（测试计量技术及仪器专业论文）基于tcpip的嵌入式网络传感器的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论立 中文摘要 传统的传感器因其功能单一，不能满足多种测试要求而难以扩展。随着 i n t e m e t 的迅速发展，使传感器现场级实现t c p f l p 协议，进行实时动态的在线 测控和信息共享成为可能。因此网络传感器成为了当前的研究热点。 本文通过深入研究和对比各种实现方法，提出并实现了另外一种用硬件代 替软件的设计方案。该方案的核一t l , 和特点是用硬件代替软件来实现协议格式的 转换。本系统以m c u 为核心，控制传感器采集外部信号和数据的a d 转换， 及接收远程p c 机的控制命令和数据并根据接收的命令进行相应操作，同时控 制i 2 c h i p 芯片的运作以及对各种协议的选取和处理。将数据变换成可以在 i n t e m e t 传输的t c p m 的协议格式，通过网络接口芯片与i n t e m e t 进行连接，从 而实现与远程计算机的双向通信。控制方基于p c 平台，主要负责对接收到的 数据进行分析和处理，同时负责发送控制命令、传输数据和显示功能等。 根据上述，搭建了整个实验系统并在局域网内部进行了多次测试，试验表 明该系统能进行多路数据的采集和相应数据的网络传输以及执行控制命令，具 有可靠的稳定性，达到了预期研究的效果。 关键字：网络传感器，嵌入式系统，m c u ，t c p i p ，以太网 基于t c p i p 的嵌入式网络传感器的研究 a b s t i t a c t b e c a u s et h et r a d i t i o n a ls e n s o r sa r e1 i m i t e di nt h e i r f u n c t i o n s t h e yc a nn o t s a r i s f y t h ev a r i o u sd e m a n d so ft e s t i n ga n da r ed i f f i c u l tt oe x t e n d 、矾t i lt h e d e v e l o p m e n to fi n t e r a c t ，i ti sp o s s i b l et or e a l i z et h et c p i pp r o t o c o l s ，a c h i e v et h e s i m u l t a n e o u sc o n t r o la c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o na n ds h a r et h ei n f o r m a t i o n f o r t h ea b o v e r e a s o n s ，t h en e t - s e n s o ri sv e r y h o to ns t o v ea tp r e s e n t t 1 1 r o u 【曲t h ef u r t h e rr e s e a r c ha n dc o m p a r i s o no fv a r i o u ss c h e m e sa n di nt h i s p a p e rw er a i s ea n o t h e rs c h e m ew h i c hu t i l i z eh a r d w a r ef o rr e p l a c i n gs o f t w a r e t h e k e yo f t h es c h e m ei st h ec o n v e r s i o no f p r o t o c o lf o r m a t ，w h i c hi si m p l e m e n t e dw i t h h a r d w a r ei n s t e a do fs o f t w a r e w i t hm c ua si t sc o r e ，t h i ss y s t e mc a ni n g a t h e rt h e d a t at h r o u g ht h es e n s o lc o n t r o lt h ec o n v e r s i o no f a n a l o gs i g n a l st od i g i t a ls i g n a l s a n dp r o c e s st h ec o m m a n do ft h er e m o t ep ca n dr e a c ta c c o r d i n g l ym e a n w h i l e ，i tc a n c o n t r o lt h eo p e r a t i o no f i 2 c h i p ，s o r to u ta n dp r o c e s st h ev a r i o u sp r o t o c o l s ，w h i c h c o n v e r t t h e d a t a i n t o t h e t c p p f o r m a ta n dr e a l i z e t h eb i d i r e c t i