基于IPv6技術的智慧油田數據采集系統的研發

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據中心 河北 任丘 062552；2.中國石油大學（北京）昌平 北京 102249）

基于IPv6技術的智慧油田數據采集系統的研發

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據中心 河北 任丘 062552；2.中國石油大學（北京）昌平 北京 102249）

基于設計下一代IPv6協議的智慧油田數據采集系統的目的，采用了ATMEL公司的AT91SAM9263為微處理器，并設計高速電路核心板，修改移植YAFFS2操作系統、搭建DM9000的網卡環境的方法，該方法使系統設備運行在IPv6協議棧的網絡環境中，完成基于IPv6協議棧的局域網和跨域網的數據通訊。測試結果表明，設計的物聯網系統設備工作穩定，在智能設備的升級替換和推進新型物聯網的建設方面有重要的借鑒作用。

互聯網；IPv6協議棧；嵌入式ARM9；YAFFS2操作系統；Modbus協議

在Internet的飛速發展的今天，以太網通信技術和人們的日常生活息息相關，而且已經成為當前主流的信息通信方式。在工業控制領域，串口RS232/485技術、USB技術、CAN總線技術日益完善，現在已經深入到生活的方方面面。在嵌入式系統中引入TCP/IP協議棧，并支持IPv6協議的終端，以支持嵌入式設備接入網絡，成為嵌入式系統必不可少的一個重要功能。ARM是目前進行便攜式電子產品開發的主流芯片，因此，對ARM架構下的以太網雙棧協議終端的研究具有非常重要的意義。隨著 Internet技術的快速發展而形成的網絡化是推動智能化、信息化和國際化的基礎和核心，通過對數字信息的綜合采集、處理和傳輸帶動了物聯網技術的發展。物聯網的基本架構包括應用層、感知層、和網絡層[4]。感知層由各種傳感設備和傳輸線路組成，就像人體的五官，可以識別物體和采集信息，然后在網絡層通過RFID技術、工業現場總線和ZigBee無線通信等技術完成信息的轉發和處理。要想研發出好的設備，僅支持協議棧還不夠，關鍵的是要解決好雙棧環境下網絡協議的兼容性與穩定性。

隨著計算機網絡的迅猛發展，傳感器網絡、現場總線、以太網及無線通信、嵌入式技術等發展，物聯網新興產業撲面而來，傳統設備互聯遠程監控引起了工業革命風暴。特別在環境比較惡劣的情況下，而通過遠程終端即可對現場數據進行查看并做出決策，極大地提高了便捷性。IPv6協議既是IPv4協議的升級，還是下一代互聯網的核心，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技術在智能設備中的應用空間。當前大多數產品是基于IPv4協議實現的，要想將Internet和企業的網絡設備全部升級到IPv6是不現實的，二者將不可避免地在相當長一段時間內共存?？紤]到這些因素，本次設計研發的物聯網網關兼容IPv4和IPv6協議共存的網絡環境，既可以實現單網口雙協議棧通信又能利用雙網卡完成跨域網IPv4和IPv6的轉接通信，是嵌入式技術和TCP/IP技術的有機結合。因此，該網關具有很高的實用價值和廣闊的市場前景。

1 系統總體設計方案

基于IPV6協議的數據采集傳輸系統包括與上位機的網絡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，使得油田現場的傳統設備都能連接到此系統平臺上，達到設備互聯互通的目的。

以 McWiLL （Multi-Carrier Wireless Information Local Loop，多載波無線信息本地環路）機制建設通信網絡，在油田實現信號的全覆蓋，傳輸速率更快。智能設備集成網絡接口和串行總線，支持大容量標準化數據掉電不丟失存儲，可以掛載油井常用可編程傳感器設備、電量監測設備、示功儀測量設備等模塊，系統統一分配設備的Modbus站號，其中各個井場的油氣井配置一套智能測控設備作為主站，將油氣井的若干傳感器、監測設備連接作為從站，采取主站呼叫、從站應答機制采集子站的數據，然后遠程測控設備分析處理后作為從站通過射頻模塊經基站網絡上傳給數字中心。

