潘啟勇，王宜懷，范寧寧

（1.常熟理工學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，江蘇常熟215500；2.蘇州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215006；3.軟件新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210046）

“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”技術(shù)框架研究

潘啟勇1，王宜懷2，3，范寧寧2

（1.常熟理工學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，江蘇常熟215500；2.蘇州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215006；3.軟件新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210046）

“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”的技術(shù)體系及系統(tǒng)，涉及傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)、微控制器編程、無線傳感器與控制器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、WSCN與GPRS互聯(lián)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、偵聽程序設(shè)計(jì)及WEB設(shè)計(jì)等.針對(duì)其技術(shù)開發(fā)涉及知識(shí)要素多、實(shí)現(xiàn)難度高、知識(shí)融合度復(fù)雜等特點(diǎn)，通過梳理抽象共性、合理分解知識(shí)要素、厘清共性與個(gè)性的銜接關(guān)系，提出了構(gòu)件化可移植與可復(fù)用的“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”技術(shù)框架及數(shù)據(jù)上行與下行基本流程.為縮短開發(fā)周期、明確人員職責(zé)定位，提高可移植性、可復(fù)用性及開發(fā)效率，降低開發(fā)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，提供了軟硬件模板及技術(shù)基礎(chǔ).

“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”；技術(shù)框架；底層構(gòu)件；知識(shí)要素；共性與個(gè)性

1　引言

人類經(jīng)歷過18世紀(jì)60年代以蒸汽機(jī)為標(biāo)志的第一次工業(yè)革命（工業(yè)1.0）、20世紀(jì)初以電動(dòng)力為標(biāo)志的第二次工業(yè)革命（工業(yè)2.0）及20世紀(jì)70年代以電子信息為標(biāo)志的第三次工業(yè)革命（工業(yè)3.0）.目前，已經(jīng)進(jìn)入以現(xiàn)代信息技術(shù)為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命（工業(yè)4.0）時(shí)代［1］.工業(yè)4.0的突出特點(diǎn)是“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”，即充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等多種技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)制造業(yè)智能化、遠(yuǎn)程化測控［2］.

要實(shí)現(xiàn)一個(gè)具體的“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”的技術(shù)體系及系統(tǒng)，涉及傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)、微控制器編程、無線傳感器與控制器網(wǎng)絡(luò)（Wirelesssensor and Controller Network，WSCN）組網(wǎng)、WSCN與GPRS互聯(lián)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、偵聽程序設(shè)計(jì)及WEB設(shè)計(jì)等，還可能涉及嵌入式以太網(wǎng)、手機(jī)APP編程技術(shù).研發(fā)“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”系統(tǒng)涉及知識(shí)要素多、實(shí)現(xiàn)難度高、知識(shí)融合度復(fù)雜，存在開發(fā)周期長、人員分工不明確、開發(fā)效率低等問題.研究“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”技術(shù)框架，梳理抽象共性、合理分解知識(shí)要素、厘清共性與個(gè)性的銜接關(guān)系、封裝底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件對(duì)縮短開發(fā)周期、明確人員職責(zé)定位、提高開發(fā)效率、降低開發(fā)成本具有重要意義，同時(shí)為提高可移植性與可復(fù)用性提供技術(shù)基礎(chǔ).需要指出的是，就“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”技術(shù)框架本身而言，國內(nèi)外對(duì)其的研究尚屬于概念和探索階段，缺乏這方面的相關(guān)文獻(xiàn)，而對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)研究則非常廣泛，具有一定借鑒意義［3］.本文在系統(tǒng)分析“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”共性與個(gè)性基礎(chǔ)上，提出了構(gòu)件化可移植與可復(fù)用的“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”技術(shù)框架及數(shù)據(jù)上行與下行基本流程.以嵌入式硬件構(gòu)件、底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件為基礎(chǔ)［4-6］，基于開源免費(fèi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)MQXLite，提出了WSCN節(jié)點(diǎn)的編程框架.同時(shí)基于軟件工程的基本原則及軟件分層基本思想，給出了GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)、偵聽程序及WEB技術(shù)框架，為快速應(yīng)用開發(fā)提供了軟硬件的模板［7］.本文將闡述技術(shù)框架總體設(shè)計(jì)的基本思路，WSCN節(jié)點(diǎn)硬件功能抽象、軟件編程技術(shù)框架及可移植與可復(fù)用分析，GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)功能抽象，偵聽程序及WEB程序分層共性與個(gè)性分析，最后對(duì)本框架的應(yīng)用方法給出簡要介紹.

