工业网关

工业网关（共4篇）

工业网关 篇1

为了实现无线网络和有线网络的互联,笔者基于WIA技术设计了一种工业无线网关[1]。WIA无线通信技术是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的无线网络传感技术,适用于数据量不大且分布范围较小的场合。该技术以IEEE802.15.4为基准,组成Mesh网络,节点之间可以相互通信,以多跳的方式将数据传输给网络管理者。该技术使用免费的IMS 2.4GHz频段,传输速率为20～250Kb/s,具有双向通信功能。

随着计算机的广泛普及和互联网技术的广泛应用,通过网络进行数据远程管理已成为无线传感器网络的研究课题之一。笔者就是在无线传感器网络和以太网之间搭建一条数据传输通道,将WIA无线网络处理的数据包与以太网TCP/IP协议的数据包进行相互转换[2,3],完成数据的双向通信,从而实现对现场的监测和远程控制。

1 系统概述

本系统的网络构成主要包括WIA无线网络和以太网网络两部分。WIA网络通过网络节点将采集到的数据以多跳的方式传送给网关,网关处理器将数据进行解析、协议转换,再通过以太网将数据传送到控制中心,完成整个网络的数据交互[4]。图1给出了多网关网络拓扑结构图。一台计算机可以连接多台网关设备,每台网关设备与终端设备可以采用单点或多跳的方式通信。图2是网关网络拓扑结构。

网关的作用相当于一个协议转换器,是WIA网络和以太网两个独立网络的连接桥梁,实现WIA和以太网协议的转换,并将数据压缩打包封装,在转发之前经网关的处理器将其转化成另一种格式的数据包,不需要外加协议转换器件,就可以完成二者之间的协议转换和数据传输。如图3所示为WIA和以太网系统转换框图。

2 硬件设计

无线网关设备硬件主要由两部分组成,一部分是负责供电和与外部接口相连的底板,另一部分是载有处理器和内存的核心板。两部分通过板对板31管脚的贴片接插件相连接。

无线网关设备系统框图如图4所示。系统处理器选用Atmel公司生产的AT91RM9200,外部可分为:内存部分(DataFlash、SDRAM和NVSRAM)、通信接口部分(RS232、RS485、USB、以太网接口和射频模块接口)、电源部分、调试接口部分、时钟部分以及I/O接口部分等。

处理器内部嵌入NuCleus实时操作系统,负责整个系统的程序管理、任务调度及内存分配等。内部具有16Kb的数据缓存,16Kb的指令缓存,16Kb的SRAM和128Kb的ROM。支持外接SDRAM、静态存储器、Burst Flash、无缝连接的CompactFlash、SmartMedia和NAND Flash,支持USB2.0全速(12Mb/s)主机双端口,紧凑的PQFP-208封装,便于手动焊接,支持10/100 Base-T型以太网卡接口。

Flash存储电路如图5所示,采用SPI接口与处理器相连,具有4Mb的存储容量,最大时钟频率可达到75MHz。写保护端接有一个4.7kΩ的下拉电阻,复位管脚接有一个10kΩ的上拉电阻,采用SO8W小型封装。

如图6所示为非易失性存储器,在掉电的瞬间对数据进行存储保护,外部5V电源仅需要两个滤波电容,结构紧凑。DS1250采用DIP封装形式,内部嵌入锂电池,正常可工作10年以上。

3 协议转换

WIA无线网关的协议转换主要是用于实现WIA无线网络报文和以太网报文之间的双向转换,如图7所示是协议转换框图。该部分由AT91RM9200负责处理,当无线网关WIA射频部分(PHY层)接收到数据报文,根据WIA通信协议从PHY到APL解出其中的有效载荷,然后再将有效载荷加载到TCP/IP(UDP)协议中,交由满足IEEE802.3以太网通信协议的网卡处理,从而完成将接收到的无线数据格式转换成以太网数据报文格式。

4 结束语

随着无线通信技术在工业领域的不断发展和无线通信系统在工业通信网络中应用的不断普及,目前单纯的有线传输方式已经不能满足用户的要求,功耗低、体积小、设计简单、操作灵活、无线与有线相结合的WIA工业无线网关为用户提供了一个良好的网络平台。WIA工业无线网关在实现工业无线测控系统和工业以太网互联的同时也可以完成对无线网络的管理。无线网关的实现,使整个工业网络得到优化,提升了整个网络的管理能力和运行效率。

参考文献

[1]曾鹏,徐皑冬.工业无线通信技术——第一章背景与优势[J].仪器仪表标准化与计量2,007(,1):21～23.

[2]刘元安,叶靓,邵谦明等.无线传感器网络与TCP/IP网络的融合[J].北京邮电大学学报,2006,12(6):8～10.

[3]Dunkels A,Alonso J,Voigt T et al.Connecting WirelessSensor Network with TCP/IP Network[EB/OL].ht-tp://www.sics.se/adam/,2007-05-01.