o n a i t r a n s m i s s i o n w i t ht h er e m o t ec o m p u t e r 1 1 1 ec l i e n t p r o g r a m sw h i c ha n s w e rf o ra n a l y z i n ga n d p r o c e s s i n g t h er e c e i v e dd a t a m o s t l yb a s e do np c m e a n w h i l e ，i ts e n d so r d e r s ， t r a n s m i td a t aa n d d i s p l a y d a t ae t c a c c o r d i n g t h ea b o v e m e n t i o n e d ，w et e s tt h es y s t e mm a n y t i m e si nt h el o c a la r e a n e t w o r k t h et e s t i n gi n d i c a t et h a tt h es y s t e mw h i c hc a ni n g a t h e rm u l t i c h a n n e ld a t a ， t r a n s m i tt h ec o r r e s p o n d i n gd a t aa n de x e c u t et h ec o m m a n d i ts h o w st h a tt h es y s t e m i ss t a b l ea n dh i 曲l ye f f e c f i v e k e yw o r d s ：n e t - s e n s o le m b e d d e ds y s t e m ，m c u ，t c p 毋e t h e m e t 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，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。 作者签名： 日期： 王探 盘翌：! ：! 呈 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 嵌入式网络传感器 第一章绪论 1 1 1 嵌入式网络传感器应用背景 现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技术和计算机技术，分别完 成对信息的采集、传输和处理，它们一起构成了信息系统的“感官”、“神经” 和“大脑” 3 t j 。 计算机技术与传感器技术的结合，其结果是产生了智能传感器，为传感器 的发展开辟了全新的方向。多年来，智能传感器技术及其研究在国内外测控领 域扮演着举足轻重的角色【3 l 】。 计算机技术和通信技术的结合，其结果是产生了计算机网络技术，这一结 合所带来的划时代意义已是有琶共睹，它使人类真正进入了信息化时代 ”】。 对于嵌入式系统一般是指非p c 系统它由硬件和软件两部分组成，硬件 包括微处理器、存储器及外设器件和i o 端口等，软件主要是应用程序编程【2 7 】， 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器像单片机、d s p 等。像一台通用的计算 机外部设备中就有5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、打印机、各种接口等 都是由微处理器来控制的，在仪器、仪表、过程控制、通信、航空航天、消费 类电子产品等方面均是嵌入式系统的应用领域。实际上嵌入式系统是计算机的 一种应用形式，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 具体应用相结合后的产物。其在应用数量上远远超过了通用计算机。 对于嵌入式系统的应用主要在三个方面： 1 、军事国防领域：从坦克、舰艇、电子对抗等军事电子装备到军事通信 及军事指挥系统。 2 、民用电子装备及机电一体化设备：各种测量仪器仪表，数控装置、工 业控制机、机器人等工业电子设备，汽车、民航及船舶电子设备，办公自动化 设备，计算机外部设备，通讯控制器及通讯设备，商用电子设备，医疗电子设 备等。 3 、家用电器及消费类电子产品：数字电视机机顶盒、v c d 、d v d 、手机、 掌上电脑、防火防盗系统。 基手t c p 九p 的嵌入式网络传感器的研究 但目前大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，如以m c u 为核心的系 统与一些监测、伺服、指示设备配合实现各自的功能。在工业应用中，为了实 现多个微控制器之间的信息交流，利用c a n 、r s - - 4 8 5 、r s 2 3 2 等总线将微控 制器组网。这种网络的覆盖面积有限，通信协议简单 2 7 】。 随着计算机技术和网络通信技术的飞速发展，计算机网络已渗透到各行各 业，从传统的现场模拟信号通信方式转为现场级的全数字信号通信方式，即传 感器现场级的数字化网络方式。同时i n t e m e t 现已成为社会重要的基础信息设施 之一，是信息流通的重要渠道，也是地球上最大、最普及的网络系统。