专利名称：基于arm架构的opc嵌入式远程数据采集系统及方法
技术领域：
本发明涉及数据采集技术领域，尤其涉及一种基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据米集系统。
背景技术：
在工业控制领域中，系统往往由分散的各个子系统构成，并且各个子系统采用的是不同厂家的设备，由于硬件的驱动器和与其连接的应用程序之间的接口并没有统一的标准，需要开发不同的驱动程序。由于系统中共存各种各样的驱动器，也使维护运转环境的稳定性和信赖性更加困难，OPC使不同供应厂商的设备和应用程序之间的软件接口标准化。OPC即OLE (Ob jectLinking and Embedding)用于工业控制领域一个通讯接口标准，它为过程控制提供了一套标准的接口、属性和方法。OPC的出现使得不同厂商的设备和驱动程序可以灵活地进行连接和信息交互，从而大大提高了过程控制装置和数据采集系统的开放性和互操作性。但OPC技术以Microsoft公司的0LE/C0M技术为基础，应用基本上仍然局限在Windows操作系统平台。当前，工业控制系统向工业以太网结构发展，开放性越来越强。基于TCP/IP以太网通讯的OPC技术在该领域得到广泛应用。现有基于Linux操作系统下的OPC客户端技术都是以X86硬件架构为平台，与管理网络具有相同的硬件架构，因而病毒可以利用此漏洞轻易攻击工业控制网络，使工业控制网的安全受到很大威胁。
发明内容
本发明提供了一种基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统，可实现从工控网络远程数据采集，并将采集数据上传至管理网的实时数据库。本发明从硬件架构和操作系统上安全隔离工控网与管理网，可以防御管理网上的病毒对工控网络的攻击，保证工控网的安全。本发明是一个集数据采集和安全隔离于一体的多功能系统。为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的一种基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统，其特征在于它包括0PC客户端、OPC服务器、通讯服务器、实时数据库和数据处理模块，所述数据处理模块通过OPC客户端的数据采集模块采集OPC服务器上的数据，并通过通讯服务器发送给实时数据库，所述的数据处理模块包括ARM微处理器、电源 / 复位电路、UI 电路、DDR2RAM、NANDFLASH、第一 TCP 接 口、第二 TCP 接口、RS232/485接口、RS232调试接口、运维工具和配置工具；所述的ARM微处理器负责整个通信转换器的监督与控制，电源/复位电路的信号输出端与ARM微处理器的信号输入端相连,ARM微处理器的信号输出端与UI电路的信号输入端相连，ARM微处理器还与DDR2RAM、NANDFLASH、第一TCP接口、第二 TCP接口、RS232/485接口和RS232调试接口相连接；数据处理模块通过第一TCP接口与通讯服务器相连接，数据处理模块还通过第二 TCP接口与OPC服务器相连接。—种基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统，其特征在于，该系统的数据采集方法是通过以下步骤实现的 (1)运行系统，电源/复位电路提供系统各个模块工作所需电源，并复位整个系统，运行NAND FLASH中所固化软件代码；
(2)系统正常运行后，通过配置工具进行参数配置，主要包括
服务器的IP地址(OPC SERVER IP)、设备的名称(PRGID)、设备的ID编号(CLASS ID)、分布式组建对象模型(DCOM)的用户名和密码等信息；
所要采集的标签点名、数据类型、源标签信息；
设备最大允许配置采集点，设备允许采集数据类型，通讯报文格式以及采集周期；
(3)配置工具通过第一TCP接口把配置文件下发到OPC客户端数据采集模块，并运行OPC客户端数据采集模块；
(4)通过基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集模块采集OPC服务器上的数据发送给通讯服务器；
(5)通讯服务器将所获得的数据发送给实时数据库。所述的基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集数据模块采集OPC服务器上的数据的方法包括以下步骤
