李兵+施展

摘 要：電梯是高層建筑不可缺少的設(shè)施，怎樣確保電梯高效平穩(wěn)運(yùn)行是當(dāng)今電梯技術(shù)研究的重要課題。根據(jù)電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計需求，基于系統(tǒng)化模塊化設(shè)計思想，采用常見的客戶端/服務(wù)器架構(gòu)，將基于Linux的嵌入式系統(tǒng)作為前端數(shù)據(jù)采集發(fā)送平臺。詳細(xì)介紹了嵌入式開發(fā)過程，提出了開發(fā)環(huán)境搭建方案，編寫了數(shù)據(jù)采集處理程序；重點(diǎn)對基于TCP/IP通信和Socket通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)軟件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并對網(wǎng)絡(luò)通信性能作了分析檢測，詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)庫的搭建和界面設(shè)計。

關(guān)鍵詞：電梯監(jiān)控；嵌入式系統(tǒng)；Socket通信；通信協(xié)議棧

DOIDOI：10.11907/rjdk.171389

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0094-03

1 信號采集與傳輸

電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)利用Linux [1]網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的優(yōu)良特性，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信技術(shù)，將前端采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到后端主機(jī)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、儲存和分析[2]。

1.1 數(shù)據(jù)采集

信號采集遵循那奎斯特定律，即采樣定律。采樣的頻率要大于信號中有效信號最大頻率的2倍，這種采樣方式所得的數(shù)字信號才能夠保存原來信號的信息。采樣公式如下：

fs.max>fmax（1）

A/D采樣的最后一個步驟是編碼，離散型數(shù)值通過量化后，將結(jié)果用計算機(jī)二進(jìn)制編碼表示出來，這就是編碼過程，信號經(jīng)過這個編碼過程變?yōu)閿?shù)字信號。

1.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

在通信網(wǎng)絡(luò)中，各進(jìn)程間的遠(yuǎn)程通信主要是C/S模式，即通過特定的客戶端向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，服務(wù)器接收到請求后反饋數(shù)據(jù)處理結(jié)果?？蛻?服務(wù)器模式有兩個要求：①由于雙方信息量、軟硬件資源、處理能力的不一致，必須共享資源；②雙方通信處于異步狀態(tài)，只能通過遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)，無法使用共享內(nèi)存機(jī)制。

圖1為基于客戶/服務(wù)器模式的TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)通信OSI模型。

監(jiān)控進(jìn)程啟動后，生成一個Socket套接字，一方面處理響應(yīng)，另一方面發(fā)送請求。在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連后服務(wù)器監(jiān)控進(jìn)程即開始監(jiān)聽本地網(wǎng)絡(luò)端口請求[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 嵌入式硬件體系架構(gòu)

嵌入式服務(wù)器不僅要采集傳感器數(shù)據(jù)，而且要與遠(yuǎn)程主機(jī)進(jìn)行通信。核心處理器ARM9系列采用了處理器集成的電源管理單元，可有效優(yōu)化系統(tǒng)電源設(shè)計，降低成本及系統(tǒng)功耗，適合于低功耗、低成本、高性能的便攜式設(shè)備[4]。圖2為ARM架構(gòu)。

2.2 功能接口電路設(shè)計

ARM9處理器提供了主機(jī)和OTG兩種類型的控制器。主機(jī)接口電路如圖3所示，上部為標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)電路，下部為OTG的HOST電路，USB熱插拔提供相關(guān)保護(hù)電路。

文件下載和數(shù)據(jù)傳輸通過以太網(wǎng)適配器實(shí)現(xiàn)。MX28X嵌入式開發(fā)板配有網(wǎng)絡(luò)適配器，提供一個網(wǎng)絡(luò)接口訪問局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。開發(fā)板提供一個TF卡功能接口擴(kuò)展存儲資源[5]。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了ARM&Linux在平臺IIC下的驅(qū)動，在Linux系統(tǒng)平臺實(shí)現(xiàn)管理軟件，可以非常方便地接入軟件，管理更加方便，移植性更好。圖4是IIC接口電路原理。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集選擇Mma系列的三軸加速度傳感器模塊。Mma是一個集成傳感器，內(nèi)部集成了信號調(diào)節(jié)電路、低通濾波器、A / D轉(zhuǎn)換電路[6]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 嵌入式平臺搭建

Linux嵌入式系統(tǒng)是開源的，可以削減、跨平臺、多任務(wù)及多用戶實(shí)現(xiàn)。ARM和Linux結(jié)合使嵌入式設(shè)備具有低功耗、高性能特點(diǎn)。

主機(jī)和目標(biāo)機(jī)使用不同的平臺，系統(tǒng)采用PC X86架構(gòu)，開發(fā)板使用ARM架構(gòu)。X86屬于復(fù)雜指令集，ARM屬于精簡指令集，兩個過程指導(dǎo)的方法不同，需要不同的編譯器。GCC是一個跨平臺編譯器工具處理器平臺，支持多個版本，可完成從源代碼文件轉(zhuǎn)換到一個特定的處理器平臺，執(zhí)行文件切換。GCC不僅強(qiáng)大，而且具有結(jié)構(gòu)靈敏、跨平臺支持的優(yōu)點(diǎn)[7]。

超級終端Minicom是公認(rèn)的嵌入式開發(fā)工具，通過終端可以直接對開發(fā)板進(jìn)行命令控制、資源操控。Minicom安裝配置操作步驟：①安裝Minicom：sudo apt-get install minicom；②在命令行鍵入：sudo minicom –s，啟動Minicom進(jìn)行設(shè)置；

