基于以太网和实时数据库的嵌入式远程监测系统的研究和实现

北京交通大学硕士论文

Y 7 15 8 95

摘要随着以太网技术的迅猛发展，将其应用到工控领域，可以达到降低

成本，简化结构等成效。而嵌入式系统以其本身体积小，功能多，支持以太网技术等优点，成为工控领域中的新热点。针对传统远程监测系统在当前应用中出现的问题，为服务于铁路环

境监测事业，本文研究并构建一个基于以太网和实时数据库技术的嵌入式远程监测系统，有分布式和网其具络化的特点，能通过Itre为远 nent

程客户提供有关现场环境监测数据和设备状态诊断数据的信息服务。本文的主要研究工作内容是：

1分析了当前以太网、嵌入式技术和嵌入式实时数据库的现状和应 .

用，寻找有助于建立嵌入式远程监测系统的技术支持。 2提出了一种新型的基于以 .太网和实时数据库的嵌入式远程监测系统网络结构， 最后设计和确定了基于内存式数据库eteeB OP XrmD和SA消息模型的系统应用体系结构。

3提出了嵌入式系统的硬件结构，并构建嵌入式 Lnx操作系统， . iu并将系统软件分为三个模块： 数据采集、 XrmD数据库、Wb eteeB e服务器程序，并进行了具体的实现。

关键词：以太网，嵌入式系统，实时数据库， e, P eteeB Wb SA, rmD O X

摘要

ABS TRACT

A E e e dvl i f tihs eet ct g cs ad s m t e p g, a a fc o ui t ot t h e o n a t n s f n t h n e n e s pfn t sut e e iia ld t i ut cno dm i i ly g tc r w n s p i t h n sy tl a . m ii h r u h t pe o d r o r o n e E bde ss m bcm t nw ht o it i u r no dm i m edd t s o e e o pt h n s c t l a ye e h e s n d t o r o n e y e f bcue y s a, prn E e e ad y e n df et eas t a m l spotg t r t t hv m y e n h r e e l u i h n n h a a i rfn t n . u ci s o

Amn a h e l s r d h plaos r i nl t s p b m e e e i t apctn o td i a ii t g o r e m g n

o e i i f t a o r o m no s t, ppr a hs d i s e bde e t oir e ts e re ce ad g a m edd m e t y m h a e r s i s n e n n s r o m no s t thlt rl r m nr o p j t d e t oir e o p a evo et t re bs o m e t y m e h i nin s e e e c a n m o e E e ea r lie aa . s t ia ru d nto t m t e - dt s Tissm d t t ad w r h n at a b e h ye s i i e n e k d m sb sutead v e iom tn i aot l in et ir tc r n p i s rao s c bu l aev m n m no r u, r d n o f i e e o n r v r c o ot dtad nsc a qi e stf r o cetv I e e a n d go idto eu m n te e t ln i n r t a i t a f p t o m e s tn . a a r i a T e a h rhs n i d t e pr: h r er w k be d d io e s e c o a e i en h a s v t r t Te s a o t e a h r i e a h g aas pr f r e c o s s r i nw dy h f t t h s r w k i r e re c n o dvl m n ad pctn o Ehme e bde t ho g ad ee p et n a laos t t m edd nl y o s p i i f e, e o n c e bde r lm dt a, s r i t ho g e m n t hl t m ed e - e a s ad c n e nl y et o p d t a b e n e h g o l s e o ai a c e s u e bde r o m nos t . e p edd t oir e t m e e t y m m s Te n a idvl i a nto tc rf h m edd prs e p g w w rsute t e bde h s od t o n n e k u o e e c e e r rr o m n o ss m sd Ehm t rat e aae A d n e t oi r t b e o t e ad li dt s. te m e t y e a n e n e -m a b n h

ts e ds n t s t apc i

sute e o e tm D h pp egs ye plao tc r bs n r e B i a r i h sm itn u a d X e e rdt ae S A m s g m dl a bs ad P s e e a n O ea o .