(1)OPC客户端数据采集模块检测OPC服务器端状态0PC客户端根据所配置OPC服务器信息，创建与OPC服务器的连接，并依据该连接成功与否来判断OPC服务器的状态；如果正常，则根据所配置的组信息与标签点信息向OPC服务器开始添加组与标签点，此后依照配置的采集周期，采集OPC服务器端内实时数据及状态，并将其组装成协议报文准备发送；如果该连接失败，则定期重新创建该连接，直至成功为止；
(2)检测数据处理模块与通讯服务器的通讯状态，若通讯正常，数据发送模块通过第一TCP接口将数据采集模块组装后的协议报文上传到通讯服务器上的通讯平台；若通讯状态异常，本设备将所采集的数据缓存至缓存数据模块，等待重新发送；
(3)通讯恢复后，系统依次将缓存数据上传到通讯服务器。所述的通讯服务器将所获得的数据发送到实时数据库的方法，采用多线程的方法实现，具体包括以下的步骤
(1)通讯服务器上的通讯平台通过第一TCP通信接口接收数据处理模块中数据发送模块的数据报文，校验接收数据报文的安全性及完整性；
(2)按照已配置的报文格式进行数据解析并将数据存入待处理的缓存数据中；
(3)从缓存数据中按序发送数据，调用不同的实时数据库接口将数据发送到实时数据库。所述的已配置的报文格式包括报文头、正文、校验，其中数据正文包括采集点的数据与状态。所述的ARM微处理器包括配置管理模块、运行管理模块、数据采集模块、采集发送模块、数据缓存模块、时钟同步模块和看门狗模块，所述的数据采集模块通过第一 TCP接口以OPC客户端方式从工业控制网络中的OPC服务器端采集数据，数据采集模块的信号输出端与采集发送模块的信号输入端相连，采集发送模块的信号输出端与实时数据库的信号输入端相连，采集发送模块还与数据缓存模块相连，当采集发送模块与管理层的通讯异常时，数据采集模块通过采集发送模块将数据发送给数据缓存模块。所述的ARM微处理器采用的是AT91SAM9G45芯片。
所述的Π电路上设置有指示灯，系统配置成功后，UI电路通过该指示灯显示配置成功。所述的安全隔离功能是通过本设备采用的ARM架构和嵌入式Linux操作系统，与管理网络中的生产执行系统(MES)、工控网络中的集散控制系统(DCS)等系统中广泛应用的X86架构及Windows操作系统的PC机有本质不同，能够在PC机运行的程序无法在本设备上运行，也就是说能够感染PC机的恶意程序无法在本设备上运行，从而保证恶意程序无法通过本设备在管理网络和控制网络之间传播。ARM微处理器负责整个通信转换器的监督与控制。电源/复位电路为通信转换器提供电源与复位逻辑，其中复位电路在转换器系统崩溃时实现外部复位功能。UI电路为用户提示设备运行时的各种工作状态。DDR2 RAM为系统运行提供内存空间。NAND FLASH作为外部存储器，为系统固化代码、掉电保存数据提供存储空间。配置工具用于配置采集信息、设备信息和通讯信息，并能在线读取设备已配置信肩、O运维工具用于监视连接网络的本设备的采集信息、通讯信息及相应的运行日志，在具有执行权限时，可以复位或重启本设备。
数据采集模块，通过OPC协议采集工控网络上以DCS为代表的OPC SERVER的数据，并按照配置的采集点信息对数据进行组织。数据发送模块，组装采集数据报文并按照配置的通讯信息发送数据报文到实时数据库。当与实时数据库通讯出现异常时，本设备通过数据缓存功能缓存采集数据至本地，通讯恢复后，在实时数据发送间歇发送缓存数据。运行管理模块，用于控制主程序的启动和停止、控制时钟同步程序启动执行、控制设备复位和重启并监视各主程序的各模块运行情况。配置管理模块，通过解析配置文件，获取配置信息。本发明实现了基于ARM的OPC嵌入式远程数据采集，具体而言，本发明具有以下有益效果(I)实现了基于ARM的OPC嵌入式远程数据采集，实现了 OPC客户端在基于ARM架构下的应用。(2)本发明在硬件架构和操作系统上区别于管理信息网络中常用的X86架构及Windows系统平台，有效隔离了工业控制网络与管理网络，防御来自管理网络病毒的攻击和入侵，实现了控制网络安全隔离病毒的功能。(3)本发明数据处理模块与管理层的实时数据库通讯过程中，通过通讯平台检测网路，如出现网络异常时，本设备可以在本机上缓存未成功通讯的数据，并在该网络恢复正常后，发送未成功通讯的数据，保证数据的完整性。
