嵌入式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)設計方案

摘    要：本文介紹了一種適合于工業(yè)場合、基于客戶機/服務器模型的嵌入式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的設計。服務器采用32位的Freescale ColdFire系列MCF5272為CPU,以mClinux為操作系統(tǒng),客戶機可以是網(wǎng)絡上任何裝有客戶機軟件的PC機，系統(tǒng)中的監(jiān)控界面由客戶端設計，可以通過升級客戶機軟件來滿足新的監(jiān)控任務。該系統(tǒng)的通用性和靈活性強，利于用戶的二次開發(fā)。
 
關鍵詞：嵌入式;  客戶機/服務器；網(wǎng)絡監(jiān)控；PLC；二次開發(fā)

引言
目前，嵌入式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)以其本身體積小、功能多、支持以太網(wǎng)技術等優(yōu)點，已成為工控領域中的新熱點。網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的方式可分為B/S(瀏覽器/服務器)和C/S(客戶機/服務器)兩種。對于B/S形式，要求嵌入式服務器的存儲器容量足夠大，而且對于監(jiān)控設備結構調(diào)整或?qū)ΡO(jiān)控內(nèi)容更改頻繁的應用場合，就必須對嵌入式服務器中的網(wǎng)頁和CGI程序進行更改，這無疑會使普通用戶在對服務器進行維護和二次開發(fā)時遇到很大的困難。本文介紹的一種采用C/S結構的系統(tǒng)設計可以克服以上問題。由于監(jiān)控對象和監(jiān)控頁面的設置都由客戶機完成，服務器只需進行數(shù)據(jù)采集、響應客戶請求、利用TCP/IP網(wǎng)絡發(fā)送客戶請求數(shù)據(jù)等工作，同時客戶機的監(jiān)控頁面采用通用的微軟Windows風格，降低了對操作人員的要求，利于二次開發(fā)。

嵌入式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的
總體框架
以工廠生產(chǎn)自動化中監(jiān)控PLC和CAN總線設備為例，為了實現(xiàn)工廠生產(chǎn)透明化，希望在任何地方都能通過網(wǎng)絡監(jiān)控生產(chǎn)情況，并能夠隨著工廠生產(chǎn)內(nèi)容的調(diào)整更換監(jiān)控內(nèi)容，因此，可采用C/S形式使監(jiān)控對象及監(jiān)控頁面由客戶自己根據(jù)具體要求定義。服務器由32位Freescale Coldfire系列中支持網(wǎng)絡通信的MCF5272芯片和專用于微控制的mClinux操作系統(tǒng)構成。
該系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。由客戶機發(fā)出對設備的監(jiān)控命令，嵌入式服務器接收并處理信息，根據(jù)客戶機請求對監(jiān)控對象發(fā)出控制命令，或通過串口和CAN接口獲得客戶機感興趣的狀態(tài)，并將此信息通過網(wǎng)絡協(xié)議經(jīng)過網(wǎng)絡連接返回客戶端，由客戶端分析并與設計的監(jiān)控界面建立動畫連接或?qū)F(xiàn)場設備的運行狀態(tài)顯示在界面上，并將此信息存儲到客戶端歷史數(shù)據(jù)庫供用戶打印輸出或統(tǒng)計。

客戶端軟件設計
客戶端系統(tǒng)要完成的任務是監(jiān)控界面的制定和監(jiān)控任務的執(zhí)行，所以客戶端軟件有兩個功能模塊：界面開發(fā)環(huán)境和界面運行環(huán)境。本系統(tǒng)使用的是由VC6.0開發(fā)的組態(tài)軟件，客戶可以自定義監(jiān)控界面風格，也可與國內(nèi)生產(chǎn)組態(tài)軟件廠商合作設計通用的客戶端界面軟件。
客戶端軟件的結構如圖2所示。其中界面開發(fā)環(huán)境的任務是生成監(jiān)控的人機界面，開發(fā)環(huán)境應提供構成現(xiàn)場畫面所需要的對象，如線、填充圖形、文本及可直接調(diào)用的圖庫，對于有實際意義的圖形運行界面，還將提供會話式的對話框來使這些圖形與現(xiàn)場的控制單元建立動畫連接。當用戶通過開發(fā)環(huán)境自定義監(jiān)控界面后，開發(fā)環(huán)境會根據(jù)此界面建立一系列數(shù)據(jù)文件，并生成最終的圖形目標應用文件，供運行環(huán)境使用。運行環(huán)境將開發(fā)環(huán)境生成的目標應用文件裝入內(nèi)存并投入實時運行，一般由多個線程來完成。界面運行線程接收用戶請求事件，將用戶的請求按一定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送到運行與內(nèi)存的上行/ 下行消息隊列，實時消息管理線程將對消息隊列進行管理并收發(fā)數(shù)據(jù)。為了滿足監(jiān)控對象的多樣性，消息收發(fā)線程在將用戶消息發(fā)送到服務器時，就會根據(jù)開發(fā)環(huán)境提供的監(jiān)控PLC類型，在監(jiān)控設備協(xié)議解釋層將發(fā)送消息根據(jù)此設備的通信協(xié)議進行組織。利用此方式可以方便地監(jiān)控各種設備。同時，驅(qū)動程序用動態(tài)連接庫的形式給出，方便系統(tǒng)升級。

