基于LwIP的海洋數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)*

王 暉，周巧娣，章雪挺，盛慶華

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州310018）

以海底觀測(cè)節(jié)點(diǎn)為載體的海洋數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)海平面以下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、自動(dòng)獲取，它由各個(gè)傳感器、CPU控制器、數(shù)據(jù)傳輸接口以及水上遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成，可為海洋的探索和監(jiān)測(cè)提供豐富的信息和資料。從我國開始研制海洋數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至今，先后采用了多種數(shù)據(jù)傳輸方式[1]，包括RS232、RS485、CAN總線等，各個(gè)傳輸方式各有利弊。RS232支持全雙工通信，雖然是眾多設(shè)備的直接連接渠道，但傳輸速率慢、抗干擾能力差、傳輸距離短；RS485只支持半雙工通信，抗噪聲干擾性好，傳輸距離較RS232遠(yuǎn)，但傳輸速率慢；CAN總線只支持半雙工通信，通信距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，但傳輸速率仍有限制[2]。根據(jù)數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，本文利用LwIP作為以太網(wǎng)協(xié)議棧，完成LwIP TCP/IP協(xié)議棧在STM32F207VGT6的移植；考慮到以太網(wǎng)支持全雙工通信，同時(shí)利用以太網(wǎng)中的UDP傳輸方式實(shí)現(xiàn)各類傳感器開啟、采集間隔的控制以及對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，大幅度提高了系統(tǒng)遠(yuǎn)程的可控性及實(shí)時(shí)性。

1 系統(tǒng)工作原理

海洋數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中數(shù)據(jù)采集板是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的主要組成部分，本文主要闡述由傳感器、數(shù)據(jù)采集板和用戶遠(yuǎn)程檢測(cè)終端組成的海洋數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。它主要完成對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸以及對(duì)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其目的是提高傳感器水下工作時(shí)長、提供外部電源供電引腳、方便進(jìn)行長期觀測(cè)。

海洋數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)水下傳感器采集到數(shù)據(jù)時(shí)，即刻通過串口傳遞至數(shù)據(jù)采集板，采集板收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)，立即執(zhí)行SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作，并通過以太網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，在UDP傳輸方式下通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳遞至用戶遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)終端。數(shù)據(jù)接收完畢后，水下傳感器繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集。與此同時(shí)，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)終端通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制命令，信號(hào)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至采集板CPU，CPU進(jìn)行命令解析，針對(duì)不同的解析結(jié)果對(duì)傳感器發(fā)送相應(yīng)控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器開啟、采集間隔設(shè)置的實(shí)時(shí)控制。

CTD傳感器1～傳感器5是一般的 RS232接口傳感器，而耦合傳感器1、2、3屬于感應(yīng)耦合自容式傳感器，若要連入電路，需要加入調(diào)制解調(diào)模塊。兩種傳感器除了都能以RS232形式輸出數(shù)據(jù)外，也可進(jìn)行自容式存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)硬件

目前，實(shí)現(xiàn)傳感器串行數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的方式主要有3種：(1)使用專用的網(wǎng)絡(luò)處理芯片；(2)使用高檔嵌入式系統(tǒng)處理；(3)使用單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)控制芯片。通過比較可以發(fā)現(xiàn)：第(1)種成本較高，且用戶需要重新設(shè)計(jì)接口；第(2)種成本也較高，且如果僅用于通信接口，芯片資源則不能充分利用；相比較而言，通過從成本和使用場合考慮，第(3)種方法成本低，實(shí)現(xiàn)比較容易，并且可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行功能擴(kuò)展，只是軟件編程工作量比較大。因此本文采用第三種方法來實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)中主控板微處理器選用ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核的 32 bit微處理器 STM32F207，其主頻達(dá) 120 MHz，專用于網(wǎng)絡(luò)型嵌入式設(shè)備中。STM32F207具有豐富的串口資源、4路USART通道、2路UART通道。其中USART1和USART6最高波特率支持7.5 Mb/s，其他接口最高支持3.75 Mb/s，不僅支持調(diào)制解調(diào)模塊、傳感器的物理連接，而且對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸也提供了較高的傳輸速率，可以有效縮短傳感器通過串口下載歷史數(shù)據(jù)的時(shí)間。