图1为基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统的采集方法示意图。图2为基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统的数据处理模块的结构示意图。图3为基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统的ARM处理器结构模块图。图4为基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统的具体实施方式
的示意图。
具体实施例方式下面结合具体实例和附图，对本发明进行详细说明，本实施例中ARM微处理器采用 AT91SAM9G45。如图所示，基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统，它包括0PC客户端、OPC服务器、通讯服务器、实时数据库和数据处理模块，所述数据处理模块通过OPC客户端的数据采集模块采集OPC服务器上的数据，并通过通讯服务器发送给实时数据库，所述的数据处理模块包括ARM微处理器、电源/复位电路、Π电路、DDR2RAM、NANDFLASH、第一 TCP接口、第二 TCP接口、RS232/485接口、RS232调试接口、运维工具和配置工具；所述的ARM微处理器负责整个通信转换器的监督与控制，电源/复位电路的信号输出端与ARM微处理器的信号输入端相连，ARM微处理器的信号输出端与UI电路的信号输入端相连，ARM微处理器还与 DDR2RAM、NANDFLASH、第一 TCP 接口、第二 TCP 接口、RS232/485 接口和 RS232 调试接口相连接；数据处理模块通过第一 TCP接口与通讯服务器相连接，数据处理模块还通过第二TCP接口与OPC服务器相连接。所述的ARM微处理器包括配置管理模块、运行管理模块、数据采集模块、采集发送模块、数据缓存模块、时钟同步模块和看门狗模块，所述的数据采集模块通过第一 TCP接口以OPC客户端方式从工业控制网络中的OPC服务器端采集数据，数据采集模块的信号输出端与采集发送模块的信号 输入端相连，采集发送模块的信号输出端与实时数据库的信号输入端相连，采集发送模块还与数据缓存模块相连，当采集发送模块与管理层的通讯异常时，数据采集模块通过采集发送模块将数据发送给数据缓存模块。本实例实施的现场网络的结构自下而上分为控制层和管理层，本发明装备处于控制层与管理层之间。控制层包括一台横河分散控制系统(Yokogawa DCS),其服务器上安装有横河OPC服务器(Yokogawa. Exaopc OPC SERVER);管理层由配置工具、运维平台、AspenTech公司的IP21实时数据库组成,本实例实施的具体实现步骤如下
(1)设备上电后，电源/复位电路提供设备工作所需各路电源，并复位整个系统，运行NAND FLASH中所固化软件代码，运行系统；
(2)系统正常运行后，通过配置工具进行参数配置，主要包括
服务器的IP地址(OPC SERVER IP)、设备的名称(PRGID)、设备的ID编号(CLASS ID)、分布式组建对象模型(DCOM)的用户名和密码等信息，如表I所示；
表I
权利要求
1.一种基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统，其特征在于它包括0PC客户端、OPC服务器、通讯服务器、实时数据库和数据处理模块，所述数据处理模块通过OPC客户端的数据采集模块采集OPC服务器上的数据，并通过通讯服务器发送给实时数据库，所述的数据处理模块包括ARM微处理器、电源/复位电路、UI电路、DDR2RAM、NANDFLASH、第一TCP接口、第二 TCP接口、RS232/485接口、RS232调试接口、运维工具和配置工具；所述的ARM微处理器负责整个通信转换器的监督与控制，电源/复位电路的信号输出端与ARM微处理器的信号输入端相连，ARM微处理器的信号输出端与UI电路的信号输入端相连,ARM微处理器还与 DDR2RAM、NANDFLASH、第一 TCP 接口、第二 TCP 接口、RS232/485 接口和 RS232 调试接口相连接；数据处理模块通过第一 TCP接口与通讯服务器相连接，数据处理模块还通过第二 TCP接口与OPC服务器相连接。