如果各 种嵌入式系统也能够接入i n t e m e t ，则可以方便、快捷、低廉的在世界上的任何 一个地方通过网络进行过程控制和信息发布。而现有的将微控制器间组成的网 络与i n t e m e t 相互独立是这种网络无法克服的缺点。因此把嵌入式微控制器网络 化已成为现代测控系统、仪器仪表的重要发展方向。也成为了当前的一大研究 热点。 而传统的传感器能否实现信息化，作为现场智能单元的传感器能否像计算 机一样成为i n t e m e t 网络的一个节点，并具有网络节点的组态性和可操作性，成 为了当前研究的又一热点。与i n t e m e t 技术相融合，使传感器在现场级就实现 t c p i p 网络协议功能。因此把测控网和信息网统一起来，成为传感器实现信息 化的主要研究目标和方向。 因此本文将计算机网络技术与智能传感器技术( 微控制器与传感器的结合) 相结合，提出了“基于t c p i p 的嵌入式网络传感器”这一全新概念。 i 1 2 嵌入式网络传感器概述 从嵌入式网络传感器概念的产生和发展历史关系来看，它经历了个从传 统传感器一智能传感器一嵌入式网络传感器的内涵不断丰富的发展过程。基于 t c p i p 的嵌入式网络传感器是在智能传感器的基础上发展起来的具有i n t e m e t 功能的新型传感器，其实现的目标是采用标准的网络协议，同时采用模块化结 构将传感器和网络技术有机的结合起来。敏感元件输出的模拟信号经a d 转换 及数据处理后，由网络处理装置根据程序的设定和网络协议( t c p 佃) 将其封 装成数据帧，并加上目的地址，通过网络接口传输到网络上。反过来，网络处 理器又能接受网络上其它节点传给自己的数据和命令，实现对本节点的操作。 这样，传感器就成为测控网中的一个独立节点。 南京航空航天大学硕士学位论文 网络传感器的实质是在传统传感器的基础上实现信息化、网络化、智能化， 其核心是使传感器本身实现t c 碑网络通信协议，将传感器作为网络节点直接 与计算机网络通信。确切地说，嵌入式网络传感器已不再是简单意义上的“传感 器”，它已经涵盖了以前是属于仪器和微型计算机所具有的功能。 1 1 1 3 嵌入式网络传感器研究意义 嵌入式网络传感器与传统的传感器相比更加可靠、便宜，扩展性更好。与 传统的传感器输出模拟信号不同，这种传感器可以在内部实现对原始数据的加 工处理，并通过i n t e m e t 和外界实行数据交换，从而实现传感器的微型化、网络 化、智能化。更为重要的是这种基于t c p i p 的嵌入式网络传感器可以根据实际 的需要通过i n t e r n e t 网络，实现检测、制造及维修人员的“虚拟到场”，给系统 的扩展带来了很大的发展余地。使得测控系统在数据采集、信息发布及系统集 成等方面都以企业内部网为依托，使得测控网和信息网统一起来，有着广泛的 意义：l 、通过网络，用户能够远程检n 控制过程和实验数据。2 、通过网络， 一个用户能远程监控多个过程，而多个用户也同时对同一个过程进行监控。例 如：工程技术人员在他的办公室里检测一个生产过程，质量控制人员可在另一 点同时收集这些数据，建立数据库。3 、通过网络，用户可利用普通仪器设备采 集数据，然后指示另一台功能强大的远方计算机分析数据。 总之，对智能传感器进行网络化改变了测量技术的面貌，打破了在同一地 点进行数据采集、分析和显示的传统模式，依靠i n t e m e t 和网络技术，人们就可 以有效的控制远程设备，在任何地方进行采集、任何地方进行分析、任何地方 进行显示。事实上，使传感器在现场级实现t c p i p 协议，使现场测控数据就近 登临网络，在网络所能及的范围内适时发布和共享，正是基于t c p i p 的嵌入式 网络传感器的研究目标所在，也是目前国内外竞相抢占制高点的前沿技术之。 1 1 4 嵌入式网络传感器应用领域及发展前景 高新科技的融合已经引起了世界结构性的改变。网络的出现，使得工业技 术的主题从测控转移到了信息的管理与集成；分布式智能的出现，使得信息的 处理更加灵活，而且表现为各种形式。商业化的科技、开放的结构、企业的集 成、技术的分离日益呼唤着新的工业结构的出现。在网络化测控、嵌入式网络 和e 一维护技术三个领域中，嵌入式网络传感器都将起到重要作用，传统分布式 基于t c p 九p 的嵌入式网络传感器的研究 测控的结构因之而改变，嵌入式网络也日益成为工业应用的核心，在这些技术 的支持下，产品的智能维护逐渐成为整个社会的主题。 计算机技术、传感器技术、网络技术与测量、测控技术的结合，使网络化、 分布式测控系统的组建更为方便。以i n t e r a c t 为代表的计算机网络技术的迅猛发 展及相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更大，应用更广。在国防、 通信、航空、航天、气象、制造等领域，对大范围的网络化测控将提出更迫切 的需求，网络技术也必将在测控领域得到广泛的应用。嵌入式网络传感器作为 网络中的独立节点，可以在现场搭建基于i n t e r n e t 的测控系统，进行实时动态的 在线测控，将对工业测控、智能建筑、远程医疗、环境及水文监测以及农业科 技应用领域带来革命性影响。