（机械电子工程专业论文）基于嵌入式系统的网络化智能传感器研究与开发.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 随着 mems 工艺的发展和网络普适计算时代的到来，结合有线或无线网络通信技 术和智能传感器技术，开发出具有自识别、自诊断、简单数据处理及网络通信等功 能的微型化、低功耗型的网络化智能传感器日显重要。 本文以自主开发的即时可重构传感器网络虚拟仪器平台isvip的现场应用为导 向，在广泛、深入研究网络化智能传感器应用模型及原理的基础上，基于自主开发 的一种轻量级传感器网络应用层协议agilesn，采用arm7 s3c44b0x嵌入式微处理器+ 传感器+有线以太网接口的嵌入式系统硬件架构方案，利用uclinux下的c语言编程并 结合多线程及tcp/ip网络通信等技术，设计并实现了一种能自主运行、自识别、自 描述以及网络数据传输与自动解析的有线以太网网络化智能传感器。 基于 arm7 嵌入式微处理器及 uclinux 嵌入式操作系统的 tcp/ip 有线网络化智 能传感器，达到了预期的设计目的，能够满足一般工业现场构建分布式测控网络的 需求，实现现场数据的实时采集与网络传输，并具有一定的网络远程配置与控制的 功能。本课题不仅完整验证了 agilesn 协议的可行性，展示了基于此协议开发的网 络化智能传感器的诸多优点，如支持任意的传感器类型、传感器节点的自动发现、 自识别和自描述以及网络通信数据的自动解析等；而且可作为在网络化智能传感器 产品化方面的先期预研工作，为今后产品化开发基于 agilesn 协议的有线或无线网 络化智能传感器做足技术储备；同时也可为其它相关领域应用提供借鉴。 关键词： 关键词：网络化智能传感器 嵌入式系统 tcp/ip s3c44b0x uclinux 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract with the development of mems technology and the advent of network pervasive computing times, its more and more important to develop miniaturized, low power consumption networked smart sensor that can self-recognize, self-diagnose, process simple data and communicate with others by network, combining wire or wireless network communication technology with smart sensor technology. for the purpose of applying a run-time reconfigurable virtual instrument software platform: isvip, which is developed by ourselves ,in industry field, through extensive, in-depth study on the application model and theories of networked smart sensor, based on a set of lightweight sensor network application layer protocol: agilesn that is also developed by ourselves, adopting arm7 embedded microprocessor s3c44b0x + sensor unit + ethernet interface to build the networked smart sensors hardware platform, programming with the c language under uclinux environment combined with multithreading and tcp/ip network communications technology, design and build a wire ethernet networked smart sensor that can run autonomously, self-recognize, self- describe, transmit data by network and automatically parse data from network. tcp/ip wire ethernet networked smart sensor based on arm7 embedded microprocessor and uclinux os has achieved the