基于JAVA的工業(yè)控制移動數(shù)據(jù)通信解決方案

J2ME技術(shù)目前在手機行業(yè)取得了較大成功，已經(jīng)成為手機增值開發(fā)平臺的業(yè)界事實標準，它創(chuàng)造性解決了不同軟硬件平臺上統(tǒng)一應用開發(fā)的問題把這個思路引入到工業(yè)控制無線數(shù)傳終端，具有廣闊的市場前景在工業(yè)控制系統(tǒng)中利用J2ME技術(shù)，不但可以降低系統(tǒng)的開發(fā)難度、實現(xiàn)嵌入式環(huán)境中基于服務級的互操作，而且可使系統(tǒng)具有很好的靈活性和可靠性使無線數(shù)傳終端實現(xiàn)了模塊化、構(gòu)件化設計，大大提高了系統(tǒng)的可擴展性與可擴充性JAVA嵌入式軟件具有標準的程序接口和協(xié)議，可解決應用互聯(lián)帶來的各種問題，消除不同軟件、硬件系統(tǒng)之間的異構(gòu)問題，可支持各種通訊協(xié)議、各種通訊服務模式、傳輸各種數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)格式翻譯、流量控制、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮等；JAVA嵌入式軟件還可解決安全控制、并發(fā)控制、可靠性保證、效率保證等，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源的有效共享，并能提供基于不同平臺的豐富的開發(fā)接口、支持流行的開發(fā)工具 在工業(yè)控制系統(tǒng)中使用J2ME技術(shù)的優(yōu)勢：提供了一種獨立于廠商的服務平臺，使得不同廠商的現(xiàn)場控制系統(tǒng)可以相互兼容將工業(yè)控制系統(tǒng)中每個設備提供的功能都可以映射成J2ME服務，使其不僅可以被現(xiàn)場總線使用，而且還可以被支持J2ME的任何設備（如PDA）來訪問；簡化網(wǎng)絡編程，提高系統(tǒng)的安全性；將Java技術(shù)應用到無線數(shù)傳終端產(chǎn)品中主要具有以下幾個方面的好處：將Java技術(shù)應用到無線數(shù)傳終端產(chǎn)品中主要具有以下幾個方面的好處：可以容易地連接到Internet，這樣系統(tǒng)變成了開放的，提高了設備的可訪問性；使工業(yè)控制系統(tǒng)中的設備可以與家用消費電器和自動化設備通信，增強設備的功能。

1、產(chǎn)品簡介

基于JAVA的工業(yè)控制無線數(shù)傳終端是根據(jù)工業(yè)控制領(lǐng)域行業(yè)用戶需求特點專門設計開發(fā)的具有良好的擴展性和可移植性產(chǎn)品提供完整的PPP 協(xié)議及上層TCP/IP 協(xié)議，具有路由功能，提供100BaseT以太網(wǎng)接口、RS232、RS485等多種標準接口產(chǎn)品具有性能高、體積小、供耗低、組網(wǎng)靈活、配置簡單、擴展性強的特點，支持實時數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控、營業(yè)網(wǎng)點接入等各種行業(yè)應用可廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場控制、數(shù)據(jù)采集、交通監(jiān)控、遠程業(yè)務點接入等多種領(lǐng)域，也可以內(nèi)置于控制面板，智能儀表等設備中，充分滿足行業(yè)用戶開展無線數(shù)據(jù)應用的需求無線數(shù)傳終端產(chǎn)品系列包括：

（1）無線數(shù)傳終端內(nèi)建TCP/IP 功能及標準的串行端口功能，集成工業(yè)級GPRS/CDMA1X 模塊，并提供完備的電源系統(tǒng)，使用方便簡潔GPRS 無線數(shù)傳終端CDMA1X 無線數(shù)傳終端。

（2）嵌入式開發(fā)板內(nèi)建TCP/IP功能及標準的串行端口功能，用戶可靈活選配GPRS/CDMA1X模塊，自定義產(chǎn)品尺寸該嵌入式開發(fā)板便于二次開發(fā)和快速整合到用戶原有系統(tǒng)，并通過軟硬件整體解決方案滿足行業(yè)用戶快速開發(fā)無線網(wǎng)絡應用的需要。

2、技術(shù)來源

中聯(lián)科技開發(fā)的無線數(shù)傳終端產(chǎn)品核心技術(shù)來源于國家“863”計劃《無線移動自組織互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及實驗系統(tǒng)研制》技術(shù)成果，產(chǎn)品具有兩方面的核心技術(shù)：

