蘇憲利,鄭一麟

(1．渤海大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121013；2．中國科學(xué)院 沈陽計(jì)算技術(shù)研究所，沈陽110068)

基于RT-thread的機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

蘇憲利1,鄭一麟2

(1．渤海大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121013；2．中國科學(xué)院 沈陽計(jì)算技術(shù)研究所，沈陽110068)

針對機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中多緊急度數(shù)據(jù)調(diào)度的要求和數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定性的要求，在機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中采用了RT-thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過對mailbox進(jìn)程通信機(jī)制的改進(jìn)，滿足了數(shù)據(jù)優(yōu)先級調(diào)度的需求，提高了系統(tǒng)對緊急數(shù)據(jù)優(yōu)先處理的能力。通過采用socket通信技術(shù)，滿足了網(wǎng)絡(luò)重負(fù)載通信的要求，在硬件上采用了ARM Cortex-M3處理芯片和W5100網(wǎng)絡(luò)通信芯片。通過實(shí)驗(yàn)仿真，證明了本系統(tǒng)大幅度提高了機(jī)床數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和可調(diào)度性。

數(shù)據(jù)調(diào)度；郵箱模型；socket

0 引言

機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]在機(jī)床領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，通過將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床數(shù)據(jù)的采集和傳輸。機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是對傳統(tǒng)的機(jī)床信息采集技術(shù)的有益補(bǔ)充[2]，對于不能直接通過機(jī)床控制系統(tǒng)自身獲取的機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，可以由機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行獲取，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給診斷系統(tǒng)或CNC系統(tǒng)，對診斷系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)起到數(shù)據(jù)支持的作用。

根據(jù)機(jī)床數(shù)據(jù)獲取的實(shí)際需求，在機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集通常采用溫度傳感器[3]、振動傳感器、壓力傳感器等傳感設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚后通過匯聚節(jié)點(diǎn)傳送給診斷系統(tǒng)或CNC系統(tǒng)。在實(shí)際的機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)了以下問題。

(1)根據(jù)工業(yè)要求采集到的數(shù)據(jù)被分為報(bào)警數(shù)據(jù)和普通數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中傳輸和處理時(shí)就產(chǎn)生了不同傳送和處理緊急度的要求，報(bào)警數(shù)據(jù)需要進(jìn)行優(yōu)先傳送和處理，因而產(chǎn)生了數(shù)據(jù)調(diào)度的問題。

(2)由于傳感器設(shè)備數(shù)量的增加和采集頻率的提高，機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信量在大幅度的上升，因此產(chǎn)生了大數(shù)據(jù)量、快速通信的要求。

為了解決上述問題，本文提出建設(shè)一套基于RT-thread操作系統(tǒng)的機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送、處理的科學(xué)調(diào)度和大數(shù)據(jù)快速網(wǎng)絡(luò)通信的處理。

1 機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成對機(jī)床數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸工作，所以在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了感知層、匯聚層和應(yīng)用層，感知層使用的主要設(shè)備有溫度傳感器、振動傳感器，感知層設(shè)備完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。匯聚層使用的主要設(shè)備為匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)。應(yīng)用層完成數(shù)據(jù)分析、處理和反饋控制。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)中溫度(振動)傳感節(jié)點(diǎn)完成溫度(振動)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，并接收來自匯聚節(jié)點(diǎn)傳來的反饋控制數(shù)據(jù)。溫度傳感節(jié)點(diǎn)采用了cc2430無線通信模塊通過zigbee協(xié)議與匯聚節(jié)點(diǎn)通信。匯聚節(jié)點(diǎn)完成傳感節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)的處理、調(diào)度，并轉(zhuǎn)發(fā)給診斷系統(tǒng)，接收診斷系統(tǒng)發(fā)來的反饋控制命令并轉(zhuǎn)根據(jù)控制需求轉(zhuǎn)發(fā)給傳感節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)采用cc2430芯片和zigbee協(xié)議完成與傳感節(jié)點(diǎn)通信，采用w5100以太網(wǎng)網(wǎng)卡模塊和TCP協(xié)議通過工業(yè)以太網(wǎng)完成與診斷系統(tǒng)通信。診斷系統(tǒng)從以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)分析結(jié)果產(chǎn)生反饋控制，將控制命令通過TCP協(xié)議發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能和性能的需求，本系統(tǒng)在匯聚節(jié)點(diǎn)上采用RT-thread操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝(解封)處理、數(shù)據(jù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)通信和硬件設(shè)備管理功能。下面將進(jìn)行RT-thread在匯聚節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用的討論，其中對數(shù)據(jù)調(diào)度算法的改進(jìn)是本文的重點(diǎn)。