以太網(wǎng)收發(fā)芯片選用美國National公司的10/100 M以太網(wǎng)物理層收發(fā)芯片DP83848C，該芯片遵循Ethernet II和 IEEE802.3u標(biāo)準(zhǔn)， 同時(shí)支持 MII、RMII、SNI三種數(shù)據(jù)連接方式，內(nèi)部還集成了數(shù)據(jù)收發(fā)及濾波功能。在全雙工模式下，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收，理論上最高速度能達(dá)到100 Mb/s，本文對(duì)其配置為 100 Mb/s。采集板簡要框圖如圖2所示。

如圖2所示，微控制器與以太網(wǎng)收發(fā)芯片間采用了RMII模式[3]。這種方式在保持物理層器件現(xiàn)有特性的前提下減少了PHY的連接引腳，在保持IEEE802.3規(guī)范中所有特性的同時(shí)，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：水下采集板傳感器數(shù)據(jù)采集、傳輸程序和遠(yuǎn)程用戶界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序。其中，采集板程序均在KEIL Uvision4下編譯、測(cè)試，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)程序在Visual Studio 2008下編譯、測(cè)試。

3.1 TCP/IP協(xié)議?！狶wIP移植

LwIP是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院的Adam Dunkles等人開發(fā)的用于嵌入式系統(tǒng)的開放源碼TCP/IP協(xié)議棧，其在保持TCP主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用，一般只需要幾十字節(jié)的RAM和40 KB左右的ROM就可運(yùn)行，使LwIP適合在中低端的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。

嵌入式TCP/IP協(xié)議棧有兩種普遍的實(shí)現(xiàn)方式：一種是將協(xié)議簇中的每個(gè)協(xié)議作為一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程，并指定進(jìn)程之間的通信點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)清晰，代碼易懂，占用系統(tǒng)資源較少，且方便調(diào)試；另一種方式是將協(xié)議棧駐留在操作系統(tǒng)內(nèi)核中，應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用與協(xié)議棧通信。該方式對(duì)系統(tǒng)RAM、ROM資源占用較高，且不能很好地支持MDK[4]環(huán)境下的斷點(diǎn)調(diào)試。故本文選擇第一種方式。

3.2 STM32F207采集板程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)可以分為以下4個(gè)步驟：

(1)系統(tǒng)初始化

上電后，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、LwIP協(xié)議棧、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘、通用I/O口初始化配置。

(2)串口配置和通信

在STM32中，struct USART_InitTypeDef中包括了串口的波特率、字符位數(shù)和奇偶校驗(yàn)等重要屬性，在設(shè)置好該結(jié)構(gòu)體后，調(diào)用串口USART_Init使串口屬性生效。配置好串口后，用USART_DMACmd函數(shù)配置串口以DMA直接內(nèi)存訪問，當(dāng)有傳感器數(shù)據(jù)到達(dá)串口的緩沖區(qū)時(shí)，直接存儲(chǔ)至DMA指定緩沖區(qū)中，同時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)最大長度時(shí)，執(zhí)行數(shù)據(jù)傳出、SD卡存儲(chǔ)并清空緩沖區(qū)。

(3)遠(yuǎn)程端命令偵聽

在LwIP中，struct udp_pcb包括了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)最小傳輸單元的類型、IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、當(dāng)前端口號(hào)、目的端口號(hào)等重要屬性，在創(chuàng)建好udp_pcb之后，調(diào)用udp API操作函數(shù)udp_bind使指定的udp數(shù)據(jù)單元屬性生效。對(duì)于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的讀寫，設(shè)置以太網(wǎng)讀寫超時(shí)是非常重要的，LwIP_Periodic_Handle函數(shù)提供了這樣的功能。配置好udp后，用udp_recv函數(shù)打開數(shù)據(jù)接收回調(diào)函數(shù)，通過回調(diào)函數(shù)體中第二個(gè)參數(shù)創(chuàng)建監(jiān)聽線程。在監(jiān)聽中無線程阻塞，當(dāng)接收到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，用udp_send寫數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程控制端對(duì)水下采集板的監(jiān)測(cè)是在監(jiān)聽線程udp_echoserver_receive_callback中完成的，接著，將接收到的命令反饋至CPU，CPU根據(jù)不同的命令，決定是否開啟傳感器。

(4)數(shù)據(jù)幀整合

根據(jù)傳感器的不同，將采集到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行排序、整合，按照固定順序整合成特定幀格式，最后通過以太網(wǎng)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端。采集板程序流程如圖3所示。