2　技術(shù)框架總體設(shè)計(jì)的基本思路

“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”技術(shù)框架不僅要完成對(duì)實(shí)際物理數(shù)據(jù)的采集與具體設(shè)備的控制，而且還要實(shí)現(xiàn)可復(fù)用性，通過盡可能少地修改，便能將整個(gè)技術(shù)框架應(yīng)用于多個(gè)不同企業(yè)的工程項(xiàng)目.人們常用感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層的物聯(lián)網(wǎng)三層框架［8］.本文對(duì)該框架稍做改動(dòng)，將原來的感知層改為感知控制層，其功能也由原來的綜合識(shí)別與感知改為感知與控制，以體現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的感知與控制功能，并為數(shù)據(jù)上行與下行提供理論依據(jù).參照此框架，本文把“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”主要分為4個(gè)部分：WSCN節(jié)點(diǎn)、GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)、偵聽程序及WEB程序.本技術(shù)框架與物聯(lián)網(wǎng)框架的各層對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示.

圖1　本技術(shù)框架與物聯(lián)網(wǎng)框架各層次對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

在此給出技術(shù)框架各部分公共知識(shí)要素抽象及

簡明功能.

（1）WSCN節(jié)點(diǎn).WSCN節(jié)點(diǎn)是指具有計(jì)算能力和無線通信接口，可連接各種類型傳感器及控制器的電子設(shè)備.在整個(gè)技術(shù)框架中，WSCN節(jié)點(diǎn)位于框架的最底層，對(duì)應(yīng)于物聯(lián)網(wǎng)三層框架的“感知控制層”，是最重要的環(huán)節(jié)，是終端設(shè)備的基本最小智能單元，主要負(fù)責(zé)終端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、短距離無線組網(wǎng)、與GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)的通信，一般還包含對(duì)終端對(duì)象的控制.WSCN節(jié)點(diǎn)與GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)通信包括數(shù)據(jù)上行與數(shù)據(jù)下行.

（2）GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān).GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)是指連接感知網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的橋梁、實(shí)現(xiàn)兩網(wǎng)深度融合的智能化電子設(shè)備. GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)處于整個(gè)技術(shù)框架的中間層，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，起到數(shù)據(jù)“上傳下達(dá)、下傳上達(dá)”的作用，實(shí)現(xiàn)長距離的數(shù)據(jù)通信模式.從技術(shù)角度來看，GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)還涉及通信協(xié)議，包括對(duì)WSCN節(jié)點(diǎn)與GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)組成的網(wǎng)絡(luò)及GPRSWSCN網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器組成的網(wǎng)絡(luò)之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換.

（3）偵聽程序.偵聽程序是運(yùn)行于服務(wù)器端的軟件，在整個(gè)技術(shù)框架中起到承上啟下的重要作用，負(fù)責(zé)完成與GPRSWSCN網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理，同時(shí)負(fù)責(zé)將用戶通過WEB程序下達(dá)的命令發(fā)送給GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)，交由GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理.

（4）WEB程序.WEB程序同樣是運(yùn)行于服務(wù)器端的軟件，是用戶下發(fā)命令的通道、是收集并顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)信息的窗口，主要負(fù)責(zé)以友好的圖形化界面提供用戶管理、系統(tǒng)維護(hù)、設(shè)備管理和信息管理等基本功能.