2 匯聚節(jié)點(diǎn)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，匯聚節(jié)點(diǎn)在硬件結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)為通過cc2430芯片采用zigbee協(xié)議與傳感節(jié)點(diǎn)通信，通過W5100芯片采用tcp協(xié)議完成與與診斷系統(tǒng)的通信。

在功能上匯聚節(jié)點(diǎn)需要完成數(shù)據(jù)接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)工作，匯聚節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)來源有兩種，一種是由多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)通過cc2430發(fā)來的具有不同緊急度的數(shù)據(jù)，一種是由診斷系統(tǒng)通過w5100發(fā)來的反饋控制數(shù)據(jù)。因此數(shù)據(jù)接收功能需要完成zigbee通信和tcp通信管理。數(shù)據(jù)處理功能需要完成兩部分工作內(nèi)容，一部分是根據(jù)數(shù)據(jù)的緊急度完成發(fā)送順序的調(diào)整和控制，也就是數(shù)據(jù)調(diào)度。另一部分是按約定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行tcp封裝和解封。

根據(jù)對匯聚節(jié)點(diǎn)功能的分析，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為在RT-thread操作系統(tǒng)中采用多線程機(jī)制[4]、中斷機(jī)制和mailbox機(jī)制完成數(shù)據(jù)處理和調(diào)度，采用LWIP協(xié)議棧[5]機(jī)制完成以太網(wǎng)通信管理，采用zigbee技術(shù)完成無線通信管理。因此在RT-thread中設(shè)計(jì)了兩道線程，一道線程是轉(zhuǎn)發(fā)控制線程，完成數(shù)據(jù)從郵箱讀取和向以太網(wǎng)發(fā)送工作，該線程具有低優(yōu)先級。另一道是管理線程，完成tcp通信初始化和socket通信管理，該線程具有高優(yōu)先級。為了保證數(shù)據(jù)調(diào)度功能的優(yōu)先進(jìn)行，單獨(dú)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)調(diào)度處理函數(shù)，該函數(shù)在中斷處理函數(shù)中被調(diào)用執(zhí)行。匯聚節(jié)點(diǎn)工作原理如圖2所示。

圖2 匯聚節(jié)點(diǎn)工作原理

RT-thread系統(tǒng)開始工作時(shí)完成系統(tǒng)初始化工作[6]，包括系統(tǒng)核心硬件設(shè)備驅(qū)動、系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定和線程的創(chuàng)建。之后由管理線程[7-8]進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備w5100初始化和socket通信初始化，在初始化完成后該線程進(jìn)入掛起狀態(tài)，當(dāng)socket監(jiān)聽有數(shù)據(jù)到來時(shí)喚醒該線程并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后轉(zhuǎn)發(fā)控制命令給cc2430。當(dāng)cc2430接收到傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷處理程序，中斷處理程序調(diào)用數(shù)據(jù)調(diào)度函數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行郵箱寫入，中斷返回后喚醒轉(zhuǎn)發(fā)控制線程讀取郵箱進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝和轉(zhuǎn)發(fā)。

