基于RT-thread的机床物联网系统设计与实现.pdf

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第 6期 2 0 1 4年 6月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i ne To o l Aut o ma t i c M a n uf a c t u r i ng Te c h n i q u e NO . 6 J u n .2 0 1 4 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 4 0 6 0 0 6 9 0 4 D O I 1 0 . 1 3 4 6 2 / j . c n k i . mm t a m t . 2 0 1 4 . 0 6 . 0 1 9 基于 R T t h r e a d的机床物联网系统设计与实现 术 苏宪利 , 郑一麟 1 . 渤海大学 信息科学与技术学院, 辽宁 锦州 1 2 1 0 1 3 ; 2 . 中国科学院 沈阳计算技术研究所, 沈阳 1 1 0 0 6 8 摘要 针对机床物联 网系统 中多紧急度数据调度 的要 求和数据通信稳定性的要求, 在机床物联 网系 统 中采 用 了 R T . t h r e a d实时操 作 系统 , 通过 对 m a i l b o x进 程 通信 机 制 的 改进 , 满足 了数 据 优 先 级调 度 的需求, 提 高了系统对 紧急数据优 先处理 的能力。通过采用 s o c k e t 通信技 术, 满足 了网络重 负载通 信的要求 , 在硬件上采用 了A R M C o r t e x . M3处理芯 片和 W5 1 0 0网络通信 芯片。通过 实验仿真 , 证明 了本 系统大幅度提 高了机床数据处理的实时性和 可调度性 。 关键词 数据调度 ; 邮箱模型; s o c k e t 中图分类号 T H1 6 6; T 0 6 文献标识码 A De s i g n a nd I mpl e me n t a t i o n o f M a c h i n e Th i ng s Ne t wo r k Ba s e d o n RT- t hr e a d S U Xi a n. . .1 i , ZHENG Yi . 1 i n 1 .C o l l e g e o f I n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,B o h a i Un i v e r s i t y .J i n z h o u L i a o n i n g 1 2 1 0 1 3, C h i n a ; 2 . S h e n y a n g I n s t i t u t e o f C o m p u t i n g T e c h n o l o g y ,C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s , S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8 , C h i n a Abs t r a c t Th e d e s i g n a n d i mp l e me nt a t i o n o f t h e ma c h i n e t o o l s i n t e m e t o f t h i n g s s y s t e m b a s e d o n RT Th r e a d . To me e t t h e d e ma n d o f mu l t i u r g e n c y d a t a s c he d u l i n g a n d d a t a c o mmu n i c a t i o n s t a b i l i t y,RT- Th r e a d r e a l t i me o p e r a t i n g s y s t e m i s u s e d.The i mp r o v e me n t o f ma i l b o x t h r e a d c o mmu n i c a t i o n mo d e l s a t i s f i e s t h e n e e d o f d a t a s c h e d