（机械电子工程专业论文）支持设备远程维护的嵌入式网关的设计与应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文针对网络环境下工业设备的远程诊断问题，将设备网络接入技术( 网关) 和 设备诊断技术结合，提出支持设备远程维护的嵌入式网关概念。用嵌入式网关实现 设备诊断信息的网络化。论文主要研究内容包括： 第一，从设备远程维护需要出发分析了支持设备远程维护的嵌入式网关所应具 备的功能，提出了嵌入式网关的总体结构和实现方法。 第二，针对在资源有限的嵌入式p c 上实现多协议转换和网关功能的问题，首先 简化了嵌入式系统的多协议支持软件：然后提出了一种网关远程组装重构的办法， 利用标准收发模块屏蔽掉具体传输协议的差异，简化了网关的结构，并在此基础上 设计了几种协议的传输模块。 第三，针对在网关基础上叠加设备远程维护功能问题，设计了嵌入式w e b 、f t p 服务器，设计了嵌入式数据库远程操作模块，并且利用重构的思路设计了设备状态 分析模块和设备状态提取模块，为了扩充网关功能还提供了一组远程操作指令。 第四，基于所提出的支持设备远程维护的嵌入式网关的子模块集成的方法，从 整体性能要求的角度把各功能模块结合在一起，由此构成了一个完整的系统。 最后，以武汉华中数控公司的数控设备远程诊断为对象，介绍了所开发的支持 设备远程维护的嵌入式网关用于数控设备信息网络化和对其远程维护支持方面的情 况。 关键词：嵌入式p c网关协议转换远程维护 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t j u s tt o l o n g d i s t a n c ed i a g n o s i sp r o b l e m so ft h ei n d u s t r i a le q u i p m e n t si nn e t w o r k s e n v i r o n m e n t ，t e c h n i q u e s o fn e t w o r k a c c e s s i n g ( g a t e w a y ) a n de q u i p m e n t d i a g n o s i sa r e c o m b i n e dt o g e t h e rt o p r o p o s et h en o t i o no fe m b e d d e dg a t e w a yw h i c hc a nb eu s e dt o r e a l i z et h el o n g d i s t a n c em a i n t e n a n c eo f e q u i p m e n t si nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ei n f o r m a t i o n o fe q u i p m e n t s d i a g n o s i se m b e d d e d g a t e w a y c a nb e p u t o nt h ei n t e r n e t b yu s i n g e m b e d d e dg a t e w a y f i r s t l y s o m en e c e s s a r yf u n c t i o n so fe m b e d d e dg a t e w a ya r e a n a l y z e d i nn e e do f l o n g - d i s t a n c em a i n t e n a n c e t h ee m b e d d e dg a t e w a ys u p p o r t sl o n g d i s t a n c em a i n t e n a n c eo f e q u i p m e n t s a n dt h e nt h e t o t a ls t r u c t u r eo fe m b e d d e dg a t e w a ya n d i m p l e m e n t a t i o n m e t h o d sa r e p r o p o s e d s e c o n d l y , i no r d e r t os o l v et h e p r o b l e m s o fi m p l e m e n t a t i o no n m u l t i - p r o t o c o l s c o n v e r s i o na n d g a t e w a y f u n c t i o n so ne m b e d d e dp co fl i m i t e d r e s o u r c e s ，t h e m u l t i p r o t o c o lm a i m e n a n c es o f t w a r eo f e m b e d d e ds y s t e mi ss i m p l i f i e d a n dt h e nan e w m e t h o do f g a t e w a yl o n g - d i s t