3 改進(jìn)式mailbox線程通信機(jī)制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

RT-thread中的mailbox是一種輕量級進(jìn)程通信機(jī)制[9]，具有控制簡單、開銷低和運(yùn)行效率高的特點(diǎn)，傳統(tǒng)mailbox進(jìn)程通信機(jī)制中采用了如圖3所示的控制方法。

圖3 mailbox機(jī)制原理圖

其中郵箱是一個(gè)順序循環(huán)操作隊(duì)列，out_offset為出口偏移位置，in_offset為入口偏移位置，entry為郵箱中當(dāng)前存放郵件的數(shù)量，size為郵箱長度即圖中n+1，每個(gè)郵件大小固定為4字節(jié)，郵箱大小為size×4字節(jié)，其中郵箱長度可由設(shè)計(jì)者自行設(shè)定，郵箱的寫入可以由線程或中斷程序完成，郵箱的讀取只能由線程完成。in_offset、out_offset初始時(shí)都指向郵箱0號位置，增長方向?yàn)?至n方向，entry初始值為0，郵箱寫入后in_offset增加1，向右移動，entry加1，郵件讀出后out_offset增加1，向右移動，entry減1，當(dāng)in_offset、out_offset到達(dá)郵箱右端點(diǎn)時(shí)，再次發(fā)生寫入和讀取操作后in_offset、out_ffset重新指向郵箱0號位置。當(dāng)郵箱空時(shí)即entry等于0，郵箱讀取線程被掛起(當(dāng)該線程timeout設(shè)置為0時(shí)則直接返回超時(shí)錯(cuò)誤)，郵箱讀取線程由郵箱寫入操作喚醒。當(dāng)郵箱滿時(shí)即entry等于size，郵箱寫入線程被掛起(當(dāng)該線程timeout設(shè)置為0時(shí)則直接返回郵箱滿錯(cuò)誤)，由郵箱讀出操作喚醒。由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為了保證數(shù)據(jù)調(diào)度操作的最高優(yōu)先級采用了由中斷處理程序調(diào)用數(shù)據(jù)調(diào)度函數(shù)完成郵箱的寫入，由轉(zhuǎn)發(fā)控制線程完成數(shù)據(jù)的封裝和發(fā)送，因此本系統(tǒng)中沒有郵箱寫入線程。

在本系統(tǒng)中，傳感器上傳的數(shù)據(jù)由傳感節(jié)點(diǎn)在上傳前根據(jù)數(shù)據(jù)閾值設(shè)定了數(shù)據(jù)的優(yōu)先級。上傳數(shù)據(jù)共具有兩種優(yōu)先級，一種是低優(yōu)先級數(shù)據(jù)即普通數(shù)據(jù)，是指傳感節(jié)點(diǎn)上傳的未達(dá)到報(bào)警閾值的數(shù)據(jù)。另一種是高優(yōu)先級數(shù)據(jù)即報(bào)警數(shù)據(jù)，是指傳感節(jié)點(diǎn)上傳的到達(dá)或超過報(bào)警閾值的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行的規(guī)則為，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)到達(dá)后根據(jù)FIFO策略進(jìn)行郵箱寫入和轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)有高優(yōu)先級數(shù)據(jù)到達(dá)后，需立即停止低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的傳送，改為傳送高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，而在傳統(tǒng)的mailbox機(jī)制中是數(shù)據(jù)寫入和讀取是順序循環(huán)工作進(jìn)行的，無法完成不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳送順序調(diào)整和控制的要求，因此本文提出一種改進(jìn)式mailbox進(jìn)程通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)按需求進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)控制。改進(jìn)式mailbox工作原理如圖4所示。

圖4 改進(jìn)式mailbox工作原理

圖4a圖是當(dāng)普通數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)改進(jìn)式mailbox的處理過程：