依據(jù)數(shù)據(jù)雙向流通的方式，提出數(shù)據(jù)事務(wù)概念.數(shù)據(jù)事務(wù)是指數(shù)據(jù)流從一個(gè)端點(diǎn)傳送到另一個(gè)端點(diǎn).本技術(shù)框架所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)事務(wù)根據(jù)數(shù)據(jù)流向分為上行數(shù)據(jù)事務(wù)和下行數(shù)據(jù)事務(wù)，如圖2所示.

圖2　技術(shù)框架數(shù)據(jù)事務(wù)簡圖

上行數(shù)據(jù)事務(wù)（圖中虛線表示）：WSCN節(jié)點(diǎn)通過傳感器采集環(huán)境中的相關(guān)數(shù)據(jù)，按照通信協(xié)議將數(shù)據(jù)以無線方式傳送給GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)，GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)以GPRS方式將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，位于服務(wù)器的偵聽程序接收到數(shù)據(jù)之后將數(shù)據(jù)插入服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，WEB程序從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)并將其顯示出來.

下行數(shù)據(jù)事務(wù)（圖中實(shí)線表示）：WEB程序?qū)PRS-WSCN網(wǎng)關(guān)或WSCN節(jié)點(diǎn)下達(dá)命令同時(shí)會(huì)將命令插入數(shù)據(jù)庫，偵聽程序從數(shù)據(jù)庫中獲取命令并通過GPRS發(fā)送給GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)，GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)執(zhí)行命令或者發(fā)送命令給WSCN節(jié)點(diǎn)執(zhí)行.

3　WSCN節(jié)點(diǎn)功能分析及技術(shù)框架設(shè)計(jì)

3.1硬件功能抽象

通過分析及總結(jié)應(yīng)用在不同領(lǐng)域的WSCN節(jié)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的硬件功能，將WSCN節(jié)點(diǎn)按照功能抽象成5個(gè)硬件模塊，分別為微控制器模塊、感知模塊、控制模塊、無線射頻模塊和電源模塊.其中微控制器模塊是WSCN節(jié)點(diǎn)的核心，包括CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口等，負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)整合及處理等工作；感知模塊負(fù)責(zé)采集外界實(shí)時(shí)物理信息，并將物理信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)外接設(shè)備執(zhí)行控制；無線射頻模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)；電源模塊則為其他各模塊提供動(dòng)力.

從哲學(xué)認(rèn)識(shí)論的角度來看，“從抽象到具體”是認(rèn)識(shí)事物的首要環(huán)節(jié)，因此，在抽象出WSCN節(jié)點(diǎn)硬件基本功能的前提下，接著要完成對(duì)其實(shí)例化的過程，才能對(duì)其進(jìn)行深入理解.本文遵循低成本、低功耗、接口豐富、具有一定的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力等硬件選型原則，選用MKW01Z128（簡稱KW01）作為WSCN節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)例［9］.KW01是NXP公司于2012年10月正式推出的基于32位ARM Cortex M0+內(nèi)核的主要面向智能家居、智慧城市等各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一款超低功耗微控制器.KW01的運(yùn)行速率高達(dá)48MHz，功耗低達(dá)40 μA/MHz，擁有128 KB Flash和16 KBsRAM，提供了高性能的無線電和高達(dá)600 Kbps的傳輸速率，可以在290～1020 MHz的頻率范圍內(nèi)的多個(gè)頻率上運(yùn)行使用，支持多個(gè)國家ISM頻帶.KW01可提供的模塊功能有RF、16位ADC、GPIO、定時(shí)器（PWM、輸入捕捉、輸出比較等）、UART、IIC、SPI等，能夠基本滿足系統(tǒng)實(shí)際需求［10］.