a n c ea s s e m b l yr e c o n f i g u r a t i o nb yu s i n g s t a n d a r d r e c e i v i n g t r a n s m i t t i n gm o d u l e t os h i e l dt h ed i f f e r e n c ew a s p u tf o r w a r d ，s ot h es t r u c t u r eo f t h eg a t e w a yi s s i m p l i f i e d ，m o r e o v e rs o m et r a n s m i t t i n gm o d u l eo fs e v e r a lp r o t o c o l sa r e d e s i g n e db a s e do nt h em e t h o d t h i r d l y i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e m s o f a d d i n g f u n c t i o n so f l o n g - d i s t a n c e m a i n t e n a n c eo fe q u i l ：i m e n tt ot h e g a t e w a y , e m b e d d e d s e r v e ro fw e ba n df t pa n d l o n g - d i s t a n c eo p e r a t i o n a l m o d u l eo fe m b e d d e dd a t a b a s ea r e d e s i g n e d a n dt h e nt h e e q u i p m e n t ss t a t u sa n a l y s i sm o d u l ea n de q m p m e n t s s t a t u se x t r a c t i o nm o d d ea r ed e s i g n e d b yu s i n gt h er e c o n f i g u r a b l ei d e a s i na d d i t i o n ，t oe x p a n df u n c t i o n so fg a t e w a y , as e r i a lo f r e m o t eo p e r a t i n gi n s t r u c t i o n sa r ep r o v i d e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f o u r t h l yb a s e do nt h es u bm o d u l ei n t e g r a t i n gm e t h o d s ，t h ea u t h o rc o m b i n e sa l lt h e m o d u l e sf o rt h ee n t i r e t yr e q u i r e m e m sa n dt h e nc o n s t r u c t st h ew h o l es y s t e m b a s e do nl o n g d i s t a n c ed i a g n o s i so fn u m e r i c a lc o n t r o ld e v i c eo fw u h a nh u a z h o n g c n c c o r p ，t h ea u t h o rd e v e l o p st h ee m b e d d e dg a t e w a yt h a ts u p p o r t st h el o n g - d i s t a n c e m a i n t e n a n c e o f e q u i p m e n t a t t h el a s tp a r t so f t h i sd i s s e r t a t i o n , t h ea u t h o ri n t r o d u c e ss o m e i n f o r m a t i o ni nd e t a i la b o u tn u m e r i c a lc o n t r o ld e v i c ei n f o r m a t i o nt r a n s m i t t e db yn e t w o r k a n d s o m e t h i n g a b o u t l o n g - d i s t a n c e m a i n t e n a n c ea n ds u p p o r tt ot h en e t w o r k k e y w o r d s ：e m b e d d e dp c g m e w a y p r o t o c o lc o n v e r s i o nr e m o t em a i n t e n a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 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结果由本人承担。 