【硕士论文打印版】基于以太网通信的称重数据管理系统

分类号TP273密级不保密UDC62学校代码11065硕士学位论文基于以太网通信的称重数据管理系统吴光强指导教师徐世许（教授）学科专业名称控制科学与工程论文答辩日期2015年06月06号摘要随着以太网通信在工业领域的广泛应用，计算机技术和网络通信已经引起了控制系统重大的技术改革。本课题为生产企业设计了基于以太网通信的称重数据管理系统和称重打标管理系统。称重数据管理系统实现了称重仪表与服务器的远程以太网通信，完成生产过程中称重数据的传输和管理。称重打标管理系统实现了称重仪表通过以太网通信来读取服务器数据，完成包含条形码标签的打印和记录的保存。本课题工作主要集中在（1）分析了梅特勒托利多智能电子秤的特点，主要是称重传感器SBC和称重仪表IND880的特点，包括其硬件配置、基本功能、支持的多种通信方式和搭载的称重软件系统。（2）在以太网通信的TCP/IP协议和FTP协议基础上，设计了称重数据管理系统。通过设置VB中的WINSOCK控件属性及调用控件方法编写FTP服务器程序，实现生产现场智能称重仪表与上位机的远程以太网通信，完成生产称重文件的传输，并将文件内容写入到企业实时运行的SQL数据库中。（3）设计称重打标管理系统。通过配置客户端的ODBC数据源和服务器的SQLSERVERCONFIGURATIONMANAGER，采用VB中ADO部件和DATAGRID控件进行编程，实现智能称重仪表通过以太网通信来读取服务器的数据并形成指定格式标签，控制斑马打印机完成标签打印，并将打印记录保存在称重仪表的ACCESS数据库中。系统经过安装调试已成功应用于企业的生产管理中，实现称重数据的网络化管理，完善了企业信息层网络的功能，有效提高企业信息化管理水平。关键词以太网通信；数据库；VB；称重；标签ABSTRACTTHEETHERNETCOMMUNICATIONISWIDELYUSEDININDUSTRIALAREAS,AMAJORREFORMOFTHECONTROLSYSTEMHASBEENCAUSEDBYCOMPUTERTECHNOLOGYANDNETWORKCOMMUNICATIONTECHNOLOGYTHETOPICFORTHEMANUFACTURERSISDESIGNEDTOTHEWEIGHINGDATAMANAGEMENTSYSTEMSWHICHBASEDONTHEETHERNET,ANDTHEWEIGHINGMARKINGMANAGEMENTSYSTEMTHEREMOTEETHERNETCOMMUNICATIONBETWEENTHEWEIGHINGINSTRUMENTANDTHESERVERAREACHIEVED,ANDTHETRANSFERANDMANAGEMENTOFWEIGHINGDATAINTHEPRODUCTIONPROCESSARECOMPLETEDBYTHEWEIGHINGDATAMANAGEMENTSYSTEMSBYTHEWEIGHINGMARKINGMANAGEMENTSYSTEM,AWEIGHINGINSTRUMENTREADDATAONTHESERVERBYTHEETHERNETCOMMUNICATIONISACHIEVED,PRINTINGANDSAVINGRECORDWITHBARCODELABELSARECOMPLETEDTHISSUBJECTWORKFOCUSESONFOLLOWS1THECHARACTERISTICSOFMETTLERTOLEDOINTELLIGENTELECTRONICSCALESISANALYZED,PRIMARYONWEIGHINGSENSORSBCANDIND880WEIGHINGINSTRUMENT,ITSHARDWARECONFIGURATION,BASICFUNCTIONS,SUPPORTSAVARIETYOFCOMMUNICATIONMETHODSANDCARRYWEIGHINGSOFTWARESYSTEMAREINCLUDED2BASEDONTHETCP/IPPROTOCOLOFTHEETHERNETCOMMUNICATIONSANDFTPPROTOCOL,WEIGHINGDATATRANSMISSIONANDMANAGEMENTSYSTEMISDESIGNEDBYSETTINGTHEVBWINSOCKCONTROLPROPERTIESANDCALLCONTROLMETHODSTOWRITEFTPSERVERPROGRAM,THEREMOTEETHERNETCOMMUNICATIONBETWEENINTELLIGENTWEIGHINGINSTRUMENTSOFPRODUCTIONSITEANDPCISACHIEVED,THETRANSFEROFPRODUCTIONWEIGHINGFILEISCOMPLETED,ANDTHEFILESCONTENTISWRITTENTOTHESQLDATABASEOFTHEENTERPRISES3WEIGHINGMARKINGMANAGEMENTSYSTEMISDESIGNEDBYCONFIGURINGODBCDATASOURCEOFCLIENTANDSQLSERVERCONFIGURATIONMANAGEROFSERVER,PROGRAMEDBYUSINGADOCOMPONENTSANDDATAGRIDCONTROLSOFVB,INTELLIGENTWEIGHINGMETERREADINGSERVERDATABYTHEETHERNETCOMMUNICATIONANDFORMTHESPECIFIEDFORMATLABELAREACHIEVED,TOCONTROLZEBRALABELPRINTERPRINTINGISCOMPLETED,ANDTHEPRINTINGRECORDSISSAVEDINTHEACCESSDATABASEWEIGHINGINSTRUMENTSAFTERINSTALLATIONANDCOMMISSIONING,THESYSTEMHASBEENSUCCESSFULLYAPPLIEDTOTHEPRODUCTIONANDMANAGEMENT,THEWEIGHINGDATANETWORKMANAGEMENTISACHIEVED,THECORPORATEINFORMATIONLAYERNETWORKFUNCTIONSISCONSUMMATED,THEENTERPRISEMANAGEMENTLEVELISIMPROVEDEFFECTIVELYKEYWORDSETHERNETCOMMUNICATION；SQL；VB；WEIGH；LABEL目录第一章绪论111课题的背景112课题研究目的和意义113国内外研究动态214本文完成的主要工作2第二章梅特勒托利多智能电子秤521梅特勒托利多智能电子秤522梅特勒托利多智能称重仪表IND8805221IND880标准版5222IND880高级版7223IND880功能823梅特勒托利多的称重传感器924IND880标签打印系统11第三章以太网通信原理1531TCP/IP协议介绍1532TCP通信原理16321TCP连接建立16322TCP连接终止1733FTP工作机制17331FTP传输方式18332FTP工作方式18第四章基于以太网通信的称重数据管理系统1941系统的设计方案19411系统结构19412工作流程19413操作界面2042称重数据传输程序21421建立通信连接22422接收文件2443数据管理程序26431与SQL数据库建立连接26432写入到SQL数据库28第五章基于以太网通信的称重打标管理系统3151系统的设计方案31511系统结构31512工作流程3252功能设计33521登录功能33522打印界面36523系统与称重仪表通信39524打印预览41525用户设置43第六章总结分析45参考文献47攻读学位期间的研究成果49致谢51学位论文独创性声明52学位论文知识产权权属声明52第一章绪论11课题的背景本课题来源于青岛黄海橡胶厂和青岛森麒麟橡胶厂的实际生产需求。目前在黄海橡胶厂中称重数据等生产数据的管理只能依靠人工记录，如在生产车间以外的办公区域或异地查询相关数据很不方便，数据不能及时更新，使得企业数据宏观监管不到位，无法快速做出判断和决策1。应企业的要求，设计和开发了基于以太网通信的称重数据传输和管理系统，实现了对称重数据的实时采集、网络化传输和管理2，达到了实时化、智能化和现代化的要求3。在森麒麟橡胶厂中需要对完成称重的橡胶原料进行贴标，包含称重信息的标签只能依靠人工手写，这种方式不仅生产效率较低而且造成标签内容不全面和人为误差4，更为不利的是已打印标签的历史记录无法保存和查询。应企业的要求，设计和开发了基于以太网通信的称重打标管理系统，实现了读取远程服务器的数据，并自动生成带有条形码信息的标签，并将已打印的标签记录存入数据库中，实现追溯。该系统满足了企业要求，提高了标准化和统一化管理水平。针对实时性高、通信距离远、传输数据量大的控制系统5，设计和开发了基于以太网通信的称重数据管理系统，提高了生产效率和规范了称重数据的管理。12课题研究目的和意义目前在企业生产中称重仪表等计量器具已被普遍应用，根据企业生产需求和生产规模不同，所使用的称重仪表的品牌、种类、数量也各不相同，且这些电子秤分布于企业的各不同车间或仓库内，有的甚至是不同的区域。而采用人工抄表的传统方式来记录和统计生产数据导致生产效率低，更新的称重信息不及时，存在数据采集和传输周期长的问题6。因此企业称重数据的网络化传输和信息化管理非常重要。随着以太网通信技术的快速发展，计算机和网络智能称重仪表在控制系统及测量中应用越来越广泛。在工业生产中，中控室和管理层希望及时了解和控制现场的各种生产数据和状态，这就需要各测控系统的上位机与生产现场的各个网络化智能称重仪表进行通信7。现在广泛应用的RS232和RS485的通信方式在要求远距离和大数据量传输的控制系统中无法完成要求8，这就使得研究以太网通信变得尤为重要和迫切。称重数据管理在工业生产中的意义重大，解决人工统计和录入的传统模式已经迫在眉睫，而以太网通信的可靠性和快速性正是这个问题的突破口。13国内外研究动态随着企业生产不断发展和厂房规模的扩建，国内企业生产数据的网络化传输和信息化管理在生产自动化和办公自动化方面取得了明显的提升7。但实际应用的层次较浅，且存在重要的问题是不同管理软件和不同部门间的数据信息不能交流和共享，有些称重数据多次重复输入，这就导致称重数据信息的准确性和一致性无法保证8。原有的人工抄表和传送的模式导致有些称重数据只能记录在各生产车间的记事本上，造成数据统计不准确、不完整、数据分散、更新不及时和信息脱节的问题9，对于距离较远且分布厂内不同生产车间的数据传输更是不便，影响公司的生产效益和制定决策10。