①當(dāng)有第k個(gè)普通數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，中斷程序分析該數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)為低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，則判斷郵箱是否為滿，如為滿立刻執(zhí)行中斷返回，該數(shù)據(jù)丟失。否則找到in_offset指針位置，in_offset指針當(dāng)前指向第m號郵箱。

②將第k個(gè)普通數(shù)據(jù)復(fù)制到該位置，對in_offset進(jìn)行加1操作，in_offset指針指向第m+1號郵箱，entry加1。

③中斷返回后由轉(zhuǎn)發(fā)控制線程找到out_offset指針位置，當(dāng)前指向第j號郵箱，將該郵箱的內(nèi)容封裝發(fā)送，out_offset指針加1，entry減1。

當(dāng)out_offset或in_offset指針指向郵箱最后一個(gè)位置時(shí)，再次發(fā)生指針加1操作時(shí)將把該指針指向第0號郵箱位置。

圖4b圖是當(dāng)有高優(yōu)先級數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)改進(jìn)式mailbox的處理過程，這是本文重點(diǎn)改進(jìn)的內(nèi)容。

①當(dāng)有高優(yōu)先級數(shù)據(jù)到達(dá)，中斷程序分析該數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，直接找到out_offset指針位置，此處不進(jìn)行郵箱滿的判斷，out_offset指針當(dāng)前指向第t號郵箱，in_offset 指針指向第i個(gè)郵箱。

②對out_offset進(jìn)行減1操作，out_offset指針指向第t-1號郵箱，將高優(yōu)先級數(shù)據(jù)放進(jìn)第t-1號郵箱，判斷當(dāng)entry小于size時(shí)，執(zhí)行entry加1，否則執(zhí)行in_offset等于out_offset。此操作用于保證后續(xù)的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)能寫在空郵箱位置上。

③中斷返回后由轉(zhuǎn)發(fā)控制線程找到out_offset指針位置第t-1號郵箱，將該郵箱的內(nèi)容封裝發(fā)送，out_offset指針加1，entry減1。繼續(xù)恢復(fù)正常發(fā)送。

當(dāng)out_offset指針指向第0號郵箱時(shí)，再次發(fā)生減1操作則將該指針指向最大編號郵箱即第n號郵箱。

由于傳統(tǒng)mailbox機(jī)制中每個(gè)郵箱的大小為4個(gè)字節(jié)，在本設(shè)計(jì)中采用郵箱存放變量地址的方法，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的存儲和發(fā)送。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)如下：

struct datamsg

{

uint8_t * data_prt;

unit8_t data_pro;

unit32_t data_size;

};

其中data_prt為指向該結(jié)構(gòu)體變量的指針，data_pro為本條數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，data_size為本條數(shù)據(jù)的長度。

算法改進(jìn)分析：

(1)當(dāng)高優(yōu)先級數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，采用了對out_offset進(jìn)行減1操作而不是操作in_offset是因?yàn)閛ut_offset指向即將被讀取郵件的位置，所以out_offset-1指向位置的數(shù)據(jù)應(yīng)該是已經(jīng)讀取完成的，對out_offset-1指向位置進(jìn)行寫入不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)在中斷返回后將立刻由轉(zhuǎn)發(fā)控制程序讀取out_offset指向位置的數(shù)據(jù)(此時(shí)為高優(yōu)先級數(shù)據(jù))進(jìn)行發(fā)送，從而完成高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的優(yōu)先發(fā)送。

(2)當(dāng)高優(yōu)先級數(shù)據(jù)是不連續(xù)偶發(fā)性出現(xiàn)時(shí)，該操作只是將out_offset進(jìn)行減1，隨后郵箱讀取線程將讀取位置郵箱的內(nèi)容發(fā)送，并進(jìn)行out_offset加1，此時(shí)out_offset恢復(fù)成為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)到達(dá)前的值，恢復(fù)到正常數(shù)據(jù)的收發(fā)過程。