改变了传统的布线方式和信息处理技术，改变了 传统测控系统的构成方式，使各种现场信息能实时、在线的在现有各类局域网 或广域网上动态发布与共享，同时其i n t e r n e t 背景下的远程操作和组态功能为测 控领域增添了新的景观。其必将很快发展并成熟起来，从而有力地带动和促进 现代测量技术即网络测量技术的进步。在此基础上，嵌入式网络、e 一维护等技 术也会蓬勃发展起来，对工业和社会的进步产生深远影响，可以断言，未来的 世界是智能产品的世界。 1 2 国内外研究现状 近年来，国外在网络传感器方面的研究有很大的进展。h p 实验室提供了一 种基于i e e e l 4 5 1 2 标准的传感器工作模型，其中包括连接传感器的s t i m 和连 接e t h e m e t 的n c a p 两个部分，每个n c a p 网页中的内容可以在p c 机上通过 浏览器读取。美国国家仪器公司提供了一种g p i b e n e t 控制器模块，完成数 据流的g p i b 格式与e t h e r n e t 格式相互转换，在这个控制器模块安装上传感器 或数据采集仪器，就可以和i n t e m e t 直接通信。e m w a r e 公司的e m i t ( 嵌入式 微互联网技术) 提供嵌入式设备接入i n t e m e t 的技术，e m i t 由e m m i c r o 、e m n e t 、 e m g a t e w a y 组成，它们一起为嵌入式设备中的传感器提供e t h e m e t 功能。在国 内，中国单片机公菸实验室基于e m i t 提出的b o l i s t 方案在国内相关研究中 有一定优势。对于基于现场总线的智能传感器技术，目前市场上的c a n b u s ( 控 制局域网络) 、l o n w o r k s ( 局部操作网络) 、p r o f i b u s ( 过程现场总线) 、f f ( 基 金现场总线) 等多种现场总线并存的现象，每种总线标准都自己规定的协议格 4 南京航空航天大学硕士学位论文 式，相互之间互不兼容，给系统的扩展、维护等带来不利的影响。从而使得基 于现场总线的传感器接口协议标准各异，难以统一，给国际化的统一标准工作 提出了课题。随着i n t e m e t 的迅速发展，t c p ，p 协议正逐渐成为一种世界通用 的网络通信协议标准。如果让现场级的传感器实现t c p i p 协议，使数据采集、 信息传输等都能直接在i n t r a n c t i n t e m e t 上进行，即统一了标准，又使工业测控 数据能直接在i n t r a n e t i n t e m e t 上动态发布和共享，供相关技术人员、管理人员 参考，这样就把测控网和信息网有机地结合了起来，使得工厂或企业都拥有一 个一体的网络平台，无论从成本、管理、维护等方面考虑，都是一个最佳的选 择。因此基于以太网协议的智能传感技术成为了研究的重中之重。 目前接入i n t e m e t 主要有以下三种方案： 一是由3 2 位高档m c u 构建的嵌入式仪器，因为3 2 位有足够的资源可以 扩充利用，r a m 和r o m 可以做的足够大，整个t c p 职协议族可以做到系统 里面去，甚至可以嵌入一个带t c p i p 协议族的操作系统，所以3 2 位微处理器 除了可以实现复杂仪器功能外，还能较容易的进行网络通信的t c p i p 协议处 理，因而可以成为直接接入i n t e r n e t 的网络仪器，但其缺点也是很明显的，3 2 位微处理器开发难度大，开发工具昂贵，并且大多数用在高端产品，在成本较 低的嵌入式测控系统中目前用的还比较少。 二是由低档八位机组成的嵌入式仪器，采用专用网络( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、 c a nb u s 等) 把若干嵌入式仪器连接在一起，该网络再与p c 机相连，由此建 成p cg a t e w a y 专用网，此时把p c 作为网关，并由p c 把该网络上信息转换为 t c p i p 协议数据包，发送到i n t e m e t 上实现信息共享，这样可以使嵌入式测控 仪器连到i n t e m e t ，但必须要一台p c 机或类似p c 机功能的设备作为网关，来 进行协议转换，即把其它协议的信息转换成适合在i n t e m e t 传输的d 包，这样 也能实现信息的网络传输，并且在实际的场合当中也得到了应用，但由于这样 的测控终端必须要专门配一台p c 机来进行协议的转换，这样应用场合就受到了 限制，并且成本也会很高。 三是由八位单片机组成直接接入i n t e m e t 的嵌入式网络化仪器，利用这种方 案好处是可以利用以前的基于8 位单片机的测量设备，大多都不需要改造，可 以通过外加网络芯片，然后8 位单片机直接驱动网络接口芯片，而成为嵌入式 网络化仪器，但由于接口和网络协议都比较复杂，占用的资源( r o m 、r a m 、 c p u ) 比较多，所以要求单片机要有足够快的运行速度，这样在m c u 执行数 基于t c p i p 的嵌入式网络传感器的研究 据采集和控制功能的同时才能足够快的把数据打包，发送到i n t e m e t 上，这样在 m c u 执行数据采集和控制功能的同时才能足够快的把数据打包，发送到i n t e m e t 上，开发上有较高的难度【2 7 】。 