而在国外大部分企业的信息化管理都已成型且比较成熟，广泛应用财务软件和仓储管理软件来对生产数据定时更新和管理10。有的企业还实施了ERP项目不断提高企业生产和管理水平。14本文完成的主要工作本课题以梅特勒托利多的智能电子秤为硬件基础，可视化编程工具VB中为软件基础进行设计和开发，分析了梅特勒托利多智能电子秤的特点及功能，并研究了TCP/IP协议和FTP协议的通信原理，着重研究了VB中实现以太网通信WINSOCK控件和连接数据库的ADODATA控件和DATAGRID控件的属性、事件和方法，研究了读写SQL和ACCESS数据库的方法，最后进行编程和调试。主要工作集中在（1）分析了梅特勒托利多网络智能称重仪表IND880和称重传感器SBC的特点，包括其硬件配置、基本功能、支持的多种通信方式和搭载的称重系统和标签打印系统。（2）在以太网通信的TCP/IP协议和FTP协议基础上，分析了称重数据管理系统的设计思路，通过设置VB中的WINSOCK控件属性及调用控件方法编写FTP服务器程序，实现生产现场智能称重仪表与服务器的远程以太网通信，完成称重数据文件的传输和管理。（3）分析了基于以太网通信的称重打标管理系统的设计思路，通过配置客户端的ODBC数据源和服务器的SQLSERVERCONFIGURATIONMANAGER，采用VB中ADODATA控件和DATAGRID控件进行编程，实现智能称重仪表通过以太网通信来读取服务器的数据并形成指定格式标签，控制斑马打印机完成标签打印，并将打印记录保存在称重仪表的ACCESS数据库中。最后进行了总结和展望。第二章梅特勒托利多智能电子秤21梅特勒托利多智能电子秤梅特勒托利多（METTLERTOLEDO）是一家拥有百年发展历程的精密仪器及衡器制造商，在技术和市场方面一直保持全球领先水平10。梅特勒托利多提供的解决方案在实验室领域、工业及零售业（商业）领域均提供解决方案且应用广泛。电子秤是用来测量物体质量的一种电子称量衡器，电子秤结构主要由秤台（包含称重传感器）、秤架、和称重仪表三部分组成11。电子秤的工作原理是通过称重传感器将作用在秤台上的质量或力的大小转换为与之成正比的电信号，经过称重仪表的A/D转换和放大等处理以模拟或数字量的形式显示出来12。梅特勒托利多电子秤的称重量程范围从100到5000KG不等，秤台规格从800X800MM到1500X1500MM不等，高分辨率的称重分度值实现了高精度称重。秤体还配备了电磁力补偿装置（TBRICKEX）和杠杆系统，在重复性、线性、角差等方面获得了更好的调整。称重仪表可调整软件包，使得称重系统适用于不同行业和环境。梅特勒托利多电子秤可防水防尘，防护等级为IP67，材质按照应用环境不同采用不锈钢、粉末涂层、热浸镀锌等。梅特勒托利多电子秤的多种产品可适用于制药和化工等高要求和高精度的行业。基于以太网通信称重数据管理系统采用梅特勒托利多智能称重仪表IND880（包括标准版和高级版）和称重传感器SBC，下面就这两部分结构分别作介绍。22梅特勒托利多智能称重仪表IND880IND880是一款技术出色、功能丰富的通用型智能化称重仪表，在适用于特定需求的领域14。IND880有标准版和高级版两种版本，显示屏为65寸的为标准版STANDARD和显示屏为15寸的为高级版ADVANCED。221IND880标准版IND880可连接多种类型的秤台，最多可连接4个称重通道，可连接模拟传感器、POWERCELLPDX数字传感器、POWERCELLMTX数字传感器、IDNET秤台、SICS秤台。IND880标准版可灵活安装在生产现场，分为台式、面板式和墙式三种安装方式14。IND880可提供RS232/422/485及ETHERNETTCP/IP网络接口，USB接口，DI/O输入输出接口，还支持不同的PLC接口包括PROFIBUSDP、DEVICENET、ETHERNET/IP，CONTROLNET，420MA/010V模拟量输出等。IND880标准版面板如图21所示。图21IND880标准版面板IND880标准版的主板提供一个以太网接口和USB接口、三个标准COM串口。COM1提供RS232、RS422和RS485通讯，COM2提供RS232通讯，COM3提供RS232和20MA电流环通讯。通过串口可以实现命令打印、连续输出、SICS通讯、ASCII码输入、报表打印、累计打印和连接ARM10014。IND880最多可以连接两个INDET高精度数字秤接口板，每块接口板可以连接一台INDET高精度数字秤。IND880还可以安装以下选件（1）输入输出接口选件4进6出的远程输入输出模块ARM100。（2）DI/O输入输出接口选件4进4出（继电器输出）。（3）PLC接口CONTROLNET，ETHERNET/IP，PROFIBUSL2DP，DEVICENET，420MA/010V模拟量输出。（4）应用软件包标准版支持DRIVE880汽车衡应用包，标签打印应用包。IND880支持DI/O输入输出选件板，也可通过串口扩展远程I/O输入输出接口选件。DI/O选件板使用有源输入和继电器输出，分别有4个输入点和4个输出点。IND880最多可以安装两块DI/O输入/输出接口选件，必须安装在插槽3和插槽4上。每个ARM100有4个输入点和6个输出点。