u l i n g p rio rit y,e n h an c e t h e s y s t e m ’ S a b i l i t y t o g i v e a p rio rit y t o u r g e nt d a t a.Th e u s e o f S o c k e t c a n me e t t h e n e e d o f n e t wo r k h e a v y l o a d c o mmu n i c a t i o n.Emp l o y ARM Co de x M 3 p r o c e s s i n g c h i p a n d w5 1 0 0 n e t wo r k c o mmu n i c a t i o n c h i p i n h a r d wa r e . Th e e x p e rime n t r e s u l t p r o v e d t ha t t h e s ys t e m c a n l arg e l y i mp r o ve t h e r e a l t i me a n d S he d u l i ng o f ma c h i ne t o o l s d a t a p r o c e s s i n g. Ke y wo r d sd a t a s c h e d u l i n g;mml b o x mo d e l ;s o c k e t 0 引言 机床物联网系统是近年来发展起来 的物联 网技 术⋯在机床领域的综合应用 , 通过将物联网设备 、 技术 应用于机床设备 , 实现对机床数据的采集 和传输。机 床物联网系统是对传统的机床信息采集技术的有益补 充 , 对于不能直接通过机床控制系统 自身获取的机 床运行状态参数和环境参数 , 可以由机床物联 网系统 进行获取 , 通过网络传送给诊断系统或 C N C系统 , 对 诊断系统和 C N C系统起到数据支持的作用。 根据机床数据获取 的实际需求, 在机床物联网系 统中数据采集通常采用温度传感器 、 振动传感器、 压 力传感器等传感设备获取数据 , 数据进行汇聚后通过 汇聚节点传送给诊断系统或 C N C系统。在实际的机 床物联网系统运行中出现了以下问题。 1 根据工业要求采集到的数据被分为报警数据 和普通数据 , 所以数据在系统中传输和处理时就产生 了不 同传送和处理紧急度的要求 , 报警数据需要进行 优先传送和处理, 因而产生 了数据调度的问题。 2 由于传感器设备数量的增加和采集频率的提 高, 机床物联网系统数据通信量在大幅度的上升, 因此 产生了大数据量、 快速通信的要求。 为了解决上述问题, 本文提出建设一套基于 R T t h r e a d操作系统的机床物联网系统 , 实现数据传送、 处 理的科学调度和大数据快速网络通信的处理。 1 机床 物联 网系统整体 结构设计 本系统的设计 是为 了采用 物联 网技术 完成对 机床数据 的采集 、 处 理和传输工 作 , 所 以在 系统结 构上设计 了感 知层 、 汇聚层 和应 用层 , 感 知层使用 的主要设备有温度 传感器 、 振 动传感器 , 感 知层设 备完成数据 的采 集和 发送 。汇聚层使 用 的主要设 备为汇聚节点 , 汇聚 节点完成数 据 的接 收 、 处 理和 转发 。应用层完成数据分析 、 处理 和反馈控 制。系 统整体结构如 图 1 所示 。 收稿 日期 2 0 1 40 3 0 3 ; 修回 日期 2 0 1 4 0 4 0 1 基金项 目 ” 高档数控机床与基础制造装备” 国家科技重大专项 一开放式数控系统支撑技术创新平 台建设 2 0 1 1 Z X 0 4 0 1 6 0 7 1 作者简介 苏宪利 1 9 8 0 一 , 男 , 辽宁锦州人 , 渤海大学讲师, 研究方 向为实时控制 , E ma i l x i a n l i s s i n a . t o m. c n 。 7 O 组合机床与自动化加工技术 第 6期 图 1机 床 物联 网 系统整 体 结构 图 本系统 中温度 振动 传感节点完成温度 振动 数据的采集和发送, 并接收来 自汇聚节点传来的反馈 控制数据。温度传感节点采用了 c c 2 4 3 0无线通信模 块通过 z i g b e e 协议与汇聚节点通信。汇聚节点完成传 感节点上传数据的处理 、 调度 , 并转发给诊断系统, 接 收诊断系统发来的反馈控制命令并转根据控制需求转 发给传感节点。