CN102523103A - 一种工业监控网络数据采集结点 - Google Patents

Abstract

一种工业监控网络数据采集结点，基于实时多处理器系统平台，利用通用即插即用网络中间件，为工业监控网络中心提供自适应实时数据采集服务，所述数据采集节点包括数据采集端、显控端和数据存储端；采集端利用多路传感器采集目标设备的物理信号，进行预处理后输送至显控端；显控端接收采集端上传的数据包，进行拆分、分析、显示，并按照用户需求传至数据存储端；所述的数据存储端为面向工业网络监控中心的实时数据缓冲区；所述数据采集端、显控端、数据存储端通过通用即插即用中间件完成数据通信与控制信息应答。本发明简化物理拓扑结构、网络配置任务简便、便于更新维护、构建成本较低、智能化良好。

Description

一种工业监控网络数据采集结点

技术领域

本发明涉及工业网络监控领域，尤其是涉及一种工业监控网络数据采集结点。

背景技术

工业监测与控制是保证正常工业生产安全进行的必要前提条件。随着科学技术的不断进步，现代工业生产规模不断扩大延伸。当前，对于诸多大规模工业企业，由于其生产控制范围较大，存在生产地域分散程度较高、生产业务分工门类复杂、生产设备种类及数量繁多、工业链条设计元素价值较高、生产环境差异度较大等特点。针对上述情况，在某些特殊条件下，企业需要对各种加工设备、过程设备的状态进行实时监控，以便出现故障时能够及时给予工作人员提示，使其能够得到妥善处理，保证工业生产的顺利进行。随着计算机技术和网络技术的不断发展，在大规模工业生产监控领域中引入网络技术，可使工业现场控制与企业监控中心上层管理项结合，以实现办公自动化与工业自动化的有机组合。此外，上述技术方案也可以使得在较为恶劣的工业生产环境下，工业现场的网络化操控成为可能。

现有的工业监控网络一般采用工业以太网或现场总线技术，这两种方式由于其自身技术缺陷，在其实际应用过程中存在物理拓扑结构复杂、网络配置任务繁琐、更新维护困难、构建成本较高等问题。

发明内容

为了克服传统工业监控网络数据采集结点存在的物理拓扑结构复杂、网络配置任务繁琐、更新维护困难、构建成本较高的不足，本发明提供一种简化物理拓扑结构、网络配置任务简便、便于更新维护、构建成本较低、智能化良好的工业监控网络数据采集结点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种工业监控网络数据采集结点，所述数据采集节点基于实时多处理器系统平台，利用通用即插即用网络中间件，为工业监控网络中心提供自适应实时数据采集服务，所述数据采集节点包括数据采集端、显控端和数据存储端；

所述的实时多处理器系统平台为可裁剪的嵌入式实时操作系统，利用其多处理机系统接口，实现对目标设备的多点并行数据采集。

所述的通用即插即用中间件为数据采集结点与监控网络中心的自适应桥接器，可实现在无网络中心监护条件下的自主网络行为，提高了监控网络构架的自适应能力，降低了监控中心的管理任务负荷。

所述的采集端利用多路传感器采集目标设备的物理信号，进行预处理后输送至显控端；显控端接收采集端上传的数据包，进行拆分、分析、显示，并按照用户需求传至数据存储端；所述的数据存储端为面向工业网络监控中心的实时数据缓冲区；所述数据采集端、显控端、数据存储端通过通用即插即用中间件完成数据通信与控制信息应答。

进一步，所述的三个功能单元数据通信与控制信息应答过程：基于通用即插即用的应用程序接口完成对特定数据类型的传输，所述的特定数据类型及其技术内涵包括：

①目标设备运行状态数据此类数据的传输路径为：多路传感器采集的实时信号上传到采集端，通过网络中间件通信接口，发送到提出服务请求的显控端、数据存储端。此类数据具有较紧密的排列格式，单个数据分组的大小在千字节数量级，占整个网络监控系统数据流量的85％以上。

②目标设备参数配置数据此类数据的传输路径为：目标设备的运行状态在采集结点守护进程被唤醒后，在初始化时刻统一设定为启动，然后发送至采集端，再传送至数据存储端保存相应的状态变量值；采集结点在进入正常运行状态后，采集端将接收来自显控端的状态更新指令，获取当前目标设备的运行状态，并把新的状态值下传至实时数据采集硬件。此类数据的单个数据分组的大小在百字节数量级，交互频率较低，属缓变数据。