虽然方案很多，但网络用在嵌入式的测控仪器当中，使之成为一个价格低 廉、性能稳定、传输可靠的数据传输接口还有很多困难，现在很多公司在这方 面投入了大量的研究，有的公司也甚至致力于具有网络功能的s o c 设计，发达 国家也在这方面制定了详细研究计划。 1 - 3 本文的工作 嵌入式网络传感器的实质是在传统传感器的基础上实现信息化、网络化和 智能化，其核心是使传感器能实现t c p d 网络通信协议，因此本文主要集中 于研究嵌入式设备接入i n t e m e t 的解决方案，由于在一些场合非常需要对仪器进 行远程控制和信息的网络共享，像远程获取工业现场的数据信息，从而实现现 场监控等，所以有必要的给现有的测控设备加上网络的功能，而实现设备的远 程控制。 因此本文探讨了在嵌入式网络仪器中实现网络通信的特点，对实现嵌入式 环境下的网络通信的t c p i p 协议族做了阐述分析，在此基础上，根据现有的条 件和要求，研制了一个远程网络传输系统，它利用m c u 、网络接口芯片、传感 器和相关外围接口电路实现系统的硬件架构，软件上，单片机读取外部信号， 同时根据p c 机的要求，将相应的数据，通过单片机的读写和控制协议栈芯片 的处理来实现t c p i p 协议，从而实现数据的远程传输，此系统能完成客户方的 请求，进行数据采集、传输和信息发布。在控制方基于p c 机s o c k e t 编制的 客户软件完成通信、控制的任务。最后，给出实验结果和结论。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章嵌入式网络传感器基本构架 2 1 嵌入式网络传感器特点及体系结构 基于t c p 口的嵌入式网络传感器的实质是在传统传感器的基础上实现信 息化、网络化和智能化，其核心是使传感器本身实现t c p f l p 网络通信协议，将 传感器作为网络节点直接与计算机网络通信。确切地说，嵌入式网络传感器已 不再是简单意义上的“传感器”，它已经涵盖了以前是属于仪器和微型计算机所 具有的功能。 嵌入式网络传感器主要由三部分组成：敏感单元、智能处理单元和t c p i p 通信协议接口。其体系结构见图2 1 所示。 敏感单元由敏感元件和调理电路组成，其中，敏感元件将被测信号转化成 电信号调理电路则完成模拟滤波、放大等信号预处理功能。 智能处理单元是智能传感器的核心，主要完成信号数据的采集、处理( 如数字 滤波、非线性补偿、自诊断) 和数据输出调度( 包括数据通信和控制量本地输出) 。 从智能传感器高可靠性、低功耗、低成本和微体积等特点出发，嵌入式微处理器 系统是最佳选择。 t c p i p 通信协议接口单元是将传感器的信号转换为能符合在以太网传输的 协议格式的数据流而实现传感信息与网络无缝接入，该单元也是实现网络传感 器的核心。 从原理结构上来说，传统的传感器在嵌入式网络传感器中只占其中的一部 分。核心部分是完成信号处理、数据交换和控制的嵌入式智能单元以及完成数 据传输的t c p 门咿网络接口。 整个传感器的工作机理是：传感器将被测物理量转换为电信号，通过a d 转换为数字信号，经过微处理器的数据处理( 滤波、校准) 后将结果传送给网 络；与网络的数据交换由基于t c p p 协议的网络接口模块完成。嵌入式网络传 感器的内部存储器存储传感器的物理特征，如偏移、灵敏度、校准参数等；微 处理器实现数据的处理和补偿以及输出校准；t c p 佃协议实现传感器的直接网 络连接。与传统的传感器相比，基于t c p f l p 的嵌入式网络传感器更加可靠、便 宜，扩展性更好且可以在内部直接对原始数据加工、处理，并通过i n t e m e t 与外 界进行数据交换。因而它具有微型化、网络化和智能化。传感器的网络化接口 基于t c p 仃p 的嵌入式网络传感器的研究 实现了对i n t e r a c t 的互连以进行信息的发布和资源共享。其实现方式是嵌入式网 络传感器研究的重点。 议接口 图2 1 嵌入式网络传感器的体系结构 嵌入式网络传感器具有如下特点：第一，具有高可靠性、低成本等特点； 第二，可根据输入信号进行判断和制定决策，具有自检测、自校准和自保护功 能；第三，不同的应用系统无须采用不同的传感器，可在单一传感器的基础上 通过软件设计来改变传感器的功能，以满足客户的不同需求；第四，采用当今 最为流行的t c p i p 网络通信协议为载体，利用i n t e m e t 传输传感器数据，与外 部进行信息交换；第五，嵌入式网络传感器组成的控制网络与计算机网络直接 通信，技术人员利用浏览器通过网络管理嵌入式网络传感器的工作状态，实施 远程测控：第六，实现了传统的数据采集与发送向网络化的信息管理与集成的 转移。 从上图中我们可以看到，对于完成信号处理、数据交换的智能处理单元主 要是传统传感器的后一代传感器“智能传感器”来实现的。对于完成数据 传输的t c p i p 网络接口则是实现“网络传感器”的核心，通过微处理器的使用， 使传感器本身实现数据采集、处理的智能化和数据传输的t c p i p 网络化而实现 网络传感器。由于使传感器能实现t c p p 网络通信协议是整个系统的核心，因 此本文的重点将是放在t c 咿通信协议接口这一部分。