2.一种基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统，其特征在于，该系统的数据采集方法是通过以下步骤实现的 (1)运行系统，电源/复位电路提供系统各个模块工作所需电源，并复位整个系统，运行NAND FLASH中所固化软件代码； (2)系统正常运行后，通过配置工具进行参数配置，主要包括 服务器的IP地址(OPC SERVER IP)、设备的名称(PRGID)、服务器的标识(CLASS ID)、分布式组建对象模型(DCOM)的用户名和密码等信息； 所要采集的标签点名、数据类型、源标签信息； 设备最大允许配置采集点，设备允许采集数据类型，通讯报文格式以及采集周期； (3)配置工具通过第一TCP接口把配置文件下发到OPC客户端数据采集模块，并运行OPC客户端数据采集模块； (4)通过基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集模块采集OPC服务器上的数据发送给通讯服务器； (5)通讯服务器将所获得的数据发送给实时数据库。
3.根据权利要求2所述的基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统及采集方法，其特征在于，所述的基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集数据模块采集OPC服务器上的数据的方法包括以下步骤 (1)OPC客户端数据采集模块检测OPC服务器端状态0PC客户端根据所配置OPC服务器信息，创建与OPC服务器的连接，并依据该连接成功与否来判断OPC服务器的状态；如果正常，则根据所配置的组信息与标签点信息向OPC服务器开始添加组与标签点，此后依照配置的采集周期，采集OPC服务器端内实时数据及状态，并将其组装成协议报文准备发送；如果该连接失败，则定期重新创建该连接，直至成功为止； (2)检测数据处理模块与通讯服务器的通讯状态，若通讯正常，数据发送模块通过第一TCP接口将数据采集模块组装后的协议报文上传到通讯服务器上的通讯平台；若通讯状态异常，本设备将所采集的数据缓存至缓存数据模块，等待重新发送； (3)通讯恢复后，系统依次将缓存数据上传到通讯服务器。
4.根据权利要求2所述的基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统及采集方法，其特征在于，所述的通讯服务器将所获得的数据发送到实时数据库的方法，采用多线程的方法实现，具体包括以下的步骤(1)通讯服务器上的通讯平台通过第一TCP通信接口接收数据处理模块中数据发送模块的数据报文，校验接收数据报文的安全性及完整性； (2)按照已配置的报文格式进行数据解析并将数据存入待处理的缓存数据中； (3)从缓存数据中按序发送数据，调用不同的实时数据库接口将数据发送到实时数据库。
5.根据权利要求4所述，通讯服务器将所获得的数据发送到实时数据库的方法，其特征在于所述的已配置的报文格式包括报文头、正文、校验，其中数据正文包括采集点的数据与状态。
6.根据权利要求1所述的基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集设备，其特征在于所述的ARM微处理器包括配置管理模块、运行管理模块、数据采集模块、采集发送模块、数据缓存模块、时钟同步模块和看门狗模块，所述的数据采集模块通过第一 TCP接口以OPC客户端方式从工业控制网络中的OPC服务器端采集数据，数据采集模块的信号输出端与采集发送模块的信号输入端相连，采集发送模块的信号输出端与实时数据库的信号输入端相连，采集发送模块还与数据缓存模块相连，当采集发送模块与管理层的通讯异常时，数据采集模块通过采集发送模块将数据发送给数据缓存模块。
7.根据权利要求1所述的基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集设备，其特征在于所述的ARM微处理器采用的是AT91SAM9G45芯片。
全文摘要
一种基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统，它包括OPC客户端、OPC服务器、通讯服务器、实时数据库和数据处理模块，本发明提供了一种基于ARM架构的OPC嵌入式远程数据采集系统，可实现从工控网络远程数据采集，并将采集数据上传至管理网的实时数据库。本发明从硬件架构和操作系统上安全隔离工控网与管理网，可以防御管理网上的病毒对工控网络的攻击，保证工控网的安全。本发明是一个集数据采集和安全隔离于一体的多功能系统。
文档编号H04L29/06GK103064382SQ201210562270
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者张良朝, 陈夕松, 璩泽刚, 王家渠, 张乐 申请人:南京富岛信息工程有限公司