③通用即插即用设备服务信息此类数据包含提供通用即插即用服务的设备档案信息、服务列表与受控选项；当一个数据采集结点在任一时刻随机地加入到监控网络系统中，便可成为通用即插即用监控网络中的合法成员；该结点将自主地在整个通用即插即用监控网络中公布自己的服务信息，以期其它结点可以发现自己。此类数据的单个分组比较小，在数十字节数量级，其具体流量由通用即插即用网络物理拓扑结构的更改服务与频率决定。

④通用即插即用设备控制信号此类数据是通用即插即用网络中间件支撑的各个采集结点间的服务状态参数，用来唤醒、阻塞、挂起、撤销结点所提供的应用服务进程。该类数据分组较精小，其大小为数个字节，其流量由各结点间控制信息交互的频率决定。

优选的，主体功能框架利用子构件体系结构方法实现；根据工业监控网络的基本需求，将具体粒度构件分为必选构件与备选构件；

所述的必选构件有两个：数据状态采集子构件和采集网络中间件子构件，所述的备选构件有三个：显控人机接口子构件、信号预处理与分析子构件和设备状态监控专家系统子构件组成。

所述的数据状态采集子模块是系统的底层服务构件，它调用实时多处理器系统提供的底层通讯系统接口；所述的通信结构包括三线串口驱动、通用串行总线驱动和嵌入操作系统的工业以太网络通信驱动；根据通信数据量要求，通过上述接口中的某一种获得来自实时数据采集硬件的实时数据分组。所述的数据分组是按照设备信号性质进行初始化，并利用通用即插即用协议进行统一封装的数据包。数据包在生成后将存放到通用即插即用缓冲区中，供采集网络中间件子构件调用，并通过消息队列方法实现采集网络中间件子构件、采集网络中间件子构件与面向设备数据采集的显控人机接口子构件之间的进程应答与同步控制。

所述的数据状态采集子模块与外界的交互主要通过网络中间件子构件进行，它可以为显控端和数据存储端提供如下可订阅服务接口：获取参数配置请求、获得数据分组请求、修改参数配置请求、修改设备状态参数。

所述的采集网络中间件子构件如果接到显控人机接口子构件发来的获取数据分组请求信号，便从通用即插即用缓冲区中拾取实时数据分组，并将其返回给调用服务者。相反的，网络中间件子构件可以解析任何显控人机接口子构件发过来的系统参数配置表访问和修改请求，并将新参数配置表写入通用即插即用缓冲区，最后发信号给数据状态采集子构件重新设定系统数据采集的模式和系统参数的配置。上述过程中，任何对参数配置信息的修改(包括本地和远程修改)都会触发修改参数配置请求事件，从而通知所有订阅了该事件的显控端或数据存端进行相应的更新。

所述的显控人机接口子构件作为人机接口实现对网络中间件子构件的控制与调用。它可以从系统数据缓存中获得已经分类的实时数据进行分析和显示。系统可以直接通过显控人机接口子构件的一些显示子构件对数据缓存中的快变数据、缓变数据以及静态数据进行显示；也可以通过信号预处理与分析子构件的构件对原始数据进行某种数值运算，然后将所得的结果通过显控人机接口子构件的另一些显示子构件进行显示；还可以再通过设备状态监控专家系统子构件进行分析和判断，得出监测结果。

本发明的技术构思为：随着电子材料与封装技术、信息传输技术、嵌入式系统技术和智能传感器技术的快速发展与不断完善，具有感知能力(智能化)、计算分析能力和实时通信能力的智能、数字化传感结点逐步得到发展与推广，且已经体现出较大优势。由这些智能传感器件构成的工业监控网络综合了信号处理与识别、传感器信号采集技术、嵌入式系统技术、分布式信息存储与输送技术和远程实时通信技术，能够系统、有机的实时监控、感知和采集工业网络分布区域内的各种环境信息或目标设备运行技术参数，并对这些信息进行预处理与深度分析，判断当前设备运行的状态，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户，并提供相应的处理措施建立。将这种智能化工业传感器网络应用于工业生产领域，能够解决现有工业监控网络中存在的一些固有问题，因而具有较好的科学研究价值与实际应用意义。