（1）具有完整的嵌入式TCP/IP協(xié)議和GPRS、CDMA公眾無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡通信

（2）具有針對應用的J2ME開放開發(fā)平臺目前，相關(guān)產(chǎn)品多集中在以PC機為架構(gòu)擴展通信模塊，利用PC上的資源來完成相應工作的公用市場，其中代表性產(chǎn)品就是GPRS、CDMA無線上網(wǎng)卡其特點是產(chǎn)品價格較高，同時應用對行業(yè)沒有深入滲透，難以形成行業(yè)規(guī)模產(chǎn)業(yè)目前移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡設備處于一個新興的蓬勃發(fā)展階段，由于GPRS、CDMA公眾無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡采用TCP/IP 技術(shù)，因此相應的行業(yè)工控終端首先要解決TCP/IP 相關(guān)技術(shù)的長期積累國內(nèi)目前的技術(shù)方案多采用傳統(tǒng)8051單片機增加簡單的PPP協(xié)議來實現(xiàn)，而我們開發(fā)的無線數(shù)傳終端產(chǎn)品是在已成熟的寬帶路由器和SNMP 網(wǎng)管設備等產(chǎn)品的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的全新系列產(chǎn)品，硬件采用全新的ARM7 32位嵌入式RISC CPU，處理能力及系統(tǒng)資源提高10倍以上；軟件上采用完整的嵌入式OS及TCP/IP協(xié)議包，整體方案具有如下技術(shù)優(yōu)勢：

（1）完整TCP/IP協(xié)議，具有100BaseT網(wǎng)絡接口及完整的IP 路由功能

（2）針對應用具有TCP 可靠連接方式，專為金融交易應用而設計

（3）內(nèi)嵌WEB Server 配置方式，方便直觀

（4）支持TELNET、SNMP等網(wǎng)絡管理功能，適合行業(yè)應用

（5）支持遠程維護，具有遠程配置、遠程升級和重啟動的功能目前公司在嵌入式TCP/IP技術(shù)、產(chǎn)品及市場方面都取得了較大成功。

3、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理

產(chǎn)品以32位嵌入式處理器為核心，可對數(shù)據(jù)進行處理，采用嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)，支持協(xié)議轉(zhuǎn)換和透明數(shù)據(jù)傳輸，可提供各種應用定制的嵌入式軟件的代碼空間，根據(jù)具體設備應用，可在嵌入式專用處理器上開發(fā)新軟件，還可提供定制的中心主機軟件系統(tǒng)從硬件上主要分為電源、移動通信模塊、嵌入式RISC CPU、存儲系統(tǒng)和邏輯控制電路、接口驅(qū)動電路等五個部分，如圖所示接口驅(qū)動支持同步和異步通信，采用和集成第三方的移動通信模塊。

圖1:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)軟件包括實時操作系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議棧、數(shù)據(jù)加密、串行數(shù)據(jù)流到TCP/IP的協(xié)議轉(zhuǎn)換、接口驅(qū)動程序等

4、產(chǎn)品功能特點

（1）多媒體數(shù)據(jù)處理功能

無線數(shù)傳終端集現(xiàn)場圖像監(jiān)視，現(xiàn)場聲音監(jiān)聽和數(shù)據(jù)采集傳輸多媒體監(jiān)控功能于一體設備集成視頻頻編碼壓縮功能，支持M-JPEG或MPEG-4的編解碼技術(shù)進行視頻編解碼，可以串口外接攝像頭，能夠隨時隨地拍攝照片，完成實時視頻信號的壓縮、語音信號和數(shù)據(jù)的編碼，并經(jīng)過設備打包傳送到遠端的監(jiān)控中心，為用戶提供高質(zhì)量的實時圖像，可以廣泛應用于變電站、郵電、石油、水利等系統(tǒng)的無人值守機房及其它環(huán)境監(jiān)控。