远程I/O模块ARM100需要直流24V来进行供电，同时还支持与IND880的RS485串口通信。IND880可同时最多连接8个远程I/O模块ARM100，使IND880所能控制的总的I/O资源达到48输出点和32输入点。IND880支持的PLC接口包括CONTROLNET，ETHERNET/IP，PROFIBUSDP以及DEVICENET。IND880在选配PROFIBUSDP接口后，可设置为从设备连入PROFIBUSDP网络系统中，与PROFIBUSDP主设备进行通信，实现交换数据15。IND880通过CONTROLNET接口或ETHERNETIP接口可分别接入CONTROLNET网络或ETHERNETIP网络。IND880通过DEVICENET接口接入DEVICENET网络15。222IND880高级版IND880高级版称重仪表是梅特勒托利多研发的一款功能强大的智能称重仪表，主要用于满足高端用户需求，在提供标准称重功能的同时，还具备了工业级计算机所具备的强大性能14。高级版有防尘型和卫生型两种。IND880高级版称重仪表的设计理念不拘泥于传统的仪表，采用独特的技术创新，产品设计融合了大量的先进的IT技术，同时还采用了梅特勒托利多的多项专利称重技术，集成了内外尖端技术及创新技术，这些创新及技术的合理应用使得IND880高级版称重仪表不但具备丰富的产品性能、多种通讯接口、强大数据处理能力，还实现了普通仪表产品无法完成的各种现场应用，并可实现定制化的服务。IND880高级版称重仪表采用专业的嵌入式WINDOWSXP/WINDOWS7操作系统，在保持了一贯的通用性的同时，还具备可靠的稳定性，全中文显示和可触摸的人机交互界面，提供了优异的可操作性和可维护性，提高了操作的效率。不同于梅特勒托利多公司之前的通用称重仪表产品，IND880高级版是一款用户可二次开发的仪表，梅特勒托利多公司为用户提供了功能强大，交互接口友好的IND880高级版应用程序编程接口软件（API），用户可利用API对该仪表进行编程和开发来实现用户的特定功能。高级版除了上述标准版的功能外还具备以下功能在IND880高级版上，除了使用IND880标准版的主板外，安装第二块主板，该主板通过网线和IND880标准版的主板相连，并对外提供以太网接口，一个USB接口和三个标准COM串口。标准版主板的网络用于内部链接，该主板上的USB和串口无法使用。应用软件包方面客户SDK开发包，SCALEWINNT单秤版，SCALEWINNT网络版。IND880高级版使用分辨率为1024768的15寸工业级TFT彩色触摸显示屏，可同时显示多台秤的称重数据。IND880高级版面板如下图22所示。图22IND880高级版面板IND880高级版的屏幕显示功能定义和IND880标准版一致，IND880高级版有触摸和非触摸两种屏的配置，若选用触摸版本的显示屏，所有操作可直接触摸显示屏完成，同时利用标配的软键盘（国笔输入法）可实现数字，中英文等常用信息的输入，不需要再另外安装键盘鼠标等外设。若选用非触摸版本的显示屏，需要客户自行购买鼠标和键盘等外设进行操作。与称重相关的功能键称台切换、清零、去皮、打印和去皮都通过高级版的软键盘来实现。ND880高级版还自带了虚拟键盘输入法软件，方便用户通过触摸屏直接进行输入。输入法支持中文、英文、数字、符号和手写输入，另外用户还可以配置在称重软件参数设置时，自动显示或隐藏输入面板。IND880高级版的仪表使用WINDOWS系统，用户在关机时必须使用系统的关机菜单或长按仪表电源键进行关机，直接插拔电源关机易导致系统出现问题。223IND880功能IND880具有以下性能特点（1）基本称重功能。（2）标准版具有面板式和防尘式（台式/墙式）安装结构，高级版具有卫生型和防尘型（台式/墙式/柱式）安装结构。（3）可连接4个秤台。（4）每个称量通道可同时接8只350传感器，每台仪表同时可连接16只350传感器。（5）标准版为65“TFT彩色液晶显示屏，最大字高41MM。（6）高级版为15“TFT彩色液晶显示屏，最大字高76MM。（7）同时可显示多个通道的重量值。（8）电池备份的实时时钟。（9）三个可作为RS232、RS422、RS485和电流环的标准COM串口，实现串口通信和打印输出14。（10）10/100M自适应以太网端口。（11）USB主设备控制器。（12）100240VAC通用开关电源。（13）秤台切换、去皮、清零、打印等基本称重功能。（14）具有多量程特点。（15）定值控制功能。（16）皮重表格和目标值表格的存储。（17）包括用户自定义单位在内的多个单位间的转换。（18）提供可存储65000条交易记录的ALIBI存储器14。（19）小计和总计功能。（20）10个用户可编辑的打印输出格式。（21）TRAXDSP数字滤波技术。（22）TRAXEMT智能维护与诊断技术。（23）最多5点线性校正。（24）CALFREE免砝码校正技术。（25）逐步替代法校正技术。（26）支持触摸屏。23梅特勒托利多的称重传感器称重传感器作为电子秤的重要组成部分，从工作原理和结构上分为电阻应变式、压磁式、振弦式12。电阻应变式称重传感器因简单和成熟制作工艺和较高的准确度，在静态、动态条件下质量或力的测量得到广泛的应用。目前数字式称重传感器因抗干扰能力强和与上位机通信方便被用于工业生产过程检测、控制、自动称量等领域。数字式称重传感器不在采用放大和A/D转换部分，这就使得使仪表大为简化。