專利名稱：工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控協(xié)同終端及終端間協(xié)同訪問實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的協(xié)同終端，以及這種集數(shù)據(jù)獲取、信息提取和以太網(wǎng)通訊功能于一體的協(xié)同終端之間的協(xié)同訪問實現(xiàn)方法，提供一種能實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間相互自動識別和直接會話的協(xié)同通訊機(jī)制，從而在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備級完成復(fù)雜的監(jiān)測和控制功能，實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備運(yùn)行可靠性進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測和預(yù)測性控制，屬于遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著企業(yè)自動化程度的提高，生產(chǎn)過程日趨大型、連續(xù)、綜合化發(fā)展，形成了復(fù)雜生產(chǎn)過程，同時也對生產(chǎn)過程運(yùn)行的安全性和健壯性提出了更高的要求，要求能對其運(yùn)行可靠性進(jìn)行在線監(jiān)測和量化評估，提供性能衰退趨勢和潛在安全隱患預(yù)測，降低突發(fā)性故障帶來的停工、停產(chǎn)損失，防止重大事故的發(fā)生。對于復(fù)雜生產(chǎn)過程的監(jiān)控，面臨著一系列不能用傳統(tǒng)方法解決的新問題。從信息的獲取和傳輸上方式講，迫切需要一個能可靠和靈活運(yùn)行于生產(chǎn)現(xiàn)場的分布式“觸點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)來完成設(shè)備信息的收集和整理，而且隨著監(jiān)測點(diǎn)的增刪和變動，“觸點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)能夠靈活地被裁剪調(diào)整而不影響整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且支持動態(tài)擴(kuò)展和升級；從信息的處理方法上講，要求能夠根據(jù)設(shè)備運(yùn)行歷史記錄和當(dāng)前的性能狀況定量評估生產(chǎn)的安全性水平，預(yù)測安全性衰退發(fā)展趨勢和潛在的安全隱患。
從檢索到的文獻(xiàn)資料看，當(dāng)前的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)大都采用分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)來完成現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的收集，在“觸點(diǎn)”的研究方面，研究的重點(diǎn)停留在如何將微處理器技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合來提升傳感器的性能，使傳感器功能向縱深方向發(fā)展，傳感器即為一個個獨(dú)立的微型化儀器，這樣帶來的主要問題就是傳感器自身成本和體積的增加，難以獲得廣泛的應(yīng)用，而且還存在以下技術(shù)上的不足
1)傳感器功能固定，不具有可重構(gòu)性；2)受自身資源的限制，傳感器功能存在局限性；3)傳感器功能封閉，傳感器之間不能實現(xiàn)直接數(shù)據(jù)通訊和會話；其中，傳感器功能的不可重構(gòu)性不僅限制了傳感器功能的升級換代，而且還使得該傳感器難以在新的監(jiān)控任務(wù)中得到重復(fù)利用，增加了企業(yè)的成本；依靠微處理器技術(shù)固然可以提高傳感器的性能和功能，但受產(chǎn)品生產(chǎn)成本和自身硬件資源的限制(微處理器、存儲器等)，傳感器的功能往往被限制在一定的范圍之內(nèi)，難以滿足復(fù)雜多變的現(xiàn)代生產(chǎn)過程監(jiān)控的需要。在當(dāng)前的分布式監(jiān)控系統(tǒng)中，由于傳感器之間不能實現(xiàn)直接的數(shù)據(jù)通訊，使得整個網(wǎng)絡(luò)利用率低，而且整個網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度將隨著傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而大大增加。如果能在傳感器功能的基礎(chǔ)上，研制出一種功能可重構(gòu)的，而且相互之間能實現(xiàn)直接數(shù)據(jù)通訊和會話的“類傳感器”裝置，將會從根本上解決分布式監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜度的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種用于工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的協(xié)同終端以及多個終端間協(xié)同訪問的實現(xiàn)方法，借助設(shè)備之間的直接會話功能，實現(xiàn)多個裝置之間功能的相互映射和遠(yuǎn)程調(diào)用，突破單個裝置功能受限于自身資源的約束，從而將單個裝置的功能擴(kuò)展到整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，提高監(jiān)控終端的重復(fù)利用率。