汇聚节点采用 c c 2 4 3 0芯片和 z i g b e e 协议完成与传感节点通信 , 采用 w 5 1 0 0以太 网网卡模 块和 T C P协议通过工业以太网完成与诊断系统通信。 诊断系统从以太网接收数据进行分析处理 , 根据分析 结果产生反馈控制, 将控制命令通过 T C P协议发送给 汇聚节点 。 根据机床物联网系统功能和性能的需求, 本系统 在汇聚节点上采用 l i T . t h r e a d操作系统实现数据封装 解封 处理、 数据调度、 网络通信 和硬件设备管理功 能。下面将进行 R T . t h r e a d在汇聚节点上应用的讨论 , 其 中对数据调度算法的改进是本文的重点。 2 汇聚节点功能设计与实现 根据本系统的总体设计, 汇聚节点在硬件结构上 设计为通过 c c 2 4 3 0芯片采用 z i g b e e协议与传感节点 通信, 通过 W5 1 0 0芯片采用 t c p协议完成与与诊断系 统的通信。 在功能上汇聚节点需要完成数据接收、 处理和转 发工作, 汇聚节点处理数据来源有两种 , 一种是由多个 传感节点通过 c c 2 4 3 0发来的具有不同紧急度的数据 , 一 种是由诊断系统通过 w 5 1 0 0发来的反馈控制数据 。 因此数据接收功能需要完成 z i g b e e 通信和 t c p通信管 理。数据处理功能需要完成两部分工作内容, 一部分 是根据数据的紧急度完成发送顺序的调整和控制 , 也 就是数据调度。另一部分是按约定的数据通信协议对 数 据进行 t c p封装和解封 。 根据对 汇聚节点功能 的分 析, 本系统设计 为在 R T t h r e a d操作系统中采用多线程机制 、 中断机制和 ma i l b o x 机制完成数 据处理和调度, 采用 L WI P协议 栈 机制完成以太网通信管理 , 采用 z i g b e e 技术完成 无线通信管理。因此在 R T . t h r e a d中设计 了两道线程, 一 道线程是转发控制线程 , 完成数据从邮箱读取和 向 以太网发送工作 , 该线程具有低优先级。另一道是管 理线程 , 完成 t c p通信初始化和 s o c k e t 通信管理, 该线 程具有高优先级。为了保证数据调度功能的优先进 行 , 单独设计了数据调度处理函数 , 该函数在中断处理 函数中被调用执行。汇聚节点工作原理如图2所示。 通信管理 调度管理 中断处理函数调 用数据调度 函数 对邮箱 完成邮箱写人 进行读 通信管理 对数据 封装并 M a i l b o x 兰 发 控 ] 反 透 L . 舯 婚 。 ] 里 储 莲什 ]制线 程 L 初始化设 备、s o c k e t 通信管理 厂 画面 1 发 送 控 【 制命令 接收反馈控 制数据并解 图 2汇聚 节 点工 作 原理 R T . t h r e a d系统 开始工作 时完成系统初 始化工 作 , 包括系统核心硬件设备驱动、 系统参数的设定和 线程的创建。之后由管理线程 剖进行网络通信设备 w 5 1 0 0初始化和 s o c k e t 通信初始化 , 在初始化完成后 该线程进入挂起状态 , 当 s o c k e t 监听有数据到来时唤 醒该线程并进行数据处理, 处理后 转发控制命令 给 c c 2 4 3 0 。当 c c 2 4 3 0接收到传感节点发来的数据时 , 产 生中断, 进人中断处理程序 , 中断处理程序调用数据调 度函数根据数据优先级进行邮箱写入, 中断返回后唤 醒转发控制线程读取邮箱进行数据封装和转发。 3 改进式 ma i l b o x线程通信机 制设计与 实现 R T . t h r e a d中的 m a i l b o x是一种轻量级进程通信机 制 , 具有控制简单、 开销低和运行效率高的特点, 传统 m a i l box进程通信机制中采用了如图3 所示的控制方法。 图 3 ma i l b o x机 制 腺 理 图 其中邮箱是一个顺序循环操作队列 , o u t o f f s e t 为 出口偏移位置 , i n o f f s e t 为人 口偏移位置 , e n t r y为邮箱 中当前存放邮件的数量 , s i z e为邮箱长度即图中 n1 , 每个邮件大小固定 为 4字节, 邮箱大小为 s i z e 4字 节, 其中邮箱长度可由设计者 自行设定, 邮箱的写入可 以由线程或中断程序完成 , 邮箱 的读取只能由线程完 成。