基于OpenWrt的机床数据监控网关设计.pdf

第 1 1期 2 0 1 5年 1 1月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d u l a r M a c hi ne To o l＆ Aut o ma t i c M a nu f a c t u r i n g Te c hn i q ue No． 1 1 No v ．2 0 1 5 文章编 号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 5 1 1 0 0 5 5 0 3 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． m mt a m t ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 1 6 基于 O p e n Wr t 的机床数据监控网关设计 李瑞轩 ， 张卫华 ， 李松柏 ， 周激流 1 ． 四川大学 电子信息学院 ， 成都 6 1 0 0 6 4 ； 2 ． 四川大学 计算机 学院， 成都 6 1 0 0 6 5 摘要 随着物联 网技术的不断发展 ， 传统 的工业现场数据采集与互联 网相结合 已成为发展 的必然趋 势。文章提 出一种基于 O p e n Wr t 的机床数据监控 网关设计 ， 该网关可直接与 C A N设备、 网口设备相 连 ， 对采集的数据进行处理存储 ， 网关上部署 了We b服务 器， 方便 手机、 平板 电脑等智能终端对生产 现场数据进行监视与控制。实际应用表明该 系统具有成本低 、 实用性强、 易于维护等优点。 关键词 O p e n Wr t ； 网关； 以太网 中图分类号 T H1 6 6； T G 5 0 6 文献标识码 A De s i gn i n g o f a M a c hi n e Da t a Ga t e wa y Ba s e d o n Op e n W r t L I R u i ． x u a n ，Z HA NG We i ． h u a ．L I S o n g ． b a i 。Z H0U J i ． 1 i u 1 ． C o l l e g e o f E l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g ， S i c h u a n U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 4 ， C h i n a ； 2 ．C o l l e g e o f C o m p u t e r S c i e n c e ， S i c h u a n U n i v e r s i t y ，C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ，C h i n a Ab s t r a c tW i m t h e c o n t i n u o us d e v e l o p me n t o f Et he me t ，i t i s a n i n e v i t a b l e d e v e l o p me nt Ue n d t o c o mb i n e t r a d i t i o na l i n d u s t r i a l fie l d d a t a c o l l e c t i o n wi th I n t e m e t ． I n thi s p a p e r ，a d e s i g n o f ma c h i n e d a ta g a t e wa y b a s e d o n Op e n W r t wa s p r o p o s e d ．Th e d e s i g n e d g a t e wa y c a n b e d i r e c t l y c o n n e c t e d wi th the CAN a n d n e t - wo r k i nt e r f a c e d e v i c e s，t o p r o c e s s a n d r e s t o r e c o l l e c t e d d a t a ．Th e d e s i g n e d g a t e wa y，wi t h W e b s e r v e r e ． q u i pp e d，ma k e s i t c o n v e n i e n t t o mo n i t o r a n d c o n t r o l the d a t a o n the S p o t o f Pr o d u c tio n b y s ma r t t e r mi n a l s s u c h a s c e l l p h o n e s a nd Ta bl e t P C．P r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s h o ws tha t t h e p r o po s e d s y s t e m h a s a d v a n t a g e s s u c h a s c o s t s，p r a c t i c a b i l i t y，a n d ma i n t a i n a b i l i t y． Ke y wo r d sOp e n W r t ；g a t e wa y；e t h e r n e t 0 引言 共享， 真正体现了工业网络信息时代的优势。 现如今工业革命的发展已进入第四个阶段， 即基于 信息物理融合系统的“ 工业 4 ． 0 ” 时代。“ 工业 4 ． 0 ” ⋯战 略同我国的信息化和工业化深度结合理论有许多相同 之处， 只有将信息化的时代特征同我国的工业化历史进 程紧密结合起来 ， 走出一条中国特色的可持续发展模 式 ， 才能在未来的工业化发展中占得先机。 近年来有人提出采用现场总线与以太 网相结合的 工业信息化方式 ， 即在车间中通过 R S 2 3 2总线或 C A N 总线采集工业设备数据 ， 传输并存储于大容量 的工业 P c机中， 结合嵌入式 A R M芯片开发的网关系统 ， 使得 企业管理人员可通过本地局域网查看数据 。目前 这些系统中应用总线类 型单一 ， 数据共享局限于局域 网内， 设计成本高 、 应用效率相对较低。