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 嵌入式网络传感器的实现基础及关键技术 l 、嵌入式网络硬件技术 微处理器、数据采集和信号处理、t c p 口等嵌入式网络硬件的飞速发展是 嵌入式网络传感器发展的重要保证。目前，美国c o n n e c t o n e 公司、p h i l i d s 公司、 e m w a r e 公司、t a s k i n g 公司和国内的p & s 公司等均提供基于i n t e m e t 的 d e v i c e n e t w o r k i n g 的软件、固件( f i r m w a r e ) 和硬件产品。此外，在数据采集、 d s p 、t c p p 、s t i m 、n c a p 方面都不断有新型的专用接口模块产生，例如完 成数据采集的c s 5 5 1 1 、t l c 5 4 8 ；完成d s p 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 t m d s p ，完成s t i m 和n c a p 的e d l l 5 2 0 、p l c c 4 4 ；完成t c p f i p 协议转换的研华公司的 a d a m 4 5 7 2 、a d a m 4 5 7 0 等等。随着这些专用模块和m c u 的不断发展，完全 可以保证在片上系统实现具有i n t e m e t 功能的网络传感器。 2 、大规模集成电路技术 利用大规模集成电路技术将敏感元件、信号处理器和微处理器集成在一块 硅片上，形成一个”单片智能传感器”，是一个对外界信息具有检测、数据、处 理、判断、识别、自诊断和自适应能力的多功能传感器，还能实现与主机远距 离、高速度、高精度的传输。这类传感器具有小型化、性能可靠、能批量生产、 价格低廉的优点。 3 、人工智能材料的应用 人工智能材料是一种结构灵敏性材料，它有三个基本特征：能感知环境条 件的变化( 传统传感器) 的功能；识别、判断( 处理器) 功能；发出指令和自 行采取行动( 执引器) 功能。人工智能材料除了具有功能材料的一般属性和对 周围环境进行检测的硬件功能外，还能依据反馈的信息，进行自调节、自诊断、 自修复、自学习的软调节和转换。 根据研究情况，在研究基于以太网的网络化智能传感器时，有以下几个方 面值得注意： ( 1 ) 是对智能传感器的总体结构进行全新论证。为实现网络通信，需对功 能单元重新划分，在传统智能传感器基础上突出网络功能模块。 ( 2 ) 研究底层网络接口( 硬件接口) 的实现问题实现网络化。由于网 络技术的迅猛发展，各类网络接口芯片为功能实现提供了大量的选择余地，但 在选择和论证时要做到高可靠、低功耗、低成本和微体积等。 基于t c p i p 的嵌入式网络传感器的研究 ( 3 ) 研究高层网络接口( 软件接口) 的实现问题实现i n t r a n e t i n t e m e t 化。为保证智能传感器与网络上其它传感器或计算机之间能实现可靠的数据通 信，以及方便应用已有的网络平台和相关成熟的网络技术，应选择已经成为事 实标准的t c p i p 协议作为高层接口。用软件实现的t c p i p 标准接口使得网络 化智能传感器具有高度的整体组态性，。把t c p 口作为一种嵌入式应用，即把 t c p i p 协议嵌入到智能传感器的r o m 中，使得信号的收发都以t c p 口方式进 行。 ( 4 ) 研究网络化智能传感器的通信策略。为保证良好的互操作性，一方面 是使传感器成为i n t r a n e t i n t e m e t 的现场级服务器，使之具备基本的发送和应答 t c p 口方式的通信功能，另一方面由于现场级的智能传感器软、硬件资源毕竟 有限，在i n t r a n e t i n t e m e t 的信息交换还是应该以企业级服务器为核心。因此， 要在企业级服务器上研究专门的服务器软件及建立相应的数据库。 2 3 基于t c p i p 的网络传感器与现场总线技术的对比 近年来，从研究状况来看，网络化智能传感器技术研究热点主要集中基于 现场总线的智能传感器技术和基于t c p i p 协议的智能传感技术两种。基于现场 总线的智能传感器技术与基于t c p i p 协议的网络化智能传感器技术在技术目 标上有相似之处。目前现场总线技术是国内自动化领域的研究热点。两种技术 比较起来，各有特点和适用范围，在应用上还存在一定的互补性。图2 2 是现 场总线测控系统示意图，图2 _ 3 是基于以太网的网络传感器构成的测控系统示 意图。 南京航空航天大学硕士学位论文 总线 图2 2 现场总线测控系统示意图图2 3 网络传感器测控系统示意图 两种技术的基本思路都是针对传统测控系统的不足，使得检测信号在现场 级就实现全数字化，从而避免了模拟信号在传输过程中信号易衰减和易受干扰 等问题。因此，二者底层的硬件部分结构大致相同。 目前较流行的现场总线各有特点，但每种总线标准都自己规定的协议格式， 相互之间互不兼容，给系统的扩展、维护等带来不利的影响，给标准统一带来 了困难。从技术上看，现场总线相互间的互操作性差，各总产品既不能互连互 换，也不能统一组态，相互之间不能互相操作和协作，即使通过专用网络接口 与其它网络或总线互连，但是从成本上投资和系统集成方面都给用户带来了不 便。从商业上看，各大现场总线技术厂商都不愿放弃已有的产品和市场，不愿 寻求统一，所以这种各自为政的局面短期难以改变，对广大用户不利。