学位论文作者签名：j 爵i 剐 日期：z 帅4 年4 月2 1 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并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 借阅。本人授权华中科技大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密醋 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 7 心刚 日期：硼4 年4 月2 7 日 指导教师签名： 瓶 日期：加件伞月卵日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 论文概述 1 绪论 随着计算机、网络、通信等技术的发展，信息技术给人们的生活带来了翻天覆 地的变化。i n t e m e t 技术标志着人类进入了一个崭新的时代，其迅猛发展和广泛应用， 不仅为企业生产注入了新的活力，而且也为自动控制技术的推广普及提供了技术手 段。企业的信息化，能够有效提高企业的生产、经营、管理质量与效率，从而提高 企业的市场竞争能力与可持续发展能力。 i n t e r n e t 技术在工业控制领域引起了自动化系统结构的深刻变革。工业现场控制 信息不仅仅流动于控制层，而且渗透到工厂自动化的各个层次。随着目前制造行业 的产品在全球范围内部的广泛分布，只有利用无处不在的i n t e r n e t 的支持，才能降低 维护、诊断的成本。并且随着网络技术的全面走入工业控制领域，工业控制网络急 需与企业的信息网络融合，并由i n t e r n e t 使用的广泛性能来实现真正意义上的远程操 作、监控、诊断和维护【5 【6 l 。 本论文的主要目的在于利用便捷的i n t e r n e t 资源提供给各种不同连接方式及通讯 协议的工业设备以远程维护，从而设计出一种支持设备远程维护的嵌入式网关设备。 在本章中，首先从课题中提出了支持设备远程维护的嵌入式网关，然后是对国内外 各行业中远程维护技术和嵌入式网络技术等的进展状况的综述，最后是叙述论文的 研究工作和文章的组织安排。 1 1 1 课题的来源 本课题的研究来源于以下科研项目： 1 ) 国家高技术发展计划( 8 6 3 计划) 项目“开放式数控装备远程操作监控与故 障诊断研究”( 项目批准号：2 0 0 1 a a 4 2 3 2 3 0 ) 2 ) 国家自然科学基金资助项目“面向制造业的可重构系统理论研究”。( 项目 编号：5 0 2 7 5 0 6 1 ) 1 1 2 课题的提出 本学位论文申请人所在的项目组参加并且承担了国家高技术发展计划( 8 6 3 计 划) 项目“开放式数控装备远程操作监控与故障诊断研究”和国家自然科学基金资 助项目“面向制造业的可重构系统理论研究”的部分研究工作。在这两个科研项目 中，“开放式数控设备的远程操作、监控和故障诊断技术的研究”的主要任务是研究 华中科技大学硕士学位论文 能够为开放式数控装置提供远程服务功能的软件和装置，开发面向数控设备个体产 品和最终用户的数字化远程服务支持平台。在其中，作者的主要工作是在嵌入式硬 件设备的基础上实现对于开放式数控设备的远程操作、监测、诊断的装置的设计。 国家自然科学基金资助项目“面向制造业的可重构系统理论研究”拟解决的关键问 题是针对网络经济时代动态制造环境对制造系统提出的可重构、进化与升级的要求， 研究基于软件总线的在运行环境下功能可以变更和扩展的动态可重构测试系统。在 这个课题中，作者所承担的工作主要在嵌入式硬件平台上设计网络化测控系统网络 通讯模块。 在这两个课题的研究任务里，同时都存在“研制能够利用于提供工业设备的远 程维护功能的嵌入式、标准化、模块化网间互联软件和装置”。这个装置的结构见图 1 1 ，主要由协议转换模块、设备的远程维护模块这两个大的模块组成。 鋈1 自动竿护i |用：访问接口 。i 曩- 疆焉是暖两俯l 远程纛作接口i 篓匪翌空窒鬈翌峰l 惩栏芦作接口i 换t 阜i l裂卜 模 l 图1 1 支持设备远程维护的嵌入式网关结构图 图中虚线表示数据流，这个嵌入式网关的主要功能是协议转换和对设备远程维 护。它通过设备网络如局域网、总线网取得信息，设备信息经过协议转换直接传送至 i n t e m e t 网，又同时流入数据库和设备信息分析模块，经过分析提供远程维护功能的 设备状态等信息：另一方面又可以通过用户访问接口来直接控制协议转换功能进行 数据收发。 1 1 3 课题的目的和意义 随着世界经济全球化进程和i n t e r a c t 技术的迅猛发展，市场竞争更加激烈，企业 之间的竞争向产品创新能力、产品质量和服务维修水平的多元化方向发展。在全球 市场上，设备的售后服务与技术维修成为制约企业生产能力和影响客户满意程度的 重要因素。 但由于产品复杂程度的不断增加，服务地域的扩大，加之用户对服务时间要求 2 华中科技大学硕士学位论文 的越来越短，迫切需要新的服务手段和相应服务技术的支持，这时只有覆盖地域广 泛、接入简单的i n t e m e t 能够提供支撑的平台( 4 i 。 