i n o f f s e t 、 o u t o f f s e t 初始时都指向邮箱 0号位置 , 增长方向为0至 n方向, e n t ry初始值为 0 , 邮箱写入后 i n o f f s e t 增加 1 , 向右移动, e n t ry加 1 , 邮件读出后 o u t o f f s e t 增加 1 , 向右移 动 , e n t ry 减 1 , 当 i n o f f s e t 、 o u t o f f - s e t 到达邮箱右端点时, 再次发生写入和读取操作后 i n o f f s e t 、 o u t_ff s e t 重新指向邮箱 0号位置。当邮箱空时 即 e n t r y 等于0 , 邮箱读取线程被挂起 当该线程 t i m e o u t 设置为 0时则直接返 回超时错误 , 邮箱读取线程 由邮箱写入操作唤醒。当邮箱满时即 e n t r y等于 s i z e , 邮箱写入线程被挂起 当该线程 t i m e o u t 设置为 0时则 直接返 回邮箱满错误 , 由邮箱读出操作唤醒。由于 本系统设计中为了保证数据调度操作的最高优先级采 用了由中断处理程序调用数据调度函数完成邮箱的写 2 0 1 4年 6月 苏宪利 , 等 基于 R T t h r e a d的机床物联网系统设计与实现 7 1 入 , 由转发控制线程完成数据的封装和发送 , 因此本系 统中没有邮箱写人线程。 在本系统中, 传感器上传的数据 由传感节点在上 传前根据数据阈值设定了数据的优先级。上传数据共 具有两种优先级 , 一种是低优先级数据即普通数据 , 是 指传感节点上传的未达到报警阈值的数据。另一种是 高优先级数据即报警数据 , 是指传感节点上传的到达 或超过报警阈值的数据。系统运行的规则为, 低优先 级数据到达后根据 F I F O策略进行邮箱写入和转发, 当 有高优先级数据到达后, 需立即停止低优先级数据的 传送, 改为传送高优先级数据 , 而在传统的 m a i l b o x机 制中是数据写入和读取是顺序循环工作进行 的, 无法 完成不同优先级数据传送顺序调整和控制的要求, 因 此本文提出一种改进式 m a i l b o x进程通信机制 , 实现不 同优先级数据按需求进行转发控制 。改进式 ma i l b o x 工作原理如图4所示 。 I n o f f s e t I n o f f t l 第k 个 普通 数据 高优 先级 数据 Ou t _o f f s e t 一1 Ou t O ffs e t b 图 4改进 式 ml b o x工 作 原理 图4 a图是当普通数据到达时改进式 m a i l b o x的处 理 过程 ①当有第 k个普通数据到达时 , 中断程序分析该 数据 , 由于数据为低优先级数据, 则判断邮箱是否 为 满 , 如为满立刻执行中断返回, 该数据丢失 。否则找到 i n o f f s e t 指针位置 , i n o ff s e t 指针当前指 向第 m号 邮 箱 。 ②将第 k 个普通数据复制到该位置, 对 i n o f f s e t 进行加 1 操作 , i n o f f s e t 指针指 向第 m1 号邮箱 , e n t r y 加 1 。 ③ 中断返 回后 由转发控制线程找到 o u t o f f s e t 指 针位置 , 当前指向第 号邮箱 , 将该邮箱的内容封装发 送 , o u t _ o f f s e t 指针加 1 , e n t r y 减 1 。 当 o u t o f f s e t 或 i n o f f s e t 指针指向邮箱最后一个位 置时, 再次发生指针加 1操作时将把该指针指向第 0 号邮箱位置。 图4 b图是当有高优先级数据到达时改进式 m a i l . b o x的处理过程, 这是本文重点改进的内容。 ①当有高优先级数据到达, 中断程序分析该数据, 由于数据为高优先级数据 , 直接找到 o u t o f f s e t 指针位 置, 此处不进行邮箱满的判断, o u t _ o f f s e t 指针当前指 向 第 t 号邮箱, i n o ff s e t 指针指向第 i 个邮箱。 ②对 o u t o f f s e t 进行减 1操作 , o u t o f f s e t 指针指向 第 t - 1 号邮箱 , 将高优先级数据放进第 t - 1号邮箱 , 判 断当 e n t r y 小于 s i z e时, 执行 e n t r y 加 1 , 否则执行 i n o f f s e t 等于 o u t o f f s e t 。