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明融合嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)，提出了一種用于工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的集數(shù)據(jù)獲取、信息提取和以太網(wǎng)通訊功能于一體的協(xié)同終端及其實現(xiàn)方法。協(xié)同終端采用分離式堆疊結(jié)構(gòu)，由具有在線可重構(gòu)特性的智能換能器接口卡和能實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊的嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器兩大模塊組成。在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)同終端采用“設(shè)備描述表”向網(wǎng)絡(luò)主機(jī)進(jìn)行自我識別和自我描述，采用“設(shè)備能力表”靜態(tài)描述單個協(xié)同終端的設(shè)計能力，采用“網(wǎng)絡(luò)能力表”動態(tài)描述監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中所有協(xié)同終端的設(shè)計能力的集合。多個協(xié)同終端通過相互映射設(shè)備能力表來動態(tài)擴(kuò)展單個協(xié)同終端實際的工作能力，并基于事件驅(qū)動方式實現(xiàn)協(xié)同處理過程來實現(xiàn)多個協(xié)同終端之間的直接訪問。
本發(fā)明提出的協(xié)同終端實體主要由兩大部分組成智能換能器接口卡和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器。換能器接口卡和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器之間采用主從模式的雙向互鎖數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器作為主控制器，智能換能器接口卡作為功能卡與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器互連，1個智能換能器接口卡配備8個模擬傳感器通道、8個數(shù)字傳感器通道、8個激勵器通道，1個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器同時可連接8個智能換能器接口卡，從而實現(xiàn)傳感器通道的擴(kuò)展。
網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通訊功能，主要包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)控制模塊、通信協(xié)議處理器模塊、協(xié)議棧、WEB服務(wù)器模塊、換能器接口卡尋址邏輯模塊和換能器訪問控制模塊。其中，網(wǎng)絡(luò)收發(fā)控制模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的物理傳輸，通信協(xié)議處理器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)報文的解析和打包，協(xié)議棧作為一個軟件模塊提供通信協(xié)議處理器所需要的TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)的接口函數(shù)庫，WEB服務(wù)器模塊在結(jié)構(gòu)上并列于協(xié)議棧模塊，作為一個附加功能提供協(xié)同終端基于瀏覽器的訪問模式。通信協(xié)議處理器將網(wǎng)絡(luò)報文解析成控制指令交由智能換能器接口卡具體執(zhí)行，換能器尋址邏輯模塊表現(xiàn)為一個多路復(fù)用器完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器與多個智能換能器接口卡之間的尋址過程和動態(tài)的物理鏈路切換，換能器訪問控制模塊是換能器驅(qū)動程序，具體執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器和智能換能器接口卡之間的數(shù)據(jù)交換。
智能換能器接口卡負(fù)責(zé)協(xié)同終端功能的具體執(zhí)行。智能換能器接口卡在結(jié)構(gòu)上主要由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器訪問控制模塊、設(shè)備描述表、功能庫、換能器控制模塊、換能器輸入輸出模塊組成。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器訪問控制模塊配合換能器訪問控制模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器和智能換能器接口卡之間的數(shù)據(jù)交換。設(shè)備描述表定義了協(xié)同終端自識別和自描述所需的設(shè)備屬性信息。功能庫包含了智能換能器接口卡所內(nèi)置的功能，具體表現(xiàn)為數(shù)據(jù)處理方法的接口函數(shù)。換能器控制模塊負(fù)責(zé)換能器設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)通訊，換能器輸入輸出模塊實現(xiàn)傳感器通道信號的輸入調(diào)理和激勵器通道信號的輸出放大，實現(xiàn)與實際換能器設(shè)備的物理連接。
