技术领域
[0001] 本
发明涉及先进制造、传感网络、网络通信领域，具体地指一种面向异构网络的光纤传感嵌入式适配装置、系统及搭建方法。
背景技术
[0002] 随着精益生产、敏捷制造、智能制造系统、全息全能制造系统等先进制造模式的提出，当今的制造技术朝着柔性化、精密化、智能化和服务化的方向不断发展。通过应用制造物联技术，可对整个制造流程和产品信息进行实时动态
跟踪和实时的故障诊断。精准可靠的信息数据接入和交换链路
支撑着整个系统的精益化、
可视化。
[0003] 先进制造模式的体系结构朝着模
块化、标准化、数字化的方向发展，使得制造物联技术必须能兼容不同通信标准的软
硬件设备，其中极具代表性的有：光纤
传感器网络、工业总线网络、基于标准以太网技术的无线网络。光纤传感器网络检测、
感知、存储的信息经由光纤传感解调终端进行解析与封装。解调终端对外的通信
接口呈现两个特点：1、整个通信协议是基于标准的以太网技术；2、数据包的具体含义、数据
帧的通信速率、整体的通信流程均由光纤传感解调终端厂家自定义。新一代以以太网总线技术为蓝本的工业
现场总线技术迅猛发展，此类总线技术在物理层和数据链路层均采用标准的以太网通信标准，解决了传统工业现场总线的硬件兼容问题和数据传输速率问题(其中数据的传输速率最高可达Gbps)，不同的是厂家自定义各自主导协议的应用层标准。该技术逐步取代了原来较为落后的工业现场总线，形成了新型的工业以太网通信网络技术，其中应用较多的工业以太网现场技术有：Profinet、POWERLINK、EtherCat等。此外，制造物联还必须面临诸如ZigBee
无线传感器网络、
RFID网络等异构网络适配接入的问题。制造物联需要连接各种现场设备其间的涉及多个技术领域的差异化
通信接口。目前尚没有任何一个统一标准或适配接入融合装置来实现制造物联通信，因此如何有效集成、转换、共享现有的异构网络资源，从而支撑整个制造物联便成为一个亟待解决的问题。
[0004] 当前所研究的异构网络适配多为不同无线网络间的网络切换、数据交换。目前异构网络呈现多组态、多速率、通信接口不统一等诸多特点，异构网络的形态不仅仅只局限于无线网络，新型的光纤光栅传感器网络、传统工业总线网络都有与其他异构网络进行数据交互的需求，在这领域，缺乏一个科学合理的面向异构网络的适配体系结构来兼容更多异构网络间的数据交换。
[0005] 异构网络间不同通信协议的转换机制和不同通信速率的匹配问题，依旧是研究异构网络适配必须解决的首要问题。新的高数据传输速率的光纤光栅传感器网络和对实时性有严格要求的工业总线网络对异构网络间适配研究带来了新的挑战。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对
现有技术的不足，面向光纤传感器解调终端、工业总线网络、传统无线网络等异构网络，提出一种面向异构网络的光纤传感嵌入式适配装置、系统及搭建方法，本发明硬件上设计光纤传感器解调终端接入接口、工业总线网络接入接口、基于标准以太网技术的无线网络接入接口，
软件上解决异构网络间不同协议的相互转换和不对等数传速率的匹配。
[0007] 为实现上述目的，本发明所设计的面向异构网络的光纤传感嵌入式适配装置，其特殊之处在于，所述光纤传感嵌入式适配装置包括适配装置主模块和以太网转工业现场总线模块；
[0008] 所述适配装置主模块：包括
[0009] 硬件架构系统：用于实现底层驱动、Linux
内核和文件系统、Socket网络编程、协议转换和速率匹配的功能；
[0010] 第一自适应网卡：用于实现面向光纤传感网络的自适应以太网接口；
[0011] 第二自适应网卡：用于实现面向EthernetToCAN的工业现场总线网络接口；
[0012]
无线通信模块：用于与路由器通信，实现面向工业无线网络接口；
[0013] 主模块电源管理模块：用于给所述适配装置主模块提供电源；
[0014] 所述以太网转工业现场总线模块：用于实现所述适配装置主模块与工业现场总线网络之间的通信；
[0015] 所述以太网转工业现场总线模块包括
[0016] 以太网模块：用于实现TCP/IP的Socket硬件协议栈的搭建；
[0017] MCU主控模块：用于实现协议转换和系统整体资源的管理和调配；
[0018] CAN总线接口模块：用于提供CAN总线和CAN协议