expected results, and can meet the general needs of building distributed measure but also could be taken as a pre-research on networked smart sensor that can be product in large scale ,and made complete prepare on technology for productly developing wire or wireless networked smart sensor run on agilesn protocol in the near future; meanwhile, provided valuable references for other applications in related field. keywords：networked smart sensor, embedded system, tcp/ip, s3c44b0x, uclinux 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： 日期： 年 月 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。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题概述 1.1.1 课题来源 1.1 课题概述 1.1.1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目“面向制造系统的高可靠性柔性可重构自 组织 e-诊断技术” （50575087） 。项目中自主开发的 isvip 即时可重构传感器网络虚 拟仪器平台 1要完整地形成体系需要实际的传感器网络节点即网络化智能传感器的 支持。 1.1.2 课题背景 1.1.2 课题背景 随着 mems 工艺的发展和网络普适计算时代的到来，结合网络技术和智能传感器 技术，开发出具有自识别、自诊断、简单数据处理及网络通信等功能的微型化低功 耗型的网络化智能传感器日显重要。 虽然美国国家标准和技术协会 nist（national institute of standards and technology）联合 ieee 制定了 ieee 1451 系列智能传感器标准 2-6，来标准化智能传 感器的开发及布控应用。但 ieee 1451 系列标准比较复杂和抽象，实现和使用较为 困难，至今基于 ieee1451 的智能传感器难以规模产品化，处于“叫好不叫座” 的 境地。鉴于此我们根据传感器工业现场使用原则和经验，参照 ieee 1451 系列标准 并借用其提供的模型和数据结构，自主开发了一套轻便易用的网络化智能传感器网 络应用层协议agilesn 7，该协议较之 ieee 1451 系列标准易于理解和实现，并 具有即插即用、高性能和高可扩展性的特点。目前，我们已经在以 isvip 即时可重 构传感器网络虚拟仪器平台为主控节点的智能传感器网络中，在个人 pc 的 java 平 台上用软件模拟实现了运行 agilesn 协议的网络化智能传感器。 1.1.3 课题研究的目的和意义 1.1.3 课题研究的目的和意义 本课题的目的在于开发出一个实际的基于 agilesn 协议的网络化智能传感器原 型产品，来支撑 isvip 即时可重构传感器网络虚拟仪器平台使之形成完整体系。一 方面可以完整验证 agilesn 协议的可行性，并展示基于此协议开发的网络化智能传 感器的诸多优点，如支持任意的传感器类型、传感器节点的自动发现、自识别和自 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 描述以及网络通信数据的自动解析等；另一方面可在网络化智能传感器方面做更进 一步的预研工作，为今后产品化开发基于 agilesn 协议的有线或无线网络化智能传 感器做足前期技术储备。 1.2 国内外相关技术领域的发展现状和趋势 1.2 国内外相关技术领域的发展现状和趋势 基于网络化智能传感器的测控网络具有分布式处理、网络负载均衡、远距离实 时在线测控以及使用方便等诸多优点，再加上用户对全方位的参数检测需求的与日 剧增以及有线/无线网络通信技术的发展，目前网络化智能传感器的研究和开发如火 如荼，已成为智能传感器研究的重要领域，而且今后也必将是智能传感器的主要发 展方向。 针对智能传感器日益广泛的研究和应用，早在几年前美国国家标准和技术协会 nist（national institute of standards and technology）联合 ieee 制定了 ieee 1451 系列智能传感器标准，来标准化智能传感器的开发及布控应用。但是 ieee 1451 系列智能传感器标准采用两套分立模块来实现网络化传感器，并为此制定了专门的 模块间通信接口和协议，增加了成本和复杂度，且难以实现微型化。