基于OpenWrt的机床数据监控网关设计*

李瑞轩，张卫华，李松柏，周激流

(1.四川大学 电子信息学院，成都　610064；2.四川大学 计算机学院，成都　610065)



基于OpenWrt的机床数据监控网关设计*

李瑞轩1，张卫华2，李松柏2，周激流2

(1.四川大学 电子信息学院，成都610064；2.四川大学 计算机学院，成都610065)

随着物联网技术的不断发展，传统的工业现场数据采集与互联网相结合已成为发展的必然趋势。文章提出一种基于OpenWrt的机床数据监控网关设计，该网关可直接与CAN设备、网口设备相连，对采集的数据进行处理存储，网关上部署了Web服务器，方便手机、平板电脑等智能终端对生产现场数据进行监视与控制。实际应用表明该系统具有成本低、实用性强、易于维护等优点。

OpenWrt；网关；以太网

0　引言

现如今工业革命的发展已进入第四个阶段，即基于信息物理融合系统的“工业4.0”时代。“工业4.0”[1]战略同我国的信息化和工业化深度结合理论有许多相同之处，只有将信息化的时代特征同我国的工业化历史进程紧密结合起来[2]，走出一条中国特色的可持续发展模式，才能在未来的工业化发展中占得先机。

近年来有人提出采用现场总线与以太网相结合的工业信息化方式，即在车间中通过RS232总线或CAN总线采集工业设备数据，传输并存储于大容量的工业PC机中，结合嵌入式ARM芯片开发的网关系统，使得企业管理人员可通过本地局域网查看数据[3-6]。目前这些系统中应用总线类型单一，数据共享局限于局域网内，设计成本高、应用效率相对较低。本文提出的数据监控网关系统是基于OpenWrt操作系统进行开发设计，数据端支持多种总线类型同时传输，合理利用TCP/IP协议[7-11]为基础的Internet，实现信息的跨地域共享，真正体现了工业网络信息时代的优势。

1　系统总体结构设计

图1　数据采集系统的整体框架

本文设计的机床数据采集系统的整体结构如图1所示，从车间内到车间外可划分为三层，从下到上依次为数据采集层、网关协议转换层、网络应用层。数据采集层主要由机床终端与传感器终端两部分组成。机床终端与传感器相结合将传统机床数据采集后，可根据工厂自身设备的总线属性，通过RS-232/485接口、CAN总线、以太网三种方式向智能网关传输数据。

智能网关将接收到的数据分析解包处理后，存入本地数据库，并对当前机床状态进行图表化显示，车间外的其他上位机可通过因特网对机床数据进行查询与显示。

2　系统硬件实现

2.1机床数据采集

机床数据终端是将传统机床与光栅尺、数显表相结合从而将其改造为数显机床。本设计采用恒星兴的两轴车床数显表加磨床光栅尺，实时的将机床位移数据传送到传输总线中。车间内配有湿度传感器，若发现车间环境不适合本系统工作或会对数显表等设备将造成较大误差时，能及时提醒工作人员寻找原因并改善环境。

2.2网关的硬件

本智能网关采用价格低廉、高性能的MT7620N作为核心处理器。MT7620N芯片不仅拥有性能高、低功耗的优势，并具有高性能硬件NAT能力，为了满足大数据量的处理需求，系统设计采用64M DDR内存，以及16M 的FLASH空间的 M13S5121632A 芯片作为存储芯片。还设置了一些选择性接口，以支持各种应用，诸如USB端口，用于访问外部存储器等。

如图2所示，本网关提供了一个WAN接口，以实现广域网的通信，及4个LAN接口用于本地局域网用户之间的互联，一对3dBi天线实现无线通信功能。同时，提供一个CAN总线接口与一个UART接口，完成CAN总线间数据传输及串口调试功能。USB2.0 Host接口可提供U盘等外部存储设备读取数据功能，以便故障时实现数据的保存，最大可支持32G的外部存储设备。外部液晶显示屏可实时的显示本网关的工作状态及当前各机床终端的实际数据。

图2　网关设计原理

3　系统软件设计

3.1网关的功能软件任务框架

本文网关需要用到网络通信协议、图形化界面显示库、USB2.0等外部存储通信协议，因此，必须选择合适的操作系统。本网关采用了一个基于linux内核的路由器操作系统—OpenWrt，OpenWrt具备强大的网络组件和扩展性，OpenWrt系统可编程，选用OpenWrt系统搭建服务器，整个网络可按照实际需求自定义功能，因此本系统被广泛应用于网络通信领域。本设计所需的所有软件开发模块都在本系统上开发运行。