本文提出的数 据监控网关系统是基于 O p e n Wr t 操作系统进行开发设 计 ， 数据端 支持 多种总线类 型 同时传输 ， 合 理利用 T C P ／ I P协议 为基础的 I n t e r n e t ， 实现信息的跨地域 1 系统 总体 结构 设计 本文设计的机床数据采集系统的整体结构如图 1 所示 ， 从车间内到车间外可划分为三层 ， 从下到上依次 为数据采集层 、 网关协议转换层、 网络应用层。数据采 集 层 主要 由 机床终端 与 传感器终 端 两 部 分 组 成 。机 床 终 端与传感 器 相结合将 传 统机床 数据 采 集 后 ， 可 根据工 厂 自 身设备 的总 线 属 性 ， 通 羞 WAN广域 网 l L AN 电 脑 车间外 而 哪 采 集 器 l L r 1 车 间内 ● ● ● 1 -l HJ r 】 R S 2 3 2 转 C A N l l R S 2 3 2 转C A N l l 微处 理器 l l 微 处理器 1 l c A N 口 R S 2 3 2 I RS 2 3 2 l l 机床数据采集器I l 机床数据采集器 图 1数据采集系统的整体框架 收稿 日期 2 0 1 41 21 8 修 回日期 2 0 1 50 11 5 }基金项目 四川省科技支撑项 目 2 0 1 2 5 作者简介 李瑞轩 1 9 8 9 一 ， 男， 河北廊坊人 ， 四川大学硕士研究生 ， 研究方向为嵌入式系统设计 、 物联 网， E ma i l l r x h a p p y 2 0 0 8 1 6 3 ． 13 0 11 1 。 5 6 组合机床与 自动化 j N - r 技术 第 1 1期 过 R S - 2 3 2 ／ 4 8 5接 口、 C A N总线 、 以太网三种方式 向智 能网关传输数据。 智能网关将接收到的数据分析解包处理后 ， 存入 本地数据库， 并对当前机床状态进行图表化显示 ， 车间 外的其他上位机可通过因特网对机床数据进行查询与 显示 。 2系统硬件 实现 2 ． 1 机床数据采集 机床数据终端是将传统机床与光栅尺、 数显表相 结合从而将其改造为数显机床。本设计采用恒星兴的 两轴车床数显表加磨床光栅尺， 实时的将机床位移数 据传送到传输总线 中。车间内配有湿度传感器， 若发 现车间环境不适合本系统工作或会对数显表等设备将 造成较大误差时， 能及时提醒工作人员寻找原 因并改 善环境。 2 ． 2网关的硬件 本智能网关采用价格低廉 、 高性能的 M T 7 6 2 0 N作 为核心处理器。M T 7 6 2 0 N芯片不仅拥有性能高、 低功 耗的优势 ， 并具有高性能硬件 N A T能力 ， 为了满足大 数据量的处理需求 ， 系统设计采用 6 4 M D D R内存 ， 以 及 1 6 M的 F L A S H空间的 M1 3 S 5 1 2 1 6 3 2 A芯片作为存 储芯片。还设置了一些选择性接 口， 以支持各种应用 ， 诸如 U S B端 口， 用于访问外部存储器等。 如图 2所示， 本网关提供了一个 WA N接口， 以实 现广域网的通信， 及 4个 L A N接 口用于本地局域 网用 户之间的互联 ， 一对 3 d B i 天线实现无线通信功能。同 时， 提供一个 C A N总线接 口与一个 U A R T接 口， 完成 C A N总线间数据传输及串 口调试功能。U S B 2 ． 0 H o s t 接 口可提供 u盘等外部存储设备读取数据功能 ， 以便 故障时实现数据的保存， 最大可支持 3 2 G的外部存储 设备。外部液晶显示屏可实时的显示本网关的工作状 态及当前各机床终端的实际数据。 磕 i l 3 d B i 双天线 l 广域网I l WA N l 1 局域 网1． 一 l L A N l 图 2 3 系统软件设计 M T 7 6 2 0 N C A N EE l 3 ． 1 网关的功能软件任务框架 本文网关需要用到网络通信协议、 图形化界面显 示库 、 U S B 2 ． 0等外部存储通信协议， 因此， 必须选择合 适的操作系统。本网关采用了一个基于 l i n u x内核的 路 由器操作系统一0 p e n wr t ， O p e n Wr t 具备强大的网络 组件和扩展性 ， O p e n Wr t 系统可 编程 ， 选用 O p e n Wr t 系 统搭建服务器， 整个 网络可按照实际需求 自定义功能 ， 因此本系统被广泛应用于网络通信领域。本设计所需 的所有软件开发模块都在本系统上开发运行。 根据对实际应用的分析 ， 本 网关需要实现以下五 部分功能 1 数据采集功能 本网关负责将通过 R S 2 3 2 ／ 4 8 5 协议、 C A N协议 、 T C P ／ I P协议传送 的过来 的数据进行 处理 ， 提取出实际有效数据。 2 本地存储功能 将传送的有效数据保存至本 地内存 ， 当网关网口设备出现故障时， 将数据保存到本 地存储设备， 极大限度地降低数据丢失的发生率。 3 独立处理数据能力 本网关接收各协议的数 据后 ， 可对有效数据进行适当分析处理， 为后面与其他 智能终端通信及显示做准备。 4 与智能终端进行通信 其他智能终端设备可 通过互联网访问本地设备 ， 进行查询机床数据 以及 网 关 的工作状 态 。 5 界面显示功能 本功能负责为用户提供可视 化界面 ， 方便使用者实时查看机床的工作状态数据。 3 ． 2 系统软件的实现 本网关的网络协议层次模块如图 3所示 ， 主要 由 C A N网络数据接 口处理模块、 T C P ／ I P网络接 口模块、 数据界面显示模块。 L r 一 曼 r 一 r 一 一 一 一 一 。 一 一 陲 匾 U D P 趔T 豳 cAN总 线 接 口 网络接 口 图 3网关的网络协议层次 本网关 中涉及的 C A N总线采用工控领域常用 的 低速． 容错 C A N即 I S O 1 1 8 9 8 ． 3协议 ， 在 总线中按帧的 形式进行数据传输 ， C A N总线的帧格式 如图 4所示 ， 由一字节帧信息与四个字节的帧 I D， 0至 8个字节的 帧数据组成。帧信息的前 四位为校验位 ， 后 四位数值 代表实际有效传输数据的长度， 实际应用中帧 I D存放 的为设备地址。经过封装后的 C A N帧， 传至应用层管 理进程后， 经过解析处理后转存到本地存储设备中， 同 时另一个进程通过 T C P ／ I P将数据传至互联网。 图4 C A N帧字节结构 T c P ／ I P网络接 口模块主要作用为处理 网口型数 据采集器传送至本 网关 的数据 ， 以及将应用层处理后 数据按帧的格式经 T C P ／ I P协议进行网络传输。由于 本网关设计是基于 O p e n Wr t 操作系统， 对应的物理层、 数据链路层、 网络层可由对应的网卡驱动程序等完成， 所以只需关注应用层相关模块的具体设计。各网络层 次内数据传输格式如图5所示 ， 一个 T C P ／ U D P帧由若