嵌入式服務器端系統(tǒng)設計
嵌入式服務器采用32位Freescale Coldfire 系列的MCF5272加mClinux微操作系統(tǒng)的方案，硬件結構如圖3所示。5272是Freescale生產(chǎn)的基于68K第二代Coldfire內(nèi)核、可用于工業(yè)場合的嵌入式芯片，它集成以太網(wǎng)接口,運算速度66MIPS。ColdFire 微處理器上可以運行很多操作系統(tǒng)，但是mClinux 可以說是最合適，性價比最高的操作系統(tǒng)。
本系統(tǒng)中服務器端運行的mClinux系統(tǒng)的主要模塊有TCP/IP協(xié)議棧、PPPD模塊、以太網(wǎng)口、CAN驅(qū)動和串口驅(qū)動，應用程序有PPP撥號服務器模塊和經(jīng)過網(wǎng)絡通信響應客戶機請求及與被控對象通信的服務程序。在編譯mClinux內(nèi)核時要加入所需組件，應用程序編譯采用交叉編譯的方式，在運行REDHAT9.0的PC機上用Freescale Coldfire系列 專用編譯器編譯后下載到服務器的FLASH中。在以太網(wǎng)接收及與PLC的通信驅(qū)動程序中，服務器不斷監(jiān)聽網(wǎng)絡端口，將客戶機發(fā)來的消息通過網(wǎng)絡通信得到，并將其轉發(fā)到連接PLC的串口。定義客戶機端發(fā)向服務器的請求消息就是符合該監(jiān)控對象通信協(xié)議的請求消息，這樣服務器可連接任意系統(tǒng)支持的設備而不必設置監(jiān)控對象的類型，因為該任務已經(jīng)由客戶機在設計界面時完成。PPP服務器守護進程主要在客戶機通過modem經(jīng)電話網(wǎng)撥入建立網(wǎng)絡連接時使用。

網(wǎng)絡通信及冗余技術
在監(jiān)控系統(tǒng)的客戶機上運行的Windows操作系統(tǒng)中的客戶機監(jiān)控界面與嵌入式服務器之間的TCP/IP網(wǎng)絡通信編程方法是使用BSD Socket (套接口)界面編程。通過它，網(wǎng)絡端點 (IP地址和端口地址)以套接口的形式出現(xiàn)。這種套接IPC(進程間通訊)方式的設計是為了能讓網(wǎng)絡程序的設計獨立于不同的底層通信設施。本系統(tǒng)中客戶機和服務器之間的Socket通信是在異構環(huán)境中進行的，客戶機采用WinSocket,服務器采用Linux下的Socket。
為了保證通信暢通，在利用以太網(wǎng)端口進行通信的基礎上，同時提供利用串口和modem撥號的方式作為與遠端服務器建立通信鏈路的冗余。為了實現(xiàn)modem撥號連接，必須在客戶機端運行撥號軟件，在服務器端運行撥號服務器程序?？蛻魴C可以使用Windows自帶的撥號軟件，而在服務器端就必須在后臺運行撥號服務監(jiān)控程序。撥號通信采用的是PPP點對點協(xié)議，mClinux中帶有這個協(xié)議組件，同時通過PPPD協(xié)議例程來提供PPP連接時的LCP(鏈路控制協(xié)議)、用戶認證、和IPCP(網(wǎng)絡協(xié)議配置)。
運行在嵌入式服務器端的撥號服務器守護進程的工作機理如下：對串口進行設置并打開串口 ，發(fā)送AT指令檢查外部modem的存在；如modem正常，用標準AT指令設置自動應答模式，之后進入檢測串口輸入循環(huán)；當有遠程modem撥入的鈴流，即串口有RING字符收到后，軟件將強制摘機，進入物理鏈路建立連接階段；連接成功后，串口出現(xiàn)CONNECT字符，此時程序?qū)fork一個進程，啟動PPPD進入PPP連接階段與撥入客戶機進行握手協(xié)商協(xié)議，用戶認證、配置遠程計算機IP，成功后將建立PPP連接；PPPD在連接成功后，將更改mClinux系統(tǒng)的路由表添加新的直接到達的路由路徑，這樣就可以在客戶端和嵌入式服務器端通過串口收發(fā)IP包進行網(wǎng)絡通信了。
結語
本文介紹的監(jiān)控系統(tǒng)的服務器端采用32位CPU加mClinux操作系統(tǒng)的嵌入式方案，利于設備的小型化，采用C/S形式將監(jiān)控界面交由客戶端設計，并且系統(tǒng)對監(jiān)控對象無依賴性，可通過升級客戶機軟件來增加驅(qū)動以滿足新的監(jiān)控任務，這樣的設計模式增加了該系統(tǒng)的通用性、靈活性和產(chǎn)品生命周期，利于用戶的二次開發(fā)。在嵌入式網(wǎng)絡設備日益滲透到工業(yè)生產(chǎn)和各種監(jiān)控應用中的趨勢下，這種系統(tǒng)將會有很好的利用前景?！?/p>