另外一方面，对于设备使用者而言，嵌入式系统应用的覆盖面很广。近年来， 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，在制造工业、过程控制等 领域均得到了广泛的应用。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子 技术和各个行业的具体应用相结合的产物，这一点决定了它必然得到广泛的应用， 所以设计一种基于嵌入式硬件的远程维护设备是很有价值的2 1 1 3 1 。 本学位论文研究的意义在于： 1 ) 提出了在维持原有设备控制方式的前提下，把设备连入i n t e m e t ，进行远程检 测和诊断的方法，降低了设备使用者和设备制造者的设备维护成本，因而有着巨大 的市场前景。 2 ) 采用i n t c m e t 开放式体系结构，便于在网络上添加被监测的设备，并使新加入 的设备也可以共享所有资源，这利于技术的普及和推广。 3 ) 具体项目中，解决了华中数控设备的i n t e r a c t 接入、远程监测、控制等问题： 在国家自然科学基金资助项目“面向制造业的可重构系统理论研究”中提供了 m o d b u s ( - - 专t c p i p 协议转换功能。 1 2 相关技术的国内外发展现状及趋势 1 2 1 远程维护技术发展现状 远程维护技术是一个牵涉面很广的领域，其在具体实现上有基于网络技术的远 程监测和诊断、远程操作等。目前，远程维护技术由于其先进性已经在各个行业得 到了广泛的应用，下面对几个领域内的发展状况和应用做一个简要的介绍。 1 ) 远程维护技术在制造领域内的现状 图1 2 s i e m e n s 的s 7 2 0 0 远程维护系统 华中科技大学硕士学位论文 在制造业领域内，由于远程维护比之现场维护的明显优点，一些行业内领先的 公司如s i e m e n s 、f a n u c 等都针对自己的设备提出了远程维护的方案。如s i e m e n s 的产品s i m a t i cs 7 2 0 0 和t p 0 7 0 能够实现m o d e m 接入的自动化站的远程维护，如图 1 2 所示。其中，t p 0 7 0 负责主站和从站的监控，$ 7 - 2 0 0 通过与m o d e m 的直接连接， 中央控制机器或工厂，进行远程维护【l ”。 2 ) 远程维护技术在其他领域内的发展现状 目前国外的电力自动化的远程维护技术已经有了一定的进展，并且已经出现了 相应的产品【2 4 i 。这个领域的代表产品是c y b e c t e c 公司的s m p 网关，它提供了各类智能 ( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e ，缩写为i e d ) 设备的无缝集成。这个网关能够对于i e d 设备的状态提供远程维护功能，并提供接口支持远程访问，其w 曲服务器功能能够支 持一些远程操作，如数据请求等。这样就能够实现对所连i e d 设备的透明连接以及对 设备的直接控制【l5 1 ，如图1 3 所示。 图i 3s m p 网关应用方案 另外e m w a r e 公司提供的d e v i c e g a t e 和e r n c o n n e c ts e r v i c e s 设备通过r s 2 3 2 或 r s 4 8 5 与设备相连，通过i n t e m e t 、g s m 网给设备维护者提供设备信息，进行设备的 远程维护【1 钔。如图1 4 所示。 图1 4e m w a r e 公司d e v i c e g a t e 和e m c o r m e e t 提供设备远程维护 1 2 2 网关技术的发展现状 网关设备是网络之间通讯的桥梁，它在网络之间提供数据通路，并且充当“翻 4 善 寻萼里i 华中科技大学硕士学位论文 译”，把一个网络通讯协议下的信息包转换为另外一个网络通讯协议下的信息包。网 关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连，一般分为： 1 ) 协议网关。协议网关通常在使用不同协议的网络区域间做协议转换。这一转 换过程可以发生在o s i 参考模型的第2 层、第3 层或2 、3 层之间。如连接环状网和 以太网之间的网关，和用于a t m 网络和t c p f l p 协议之间的a t m i p 中继媒体网关； 另外还有在w i n d o w s 系统上最常用的网关软件w i n g a t e 、s y g a t e 等。 2 ) 应用网关。应用网关是在使用不同数据格式间翻译数据的系统。典型的应用 网关接收一种格式的输入，将之翻译后以新的格式发送，如邮件服务器网关m a i l g a t e 能够支持不同类型邮件服务器之间的交互功能。 3 ) 其他网关。目前比较热门的有家庭网关，主要负责网络化监控、三表抄送、 安防报警、可视对讲、家电控制、i n t e r n e t 接入、电话接入、住户信息留言、家庭网 关控制主机、电源模块、系统软件配置等，用于口电话通讯的i p 电话网关，还有一 些用于网络安全的安全网关等。 从这些网关的特点可以看出，目前各种网络的接入方式都能够找到相应的网关 设备。但是网关设备普遍存在的问题是对于工业领域中设备的远程维护功能的这样 一个广阔的范围支持不够。