[4]张振江.智能化无线安全网关的研究[J].北京电子科技学院学报2,006(,2):51～53.

工业网关 篇2

在上述情况下,网关无疑是系统集成解决方案很好的选择。结合国家863课题,本文以中国四联集团与北京航空航天大学共同研发PROFIBUS-DP智能网关为例对工业通信网络用网关的设计进行了阐述并对其实现的关键技术进行了详细分析。

1 网关系统解决方案设计

现场总线用网关一般要担负两种或多种总线之间的协议数据转换的责任,属于系统连接的关键部分。因此系统大多采用图1所示的的结构来实现。

应用本网关所组成的系统总体结构如图2所示。智能网关在系统中无缝连接PROFIBUS-DP(以下简称”DP”)现场总线系统与MODBUS总线系统,实现同一系统内两种总线设备的共存。

本系统中,微控制器为中国四联集团研发的控制器。本智能网关在设计上为其预留了一个用于与控制器通信的接口。底层的I/O模块实现工业现场信号的检测或控制执行设备的运行。

2 网关结构设计

现阶段的网关设计主要有协议芯片、硬核、软核三种解决方案:

(1)协议芯片解决方案:采用专门芯片来实现相关协议,这种方法开发周期短,实现起来相对简单,比较适合于快速开发,但成本稍高。

(2)硬核解决方案:主要是对ASIC如CPLD、FPGA等进行硬件编程来实现相关协议的IP核。此方案对开发人员的硬件及软件知识要求最高,协议稍复杂,实现难度就很大。但是网关性能可以与采用协议芯片实现方式相媲美。

(3)软核解决方案:用软件实现协议数据链路层协议处理功能,结合相应的外围硬件电路实现协议功能。此方法成本低,但需要开发人员充分了解相关协议及协议运作机制。对于复杂的协议,编程工作量巨大,且可靠性不易保证,受单片机处理速度影响,通常网关的性能不如其他两种方法。

在一般工业控制用网关设计中,都有较短的开发周期及很高的可靠性要求。因此,对于复杂的协议如DP、CAN、FF总线等一般选用协议芯片实现;对于较简单的协议如MODBUS等一般用软核实现。本网关采用了DP协议芯片与MODBUS软核相结合的实现方式。其硬件结构如图3所示。

按照功能划分,网关可以分为电源管理模块、中央管理模块、DP从站模块和RS485通信模块。

本网关设计要求串行口速率能够达到921.6 kb/s。基于此要求,硬件平台选用PHILIPS公司的ARM7-TDMI核微处理器。

电源管理模块负责整套系统的电源供给,系统的稳定运行与电源模块的稳定性能关系密切,此处设计的电源模块兼有热插拔和电压转换功能;DP从站模块的核心功能由协议芯片(VPC3+C)实现;中央管理模块除了实现对DP从站模块的配置和管理,还要完成MODBUS协议的实现以及两种协议数据交换协议栈的实现。

3 网关系统的实现

网关系统在软件设计方面与网关连接总线系统所采用的协议有较大差别,但一般协议在定义时为了实现灵活性好、易于实现和维护等优点都采用分层结构。网关软件设计时也可以采用分层结构,最后在应用层实现协议数据的相互转换。本网关协议栈的实现采用的就是这种分层的思想。

网关协议栈是连接MODBUS输入/输出模块与DP通信的桥梁。协议栈分为DP通信层、协议数据映射层和MODBUS通信层三层。网关协议栈分层结构及各层功能如图4所示。

3.1 软件总体结构设计

本网关的软件总体流程如图5所示。CPU通过驱动VPC3+C来实现对DP通信过程的控制,包括通信接口检查、正常和发生故障情况下的诊断数据的发送及数据交换等过程;通过MODBUS协议实现对下挂的输入/输出从站模块的查询操作;通过对模块应答帧(或通信超时)进行分析来判断模块的状态以及模块的通道状态,根据模块状态信息填充DP的诊断域的数据,并以此为依据实现对网关通信状态(正常通信、报告故障或警告信息)的控制。

3.2 PROFIBUS-DP总线驱动

此网关DP通信部分采用协议芯片VPC3+C,其内部含有4 KB RAM,用户可根据需要对其进行设置;具有两种微处理器接口:数据/地址总线复用或单独操作。因为ARM核对外部RAM操作的速度较快,时序不能满足VPC3+C的操作时序,因此这里用ARM的GPIO口来模拟VPC3+C的操作时序。本文模拟的是其在Intel模式下内部寄存器的读写时序。

此驱动主要提供了以下功能:nxp_vpc3_read、nxp_vpc3_write、nxp_vpc3_init、nxp_vpc3_reset、nxp_vpc3_isr,这些函数分别向上层应用提供了读写VPC3+C寄存器、对其初始化、复位操作及中断的处理功能。其中对寄存器的读写操作是关键部分,函数原型如下:

unsigned char nxp_vpc3_read(unsigned int addr);

void nxp_vpc3_write(unsigned int addr,unsigned char data);其中addr为要读写的寄存器地址,data为要写入的数据。