此外， 从应用范围看，现场总线主要用于各类自动化领域，在一些地域分布范围广的 测控领域，如水文勘测、环境检测等方面受到一定的限制( 而对于基于t c p i p 协议的网络智能传感器技术而言，有诸如电话线类的通信电缆存在的地方就可 方便地纳入测控系统) 。 现场总线技术和基于t c p i p 的网络化传感器技术的最大区别在于信号的 传输方式和网络通信策略，也体现在后者独特的t c p f i p 协议功能上。基于 t c p i p 协议的网络化智能传感器因其在传感器现场级就具备了t c p 妒功能， 使得测控系统在数据采集、信息发布及系统集成等方面都以企业内部网 ( i n t r a n e t ) 为依托，使得测控网和信息网络统一起来，具体表现在3 个方面： 1 、i n t r a n e t 功能：各种现场信号均可在企业的i n t r a n e t 网络上实时发布和 基于t c p ，i p 的嵌入式网络传感器的研究 共享，任何网络授权用户均可通过砸实时浏览这些现场信息。 2 、i n t e m e t 功能：如果企业i n t r a n e t 与i n t e m e t 连通，各种现场信息均可在 整个i n t e m e t 上实时浏览，如果需要，这些信息在全球任何开通了i n t e m e t 的地 方均可实时浏览共享。 3 、i n t r a n e t i n t e m e t 控制功能：如果需要，可实现在整个i n t r a n e t i n t e m e t 上任何位置对现场传感器( 执行器) 的在线控制、编程和组态等，这为远程操 作开辟了又一崭新道路。 当然，现场总线技术有其自身的优点，二者在一定程度上可以互补。 2 南京航空航天人学硕士学位论文 第三章t c p i p 协议及其实现特点 美国政府机构许多年前就认识到了互联网技术的重要性和潜力，并且一直 在投资研究，这一研究已经使i n t e r a c t 成为可能。对于互联网技术的基本原理和 观点都是远景规划局( a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y , a r p a ) 投资研究的 成果。a r p a 技术包括一组规定计算机通信细节的网络标准以及一组关于网络 互联和通信量路由的约定。它的正式名称是t c p i p 互联网协议族( t c p i p n t e r n e tp r o t o c o ls u i t e ) ，一般称为t c p t p ( 取名于它的两个主要标准) 。使用它 可以在任何连接的一系列网络之间进行通信【2 4 】。 另外对于数据通信网络有许许多多的通信协议标准存在，其中许多比 l n t e m e t 还要旱，之所以i n t e r n e t 的设计者还要制定新的协议是因为遵循了一个 简单的原则：只要可以应用现有协议标准，就使用它们，只有当现有标准不够 时才指定新的协议，而且，只要新标准可以并能提供等价的功能，就要准备使 用新标准。所以t c p i p 协议族的产生只是因为现有协议都无法满足可互操作的 网际互联通信系统的需要。 3 1t c p i p 协议的分层模型 计算机上的协议软件模块具有称为层的垂直型栈结构，如图3t 所示脚j 。 每一层负责处理问题的一个部分。 发送方 接收方 f 第1 层 ff 第1 层 f 图3 1 分层协议软件的概念结构 从概念上讲，从一台机器上的应用程序向另一台机器上的应用程序发送一 基于t c p d p 的嵌入式网络传感器的研究 个报文，就意味着这样一个过程：该报文在发送机的协议软件中逐层下行，通 过网络转发，再在接收机的协议软件中逐层上行。 在实现中，协议软件的模块结构要比图3 1 所示的简单结构复杂得多。每 层都要对报文的正确性进行判断，并根据报文类型或目的地址采取相应的措施。 例如，接收机上的协议软件中的某一层要决定是保留该报文还是把它转发给另 一台机器，而另一层要判断该由哪个应用程序来接收这个报文。 3 1 1o s i 七层网络模型 对于协议的分层，其中两个思想占据了该领域的主导地位。第一个思路基 于国际标准化组织o s i 早期所做的工作，称为o s i 的开放系统互连参考模型， 通常称为o s i 模型，图3 2 给出了o s i 模型的七个概念层次的组织结构【2 3 】【2 4 】。 主棚a主棚b 表示层协议 - 广_ ；票i 一 o7 一 会话层协议 卜r ；磊爵i 一 运输层协议 卜_ 王= 苫一 7 iq 口 网络层协议 一网络层协议广1 石 一一- - 网络层 1 一 一【 链路层协议 链路层协议蟊；磊i 石 一- 一一一一一- 数据链路层 物理层协议 二 物理层协议 ：卜i 图3 2 协议软件的o s i 七层参考模型 物理层：定义了物理连接的标准，其中包括对电压和电流等电气特性值的 规定。 数据链路层：由于底层的硬件只能传输比特流，该层协议必须定义为帧的 格式，给出帧边界的识别方法。由于传输时的差错会破坏数据，该层协议还包 括了差错检测机制。由于传输是不可靠的，该层协议定义了互相交换确认机制， 使得两台机器能够知道帧是否传输成功。 