另外，功能也一般局限在两种或者几种网络之间的互联 上，没有考虑到对于使用者提供更多的访问接口。 1 2 3 嵌入式i n t e r n e t 技术及其发展现状 由于i n t e m e t 技术的飞速发展，网络技术在嵌入式系统上的发展也不断继续。近 些年来，微电子技术的迅猛发展，微控制器和微处理器的性能大大提高，且价格大 大降低。与此同时，因特网也以前所未有的速度向前发展，网络通信的性能、质量 和可靠性得到稳步提高，网络普及程度也迅速提高。世界各大公司看到了嵌入式设 备连入因特网的巨大商业价值和市场潜力，纷纷投入力量研究，使得嵌入式i n t e r n e t 技术的研究和应用呈现出加速发展的势头【1 6 1 1 7 1 1 4 5 1 。 嵌入式设备一般都是以嵌入式微处理器( e m p u ) 、微控制器( m c u ，通常也称 为单片机) 或数字信号处理器( d s p ) 为核心的系统。嵌入式设备接入因特网的关键 是实现t c p i p 协议，目前嵌入式设备与i n t e m e t 连接有如下几种常见的方案： 1 ) 8 位1 6 位微控制器上的实现，这类设备通常硬件资源有限，一般有几种实现方 式：( 1 ) m c u + 网络接口芯片+ 定制的t c p i p 协议，典型产品是u b i c o m 为其s x 系列 m c u 提供的用于实现嵌入式接入的各层协议组件 2 0 。( 2 ) m c u + 专用的t c p i p 协议 或芯片，这种方法典型的产品是w l z n e t 公司推出的一种专用网络芯片w 3 1 0 0 a ，它通 过在硬件中安装t c p i p 协议，实现了嵌入式微控制器与i n t e r n e t 连接的一种解决方案 华中科技大学硕士学位论文 州，类似还有美国c o r m e c t o n e 公司 拘i c h i p 技术等3 9 1 。 2 ) 3 2 位或以上嵌入式计算机实现网络连接，这一类嵌入式计算机如a r m 、i n t e l 的i 3 8 6 系列，由于功能和速度都比较快，可以直接采用在实时多任务操作系统( r t o s ) 的平台上进行软件开发的方式，在嵌入式系统中实现的t c p i p 协议处理。比较常见 的r t 0 s 有q n x 、u s n e t 等。 1 2 4 从现场总线到基于嵌入式网关的混合控制网络 现场总线是继集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 后出现的一 种新型的工业控制系统。根据现场总线基金会( f i e l d b u sf u n d a t i o n ，f f ) 的定义，现 场总线是连接智能设备和控制室之间的全数字式、开放式、双向的通讯网路【2 9 1 。现 场总线和传统的d c s 相比，具有以下几方面的优点： 1 ) 数字化通讯。现场总线技术采用自控设备具有数字计算和数字通讯能力而不 是传输模拟信号。 2 ) 开放的体系结构。现场总线的网络是开放式互联网络，用户可以自由集成遵 守同一标准的不同制造商的产品。而不是传统的d c s 采取的封闭网络。 3 ) 分散的控制结构。 现场总线技术在控制领域的迅速崛起以及其带来的巨大商机进一步推动了现场 总线技术的飞速发展。进一步带来了总线产品的多样化，目前已经出现p r o f i b u s 、f f 、 l o n w o r k s 、c a n 等几十种现场总线。但是各大商家为了维护自己的利益，在技术上 发展的同时，更是极力维护自己的主打产品。所以在今后相当长的一段时间内，多 种标准现场总线必将分割共存。 所以，互操作性成为了现场总线发展的最大障碍。由于不同总线标准采用不同 的网络技术，不同种类的现场总线不能实现互操作，严重阻碍了现场总线技术在控 制领域内的迅速发展，尤其是在远程维护方面，一旦用户选择了某种现场总线，今 后就会局限于这种现场总线，若再选择另外一种现场总线，必须付出高昂的代价。 这严重影响了现场总线纵深方向发展。另外，通讯协议的不统一也使得整个系统远 远达不到全开放的要求。 i n t e m e t 得以迅速发展的一个重要原因在于以太网和t c p i p 技术的日益成熟和应 用普及，应用t c p i p 协议的以太网已经成为了最流行的分组交换局域网络技术，同 时也是最具有开放性的技术。采用以太网与现场总线混合控制网络，可以解决不同 协议标准现场总线的系统集成问题，并实现企业设备控制层到管理层的信息集成 i 2 射。这种控制网络的特点在于系统的通讯建立在以太网、t c p i p 和现场总线的混 合通讯协议之上，这就解决了不同标准现场总线不能互操作而带来的开放性问题【4 2 】， 6 华中科技大学硕士学位论文 如图1 5 所示。在工业控制领域，美国o p t 0 2 2 公司采用嵌入式i n t e r n c t 技术，研制开 发了“以太网i o 系统”s n a pl j o 系统，通过i n t e r n e t 对分布在远程设备的r ，o 口 进行访问。 r ：= ：= _ 、：= _ 、 。 现厮尊娩控制一信息两辊互丹 恒台型同蟠罐相t i l t 同控一互硅 图1 5 从现场总线到基于嵌入式网关的混合控制网络 1 3 本论文的主要研究工作 本学位论文主要以支持设备远程维护的嵌入式网关设备的技术及实现问题为研 究对象。