中间件(Middleware)是一种独立的系统软件或服务程序，位于客户机/服务器(Client/Server，C/S)的操作系统之上，管理计算机资源和网络通讯，是连接两个独立应用程序或独立系统的承接软件。通过中间件相连接的功能系统，即使它们具有不同的软件接口，但通过中间件相互之间仍能交换信息与数据。中间件任务执行的一个关键途径是进程间信息传递；通过中间件所提供的应用服务接口，应用程序可以工作于多平台或多操作系统环境。通用即插即用技术是面向下一代网络(Next Generation Network，NGN)的开源、自由网络中间件，具备标准的协议与技术规范，其基本功能构架由设备端、控制端、系统服务程序三个基本单元组成。通用即插即用技术的应用范围非常大，以致足够可以实现融合现有的网络结点设备，实现各种需求的专业技术网络，包括智能家庭、网络打印、图片处理与传输、在线音/视频娱乐、智能厨房设备、移动汽车网络和公共集会场所的现场服务终端等。它可以充分利用TCP/IP基础协议和互联网功能接口，不但能对类似网络进行无缝连接(Linkage)，而且还能够控制网络设备、网络结点及在它们之间传输信息与数据。在通用即插即用网络架构中没有专用的设备驱动程序，取而代之的是普通网络通信协议。在功能框架(Framework)设计上，通用即插即用支持结点信息0设置、网络连接过程“不可见”和自动查找众多供应商提供的众多的设备的类型。换言之，一个通用即插即用设备能够自动跟一个网络连接上、并自动获得一个网络地址、传送出自己的权能并获悉其它已经连接上的设备及其权限。在此基础上，此设备能自动顺利地切断网络连接，光滑移出，并不会给网络本身及其它本地结点造成影响。

根据上述调研结果，结合工业监控网络基本需求，本发明将通用即插即用网络中间件技术引入到工业监控网络领域，实现大型工业生产现场监控设备的自适应管理与智能化链接，并结合嵌入式系统技术实现对企业监控中心服务器的即时数据服务。

本发明的有益效果主要表现在：

1)实现大型工业生产现场监控设备的自适应管理与智能化链接，并结合嵌入式系统技术实现对企业监控中心服务器的即时数据服务。

2)提高工业监控网络数据采集结点智能化水平，使工业网络的维护与易用性获得改善。

3)采样子组件设计方法，根据工业监控实际需求进行软件模块粒度刻画，具有更好地灵活性与有效性。

附图说明

图1是工业监控网络采集结点功能构架；

图2是采集结点功能模块控制信息依赖关系；

图3是采集结点构件组成与内部数据交互关系。

具体实施方式

结合附图，下面对本发明进行详细说明。

参照图1～图3，一种工业监控网络数据采集结点，基于实时多处理器系统(RealTime Executive for Multiprocessor Systems，RTEMS)平台，利用通用即插即用网络中间件，为工业监控网络中心提供自适应实时数据采集服务，所述数据采集结点包括数据采集端、显控端和数据存储端，如附图1所示。

上述方案中所涉及的RTEMS平台为可裁剪的嵌入式实时操作系统，利用其多处理机系统接口，实现对目标设备的多点并行数据采集。从体系结构上来看，RTEMS是微内核抢占式的实时系统，具有以下优点：优秀的实时性能；支持硬实时和软实时(可抢占内核)；支持优先级继承，防止优先级反转；支持单调周期调度；支持优先级高度协议；非常的稳定；运行速度快；支持多种CPU，无论是ARM、MIPS、PowerPC、i386，还是DSP、AVR、Zilog，都可以找到对应的板级支持包(Board Support Package，BSP)。通用即插即用中间件为数据采集结点与监控网络中心的自适应桥接器(Adaptive Bridger)，可实现在无网络中心监护条件下的自主网络行为，提高了监控网络构架的自适应能力与数据传输效率，降低了监控中心的管理任务负荷。其中，采集端利用多路传感器采集目标设备的物理信号，进行预处理后输送至显控端；显控端接收采集端上传的数据包，进行拆分、分析、显示，并按照用户需求传至数据存储端；数据存储端为面向工业网络监控中心的实时数据缓冲区；上述三个功能单元通过通用即插即用中间件完成数据通信与控制信息应答。

本发明采用通用即插即用技术实现上述三个功能单元数据通信与控制信息应答过程，并完成对特定数据类型的传输，如附图2所示。上述方案所涉及的特定数据类型及其技术内涵包括：

①目标设备运行状态数据此类数据的传输路径为：多路传感器采集的实时信号上传到采集端，通过网络中间件通信接口，发送到提出服务请求的显控端、数据存储端。此类数据具有较紧密的排列格式，单个数据分组的大小在千字节数量级，占整个网络监控系统数据流量的85％以上，是本发明所涉及的主体数据内容。

②目标设备参数配置数据此类数据的传输路径为：目标设备的运行状态在采集结点守护进程(Daemon)被唤醒后，在初始化时刻统一设定为启动，然后发送至采集端，再传送至数据存储端保存相应的状态变量值；采集结点在进入正常运行状态后，采集端将接收来自显控端的状态更新指令，获取当前目标设备的运行状态，并把新的状态值下传至实时数据采集硬件。此类数据的单个数据分组的大小在百字节数量级，交互频率较低，属缓变数据。此外，缓变数据还包括温度、流量、压力等对实时性要求不高的特征参数。