根据对实际应用的分析，本网关需要实现以下五部分功能：

(1)数据采集功能：本网关负责将通过RS232/485协议、CAN协议、TCP/IP协议传送的过来的数据进行处理，提取出实际有效数据。

(2)本地存储功能：将传送的有效数据保存至本地内存，当网关网口设备出现故障时，将数据保存到本地存储设备，极大限度地降低数据丢失的发生率。

(3)独立处理数据能力：本网关接收各协议的数据后，可对有效数据进行适当分析处理，为后面与其他智能终端通信及显示做准备。

(4)与智能终端进行通信：其他智能终端设备可通过互联网访问本地设备，进行查询机床数据以及网关的工作状态。

(5)界面显示功能：本功能负责为用户提供可视化界面，方便使用者实时查看机床的工作状态数据。

3.2系统软件的实现

本网关的网络协议层次模块如图3所示，主要由CAN网络数据接口处理模块、TCP/IP网络接口模块、数据界面显示模块。

图3　网关的网络协议层次

本网关中涉及的CAN总线采用工控领域常用的低速-容错CAN 即ISO11898-3协议，在总线中按帧的形式进行数据传输，CAN总线的帧格式如图4所示，由一字节帧信息与四个字节的帧ID， 0至8个字节的帧数据组成。帧信息的前四位为校验位，后四位数值代表实际有效传输数据的长度，实际应用中帧ID存放的为设备地址。经过封装后的CAN帧，传至应用层管理进程后，经过解析处理后转存到本地存储设备中，同时另一个进程通过TCP/IP将数据传至互联网。

图4　CAN帧字节结构

TCP/IP网络接口模块主要作用为处理网口型数据采集器传送至本网关的数据，以及将应用层处理后数据按帧的格式经TCP/IP协议进行网络传输。由于本网关设计是基于OpenWrt操作系统，对应的物理层、数据链路层、网络层可由对应的网卡驱动程序等完成，所以只需关注应用层相关模块的具体设计。各网络层次内数据传输格式如图5所示，一个TCP/UDP帧由若干个CAN帧组成。

图5　各网络层次内的数据传输形式

数据界面显示模块是将已有数据及其结构关系通过图表或曲线等更直观的方式展现在人们面前。

4　实际应用

本设计的实际工作环境为车床车间，对应的网络通信负载不大，而且实时性要求较高， UDP协议具有消耗资源少、传输速度快、效率高的优点。本文采用UDP-IP作为底层数据传输协议，充分利用UDP协议上述优点外，采用文献[12]中所述的通过结合ARQ方式、拥塞控制算法、数据校验算法等制定的通信协议，保证UDP传输数据的可靠性。

应用层采用OpenWrt下的socket编程来实现网络通信，数据同样按之前定义的CAN协议格式进行传输。现如今的网络TCP/IP协议和Socket套接字融合，使得本软件设计具备良好的工业实用性。

图6　数据分析处理程序流图

具备以太网口的机床，其步进数据通过套接字与本网关实现通信的具体流程主要有定义套接字、初始化套接字、设置监听模式、等待请求、建立连接、接收数据、分析处理数据、存储与显示。分析处理数据具体程序实现流程如图6所示，读取数据帧中的帧ID信息，得到相应的设备ID，遍历链表查找指定ID，若存在则提取出对应的有效数据，存入对应的队列，若没有找到相应ID，则新建链表对应ID的节点，有序数据存入相应队列，然后重复等待数据接收。

本网关提供多种设备查看模式，智能终端可通过网页模式访问，同时还设计了相应的应用软件，智能终端通过该应用软件可查看各个机床的实际位移，图7为机床的动态中的两个界面。显示的为机床1在2014年10月30日的相应工作情况，界面刷新周期为min。

图7　运行显示界面

5　结束语

本文基于机床数显平台和OpenWrt操作系统，提出了一套集数据采集、分析处理、图形化及因特网访问为一体的智能化数据监控网关，本网关的设计框架为机床等工业设备实现物联网提供了极佳的方案及思路，通过相应的主要部分的硬件和软件介绍，可以得知本设计具有可靠稳定、兼容性好、成本低廉、结构简单等特点。本网关可将普通机床升级实现数显化、智能化和信息化功能，同时，在本网关的基础上可以进一步开发移动终端应用设计，比如基于4G的可视化告警通话、工业安防等，都具有广阔的工业应用前景。

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[12]石文孝,万文尧. Linux环境下基于UDP的远程数据库备份系统[D].长春:吉林大学,2013.

(编辑李秀敏)

Designing of a Machine Data Gateway Based on OpenWrt

LI Rui-xuan1, ZHANG Wei-hua2, LI Song-bai1, ZHOU Ji-liu2

(1.College of Electronic & Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610064, China;2. College of Computer Science, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

With the continuous development of Ethernet, it is an inevitable development trend to combine traditional industrial field data collection with Internet. In this paper, a design of machine data gateway based on OpenWrt was proposed. The designed gateway can be directly connected with the CAN and network interface devices, to process and restore collected data. The designed gateway, with Web server equipped, makes it convenient to monitor and control the data on the Spot of Production by smart terminals such as cellphones and Tablet PC. Practical application shows that the proposed system has advantages such as costs, practicability, and maintainability.

OpenWrt; gateway; ethernet

1001-2265(2015)11-0055-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.016

2014-12-18;

2015-01-15

四川省科技支撑项目(2012RZ0005)

李瑞轩(1989—)，男，河北廊坊人，四川大学硕士研究生，研究方向为嵌入式系统设计、物联网，(E-mail)lrxhappy2008@163.com。

TH166;TG506

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