内容主要涉及到对于多网络通讯协议的嵌入式网关功能的实现，由远程维 护技术所要求的功能的分析和实现，以及各模块的结合以及网关功能扩展接口的实 现三个方面的内容。具体研究对象在以下几个方面： 1 ) 在嵌入式网关中，首先是硬件选型以及嵌入式操作平台和开发平台的选择。 然后添加支撑软件实现对于嵌入式系统上的多通讯协议的支持。为了完成网关功能， 提供了一些通讯协议的传输模块。 2 ) 针对远程维护技术的具体要求，对于嵌入式网关要求能够支持数据库操作。 提供给用户一个随设备丽不同的数据库定制功能，设备的状态信息获取功能，以及数 据库远程浏览支持。在用户访问的界面上，提供了f t p 、w e b 服务器。另外提供a t 指令集支持和s m 卯客户端功能，提供对设备的自动维护。 3 ) 这些模块实现以后，要使这些模块能够在单任务的嵌入式操作系统上协同工 作，这里有两个措施：是减少功能模块，对于协议的支持并不是所有的全部加载， 而是根据实际应用场合选择模块，由用户定制所支持的协议。只需要先定制好和通 讯协议的收发子模块的接口，就可以实现模块的组装重构。二是对于多任务调度的 支持，这里把实时性嵌入式操作系统的设计思路一前后台系统应用到网关的设计 7 乒 里里 华中科技大学硕士学位论文 e 。通讯协议的收发是前台工作，由中断服务程序完成，而主程序设计成无限循环 作为后台任务。 4 ) 在实际应用场合，在华中数控和课题“面向制造业的可重构系统理论研究” 两个应用实例中得到了具体的应用。 本文的内容组织如下： 第一章绪论，介绍了课题的相关背景知识。第二章叙述了支持设备远程维护的 嵌入式设备网关的总体框架，先分析了远程维护技术的要求，然后提出了针对远程 维护技术的网关的框架。第三章论述了实现网关功能模块的相关技术和实现细节。 第四章论述了实现远程维护功能模块的相关技术和实现细节。第五章把这些模块组 合在一起，整体上实现了支持设备远程维护的嵌入式网关。第六章根据华中数控以 及项目“面向制造业的可重构系统理论研究”应用场合的实际情况，定制了在具体 场合下的网关，得到了具体的应用并在此基础上对于软件性能进行了测试。第七章 对全文进行总结和展望，并给出了本文的结论以及对于下一步工作的展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 支持设备远程维护的嵌入式网关总体方案设计 2 1 引言 系统的总体方案设计是整个系统得以实现的最重要的环节之一，它的正确性、 可行性、先进性以及经济性等因素直接决定了系统未来的功能和性能，并对系统的 可靠性、实时性、可扩充性及运行效率等性能指标有很大的影响。 在这一章中，首先从课题需求以及相关产品的不足开始，提出了应该设计种 结合网关和远程维护装置长处的产品。然后对网关协议转换功能和远程维护功能分 别论述其实现的方法。接下来从整体的角度分析了支持设备远程维护功能的嵌入式 网关的工作方式和实现方法，确定了设计的准则，并在最后提出了嵌入式网关的整 体结构简图。 2 2 支持设备远程维护的嵌入式网关的提出 在课题“开放式数控装备远程操作监控与故障诊断研究”和“面向制造业的可 重构系统理论研究”中。要解决的实际问题是通过网络将数控设备或其他智能设备 的信息提供至l j i n t e m e t 上对其进行远程维护。这些工业设备往往不是直接连接到 i n t e m e t 上或者对于t c p i p 协议不提供支持，所以要能够利用这些设备的信息，就必 须利用一种能够连接设备网络和i n t e m e t 的装置。而且这种装置能够根据设备的差异 提供不同形式的远程维护服务。 由于计算机网络从拓扑结构、通讯协议、帧格式、地址格式等方面都有差距， 要实现不同网络之间的通讯需要解决很多技术问题。目前比较常用的网络互联设备 就是网关。常见的协议网关如图2 1 所示： p c 图2 1 连接环状网和以太网之间的网关设备 9 华中科技大学硕士学位论文 另外还有应用网关、安全网关等设备，提供着各种网络接入的支持。网关的设 计目标大多是为了实现协议转换、路由选择等功能9 1 。 远程维护技术是一个涉及面很广的技术，其主要思路是利用网络来提高设备的 监测、诊断及维修的效率和智能化程度。设备的网络化远程监测、诊断和控制能够 显著提高一个企业的产品竞争力。国外很多公司和研究所在这个领域内的投入相当 大。然而尽管一些公司相继推出了具有网络集成能力和一定智能化水平的制造设备 和控制系统，可以实现对设备的远程维护服务，但这些设备和系统只是针对各自的 产品，比较封闭，不具备开放性和通用性，都不够完善。国内在这方面起步较晚， 但是现在已经大力投入这方面的研究开发中【7 l 【】【1 4 】。 工业设备需要通过网络向远程提供信息获得远程维护支持。目前的比较常见的 远程维护装景采取的方式是一个相对独立的系统，如图2 2 所示： 图2 2 一个远程维护系统的结构简图 这种远程维护系统能够通过i n t e r a c t 获取一些传感器、数据采集系统的数据信息。 但是存在的不足是：对于现在已经在工业领域大量使用的智能设备提供信息不能加 以利用；对于多种网络传输方法支持的匮乏【2 5 t 2 6 1 。 