物联制造技术框架研究与实现

潘俊虹 余文森 焦金涛

(1. 武夷学院数学与计算机学院， 福建 武夷山 354300; 2. 认知计算与智能信息处理福建省高校重点实验室， 福建 武夷山 354300; 3. 苏州大学计算机科学与技术学院， 江苏 苏州 215006)

物联制造技术框架研究与实现

潘俊虹1，2余文森1,2,3焦金涛1,2

(1. 武夷学院数学与计算机学院， 福建 武夷山 354300; 2. 认知计算与智能信息处理福建省高校重点实验室， 福建 武夷山 354300; 3. 苏州大学计算机科学与技术学院， 江苏 苏州 215006)

针对物联制造系统可移植性和复用性差的问题，进行物联制造技术框架研究。提出由感知识别、网络传输、管理服务、综合应用等四大模块构成的物联制造技术框架，给出了可复用、易移植、易扩展的原型系统。该框架结合了物联网体系层次化和嵌入式系统软硬件构件化的设计思想及抽象系统共性元素，融合了微控制器编程、Web应用程序开发等技术，缩短了开发周期，开发效率大幅提升。

物联制造； 构件化； 技术框架； 原型系统

物联制造是一种新型制造和信息服务模式，融合了感知识别技术、嵌入式技术、网络通信技术等电子信息技术与制造技术，可实现对制造环境、资源与产品等信息的动态感知、智能处理与智能控制[1]。目前，物联制造系统大多为特定项目专用，系统的可移植性和复用性相对较差。开发过程涉及核心单元的微控制器品目繁多，且应用需求也各不相同。若要开发新系统，则需要重新设计，存在开发周期拉长、成本增加等一系列问题[2]。

设计良好的技术框架不仅能提高软硬件构件的可复用性、可移植性和可扩展性，也符合包括嵌入式技术、软硬件构件技术和信息融合技术不断发展的趋势。本次研究从嵌入式硬件选型设计、数据的上下行流程设计和无线传感器网络节点编程、网关、服务监听和Web应用程序设计等方面进行了功能抽象设计和任务划分,并提供了可快速开发应用的原型系统。

1 技术框架总体设计

1.1 设计思路

从物联网角度来说,物联网应用系统通常可分为感知识别、网络传输、管理服务和综合应用4个层次[3]。依据物联网4个层次的划分，将物联制造技术框架分为感知识别控制、E-W(Ethernet-WSCN，以太网-无线传感网)网关、系统监听及Web综合应用4个组成模块。这4个模块并非和物联网框架完全一一对应，而是根据本框架特点作出定义。图1所示为物联网各层与物联制造技术架构对应关系图。

图1 物联网各层与物联制造技术架构对应关系图

1.2 数据事务流程

根据物联制造系统数据流通的双向性，抽象出数据事务的概念，将数据流分成上行数据事务和下行数据事务[4]。上行数据事务是指，从WSCN(wireless sensor & control network,无线传感器网络)节点传感器采集数据，按照通信协议以无线方式发送至E-W网关，网关利用互联网将数据上传至远程服务器，运行在服务器中的系统监听程序将收到的数据存入数据库中，远程人机交互程序则可根据具体需求读取数据库，以友好的界面显示数据。下行数据事务则是指，人机交互程序通过E-W网关向WSCN节点下达命令，同时命令数据也会被存入数据库，由系统监听程序从数据库中获取命令信息并通过E-W网关远程无线发送至目标WSCN节点执行。图2所示为数据事务流程示意图。

图2 数据事务流程示意图

2 感知识别控制模块

感知识别控制模块是包括各种类型的传感器、控制器和具有一定计算能力、无线通信能力的节点(WSCN节点)，在物联制造框架中处于最底层位置。其主要职责是，负责实时采集各种终端数据并进行加工处理，通过短距离现有或自组无线网络和网关进行上行、下行的双向数据通信。