ieee 1451 的本 意是减少传感器制造商需要提供的网络接口数量，但目前已经发布以及制定中的传 感器接口标准已经至少有 5 种，接近了现场总线标准的数量，与其初衷越走越远。 ieee 1451 较为复杂和抽象，市场上的应用不多。尽管如此，ieee 1451 为网络化传 感器及智能传感器建立了很好的模型，对相关研究很具有借鉴意义 2-6。 国内对于网络化传感器尤其是无线网络化智能传感器的开发较国外晚，尚处于 起步阶段，对网络化传感器以及传感器网络相关核心技术，如 mems 工艺、微操作系 统、标准化协议、网络体系构成以及信道接入与竞争和路由算法等，的基础性研究 相对匮乏。从目前国内外研究现状来看，常见的网络化智能传感器一般都是参照 ieee1451 系列智能传感器标准来开发的，大都还处于网络化智能传感器的原型开发 与实验阶段，还都未能规模产品化 8-18。研究比较有影响的有中国科学研究院合肥智 能机械研究所、中国工程物理研究院计算机应用研究所以及华中科技大学机械科学 与工程学院等单位。归结一下，网络化智能传感器的解决方案主要有以下几种： 1) 基于 ieee 1451 标准及各种现场总线协议，如 lonworks、hart、can 等，的 有线网络化智能传感器 8-10，其构成原理框图及组网模式见图 1.1。现场总 线技术是近些年来工业现场控制领域的一项新兴技术， 是连接智能现场设备 和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志 是支持全数字通信。 将智能传感器赋以现场总线式通信功能之后主控系统以 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 现场总线为纽带，把单个智能传感器变成为一个独立的网络节点，智能传感 器自带的数据处理功能能有效减轻主计算机的工作负担及降低对网络带宽 的要求。经过智能传感器预处理的数据通过现场总线汇集到主机上，进行更 高级的处理(如系统优化、管理等)，使系统由面到点，再由点到面，对被控 对象进行分析判断，提高了系统的可靠性和容错能力。这样就把各个智能传 感器连接成了可以互相沟通信息，共同完成控制任务的网络系统与控制系 统， 更好地体现现场总线控制系统(fieldbus control system， fcs)中的 “信 息集中，控制分散”的功能，提高了信号传输的准确性、实时性和快速性。 数字/模拟传感器 微 处 理 器 用 户 层 应 用 层 数据链路层 物 理 层 现 场 总 线 式 智 能 传 感 器 现场总线 智能传感器执行器plc 测量控制管理 图 1.1 现场总线式网络化智能传感器及其应用网络 但目前现场总线技术国际标准的制定因技术、商业利益等原因而进展缓慢， 导致现有的现场总线标准有 10 多种，因此导致智能传感器存在不同生产厂 家间的兼容性和互换性问题，在一定程度上制约了现场总线式智能传感器 的应用和发展 19。 2) 基于 ieee1451 标准及 tcp/ip 协议的有线以太网智能传感器 11-13。这种类型 的网络化智能传感器节点可像 pc 一样成为网络中的独立节点，并具有网络 节点的组态性和可操作性， 使信息能跨越任何区域限制， 直接在网络上传输、 发布和共享，实现实时远程在线测控。使传统的集中式测控网络转变为分布 式测控网络，并且这种网络化智能传感器可就近接入网络，不仅简化了现场 布线， 还可以做到 “即插即用” ， 对系统的扩充和维护都提供了极大的方便。 图1.2是基于tcp/ip的网络化智能传感器的结构简图及其组成的测控网络。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 数字/模拟传感器 微 处 理 器 tcp/ip 协议层 数据链路层 物 理 层 的 网 络 化 智 能 传 感 器 tcp/ip 基 于 其它节点 internet/intranet 工作站 企业级服务器 图 1.2 基于 tcp/ip 以太网的网络化智能传感器及其应用网络 用这种传感器构成的现场设备测控网络将以太网直接引进测控系统中，在 一定程度上方便了现场级测控。但以太网采用的是带冲突检测的载波监听 多路访问（csma/cd）的媒体访问控制方式，通信的非确定性使其不能满足 某些现场级的要求，如某些过程在时间上有特别严格要求时(采集报警、时 间印记、同步等)。 3) 基于 ieee 1451 及蓝牙协议、zigbee 协议或 gsm/gprs 业务的无线网络化智 能传感器 14-18。这种智能传感器是目前网络化智能传感器发展的新方向，它 是将无线通信技术应用到智能传感器的设计中， 使信号的连接突破了空间和 地域的限制，省略了智能传感器的现场布线，使智能传感器节点的布置更加 自由和灵活。图 1.3 说明了此类智能传感器的基本组成原理及组网应用模 式。 数 字 /模 拟 传 感 器 微 处 理 器 媒 体 访 问 层 物 理 层 无 线 网 络 化 智 能 传 感 器 api 安 全 层 网 络 层 应 用 层 iee802.15.1/15. 