控制器之间的CAN物理层硬件支持；
[0019] 辅模块电源管理模块：用于给所述以太网转工业现场总线模块提供电源。
[0020] 整个适配装置将硬件分为一主一辅两个功能模块实现，适配装置主模块负责接入网络(光纤传感网络、工业无线网络)功能，以太网转工业现场总线模块(EthernetToCAN)是配合主模块的编程，将工业总线网络接口剥离出来的一个辅助模块。
[0021] 更进一步地，所述硬件架构系统基于ARM Cortex-A8硬件架构，满足高速率的数据吞吐、高实时性能的协议转换需求。
[0022] 更进一步地，所述第一自适应网卡和第二自适应网卡均为十百千兆自适应网卡。第一自适应网卡和第二自适应网卡这两个十百千兆自适应以太网接口，其中一个接口用于面向光纤传感网络，另外一个面向Ethernet To CAN的工业现场总线网络。
[0023] 更进一步地，所述无线通信模块是符合IEEE802.11g标准的百兆无线网络接口，以实现工业无线网路的接入。
[0024] 更进一步地，所述适配装置主模块还包括用于支持USB接口的USB接口模块，以实现WLAN网络的接入。
[0025] 更进一步地，所述适配装置主模块还包括用于控制终端操作进行主模块软件功能配置的串口调试接口和用于软件系统升级更新的USB调试接口，以分别实现模块的软件功能配置的功能和软件系统的升级更新的功能。
[0026] 一种利用上述面向异构网络的光纤传感嵌入式适配装置的适配系统，其特殊之处在于，所述适配系统包括光纤传感嵌入式适配装置、光纤传感解调终端、工业现场总线网络和工业无线网络，所述光纤传感嵌入式适配装置通过第一自适应网卡与光纤传感解调终端连接，通过第二自适应网卡与工业现场总线网络连接，通过无线通信模块与工业无线网络连接。
[0027] 一种利用上述面向异构网络的光纤传感嵌入式适配系统的搭建方法，其特殊之处在于，所述搭建方法包括如下步骤：
[0028] 1)依据适配接入的对象类型，确定所述光纤传感嵌入式适配系统的组成包括光纤传感嵌入式适配装置、光纤传感解调终端、工业现场总线网络和工业无线网络；
[0029] 2)搭建所述光纤传感嵌入式适配装置的功能模块，所述光纤传感嵌入式适配装置包括适配装置主模块和以太网转工业现场总线模块；
[0030] 3)分别对所述光纤传感嵌入式适配装置与光纤传感解调终端的接口、光纤传感嵌入式适配装置与工业现场总线网络的接口、光纤传感嵌入式适配装置与工业无线网络的接口采用循环双缓冲池技术处理。
[0031] 优选地，所述步骤3)中采用循环双缓冲池技术处理的步骤包括：
[0032] 31)构建两个缓冲池；
[0033] 32)根据通信接口数据传输速率、数据解析与处理模块自身处理速率、突发事件对数据解析与处理模块的时间增量和输入
数据处理完以后的不连续存储带来的时间增量四个影响因子智能调节缓冲池大小；
[0034] 33)调整数据解析与处理模块的速度；
[0035] 34)根据所述步骤32)中四个影响因子的变化曲线拟合。
[0036] 本发明调研光纤传感解调终端、工业总线网络、基于标准以太网技术的无线网络的各自特点，研究适合此三种异构网络的适配接入体系结构，结合适配接入体系结构，来构建适配接入装置的各硬件功能模块。本发明硬件上设计光纤传感器解调终端接入接口、工业总线网络接入接口、基于标准以太网技术的无线网络接入接口，软件上解决异构网络间不同协议的相互转换和不对等数传速率的匹配。本发明基于适配接入装置的硬件平台，应用循环双缓冲池技术来解决异构网络间的协议转换和速率匹配，满足三种异构网络各自在数据传输的速率、实时性、
稳定性方面的需求。
[0037] 本发明解决了制造物联中异构网络的适配接入问题。相比于以往仅针对单一网络类型的适配接入设备来说，大大增强了制造物联层对异构网络的兼容性，整体的适配接入架构体系更加简单，制造物联连接的对象之间的通信更加紧密，整体系统的通信时延大大降低。本发明的关键技术之一是面向光纤传感解调终端的异构网络适配接入融合装置的设计，该装置在硬件设计上采用了支持双千兆以太网和IEEE802.11g无线网络的高性能ARM Cortex-A8架构芯片，无缝接入任何物理层和数据链路层。以以太网技术为蓝本的通信接口，既保证了在