3.3 MODBUS协议的实现

为提高信号传输的距离及抗干扰能力,此处MODBUS物理层采用标准RS485通信。为了保证MODBUS协议软核的健壮性,设计了其有限状态机[1]模型,如图6所示,并根据此有限状态机模型运用状态路由器进行软件实现。

3.4 协议数据的映射处理

此部分处理效率的高低直接关系到网关系统的性能,因此设计过程中应该谨慎设计。

此部分完成协议数据映射层的实现,具体的数据映射关系管理见4.1节阐述。

4 网关关键技术研究

对于工业用网关应用来说,保证网关正常工作的首要条件是其所连接的系统数据映射关系的正确性,其次可靠性和故障处理能力是网关可长期稳定工作的重要影响因素,对网关实时性的要求则因系统的不同而各异。

4.1 数据映射关系管理

如何管理网关连接的两种或多种系统中的设备在通信数据中的映射关系,即通常意义上的寻址,是很重要的步骤。而这一部分针对网关所连接的不同,总线设备也有很大区别。

本网关对所有可能下挂的模块的输入输出数据格式进行分析,然后分别定义了各个模块对应的通信接口配置字,并在GSD文件以下例格式进行描述:

这样在对其进行硬件组态时,只需要将对应的模块放到对应的地址槽中即可。

在网关协议栈中同样保留上述表用来查询下挂模块类型对应的控制字和硬件组态数据进行比较。并以硬件组态数据为标准填充数据映射表,单个模块数据映射表数据结构如下:

其中MODULE_STATE为枚举数据类型,代表MODBUS从站当前状态,数据结构如下:

4.2 保证实时性措施

网关在对两种协议的数据进行映射的过程中采用了一次性内存拷贝技术和单缓冲区技术来尽快完成数据的处理且保证是最新数据,以此来保证网关通信的实时性能。

一次性内存拷贝技术是指网关从协议芯片内部读取到DP的输出数据后,直接将此数据填充到MODBUS输出帧对应的位置;从MODBUS输入模块得到的数据直接填入到DP协议芯片的输入缓冲区的对应位置。用这种方式来减少内存拷贝过程中所耗费的时间。

网关单缓冲区[2,3]技术也是为了保证数据为最新数据而采用的。所谓单缓冲区即不管两种协议通信中待转换的数据而只保留当前最新的一帧。此网关连接的两种设备的正常数据通信都是周期性的,且周期一般固定不变。如果MODBUS数据交换的周期小于DP的数据交换周期,网关的缓存中只有一帧有效数据;如果MODBUS数据交换周期大于DP的数据交换周期,且采用链表结构保存DP的帧数据,则不管预先缓冲区有多大,肯定导致缓冲区溢出的问题,从而使DP的输出数据不能及时更新到MODBUS从站的通道上进而影响系统的实时性。

高效地使用指针可以大大提高网络协议栈性能。本网关在MODBUS协议实现过程的信息处理中就采用了函数指针实现指针路由功能,避免了因过多判断对系统性能的影响,这样做不仅提高了系统处理信息的能力,也使系统有很好的扩展性能。上述一次性内存拷贝技术也是通过指针来实现的。

4.3 保证可靠性措施

在硬件方面,除了保证网关性能所必须的参数外,还应在成本和可靠性方面做出一定的折中。本系统中为了提高系统的抗干扰能力,与外界通信的部分和系统在物理接口上都进行b电气隔离,此处的3个通信接口都需要进行隔离。根据通信性能要求的不同,选择磁耦隔离+驱动芯片完成DP通信的隔离兼物理层电平转换功能;用双通道磁耦隔离芯片来完成另外两路串行口通信的隔离。这两款芯片都采用了最新的基于芯片尺寸的变压器隔离技术的磁耦,与传统的光耦比较,其转换速度、瞬态共模抑制能力、功耗、尺寸及成本等方面均有很明显的优势。为了满足工业现场即插即用的要求,设计了电源转换及保护电路来实现网关供电系统的稳定,保证系统的可靠运行,并支持带电作业(热插拔功能)。

系统除了在上电之后对下挂的MODBUS模块进行类型查询并与DP主站组态模块类型进行比较外,在进入正常数据交换之后,也会实时地对模块的状态进行分析以判断是否有故障发生。故障标志是在网关和MODBUS从站进行通信过程中根据从站的回应帧来判断的。

网关系统中如何保证多种总线通信的互不干扰是很重要的环节。此网关系统中MODBUS协议是由软件来实现的,考虑到需要定时器等保证通信的可靠性,为了防止两种协议通信的相互影响,对DP输出数据的读取采用查询的方式而非中断方式进行访问。这样在DP的数据到来后不会打断正在进行的MODBUS通信过程,尤其是在DP通信速率较高的情况下,这种设计的可靠性更加明显。如果采用中断的方式,当DP通信速率超过一定值后,其势必影响网关与MODBUS从站之间的通信,严重时会导致MODBUS帧传输的不完整性,从而导致网关对MODBUS模块通信状态的误判,进而影响系统的可靠性。