3/15.4/15.3a/15 .4a/15.3b/15.4b bluetooth zigbee 网 络 终 端 节 点 自 组 织 网 络 协 调 路 由 节 点 星 型 网 络 中 心 协 调 节 点 自 组 织 网 网 状 链 接 星 型 链 接 图 1.3 无线网络化智能传感器及其应用网络 但由于国内外对无线网络化智能传感器的研究与开发尚处于起步阶段，并 且上述各种无线网络技术也存在某些局限性或发展还不是很成熟，如蓝牙 技术能耗大且网络节点数量少以及zigbee目前只能构成星型网络且难以与 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 以太网对接等，导致无线网络化智能传感器在实际应用中推广受到一定限 制。 当前，无线通信技术的飞速发展，已给人们的生活和生产的各个领域带来了深 远影响，不仅可以应用于 intranet 接入与 internet 互联等，还适用于有线接入方 式所不能胜任的场合，并提供优质的数据传输服务 20。而对无线网络化智能传感器 及网络的研究才刚刚开始，其技术、应用都还远谈不上成熟，而且关于无线智能传 感器接口的标准 1451.5 协议也正在制定中。但无线网络化传感器及网络的研究都倍 受各国关注，尤其是美国。这方面研究较早影响较大的当数美国国防部支持的“智 能尘埃（smart dust） ”研究项目 21。这种通过 mems 工艺制作的传感器体积微小（mm3 级） ，成本极低，是一种一次性器件；虽然单个传感器节点的功能有限，但是通过大 量的部署，并且节点间相互协作，就能够获取目标区域详细的时空相关信息；且能 够进行网内计算，完成单个传感器无法完成的任务，向世人展示了其在军事侦察及 其它各种领域应用中的重要价值和十分广泛的应用前景。 随着 zigbee、 wifi 以及 nfc 近场通信技术、超宽带 uwb 等各种新兴无线技术的不断涌现，将给无线网络化智能 传感器不断注入新的活力，可预见由无线网络化智能传感器构成的无线传感器网络 将是一个无孔不入十分庞大的网络，不仅会融入到工业、农业、军事、环境、医疗 等传统领域而且也将融入到未来许多新兴领域，如家居、个人保健、交通等领域。 综观当前网络化智能传感器的研究及发展现状，可以预见下列几方面内容将成 为网络化智能传感器的重要发展领域和趋势： 1) 随着各现场总线生产商相继推出基于互联网技术的新一代现场总线技术和 产品，如 lonworks 与以太网结合的 lonworks/ethernet，ff 与互联网结合 的 hse，profibus 与互联网技术结合 profinet 等，都是在原有的现场总线 技术基础上引进了以太网技术。以 tcp/ip 协议为核心的有线以太网技术将 垄断工业现场包括过程控制在内的各领域，整合控制网络和信息网络。 2) 无线网络化智能传感器及其网络组织、 路由算法等技术将是网络化智能传感 器未来研究、发展的焦点，尤其是微型化、低能耗型的无线网络化智能传感 器。 3) 网络化智能传感器开发及应用的标准化，尤其是应用层协议的标准化，以促 进不同传感器制造商产品间的互通、互连与互换，简化面向异构节点的通用 型传感器网络应用系统的构建。 1.3 本文的主要研究工作及内容 1.3 本文的主要研究工作及内容 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 本文主要在研究网络化智能传感器原理及相关开发技术和解决方案的基础上， 设计并开发了一个基于 agilesn 协议的有线以太网网络化智能传感器，在实现对远 程工业现场数据的实时采集与网络传输的前提下，还能做到自主运行、自动发现、 自识别以及网络数据的自动解析。创新点主要有以下几方面： 1) 将自主开发的轻量级传感器网络应用层协议 agilesn 产品化实现， 完成了与 isvip 即时可重构传感器网络虚拟仪器平台的对接。 2) 以流行的arm嵌入式微处理器和uclinux嵌入式操作系统为核心构建网络化 智能传感器，此方案简单易行，不仅能缩短产品的开发周期，而且还可根据 不同的应用方便地定制传感器类型。 论文结构及主要内容如下： 第 1 章首先阐述了课题来源、背景及研究的目的和意义，而后通过分析当前国 内外相关技术领域的研究与发展现状，预测了今后网络化智能传感器研究与发展的 重要领域及趋势方向。 第 2 章介绍了什么是 agilesn 协议，在与 ieee 1451 标准进行简单比较后，详细 介绍了其节点模型、数据类型和工作过程。 第 3 章简要介绍了什么是网络化智能传感器及其基本组成原理，通过对基于 agilesn 协议的网络化智能传感器设计需求的详细分析与讨论，最终提出了用 s3c44b0x arm 开发板+外围传统传感器单元电路板的硬件平台解决方案来实现基于 agilesn 协议的网络化智能传感器。 