电路整体设计上的整齐和规范，降低整体的设计难度，又使得该装置对不同异构网络可以轻松接入。关键技术之二是循环双缓冲池技术。该技术改善了异构网络数据接入性能，在面对瞬时高速率数据时，智能变动的存储缓冲池有效地减少了传统缓冲技术中的丢包率。由人机接口决定的输出数据存储队列，使得异构网络间的数据接入和协议转换得以分开，减少了因异构网络间差异化通信带来的相互影响。
附图说明
[0038] 图1为本发明面向异构网络的光纤传感嵌入式适配装置的结构
框图。
[0039] 图2为本发明面向异构网络的光纤传感嵌入式适配装置的软件架构图。
[0040] 图3为本发明面向异构网络的光纤传感嵌入式适配系统的结构框图。
[0041] 图4为双缓冲池在10个时间片内的调整速率曲线图。
[0042] 其中：适配装置1，适配装置主模块1-1，以太网转工业现场总线模块1-2，硬件架构系统1-11，第一自适应网卡1-12，第二自适应网卡1-13，无线通信模块1-14、主模块电源管理模块1-15，USB接口模块1-16，串口调试接口1-17，USB调试接口1-18，FBG解调仪输出数据处理模块1-1a，协议转换与速率匹配核心模块1-1b，无线工业控制网络接入模块1-1c，以太网转CAN总线接口模块1-1d，千兆以太网接口1-1e，百兆无线以太网接口1-1f，CAN总线接口1-1g，以太网模块1-21、MCU主控模块1-22、CAN总线接口模块1-23、辅模块电源管理模块1-
24，串口调试模块1-25，LED状态指示模块1-26，光纤光栅解调终端2，工业现场总线网络3，工业无线网络4。
具体实施方式
[0043] 以下结合附图和具体
实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0044] 如图1所示，本发明一种面向异构网络的光纤传感嵌入式适配装置1包括适配装置主模块1-1和以太网转工业现场总线模块1-2。
[0045] 适配装置主模块1-1包括硬件架构系统1-11、第一自适应网卡1-12、第二自适应网卡1-13、无线通信模块1-14、主模块电源管理模块1-15、USB接口模块1-16、串口调试接口1-17和USB调试接口1-18。硬件架构系统1-11用于实现底层驱动、Linux内核和文件系统、Socket网络编程、协议转换和速率匹配的功能。硬件架构系统1-11采用德州仪器的ARM Cortex-A8架构的最高主频1GHz的AM3359作为整个电路的核心处理器，其他的功能接口和辅助调试接口将围绕AM3359展开。为满足嵌入式
操作系统的系统开销和异构网路接入接口的高速率数据缓冲，AM3359的内存将配置2Gb的DDR3。硬件架构系统1-11分别与第一自适应网卡1-12和第二自适应网卡1-13连接。第一自适应网卡1-12和第二自适应网卡1-13均为十百千兆自适应网卡，采用AR8031芯片。第一自适应网卡1-12通过RJ45接口与硬件架构系统
1-11连接，用于实现面向光纤传感网络的自适应以太网接口。第二自适应网卡1-13通过RJ45接口与硬件架构系统1-11连接，用于实现面向EthernetToCAN的工业现场总线网络3接口。无线通信模块1-14是符合IEEE802.11g标准的百兆无线网络接口，采用来自Murata Electronics公司的集WLAN和Bluetooth4.0于一体的LBEE5ZSTNC-523模块，与路由器通信，以使工业无线网路接入，实现与工业无线网络4通信。主模块电源管理模块1-15用于给适配装置主模块1-1提供电源，包括硬件软启动、5V/3.3V/1.8V供电、局部电路过流过压保护、
电流电压检测、电源功耗监测等等功能。USB接口模块1-16是标准的USB2.0接口，用于支持USB接口，采用RT3070WLAN模块。串口调试接口1-17用于控制终端操作进行主模块软件功能配置。USB调试接口1-18用于软件系统的升级更新uboot、linux内核、系统文件、脚本配置文件等。适配装置主模块1-1的外围电路模块还包括：TFT
液晶显示电路、功能切换按键电路、数据缓存电路和WLAN接口电路。