网关设备的长处在于提供对于多种网络连接方式的支持，而远程维护设备的优 点在于能够对设备进行远程监测、控制，大大地扩充了i n t e m 武的应用范围。所以这 里设计一种能够提供设备的远程维护功能的网关，能够将尽可能多的工业设备连入 网络、获取其发送的信息。另外一方面，还能够为工业设备提供远程维护服务，才 能够满足将数控设备等智能设备的信息发送至网上为其提供远程维护的要求。| 如图 2 - 3 所示。 i n t e r n e t 设备网络 图2 3 支持设备远程维护的嵌入式网关结构简图 l o 华中科技大学硕士学位论文 这种支持设备远程维护的嵌入式网关的功能特点在于： 1 ) 嵌入式平台上提供设备的网络接入，能够提供对于常见网络连接方式、通讯 协议的支持： 2 ) 提供多种协议的转换功能。能够实现设备的信息和远程控制指令双向传输。 3 ) 能够对于设备的远程维护提供访问界面、状态信息查询、自动故障报警等远 程维护功能。 4 ) 提供了一组远程操作指令，能够从远程维护的角度对网关进行控制数据收发， 扩充网关的功能。 5 ) 从整体集成的角度具备安全性、实时性和自身健壮性的特征。 2 3 网关协议转换功能的分析和实现方法 嵌入式网关的协议转换功能是要在不同网络连接方式和协议之间提供数据的通 路，但是用嵌入式设备来实现，就会涉及到一些新问题，对此提出了这些问题的解 决思路即实现方法： 1 ) 嵌入式设备的硬件和操作系统的选择。目前对于嵌入式p c 支持网络有不同 的硬件、软件配套方案，应该从经济性、使用性能、工作要求等方面综合考虑选择。 这里采用了3 2 位嵌入式处理器x 8 6 架构的p c i 0 4 平台以及其扩展板和d o s 操作系 统。 2 ) 嵌入式系统为了实现尽量小的规模，一般说来省略了大量设备的驱动和通讯 协议支持，而嵌入式网关需要在不同网络之间充当桥梁的角色，所以必须添加模块 使嵌入式网关实现对多种协议支持。目前比较常用的多协议支持软件存在规模较大、 难以在其上进行二次开发的缺点，所以应该从多协议支持的原理着手，简化多协议 支持的方式。 3 ) 应该使嵌入式网关能够支持较多的协议，有较宽的适应面，但是又要使网关 软件尽可能小、方便在嵌入式p c 上实现。为此提出了一种网关的远程组装重构和标 准收发函数的方法来满足这一要求。对于和设备通讯的协议，采用标准的收发函数 来负责收发，具体传输细节集中在具体的协议传输函数里面，就可以把传输部分和 主体部分分离开来。在实际应用场合，可以根据需要选择合适的协议传输目标文件 来完成。并提供了符合标准收发函数接口的t c p i p 、n e t b e u i 、m o d b u s 、i p x s p x 、 c a n 几种协议的收发模块的目标文件，供用户选择组装网关软件。也可以由用户自 行开发其他协议的目标文件。 4 ) 采用了一种一端服务器一端客户端的工作模式，以此在设备网络和i n t e m e t 华中科技大学硕士学位论文 之阉建立一条虚拟的数据通路。实现不同协议之间的数据双向传递，在此基础上简 化了路由关系。 2 , 4 远程维护功琵的分析和实现方法 对于远程维护技术，关键是针对不同的硬件设备、用户与生产制造厂家，提供 通用的解决方案，并对于不同的应用环境和设备产品提供一个技术先进、切实可行 的系统框架。该项关键技术的实现应遵守三个基本的原则：一是维护设备远程通信 方式尽可能采用i n t e m e t 方式，降低网络通信费用；二是提供设备的多种网络接入方 式；三是尽可能开发通用的嵌入式w e b 数据采集系统，减少设备的改造费用，提供 设备的通用远程采集和远程传送方式。一般的设计思路就是在结合这三个原则系统 上实现了基于i n t e m e t 的远程设备监测和诊断体系结构、基于w 幽服务器的数据访 问技术、基于网络的数据远程通信技术。 2 4 1 远程维护实现的模式 目前比较常见的远程维护的实现模式有两种：c s 即客户，服务器模式和b i s 模 式即浏览器服务器模式【1 0 1 1 3 引。其结构见图2 4 。 传统的c s 模式应用系统，一般由服务器和客户端应用程序组成。数据通常存 放在服务器上，应用程序存放在客户端计算机上。采用c s 模式开发的系统具有信 息共享性好、网络的信息传输量小等优点，但县有不易维护、用户操作界面风格不 一致、能够处理的数据类型不易扩展等缺点。 数 据 图 厂v 、 ，t 。+ 1 璺 、，、 器 客户端应用程序 卅 嘉h 图2 4c s 模式下和b i s 模式下的远程维护 b s 模式应用系统由浏览器和服务器组成。数据和应用程序都存放在服务器上 华中科技大学硕士学位论文 浏览器功能可以通过下载服务器上的应用程序得到动态扩展。以b s 模式开发的系 统维护工作主要集中在服务器上，其客户端不用维护。由于b s 模式的显著优点， 这里支持设备远程维护的嵌入式网关的实现模式采用了b t s 的模式。 2 4 2 对设备的远程维护的分析和实现方法 这里采用的是b s 的模式，所以就要求网关对外的操作采用标准的w e b 服务的 方式。由于网关是在嵌入式硬件上实现的，通常没有键盘、显示器等输入输出设备， 所以为了网关的文件管理工作和实现网关软件的维护，网关应该能够提供f t p 服务， 方便用户上传下载文档。 实现对远程数据库访问服务。首先需要设备维护人员定制服务器上的数据库。 