第 4 章以嵌入式系统开发的基本流程为主线， 从嵌入式系统用户软件运行环境的 构建及应用软件的开发两大方面，详细介绍了基于 agilesn 协议的有线网络化智能 传感器软件设计的各方面细节，主要包括嵌入式系统启动程序 bootloader 的开发、 uclinux 的移植与裁减、ad 采集等用户硬件驱动程序的开发、网络通信地址的自动 获取、采用多线程技术实现传感器的自动发现和数据分发以及 tcp/ip 网络通信等内 容。 第 5 章用一个基于 agilesn 协议的有线网络化智能传感器作为传感器网络节点， 与一台作为传感器网络主控节点的运行 isvip（即时可重构传感器网络虚拟仪器平 台）软件的 pc 搭建传感器网络为实例，演示基于 agilesn 协议的有线网络化智能传 感器的运行，并对其进行了基本性能的测试、分析及总结。 第 6 章总结与展望 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 2 轻量级传感器网络应用层协议轻量级传感器网络应用层协议 agilesn 网络化智能传感器作为自组织传感器网络中的一个节点，通过网络协议对外通 讯，传感器网络需要适应自身特点的应用层协议。agilesn （agile sensor node， 灵巧传感器节点）协议 7正是在参照 ieee 1451 系列标准中的 1451.1 和 1451.2 基础 上， 开发的一套轻量级的传感器网络应用层协议。 它只实现传感器对外提供数据 （或 者执行器接收数据） 的功能， 不涉及节点内部的数据分析、 信号处理等内容。 agilesn 支持任意的传感器类型，支持任意的传输层协议，支持节点的自动发现，支持节点 的自识别和自描述，支持数据的自动解析。以 agilesn 节点组成的传感器网络具有 自组织的特性。 2.1 agilesn 总体描述 2.1 agilesn 总体描述 在 agilesn 传感器网络模型中包括两类实体：传感器节点（以下简称节点）和控 制台。节点采集数据（或者根据接收到的数据产生动作） ，对外发布包括通信地址、 id、名称、通道数目在内的信息，是服务器端；控制台能够自动发现节点、与之连 接并交换数据，是客户端。在 agilesn 中，传感器节点具有如下特性： 1) 是一个自主系统， 能够独立运行。 理想情况下自身包含所需的一切工作条件， 如电池供电和无线通信，开机即用，易于布署。 2) 自识别。指具有一个终身不变的 id，可能不同于通信地址。无论何时何地， 都能够唯一的识别传感器节点，便于在外部维护传感器节点的相关信息。我 们推荐的首选 id 方案为物联网所采用的 epc 编码。 3) 自描述。能够描述自身的基本信息，如节点总体信息、各通道具体信息，如 通道类型、通道名称、传感器数据类型、数据长度、物理单位等等。 4) 能够对外通讯，并自动解析数据。 agilesn 协议是一种轻量级的应用层协议，易于理解和实现，具有高性能和高可 扩展性，支持任何传感器类型，支持传感器节点的自动发现。 2.2 agilesn 与 ieee 1451 的比较 2.2 agilesn 与 ieee 1451 的比较 agilesn 借鉴了 ieee 1451 系列标准 2-6，同时又有很大的不同，概括起来，相 同或相似之处有以下几点： 1) 都是为了方便地实现传感器的网络互联； 2) 都能够支持任意的传感器类型，具有很好的可扩展性； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 3) 都提供自动发现机制； 4) agilesn 的数据类型基本采用 ieee 1451.1 中的定义； 5) agilesn 节点采用 ieee 1451.2 中的节点+通道两级模型； 6) agilesn 节点与控制台采用 ieee 1451.2 中的函数地址+通道地址的通信方 式。 不同之处则有如下几点： 1) ieee 1451 模型采用两个分立模块，传感器不直接联网，而是通过 ncap 接 入网络；agilesn 则是单一模块（逻辑上） ，传感器直接接入网络； 2) 与前一条相适应，ieee 1451 的重心在于 ncap 与传感器模块的接口和协议， 除 1451.1 外，1451.2、1451.3、1451.4、1451.5 和 1451.6 都是定义 ncap 与传感器的接口标准；agilesn 不关心内部与传感器模块的接口，只考虑对 外面向网络的接口协议； 3) 接入网络的 ncap 模型实际上是一个传感器应用软件系统，而不是传感器； agilesn 协议模型则是单纯的传感器； 4) ncap 模型比较复杂，主要采用了现场总线智能设备的一些概念，是一套重 量级的模型；agilesn 模型简洁，易于理解和实现，是一套轻量级的协议； ieee 1451 是一种公共模型，并不是一套新的网络协议，目的是为了方便地实现 面向不同现场总线的具体的接口协议；agilesn 则是一套参照 1451 模型实现的完整 的协议。 2.3 传感器节点模型 2.3 传感器节点模型 agilesn 传感器节点的基本模型参照 ieee 1451.2，采用节点+通道两级结构， 相当于 stim 不通过 ncap 直接联网。