3.2軟件編程技術(shù)框架

隨著嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)展，新的嵌入式產(chǎn)品對(duì)系統(tǒng)的功能、實(shí)時(shí)性、可靠性和穩(wěn)定性的需求也越來越大，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)提出了縮短開發(fā)周期、提高軟件質(zhì)量等要求［11］.此時(shí)，不基于操作系統(tǒng)的開發(fā)模式便難以滿足日益復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用的需要.而由于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有體積小、實(shí)時(shí)性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、可裁剪性、可移植性、多任務(wù)處理能力等特點(diǎn)，基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開發(fā)模式成為嵌入式技術(shù)發(fā)展的必然趨勢［12-13］.為此，通過分析目錄名、文件名、文件內(nèi)容的共性，進(jìn)行歸納分類，同時(shí)，提取構(gòu)件的共有屬性、開發(fā)對(duì)外接口函數(shù)，形成可移植的軟件構(gòu)件，并以KW01為例搭建了基于MQXLite實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的WSCN節(jié)點(diǎn)工程框架.框架遵守CMSIS（Cortex Microcontrollersoftware Interfacestandard，ARM Cortex微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn).工程框架包括＜01_Doc＞（說明文檔）、＜02_CPU＞（CPU內(nèi)核）、＜03_MCU＞（微控制器）、＜04_Linker_File＞（鏈接文件）、＜05_Driver＞（底層驅(qū)動(dòng)）、＜06_App_Component＞（應(yīng)用構(gòu)件）、＜07_Soft_component＞（軟件構(gòu)件）、＜08_Source＞（源程序）和＜09_MQXLite＞（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）等幾個(gè)部分［13］.

使用RTOS設(shè)計(jì)嵌入式軟件的好處在于，可以將復(fù)雜的系統(tǒng)功能分解成獨(dú)立性較高的各個(gè)任務(wù)［14］.因此，實(shí)現(xiàn)WSCN節(jié)點(diǎn)功能的關(guān)鍵工作，便是依據(jù)其軟件功能描述來劃分任務(wù).根據(jù)WSCN節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的基本功能，為WSCN節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)了不同的相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)，如表1所示.表中給出了不同的任務(wù)函數(shù)名、優(yōu)先級(jí)及任務(wù)功能說明等.

表1　WSCN節(jié)點(diǎn)功能任務(wù)列表

3.3軟件框架可移植與可復(fù)用分析

復(fù)用WSCN節(jié)點(diǎn)工程框架時(shí)，由于＜02_CPU＞、＜03_MCU＞、＜04_Linker_File＞、＜05_Driver＞、＜07_Soft_component＞僅與硬件有關(guān)或?yàn)橥ㄓ貌糠郑c實(shí)際項(xiàng)目無關(guān)，因此在不改變WSCN節(jié)點(diǎn)硬件實(shí)例的前提下這些文件夾不需要改動(dòng)，僅需要及時(shí)更新＜01_Doc＞中的readme文件，對(duì)項(xiàng)目功能、開發(fā)備忘進(jìn)行詳細(xì)說明.在＜08_Source＞中的中斷服務(wù)例程也需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和“注冊(cè)”.最后關(guān)注＜09_MQXLite＞中app文件夾中的TASK_HANDLE和TASK_ADC兩個(gè)任務(wù)，根據(jù)不同的傳感器類型，將采集到的AD值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理量，對(duì)于通信協(xié)議中不同的命令字和命令內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)處理.另外，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目功能來看是否需要增加新的任務(wù).

4　GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)功能抽象

根據(jù)智能制造實(shí)際應(yīng)用的需求，GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)需要具備網(wǎng)絡(luò)接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等基本功能.互聯(lián)網(wǎng)接入方式不只GPRS一種，為了給用戶提供多種選擇、滿足用戶多樣需求，還實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)接入方式的WSCN網(wǎng)關(guān)，即ETH-WSCN網(wǎng)關(guān)，在此不再贅述，僅以GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)作為示例.

4.1硬件體系框圖

GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)將WSCN節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)接收來自互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制命令，并將該命令轉(zhuǎn)發(fā)給WSCN節(jié)點(diǎn)執(zhí)行.GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)主要由主控系統(tǒng)模塊、WSCN節(jié)點(diǎn)通信模塊、GPRS模塊和電源模塊4部分組成，如圖3所示.