③通用即插即用设备服务信息此类数据包含提供通用即插即用服务的设备档案信息、服务列表与受控选项；当一个数据采集结点在任一时刻随机地加入到监控网络系统中，便可成为通用即插即用监控网络中的合法成员；该结点将自主地在整个通用即插即用监控网络中公布自己的服务信息，以期其它结点可以发现自己。此类数据的单个分组比较小，在数十字节数量级，其具体流量由通用即插即用网络物理拓扑结构的更改服务与频率决定。

④通用即插即用设备控制信号此类数据是通用即插即用网络中间件支撑的各个采集结点间的服务状态参数，用来唤醒、阻塞、挂起、撤销结点所提供的应用服务进程。该类数据分组较精小，其大小为数个字节，其流量由各结点间控制信息交互的频率决定。

根据总体技术方案与控制信息交互依赖关系，本发明所提供方案的主体功能框架利用子构件体系结构(Sub-coMponent ARchitecTure，SMART)方法实现；根据工业监控网络的基本需求，可将具体粒度构件分为必选构件与备选构件，如附图3所示。

上述方案中所涉及的必选构件有两个：数据状态采集子构件、采集网络中间件子构件，备选构件有三个：显控人机接口子构件、信号预处理与分析子构件、设备状态监控专家系统子构件组成。

其中，数据状态采集子模块是系统的底层服务构件，它调用实时多处理器系统提供的底层通讯系统接口；通信结构包括三线串口驱动、通用串行总线驱动和嵌入操作系统的工业以太网络通信驱动；根据通信数据量要求，通过上述接口中的某一种获得来自实时数据采集硬件的实时数据分组。上述操作过程中的数据分组是按照设备信号性质进行初始化，并利用通用即插即用协议进行统一封装的数据包。数据包在生成后将存放到通用即插即用缓冲区中，供采集网络中间件子构件调用，并通过消息队列方法实现采集网络中间件子构件、采集网络中间件子构件与面向设备数据采集的显控人机接口子构件之间的进程应答与同步控制。

数据状态采集子模块与外界的交互主要通过网络中间件子构件进行，它可以为显控端和数据存储端提供如下可订阅服务接口：获取参数配置请求、获得数据分组请求、修改参数配置请求、修改设备状态参数。采集网络中间件子构件如果接到显控人机接口子构件发来的获取数据分组请求信号，便从通用即插即用缓冲区中拾取实时数据分组，并将其返回给调用服务者。相反的，网络中间件子构件可以解析任何显控人机接口子构件发过来的系统参数配置表访问和修改请求，并将新参数配置表写入通用即插即用缓冲区，最后发信号给数据状态采集子构件重新设定系统数据采集的模式和系统参数的配置。上述过程中，任何对参数配置信息的修改(包括本地和远程修改)都会触发修改参数配置请求事件，从而通知所有订阅了该事件的显控端或数据存端进行相应的更新。

显控人机接口子构件作为人机接口实现对网络中间件子构件的控制与调用，采用可适用于RTEMS平台的嵌入式图形工具库MiniGUI实现，使系统更加轻便、快速。显控人机接口子构件可以从系统数据缓存中获得已经分类的实时数据进行分析和显示。系统可以直接通过显控人机接口子构件的一些显示子构件对数据缓存中的快变数据、缓变数据以及静态数据进行显示；也可以通过信号预处理与分析子构件的构件对原始数据进行某种数值运算，然后将所得的结果通过显控人机接口子构件的另一些显示子构件进行显示；还可以再通过设备状态监控专家系统子构件进行分析和判断，得出监测结果，并根据用户的具体要求驱动小型热敏打印机，输出监测结果报告。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种工业监控网络数据采集结点，其特征在于：所述数据采集结点基于实时多处理器系统平台，利用通用即插即用网络中间件为工业监控网络中心提供自适应实时数据采集服务，所述数据采集结点包括数据采集端、显控端和数据存储端；

所述的实时多处理器系统平台为可裁剪的嵌入式实时操作系统，包括用以实现对目标设备的多点并行数据采集的多处理机系统接口；

所述的通用即插即用中间件为数据采集结点与监控网络中心的自适应桥接器，实现在无网络中心监护条件下的自主网络行为；

所述的采集端利用多路传感器采集目标设备的物理信号，进行预处理后输送至显控端；显控端接收采集端上传的数据包，进行拆分、分析、显示，并按照用户需求传至数据存储端；所述的数据存储端为面向工业网络监控中心的实时数据缓冲区；所述数据采集端、显控端和数据存储端通过通用即插即用中间件完成数据通信与控制信息应答。