agilesn 是面向网络的对外协议，不对内部微处 理器与传感器模块的接口与协议加以限制， 可以通过任何接口协议如spi、 i 2c、 1-wire 或者 ieee 1451 系列标准与传感器模块通信。 agilesn 每个节点包括多个通道，通道编号采用 16 位无符号整数（ieee 1451.2 stim 采用 8 位无符号整数）表示，通道号 0 代表节点本身，通道号 65535 代表所有 通道，所以最多可支持 65534 个独立通道。通道共用节点提供的资源，如计算、存 储和通信模块。 如同 ncap 与 stim 的通信方式，agilesn 控制台与节点的交互也通过地址实现。 地址包括函数地址（8 位）和通道地址（16 位）两部分，目前定义了 10 个函数地址， 如表 2.1 所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 表 2.1 agilesn 函数地址定义 函数地址 名称 节点 通道 1 读取元数据 n/a 读取属性信息 2 读取数据 n/a 读取最近数据 3 触发并读取 n/a 采集并读取最新数据 4 触发 触发所有通道 触发采集或动作 5 写入数据 n/a 写入新数据 6 写入并触发 n/a 写入新数据并发出动作 7 读取标准状态 读取状态 读取状态 8 读取辅助状态 读取辅助状态 读取辅助状态 9 写入控制命令 控制状态，调整参数 控制状态，调整参数 10 订阅事件 订阅所有通道的事件 订阅特定通道的事件 agilesn 控制台与节点有两种通信模式：客户机/服务器与发布/订阅。在客户机 /服务器模式，控制台向目标节点发出包括函数地址、通道地址和输入参数的请求数 据包。请求数据包格式如表 2.2 所示。 表 2.2 请求数据包字段格式 其中起始码指示了数据包的起始标志，同步用；序列号指明请求的次序，流水 号，相当于处理请求的识别码；函数地址指明进行何种操作；通道地址指明目标对 象； 参数维数用于正确解析以字节流表示的代表输入参数的argument数组。 argument 是一种具有自明性的联合结构，可以在运行时动态解析。 节点根据函数地址确定进行何种操作，根据通道地址决定对那个通道进行操作， 并回传应答数据包。应答数据包格式如表 2.3 所示。 表 2.3 应答数据包字段格式 起始码 序列号 参数维数 输出参数 32 位整数 32 位整数 32 位整数 argument 数组 起始码和序列号与请求数据包的数值相同，控制台能够根据序列号确定对应的 起始码 序列号 函数地址 通道地址 参数维数 输入参数 32 位整数 32 位整数 8 位整数 16 位整数 32 位整数 argument 数组 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 请求，并据此进行正确的处理；同样，参数维数用于正确解析以字节流表示的代表 输出参数的 argument 数组。 在发布/订阅模式下，节点将主动向控制台发送事件数据包，事件数据包格式如 表 2.4 所示。 表 2.4 事件数据包字段格式 起始码 序列号 函数地址 通道地址 参数维数 输入参数 32 位整数 32 位整数 8 位整数 16 位整数 32 位整数 argument 数组 事件数据包和应答数据包均由节点发送到控制台，为了区别，起始码并不相同 （应答数据包：1976， 事件数据包：2005） ；序列号代表整个节点的事件计数；函 数地址指明事件是由何种操作引起；通道地址指明发生事件的通道。 2.4 agilesn 中的数据类型 2.4 agilesn 中的数据类型 agilesn 协议的数据类型基本采用 ieee 1451.1 中的定义，如网络传输采用 argument 数组格式，通道属性采用元数据（metadata，描述数据的数据，数据的属 性）描述，传感器数据直接采用 1451.1 中的定义。 2.4.1 argument 数据格式 2.4.1 argument 数据格式 在 agilesn 以及 ieee 1451.1 中，居核心地位的数据类型是 argument。这是一 种联合结构，具有自明性，其第一个字节是类型码，确定了类型码也就确定了后续 的存储结构。argument 的类型码是 1 个字节，因此最多可以定义 256 种类型。ieee 1451.1 中定义了 47 种类型的 argument，满足了传感器信息描述和数据传输的要求； agilesn 另外增加了 19 种类型，主要是为了简化某些数据类型的表述。 在 agilesn 中， 节点和控制台通过 argument 数组传递数据， 如表 2.2、 2.3、 2.4 所示。argument 数据的内部结构可以在运行时动态确定，不需要事先确定或者指定。 因此，agilesn 的控制台和节点可以自动解析相互间传输的数据，能大大简化测试应 用系统的开发过程。 2.4.2 agilesn 传感器元数据 2.4.2 agilesn 传感器元数据 agilesn 节点的智能主要表现为自表述能力， 节点的自描述就是通过元数据来实 现的。