4.4 模块故障信息的处理

如果MODBUS模块出现故障,如何将对应的故障上传到对智能网关进行组态的DP主站是很重要的一环,处理得当可以使系统的运行和维护变得简便灵活。

西门子的DP从站设备只要有一个模块出现错误,则模块从属的从站会退出正常的数据交换状态,这样导致此从站相连的其他正常模块也不能进行数据交换,进而对于整个设备的运行产生影响。这种处理方式认为所有的模块都属于关键模块,只要有一个出现问题其余都会“被迫下线”,但这种处理方式不太灵活。本网关处理方式为:在查询到模块类型之后,实际模块类型和组态类型一致则网关将对应模块映射为标准的DP模块;否则,将判断故障,并将故障诊断信息传递给DP主站,并不断查询错误模块的类型,直到相应故障解除后将其映射成标准的DP模块。在此过程中正常模块的通信不受影响。相比来看,本网关在处理故障的策略则更加灵活。本网关可以判断的故障诊断信息包括:模块类型错误、模块超时故障、模块不存在故障以及模拟量输入模块的通道断线标志。

本网关在其对应的GSD文件中的用户自定义诊断数据部分定义了上述4种故障对应的代码。故障代码格式如下:

在正常运行中,在标准的诊断信息后只需要使用3+x个字节即可描述x个模块的诊断信息。在系统运行过程中该诊断信息由中央管理模块管理,如果存在故障,则填入VPC3+C的用户诊断缓冲区,然后置位诊断状态位,这样主站会在检测到此诊断位的下一个访问周期发送请求从站诊断报文帧,待取回诊断帧后继续进行正常的数据交换请求。上述过程不断重复,直至网关下挂的模块故障消除为止。在此过程中不存在上述故障的模块则仍然映射成标准的DP从站模块,正常的数据更新不受影响。该网关采用这种方式来保证状态正常的模块不停止工作,提高系统的灵活性。

5 网关性能测试

网关在设计好之后,必须对其进行性能测试以判断其是否达到设计指标,并为用户进行系统设计提供依据。

本网关的性能和下挂模块以及DP总线波特率设定有直接的关系。经过测试和DP通信速率可以到达DP协议规定的最高速度12 Mb/s;与MODBUS每个模块完成一次通信的最长时间为10.7 ms(波特率为115.2 kb/s时);一个扫描周期内故障判断等所用时间为400μs。用户在设计过程中可以根据实际系统需求进行具体分析和配置。

本文对工业通信用网关的设计进行了阐述,以PROFIBUS-DP智能网关的设计为例对此类网关实现的关键技术进行了分析。针对本网关,硬件方面,采用电源管理模块实现网关的热插拔功能,采用专用芯片解析DP协议,采用磁耦隔离代替传统的光耦隔离,提高了系统的性能和可靠性。软件方面,采用单缓冲区设计、一次性内存拷贝技术以及合理的中断应用来保证系统的实时性和可靠性。对网关的数据映射处理和故障处理进行了详细的分析,并给出了其性能参数。本设计为其他工业通信用网关的设计提供了参考依据。

参考文献

[1]杨瑞霞.运用状态机提高嵌入式软件效率[J].单片机与嵌入式系统应用,2009(5):69-71.

[2]LEE K C,LEE S,LEE H H.Implementation and PID tuning of network-based control systems via profibus polling network[J].Computer Standards and Interfaces,2004,26(3):22-240.

工业网关 篇3

本文所设计的数据通信网关主要目标是实现企业对生产现场的远程监控, 完成管理的控制化与信息化, 为企业生产计划、过程调度等提供辅助决策支持, 并实现工程师对设备的远程故障诊断分析、维护与软件更新等, 从而加强企业对生产现场的实时控制能力, 提高信息资源的共享和利用水平。

1.1 通信网关设计原则

为了满足企业应用的需求, 网关设计的主要原则有可拓展性、可靠性以及安全性等。其中可拓展性是指企业生产控制系统在新增各种设备、机械、仪器和仪表的情况下, 不能影响网关的正常运行;可靠性是指网关要满足工业生产环境各个方面的制约, 降低故障以及报错次数, 并能找出故障发生点;安全性是指在数据传输和接受过程中, 要能抵御各种网络和病毒攻击, 保持数据的有效和完整。

1.2 VPN技术和P2P网络

VPN是虚拟专用网的简称, 属于逻辑上的私有网络架构, 其主要目的是在Internet基础上实现各个用户与局域网进行数据通信和网络连接, 一般分为三个部分:客户端、传输介质以及服务器端。目前国内VPN的实现结构分为两个方向:一是广泛用于政府、企业与分支机构之间或ISP之间的网络与网络互连模式, 这种模式的技术原理是用户网络设备直接与ISP边缘路由进行连接, 并由ISP边缘路由进行IP骨干网中通信“隧道”的建立;二是个人用户以宽带连接VPN服务器, 并通过VPN服务器与企业主机进行连接。