圖3　GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)硬件模塊組成

4.2GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)任務(wù)

GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)程序同樣采用與WSCN節(jié)點(diǎn)一致的工程框架，在此便不再對(duì)GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)工程框架作過多說明.根據(jù)GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的軟件基本功能，對(duì)GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)程序劃分了多個(gè)獨(dú)立任務(wù).

（1）初始化任務(wù).初始化任務(wù)TASK_MAIN是MQX的自啟動(dòng)任務(wù)，主要負(fù)責(zé)芯片初始化、緩沖區(qū)鏈表初始化、安裝用戶中斷服務(wù)例程、啟動(dòng)GPRS模塊、創(chuàng)建其他任務(wù)及創(chuàng)建各消息池等工作.當(dāng)初始化任務(wù)完成以后將被阻塞，不再獲得系統(tǒng)調(diào)度.

（2）指示燈任務(wù).指示燈任務(wù)TASK_LIGHT用來檢測GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)是否運(yùn)行正常，以0.2s為周期改變指示燈的亮暗狀態(tài).

（3）WSCN節(jié)點(diǎn)通信模塊數(shù)據(jù)處理任務(wù).WSCN節(jié)點(diǎn)通信模塊數(shù)據(jù)處理任務(wù)TASK_ZigbeeData中主要包含兩個(gè)處理函數(shù)：Zigbee數(shù)據(jù)發(fā)送處理函數(shù)和Zigbee數(shù)據(jù)接收處理函數(shù).

（4）GPRS模塊數(shù)據(jù)處理任務(wù).GPRS模塊數(shù)據(jù)處理任務(wù)TASK_GPRSData中主要包含兩個(gè)處理函數(shù)：GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送處理函數(shù)和GPRS數(shù)據(jù)接收處理函數(shù).

（5）心跳包任務(wù).心跳包任務(wù)TASK_ComHeart主要負(fù)責(zé)輪詢同屬一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址的所有WSCN節(jié)點(diǎn)的信息，每60s輪詢一次，以心跳包的方式將網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器以此判斷網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)是否都還在線，保證連接和服務(wù)的正常.

復(fù)用GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)工程框架時(shí)，僅需要關(guān)注TASK_ZigbeeData和TASK_GPRSData兩個(gè)任務(wù)，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目要求對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析和處理后，向互聯(lián)網(wǎng)或無線傳感器網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā).

5　偵聽程序共性與個(gè)性分析

偵聽程序運(yùn)行于服務(wù)器端，在“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”技術(shù)架構(gòu)中起到承上啟下的重要作用，負(fù)責(zé)完成與GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理，同時(shí)負(fù)責(zé)將用戶通過WEB程序下達(dá)的命令直接發(fā)送給GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)，交由GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理.

根據(jù)軟件分層的設(shè)計(jì)思想，從邏輯業(yè)務(wù)上將偵聽程序分為3層：網(wǎng)絡(luò)通信層、數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用層，如圖4所示.

圖4　偵聽程序分層結(jié)構(gòu)

5.1網(wǎng)絡(luò)通信層

偵聽程序采用基于會(huì)話的多線程異步Socket方法完成網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)，使得服務(wù)器的同一個(gè)端口可以與多個(gè)GPRSWSCN網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信.本層主要負(fù)責(zé)與GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)的連接與通信，與通信協(xié)議和用戶需求無關(guān)，因此在復(fù)用偵聽程序時(shí)本層不需要任何改動(dòng).

5.2數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層主要負(fù)責(zé)處理上行數(shù)據(jù)包和下行數(shù)據(jù)包，分別交由上行數(shù)據(jù)包處理模塊和下行數(shù)據(jù)包處理模塊來處理.技術(shù)框架應(yīng)用在不同的項(xiàng)目中時(shí)，由于項(xiàng)目的差異導(dǎo)致通信協(xié)議中的命令字發(fā)生增加或修改，因此偵聽程序僅需修改本層，根據(jù)新的命令字處理數(shù)據(jù)即可，其他兩層不需任何改動(dòng).