2.1 硬件要素分析与选型

感知识别控制硬件包括5大组成部分：感知模块、微控制器模块、无线通信模块、控制模块和电源模块[5]。其中，感知模块用来采集外部世界的环境信息并转换成电信号；微控制器模块是整个感控模块的最核心部分，包含CPU、存储器、IO接口等，具

有一定的信息处理能力，主要是对感知模块采集的数据进行初步处理，同时负责感控模块的任务调度等事物；无线通信模块能与外部设备进行通信，负责进行信息的发送和接收；电源模块则为以上各个模块的工作提供能源供应。

感控模块对应一组WSCN节点，WSCN节点硬件性能必须符合以下基本条件：低功耗和低成本；接口丰富；抗干扰能力强；有一定数据处理和存储能力。我们选用了NXP公司于2014年正式推出的MKW01Z128(KW01)芯片，芯片内部集成了KL26微控制器，和SX1231无线收发器，运行速率高达48 MHz，拥有128KiB Flash和16KiB SRAM，可提供模块功能有RF、16位模数转换器和12位数模转换器)、UART、IIC、SPI等，是一款面向物联网应用的超低功耗微控制器，在功能模块、能耗成本等方面都能较好地满足技术框架的基本要求。

2.2 WSCN节点软件编程

WSCN节点软件的可重用性是缩短物联制造系统的开发周期和提高软件质量的关键因素。WSCN节点主要功能包括数据采集、数据转发、数据解析处理以及控制执行等。 按照软件分层的思想，将节点软件程序划分为软件构件层、通信协议层和应用层。软件构件层主要负责初始化MCU各模块和芯片寄存器；通信协议层负责数据的解帧和组帧操作；应用层根据通信协议层解析对命令字进行判断并执行相应的操作。

基于WSCN节点程序的可复用性考虑，使用免费开源实时嵌入式操作系统MQXLite的简化版，搭建了基于KW01的WSCN节点的软件工程框架。使用实时嵌入式操作系统(RTOS)有利于将复杂的系统功能问题分解成独立性较强高的各项任务。经过合理的任务划分，能够使程序设计更加清晰、高效。WSCN节点按照接收数据、发送数据等不同子任务来工作,因此编程的重点就是根据WSCN节点的基本功能，按照构件化的原则设计不同的且相互独立的任务。表1所示为WSCN节点任务列表。

表1 WSCN节点任务列表

2.3 WSCN节点软件可复用可移植性分析

考虑到硬件平台的多样性和编程框架的通用性， 保留了MQXLite模板的前8个目录不变。在整个工程框架中，这些文件均与实际项目无关。如果不改变硬件，那么这些文件夹则无需改动。不同应用的需求和功能有所不同，数据采集和控制对象也有所区别。目录中的2个任务TASK_HANDLE 和 TASK_AD，其作用是将采集到的信息转换成对应的实际物理量，需依据传感器类型而定。同时，可以在通信格式中添加项目所需的命令字和内容，依据定义的通信协议对命令字和命令内容分别进行处理，并在文件夹中的中断服务例程按照实际需要进行设计和注册。在实际项目中可以根据功能需要添加自己的新任务。

3 E-W网关模块

E-W网关模块实现物联制造异构网络的互联，具备网络接入、通信格式转换、数据转发及处理等功能，是连接感知网络与传统通信网络的纽带，在物联制造框架中处于中间层位置。E-W网关将感知识别层发来的信息数据按照标准格式进行统一封装，把各类感知网络通过协议转换接入到传输网络，同时也将上层下达的指令解析成感知网络格式指令，使得感知网络和上层互联网络之间形成统一的数据和信令，保证整个系统内信息传送的准确流畅。

3.1 网关硬件分析与选型

E-W网关由主控模块、以太网接口模块、数据转发模块和电源模块组成。主控模块不仅需要具备一定的数据处理能力，且要协调网关的相关模块工作，是网关的核心模块。数据转发模块负责网关和下层WSCN节点通信；以太网接口模块负责网关和上层互联网之间的连接；电源模块为各模块提供能源支持。图3所示为网关模块硬件组成结构图。