針對存在1個中心服務(wù)器(通常由1臺PC機(jī)充當(dāng))和至少2個協(xié)同終端的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明按照如下步驟實現(xiàn)設(shè)備到設(shè)備之間的直接會話并協(xié)同完成既定的監(jiān)控任務(wù)1.協(xié)同終端的配置采用協(xié)同終端配置工具對單個協(xié)同終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，包括IP地址、網(wǎng)關(guān)地址、掩碼、域名服務(wù)器地址。
協(xié)同終端在首次使用或者變更使用前，必須依據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理人員提供的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行配置，配置過程采用組播方式進(jìn)行，每一個協(xié)同終端都必須接受指定的組播命令，為了保證配置的順利進(jìn)行，在配置期間應(yīng)該保證只有一個協(xié)同終端處于運(yùn)行狀態(tài)。
2.協(xié)同終端的自動識別由中心服務(wù)器(協(xié)同終端管理機(jī))基于組播方式向所在子網(wǎng)的協(xié)同終端發(fā)送“請求描述”請求，協(xié)同終端基于請求采用“設(shè)備描述表”向中心服務(wù)器進(jìn)行自我識別和自我描述。
協(xié)同終端上電后，等待中心服務(wù)器的“請求描述”指令，在接收到該指令后，將內(nèi)置的“設(shè)備描述表”傳遞給中心服務(wù)器，中心服務(wù)器依據(jù)獲取的“設(shè)備描述表”信息對協(xié)同終端進(jìn)行識別。本過程在中心服務(wù)器和協(xié)同終端之間自動完成，無需人工干預(yù)。
在網(wǎng)絡(luò)模式下使用時，協(xié)同終端接受中心服務(wù)器的管理，在使用之前，必須向中心服務(wù)器進(jìn)行自我描述。通俗的說就是匯報自己在什么地方、是什么、能做什么，具體包括協(xié)同終端的IP地址、智能換能器接口卡地址、“設(shè)備能力表”、制造商、序列號、設(shè)備ID、通道類型、通道閥值以及通道校準(zhǔn)系數(shù)等設(shè)備描述信息。設(shè)備描述信息是一組具有預(yù)定義數(shù)據(jù)格式的特征參數(shù)，中心服務(wù)器就是依靠該信息來實現(xiàn)對該終端的管理控制和數(shù)據(jù)識別。
3.“網(wǎng)絡(luò)能力表”的生成和更新協(xié)同終端與中心服務(wù)器完成自動識別后，中心服務(wù)器依據(jù)子網(wǎng)中所有活動協(xié)同終端的“設(shè)備能力表”動態(tài)生成“網(wǎng)絡(luò)能力表”，并通過網(wǎng)絡(luò)通訊完成協(xié)同終端“網(wǎng)絡(luò)能力表”的在線更新。本過程在中心服務(wù)器和協(xié)同終端之間自動完成，無需人工干預(yù)。
每一個協(xié)同終端都應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)“設(shè)備能力表”和“網(wǎng)絡(luò)能力表”。所謂的“能力”是指協(xié)同終端所具備的功能的一種別稱，比如終端內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理算法等?！霸O(shè)備能力表”用于表述終端自身的能力，“網(wǎng)絡(luò)能力表”用于表述通訊子網(wǎng)中所有終端可利用的全部功能?！霸O(shè)備能力表”是協(xié)同終端的靜態(tài)屬性，在設(shè)計完成后依據(jù)協(xié)同終端的設(shè)計能力一次性配置，“網(wǎng)絡(luò)能力表”是動態(tài)屬性，是在使用過程中由中心服務(wù)器統(tǒng)計產(chǎn)生并下達(dá)給每一個活動的協(xié)同終端，“網(wǎng)絡(luò)能力表”是協(xié)同終端發(fā)起協(xié)同處理請求的依據(jù)。
4.任務(wù)的制定和下達(dá)中心服務(wù)器將操作者給出的監(jiān)控任務(wù)分解成協(xié)同終端中的智能換能器接口卡可以識別的指令集，并通過網(wǎng)絡(luò)通訊下達(dá)給指定的一個或者多個協(xié)同終端完成。
在任務(wù)描述中，操作者需要指定協(xié)同終端的IP地址、命令類型、命令參數(shù)和處理算法，任務(wù)下達(dá)給協(xié)同終端后，由該終端負(fù)責(zé)指令的解析并調(diào)度和協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中其它協(xié)同終端來協(xié)同完成該任務(wù)，最后把用戶所需要的設(shè)備信息數(shù)據(jù)上傳給中心服務(wù)器。中心服務(wù)器在下達(dá)并啟動任務(wù)操作時，必須保證網(wǎng)絡(luò)中所有的處于活動狀況協(xié)同終端都正確的更新了各自的“網(wǎng)絡(luò)能力表”。
5.協(xié)同終端發(fā)起協(xié)同處理請求協(xié)同終端在遇到無法處理的任務(wù)時，可依照一定的規(guī)則通過查詢“網(wǎng)絡(luò)能力表”請求網(wǎng)絡(luò)中其它的擁有該能力的協(xié)同終端協(xié)助處理，所依據(jù)的規(guī)則在此稱為“協(xié)同規(guī)則”。本過程在多個協(xié)同終端之間自動完成，無需人工干預(yù)。