P2P网络是取消传统的客户端和服务器的C/S架构模式, 采用网络环境中计算机充当服务器与客户端的双重身份模式。P2P网络的一个特性是通过NAT穿越技术实现私有IP和公共IP的地址转化, 解决IP地址短缺问题。P2P网络包括中心化、半分布式以及全分布式三种模式。中心化模式的主要特点是存在中心服务器, 负责储存共享目录和提供高级算法程序, 实现灵活高效的复杂查询;半分布式模式是将中心服务器的功能按照类型分配给多个节点, 由相应节点 (Supernode和Edgenode) 来实现各种操作;全分布式模式分为半结构化和结构化两类, 半结构化是基于随机图理论, 取消了节点类型的划分, 提高网络的动态调节能力和容错能力。结构化是DHT模式, 通过设定节点标识符以及资源标识符的方式, 来提高查询的准确性和动态性。

2 通信网关设计与实现

2.1 通信网关总体方案设计

通信网关总体方案设计是指数据通信网络拓扑结构的设计与实现。在网络拓扑结构方面, 需要在网关以及监控系统上安装VPN客户端, 并分配两张网卡, 通过这种VPN传输通道的构建, 在保证安全性和可靠性的前提下实现数据通信。其中, 网关一张网卡用于与外部网络进行无线连接, 另一张置于工业控制系统局域网内, 监控系统的一张网卡设置私有IP, 并与整个控制室搭建一个局域网环境, 另一张网卡则与网关连接。通过这种模式, 网关可以将生产现场数据加密发送给监控系统, 并在控制室局域网内共享使用, 同时, 网关也可以以相反的过程接收控制室的各种加密数据, 在经过解密之后, 完成生产控制工作。

另外, 由于传统VPN网络模式对大数据流支撑的程度不高, 企业在选择网络传输构建通道时, 可以结合P2P网络的特点, 构建一个P2P-VPN传输模式, 即各个VPN用户节点支持互相通信, 具备服务器和客户端双重功能, 并单独占有一个ID, 在发送MAC地址信息、注册时间等之后, 进行用户之间的数据通信往来。

2.2 通信网关框架设计

通信网关的主要功能模块包括系统管理、节点管理以及数据捕获和发送这三个部分。系统管理主要是指对整个系统的参数进行设定, 并部署运行机制和运行环境, 提供友好的交互方式以及用户权限管理、密码管理等;节点管理是指节点的新建、修改和删除, 以及对节点的各个属性进行实时监控, 包括运行状态、信任状态、数据传输水平、故障次数等;数据包的捕获与发送是指在设定数据包的捕获、传输方式及传输速率, 对不可信任数据进行阻断与来源分析等。

三个模块之间的逻辑关系可以表述为:系统管理模块通过数据、参数和节点初始化, 形成P2P-VPN传输通道和节点组织结构和状态列表, 并将IP和MAC地址等信息发送到各个节点处, 从而修正节点状态属性。之后, 节点管理模块通过多线程技术将数据包经过过滤器发送至其他模块, 并检测各个节点的运行状态, 实时刷新节点状态列表, 数据捕获与发送模块根据各个节点状态设置过滤器数值, 并进行数据的捕获和发送工作, 其过程分为捕获、分析过滤、二次封装以及发送。

特别指出的是, 整个通信网关系统的主要功能是实现数据的互相传输, 所以, 在数据包捕获以及发送方面, 应采用Winpcap方式来实现, 其主要操作步骤为:

获取用户节点组织结构和状态列表, 分析并选择所需监控的网卡;

修改网卡运行状态, 设置网卡模式为混杂模式;

设置过滤器, 捕获数据包, 并实现基于协议、IP和MAC地址、端口等条件的数据过滤。

调用抓捕函数进行数据包捕获, 并进行二次封装和发送。

2.3 通信网关工作流程

在整个P2P-VPN传输通道搭建完成以及模块功能明确之后, 通信网关系统需要进行工作流程的划分和确认。在流程设计方面, 首先, 由系统管理模块进行传输通道、节点组织结构以及状态列表的初始化;其次, 节点管理模块在接收到上述信息之后实施监控各个节点运行状态, 并不间断的对节点状态列表进行更新;最后, 在数据包捕获与发送模块在接到系统管理模块信息、节点管理模块通知后, 初始化或修正过滤器数值, 并进行捕获和二次封装数据包, 然后将数据包发送至节点管理模块以及系统模块。