压磁式称重传感器的特性是输出功率大和过载能力强，因其可靠的稳定性，它适用于潮湿、高温、粉尘多等较恶劣工业环境下长期工作。振弦式称重传感器的的重复性、线性为满刻度和稳定性等指标与电阻应变式称重传感器的指标相当；因为被测力微小的变化可引起较大的频率变化，使得它的分辨率和灵敏度较高；因输入、输出和内部信号都是数字信号，使得其运算精度高和抗干扰能力强10。在称重数据传输和管理系统和称重打标管理系统中采用梅特勒托利多的SBC称重传感器，它的特点是获得荷兰NMI颁发的OIMLR60C3证书；安装的高度低；因具备自稳定结构所以长期稳定性较好；SBC材质为优质的合金钢，且表面镀镍；防护等级IP67。梅特勒托利多的SBC称重传感器为剪切梁式称重传感器，具有较好的防水防湿功能，适用于地上衡、建材配料等配料行业的称重控制系统13。SBC主要技术指标如表21所示。表21SBC称重传感器的主要技术指标技术指标单位范围额定称量KG500,1000,2000,3000灵敏度MV/V20002不重复性RC001滞后RC002非线性RC002蠕变（30分钟）RC002零点输出RC1温度补偿范围1040使用温度范围4065灵敏度温度系数RC/C0002零点温度系数RC/C0002输入阻抗3814输出阻抗3501绝缘电阻M500050VDC建议激励电压VDC/AC515最大激励电压VDC/AC20安全过载RC150极限过载RC300防护等级IP67电缆长度M31SBC传感器结构示意图如图23所示。图23SBC传感器结构示意图SBC称重传感器在接线时，按照电缆的接线标准输入电压和输出信号不能接错。电缆接线标准如表22所示。表22SBC传感器接线标准电缆颜色色标（四芯线）绿激励黑激励白信号红信号黄（长）屏蔽线24IND880标签打印系统IND880LPS是梅特勒托利多开发的应用于IND880的标签打印系统，该系统除了具备基本称重功能外，还具有称重打标、汇总和称重数据查询等功能。该系统中的汇总菜单中称重信息项中具备上传功能，可实现将包含称重信息的表格上传至服务器电脑16。下面介绍一下IND880LPS系统。（1）登录功能IND880LPS系统使用账户密码方式进行登录，分为2级安全机制对菜单进行设定保护，可以分为不同的人员设置不同的权限。管理员权限管理员账户可对IND880称重仪表内的所有参数和提供的功能的进行更改，是具有最高操作权限的账户16。初始用户名ADMIN；密码123。操作员权限操作员可进行最基本的称重操作，操作员是具有最低使用权限的账户。初始用户名USER；密码123。LPS系统登录界面如图24所示。图24LPS系统登录界面（2）称重打标功能称重打标界面可修改显示的字段个数和名称，但最多能显示10个字段。焦点停留在某字段下按ENTER键，可进行新建操作，弹出对话框后输入需要的内容，在以后使用时在下拉项选择，快捷方便。同时也可完成标签补打功能。LPS系统称重打标界面如图25所示。图25LPS系统称重打标界面（3）汇总菜单汇总菜单中包括称重信息、产品信息、物料信息、显示项信息和下载信息。焦点停留在称重信息上按下ENTER键进入称重数据查询界面，该界面可实现条件查询功能，进行单条记录和所有记录删除功能，进行单笔记录补打功能，将仪表记录的称重数据表上传至服务器电脑功能。LPS系统汇总菜单界面如图26所示，上传界面如图27所示。图26LPS系统汇总菜单界面图27LPS系统上传界面服务器和客户端要成功实现以太网通信，需要了解对方的IP地址的信息。要实现LPS系统的上传功能需要设置网络参数，主要是本机IP和服务器IP地址的配置。LPS系统的网络参数设置界面如图28所示。图28LPS系统网络参数配置界面第三章以太网通信原理31TCP/IP协议介绍网络通信的基础是网络中分层结构体系，正是因为各层的分工和合作才使得通信的实现。TCPIP通信协议不同于七层抽象参考模式OSI，TCPIP通信协议为四层结构，由网络接口层（链路层）、网络互联层、传输层和应用层四个层次组成17。IP协议的作用是在通过网络连接的计算机之间的通信，它定义了IP数据报在计算机间传递时的模式，与计算机本身对信息的处理方式无关18。TCP协议的则是用来解读和表达该信息，识别数据包中所含数据的含义和类型，并确保通信的另一台计算机能够接受和理解19。表31是TCP/IP协议体系与开放系统互联模型OSIOPENSYSTEMINTERCONNECTION的对应关系。表31TCP/IP协议体系与OSI的对应关系OSITCP/IP应用层表示层会话层应用层TELNET/TFTPFTP/SMTPHTTP传输层主机到主机层/传输层TCP/UDP网络层网络互联层IP,ICMP,ARP,RARP数据链路层物理层网络接口层（链路层）ETHERNET/TOKENRING/OTHERMEDIUMHARDWARE1应用层TCPIP参考模型的最高层就是应用层，应用层为用户提供了一组常用的应用程序20。应用层的协议主要有（1）网络终端协议（TELNET）实现互联网中的远程登录功能；（2）文件传输协议（FTP，FILETRANSFERPROTOCOL）实现互联网中交互式文件传输功能；（3）简单电子邮件协议（SMTP，SIMPLEMAILTRANSFERPROTOCOL）实现互联网中电子邮件收发功能；（4）域名服务系统（DNS，DOMAINNAMESYSTEM）实现互联网设备名称到IP地址的映射的网络服务；（5）网络文件系统（NFS，NETWORKFILESYSTEM）共享互联网中不同主机间的文件系统17；（6）超文本传输协议（HTTP，BYPERTEXTTRANSFERPROTOCOL）目前广泛应用在WEB浏览器和服务器之间WEB服务。