協(xié)同處理過程在“網(wǎng)絡(luò)能力表”的指導(dǎo)下進(jìn)行，依據(jù)“網(wǎng)絡(luò)能力表”信息選擇網(wǎng)絡(luò)中擁有該“能力”并且“繁忙度”最低的協(xié)同終端協(xié)助完成指定的數(shù)據(jù)處理，“繁忙度”是指某個節(jié)點(diǎn)正在執(zhí)行的單機(jī)任務(wù)和協(xié)作任務(wù)總量的大小。是否擁有該“能力”是通過順序查找“網(wǎng)絡(luò)能力表”來判斷的。查找擁有該能力的終端后，如果數(shù)目大于一個，則要進(jìn)行“繁忙度”的比較計算，最后選擇“繁忙度”最低的協(xié)同終端處理協(xié)同任務(wù)。當(dāng)所請求的協(xié)同終端無應(yīng)答時，則確定該終端“繁忙度”最高，并選擇“次繁忙”的協(xié)同終端繼續(xù)操作。當(dāng)幾個協(xié)同終端“繁忙度”相等的時候，選擇其中任意一個。
6.協(xié)同終端處理臨近終端的協(xié)同請求一個協(xié)同終端在接收到臨近終端的協(xié)同請求任務(wù)后，可依據(jù)自己當(dāng)前的任務(wù)情況做出接受或拒絕的答復(fù)。在接受請求的情況下，該協(xié)同終端會根據(jù)請求的要求完成指定的數(shù)據(jù)處理過程，并將處理的結(jié)果反饋給發(fā)送請求的協(xié)同終端，從而完成整個協(xié)同處理過程。本過程為自動處理過程，無需人工干預(yù)。
7.任務(wù)的完成發(fā)送協(xié)同處理請求的協(xié)同終端接收處理結(jié)果，當(dāng)前協(xié)同處理過程結(jié)束，并在完成中心服務(wù)器下達(dá)的全部任務(wù)后，將任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果上傳給中心服務(wù)器，當(dāng)前任務(wù)結(jié)束。
采用任務(wù)表達(dá)的方式可以讓監(jiān)控任務(wù)盡可能的在設(shè)備現(xiàn)場完成，將海量的原始設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有用的設(shè)備信息數(shù)據(jù)，不僅降低了中心服務(wù)器的運(yùn)算負(fù)荷，而且還減少了網(wǎng)絡(luò)通訊帶寬的需求，使得基于以太網(wǎng)進(jìn)行分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控在技術(shù)實踐上成為可能。
本發(fā)明通過一種能實現(xiàn)設(shè)備到設(shè)備之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的技術(shù)來拓展單個監(jiān)控終端的功能，突破單一終端功能受限于有限硬件資源的約束。協(xié)同終端之間通過網(wǎng)絡(luò)相互映射設(shè)備能力，使得每一終端設(shè)備都能充分利用網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)中其它終端的資源來動態(tài)拓展自身的設(shè)備能力，這種基于網(wǎng)絡(luò)相互映射設(shè)備能力的性質(zhì)使得所有的協(xié)同終端通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)被連接成為一個有機(jī)的整體，從而具有一定的智能性，能夠脫離操作者的干預(yù)而獨(dú)立的完成一定的監(jiān)控任務(wù)。整個產(chǎn)品設(shè)計采用可分離式的模塊化組件結(jié)構(gòu)，保證了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使用時的數(shù)據(jù)訪問的可靠性。
值得注意的是，協(xié)同終端只有在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使用時才能夠發(fā)揮其基于網(wǎng)絡(luò)映射拓展設(shè)備能力的優(yōu)勢，單機(jī)使用時不具有這一特性。協(xié)同終端這種網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)可從根本上解決監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性隨終端數(shù)目的增加而增加的這一難題。


圖1為本發(fā)明協(xié)同終端模塊化結(jié)構(gòu)原理圖。
圖1中，協(xié)同終端在實體上由智能換能器接口卡和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器組成，兩者之間基于雙向互鎖訪問數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全交互。
圖2為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下協(xié)同終端工作示意圖。
圖2中，協(xié)同終端1的設(shè)備能力表和協(xié)同終端2的設(shè)備能力表基于以太網(wǎng)絡(luò)相互映射。
圖3為基于主—從模式的雙向互鎖訪問數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)工作原理圖。
圖3中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器通過雙向互鎖訪問數(shù)據(jù)緩沖區(qū)與智能換能器接口卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，1個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器可同時支持8個智能換能器接口卡。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