Te l a e l i t a w r tc r f m edd prid e p g hr a su u o t e bde h fay s o n h d e te h il t n v e r e ssm d i t e bde Lnx ri ss m r A d n yt a prn h m edd u oe tn t f i n t e n o g t e i p ao y e o t . h e t s ed i s ss m f a io e m dl w i a raz g h ppr d t yt s t r n t e u s c r eli ia i eh v e e o w e h t r o e h h e in cnr e . s m dl a dtclco, r e B t ae We oc tyT ee u s a oet ne tm D d a s ad b el h o e r a l i X e e ab nSrep g m. e r r v r a o

K y rsEhm tE bde Ssm R aTm D t a,, P e w d: e e m edd t, l ie a s W bS A, o t, ye e - ab e e Oe r me Xt e DB

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第一章绪论铁路是国民经济的命脉，但是铁路运输常常受制于自 然灾害。自然灾害，如巨大的风沙、突发洪水甚至暴虐的雨雪天气，有时候会给铁路运输事业带来巨大的影响和损失。历年来铁路沿线由于大风造成的损失是非常巨大的。仅 20年春季 4 7号和 2号的两场大风，造成铁路 01月 8

部门的列车脱轨、铁塔倒塌，经济损失上千万元。为了保障铁路运输的安全，减少大风带来的巨大损失，乌鲁木齐铁路部门从 19年与新疆气 98

象局合研制、开“疆铁路监测系[。作，发新大风统”1 3 1国家“ 重点工程青藏铁路拉萨一木段地理气象条件恶劣，十五”格尔人烟稀少。为了能评价青藏铁路的环境质量，需对铁路沿线地域特点的进行环境监测，如对温度、湿度、风力、风向、雨雪等参数的自动监测，为青藏铁路作业正常运行提供技术服务。但是青藏铁路生活条件极为艰苦，很多环境监测设备处于无人值守的状态；为此，致力于青藏铁路建设的专家和技术人员己经成功研制出多种远程监

测系统方案并投入运营，保障沿线各站的环境监测数据和结果能及时传送至拉萨或格尔木的控制中心并做出相应处理，相应的数据和信息还可以存储在数据库里作

为史录考1历记参 1 4 1上述两个例子只是铁路部门对铁路环境监测重视的一个缩影。对环

境进行监测能有效协助铁路运输管理部门及时了解环境的真实状况，是

铁路部门制定生产任务和保证生产安全的重要依据。应利用现有先进的计算机技米，加强铁路环境智能监测系统的研发和应用，为铁路生产服务，同时实现环境信息的资源共享11 0 4

1远程监测系统的重要性 . 1许多 生产和工程管理工作中都，需要对一些重要的参数以及工程运行状况实行实时在线监测，以提高工程的管理运行水平。因而，应用于不同行业的各种工程监测系统一直都在不断发展之中。但是，当今工业生

产能力和规模的不断扩大，类似铁路这样大范围的工程管理越来越多，普遍存在监测项目多，测点数量多、分布广，大量的监测数振和信息需

绪论

远程传输或者集中监测，近年来监测系统的发展趋势和特点如下i 1 1,》在工业企业自 动化方面，机械、如化工、石油等行业。目前普遍面临着用信息技术改造传统产业， 因此生产过程的监测应是整体的和全局的； 》各种大工程，如水库大坝、电力系统、气象、水文/水情监测、环境监测等，其对监测系统的要求是分布式的；

》国防、 通信、铁路、航空与航天等行业或领域，传统的局部范围的监测系统越来越明显地表现出不适应， 迫切要求构建较大范围内的甚至是全国性的监测系统或监测网 络。因此针对这些实际需要的共性， 研制开发通用性强、可靠性高、易于扩展维护且性价比较高的远程监测系统是非常必要的，具有重要的现实意义。

计算机技术的飞 速发展，通信网络、嵌入式系统和信息管理等系统性能的巨大改进，为高速数据的采集、传输和处理提供了基础，出现了将自动监测技术、计算机技术和通信技术结合起来的时机。网络技术的直接应用，使监测系统出现了如下进步和变化：①通信网络把各个分散的测量仪器设备挂在一起，使测量不再是各单个仪器设备相互独立操作结果的简单组合，而成为一个统一的 高效的整体，各仪器设备之间的数据、信息通过网络交换，实现 各仪器资源的共享和测量功能的优化整

合； ②通过网络直接从现场采集数据，使数据采集的方式更标准化；③变为完全的数字化操作，从而更有效地减少了测量误差。目 不断将各种新技术的发展成果应用在发展新的自前，人们也动监测系统平台上。然而建设远程监测系统必须要解决如下主要问题：》系统集成： 系统的构建需要涉及到诸如计算机网嵌入式技术、络、传感器技术、 分布式软件体系结构等宽范围的相关技术内容，而且能将它们有机集成； 》通信协议： 大范围监测系统必须保证数据传输的可靠性，即要研究从现场设备到远程工作站的通信协议问题； 监测项目一般具有测点数量多、》分布广：分布广的特点，需要为

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各监测点的大量实时监测数据和信息进行有效地组织和管理， 并

接入Ie e为远程客户端或工 nrt tn作站及时、方便和灵活地提供信息服务。

》适用性： 不少监测系统所处的环境条件恶劣，甚至人烟稀少，因此， 对监测设备都提出了非常高的要求，比如可靠性高、体积小、耐寒、 耐高温、功耗低等特点，这对传统的微机监测系统提出了严峻的考验。 针对以上的问题，本文认为构建具有分布式和网络化特性的远程监

测系统平台，能将不同监测点的现场监测系统通过Ie eIr e联网， n m t tnt t/ a n及时、有效地为远程工作站和监测中心提供信息服务，无论是在经济卜还是技术上，都有积极的现实意义。

1 . 2国内外相关技术的现状本文提出远程监测系统的概念，内容涉及到一些相关领域和技术， 深入了解和分析这些技术的发展和现状，为我们构建该平台这一思路的实现提供了可能的技术支援和现实可能。本文主要涉及到的关键技术包括现场总线技术、嵌入式系统和操作系统等内容。卜面我们就将相关技术的发展和现状作总结性的介绍。

1 .现场总线技术 .1 2根际电 工委员 I ) E 61标准的定现场总线是一据国会( C的I 1 8 E C 5义，种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点通信的通信网络，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系

统中有着广泛的应用前景。现场总线突破了传统采

用一对一连线，用电

压、流的电模拟信号进行测量控制或采用自式的集散系统(C)封闭 ( S的限 D制，构造了真正的全分布式系统，将测控任务分散到现场设备中，上位计算机只负责监控以及一些复杂的优化和先进的控制功能。因此，现场

总线是底层信息与数据传送的主体，处于重要的基础地位[2 18 11 1

绪论

以 下是现场总线的一些主要特点：》总线式结构。一对双绞线或一条电缆上通常可以挂多个现场设备，双向传输多个数字信号， 这种结构比一对一单向模拟信号传送结构布线十分简单，安装费用低，维护简便。 》互可操作性与互用性。互可操作性是指实现互连设备之间、系统间的信息传送与沟通。互用性是指不同生产厂家的性能类似的设备可 实现相互替换。 卜高度分散控制。现场总线将控制功能下放到作为网络节点的设备中，做到分散控制，提高了系统的安全可靠性、灵活性和自治性。 》系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测试的精确度， 减少了传递误差。同时，由于系统的简化，设备与连线减少，现场仪器内部功能加强， 减少了信号往返传输，提高了系统工作的可靠性。

表 1给出了日 - 1前儿种典型现场总线的性能指标。其中F和 Po bs F ri fu是 IC现行的技术标准，C N总线属于早期现场总线标准。L n o s E A ow r k虽不是国际标准，但在国内外的楼宇自动化、工业控制领域以及铁路运输系统和家电产品中有着广泛的应用，因而也在表 1中给予列出。 - 1表1 - 1儿种典型现场总线的性能指标

现场总线传输速率

F F

L n rs o wo k

P oiu rf s b

CAN

6 3. kp 30bs 9 kp- 1 5bs 0kp- . bs 2/Mbs 1 p/ 2 Mbs . p 5 1 Mbs . p 5=. 27 17 2

1 p Mb s

1 Mbs . p 2= . 04

距离( ) k m最大节点数

=. 19

= .4 0010 1

3 2

17 2

实时性

好

女子

好

好

然而现场总线在应用中普遍存在以下的问题： 1现场总线标准的特点是通信协议比较简单，但通信速率比较低。 .

当前的现场总线产品主要是低速型，如基金会总线 F的 H F l和 P fu P传输速率只有 3.K p因种低速的网 ri s A的 ob - 15b

s此这 2 o络技术满足

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不了现代航空、国防等领域对高速数据采集、传输和图像处理的要求。 2各种现场总线的通信协议互不兼容， 造成底层信息与上层信息网通过We方式浏览和交互控制的瓶颈。 b 3目前用以太网作为现场总线的基础问 题己得到解决，正待实用。这是一个很新的值得探讨的问题。