元数据是比 teds 更为抽象、更高一级的基本信息，也是 agilesn 控制台所关 心的信息，例如，控制台不必关心温度传感器节点所采用的感温元件是热电偶、rtd 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 还是热敏电阻，也不必关心电压值是如何转化成温度值的，这些都是节点内部需要 处理的问题。 一般来讲，工业现场的测量信号从被测信号类型来说有模拟、数字和离散（计 数器）3 种；从采样点数来说有单点和多点；从同时采集的信号数量来说有单路和多 路（例如同时采集 x/y/z 3 个方向上的加速度） ，因此组合起来共有 12 种通道类型， 详见表 2.5。 表 2.5 表传感器通道类型 模拟 数字 离散 单路单点模拟通道 单路单点数字通道 单路单点离散通道 单路多点模拟通道 单路多点数字通道 单路多点离散通道 多路单点模拟通道 多路单点数字通道 多路单点离散通道 多路多点模拟通道 多路多点数字通道 多路多点离散通道 但每种通道类型的基本信息却并不相同，因此，agilesn 也仿照 ieee 1451.1 分 别定义了 12 种元数据类型，与表 2.5 中的 12 种通道一一对应。agilesn 中元数据也 是一种联合类型，其第 1 字节指明了传感器类型，同时也就确定了其后的数据存储 结构。以下是有关定义元数据的几点说明： 1) 模拟信号需要经过 a/d 转换为数字信号，多采用浮点数表示，代表电压值或 者以工程单位表示的标定后实际值；也可采用 a/d 转换后的整数值来表示， 由外部进行转换和标定。 a/d转换以及信号通道的噪声必然导致误差的产生， 因此需要在与模拟信号相关的元数据中定义不确定度变量。 2) 数字信号由 1 位数字 i/o 线或者多位数字 i/o 线组成， 但是计算机中只能以 一个 8 位的字节为最小单位传输数据， 因此实际的数据以字节数组表示： 1-8 位以 1 个字节表示，9-16 位以 2 个字节表示，当数字线的数量不是 8 的整 数倍时，必然有左对齐或者右对齐的问题，其它位置 0 或者为其它值，如果 不能确定对齐方式则不能正确地解析数据， 因此与数字信号相关的元数据需 要定义对齐方式变量。 3) 离散信号用整数表示，相当于计数器，没有对齐问题，也没有不确定度的问 题。因此，其元数据与模拟信号元数据基本类似，但不需要定义不确定度变 量。 4) 每 1 路采集多个采样点的通道用数组表示数据， 这些采样点既可以按时间顺 序排列，也可以按照空间位置排列，其数组原点既可以是绝对值，如当前时 刻或位置坐标，也可以是相对值，如 0 或者其它值。在与多点采集相关的元 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 数据中需要正确定义并记录这些信息，这有助于控制台进行数据分析、显示 和存储的设置。 5) 多路通道的各路可能采集相同或不同类型的信号，如同时采集 x/y/z 3 个方 向的加速度信息号；或者 1 路采集温度信号，1 路采集湿度信号，1 路采集 气压信号等。在与多路采集相关的元数据中需要分别定义并记录这些信息。 6) 12 种通道的元数据内部结构各不相同，但是第 1 个字段是相同的，是通道 类型字段，占 1 个字节。解析元数据时，首先读取第 1 字节，确定了第 1 字 节的数值，也就能确定其后续的数据存储结构。因此，可以在运行时动态确 定元数据结构。 7) 参照 ieee 1451.1，在 12 种通道元数据中还必须定义代表传感器属性的通 道含义变量，共有包括传感器、执行器、计算过程、配置参数和用户自定义 类型等在内的 9 种类型。 2.4.3 agilesn 传感器数据 2.4.3 agilesn 传感器数据 agilesn 里采用 2 种数据结构传输传感器数据，见表 2.6 与 2.7。 表 2.6 单点传感器数据结构 编号 名称 类型 含义 1 physicalparametertypephysicalparametertype 通道类型 2 value argumentarray 传感器数据 3 timestamp timerepresentation 时间戳 表 2.7 多点传感器数据结构 编号 名称 类型 含义 1 physicalparametertypephysicalparametertype通道类型 2 value argumentarray 传感器数据 3 timestamp timerepresentation 时间戳 4 abscissaincrement argument x 轴步进值 5 abscissaorigin argument x 轴原点 与元数据一样，两种结构的第 1 字段是相同的，代表通道类型，占 1 个字节， 确定了通道类型也就同时确定了其后续的数据存储结构；第 2 字段代表采集的传感 器数据，第 3 字段是时间戳，代表数据采集的时刻。不同通道类型的第 2 字段的可 能采用的 argument 类型不同，详见表 2.8。