实时数据网关关键技术系统开发

摘要

　　随着现代工业的发展,工业自动化的程度越来越高,用于数据分析和工业控制的仪器仪表在现代工业中得到了广泛的应用。通过人工抄表的方式进行数据采集已经无法满足工业现场对数据采集的需求。基于现场总线的智能仪器仪表的出现给抄表带来了极大的便利,这些智能仪器仪表大多采用Modbus、Meterbus、DLT-645等协议。这些仪表的出现催生了许多自动抄表系统,但是这些自动抄表系统协议间的兼容性较差。在这个大数据时代下,随着工业现场规模的扩大和复杂度程度的提升,控制对象和测控点的数量大大增加,又加上许多仪器仪表为了数据分析需要得到实时数据,现有的测控系统已无法满足日益复杂的需求。为了可兼容不同协议类型、实现实时数据传输,本课题提出了一种支持多种协议且可W实时数据传输的工业型数据采集网关。

　　数据采集网关基于H星S3C2440A微处理器和Linux操作系统进斤研巧与设计。

　　硬件上包括一个基于ARM9架构的处理器、8组通过ST16C554扩展的串口等,其中每姐串口包含一个民15-2扣接口和一个RS-485接口。软件上该数据网关支持采集基于Mo化US协议、Meterbus协议、DLT-645协议的智能仪表。

　　本文首先对本课题中所要用到的协议和核也技术进行分析,并据此实现了数据网关的软件架构的设计,并根据此架构进行软件实现,本文主要给出了数据网关的部分关键技术的研巧与实现。最后对数据网关进行相应的测试,并对测试结果进行硏巧和分析,从结果来看,本网关实现了数据的正确采集、定时上报和实时上报。

　　关键词：ARM9;　Linux;共享内存;SQLi化数据库;Modbus协议;实时数据传输

Abstract

　　With the development of modem industry, more and more high degree ofindustrial automation, for data analysis instrumentation and industrial control has beenwidely used in modem industry. Data collected by way of manual meter reading hasbeen unable the meet the industrial field data collection requirements. Fieldbus smartinstruments appear based on a meter reading has brought great convenience, thesesmart instrumentation they use Modbus, DLT-645 and other protocol.

　　The emergence of these instruments has spawned many automatic meter readingsystems,automatic meter reading systems b扣these poor compatibUity betweenprotocols.this era of big data,along with industrial field expansion of the scale andcomplexity of the degree of improvement, control and monitoring objects greatlyincrease the number of points, coupled with a number of instruments for data analysisneeds the be real-time the existing monitoring and control system the has beenunable to meet the increasingly complex needs. To be able t:o be compatible withedifferent types of protocols,real-time data transmission, this paper proposes amulti-protocol data transmission and real-time industrial data acquisition gateway.

　　Data acquisition gateway based on Samsung S3C2440A processor and Linux operatingsystem research and design. Including a hardware architecture based on ARM9processor,groups by So 16C5 54 extended serial port. Each group contains a serialRS-232 interface and an RS-485 interface. The gateway supports Modbus protocol,Meterbus agreement, DLT-645 intethegent instruments agreement.

　　Firstly, cn the subject of the use to the protocol and core technology for analysis,and accordingly the achieve a data gateway software architecture design and softwarearchitecture based on this, this paper gives some key technology research data gatewayand implementation. Finally, the corresponding test data gateway, and the comparisonand analysis of test results,from the results,this gateway achieve the correct dataacquisition and real-time data reporting.

　　Keywords：ARM9: Linux; shared memory; SQLite database; Modbus protocol;real-time data transmission

　　伴随着计算机和通信技术的飞速发展,虹temet互联网己经深入到我们的工作和生活之中,许多工作均可通过互联网来完成,大大提高了我们的工作效率和生活水平。自1971年英特尔研发出了第一款微处理器Intel4004　W来,紧接着许多8位、化位、32位的微处理器相继问世,比如着名的Intel　8086/8088、ATMEL80C51、Motorola　M6800、Samsung　S3C2440/S3C6410等。这些微处理器在许多领域中得到广泛应用,如医疗设备、家用电器、仪器仪表、智能机器人等,这也大大促进了嵌入式斤业的发展。