圖1所示為本發(fā)明的協(xié)同終端模塊化結(jié)構(gòu)原理圖。協(xié)同終端在實體上采用可分離的堆疊式結(jié)構(gòu)，主要由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器和智能換能器接口卡組成。換能器接口卡和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器之間采用雙向互鎖數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器主要包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)控制模塊、通信協(xié)議處理器模塊、協(xié)議棧、WEB服務(wù)器模塊、換能器接口卡尋址邏輯模塊和換能器訪問控制模塊。其中，網(wǎng)絡(luò)收發(fā)控制模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的物理傳輸，通信協(xié)議處理器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)報文的解析和打包，協(xié)議棧作為一個軟件模塊提供通信協(xié)議處理器所需要的TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)的接口函數(shù)庫，WEB服務(wù)器模塊在結(jié)構(gòu)上并列于式協(xié)議棧模塊，作為一個附加功能提供協(xié)同終端基于瀏覽器的訪問模式。通信協(xié)議處理器將網(wǎng)絡(luò)報文解析成控制指令交由智能換能器接口卡具體執(zhí)行，換能器尋址邏輯模塊表現(xiàn)為一個多路復(fù)用器完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器與多個智能換能器接口卡之間的尋址過程和動態(tài)的物理鏈路切換，換能器訪問控制模塊是換能器驅(qū)動程序，具體執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器和智能換能器接口卡之間的數(shù)據(jù)交換。智能換能器接口卡在結(jié)構(gòu)上主要由訪問控制模塊、設(shè)備描述表、功能庫、換能器控制模塊、換能器輸入輸出模塊組成。訪問控制模塊配合換能器訪問控制模式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器和智能換能器接口卡之間的數(shù)據(jù)交換。設(shè)備描述表定義了協(xié)同終端自識別和自描述所需的設(shè)備屬性信息。功能庫定義了智能換能器接口卡所內(nèi)置的功數(shù)據(jù)處理方法的接口函數(shù)。換能器控制模塊負(fù)責(zé)換能器設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)通訊，換能器輸入輸出模塊實現(xiàn)傳感器通道信號的輸入調(diào)理和激勵器通道信號的輸出放大，實現(xiàn)與實際換能器設(shè)備的物理連接。
圖1中，現(xiàn)場設(shè)備通過換能器接入到智能換能器接口卡的輸入輸出模塊上，完成設(shè)備數(shù)據(jù)的獲取或者實現(xiàn)運(yùn)動控制；換能器控制模塊負(fù)責(zé)傳感器或者激勵器的在線重構(gòu)和控制，并指導(dǎo)換能器設(shè)備完成指定的操作任務(wù)，并將獲取的原始設(shè)備數(shù)據(jù)交由智能換能器接口卡微處理器進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理；微處理器依據(jù)接收的任務(wù)指令從功能庫中調(diào)用所需的處理算法完成數(shù)據(jù)處理，并將最后的執(zhí)行結(jié)果傳遞給網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器由通訊協(xié)議處理器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)打包和發(fā)送，必要的時候，智能換能器接口卡可依據(jù)“協(xié)同訪問”機(jī)制向鄰近的協(xié)同終端發(fā)起協(xié)同處理請求以尋求外援協(xié)助完成指定的任務(wù)；設(shè)備描述表定義了智能換能器接口卡的屬性，包括靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性，靜態(tài)屬性在設(shè)計完成時一次性配置，包括諸如設(shè)備能力表、智能換能器接口卡地址、制造商、序列號、設(shè)備ID、通道類型、通道閥值以及通道校準(zhǔn)系數(shù)等靜態(tài)信息，用于實現(xiàn)智能換能器接口卡的自我描述和數(shù)據(jù)類型識別。動態(tài)屬性是在使用時由操作者依據(jù)一定的規(guī)則配置的，主要包括協(xié)同終端的IP地址和網(wǎng)絡(luò)能力表，網(wǎng)絡(luò)能力表描述了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中所有協(xié)同終端設(shè)備能力的總和，定義了協(xié)同終端的實際能力。
圖2描述了協(xié)同終端的工作示意圖。針對1個中心服務(wù)器和2個協(xié)同終端組成的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明按照如下步驟實現(xiàn)協(xié)同終端之間的直接會話并協(xié)同完成預(yù)定的監(jiān)控任務(wù)1)協(xié)同終端的配置。借助協(xié)同終端配置工具將網(wǎng)絡(luò)中的2個協(xié)同終端的IP地址分別配置為192.168.88.114(協(xié)同終端1)和192.168.88.119(協(xié)同終端2)，網(wǎng)關(guān)地址、掩碼和域名服務(wù)器地址均分別為192.168.88.1、255.255.255.0和192.168.88.1。
