基于JAVA的工业控制移动数据通信解决方案

       J2ME技术目前在手机行业取得了较大成功，已经成为手机增值开发平台的业界事实标准，它创造性解决了不同软硬件平台上统一应用开发的问题把这个思路引入到工业控制无线数传终端，具有广阔的市场前景 在工业控制系统中利用J2ME技术，不但可以降低系统的开发难度、实现嵌入式环境中基于服务级的互操作，而且可使系统具有很好的灵活性和可靠性使无线数传终端实现了模块化、构件化设计，大大提高了系统的可扩展性与可扩充性JAVA嵌入式软件具有标准的程序接口和协议，可解决应用互联带来的各种问题，消除不同软件、硬件系统之间的异构问题，可支持各种通讯协议、各种通讯服务模式、传输各种数据内容、数据格式翻译、流量控制、数据加密、数据压缩等；JAVA嵌入式软件还可解决安全控制、并发控制、可靠性保证、效率保证等，实现了数据资源的有效共享，并能提供基于不同平台的丰富的开发接口、支持流行的开发工具 在工业控制系统中使用J2ME技术的优势：提供了一种独立于厂商的服务平台，使得不同厂商的现场控制系统可以相互兼容将工业控制系统中每个设备提供的功能都可以映射成J2ME服务，使其不仅可以被现场总线使用，而且还可以被支持J2ME的任何设备（如PDA）来访问；简化网络编程，提高系统的安全性；将Java技术应用到无线数传终端产品中主要具有以下几个方面的好处：将Java技术应用到无线数传终端产品中主要具有以下几个方面的好处：可以容易地连接到Internet，这样系统变成了开放的，提高了设备的可访问性；使工业控制系统中的设备可以与家用消费电器和自动化设备通信，增强设备的功能

    1、产品简介 基于JAVA的工业控制无线数传终端是根据工业控制领域行业用户需求特点专门设计开发的具有良好的扩展性和可移植性产品提供完整的PPP 协议及上层TCP/IP 协议，具有路由功能，提供100BaseT以太网接口、RS232、RS485等多种标准接口产品具有性能高、体积小、供耗低、组网灵活、配置简单、扩展性强的特点，支持实时数据采集、远程监控、营业网点接入等各种行业应用可广泛应用于工业现场控制、数据采集、交通监控、远程业务点接入等多种领域，也可以内置于控制面板，智能仪表等设备中，充分满足行业用户开展无线数据应用的需求无线数传终端产品系列包括：

    （1）无线数传终端内建TCP/IP 功能及标准的串行端口功能，集成工业级GPRS/CDMA1X 模块，并提供完备的电源系统，使用方便简洁GPRS 无线数传终端CDMA1X 无线数传终端

    （2）嵌入式开发板内建TCP/IP功能及标准的串行端口功能，用户可灵活选配GPRS/CDMA1X模块，自定义产品尺寸该嵌入式开发板便于二次开发和快速整合到用户原有系统，并通过软硬件整体解决方案满足行业用户快速开发无线网络应用的需要
 
    2、技术来源 中联科技开发的无线数传终端产品核心技术来源于国家“863”计划《无线移动自组织互联网技术及实验系统研制》技术成果，产品具有两方面的核心技术：

    （1）具有完整的嵌入式TCP/IP协议和GPRS、CDMA公众无线数据网络通信
    （2）具有针对应用的J2ME开放开发平台目前，相关产品多集中在以PC机为架构扩展通信模块，利用PC上的资源来完成相应工作的公用市场，其中代表性产品就是GPRS、CDMA无线上网卡其特点是产品价格较高，同时应用对行业没有深入渗透，难以形成行业规模产业目前移动数据网络设备处于一个新兴的蓬勃发展阶段，由于GPRS、CDMA公众无线数据网络采用TCP/IP 技术，因此相应的行业工控终端首先要解决TCP/IP 相关技术的长期积累国内目前的技术方案多采用传统8051单片机增加简单的PPP协议来实现，而我们开发的无线数传终端产品是在已成熟的宽带路由器和SNMP 网管设备等产品的基础上发展起来的全新系列产品，硬件采用全新的ARM7 32位嵌入式RISC CPU，处理能力及系统资源提高10倍以上；软件上采用完整的嵌入式OS及TCP/IP协议包，整体方案具有如下技术优势：

