李鳳民，潘居臣，宋 松，薛大歡，曹旭東，梁華慶

（1.中石油華北油田分公司數(shù)據(jù)中心 河北 任丘 062552；2.中國石油大學(xué)（北京）昌平 北京 102249）

基于IPv6技術(shù)的智慧油田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)

李鳳民1，潘居臣1，宋 松1，薛大歡2，曹旭東2，梁華慶2

（1.中石油華北油田分公司數(shù)據(jù)中心 河北 任丘 062552；2.中國石油大學(xué)（北京）昌平 北京 102249）

基于設(shè)計下一代IPv6協(xié)議的智慧油田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的目的，采用了ATMEL公司的AT91SAM9263為微處理器，并設(shè)計高速電路核心板，修改移植YAFFS2操作系統(tǒng)、搭建DM9000的網(wǎng)卡環(huán)境的方法，該方法使系統(tǒng)設(shè)備運行在IPv6協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，完成基于IPv6協(xié)議棧的局域網(wǎng)和跨域網(wǎng)的數(shù)據(jù)通訊。測試結(jié)果表明，設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備工作穩(wěn)定，在智能設(shè)備的升級替換和推進(jìn)新型物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)方面有重要的借鑒作用。

互聯(lián)網(wǎng)；IPv6協(xié)議棧；嵌入式ARM9；YAFFS2操作系統(tǒng)；Modbus協(xié)議

在Internet的飛速發(fā)展的今天，以太網(wǎng)通信技術(shù)和人們的日常生活息息相關(guān)，而且已經(jīng)成為當(dāng)前主流的信息通信方式。在工業(yè)控制領(lǐng)域，串口RS232/485技術(shù)、USB技術(shù)、CAN總線技術(shù)日益完善，現(xiàn)在已經(jīng)深入到生活的方方面面。在嵌入式系統(tǒng)中引入TCP/IP協(xié)議棧，并支持IPv6協(xié)議的終端，以支持嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，成為嵌入式系統(tǒng)必不可少的一個重要功能。ARM是目前進(jìn)行便攜式電子產(chǎn)品開發(fā)的主流芯片，因此，對ARM架構(gòu)下的以太網(wǎng)雙棧協(xié)議終端的研究具有非常重要的意義。隨著 Internet技術(shù)的快速發(fā)展而形成的網(wǎng)絡(luò)化是推動智能化、信息化和國際化的基礎(chǔ)和核心，通過對數(shù)字信息的綜合采集、處理和傳輸帶動了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)包括應(yīng)用層、感知層、和網(wǎng)絡(luò)層[4]。感知層由各種傳感設(shè)備和傳輸線路組成，就像人體的五官，可以識別物體和采集信息，然后在網(wǎng)絡(luò)層通過RFID技術(shù)、工業(yè)現(xiàn)場總線和ZigBee無線通信等技術(shù)完成信息的轉(zhuǎn)發(fā)和處理。要想研發(fā)出好的設(shè)備，僅支持協(xié)議棧還不夠，關(guān)鍵的是要解決好雙棧環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的兼容性與穩(wěn)定性。

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)及無線通信、嵌入式技術(shù)等發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)新興產(chǎn)業(yè)撲面而來，傳統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)遠(yuǎn)程監(jiān)控引起了工業(yè)革命風(fēng)暴。特別在環(huán)境比較惡劣的情況下，而通過遠(yuǎn)程終端即可對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行查看并做出決策，極大地提高了便捷性。IPv6協(xié)議既是IPv4協(xié)議的升級，還是下一代互聯(lián)網(wǎng)的核心，它把IP地址的長度擴展到128位，解決了全球IPv4地址緊缺的問題，提升了嵌入式TCP/IP技術(shù)在智能設(shè)備中的應(yīng)用空間。當(dāng)前大多數(shù)產(chǎn)品是基于IPv4協(xié)議實現(xiàn)的，要想將Internet和企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備全部升級到IPv6是不現(xiàn)實的，二者將不可避免地在相當(dāng)長一段時間內(nèi)共存?？紤]到這些因素，本次設(shè)計研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)兼容IPv4和IPv6協(xié)議共存的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，既可以實現(xiàn)單網(wǎng)口雙協(xié)議棧通信又能利用雙網(wǎng)卡完成跨域網(wǎng)IPv4和IPv6的轉(zhuǎn)接通信，是嵌入式技術(shù)和TCP/IP技術(shù)的有機結(jié)合。因此，該網(wǎng)關(guān)具有很高的實用價值和廣闊的市場前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