2)協(xié)同終端的識別。運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)軟件的中心服務(wù)器在程序啟動后，向所在的子網(wǎng)發(fā)送攜帶“請求處于活動狀況的協(xié)同終端匯報設(shè)備描述信息指令”的組播報文；協(xié)同終端1和2在收到該組播報文后，分別向中心服務(wù)器以各自的“設(shè)備描述表”作出應(yīng)答，應(yīng)答的內(nèi)容包括設(shè)備能力表、智能換能器接口卡地址、制造商、序列號、設(shè)備ID、通道類型、通道閥值以及通道校準(zhǔn)系數(shù)等靜態(tài)屬性信息；中心服務(wù)器在收到應(yīng)答后，分別對協(xié)同終端1和2做出確認(rèn)，從而實現(xiàn)中心服務(wù)器和與協(xié)同終端之間的相互識別。
3)網(wǎng)絡(luò)能力表的生成和更新。中心服務(wù)器根據(jù)協(xié)同終端1和2應(yīng)答的“設(shè)備能力表”生成“網(wǎng)絡(luò)能力表”，并通過網(wǎng)絡(luò)下載到協(xié)同終端1和2實現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)能力表”的更新，“網(wǎng)絡(luò)能力表”描述了監(jiān)控子網(wǎng)中處于活動狀態(tài)的協(xié)同終端設(shè)備能力的總和，定義了協(xié)同終端1和2的實際能力。
4)任務(wù)的制定和管理。操作者通過中心服務(wù)器將監(jiān)控任務(wù)分解成智能換能器接口卡可以識別的指令集交由協(xié)同終端1完成。協(xié)同終端1接收任務(wù)后，由智能換能器接口卡負(fù)責(zé)指令的解析并由換能器控制器控制換能器設(shè)備完成設(shè)備數(shù)據(jù)的獲取。中心服務(wù)器在將任務(wù)下達(dá)給協(xié)同終端1并啟動任務(wù)操作時，必須保證協(xié)同終端1和2都正確的更新了各自的“網(wǎng)絡(luò)能力表”。
5)協(xié)同終端1發(fā)起協(xié)同處理請求。協(xié)同終端1在遇到無法處理的任務(wù)時可依照“協(xié)同規(guī)則”請求擁有該能力的協(xié)同終端2協(xié)助處理。協(xié)同處理請求由協(xié)同終端1發(fā)起。首先，協(xié)同終端1查詢網(wǎng)絡(luò)能力表，搜索到協(xié)同終端2具有該能力；然后，協(xié)同終端1向協(xié)同終端2發(fā)起協(xié)同處理請求，請求的內(nèi)容包括待處理的數(shù)據(jù)、期望的處理方法的編碼、協(xié)同終端IP地址、智能換能器接口卡地址等信息。當(dāng)存在多個擁有該能力的協(xié)同終端時，還需要進(jìn)行“繁忙度”的計算和比較，最后選擇“繁忙度”最低的協(xié)同終端作為協(xié)作處理的對象。
6)協(xié)同終端2處理協(xié)同處理請求。協(xié)同終端2收到并接受協(xié)同終端1的請求，依據(jù)請求的處理方法完成數(shù)據(jù)的處理，并將處理后的結(jié)果反饋給協(xié)同終端1。協(xié)同終端2在接收到協(xié)同處理請求后，當(dāng)自己繁忙時，可以向發(fā)送方做出“拒絕”的答復(fù)，在這種情況下，協(xié)同終端1可根據(jù)情況延遲一段時間重試。
7)任務(wù)的完成。協(xié)同終端1接收協(xié)同終端2的協(xié)同處理結(jié)果，結(jié)束當(dāng)前的協(xié)同處理過程。并繼續(xù)完成其它的指令，在所有的指令都完成后，將任務(wù)執(zhí)行結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)上傳給中心服務(wù)器，整個任務(wù)過程完成。
圖3描述了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器和智能換能器接口卡之間基于主—從模式的雙向互鎖訪問數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)。在硬件實現(xiàn)上，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器作為主控制器，智能換能器接口卡作為功能卡與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器互連，1個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器同時可連接8個智能換能器接口卡，從而實現(xiàn)傳感器通道的擴(kuò)展。圖3表達(dá)了1個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器和8個智能換能器接口卡1…8連接的情況。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器負(fù)責(zé)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的打包和解包，智能換能器接口卡負(fù)責(zé)具體功能的實現(xiàn)，為了保證操作的可靠性和安全性，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器和8個智能換能器接口卡之間的數(shù)據(jù)交換是通過8個邏輯上統(tǒng)一編址但在物理上截然分開的雙端口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)基于嚴(yán)格的控制時序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。