5.3應(yīng)用層

應(yīng)用層是與具體項(xiàng)目直接相關(guān)的，可以根據(jù)不同項(xiàng)目的多樣化需求對(duì)功能進(jìn)行有針對(duì)性地?cái)U(kuò)展.例如，設(shè)計(jì)短信告警模塊便可以實(shí)現(xiàn)在GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)或WSCN節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)使用短信通知相關(guān)人員.當(dāng)用戶提出新的需求時(shí)，僅需修改本層便可實(shí)現(xiàn)功能的添加，其他兩層不需要任何改動(dòng).

6　WEB程序?qū)哟畏治?/h2>

WEB程序同樣運(yùn)行于服務(wù)器端，是用戶下發(fā)命令的通道、是收集并顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)信息的窗口，主要負(fù)責(zé)以友好的圖形化界面提供用戶管理、系統(tǒng)維護(hù)、設(shè)備管理和信息管理等基本功能.

為提高整體技術(shù)框架最大程度的可復(fù)用性和可擴(kuò)展性，構(gòu)建了具有層次結(jié)構(gòu)且面向?qū)ο蟮腤EB程序框架.本框架采用ASP.NET動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行搭建，選用B/S設(shè)計(jì)模式，簡潔易懂，遵循軟件工程設(shè)計(jì)思想，符合程序框架結(jié)構(gòu)清晰、文件內(nèi)容安排合理的要求，具有易修改、易擴(kuò)展的特點(diǎn).WEB程序框架內(nèi)含4個(gè)層次，分別為實(shí)體層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層、表示層，各層之間的關(guān)系如圖5所示，各層之間執(zhí)行嚴(yán)格分層、不能跨層訪問［15］.

圖5　WEB程序框架層次關(guān)系圖

（1）實(shí)體層

實(shí)體層（Model）主要負(fù)責(zé)對(duì)需要用到的數(shù)據(jù)庫中的每個(gè)表創(chuàng)建一個(gè)類，類中的屬性對(duì)應(yīng)表中的字段，其他層便可以對(duì)這個(gè)類聲明一個(gè)具體的對(duì)象，并通過這個(gè)具體的對(duì)象訪問其各個(gè)屬性.

（2）數(shù)據(jù)訪問層

數(shù)據(jù)訪問層（WebDAL）主要實(shí)現(xiàn)了持久化邏輯，主要負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫的交互并按照業(yè)務(wù)流程對(duì)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行增、刪、改、查等基本操作.

（3）業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層（WebBLL）主要實(shí)現(xiàn)用戶的業(yè)務(wù)流程、實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)中的各種驗(yàn)證邏輯和業(yè)務(wù)規(guī)則，處于WebUI層和WebDAL層的中間，在數(shù)據(jù)交互中起到了承前啟后的作用.

（4）表示層

表示層（WebUI）是WEB程序框架中最重要的部分，主要用于數(shù)據(jù)的顯示和接收用戶輸入的數(shù)據(jù)，為用戶提供了一種交互式業(yè)務(wù)操作界面.

由于本技術(shù)框架與具體項(xiàng)目無關(guān)，為驗(yàn)證數(shù)據(jù)幀“上傳下達(dá)、下傳上達(dá)”是否正常，因此在WEB程序中設(shè)計(jì)了通路測試模塊，同時(shí)添加新的命令字，如：0x1200，表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)命令內(nèi)容值進(jìn)行加一操作，相應(yīng)地，添加應(yīng)答幀命令字，如：0xA200，表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行加一操作的結(jié)果，用以區(qū)分其他應(yīng)答幀，如圖6所示.為方便理解，特將發(fā)送的整幀數(shù)據(jù)和接收到的整幀數(shù)據(jù)全部顯示在頁面上，只留命令內(nèi)容部分給用戶進(jìn)行修改.