選擇Serial port setup項(xiàng)，將“Serial Device”設(shè)置為/dev/ttyUSB，設(shè)置“Bps/Par/Bits”為57600 1，設(shè)置“Hardware Flow Control”為No；選擇Modem and dialing項(xiàng)，除了保留標(biāo)志A B C D E F G H K L外，刪除其它項(xiàng)。退出到啟動頁面選擇“Save setup as dfl項(xiàng)，意味著將設(shè)置保存到df1位置。Minicom配置界面如圖5所示；③將系統(tǒng)用戶添加進(jìn)Minicom所在組，使用戶能夠使用Minicom： $ sudo adduser test groupname

在內(nèi)核中，文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序下載調(diào)試可通過燒錄U盤來完成。TFTP協(xié)議是一個簡單的文件傳輸協(xié)議，具有傳輸速度快、量大的特性。TFTP服務(wù)器主要提供目標(biāo)與主機(jī)之間的內(nèi)核映像文件下載[8]。TFTP工具安裝分為TFTP服務(wù)器安裝和TFTP客戶端工具安裝，具體步驟如下：

①下載相關(guān)軟件包： sudo apt-get install tftp-hpa；

②建立tftp服務(wù)器工作目錄：sudo mkdir /tftpboot；

③修改工作目錄全限：sudo chmod -R 777 /tftpboot；endprint

④編輯相關(guān)服務(wù)器配置：

修改后查看內(nèi)容如下：sudo vi /etc/default/tftp-hpa

TFTP_USERNAME="tftp"

TFTP_DIRECTORY="/tftpboot"

TFTP_ADDRESS="0.0.0.0：69"

TFTP_OPTIONS="--secure"

⑤重新啟動TFTP服務(wù)：sudo service tftpd-hpa restart。

3.2 設(shè)備驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)的硬件管理通過相應(yīng)的驅(qū)動程序完成。設(shè)備驅(qū)動直接設(shè)置頂層底層硬件，起到轉(zhuǎn)換和翻譯的作用。設(shè)備驅(qū)動由軟件實(shí)現(xiàn)，屬于內(nèi)核的一部分[9]。驅(qū)動完成以下功能：①設(shè)備狀態(tài)初始化和操作完成后釋放；②管理設(shè)備，設(shè)置設(shè)備的工作參數(shù)，提供設(shè)備的接口；③在操作設(shè)備與應(yīng)有程序之間充當(dāng)橋梁，起到數(shù)據(jù)翻譯作用；④監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，有錯誤提示功能。

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)采用基于TCP的可靠通信協(xié)議，通信模型對象是網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)。每層數(shù)據(jù)有不同的組織形式，應(yīng)用層采用包的形式，傳輸層采用數(shù)據(jù)報的形式，網(wǎng)絡(luò)層采用報文的形式，鏈路層采用數(shù)據(jù)幀的方式，物理層以位的格式呈現(xiàn)[10]。

數(shù)據(jù)以層層包裝的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，首先從用戶空間的應(yīng)用層開始，然后到內(nèi)核空間，接受內(nèi)核協(xié)議棧的處理，每一層又會添加這個標(biāo)志和協(xié)議規(guī)則信息，完成后將報文作為下一層的數(shù)據(jù)段處理使用，然后進(jìn)行物理連接，最后發(fā)送出去。等到了用戶即目的主機(jī)，就會將接收到的數(shù)據(jù)包頭部逐層去除，這個過程是數(shù)據(jù)封裝的逆過程，稱為解封裝。

3.4 數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建與界面模塊設(shè)計

本實(shí)驗(yàn)選擇SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫作為本地數(shù)據(jù)服務(wù)器。通過VS開發(fā)環(huán)境中的SQL Datasource控件實(shí)現(xiàn)界面與數(shù)據(jù)庫的通信[11]。接口定時監(jiān)視定時器從數(shù)據(jù)庫中檢索數(shù)據(jù)，按一定規(guī)律更新到顯示，將有用數(shù)據(jù)保存到指定表中。

本實(shí)驗(yàn)基于Virual Staido2010平臺使用C#[12]語言實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)界面。電梯監(jiān)控界面管理功能有實(shí)時故障報警、狀態(tài)信息、日志信息存儲、監(jiān)測等。監(jiān)控軟件能將接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)控界面應(yīng)該具有動態(tài)化、圖形化功能。 一個標(biāo)準(zhǔn)的界面軟件需要完善界面管理系統(tǒng)，在軟件工作運(yùn)行前需要將相關(guān)信息調(diào)入監(jiān)控管理界面，界面顯示遠(yuǎn)程終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)保存接收功能。

遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)保存在本地數(shù)據(jù)庫，本地操作界面以一定時間間隔從數(shù)據(jù)庫取出數(shù)據(jù)并將其更新到界面。圖6為界面監(jiān)控顯示內(nèi)容。

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和環(huán)境條件限制，很難模擬電梯監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸，本實(shí)驗(yàn)以加速度為電梯監(jiān)控對象，專門設(shè)計了一個接收界面測試數(shù)據(jù)，對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、穩(wěn)定性和系統(tǒng)方案的正確性。

4 結(jié)語

本文開發(fā)了一套基于網(wǎng)絡(luò)的嵌入式數(shù)據(jù)傳輸平臺。詳細(xì)介紹了嵌入式開發(fā)平臺的硬件架構(gòu)，并給出了原理圖和詳細(xì)參數(shù)，對處理器、內(nèi)存和外部端口作了專門說明和分析。提出了開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建方案，完成了內(nèi)核的裁剪、嵌入式設(shè)備的移植、文件系統(tǒng)的掛載等搭建工作，編寫了IIC驅(qū)動程序，并通過應(yīng)用程序驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)及驅(qū)動工作的有效性。

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