(3)當(dāng)高優(yōu)先級數(shù)據(jù)連續(xù)到達(dá)時(shí)，就會出現(xiàn)不斷的執(zhí)行out_offset減1操作，最壞的一種可能是經(jīng)過n+1個(gè)連續(xù)中斷后out_offset值比原始值小1，也就是全部郵箱都被高優(yōu)先級數(shù)據(jù)寫滿，并產(chǎn)生了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)間覆蓋，由于本算法中中斷處理程序內(nèi)容設(shè)計(jì)為不能被阻塞，所以只要中斷有間歇，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)就能被轉(zhuǎn)發(fā)控制線程讀出并發(fā)給診斷系統(tǒng)。達(dá)到了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)優(yōu)先傳送的目的，根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，由于溫度和振動傳感器的采集頻率為每秒1次，cc2430發(fā)送頻率也為每秒1次，所以只要在1秒內(nèi)完成最大中斷數(shù)量的處理，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)負(fù)載為20個(gè)傳感器，所以最多為每秒20個(gè)中斷，就不會出現(xiàn)系統(tǒng)一直處于中斷狀態(tài)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能發(fā)送的情況，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)證明該情況不會出現(xiàn)。

(4)郵箱大小的設(shè)置，由于每個(gè)郵件長度為4個(gè)字節(jié)，郵箱的大小為長度size×4，該參數(shù)將影響到嵌入式設(shè)備的內(nèi)存占用情況，郵箱長度size的設(shè)置過少將出現(xiàn)只要出現(xiàn)高優(yōu)先級數(shù)據(jù)就將把低優(yōu)先級數(shù)據(jù)覆蓋，郵箱數(shù)量設(shè)置過大內(nèi)存占用過大，影響系統(tǒng)的整體性能，所以可以根據(jù)實(shí)際傳感節(jié)點(diǎn)的并發(fā)數(shù)量進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整，本系統(tǒng)中設(shè)定郵箱長度size值為20。

算法實(shí)現(xiàn)核心偽代碼如下：

轉(zhuǎn)發(fā)控制線程進(jìn)行郵件讀?。?/p>

rt_mb_read (rt_mailbox_t mb, rt_uint32_t value, rt_int32_t timeout)

{.......;

*value = mb->msg_pool[mb->out_offset];

++ mb->out_offset;

if (mb->out_offset >= mb->size)

mb->out_offset = 0;

mb->entry --;

.......;}

中斷處理程序調(diào)用數(shù)據(jù)調(diào)度函數(shù)進(jìn)行郵件寫入，數(shù)據(jù)調(diào)度函數(shù)內(nèi)容為：

rt_mb_urgent(rt_mailbox_t mb, rt_uint32_t value, datamsg* msg)

{......;

if(msg->pro==0)//低優(yōu)先級數(shù)據(jù)

{mb->msg_pool[mb->in_offset] = msg->value;

++ mb->in_offset;

if (mb->in_offset >= mb->size)

mb->in_offset = 0;

mb->entry++;

......;}

if(msg->pro==1)//高優(yōu)先級數(shù)據(jù)

{if (mb->out_offset ==0)

mb->out_offset =mb->size-1;

else

-- mb->out_offset;

mb->msg_pool[mb->out_offset] = value;

if(mb->entrysize)

mb->entry ++;

else

mb->in_offset=mb->out_offset; }

......;}

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

為了對改進(jìn)式mailbox算法的性能進(jìn)行分析，采用了以下條件進(jìn)行系統(tǒng)仿真測試實(shí)驗(yàn)：

(1)采用了10個(gè)溫度傳感節(jié)點(diǎn)、10個(gè)振動傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)定數(shù)據(jù)的發(fā)送。為了測試算法在并行數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)的實(shí)際處理能力，這20個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)沒有實(shí)際采集數(shù)據(jù)，而是由傳感節(jié)點(diǎn)中的程序按預(yù)設(shè)的條件發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)和普通數(shù)據(jù)。