2传输层传输层主要是负责为应用层进程之间的提供端到端通信功能。传输层提供了两个重要的协议传输控制协议（TCP）与用户数据报协议（UDP）21。3网络层网络层主要是解决互联网中计算机之间的通信问题和管理设备之间的数据较高，网络层的主要协议包括网络协议（IP）、网络控制报文协议（ICMP协议）、正向地址解析协议（ARP）、逆向地址解析协议（RARP），所以网络层也称IP层。它的主要功能主要是两部分（1）寻址与路由；（2）分段与重组。4网络接口层TCP/IP参考模型中的最低层为网络接口层，也就是链路层22。网络接口层主要负责接收网络层的IP数据报，在网络上向外发送，接收和处理网络上的物理帧，并抽取IP数据传送到网络层。32TCP通信原理传输控制协议（TCP，TRANSMISSIONCONTROLPROTOCOL）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议20。在TCP/IP参考模型中，TCP层位于网络互联层之上和应用层之下，TCP用于完成传输层所指定的功能。在不同计算机的应用层需要可靠的连接时，IP层却只能提供不可靠的包交换，不能提供类似管道一样可靠的流机制。应用层的应用程序将用于互联网中传送的数据流（用8位字节来表示）发送给传输层，TCP将该数据流拆分成长度适当的报文段，而最大传输单元（MTU）的限制了最大传输段的大小（MSS）23。之后TCP把拆分的数据包传送给网络层，由它来将包通过互联网传送给接收端实体的传输层。TCP为了保证数据包的可靠传输和保证接收端实体能够按照传输顺序来接收报文段，就给每个包定义一个序号。然后接收端实体对已经接收成功的数据包发回给发送端实体一个相应的确认信号（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时间延时（RTT）内未收到接收端实体返回的确认信号，那么发送端实体就假设对应的数据包在传输中已丢失，将会进行重传。321TCP连接建立TCP是TCP/IP参考模型中的传输层协议，客户端和服务器端建立连接时采用三次握手协议。客户端主动发出连接请求SYN后，等待服务器端返回SYNACK信号，并对服务器端返回的SYN执行ACK确认。三次握手协议有效的防止产生错误的连接，TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。TCP三次握手的过程如下（1）客户端首先发出连接请求同步段SYN（SEQX）报文传送给服务器端，此时客户端进入请求连接（SYN_SEND）状态；（2）服务器端收到SYN报文，回应一个SYN（SEQY）ACKACKX1）报文，进入SYN_RECV状态；（3）在客户端收到服务器端的SYN报文后，返回一个ACKACKY1）的报文给服务器端，此时客户端进入连接成功（ESTABLISHED）状态21。三次握手的过程完成，客户端和服务器端成功地建立了TCP连接，可以进行数据的传输了。322TCP连接终止TCP具有的半关闭（HALFCLOSE）特点造成了终止一个TCP连接要经过四次握手的过程。如下图所示。终止一个TCP连接的具体过程如下（1）应用层的应用进程首先调用CLOSE命令，该端的这种行为被称为执行“主动关闭”（ACTIVECLOSE），该端的TCP要发送一个表示数据已经发送完毕的FIN分节。（2）接收到这个FIN分节的另一端的应用程序来执行“被动关闭”（PASSIVECLOSE），TCP来验证和确认这个FIN分节。（3）一段时间后，应用进程接收到该结束符时将调用CLOSE命令来关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN分节。（4）接收到最终FIN分节的原发送端TCP（即执行主动关闭的那端）来确认这个FIN分节22。因发送和接收都需要一个FIN和一个ACK，因此通常情况下需要4个分节。无论是客户端的应用程序还是服务器端应用程序都可来执行主动关闭的命令22。通常情况下是由客户端来执行主动关闭。33FTP工作机制FTP（FILETRANSFERPROTOCOL）是TCP/IP协议组中的协议之一，该协议是INTERNET文件传送的基础，实现互联网上的文件的双向传输的功能，它由一系列规则组成，是用于提供可靠和高效地传送数据的应用程序24。FTP实质是完成两台计算机之间文件的拷贝，下载（DOWNLOAD）是实现从服务器端拷贝文件到客户端，上传（UPLOAD）是实现从客户端将文件拷贝到服务器端。在TCP/IP协议中，FTP标准命令使用TCP的21端口，PORT方式数据占用的端口是2019。FTP协议的主要责任是实现两台计算机间的文件传输，与这两台计算机处在什么位置、以何种方式连接、操作系统是否相同没有关系25。331FTP传输方式FTP有两种传输方式ASCII传输方式和二进制传输方式26。