3 通信网关测试

通信网关测试包括性能测试和压力测试两个方面。性能测试是指在任意选定的物理环境和软硬件环境下, 对网关系统远程设备监控的状态, 阻断其他入侵攻击的能力, 以及数据流的安全和完整进行的系统测试工作。压力测试是指对通信网关系统进行延时和负载两个方面进行测试, 主要考虑系统的传输时间、大数据流的丢包率等指标。企业可以结合实际需求设定相关指标, 并对通信网关系统进行测试, 在多次测试结果全部合格后, 开始启用基于TCP/IP协议的工业控制网络远程数据通信网关系统, 以完成数据流的实时共享和远程控制等功能。

摘要：计算机技术的迅速发展大大提高了企业信息的沟通和交流水平, 也推动了工业控制技术的不断进步与革新, 而与外部网络相对隔离的传统工业控制系统已经难以满足企业日常的管理需求。为了解决这一问题, 实现企业对设备进行远程监控与通信, 及时掌握生产现场情况和提高控制能力, 本文在结合工业企业自身实际的基础上, 基于TCP/IP协议、VPN技术、P2P网络技术、Winpcap方法等, 对远程数据通信网关这一技术工具进行研究, 并尝试为企业实现远程监控系统与生产现场之间的数据和信息交流提供实施策略和建议。

关键词：TCP/IP协议,工业控制网络,远程数据通信网关

参考文献

[1]贾东耀, 汪仁煌.工业控制网络结构的发展趋势[J].工业仪表与自动化装置, 2002年第5期.

[2]阳宪惠等.工业数据通信与控制网络[M].清华大学出版社, 2003年.

[3]孙祥国.远程智能控制系统的研究与实践[D].西南交通大学, 2006年.

工业网关 篇4

因特网和3C(电脑,通信,消费电子)技术的发展带来数字家庭的概念,目前在国内已经由发展初期进入成长期,其核心部件包括网关,机顶盒,各类信息家电等[1,2]。

网关作为数字家庭的中枢主要满足如广播、安全、娱乐、通信、家庭自动化控制等日益增长的用户需求。概括为两部分:连接不同数字设备组成家庭网络,将家庭网络连接到公共接入网。俗称“最后一米”的宽带接入问题,家庭内外网络带宽的协调也是网关着重解决的对象[3]。在本文中,我们摒弃常用的PC机,宽带调制解调器等实现方法,采用更智能化的机顶盒来实现网关,讨论和研究其实现方案和技术难点。

多功能的整合已成为电子产品的发展趋势。人们普遍认为机顶盒是一种将数字电视信号转换为模拟信号的过渡产品,在本文中,提取网关和机顶盒的共性,机顶盒不仅仅被动地接收服务,而是更多地扮演主动发布服务的提供者角色。通过将两者的功能整合到一个设备中,使用更少资源、提供更快的响应速度、容错性和兼容性等指标[4]。

1 挑战与解决方案

家庭网关主要协助网络终端用户从电信或服务提供商处获取服务,机顶盒用来转换电视信号格式,但它们功能上存在交叉点,如何提取看似不相关的两个设备间共同功能特性是本章的讨论重点。

1.1 功能需求

网络电话(IP电话)是必不可少的服务之一,在此过程中,网关机顶盒扩展成一个声音适配器,根据服务商类别作出不同反应[5]。通过获取在线服务商的信息,在通话服务开始前就提前配置如SIP(会话初始化协议)等通话控制协议(如图1所示)。

视频分发服务有两种:一是基于单播通信的视频点播,可以让用户随时获取所需视频节目;二是基于多播通信的IP电视广播。网关机顶盒必须支持IGMP(因特网组播管理协议)协议等以保证机顶盒和多播路由之间的通信(如图2所示),需要对支持视频功能提前配置。家庭安全监控和远程访问控制也是网关机顶盒必须提供的服务(如图3所示)。综上所述,网关机顶盒其实是将数字家庭中的视频流、音频流、数据流汇聚一起,做到真正的“三流合一”。

1.2 用户体验

数字家庭中繁多的电子设备给使用者带来操作的不便,不同的设备配备不同的控制板、显示屏、指示灯,让人无法轻松管理,更阻碍了数字家庭的普及。网关机顶盒可以很好地解决这个问题:通过将众多的信息设备自动地组成家庭网络;将家庭网络与使用总线技术的家庭控制网络连接起来;如有需要再将他们与外部因特网连接。最终,用户通过易操作的遥控器或者简易的网上页面远程控制连接在网络中的任何一个设备,体验真正的数字家庭。

1.3 成本与消耗

家庭网关需要长时间稳定地工作,而PC架构的网关不仅配置和维护费用高,稳定性也不够,因此基于实时操作系统的嵌入式设备是实现网关的最佳解决方案。网关机顶盒采用双处理器(CPU+DSP)的架构,在完成机顶盒编解码功能的基础上,剩余足够的计算能力完成网关的功能,降低了成本和消耗,提高了稳定性。