（2）支持協(xié)議轉(zhuǎn)換與透明傳輸

透明傳輸模式是工業(yè)控制領(lǐng)域適用范圍最廣、通用性最強的一種工作模式在透明傳輸模式下，設備與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸采用TCP 連接方式，不解析從串口收到的任何數(shù)據(jù)，直接將數(shù)據(jù)作為TCP 或UDP 的數(shù)據(jù)進行打包發(fā)送，而對具體數(shù)據(jù)的解析分別由后端數(shù)據(jù)采集終端設備和前端數(shù)據(jù)中心的相關(guān)服務器進行處理同時，為了滿足SCADA 系統(tǒng)要求，設備也可配置命令串反向控制數(shù)據(jù)采集設備，按用戶所需改變數(shù)據(jù)采集設備的工作方式；定義數(shù)據(jù)成幀的方式，即設備直接將數(shù)據(jù)按要求的格式封裝成規(guī)定的幀，然后通過TCP/UDP傳送到上位機數(shù)字設備分為支持TCP/IP的設備和非TCP/IP設備兩大類TCP/IP設備包括采用Windows 系列操作系統(tǒng)的 PC、筆記本電腦和采用嵌入式操作系統(tǒng)的 PDA；而傳統(tǒng)的工業(yè)控制設備主要是非TCP/IP設備，如RS-232、RS-422、RS-485、CNC、PLC 串行設備或模擬傳感器設備。

（3）移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡底層使用的通信協(xié)議是TCP/IP，而傳統(tǒng)的工業(yè)控制設備不支持TCP/IP協(xié)議工業(yè)控制系統(tǒng)中通常采用實時、可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，如CAN、TTP等，這些工業(yè)控制底層的通信協(xié)議也不支持TCP/IP因此，來自這些工業(yè)控制設備的數(shù)據(jù)，只有通過適當?shù)膮f(xié)議轉(zhuǎn)換，才可以實現(xiàn)與TCP/IP 網(wǎng)絡的連接 項目開發(fā)具有協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧用戶上位系統(tǒng)向無線數(shù)傳終端發(fā)送工作指令和數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)經(jīng)由嵌入式TCP/IP協(xié)議棧進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，打成IP數(shù)據(jù)包，再以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡嵌入式TCP/IP協(xié)議棧使用戶可在缺少TCP/IP協(xié)議棧功能的工業(yè)控制設備（如單片機、可編程控制器PLC）通過PPP、FTP、TelNet、Direct Socket、SerialNet、E-Mail等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

（4）支持金融卡信息交換格式標準（ISO8583）ISO8583 是POS 機或ATM 柜員機等金融設備常用的一個標準，它定義了數(shù)據(jù)的封裝格式等在8583應用模式下，無線數(shù)傳終端與后端終端設備遵循一致的消息格式定義方式，IP 數(shù)據(jù)終端 解析串口收到的消息，并按照約定的命令格式識別消息，檢查校驗和提取消息字段中特定的命令字，執(zhí)行相關(guān)操作，完成一次完整的命令處理設備工作在在8583 模式下，設備按照約定執(zhí)行相關(guān)操作，包括：網(wǎng)絡配置、建立TCP連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)等，提取8583格式封裝的業(yè)務數(shù)據(jù)，并進行相應的傳輸，可以保證金融終端設備與數(shù)據(jù)中心間數(shù)據(jù)交互的完整性，能夠滿足工控、金融等行業(yè)的需求。

（5）支持路由功能設備通過以太口可與多個工業(yè)控制設備相連，提供無線路由功能，讓物理位置比較近的多個終端同時連接上無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)終端設備與數(shù)據(jù)中心的雙向數(shù)據(jù)傳輸在此模式下，設備完成以太接口所連局域網(wǎng)到無線網(wǎng)絡之間的NAT 路由而設備的串口用作控制臺配置接口，設備對串口接收到的數(shù)據(jù)作為標準的控制臺命令處理，實現(xiàn)對IP 數(shù)據(jù)終端的配置管理。

（6）提供AT 擴展命令集很多工業(yè)控制產(chǎn)品直接輸出AT 命令，控制外接設備無線數(shù)傳終端作為一個帶TCP/IP 功能的擴展數(shù)據(jù)終端，從串口接收數(shù)據(jù)終端發(fā)來的類AT 命令，并執(zhí)行相應的操作無線數(shù)傳終端支持所有標準的AT命令，主要用于控制數(shù)據(jù)通信模塊；同時IP 數(shù)據(jù)終端還根據(jù)應用擴展實現(xiàn)了以下命令：設置數(shù)據(jù)通信參數(shù)、激活/斷開數(shù)據(jù)通信連接、發(fā)送/接收短消息、激活/終止TCP連接、發(fā)送/接收TCP報文、發(fā)送/接收UDP報文等AT擴展命令還可根據(jù)用戶的需求進行定制。