[0046] 以太网转工业现场总线模块1-2是为配合主模块的编程，将工业总线网络接口剥离出来的一个辅助模块，用于实现适配装置主模块1-1与工业现场总线网络3之间的通信，它包括以太网模块1-21、MCU主控模块1-22、CAN总线接口模块1-23、辅模块电源管理模块1-24。其中以太网模块1-21用于实现TCP/IP的Socket硬件协议栈的搭建。以太网模块1-21采用集成硬件以太网协议栈的W5500以太网模块，之所以没使用基于lwIP轻量级嵌入式TCP/IP软件协议栈，而通过通过软件配置W5500的硬件Socket协议栈，是为了减轻MCU用于网路通信的额外软硬件资源开销。MCU主控模块1-22选用STM32系列芯片，用于实现协议转换和系统整体资源的管理和调配。CAN总线接口模块1-23采用飞思卡尔
半导体公司的高速CAN总线收发器件MC33901，用于提供CAN总线和CAN协议控制器之间的CAN物理层硬件支持。辅模块电源管理模块1-24用于给以太网转工业现场总线模块1-2提供电源，包括硬件软启动、
5V/3.3V/1.8V供电、局部电路过流过压保护、电流电压检测、电源功耗监测等等功能。以太网转工业现场总线模块1-2还包括用于控制终端操作进行主模块的软件功能配置的串口调试模块1-25和用于辅助调试、运行状态显示的LED状态指示模块1-26等。
[0047] 本发明适配装置1的软件结构框图如图2所示。适配装置主模块1-1内部搭建了网络
服务器，提供给工业现场总线网络3和工业无线网络4数据接入服务。千兆以太网接口1-1e通过第一自适应网卡1-12接收光纤光栅解调终端2解调过来的大容量数据，再由之后的FBG解调仪输出数据处理模块1-1a对第一自适应网卡1-12接收的光纤网络数据进行
波长数据提取，协议转换与速率匹配核心模块1-1b按照标定公式标定
温度或压
力应变信息，处理后通过无线工业控制网络接入模块1-1c发送至百兆无线以太网接口1-1f或者通过以太网转CAN总线接口模块1-1d发送至CAN总线接口1-1g进行后续传输。百兆无线以太网接口1-1f将传输数据发送至工业现场总线网络3，CAN总线接口1-1g将传输数据发送至工业无线网络
4。
[0048] 以太网转工业现场总线模块1-2作为客户端向硬件架构系统1-11的Ethernet0的服务器端发送TCP/IP连接
请求，服务器实时监听服务请求，二者之间建立TCP/IP连接。当以太网转工业现场总线模块1-2发送数据请求时，适配装置主模块1-1响应数据请求，通过第一自适应网卡1-12提取光纤光栅解调终端2中的FBG标定的数据，进行数据封装，然后发送给以太网转工业现场总线模块1-2。以太网转工业现场总线模块1-2通过RJ45接口与以太网模块1-21连接，然后通过SPI接口与MCU主控模块1-22相接，进行通信。
[0049] 如图3所示，本发明利用上述的面向异构网络的光纤传感嵌入式适配系统，包括光纤传感嵌入式适配装置1、光纤传感解调终端2、工业现场总线网络3和工业无线网络4。光纤传感嵌入式适配装置1通过第一自适应网卡1-12与光纤传感解调终端2连接，通过第二自适应网卡1-13与工业现场总线网络3连接，通过无线通信模块1-14与工业无线网络4连接。工业现场总线网络3为基于标准以太网技术的无线网络。
[0050] 本发明利用上述的面向异构网络的光纤传感嵌入式适配系统的搭建方法包括如下步骤：
[0051] 1)依据适配接入的对象类型，确定光纤传感嵌入式适配系统的组成包括光纤传感嵌入式适配装置1、光纤传感解调终端2、工业现场总线网络3和工业无线网络4。调研光纤传感解调终端2、现场总线网络3、基于标准以太网技术的工业无线网络4的各自特点，主要包括网络的物理接口、网络的拓扑结构、通信协议、数据传输速率等，研究适合此三种异构网络的适配接入体系结构。拟结合适配接入体系结构，来构建适配接入装置的各硬件功能模块，调研各适配接入对象的通信技术指标(最大峰值传输路率、实时响应时间)、物理通信接口，从而确定各接入对象的物理接入形式，以以太网的物理拓扑结构为蓝本，构建适配接入装置的体系结构。
[0052] 2)搭建光纤传感嵌入式适配装置1的功能模块，包括适配装置主模块1-1和以太网转工业现场总线模块1-2。针对光纤解调终端高峰值数据传输速率，采用千兆以太网接口1-1e来匹配其传输速度。工业总线接口电路和无线网路接口电路均采用百兆以太网接口。硬件架构系统1-11采用基于ARM Cortex-A8架构的高性能芯片，满足高速率的数据吞吐、高实时性能的协议转换需求。整个适配接入装置的信息流流向的控制、装置整体性能的实时呈现均由