　　随着现代工业的发展,为了使工业生产中的产品更加精细,提高产品良品率,减少各种不必要的工业耗能,各种用于数据分析和工业控制的仪器仪表在广泛应用于现代工业中。在工业现场中会有大量的这种仪器仪表,为了得到各种仪表的数据必须要进行抄表,传统的抄表方式是人工读表,然后将数据输入电脑。但传统的抄表方式存在下几种问题:浪费人力物力,成本高效率低而且容易出现错误;在工业现场中有些仪器仪表安装位置不利于人工读表;数据采集不及时,无法反应各个仪器仪表的实时状况;不利于科学管理,给工业的建模,数据分析带来很大的不便。

　　随着工业智能化和通信技术的发展,基于现场总线的智能仪器仪表的出现给抄表带来了极大的便利,这些智能仪器仪表大多采用Modbus、Meterbus、DLT-645等协议W。这些仪表的出现使得自动抄表成为了可能,市面上也出现了许多基于各种协议的抄表工具。但这些抄表工具大都无法兼容多种协议,在这个大数据时代下,随着工业现场规模的扩大和复杂度程度的提升,控制对象巧测控点的数量大大増加,又加上许多仪器仪表为了数据分析需要得到实时数据,现有的抄表工具己无法满足日益复杂的需求。

　　因此我们提出了一种支持多种协议和实时数据传输的工业型数据采集网关。

　　本网关可以兼容不同的协议,使得一个网关采集基于不同协议类型的水表、电表、流量计成为现实。网关还可根据实际需求将采集数据实时上报给中也服务器。

　　相比传统抄表工具,本网关可兼容多种协议,实现了多串曰的并行采集,所有采集数据通过TCP/IP网络协议发送给中也服务器,因此只要一台电脑安装了中也服务器端的软件客户端便可实现对网关数据的收集。

　　本数据网关是一款用于智能建筑、工业现场的能巧数据采集、发送、管理设备。数据网关通过串日进行仪表数据的采集,并通过TCP/IP网络协议将串口采集到的数据打包发送给服务器。本数据网关集成路以太网端口、高压隔离设计、8路RS-232/RS"485复用工业总线接口,支持Modbus、DLT-645、Meterbus通信协议,可通过WEB端和服务器对数据网关进行配置、固件更新和维护等。

　　实时数据网关关键技术系统调试：

Modbus协议电表

规约DLT-645协议无负载电表

规约DLT-645协议带负载电表

采集点数据

采集点数据

目录

　　摘要
　　Abstract
　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题研究背景
　　　　1.2 本网关的工作原理及优点
　　　　1.3 论文工作
　　　　1.4 论文结构安排
　　第二章 Linux下数据采集、实时传输及其原理
　　　　2.1 共享内存
　　　　　　2.1.1 共享内存原理
　　　　　　2.1.2 共享内存操作流程及API
　　　　　　2.1.3 共享内存同步
　　　　2.2 SQLite　数据库
　　　　　　2.2.2 SQLite数据库操作方式
　　　　　　2.2.3 SQLite数据库事务
　　　　2.3 XML可扩展标记语言
　　　　　　2.3.1 XML语言特点及常用领域
　　　　2.4 Modbus通讯协议协议
　　　　　　2.4.1 Modbus　通信机制
　　　　　　2.4.2 Modbus　通信过程
　　　　　　2.4.3 Modbus串行链路标准
　　　　　　2.4.4 Modbus　编码方式
　　　　　　2.4.5 CRC循环冗余校验
　　　　2.5 本章小结
　　第三章 系统方案设计
　　　　3.1 数据网关开发流程
　　　　3.2 数据网关硬件系统概述
　　　　　　3.2.1 ARM处理器简介
　　　　　　3.2.2 通用异步串口收发器介绍
　　　　　　3.2.3 电源
　　　　3.3 数据网关软件设计
　　　　　　3.3.1 数据网关架构设计
　　　　　　3.3.2 系统间数据传输
　　　　　　3.3.3 进程间通信
　　　　　　3.3.4 配置文件的设计
　　　　　　3.3.5 数据库的设计
　　　　3.4 本章小结
　　第四章 数据采集、存储和实时上报的实现
　　　　4.1 数据网关工作流程
　　　　4.2 主进程实现
　　　　4.3 实时数据进程的实现
　　　　　　4.3.1 共享内存的申请和同步
　　　　　　4.3.2 实时数据进程工作流程
　　　　4.4 基于Modbus协议的数据采集进程的实现
　　　　　　4.4.1 Modbus主站的实现
　　　　　　4.4.2 数据库的使用
　　　　4.5 数据传输进程的实现
　　　　4.6 本章小结
　　第五章 系统调试与测试结果
　　　　5.1 搭建测试环境
　　　　5.2 系统各项功能测试
　　第六章 总结与展望
　　　　6.1 总结
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　致谢

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