（1）ASCII传输方式若在远程计算机上的操作系统不是UNIX，而此时客户端正在复制的文件包含简单的ASCII码文本，为完成拷贝的任务，FTP通常会在文件传输的过程中自动地调整传输文件的内容以使得把文件转变为另一台计算机存储文本文件的格式。（2）二进制传输方式为保证原文件和拷贝文件是按位相互对应的，在二进制传输方式中计算机保存文件的位序。332FTP工作方式FTP有两种工作方式主动方式（也就是ACTIVE方式，STANDARD）和被动方式（也就是PASV，PASSIVE）。在主动方式下，由FTP客户端将PORT命令发送给FTP服务器端，在被动方式下，由FTP客户端将PASV命令发送给FTP服务器端27。在主动方式下，首先FTP客户端通过TCP的端口21与FTP服务器建立连接，使用该通道发送命令来实现通信，FTP客户端需要接收数据时就发送PORT命令给FTP服务器端，在PORT命令中包括了客户端使用哪一个端口来实现数据的接收。在发送数据时，服务器端通过TCP20端口来连接到客户端的PORT命令指定的端口来传送数据。FTP服务器端和FTP客户端要实现数据传送必须建立一个新的连接。在被动方式下，建立控制通道的过程与主动方式相似，在连接建立以后客户端发送PASV命令给服务器端25。FTP服务器端在接收到PASV命令后，随机打开一个端口号大于1024的端口，并且返回应答该请求来告诉客户端在该端口上进行数据的传送，客户端收到通知后来连接FTP服务器的指定端口，然后FTP服务器和客户端将通过这个端口进行数据的传送和通信，此时FTP服务器端和客户端不需要重新建立一个连接23。第四章基于以太网通信的称重数据管理系统41系统的设计方案411系统结构该课题来源于青岛黄海橡胶厂的生产需求，因公司生产车间与管理生产数据的办公区距离较远，称重数据都是采用人工记录方式，这就造成了数据更新效率低和数据记录存在误差等问题。为方便管理人员快速和准确的查询称重数据，实现办公无纸化，利用TCP/IP协议和FTP协议通信原理完成报表等称重数据的网络通信传送，设计和开发了基于以太网通信的称重数据传输和管理系统。系统硬件采用梅特勒托利多的工业智能称重仪表IND880标准版，接收称重传感器发送的模拟量信号并通过转换和放大等处理转化为重量值，通过以太网交换机与服务器电脑和多台客户端电脑建立以太网通信，实现称重数据的传输和查询。称重数据传输和管理系统结构如图41所示。图41称重数据传输和管理系统结构图412工作流程生产车间的操作人员在完成生产原料称重后，按下智能称重仪表IND880操作面板上的“打印”键，IND880通过自带的标签打印系统保存每次称重数据到内存卡的表格中（CSV格式），当完成生产后，操作人员按下汇总菜单中的“上传”时，该表格通过以太网通信的传输到服务器上的D盘根目录下的IND880文件夹里，系统将该表格打开，把全部记录逐条写入到服务器SQL数据库中名为IND的表格中，该表格中的列名和数据类型需先配置。列名包括编号、流水号、料名、机台、班次、序号、净重、毛重、皮重、称重人、复核人、称量日期、备注和上传标志，编号和序号的数据类型为INT（整数型），净重、毛重和皮重的数据类型为FLOAT（浮点以太网交换机IND880称重传感器以太网通信IND880IND880称重传感器服务器电脑客户端电脑1N称重传感器以太网通信以太网通信以太网通信以太网通信数型），称重日期数据类型为DATETIME（日期和时间数据类型），其余字段的数据类型为VARCHARMAX（字符串类型）。因为每条记录的流水号是唯一的，所以设置流水号为主键，这样就可以避免重复记录的产生，因此流水号字段不允许为空。称重数据传输和管理系统工作流程如图42所示。图42称重数据传输和管理系统工作流程图413操作界面系统采用可视化编程工具VISUALBASIC设计和开发。初次进入系统时，系统处于停止服务状态，系统停止服务状态界面如图43所示。在系统信息栏中可以查看服务器的IP地址，设置侦听端口、最大连接、用户名称、用户密码、访问目录和用户权限的参数，并把生产车间的智能称重仪表IND880的网络参数配置为服务器IP地址，这样才可实现客户端与服务器的以太网通信。此时的“停止服务”按钮呈失效的灰色状态，参数更改完成后，按下“启动服务”按钮，系统开始运行。开始IND880是否发送文件是否结束服务器接收写入数据库客户端查询服务器侦听中图43称重数据传输和管理系统停止服务界面按下“启动服务”时，“启动服务”按钮呈失效的灰色状态，此时的侦听端口、最大连接、用户名称、用户密码、访问目录和用户权限的参数失效变灰，是不可以设置的，“停止服务”按钮恢复有效状态。系统启动服务界面如图44所示。图44称重数据传输和管理系统启动服务界面42称重数据传输程序因梅特勒托利多智能称重仪表IND880标准版自带标签打印系统，该系统可实现称重数据上传功能，这就相当于FTP客户端，在标签打印系统中需配置服务器IP地址参数，然后按下“上传”就可把文件传输到服务器上的指定目录下，如果上传成功，则在称重仪表IND880上弹出对话框提示上传成功；如果上传失败，则在称重仪表IND880上弹出对话框提示上传失败，需要查找失败原因。称重数据传输和管理系统的主要工作是FTP服务器端的编程。421建立通信连接在VISUALBASIC中提供了用于实现网络中两台以上计算机间实现通信的WINSOCK控件，通过设置WINSOCK控件的多个属性和调用控件的事件方法来实现建立TCP方式连接的网络通信。