    （1）完整TCP/IP协议，具有100BaseT网络接口及完整的IP 路由功能

    （2）针对应用具有TCP 可靠连接方式，专为金融交易应用而设计

    （3）内嵌WEB Server 配置方式，方便直观

    （4）支持TELNET、SNMP等网络管理功能，适合行业应用

    （5）支持远程维护，具有远程配置、远程升级和重启动的功能目前公司在嵌入式TCP/IP技术、产品及市场方面都取得了较大成功 3、产品结构和工作原理 产品以32位嵌入式处理器为核心，可对数据进行处理，采用嵌入式实时多任务操作系统，支持协议转换和透明数据传输，可提供各种应用定制的嵌入式软件的代码空间，根据具体设备应用，可在嵌入式专用处理器上开发新软件，还可提供定制的中心主机软件系统从硬件上主要分为电源、移动通信模块、嵌入式RISC CPU、存储系统和逻辑控制电路、接口驱动电路等五个部分，如图所示接口驱动支持同步和异步通信，采用和集成第三方的移动通信模块

    图1:系统结构示意图系统软件包括实时操作系统、TCP/IP协议栈、数据加密、串行数据流到TCP/IP的协议转换、接口驱动程序等 

    4、产品功能特点 

    （1）多媒体数据处理功能无线数传终端集现场图像监视，现场声音监听和数据采集传输多媒体监控功能于一体设备集成视频频编码压缩功能，支持M-JPEG或MPEG-4的编解码技术进行视频编解码，可以串口外接摄像头，能够随时随地拍摄照片，完成实时视频信号的压缩、语音信号和数据的编码，并经过设备打包传送到远端的监控中心，为用户提供高质量的实时图像，可以广泛应用于变电站、邮电、石油、水利等系统的无人值守机房及其它环境监控

    （2）支持协议转换与透明传输透明传输模式是工业控制领域适用范围最广、通用性最强的一种工作模式在透明传输模式下，设备与监控中心的数据传输采用TCP 连接方式，不解析从串口收到的任何数据，直接将数据作为TCP 或UDP 的数据进行打包发送，而对具体数据的解析分别由后端数据采集终端设备和前端数据中心的相关服务器进行处理同时，为了满足SCADA 系统要求，设备也可配置命令串反向控制数据采集设备，按用户所需改变数据采集设备的工作方式；定义数据成帧的方式，即设备直接将数据按要求的格式封装成规定的帧，然后通过TCP/UDP传送到上位机数字设备分为支持TCP/IP的设备和非TCP/IP设备两大类TCP/IP设备包括采用Windows 系列操作系统的 PC、笔记本电脑和采用嵌入式操作系统的 PDA；而传统的工业控制设备主要是非TCP/IP设备，如RS-232、RS-422、RS-485、CNC、PLC 串行设备或模拟传感器设备
    （3）移动数据网络底层使用的通信协议是TCP/IP，而传统的工业控制设备不支持TCP/IP协议工业控制系统中通常采用实时、可靠的数据传输协议，如CAN、TTP等，这些工业控制底层的通信协议也不支持TCP/IP因此，来自这些工业控制设备的数据，只有通过适当的协议转换，才可以实现与TCP/IP 网络的连接 项目开发具有协议转换功能的嵌入式TCP/IP协议栈用户上位系统向无线数传终端发送工作指令和数据时，数据经由嵌入式TCP/IP协议栈进行协议转换，打成IP数据包，再以数据包的形式发送到移动数据网络嵌入式TCP/IP协议栈使用户可在缺少TCP/IP协议栈功能的工业控制设备（如单片机、可编程控制器PLC）通过PPP、FTP、TelNet、Direct Socket、SerialNet、E-Mail等方式实现数据传输

    （4）支持金融卡信息交换格式标准（ISO8583）ISO8583 是POS 机或ATM 柜员机等金融设备常用的一个标准，它定义了数据的封装格式等在8583应用模式下，无线数传终端与后端终端设备遵循一致的消息格式定义方式，IP 数据终端 解析串口收到的消息，并按照约定的命令格式识别消息，检查校验和提取消息字段中特定的命令字，执行相关操作，完成一次完整的命令处理设备工作在在8583 模式下，设备按照约定执行相关操作，包括：网络配置、建立TCP连接、发送数据、接收数据等，提取8583格式封装的业务数据，并进行相应的传输，可以保证金融终端设备与数据中心间数据交互的完整性，能够满足工控、金融等行业的需求