（7）提供多種標準通信接口提供100BaseT以太網(wǎng)接口、PCMCIA、RS232、USB、RS485等多種標準接口，同時開發(fā)相應的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動軟件，以適應工業(yè)控制設備及實驗現(xiàn)場儀器分布式處理結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡連接的需要。

（8）采用嵌入式高性能處理器為了支持多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務，采用處理能力強大32位的嵌入式處理器，提供強大的處理能力，并能夠滿足未來應用功能的升級同時采用實時多任務編程技術(shù)和交叉開發(fā)工具技術(shù)來控制功能復雜性，簡化應用程序設計、保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。

（9）小尺寸、微功耗和低成本通過選用最佳的編程模型和不斷改進算法，采用Java編程模式，優(yōu)化編譯器性能，滿足小尺寸、微功耗和低成本的特性 典型應用領(lǐng)域移動數(shù)據(jù)通信正逐步進入傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域利用移動數(shù)據(jù)通信技術(shù)可以為工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)搭建遠程數(shù)據(jù)傳輸平臺無線數(shù)傳終端利用最新的移動通信網(wǎng)絡作為傳輸介質(zhì)，可以與眾多的RTU終端、DTU終端、PLC終端、單片機終端、工控機、GPS車載定位儀、儀器儀表、POS終端等工業(yè)控制設備無縫連接各種遠程工業(yè)控制設備通過移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡連接到數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)實時瀏覽溫度，設置點，報警或者其他監(jiān)控功能，并使數(shù)據(jù)采樣更加實時準確，用戶可以在異地遠程控制監(jiān)控設備，使工業(yè)控制更加高效率，有助于實現(xiàn)行業(yè)管理現(xiàn)代化、數(shù)據(jù)采集自動化等目標 。

工業(yè)控制無線數(shù)傳終端產(chǎn)品具有支持多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，不僅能滿足工業(yè)遙控、遙調(diào)、遙測、遙信功能，而且還能實現(xiàn)對工控現(xiàn)場遠程圖像實時監(jiān)控，即“遙視”功能，可集中管理各工業(yè)控制設備的工作狀態(tài)，滿足工業(yè)控制自動化發(fā)展的要求設備能夠應用在電力、自來水、天然氣等領(lǐng)域表計的計量，還可實現(xiàn)自動測量讀取、自動計量發(fā)送、遠程信息處理、遠程設備監(jiān)控，以及安防、車輛調(diào)度、公眾流量業(yè)務、工業(yè)處理自動化等任何需要統(tǒng)一管理服務終端的應用方案中，可廣泛用于金融、保險、證券、商業(yè)、公安、多媒體通信、稅務、氣象、石油等行業(yè)。

例如，在環(huán)保系統(tǒng)中，常常需要對眾多的污染排放點進行實時監(jiān)測，大部分監(jiān)測數(shù)據(jù)需要實時發(fā)送到管理中心的后端服務器進行處理由于監(jiān)測點分散，分布范圍廣，而且大多設置在環(huán)境較惡劣的地區(qū)，通過電話線傳送數(shù)據(jù)往往事倍功半利用GPRS網(wǎng)絡進行無線數(shù)據(jù)傳輸，成為環(huán)保部門選擇的通信手段亮點之一污染監(jiān)測設備將采集到的污染數(shù)據(jù)和告警信息，通過GPRS網(wǎng)絡，及時發(fā)送到環(huán)保監(jiān)察部門，可以實現(xiàn)對排污單位或個人的及時管理，大大提高了工作效率，為環(huán)境保護提供了嶄新方式。


無線數(shù)傳終端在環(huán)保系統(tǒng)的應用

無線數(shù)傳終端在工業(yè)控制領(lǐng)域的主要應用有：

（1）城市配電網(wǎng)系統(tǒng)與自動化抄表、變電站設備監(jiān)測

（2）自來水、煤氣管道、閘門、泵站與水廠監(jiān)控

（3）供熱系統(tǒng)實時監(jiān)控和維護級

（4）環(huán)境保護系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

（5）三防與水文監(jiān)測

（6）氣象數(shù)據(jù)采集

（7）無人值守如倉庫監(jiān)控

（8）無人值守站機房監(jiān)控和遠程維護（如移動基站、微波、光纖中繼站等）