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 表 2.8 适用于不同传感器通道类型的 argument 数据类型 通道类型 argum ent数 组维 数 argument 类型码 单路单点模 拟 1 float32_tc，float64_tc，integer8_tc，integer16_tc， integer32_tc，integer64_tc，uinteger16_tc，uinteger8_tc， uinteger32_tc，uinteger32_array_tc，uinteger64_tc 单 路 单路多点模 拟 1 float32_array_tc ， float64_array_tc ， integer8_array_tc ， integer16_array_tc， integer32_array_tc， integer64_array_tc， uinteger8_array_tc， uinteger16_array_tc， uinteger64_array_tc 多路单点模 拟 =1 float32_tc ， float64_tc ， integer8_tc ， integer16_tc ， integer32_tc，integer64_tc，uinteger16_tc，uinteger8_tc， uinteger32_tc， uinteger32_array_tc,uinteger64_tc 模 拟 多 路 多路多点模 拟 =1 float32_array_tc ， float64_array_tc ， integer8_array_tc ， integer16_array_tc， integer32_array_tc， integer64_array_tc， uinteger8_array_tc， uinteger16_array_tc， uinteger64_array_tc 单路单点数 字 1 bit_sequence_tc，boolean_tc，integer8_tc，integer16_tc， integer32_tc，integer64_tc，uinteger16_tc，uinteger8_tc， uinteger32_tc，uinteger32_array_tc，uinteger64_tc 单 路 单路多点数 字 1 bit_sequence_array_tc， boolean_array_tc， integer8_array_tc， integer16_array_tc， integer32_array_tc， integer64_array_tc， uinteger8_array_tc， uinteger16_array_tc， uinteger64_array_tc 多路单点数 字 =1 bit_sequence_tc，boolean_tc，integer8_tc，integer16_tc， integer32_tc，integer64_tc，uinteger16_tc，uinteger8_tc， uinteger32_tc，uinteger32_array_tc，uinteger64_tc 数 字 多 路 多路多点数 字 =1 bit_sequence_array_tc， boolean_array_tc， integer8_array_tc， integer16_array_tc， integer32_array_tc， integer64_array_tc， uinteger8_array_tc， uinteger16_array_tc， uinteger64_array_tc 单路单点离 散 1 integer8_tc ， integer16_tc ， integer32_tc ， integer64_tc ， uinteger16_tc，uinteger8_tc，uinteger32_tc， uinteger32_array_tc， uinteger64_tc 单 路 单路多点离 散 1 integer8_array_tc，integer16_array_tc，integer32_array_tc， integer64_array_tc， uinteger8_array_tc， uinteger16_array_tc， uinteger64_array_tc 多路单点离 散 =1 integer8_tc ， integer16_tc ， integer32_tc ， integer64_tc ， uinteger16_tc，uinteger8_tc，uinteger32_tc， uinteger32_array_tc， uinteger64_tc 离 散 多 路 多路多点离 散 =1 integer8_array_tc，integer16_array_tc，integer32_array_tc， integer64_array_tc， uinteger8_array_tc， uinteger16_array_tc， uinteger64_array_tc 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文