    （5）支持路由功能设备通过以太口可与多个工业控制设备相连，提供无线路由功能，让物理位置比较近的多个终端同时连接上无线网络，实现终端设备与数据中心的双向数据传输在此模式下，设备完成以太接口所连局域网到无线网络之间的NAT 路由而设备的串口用作控制台配置接口，设备对串口接收到的数据作为标准的控制台命令处理，实现对IP 数据终端的配置管理

    （6）提供AT 扩展命令集很多工业控制产品直接输出AT 命令，控制外接设备无线数传终端作为一个带TCP/IP 功能的扩展数据终端，从串口接收数据终端发来的类AT 命令，并执行相应的操作无线数传终端支持所有标准的AT命令，主要用于控制数据通信模块；同时IP 数据终端还根据应用扩展实现了以下命令：设置数据通信参数、激活/断开数据通信连接、发送/接收短消息、激活/终止TCP连接、发送/接收TCP报文、发送/接收UDP报文等AT扩展命令还可根据用户的需求进行定制

    （7）提供多种标准通信接口提供100BaseT以太网接口、PCMCIA、RS232、USB、RS485等多种标准接口，同时开发相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件，以适应工业控制设备及实验现场仪器分布式处理结构网络连接的需要

    （8）采用嵌入式高性能处理器为了支持多媒体数据业务，采用处理能力强大32位的嵌入式处理器，提供强大的处理能力，并能够满足未来应用功能的升级同时采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期

    （9）小尺寸、微功耗和低成本通过选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java编程模式，优化编译器性能，满足小尺寸、微功耗和低成本的特性 典型应用领域移动数据通信正逐步进入传统的工业控制领域利用移动数据通信技术可以为工业监控系统搭建远程数据传输平台无线数传终端利用最新的移动通信网络作为传输介质，可以与众多的RTU终端、DTU终端、PLC终端、单片机终端、工控机、GPS车载定位仪、仪器仪表、POS终端等工业控制设备无缝连接各种远程工业控制设备通过移动数据网络连接到数据中心，实现实时浏览温度，设置点，报警或者其他监控功能，并使数据采样更加实时准确，用户可以在异地远程控制监控设备，使工业控制更加高效率，有助于实现行业管理现代化、数据采集自动化等目标 

    工业控制无线数传终端产品具有支持多媒体数据传输的特点，不仅能满足工业遥控、遥调、遥测、遥信功能，而且还能实现对工控现场远程图像实时监控，即“遥视”功能，可集中管理各工业控制设备的工作状态，满足工业控制自动化发展的要求设备能够应用在电力、自来水、天然气等领域表计的计量，还可实现自动测量读取、自动计量发送、远程信息处理、远程设备监控，以及安防、车辆调度、公众流量业务、工业处理自动化等任何需要统一管理服务终端的应用方案中，可广泛用于金融、保险、证券、商业、公安、多媒体通信、税务、气象、石油等行业 

    例如，在环保系统中，常常需要对众多的污染排放点进行实时监测，大部分监测数据需要实时发送到管理中心的后端服务器进行处理由于监测点分散，分布范围广，而且大多设置在环境较恶劣的地区，通过电话线传送数据往往事倍功半利用GPRS网络进行无线数据传输，成为环保部门选择的通信手段亮点之一污染监测设备将采集到的污染数据和告警信息，通过GPRS网络，及时发送到环保监察部门，可以实现对排污单位或个人的及时管理，大大提高了工作效率，为环境保护提供了崭新方式

                                        无线数传终端在环保系统的应用 

    无线数传终端在工业控制领域的主要应用有： 

    （1）城市配电网系统与自动化抄表、变电站设备监测 

    （2）自来水、煤气管道、闸门、泵站与水厂监控 

    （3）供热系统实时监控和维护级 

    （4）环境保护系统数据采集 

    （5）三防与水文监测 

    （6）气象数据采集 

    （7）无人值守如仓库监控 

    （8）无人值守站机房监控和远程维护（如移动基站、微波、光纤中继站等）