以1個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器和1個智能換能器接口卡為例，雙端口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)在物理上又分為獨(dú)立的三個區(qū)域輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和功能寄存器區(qū)。功能寄存器區(qū)包含了一系列用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)互鎖訪問的控制寄存器、狀態(tài)寄存器和中斷寄存器，輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器和智能換能器接口卡按照主—從模式基于功能寄存器區(qū)的控制或狀態(tài)寄存器進(jìn)行共享。所謂的主—從共享模式是指網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器和智能換能器接口卡對兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的共享權(quán)限是不等價的。對于輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，智能換能器接口卡作為“主機(jī)”享有主動的“只寫”權(quán)限，而網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器作為“從機(jī)”享有被動的“只讀”權(quán)限；反過來，對于輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器作為“主機(jī)”享有主動的“只寫”權(quán)限，而智能換能器接口卡作為“從機(jī)”享有被動的“只讀”權(quán)限。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器和智能換能器接口卡之間的雙向數(shù)據(jù)交換始于“主機(jī)”而終于“從機(jī)”，只有“主機(jī)”才可以啟動數(shù)據(jù)交換進(jìn)程。采用這種主—從互鎖訪問的模式，可嚴(yán)格保證協(xié)同終端的操作在自身的控制下運(yùn)行，具有很高的安全性，在本質(zhì)上避免誤操作的發(fā)生，通過在通訊報文上添加必要的控制指示和采取與智能換能器接口卡屬性相關(guān)的加密操作，又可進(jìn)一步增加協(xié)同終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的安全性，避免了遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊而帶來的不正確操作行為。
權(quán)利要求
1.一種工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控協(xié)同終端，其特征在于用分離式堆疊結(jié)構(gòu)，由具有在線可重構(gòu)特性的智能換能器接口卡和能實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊的嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器兩大模塊組成，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器主要包括網(wǎng)絡(luò)收發(fā)控制模塊、通信協(xié)議處理器模塊、協(xié)議棧、WEB服務(wù)器模塊、換能器接口卡尋址邏輯模塊和換能器訪問控制模塊；智能換能器接口卡在結(jié)構(gòu)上主要由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器訪問控制模塊、設(shè)備描述表、功能庫、換能器控制模塊、換能器輸入輸出轉(zhuǎn)換模塊組成，智能換能器接口卡和嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器共享一個雙端口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，互相之間采用主從模式的雙向互鎖數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
2.如權(quán)利要求1的工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控協(xié)同終端，其特征在于所述的設(shè)備描述表包括協(xié)同終端靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性，靜態(tài)屬性包括協(xié)同終端設(shè)備能力表、智能換能器接口卡地址、制造商、序列號、設(shè)備ID、通道類型、通道閥值以及通道校準(zhǔn)系數(shù)，動態(tài)屬性包括協(xié)同終端網(wǎng)絡(luò)能力表。