2.根据权利要求1所述的工业监控网络数据采集结点，其特征在于：所述数据采集端、显控端和数据存储端之间数据通信与控制信息应答过程，基于通用即插即用的应用程序接口完成对特定数据类型的传输，所述的特定数据类型及其技术内涵包括：

①目标设备运行状态数据此类数据的传输路径为：多路传感器采集的实时信号上传到采集端，通过网络中间件通信接口，发送到提出服务请求的显控端、数据存储端，此类数据具有较紧密的排列格式，单个数据分组的大小在千字节数量级，占整个网络监控系统数据流量的85％以上；

②目标设备参数配置数据此类数据的传输路径为：目标设备的运行状态在采集结点守护进程被唤醒后，在初始化时刻统一设定为启动，然后发送至采集端，再传送至数据存储端保存相应的状态变量值；采集结点在进入正常运行状态后，采集端将接收来自显控端的状态更新指令，获取当前目标设备的运行状态，并把新的状态值下传至实时数据采集硬件，此类数据的单个数据分组的大小在百字节数量级，交互频率较低，属缓变数据；

③通用即插即用设备服务信息此类数据包含提供通用即插即用服务的设备档案信息、服务列表与受控选项；当一个数据采集结点在任一时刻随机地加入到监控网络系统中，便可成为通用即插即用监控网络中的合法成员；该结点将自主地在整个通用即插即用监控网络中公布自己的服务信息，以期其它结点可以发现自己，此类数据的单个分组比较小，在数十字节数量级，其具体流量由通用即插即用网络物理拓扑结构的更改服务与频率决定；

④通用即插即用设备控制信号此类数据是通用即插即用网络中间件支撑的各个采集结点间的服务状态参数，用来唤醒、阻塞、挂起、撤销结点所提供的应用服务进程，该类数据分组较精小，其大小为数个字节，其流量由各结点间控制信息交互的频率决定。

3.根据权利要求1所述的工业监控网络数据采集结点，其特征在于：所述数据采集结点的主体功能框架利用子构件体系结构方法实现；根据工业监控网络的基本需求，将具体粒度构件分为必选构件与备选构件；

所述的必选构件有两个：数据状态采集子构件和采集网络中间件子构件，所述的备选构件有三个：显控人机接口子构件、信号预处理与分析子构件和设备状态监控专家系统子构件；

所述的数据状态采集子构件是系统的底层服务构件，它调用实时多处理器系统提供的底层通讯系统接口；通信结构包括三线串口驱动、通用串行总线驱动和嵌入操作系统的工业以太网络通信驱动；根据通信数据量要求，通过上述接口中的某一种获得来自实时数据采集硬件的实时数据分组，所述的数据分组是按照设备信号性质进行初始化，并利用通用即插即用协议进行统一封装的数据包，数据包在生成后将存放到通用即插即用缓冲区中，供采集网络中间件子构件调用，并通过消息队列方法实现采集网络中间件子构件、采集网络中间件子构件与面向设备数据采集的显控人机接口子构件之间的进程应答与同步控制，

所述的数据状态采集子构件与外界的交互主要通过网络中间件子构件进行，所述的数据状态采集子构件为显控端和数据存储端提供如下可订阅服务接口：获取参数配置请求、获得数据分组请求、修改参数配置请求和修改设备状态参数；

如果所述的采集网络中间件子构件接到显控人机接口子构件发来的获取数据分组请求信号，便从通用即插即用缓冲区中拾取实时数据分组，并将其返回给调用服务者；相反的，网络中间件子构件解析任何显控人机接口子构件发过来的系统参数配置表访问和修改请求，并将新参数配置表写入通用即插即用缓冲区，最后发信号给数据状态采集子构件重新设定系统数据采集的模式和系统参数的配置，任何对参数配置信息的修改都会触发修改参数配置请求事件，从而通知所有订阅了该事件的显控端或数据存端进行相应的更新；

所述的显控人机接口子构件作为人机接口实现对网络中间件子构件的控制与调用，从系统数据缓存中获得已经分类的实时数据进行分析和显示，通过显控人机接口子构件的显示子构件对数据缓存中的快变数据、缓变数据以及静态数据进行显示；通过信号预处理与分析子构件的构件对原始数据进行某种数值运算，然后将所得的结果通过显控人机接口子构件的另一些显示子构件进行显示；再通过设备状态监控专家系统子构件进行分析和判断，得出监测结果。

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