这个工作也通过网络远程来完成，所以在服务器端应该能够解析数据库定制命令。 其次是为设备维护人员提供一个用于定制远程设备状态数据库结构的工具，以完成 设备状态数据库的初始化。 对于一般的访问者，只需要通过浏览器访问服务器、浏览设备状态信息即可。 在c s 模式下，应用程序直接存取数据库服务器上的数据，数据库服务器挂在网络 服务器上，客户机通过协议( 如t c p f l p ) 和服务器连接，且大量的开发任务在客户 机端。在b s 模式下，客户端的应用程序( 测览器) 并不直接存取数据库中数据， 和数据库打交道的是w 曲s e r v e r 或其它的应用服务器。用户首先通过浏览器将需要 检索的数据提交给w e b s e r v e r ，w e b s e r v e r 再向数据库服务器请求数据服务，最后 w e bs e r v e r 将得到的数据通过h t t p 协议以h t m l 代码返回浏览器。b ，s 模式开发 的主要任务在w e bs e r v e r 上。这样就可以由服务器端来决定功能，不会造成客户端 不易维护。所以这里应该提供一个模块，接到数据库浏览指令之后，把数据库的内 容以动态页面的形式返回给客户。 为了实现远程自动维护，这里还需要一个状态分析模块，用来分析设备状态信 息。如果认为有故障或者异常，可以通过一些手段如电子邮件、短信的方式对设备 维护者提供自动报警功能。对于这部分的实现应该由以下功能模块的结合来完成： g s m 网a t 指令集支持，能够利用计算机控制手机发送短信；s m t p 客户端模块， 能够根据配置文件中的内容发送功能报警邮件给设备的维护者。 由以上的分析，设备远程维护的实现办法是： 1 ) 为了实现在嵌入式设备上提供用户访问服务，设计了嵌入式w e b 服务器、 f t p 服务器，仅仅支持能够满足对于工业设备维护功能要求的指令。对于其他标准 h t t p 、f t p 协议中的指令和一些c g i 功能等则不予支持，这就简化了软件的结构和 规模。 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 由于设备的状态信息的内容、获取方式都存在很大的区别。所以对于设备状 态数据库的填充必须采用重构的方式，这里提供三种操作的支持： ( 1 ) 设备状态数据库的远程定制。这种功能由一个客户端软件和相应的数据库定 制模块配合完成。客户端软件负责接收用户定制的数据库结构、字段结构等信息， 以动态指令的格式发送至服务器，而服务器则把这些格式信息生成设备状态数据库。 ( 2 ) 设备状态数据库的自动填充。这种功能能够从设备发送的信息中获取状态信 息填入数据库。由于设备信息不同、数据库结构不同，所以这个获取信息的模块也 无法通过一种固定的模式完成，取而代之的是一种设备状态信息获取标准函数，只 要采用目标文件重构的方式就可以更换成新的状态信息获取功能。在华中数控设备 的应用中，为这种获取信息函数提供了一个实例。 f 3 1 设备状态数据库的远程浏览。设备数据库建立的主要目标在于提供给远程维 护者以设备维护信息。在网关一端，接收到设备状态数据库的远程浏览请求之后， 就按照读数据库文件一 写页面文件的方法来响应设备状态数据库的浏览要求。 3 ) 对于设备信息同样提供一个可以重构的状态信息分析模块。这个模块对于信 息分析出故障信号，并触发网关通过s m t p 客户端功能和s m s 功能向设备维护者提 供报警，并负责填充故障记录数据库，这在一定程度上实现了设备的自动维护。 4 ) 同时提供了一组网关的远程操作指令。通过这一组远程操作指令能够直接使 用h t t p 动态请求的方式控制网关进行收发功能，能够实现嵌入式网关的功能扩展。 图2 5 远程维护功能的模块和相互联系 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 5 整体功能分析及实现方法 为了把嵌入式网关功能模块和远程维护模块结合为一个整体，实现一种嵌入式 网关提供远程维护功能需要考虑的问题在于： 1 ) 嵌入式网关模块和远程维护网关如何组织在一起，以及其相互关系。嵌入式 网关设计的目标是使一些已经连入局域网或者现场总线网络的智能设备的信息能够 传输至i n t e m e t ，或者通过i n t e r n e t 对这些设备进行一些实时性能要求不高的远程操 作，通过b s 方式提供一些设备的远程维护手段。所以这两个功能模块是相对独立 的，在具体实现上，对于通过t c m p 协议连入i n t e m e t 网络这一端，开一个端口专 门负责协议转换，向设备的数据和设备来的数据都通过这个端口传输。而w e b 、f t p 服务有自己的端口，通过对端口的监听接收h r r p 请求。不同的服务使用不同的端 口，这样远程服务模块和网关协议转换模块功能就相对独立了。 但是，作为使用同样数据源的这两个模块，又存在相互联系：从设备来的数据， 为四个模块提供了数据支持，如图2 6 ： 网关功能， 远程维护功能j 图2 6 协议转换功能和远程维护功能使用同一数据源 另外，作为标准发送函数，也同时与两个模块发生联系，如图2 7 网关功能 远程维护功能 设备 图2 7 协议转换功能和远程维护功能共用发送函数 所以，。实际上标准发送函数和标准接收函数就是联系这两个模块