此操作用于保证后续的低优先 级数据能写在空邮箱位置上。 ⑧ 中断返回后 由转发控制线程找到 o u t o f f s e t 指 针位置第 t - 1 号邮箱 , 将该邮箱的 内容封装发送, o u t o f f s e t 指针加 1 , e n t r y减 1 。继续恢复正常发送。 当 o u t _ o f f s e t 指针指向第 0号邮箱时 , 再次发生减 1 操作则将该指针指向最大编号邮箱即第 号邮箱。 由于传统 m a i l b o x机制中每个邮箱 的大小为 4个 字节 , 在本设计中采用邮箱存放变量地址的方法 , 实现 大数据的存储和发送。数据结构体设计如下 s t r u e t d a t a ms g { u i n t 8 一t d a t a _p u n i t 8 t d a t a _p r o; u n i t 3 2 一t d a t a s i z e; } ; 其中 d a t a _ p 为指 向该结构体变量的指针 , d a t a p r o为本条数据的优先级 , d a t a s i z e为本条数据的长 度 。 算法改进分析 1 当高优先级数据到达时, 采用了对 o u t o f f s e t 进行减 1 操作而不是操作 i n o f f s e t 是因为 o u t o f f s e t 指 向即将被读取邮件 的位置, 所 以 o u t o f f s e t . 1 指 向位置 的数据应该是已经读取完成 的, 对 o u t o f f s e t 一 1 指 向位 置进行写入不会产生数据丢失。同时在中断返回后将 立刻由转发控制程序读取 o u t o f f s e t 指 向位置的数据 此时为高优先级数据 进行发送 , 从而完成高优先级 数据的优先发送。 2 当高优先级数据是不连续偶发性出现时 , 该 操作只是将 o u t o f f s e t 进行减 1 , 随后邮箱读取线程将 读取位置邮箱的内容发送 , 并进行 o u t _ o f f s e t 加 1 , 此时 o ut _o f f s e t 恢复成为高优先级数据到达前的值 , 恢复到 正常数据的收发过程。 3 当高优先级数据连续到达 时, 就会出现不断 的执行 o u t _ o ff s e t 减 1 操作 , 最坏 的一种可能是经过 n 1 个连续中断后 o u t o f f s e t 值 比原始值小 l , 也就是 全部邮箱都被高优先级数据写满 , 并产生了高优先级 数据间覆盖, 由于本算法 中中断处理程序 内容设计为 不能被阻塞 , 所以只要中断有间歇 , 高优先级数据就能 被转发控制线程读出并发给诊断系统。达到了高优先 级数据优先传送的 目的, 根据本系统的实际工作情况, 由于温度 和振 动传 感 器 的采 集 频率 为每 秒 1次, e c 2 4 3 0发送频率也为每秒 1次, 所 以只要在 1秒内完 成最大中断数量的处理 , 本系统中设计负载为 2 0个传 感器 , 所以最多为每秒 2 0个中断, 就不会出现系统一 直处于中断状态导致数据不能发送 的情况 , 后续的实 验证 明该 情况不会 出现 。 4 邮箱大小的设置 , 由于每个邮件长度为 4个 字节 , 邮箱的大小为长度 s i z e x 4 , 该参数将影响到嵌 入式设备的内存 占用情况 , 邮箱长度 s i z e的设置过少 将出现只要出现高优先级数据就将把低优先级数据覆 7 2 组合机床与自动化加工技术 第 6期 盖, 邮箱数量设置过大内存 占用过大 , 影响系统的整体 性能 , 所以可以根据实际传感节点 的并发数量进行设 定和调整 。 本系统中设定邮箱长度 s i z e 值为 2 0 。 