圖6　數(shù)據(jù)通路測試模塊界面

實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，以數(shù)據(jù)采集模塊和設(shè)備控制模塊來替代通路測試模塊，采集的數(shù)據(jù)類型及控制的設(shè)備種類依據(jù)具體項(xiàng)目而定.但無論何種物理量、何種設(shè)備，數(shù)據(jù)幀“上傳下達(dá)、下傳上達(dá)”的核心思想與通路測試模塊一致，參照通路測試模塊進(jìn)行修改即可.

7　結(jié)束語

本文通過對(duì)“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”技術(shù)開發(fā)所涉及的知識(shí)要素進(jìn)行抽象與分解、對(duì)共性與個(gè)性的銜接關(guān)系進(jìn)行合理劃分，形成“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”技術(shù)框架，實(shí)現(xiàn)了傳感器、微控制器編程、WSCN組網(wǎng)、WSCN與GPRS互聯(lián)、數(shù)據(jù)庫、偵聽程序及WEB程序等多領(lǐng)域技術(shù)的深度融合，同時(shí)具有構(gòu)件化、可移植性與可復(fù)用性等技術(shù)優(yōu)勢，能夠有效縮短開發(fā)周期、明確人員職責(zé)定位、提高開發(fā)效率、降低開發(fā)成本，從而增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，為智能制造相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)提供了新思路及實(shí)現(xiàn)途徑.具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)與使用方法，可從蘇州大學(xué)嵌入式學(xué)習(xí)社區(qū)網(wǎng)站（http：//sumcu.suda.edu.cn）獲得.利用該框架提供的軟件硬件資源，可以快速實(shí)現(xiàn)一個(gè)具體的“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上行與數(shù)據(jù)下行，即WSCN節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)直接被解析的WEB網(wǎng)頁，WEB網(wǎng)頁數(shù)據(jù)可以直接傳送到WSCN節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通過WEB網(wǎng)頁干預(yù)WSCN節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制目標(biāo)對(duì)象.文中給出的GPRS-WSCN網(wǎng)關(guān)，若實(shí)際需要，也可以改為通過有線以太網(wǎng)的NET-WSCN網(wǎng)關(guān)，技術(shù)框架一致.

致謝：本文工作得到“軟件新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心”部分資助.

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A Research on“Internet+Intelligent Manufacturing”Technical Framework

PAN Qiyong1，WANG Yihuai2，3，F(xiàn)AN Ningning2
（1.School of Physics and Electronic Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500；2.School of Computerscience and Technology，Soochow University，Suzhou 215006；3.Collaborative Innovation Center of Novelsoftware Technology and Industrialization，Nanjing 210046，China）

The technology architecturesystem of“Internet+Intelligent manufacturing”covers a great many aspects，such assensor application designing，microcontroller programming，wirelesssensor and controller networking，interconnection of WSCN and GPRS，database designing，monitor program designing and the WEB designing，etc.Aiming at the characteristics of technology development，for example，more knowledge elements，very difficult and complexed knowledge fusion，a component-based，transportable，reusable“Internet+Intelligent manufacturing”technical framework and the basic data upward and downward process are proposed by extracting the common part，reasonably decomposing knowledge factors and clarifying the relationship of universality and individuality.Besides，a hardware andsoftware template and technology foundation are provided with a view toshortening the development cycle，clearing personnel responsibilities，improving the portability，reusability and development efficiency，reducing the developing cost and increasingstability of thesystem.

“Internet+Intelligent manufacturing”；technical framework；underlying components；knowledge elements；universality and individuality

TP393

A

1008-2794（2015）04-0075-06

2016-04-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“無線網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中緊急事件信息發(fā)布的可靠性研究”（61070169）

王宜懷，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、傳感網(wǎng)與智能控制技術(shù)，E-mail:Yihuaiw@suda.edu.cn.