图3 网关模块硬件组成结构图

考虑芯片引脚、存储器资源以及接口功能、运行速度以及稳定性方面的因素，网关主控芯片选用NXP公司的Kinetis K64芯片，K64内置DSP处理器和单精度浮点单元，片上集成了1MB Flash和256KB SRAM，最多支持6路串口，3路SPI和1路CAN，芯片还支持通过Flexbus总线外扩SRAM，NOR Flash或者总线接口的以太网控制器芯片。能较好地适应网关主控模块的功能需求。

为了便于和WSCN节点进行通信，网关无线转发模块同样选用KW01作为转发通信芯片。

以太网模块选用多功能“串口转以太网”转换器TCP232-E5模块。TCP232-E5模块是一款实现TCP或UDP数据包与串口数据透明传输的设备，内部集成TCPIP协议栈，向上提供10100M以自适应太网接口，向下提供1个标准RS232串行口，通讯参数可通过多种方式予以设置。该模块具有功耗低、速度快、稳定性高等特点。以太网模块通过串口与主控模块进行通信，引脚4作为串口接收端，引脚5作为串口发送端。

3.2 网关软件编程

E-W网关软件工程框架同样采用上文WSCN节点软件框架，其特点不再赘述。表2 网关主控模块任务列表。网关转发KW01节点程序任务划分大致与WSCN节点一致，只是少了对终端节点所收数据的处理和回发机制。

表2 网关主控模块任务列表

3.3 E-W网关软件可复用可移植性分析

网关软件编程包含主控芯片程序和转发节点程序两部分。其中，转发节点采用的是和WSCN节点相同的KW01芯片，因此可复用性可参照所述内容。而主控芯片K64所使用的是与转发节点相同的基于MQXLite操作系统的软件框架。在前8个目录中，对于不同项目需求复用E-W网关软件框架时，无须关注框架中那些通用部分，而是仅对task_uart5_send和 task_enet_deframe进行相应的解析，即在互联网和无线传感器网络之间进行数据传送。在程序涉及的通信格式中增加相应的命令字和命令内容，且文件夹中的中断服务例程也要根据实际需要进行设计和注册。最后应注意的是宏定义部分，必须依据实际情况重新定义IP地址和端口号。

4 系统监听模块

系统监听模块在物联制造框架中是一个运行在服务器端的程序(monitor)，主要作用是接收和处理由E-W网关转发来的数据，同时将从Web应用层发来的指令转发给E-W网关，在整个技术框架中处于中间层，是网关与数据库、人机交互软件的通信媒介。

4.1 monitor程序设计

monitor程序传输分为上行和下行方向。monitor程序采用多线程异步 socket 机制，使得服务器的同一个端口可以与多个E-W网关进行通信。根据软件分层的设计思想，从逻辑业务上将系统监听模块划分为网络通信层、数据处理层和应用层[6]。图4所示为监听(monitor)程序逻辑层次图。

图4 监听(monitor)程序逻辑层次图

4.2 monitor程序可复用性分析

网络通信层负责建立或者关闭网关与monitor程序之间的连接以及两者之间的数据交互，与用户需求和通信协议均无关联，因此在复用 monitor程序时，该层内容无需任何改动即可直接使用。

数据处理层负责处理网关和系统监听模块之间、人间交互软件与系统监听模块之间的交互数据，对数据进行提取分析、组帧等操作。不同项目的需求差异会产生通信协议中命令字有所变化等问题，因此，数据处理层处理程序也需要进行相应的修改，但也仅需按照新的命令字处理数据即可，其他则无需变动。

应用层负责根据不同应用场景对应的不同解决方案对信息做进一步的处理，与具体的项目直接相关。若用户提出新需求，其他2层不需变动，仅需修改本层便可实现功能的变更。monitor程序工程框架物理组织和逻辑组织一致，简洁易懂，且严格遵循软件工程基本思想，结构清晰、内容安排合理，具有易移植、易扩展的特点。