3.3 遠(yuǎn)程用戶監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程用戶控制端主要實(shí)現(xiàn)對(duì)水下采集板采集到的數(shù)據(jù)和傳感器工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?？刂贫送ㄟ^查找IP地址的形式對(duì)連接在用戶局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行搜索，經(jīng)過濾，找出設(shè)備，與水下采集板建立虛擬鏈接。然后以UDP面向無連接的通信方式[5]通過以太網(wǎng)接口向采集板發(fā)送傳感器開啟命令。待發(fā)送完畢后，每隔1 s時(shí)間，控制端間歇性地通過以太網(wǎng)向水下系統(tǒng)發(fā)送獲取數(shù)據(jù)命令，用于得到最新的采集數(shù)據(jù)。若采集板中已收到傳感器當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)，隨即將水下系統(tǒng)中已整合的幀數(shù)據(jù)再次通過以太網(wǎng)傳遞至遠(yuǎn)程控制端。當(dāng)接收到完整幀數(shù)據(jù)后，控制端通過分析之前的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，將各類傳感器分別采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，顯示在用戶界面中。程序流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，將采集板的4個(gè)串口分別與調(diào)制解調(diào)器、CTD傳感器1、2、3相連，網(wǎng)口通過網(wǎng)線與電腦的網(wǎng)口相連。采集板程序中設(shè)置 UDP偵聽端口號(hào)為5 000、子網(wǎng)掩碼為 255.255.255.1，網(wǎng)關(guān)為 192.168.1.1，設(shè)置本地IP為192.168.1.103，采集板IP地址為192.168.1.220，這兩個(gè)地址不能與局域網(wǎng)其他地址沖突。系統(tǒng)上電后，在局域網(wǎng)的 PC機(jī)中，通過ping命令，發(fā)送 ICMP請(qǐng)求，客戶端可得到ICMP回應(yīng)。接著打開PC機(jī)上用戶遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件，通過搜索指定目標(biāo)IP，搜索到采集板設(shè)備，此時(shí)采集板與PC機(jī)控制端握手成功后進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，按照配置的采集時(shí)間間隔，采集板將數(shù)據(jù)保存在SD中。其中，傳感器每秒采集數(shù)據(jù)長度約500 B。經(jīng)10 min運(yùn)行，通過將監(jiān)測(cè)軟件顯示的以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)與SD卡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可知，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；通過PC機(jī)對(duì)傳感器配置不同采集間隔時(shí)，兩種方式下數(shù)據(jù)仍保持一致。

接著同樣以每秒500 B的數(shù)據(jù)量近似作為傳感器采集數(shù)據(jù)長度，系統(tǒng)均運(yùn)行10 min，分別對(duì)采用串口RS232、RS485、CAN總線傳輸方式下傳輸完成時(shí)間、誤碼數(shù)進(jìn)行測(cè)試，得出的結(jié)果如表1所示。

表1 各類傳輸方式下參數(shù)對(duì)比圖

由表1中測(cè)試結(jié)果可知，在相同傳輸條件下，以太網(wǎng)傳輸速度是RS232的14.03倍，是RS485的3.97倍，是CAN總線的6.02倍，說明以太網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)量較大的情況下，不管在傳輸時(shí)間方面還是在誤碼數(shù)方面都占有優(yōu)勢(shì)。

在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試的基礎(chǔ)上，在戶外也進(jìn)行了進(jìn)一步的測(cè)試，選擇水深、湖區(qū)面積適中的杭州千島湖中心湖區(qū)作為野外主要實(shí)測(cè)地點(diǎn)。測(cè)試前主要將浮球、水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放入水中，接著進(jìn)行為期一周的實(shí)地觀測(cè)。結(jié)果表明，系統(tǒng)工作正常，達(dá)到了預(yù)期的測(cè)試效果。這里選擇其中某個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)軟件的顯示界面進(jìn)行截圖，如圖5所示。

本文利用基于LwIP協(xié)議棧的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種海洋數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。該采集系統(tǒng)豐富的串口資源使其至多可接入6種不同的傳感器設(shè)備。設(shè)計(jì)時(shí)，在保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的前提下，用以太網(wǎng)傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模式，不僅提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，而且使采集板和用戶監(jiān)測(cè)端數(shù)據(jù)交互更為快捷。同時(shí)，在水下通過加入互聯(lián)設(shè)備，易于水下設(shè)備的擴(kuò)展或組網(wǎng)。系統(tǒng)很好地滿足了海洋數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨?，達(dá)到了傳輸速率在相同條件下優(yōu)于RS232、RS485、CAN總線傳輸速度的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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