数据链路层被分为两个子层：介质访问控制( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层 和逻辑链路控制( l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 子层。 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 介质访问控制子层负责物理寻址和对网络介质的物理访问。每次只能有一 台设备可以在任一类型的介质上传输数据。如果多台设备试图传输数据，它们 将会互相搅乱对方的信号。 逻辑链路控制子层建立和维护网络设备间的数据链路连接。它负责在本层 中的流量控制和错误纠正。逻辑链路控制子层提供的连接服务如下： 1 、未经确认的无连接服务：逻辑链路控制是传输数据最快的子层，同时 也是最不可靠的，但被经常使用，因为上层的协议都可处理自己的差错检验。 2 、面向连接的网络服务：这种服务使用滑动窗口流量控制及差错检验的 确认。 网络层：该层主要完成主机和网络之间的交互的定义。定义了通过网络传 输的基本数据单元以及目的寻址和选路的定义 运输层：该层提供目的主机和源主机之间的端到端的可靠传输。 会话层：o s i 模型中的更高层描述了协议软件应该如何组织，以便给应用 程序提供所需的功能。o s i 委员会认为远程终端接入的问题是一个本质性的问 题，因此他们定义了第五层来处理它。 表示层：该层的任务是协商和建立数据交换的格式。负责设备间需要的任 何字符集或数字转换。它还负责数据的压缩，以减少数据传输量，也负责加密。 应用层：该层是用户的应用程序与网络之间的接口。 3 1 2t c p i p 四层网络模型 第二个重要的分层模型并非出自哪个标准委员会，而是来自一些对t c p d 协议族的研究。稍做改动，o s i 的参考模型就可以用于描述t c p m 的层次结构， 但是这两者的底层假设差别很大，足以将二者分开【2 ”。 广泛地讲，t c p d 软件分成五个概念层次，建立在第五层( 即硬件层) 上 的四个软件层。图3 3 给出了这些概念性的层次结构和这些层次之间传输的数 据形式以及与o s i 模型的对比。 应用层：在这个最高层中，用户调用应用程序通过t c p p 互联网来访问 可用的服务。与各个传输层协议交互的应用程序负责接收和发送数据。 运输层：运输层的基本任务是提供应用程序之间的通信服务。这种通信又 叫端到端通信。运输层要系统地管理信息的流动，还要提供可靠的传输服务， 以确保数据到达无差错、无乱序。该层协议软件把要传输的数据流划分为小块， 基于t c p i p 的嵌入式网络传感器的研究 把每个分组连同目的地址交给下一层去发送。 网络层：该层用来处理机器之间的通信问题。它接收运输层请求，传输某 个具有目的地址信息的分组。该层把分组封装到口数据报中，填入数据报的首 部，使用选路算法来确定是直接交付数据报，还是把它传递给路由器，然后把 数据报交给适当的网络接口进行传输。该层还要处理传入的数据报，检验其有 效性，使用选路算法来决定应该对数据报进行本地处理还是应该转发。如果数 据报的目的机处于本机所在的网络，该层软件就会除去数据报的首部，再选择 适当的运输层协议来处理这个分组。最后，网络层还要根据需要发出和接收 i c m p 差错和控制报文。 链路层：这是t c p p 协议软件的最低层，它负责p 数据报并把数据报通 过选定的网络发送出去。链路层包括一个设备驱动程序，也可能包括一个复杂 的子系统，使用自己的数据链路协议。 i应用层 表示层 会话层 运输层 阏络层 数据链路层 物理层 应用层 运输层 网络层 数据链路层 图3 3t c p i p 软件概念性层次与o s i 七层模型对比示意图 不论采用何种具体的层次结构以及各层的功能是什么，分层协议软件的操 作都基于同一基本思想。这一思想，也就是所谓的分层原则，即目标机的第n 层所接收到的数据就是源主机的第n 层所发出的数据。 3 2t c p i p 协议族概述 t c p i p 协议起源于6 0 年代末美国政府资助的一个分组交换网络研究项目， 到9 0 年代已发展成为计算机之间最常用应用的组网形式。t c p p 协议族是一 组不同层次上的多个协议的组合。t c p 口协议通常被认为是一个四层协议系 统，如图3 4 所示。每一层负责不同的功能【2 。 南京航空航天大学硕士学位论文 应用层 运输层 网络层 链路崖 媒体 图3 4t c p i p 协议族中不同层次的协议示意图 1 、链路层 该层有时也称作为数据链路层或网络接口层，通常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。它们一起处理与电缆( 或其他任何传 输媒介) 的物理接口细节。 2 、网络层 网络层的功能是使主机可以将口数据报发往任何网络，并能独立地传向目 的地( 可能经由不同的网络) 。这些数据报到达的顺序和发送的顺序可能不同， 因此，如果需要按顺序发送及接收时，高层必须对数据报进行排序。 该层包含多种协议，其中主要是p 协议、网际控制报文协议i c m p ( i n t e m e t c o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 、网际组管理协议i g m p ( i n t e m e tg r o u pm e s s a g e p r o t o c 0 1 ) 、地址解析协议a