2 设计和关键技术

网关机顶盒采用DSP专门处理H.264与MPEG-4 AAC格式的音视频信号解码,采用低耗高效的ARM9微处理器完成剩余的任务。外部集成多种标准接口比如红外、USB接口、100/10 M以太网口、IEEE 1394接口等。硬件层之上采用嵌入式Linux实时操作系统和UPnP等中间件,屏蔽掉底层硬件差异,提供API给上层应用软件。

图4给出使用网关机顶盒的数字家庭网络蓝图所示,网关机顶盒将IEEE 1394连接的多媒体网络和总线连接的控制网络汇聚在本身,并连接到外部因特网。

2.1 系统架构

图5是网关机顶盒的系统和硬件架构图,并采用模块化思想进行划分,主要包括以下几个模块:中间的核心处理模块包括两个处理器,它们分工不同并通过SPI相互协调,CPU处理操作系统、中间件、网络计算、图形界面、浏览器等应用,DSP处理音视频解码算法;虚线框中的音视频处理模块完成传统机顶盒的功能部分;在此基础上集成无线网络模块、IEEE1394 模块、以太网交换模块和语音电话模块。值得注意的是,音视频处理模块和语音电话模块通过系统总线与核心处理模块交互,而无线网络模块和IEEE1394 模块通过PCI总线跟与核心处理模块交互。以太网交换模块一端以MII接口与CPU相连,另一端连接不同的宽带接入网,另外包含两个以太网端口用来连接以太网。例如使用EPON ONT(光纤网络终端)接口的接入方式就是通过GMII(吉兆介质无关接口)。

2.2 软件层次

图6是网关机顶盒的软件结构图,主要包括三部分:启动程序,实时操作系统嵌入式Linux,设备驱动等系统软件;IPv4/IPv6(因特网协议),ICMP(因特网控制报文协议),ARP/RARP(地址解析/反地址解析协议)DHCP(动态主机分配协议)等网络软件;语音电话,嵌入式浏览器等应用软件。

下面重点说明网关机顶盒如何实现IPTV服务,这个是网关与机顶盒两者联系的关键。为支持IPTV服务,网关机顶盒必须接收包含IPTV广播流的IP数据包,并转交音视频处理模块处理。IP数据包被直接转发到目标端口,而不是通过传统的网络地址解析操作。 值得强调的是,这些包在以太网交换模块中被允许穿行在接入网与家庭网络之间。这种直接转发是基于介质访问控制表实现的,而这些表则由ARM处理器操控的IGMP(因特网组播协议)探寻管理器和IGMP代理来管理[6]。

首先,作为一个网关,网关机顶盒提供IGMP代理功能使它成为最近接入路由和机顶盒之间的多播路由。其次,作为一个机顶盒,它实现IGMP协议来接收IPTV。IGMP代理功能主要包括:

· IGMP 路由功能

· IGMP 主机功能

· 对多播成员数据库的管理功能

· 对管理多播主机成员管理的记时功能

IGMP探寻管理器主要用于以太网交换模块。尽管以太网交换模块是网关机顶盒的枢纽部件,但因为它属于下层设备不能访问到数据包上层的信息,所以它不能直接支持IP多播。这里我们使用IGMP探寻管理器来代替直接的IP多播处理。此时ARM处理器管理为操作系统开辟出MFC(多播转发缓冲区)来存放介质访问控制表[7]。具体如图7所示。

由图7可知,在网关机顶盒内部,来自外部接入网的IP数据流被直接转发到连接在以太网交换模块的多播组的客户端。这样外部进入的IPTV数据流可以最低延迟地到达机顶盒音视频处理模块。通过无线网络或IEEE1394接口接入的客户端则接收经过操作系统缓冲过的IP多播数据流。总之,这种直接转发机制大大减低了处理器的负荷,在转发和保存内容上节省了处理能力。

2.3 设备互连中间件

诸如UPnP(通用即插即用),HAVI等家庭网络中间件日趋成熟,它们提供家庭网络设备间的互相连接和操作。UPnP论坛根据UPnP技术公布了UPnP AV体系结构作为多媒体标准[8],并定义多媒体服务的具体功能。

下面详细阐述UPnP AV体系结构在网关机顶盒中的使用。它由媒体服务器、媒体接收者、音视频控制点组成,如图8所示。

媒体服务器是一个UPnP设备,包含内容目录服务、连接管理服务、音视频传送服务三个部分。媒体接收者则由接收控制服务、连接管理服务、音视频传送服务三个部分组成。音视频控制点则通过SOAP协议(简单对象访问协议)来控制协调服务器和接收者之间的操作。控制点通过调用内容目录服务的标准行为来展示多媒体内容,当用户选择了具体内容,控制点通过调用连接管理服务在服务器和接收者之间建立连接,然后通过调用音视频传送服务的标准行为发送被选中的内容。多媒体内容的实际传输并不是用UPnP协议,控制点仅仅控制传输的操作,改正传输协议中的错误,调整文件格式等。传输过程可以是同步或异步,或采取拉或推的方式。

2.4 丰富的外部接口

作为数字家庭的中枢,网关机顶盒集成丰富的外部接口来满足不同的需求,主要包括以下几类:

· 调制解调接口:这部分实际是以太网交换模块的扩展,来适应不同的宽带接入方式,包括PSTN、ADSL、CM 等。

· 高速多媒体接口:IEEE 1394、RS232、USB 2.0等,尤其通过IEEE 1394家用设备可以高速高质量地连接起来。

· 无线连接接口:红外、蓝牙、WiFi、802.11系列等无线连接方式也得到支持,并逐步取代有线连接方式。

· 存储接口:这部分包括IDE 硬盘接口来支持外部存储,个人视频录像、视频点播、回放功能等。随着家用数码产品的增多,这部分接口越来越必不可少。

3 新型服务

3.1 数字设备互连和控制

网关机顶盒通过不同的连接机制将家庭电子设备无缝连接成网络,可以控制在线的任何设备甚至电子窗帘、灯具、防盗门、摄像头等。这里采用了三种连接方式:有线连接(IEEE 1394, 以太网, USB),总线连接,无线连接(IEEE 802.11, 红外,蓝牙)。

另外,不同的因特网接入机制采用不同的网络协议,通过TCP/IP 协议或总线连接的家庭网络需要在有IP和无IP协议之间的转换,以及私有IP(家庭内部)和公有IP(家庭外部)之间的解析。网关机顶盒屏蔽掉这些差异,使用户操作简单化。

3.2 内容流通与格式转换

数字家庭中的网关机顶盒收集、存储、发布、解压缩并处理各种格式的图片、视频、音频及其他多媒体内容,并通过控制面板、遥控等不同的终端与用户交互,因此不同的文件格式阻碍了它们在不同设备间的流通与共享。通过IEEE 1394或SD存储卡,多媒体内容可以在高清电视,DVD录放机、数码相机、打印机、家庭服务器等之间流通,另外通过提供专门的转换软件可以将MPEG2格式的音视频转换为MPEG4格式,或将DV格式转换为 MPEG4。

3.3 友好的用户界面与易配置

采用简易的GUI界面和嵌入式浏览器技术,用户可以轻松跟网关机顶盒交互,远程用户登录到网关的主页即可控制接入家庭网络的设备,室内用户通过特别的红外遥控器也可以完成同样的操作。

为了整合更多的功能只需要更少的人工干预,通过保存在SRAM中的预先设置好的配置信息,每次启动会自动配置,减少人工设置,需要改动时,通过页面的配置操作也很简易。

3.4 服务质量

数字家庭的环境很复杂,不同类别的信息流在网络中传输,而且不同的用户需求决定了操作的优先级,增加了冲突和干扰的机率。服务质量监控对于网关机顶盒必不可少,根据用途区分出流的类别并标记,并合理安排数据进入队列的顺序,保证网络设备间的高质量互连[9]。

4 总结与展望

“处处计算,处处连接”是数字家庭最终目标,而家庭网关的实现是关键。随着机顶盒的普及,性能提高而成本下降,用机顶盒来实现网关的时机已经成熟。本文所讨论的网关机顶盒正是将两者功能合二为一,并增加新的服务,不仅满足用户IPTV需求,还将数字家庭内部数字设备连接并统一管理。在功能设计和实现上采用众多新的技术,采用双核心的架构并集成众多外部接口来满足计算,网络和扩展能力,通过裁减实时操作系统并引入中间件,为上层丰富的应用软件提供接口。它的实现比传统技术实现的网关功能更强、更可靠、且节约资源。经过模拟实验证明此解决方案可行,随着数字化的进程,相信网关机顶盒的成熟产品在数字家庭中定有好的市场前景。

参考文献

[1]郑期彤,程宇.数字家庭网络市场向成长期迈进[J],电子设计应用,2006,10.

[2]Owen.数字机顶盒的架构与设计关键[J].电子产品世界,2006,9.

[3]Satish Satish Gupta.Home Gateway.White Paper of Wipro Technolo-gies,Aug.2004

[4]任苙萍.媒体汇流殊途同归机顶盒[J].电子与电脑,2006,8.

[5]Satish Satish Gupta.Home Gateway.White Paper of Wipro Technolo-gies,Aug.2004.

[6]Motoyuki Takizawa,Toru Minato,Takahiro Furukawa.Future ServicePlatform and Home Gateway.IEEE,Aug.2006.

[7]Wan Ki Park,Chang Sic Choi,Youn Kwae Jeong,Intark Han.An Im-plementation of the Broadband Home Gateway supporting Multi-Chan-nel IPTV Service.IEEE,1-4244-0216-6/06/.

[8]Internet Engineering Task Force.Considerations for IGMP and MLDsnooping Switches.Internet Draft,May,2004.

[9]Dong Oh Kang,Kyuchang Kang,Sunggi Choi,Jeunwoo Lee.UPnP AVArchitectural Multimedia System with a Home Gateway Powered by theOSGi Platform.IEEE 0098 3063/05/2005.