12 2 .嵌入式系统与嵌入式 Ln x iu嵌入式系统是以 嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面向应用，软硬件可裁减的；适用于对功能、可靠性、成本或体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统具有的特点是：高可靠性，在恶劣的环境或突然断电的 情况下，系统仍然能够正常工作；许多嵌入式应用要求实时性，因此一般嵌入式操作系统具有实时处理能力；嵌入式系统和具体应用有机地结台在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行；嵌入式系统中的软件代码要求高质量、高可靠性：一般都固化在只读存储器中或间存中，也就是说软件要求固态化存储，而不是存储在磁盘等载体中。随着嵌入式系统的发展，提出了对嵌入式实时操作系统的需求。嵌

入式作系统E s E b d oetgyc )种用途广泛的统操 o (m e e p an sm是一 d d ris t系软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。E S负责嵌入系统 O的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制、协调并发活动；它必须

体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。随着 I m技术的发展、信息家电的普及应用及 E S的微型化和 n e e t t O

专业化，E S O开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应

用的专用性等方面具有较为突出的特点。目早己前，推出的一些应用比较

成功商版E S so、 N、 e卜、 w r和w面w c的用 o有Ps Q X N皿 u vo k sx s加 s E等。这些商用的操作系统虽然功能强大，但是价格昂贵；而且网络协议栈等开发资源都得由相应的公司提供，使得开发者受制于提供操作系统的公司。直到Ll操作系统的出 ix l u现打破了这一局面，嵌入式 L x S i O u n

绪论

与这些业版本有如下 1商相比优点3 1 .第一，L x是开放源代码的，

不存在黑箱技术，遍布全球的众多 u i n

L u爱好者都是L u开发者的强大技术支持者； ix n ix n使第三方难以实现产品的定制。第二， i x L u的源代码随处可得， n注释丰富，文档齐全，易干解决各种问题。第三，U u的内核小、效率高。第四，L u是开放源 nx ix n代码的O,在价格上极具竞争力，适合中国国情。第五，L u不仅支 S ix n持X 6 8芯片，还是一个跨平台的系统。到目前为止，它可以支持 2^3 0- 0

种。U很多C U(, P包括家电芯厂商都开始做L u的平台移业的片) ix n植工作，而且移植的速度远远超过J a a的开发环境。 v如果今天采用 L u ix n环境开发产品，那么将来更换 C L时就不会遇到更换平台的困扰。 P】第六，Lnx核的结构在网络方面是非常完整的， i内 u它提供了对包括十兆位、百

兆千位的以位及兆太网，有无络、 be rg(还线网 Tk i令牌环) n n和光纤甚至卫星的支持。第七， i x Ln在内核结构的设计中考虑适应系统的可裁减 u性的要求。

不过与某些商业版本相比，嵌入式Lnx有如下弱点：第一，是 i O u S

开发难度较高，需要很高的技术实力；第二，核心调试工具不全，调试不太方便，尚没有很好的用户图形界面；第三，与某些商业 O S一样，嵌入式 L u i x占用较大的内存；当然，人们可以去掉部分无用的功能来 n减小使用的内存，但是如果不仔细，起新的问将引题；第四，有些Lnx i u的应用程序需要虚拟内存，而嵌入式系统中并没有或不需要虚拟内存，所以并非所有的 L u应用程序都可以在嵌入式系统中 ix n运行。我们的希望是保持L u系统优秀的一面，同时使之能够适应嵌入式设备。 ix n

1本文的目的和工作内容 . 3本文全面和系统地分析、综述远程监测系统及相关应用领域的现状 和水平，并针对传统远程监测系统平台在应用中存在的一些问题，提出解决或有助于解决这些问题的方法和手段。为服务于铁路环境监测，结合当前的技术条件，本文提出并构建一种新型的基于以太网和实时数据库的嵌入式远程监测系统。

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本文的研究工作主要是：

1深入、系统地研究当前现场总线、嵌入式技术、计算机网络技术 .

的发展状况，寻找有助于建立具有分布式和网络化特点的远程监测系统的技术支持。

2 .提出和分析本文的嵌入式远程监测系统网络结构，分析内

存式数据库 e tm D Xr e B的原理和应用特点，井提出 S A消息模型，最后设 e OP计出嵌入式远程监测系统的应用体系结构，保证系统具有网络化和分布式结构的特性，这是本文研究的核心内容。 3 .根据设计目标给出嵌入式系统的硬件结构，并为嵌入式系统构建嵌入式 L u操作系统。 ix n 4 .将系统软件分为三个模块：数据采集、e tm D数据库、We Xr e B e b服务器程序，并进行了具体的实现，这是本文的主要工作内容。

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