皇 管理。 5 、数据管理模块： 数据处理端使用监控系统数据库模块接收处理数据处理端通讯模块接收到的数 据后，通过数据管理模块来完成对数据的各种处理，包括对数据的进一步处理和实时 查看。 6 、客户端人机接口模块： 数据处理端中完成人机交互功能及数据管理功能，建立于用户的良好接口，使系 统更加方便的使用。 2 2 网络测控方案关键技术 基于互联网络热工参数测控方案的主要部分是嵌入式系统实现的网