3.如權(quán)利要求1的工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控協(xié)同終端，其特征在于所述的雙端口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)在物理上分為獨(dú)立的三個區(qū)域輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和功能寄存器區(qū)，功能寄存器區(qū)定義了用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)互鎖訪問的控制寄存器、狀態(tài)寄存器和中斷寄存器，對于輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，智能換能器作為“主機(jī)”享有主動的“只寫”權(quán)限，而網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器作為“從機(jī)”享有被動的“只讀”權(quán)限；對于輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器作為“主機(jī)”享有主動的“只寫”權(quán)限，而智能換能器作為“從機(jī)”享有被動的“只讀”權(quán)限，雙向互鎖訪問數(shù)據(jù)交換進(jìn)程始于“主機(jī)”而止于“從機(jī)”，只有“主機(jī)”才能啟動數(shù)據(jù)交換進(jìn)程。
4.一種權(quán)利要求1的工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控協(xié)同終端間的協(xié)同訪問實現(xiàn)方法，其特征在于包括如下幾個步驟1)協(xié)同終端的識別由中心服務(wù)器(協(xié)同終端管理機(jī))基于組播方式向所在子網(wǎng)的協(xié)同終端發(fā)送“請求描述”請求，協(xié)同終端基于請求向中心服務(wù)器進(jìn)行自我描述；2)“網(wǎng)絡(luò)能力表”的生成與更新中心服務(wù)器依據(jù)子網(wǎng)中所有活動協(xié)同終端的“設(shè)備能力表”動態(tài)生成“網(wǎng)絡(luò)能力表”，并通過網(wǎng)絡(luò)通訊完成協(xié)同終端“網(wǎng)絡(luò)能力表”的在線更新；3)任務(wù)的指定和下達(dá)操作者通過中心服務(wù)器將監(jiān)控任務(wù)分解成協(xié)同終端可以識別的指令集并通過網(wǎng)絡(luò)通訊下達(dá)給指定的協(xié)同終端；4)協(xié)同終端發(fā)起協(xié)同處理請求協(xié)同終端在遇到無法處理的任務(wù)時可基于事件驅(qū)動方式通過查詢“網(wǎng)絡(luò)能力表”請求子網(wǎng)中擁有該能力的協(xié)同終端協(xié)助處理任務(wù)；5)臨近的協(xié)同終端接受協(xié)同處理請求，并在處理完成后將處理的結(jié)果反饋給協(xié)同處理請求的發(fā)起者；6)協(xié)同處理請求的發(fā)起者接收處理結(jié)果，當(dāng)前協(xié)同處理過程結(jié)束，并在全部任務(wù)完成后將任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果上傳給中心服務(wù)器，當(dāng)前任務(wù)結(jié)束。
5.如權(quán)利要求4的工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控協(xié)同終端間的協(xié)同訪問實現(xiàn)方法，其特征在于采用網(wǎng)絡(luò)映射方法擴(kuò)展協(xié)同終端的設(shè)備功能，協(xié)同終端采用“設(shè)備能力表”靜態(tài)描述單個協(xié)同終端的設(shè)計能力，采用“網(wǎng)絡(luò)能力表”動態(tài)描述監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中所有協(xié)同終端設(shè)計能力的集合。
全文摘要
一種工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控協(xié)同終端及終端間協(xié)同訪問實現(xiàn)方法，協(xié)同終端集數(shù)據(jù)獲取、信息提取和以太網(wǎng)通訊功能于一體，采用分離式堆疊結(jié)構(gòu)，由具有在線可重構(gòu)特性的智能換能器接口卡和能實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊的嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器兩大模塊組成。在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)同終端利用“設(shè)備描述表”向網(wǎng)絡(luò)主機(jī)進(jìn)行自我描述，用“設(shè)備能力表”靜態(tài)描述單個協(xié)同終端的設(shè)計能力，用“網(wǎng)絡(luò)能力表”動態(tài)描述監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中所有協(xié)同終端的設(shè)計能力的集合，多個協(xié)同終端通過相互映射設(shè)備能力表來動態(tài)擴(kuò)展單個協(xié)同終端實際的工作能力。本發(fā)明通過一種能實現(xiàn)設(shè)備到設(shè)備之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的技術(shù)來拓展單個監(jiān)控終端的功能，突破單一終端功能受限于有限硬件資源的約束。
文檔編號H04L29/10GK1545284SQ200310108520
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月13日
發(fā)明者丁漢, 陶波, 丁 漢 申請人:上海交通大學(xué)