(2)傳感節(jié)點(diǎn)程序中設(shè)計(jì)CC2430發(fā)送頻率為1次/秒。

(3)為了保證實(shí)驗(yàn)的可靠性，在數(shù)據(jù)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)提高傳感節(jié)點(diǎn)報(bào)警數(shù)據(jù)的發(fā)送次數(shù)，設(shè)計(jì)為一次報(bào)警發(fā)送3次報(bào)警數(shù)據(jù)。

(4)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為24個(gè)小時(shí)，其中每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)生報(bào)警400次，其中連續(xù)報(bào)警200次即200秒完成600條報(bào)警數(shù)據(jù)的發(fā)送，且20個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)生連續(xù)報(bào)警。每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)間隔性報(bào)警200次，間隔時(shí)間為3秒。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：匯聚節(jié)點(diǎn)成功收到報(bào)警數(shù)據(jù)24000條，普通數(shù)據(jù)1704000條，成功轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)警數(shù)據(jù)24000條，普通數(shù)據(jù)1703992條。成功轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)論如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成功率對比

實(shí)驗(yàn)分析：在實(shí)驗(yàn)結(jié)論中轉(zhuǎn)發(fā)普通數(shù)據(jù)條數(shù)比收到的普通數(shù)據(jù)條數(shù)少了8條，這種情況是由于并發(fā)到達(dá)的中斷導(dǎo)致了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)對普通數(shù)據(jù)的覆蓋，該現(xiàn)象可以通過增大郵箱的size來解決。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了改進(jìn)式mailbox算法不僅具有較好的數(shù)據(jù)優(yōu)先級調(diào)度能力，同時(shí)該算法具有較小的處理開銷。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用了RT-thread操作系統(tǒng)在匯聚節(jié)點(diǎn)上完成數(shù)據(jù)接收、調(diào)度、轉(zhuǎn)發(fā)等工作，完成了與傳感節(jié)點(diǎn)的zigbee無線通信，完成了與監(jiān)控系統(tǒng)以太網(wǎng)方式通信，重點(diǎn)對傳統(tǒng)的mailbox算法進(jìn)行了改進(jìn)，通過嚴(yán)格的仿真測試實(shí)驗(yàn)證明了改進(jìn)后的算法具有較好的實(shí)時(shí)處理能力和轉(zhuǎn)發(fā)性能，保證了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的完全優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，證明了該系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)性和適用性，因此本系統(tǒng)具有很廣泛的應(yīng)用價(jià)值和理論研究價(jià)值。

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(編輯 趙蓉)

Design and Implementation of Machine Things Network Based on RT-thread

SU Xian-li1,ZHENG Yi-lin2

(1. College of Information Science and Technology, Bohai University. Jinzhou Liaoning 121013,China;2.Shenyang Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110168,China)

The design and implementation of the machine tools internet of things system based on RT-Thread.To meet the demand of multi-urgency data scheduling and data communication stability, RT-Thread real-time operating system is used. The improvement of mailbox thread communication model satisfies the need of data scheduling priority, enhance the system’s ability to give a priority to urgent data. The use of Socket can meet the need of network heavy load communication. Employ ARM Cortex-M3 processing chip and w5100 network communication chip in hardware. The experiment result proved that the system can largely improve the real-time and Sheduling of machine tools data processing.

data scheduling; mailbox model; socket

1001-2265(2014)06-0069-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.019

2014-03-03；

2014-04-01

"高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備"國家科技重大專項(xiàng)-開放式數(shù)控系統(tǒng)支撐技術(shù)創(chuàng)新平臺建設(shè)(2011ZX04016-071)

蘇憲利(1980—)，男，遼寧錦州人，渤海大學(xué)講師，研究方向?yàn)閷?shí)時(shí)控制,( E-mail)xianlis@sina.com.cn。

TH166;TG506

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