4211WINSOCK控件WINSOCK控件是以网络通信应用程序接口SOCKET（套接字）规范为基础进行创建的，其通信的本质就是对SOCKET接口进行读写数据的操作28。当两台计算机的应用程序之间需要数据交换时，它们可以采用WINSOCK控件来建立套接字的可靠连接，这个通信的过程是客户端通过IP地址和端口号来发起与服务器的连接请求，当服务器端收到请求后作出回应，通信的连接成功建立，双方就可以实现数据的自由交换了，该通信连接的建立，必须由客户端主动发出连接请求，且此时的服务器端处于监听状态。因此，要实现基于TCP/IP协议的以太网通信，需要分别编写客户端应用程序和服务器端应用程序。其工作流程如图45所示。图45WINSOCK控件工作流程图1WINSOCK控件的主要属性（1）PROTOCOL属性使用PROTOCOL属性来设置WINSOCK控件是使用TCP还是UDP协议来连接到远程计算机。可选的协议是TCP和UDP对应的VB的常量分别是SCKTCPPROTOCOL和SCKUDPPROTOCOL，WINSOCK控件默认协议是TCP。需要注意的是在未建立连接或连接断开后设置该属性才能生效。（2）SOCKETHANDLE属性该属性为只读属性，通过SOCKETHANDLE属性来返回当前SOCKET连接的句柄。（3）REMOTEHOSTIP属性通过该属性返回已连接的远程计算机的IP地址29。（4）BYTERECEIVED属性当前连接中接收缓冲区内的字节数赋值给该属性。（5）STATE属性返回WINSOCK控件当前的状态。属性值描述如表41所示。输入流客户端输出流输出流服务器端输入流连接IP端口监听连接表41WINSOCK控件STATE属性值描述常数值描述SCKCLOSED0关闭（缺省值）SCKOPEN1打开SCKLISTENING2侦听SCKCONNECTIONPENDING3连接挂起SCKRESOLVINGHOST4识别主机SCKHOSTRESOLVED5已识别主机SCKCONNECTING6正在连接SCKCONNECTED7已连接SCKCLOSING8同级人员正在关闭连接SCKERROR9错误（6）REMOTEHOST属性远程机器名（7）REMOTEPORT属性远程机器的通信程序端口（8）PROTOCAL属性使用TCP或UDP协议（9）LOCALHOSTNAME属性本地机器名（10）LOCALIP属性本地机器IP地址（11）LOCALPORT属性本地机器通信程序的端口00THENINPUT2,RECEIVEDWINSOCK1SENDDATARECEIVEDENDIFCLOSE2FLAGFALSEELSEOPENTEMPFILEFOROUTPUTAS2REDIMDATABYTESTOTALWINSOCK1GETDATADATA,VBARRAYVBBYTEFORJRECEIVED1TORECEIVEDBYTESTOTALPUT1,J,DATAJRECEIVED1NEXTRECEIVEDRECEIVEDBYTESTOTALWRITE2,RECEIVEDPROGRESSBAR1VALUEINTRECEIVED/FILELENGTH100IFPROGRESSBAR1VALUE100THENSTATUSBAR1SIMPLETEXT“数据传输完毕“CLOSE2KILLTEMPFILECLOSE1ENDIFCLOSE2ENDIFENDSUB43数据管理程序当称重数据文件接收到指定路径后，需要将该文件（CSV格式）的全部内容读取出来并写入到服务器上的SQL数据库中。431与SQL数据库建立连接客户端应用程序要实现与服务器SQL数据库的连接，首先需要定义ADODBCONNECTION和数据集。程序代码如下PUBLICCONNASNEWADODBCONNECTIONPUBLICRSASNEWADODBRECORDSET配置ADODBCONNECTION属性值来实现与数据库的连接，主要包括服务器名、数据库名、登录类型、用户名和密码。当无法建立连接时，弹出“DATACANTCONNECT”消息框提示连接数据库失败。自定义打开数据库的函数如下PUBLICFUNCTIONOPENCNBYVALCIPASSTRINGASBOOLEANDIMMAGASSTRINGONERRORGOTOSTRERRMAGSETCONNNEWADODBCONNECTIONCONNCONNECTIONTIMEOUT25CONNPROVIDER“SQLOLEDB“CONNPROPERTIES“DATASOURCE“VALUECIPCONNPROPERTIES“INITIALCATALOG“VALUE“MT“CONNPROPERTIES“INTEGRATEDSECURITY“VALUE“SSPI“CONNPROPERTIES“USERID“VALUE“WIND939QVBMHEQADMIN“CONNPROPERTIES“PASSWORD“VALUE“CONNOPENOPENCNTRUEADDFLAGTRUEEXITFUNCTIONSTRERRMAGMAG“DATACANTCONNECT“CALLMSGBOXMAG,VBOKONLY,“ERRORDATACONNECT“ADDFLAGFALSEEXITFUNCTIONENDFUNCTION当数据完成写入时，需要关闭数据库连接，释放资源，自定义关闭数据库连接的函数如下PUBLIC