人机交互接口电路实现。
[0053] 整个系统搭载Linux嵌入式操作系统，内核版本为Linux3.0.8。保留系统运行的基本驱动外，加入两个千兆以太网接口电路、一个百兆无线以太网的驱动。
[0054] 3)分别对光纤传感嵌入式适配装置1与光纤传感解调终端2的接口、光纤传感嵌入式适配装置1与工业现场总线网络3的接口、光纤传感嵌入式适配装置1与工业无线网络4的接口采用循环双缓冲池技术处理。循环双缓冲池技术采用Linux的网络编程技术和多线程通信技术实现，每一组双缓冲池将采用三个线程分别实现：输入接口数据的存储、存储数据的解析与处理、处理后的数据的存储。人机交互界面采用QT4.8.5实现，主要完成异构网络间的数据
流线选择以及相关系统信息显示。
[0055] 由于每个通信接口均采用了循环双缓冲池技术，以下步骤只介绍其中某一通信接口的循环双缓冲池技术。采用循环双缓冲池技术处理的步骤包括：
[0056] 31)构建两个缓冲池。设通信接口的最高峰值通信
数据速率Abps，最小的处理单元占用时间片为Bs，数据初始的处理存储速率为Cbps。若A*B≤C*B，则开辟两个大小为(C*B)b的缓冲池，反之开辟两个大小为(A*B)b的缓冲池。两缓冲池的配合原理是：缓冲池一用于接受来自通信接口的高速率数据，该部分基于DMA技术(Direct Memory Access)和缓冲池
锁技术。缓冲池一的数据存满以后，缓冲池二继续进行数据存储，此时数据解析与处理模块处理缓冲池一刚刚存储的输入数据，结合人机交互界面的信息流流向选项，将处理结果以数组的形式存储到对应的队列中去。缓冲池一的数据处理完以后，接着处理缓冲池二中的数据，而通信接口的输入数据转而存储至缓冲池一中去。如此循环反复。
[0057] 32)根据通信接口数据传输速率、数据解析与处理模块自身处理速率、突发事件对数据解析与处理模块的时间增量和输入数据处理完以后的不连续存储带来的时间增量四个影响因子智能调节缓冲池大小。设通信接口数据传输速率函数为f1(t)，数据解析与处理模块自身的处理速率函数f2(t)、突发事件对数据解析与处理模块的时间增量函数为输入数据处理完以后的不连续存储带来的时间增量为 最小的处理单元占用时间片为Tunit。则新的处理单元占用的时间约为： 则新一轮用于存储的缓冲池的大小为：
[0058] 33)调整数据解析与处理模块的速度。在步骤32)中，我们发现如果数据解析与处理模块的处理速度始终小于通信接口的数据输入速率，就会导致用于存储缓冲池会无休止的递增，最终的结果就是整个系统内存被耗尽。必须调整数据解析与处理速度，使两个缓冲池在可控的范围内动态的扩大与缩小，达到利用最小的系统开销实现协议转换和速率匹配问题。调整的方法有：数据解析与处理模块数量的并行加减、减少系统的突然状况(减少软硬件中断)、改善存储方法减少不必要的文件读写操作。
[0059] 34)根据步骤32)中四个影响因子的变化曲线拟合。科学合理的拟合曲线是使循环双缓冲池技术发挥最大功效的关键。f1(t)的拟合曲线可以采用实验测量的方法，对实验测量结果进行拟合。f2(t)跟所设计的数据解析处理模块
算法时间复杂度相关，针对几个并行的模块可采用加权
叠加的方式拟合。突发事件时间增量函数取决于系统的整体构架，处理流程，由于是突发阶跃的时间量，可采用拉斯变换对其平滑化处理。 与设计的存储算法时间复杂度相关。
[0060] 以光纤传感解调终端接口为例。光纤传感解调终端的峰值数据速率为4Mbps，其有用数据量取决于两个因素：光纤传感器网络中部署的解调器的个数N1(最大部署个数为128个)和单个传感器的信息量I1Byte，该曲线是通过系统网络流量测试模块实时的测量，1到10个时间片内的速率曲线如图4所示。单个数据解析与处理模块的处理速度f2(t)为一个定值。 均为一个线性增量。双缓冲池在10个时间片内的调整过程表1所示。
[0061]
[0062] 表1 双缓冲池在10个时间片内的调整过程
[0063] 实验数据表明，该循环双缓冲池技术减少了接入接口的丢包率，降低了异构网络间通信的相互影响。
[0064] 本
说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