算法实现核心伪代码如下 转发控制线程进行邮件读取 r t rob_r e a d r t ma i l b o x t mb ,r t u i n t 3 2 一 t v a l ue, r t i n t 3 2一t t i me o u t { ⋯ . ⋯ ; v a ] t l e mb一 ms g _p o o l [ m b一o u t o f f s e t ] ; mb一 o u t o f f s e t ; i f mb一o u t _ o ff s e t m-- -n a b一s i z e mb一 o u t _ o ff s e t 0 mb一 e n t r y 一 一 ⋯.... ; } 中断处理程序调用数据调度 函数进行邮件写入, 数据调度函数内容为 r t mb _u r g e n t r t m a i l b o x t m b , r t u i n t 3 2 一 t v a l - u e , d a t a ms g ms g { ⋯ ⋯ ; i f m s g 一p r o o / / 低优先级数据 { m b一m s g p o o l [ m b一i n o ff s e t ] m s g一 v a l u e; mb一 i n o f f s e t ; i f m b一i n o f f s e t m b一s i z e mb一 i n o f f s e t 0; mb一 e n t r y ⋯... ; } i f m s g 一p r o 1 / / 高优先级数据 { i f m b一o u t o f f s e t 0 mb一 o u t o f f s e t mb一 s i z el; e 1 s e 一一 mb一 o u t _o f fs e t mb一 ms g p o o l [ m b一 o u t o f f s e t ]v a l u e ; i f m b一e n t r ys i z e mb一 e n t r y e l s e mb一 i n o f f s e tmb一 o u to f f s e t ;} ⋯⋯ } 4实验结论 为了对改进式 m a i l b o x算法的性能进行分析, 采用 了以下条件进行系统仿真测试实验 1 采用了 1 0个温度传感节点、 1 0个振动传感节 点进行预定数据的发送。为了测试算法在并行数据到 达时的实际处理能力 , 这 2 0个传感节点没有实际采集 数据 , 而是由传感节点中的程序按预设的条件发送报 警数据和普通数据。 2 传感节 点程序 中设计 C C 2 4 3 0发送频率为 1 次/ 秒 。 3 为了保证实验 的可靠性 , 在数据出现报警时 提高传感节点报警数据的发送次数 , 设计为一次报警 发送 3次报警数据。 4 系统实验时间为 2 4个小时 , 其中每个传感节 点发生报警 4 0 0次 , 其中连续报警 2 0 0次即 2 0 0秒完 成 6 0 0条报警数据的发送, 且 2 0个传感节点同时发生 连续报警。每个传感节点间隔性报警 2 0 0次, 间隔时 间为 3秒 。 实验结果 汇聚节点成功收到报警数据 2 4 O O 0条, 普 通数据 1 7 0 4 1 0 0 条, 成功转发报警数据 2 4 0 0 0 条, 普通数据 1 7 0 3 9 9 2条。成功转发数据统计结论如图5 所示。 数据成功转发率 l 0 0 9 9 .9 9 9 9 9 9 .9 9 9 8 9 9 . 9 9 9 7 9 9 .9 9 9 6 9 9 .9 9 9 5 9 9 . 9 9 9 4 9 9 .9 9 9 3 9 9 .9 9 9 2 II 数据成功转发率 报警数 据转 发军 晋 通数 据转 发翠 图5 数据转发成功率对比 实验分析 在实验结论中转发普通数据条数比收 到的普通数据条数少了 8条 , 这种情况是 由于并发到 达的中断导致了高优先级数据对普通数据 的覆盖 , 该 现象可以通过增大邮箱的 s i z e 来解决。通过实验结果 证明了改进式 ma i l b o x 算法不仅具有较好的数据优先 级调度能力, 同时该算法具有较小的处理开销。 5结论 本 系统采用 了 R T . t h r e a d操 作 系统 在汇 聚节点 上 完成数据接收、 调度 、 转发等工作 , 完成了与传感节点 的 z i g b e e 无线通信 , 完成了与监控系统 以太 网方式通 信 , 重点对传统的 m a i l b o x算法进行了改进 , 通过严格 的仿真狈 4 试实验证明了改进后的算法具有较好的实时 处理能力和转发性能, 保证了高优先级数据的完全优 先转发 , 证明了该系统具有很好的实时性和适用性 , 因 此本系统具有很广泛的应用价值和理论研究价值。 [ 参考文献] [ 1 ]曹成. 嵌入式实时操作系统 R T T h r e a d原理分析与应用 [ D ] . 青岛 山东科技大学, 2 0 1 1 . 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