5 Web综合应用模块

综合应用模块是人机交互的接口，主要是以友好的图形化界面为用户提供各种管理与系统维护等功能。 采用ASP.NET构建了一个通用简易的Web应用程序，按照微软的定义，Web系统框架可分为四个层次：实体层(ML)、表示层(UI)、业务逻辑层(BLL)、数据访问层(DAL)[7]。表示层的功能是展现给用户界面，是用户与系统的接口；业务逻辑层的功能是根据具体问题，对数据业务逻辑进行处理；数据访问层的功能是直接操作数据库，实现对数据的增、删、改、查操作等。各层之间严格分层，不允许跨层访问 。图5 所示为Web应用程序四层架构图。

图5 Web应用程序四层架构图

为了验证技术框架的正确性和可行性，我们通过Web应用程序发送了一组数据帧并添加新的命令字进行了通路测试。实验将一组数据发送至WSCN节点，并实现加1操作后通过E-W网关回传至服务器，并在Web页面显示。图 6 所示为物联制造技术框架通路测试界面。结果表明整个技术框架数据传送通畅、运行良好。在实际应用中技术框架和特定项目无关，且在物联制造系统当中，命令及数据的执行和传送流程基本都遵循着相同的规律，只需将据采集模块和设备控制模块来替代通路测试模块，再根据需要参照上述测试模块进行相应修改即可。因此，该技术框架具备了较好的可复用性、易移植性和可扩展性。

图6 物联制造技术框架通路测试界面

6 结 语

采用物联网体系层次化和软硬件构件化的设计思想，合理划分构件化的功能模块，设计了一种可复用、易移植和易扩展的物联制造技术框架，并给出了一个物联制造原型系统实例。实验证明，技术框架能较好地实现信息的上传下达，构件化和通用性的设计提高了物联制造系统的开发效率，缩短了开发周期，为物联制造系统的实现提供了一种新的思路。

[1] 侯瑞春，丁香乾，陶冶，等.物联制造及相关技术架构研究[J].计算机集成制造系统，2014，20(1): 12.

[2] 薛燕红.物联网体系架构及其关键技术探讨[J].陕西理工学院学报(自然科学版)，2013，29(3):18-22.

[3] 孙其博，刘杰.物联网概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010，33(3):1-3.

[4] 范宁宁 .基于WSCN与E_Ethernet相结合的远程测控系统框架研究[J].现代电子技术，2016(5):54-55.

[5] 江峰.构件化嵌入式系统的研究与开发[D].杭州：浙江大学，2004:16.

[6] 潘启勇，王宜怀.互联网智能制造技术框架研究[J].常熟理工学院学报(自然科学版)，2016(4):77-78.

[7] 宋波，赵永翼，张悦，等.一种规范Web开发框架的研究与实现[J].微电子学与计算机，2007，24(7)：201-203.

Research and Implementation of Technical Framework of Internet of Manufacturing

PANJunhong1,2YUWensen1,2,3JIAOJintao1,2

(1.School of Mathematics and Computer Science, Wuyi University, Wuyishan Fujian 354300, China; 2.Key Laboratory of Cognitive Computing and Intelligent Information Processing of Fujian Education Institutions, Wuyishan Fujian 354300, China; 3.School of Computer Science and Technology, Soochow University, Suzhou Jiangsu 215006, China)

The internet of manufacturing system is poor in portability and reusability, so the internet of manufacturing technology frame is studied. A framework for manufacturing technology of four modules, such as perception and recognition control, is presented. It is related to a prototype system, with reusable, easy to transplant and extensible as its features, combined with system hierarchy of the internet of things, embedded system based on software and hardware componentization, and common elements of abstract system. Technology like microcontroller programming and web application development is applied in the technical framework, which can improve the development efficiency and shorten the development cycle.

internet of manufacturing; componentization; technical framework; prototype system

2017-03-22

福建省科技厅自然科学基金项目(2015J01669)；福建省教育厅科技项目(JAT160521)；武夷学院校科研基金项目(XD201506)

潘俊虹(1980 — )，男，硕士，讲师，高级工程师，研究方向为嵌入式系统、物联网技术。

TP393

A

1673-1980(2017)04-0091-05