基于IPV6協(xié)議的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)包括與上位機的網(wǎng)絡(luò)傳輸部分和與下位機的串行總線傳輸部分，掛載各式的儀器儀表，使得油田現(xiàn)場的傳統(tǒng)設(shè)備都能連接到此系統(tǒng)平臺上，達(dá)到設(shè)備互聯(lián)互通的目的。

以 McWiLL （Multi-Carrier Wireless Information Local Loop，多載波無線信息本地環(huán)路）機制建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，在油田實現(xiàn)信號的全覆蓋，傳輸速率更快。智能設(shè)備集成網(wǎng)絡(luò)接口和串行總線，支持大容量標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)掉電不丟失存儲，可以掛載油井常用可編程傳感器設(shè)備、電量監(jiān)測設(shè)備、示功儀測量設(shè)備等模塊，系統(tǒng)統(tǒng)一分配設(shè)備的Modbus站號，其中各個井場的油氣井配置一套智能測控設(shè)備作為主站，將油氣井的若干傳感器、監(jiān)測設(shè)備連接作為從站，采取主站呼叫、從站應(yīng)答機制采集子站的數(shù)據(jù)，然后遠(yuǎn)程測控設(shè)備分析處理后作為從站通過射頻模塊經(jīng)基站網(wǎng)絡(luò)上傳給數(shù)字中心。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

次數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)采用ATMEL公司的32位ARM9處理器AT91SAM9263作為主控芯片，它擴展了DSP指令，具有Java加速引擎，在200 MHz的系統(tǒng)時鐘頻率下性能高達(dá)220 MIPS，支持Linux操作系統(tǒng)，從而使管理內(nèi)存和設(shè)備的能力更強，可以實現(xiàn)復(fù)雜算法和通信協(xié)議的多任務(wù)實時性調(diào)度。傳感模塊通過RS485有線方式和ZigBee無線方式接入，采集的數(shù)據(jù)包括電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、油壓、油溫、模擬量和開關(guān)量等。智能系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ModBus協(xié)議通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)程工控中心，實現(xiàn)了據(jù)采集速率可控、編碼格式統(tǒng)一和雙向冗余校驗，可大大提高工作效率。

系統(tǒng)主要由AT91SAM9263處理器、USB2.0、CAN、SDRAM、Nand Flash、Data Flash、以太網(wǎng)控制器、時鐘芯片、RS232/485接口、電源管理和數(shù)據(jù)采集部分組成，如圖1所示。系統(tǒng)包含電量模塊、溫度傳感器、壓力傳感器、模擬量輸入AI、模擬量輸出AO、數(shù)字量輸入DI、數(shù)字量輸出DO；數(shù)據(jù)傳輸層的設(shè)備是網(wǎng)關(guān)，它通過Internet接收工程中心的命令調(diào)控上傳數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理層由APP監(jiān)控軟件實現(xiàn)，實時處理、存儲和分析數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)曲線面向用戶操作界面，提高了數(shù)據(jù)采集的靈活性和管理效率。

圖1 系統(tǒng)電路板

3 通訊協(xié)議設(shè)計分析

3.1 IPv6 協(xié)議棧

IP是TCP/IP協(xié)議族中網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，是TCP/IP協(xié)議族的核心協(xié)議，為高層協(xié)議提供無連接的傳送服務(wù)[4]。IPv4的地址是32位，由于互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，IP地址的需求量越來越大，地址空間的不足妨礙了互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。IPv6協(xié)議采用128位地址長度，不僅解決了地址短缺問題，還考慮端到端IP連接、QoS、安全性和多播等問題。

以太網(wǎng)中 IPv4向 IPv6過渡的技術(shù)基礎(chǔ)是雙協(xié)議棧技術(shù)，同時也是隧道過渡機制的基礎(chǔ)，它可以在同一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上同時支持IPv4和IPv6兩種協(xié)議，如圖2所示。本系統(tǒng)嵌入的Linux操作系統(tǒng)支持IPv4和IPv6兩種地址，網(wǎng)絡(luò)控制器可以根據(jù)所在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的類型，動態(tài)選擇應(yīng)該采用IPv4協(xié)議還是IPv6協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖2 IPv4/IPv6雙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

3.2 TCP/IP 協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分為不同的層次進(jìn)行開發(fā)，每一層負(fù)責(zé)完成不同的通信任務(wù)[4]。TCP/IP協(xié)議族又名Internet協(xié)議族（Internet Protocol Suite），是一組不同層次上的多個協(xié)議的組合，它規(guī)范了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如何接入互聯(lián)網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)的傳輸方式和標(biāo)準(zhǔn)[11]。TCP/IP不同于OSI，它通常被認(rèn)為是一個四層協(xié)議系統(tǒng)（圖3），分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。應(yīng)用層處理FTP、SMTP、SNMP等用戶應(yīng)用程序；傳輸層提供客戶端和服務(wù)器之間的通信，傳輸協(xié)議中TCP數(shù)據(jù)通信可靠性高，而UDP則為應(yīng)用層提供相對簡單的服務(wù)，只把數(shù)據(jù)包從一臺主機發(fā)往另一臺主機，但并不保證該數(shù)據(jù)包的正確性以及能否到達(dá)另一端。

圖3 TCP/IP協(xié)議族四層模型

3.3 Modbus協(xié)議分析

Modbus是一種應(yīng)用于電子控制器上的通信語言，通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以練成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。

當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出[6]。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法，MODBUS協(xié)議圖解如下。

圖4 Modbus協(xié)議

此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。自從 1979年建立了工業(yè)上的串行標(biāo)準(zhǔn)之后，Modbus已使數(shù)百萬的自動化設(shè)備實現(xiàn)了通信。今天，致力于Modbus結(jié)構(gòu)簡單化和優(yōu)質(zhì)化的步伐仍在繼續(xù)。

智能系統(tǒng)與下位機以Modbus_RTU協(xié)議通信的流程圖如圖5所示。

圖5 Modbus的串行485通信流程圖

圖6 Hyper Lynx下信號線EBI_D28的串?dāng)_仿真

4 系統(tǒng)測試與實現(xiàn)

把制作好的 Uboot、內(nèi)核和文件系統(tǒng)下載到電路板中，PC機連接網(wǎng)關(guān)的調(diào)試串口，給電路板上電，在Secure CRT終端中可以看到串口的打印信息，說明內(nèi)核和文件系統(tǒng)移植成功，電路板啟動正常。在終端用 #ifconfig命令查看電路板兩個網(wǎng)口eth0、eth1的IPv4地址為192.168.1.15和192.168.1.18，IPv6地址為 fe80::5a76:75ff:fe10:57/64和 fe80:: 1034:56ff:fe78:9000/64，而且eth0的HWaddr是58:76:75:10: 00:57，這正是在DM9000驅(qū)動程序的dm9000_plat_data結(jié)構(gòu)體中定義的[5]。

用ping命令與IP地址為192.168.1.66的Redhat虛擬機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，雙方各自收發(fā)10個數(shù)據(jù)包，在Redhat平臺用wireshark工具監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信，數(shù)據(jù)包丟失率為0，見圖6。

5 結(jié)論

針對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由IPv4向IPv6協(xié)議升級過度，設(shè)計了基于嵌入式處理器ARM9的IPv6協(xié)議棧系統(tǒng)，連通性測試、協(xié)議轉(zhuǎn)換測試、遠(yuǎn)程控制等多方面測試，表明其功能和性能指標(biāo)穩(wěn)定。采用面向?qū)ο蟮乃枷?，按照統(tǒng)一接口的要求分別設(shè)計和實現(xiàn)IPv6的通信功能，設(shè)計中的網(wǎng)絡(luò)控制器屬于獨立設(shè)計。該方案適用于10/100 M以太網(wǎng)接口模式，并實現(xiàn)了全雙工和半雙工通信方式的自動識別，能夠有效地利用寬帶資源，提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速度。

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Based on the wisdom of IPV6 technology for the development of oil field data acquisition system

LI Feng-min1，PAN Ju-chen1，SONG Song1，XUE Da-huan2，CAO Xu-dong2，LIANG Hua-qing2
（1.Petrochina Huabei Oilfield Branch Data Center，Renqiu 062552，China；2.China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249，China）

Based on the design of the next generation of IPv6，the purpose of the wisdom of the oil field data acquisition system adopted the AT91SAM9263 of ATMEL company is a microprocessor，and the design of high-speed circuit core board，modify the transplant YAFFS2 operating systems，structures，DM9000 method of network environment，this method make the system running in IPv6 protocol stack in the network environment，local area network （LAN）based on IPv6 protocol stack and cross domain network data communications.Test results show that the design of the Internet of things system working stability，the intelligent equipment upgrade replacement and to facilitate the construction of new type of Internet of things has important reference.

Internet；IPv6 protocol stack；embedded ARM9；YAFFS2 operating system；modbus protocol

TN914

A

1674－6236（2016）15-0128-03

2015-12-06 稿件編號：201512057

國家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧油田的應(yīng)用示范項目（CNGI-12-03-043）

李鳳民（1964—），男，河北館陶人，高級工程師。研究方向：油田信息化。