2 系統硬件設計

次數據采集傳輸系統采用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的系統時鐘頻率下性能高達220 MIPS，支持Linux操作系統，從而使管理內存和設備的能力更強，可以實現復雜算法和通信協議的多任務實時性調度。傳感模塊通過RS485有線方式和ZigBee無線方式接入，采集的數據包括電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、油壓、油溫、模擬量和開關量等。智能系統將這些數據按照工業標準的ModBus協議通過Internet網絡傳輸給遠程工控中心，實現了據采集速率可控、編碼格式統一和雙向冗余校驗，可大大提高工作效率。

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

圖1 系統電路板

3 通訊協議設計分析

3.1 IPv6 協議棧

IP是TCP/IP協議族中網絡層的協議，是TCP/IP協議族的核心協議，為高層協議提供無連接的傳送服務[4]。IPv4的地址是32位，由于互聯網的高速發展，IP地址的需求量越來越大，地址空間的不足妨礙了互聯網的進一步發展。IPv6協議采用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。

以太網中 IPv4向 IPv6過渡的技術基礎是雙協議棧技術，同時也是隧道過渡機制的基礎，它可以在同一網絡節點上同時支持IPv4和IPv6兩種協議，如圖2所示。本系統嵌入的Linux操作系統支持IPv4和IPv6兩種地址，網絡控制器可以根據所在網絡環境的類型，動態選擇應該采用IPv4協議還是IPv6協議進行數據收發。

圖2 IPv4/IPv6雙協議棧結構

3.2 TCP/IP 協議

網絡協議分為不同的層次進行開發，每一層負責完成不同的通信任務[4]。TCP/IP協議族又名Internet協議族（Internet Protocol Suite），是一組不同層次上的多個協議的組合，它規范了網絡設備如何接入互聯網，以及數據的傳輸方式和標準[11]。TCP/IP不同于OSI，它通常被認為是一個四層協議系統（圖3），分別是應用層、傳輸層、網絡層和鏈路層。應用層處理FTP、SMTP、SNMP等用戶應用程序；傳輸層提供客戶端和服務器之間的通信，傳輸協議中TCP數據通信可靠性高，而UDP則為應用層提供相對簡單的服務，只把數據包從一臺主機發往另一臺主機，但并不保證該數據包的正確性以及能否到達另一端。

圖3 TCP/IP協議族四層模型

3.3 Modbus協議分析

Modbus是一種應用于電子控制器上的通信語言，通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一種通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以練成工業網絡，進行集中監控。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程，如何回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。

當在一Modbus網絡上通信時，此協議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出[6]。在其它網絡上，包含了Modbus協議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節地址、路由路徑及錯誤檢測的方法，MODBUS協議圖解如下。

圖4 Modbus協議

此協議支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備。許多工業設備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協議作為他們之間的通訊標準。自從 1979年建立了工業上的串行標準之后，Modbus已使數百萬的自動化設備實現了通信。今天，致力于Modbus結構簡單化和優質化的步伐仍在繼續。

智能系統與下位機以Modbus_RTU協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的串擾仿真

4 系統測試與實現

把制作好的 Uboot、內核和文件系統下載到電路板中，PC機連接網關的調試串口，給電路板上電，在Secure CRT終端中可以看到串口的打印信息，說明內核和文件系統移植成功，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驅動程序的dm9000_plat_data結構體中定義的[5]。

用ping命令與IP地址為192.168.1.66的Redhat虛擬機進行數據通信，雙方各自收發10個數據包，在Redhat平臺用wireshark工具監控網絡通信，數據包丟失率為0，見圖6。

5 結論

針對網絡設備由IPv4向IPv6協議升級過度，設計了基于嵌入式處理器ARM9的IPv6協議棧系統，連通性測試、協議轉換測試、遠程控制等多方面測試，表明其功能和性能指標穩定。采用面向對象的思想，按照統一接口的要求分別設計和實現IPv6的通信功能，設計中的網絡控制器屬于獨立設計。該方案適用于10/100 M以太網接口模式，并實現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，提升網絡數據的傳輸速度。

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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

國家發改委下一代互聯網技術在智慧油田的應用示范項目（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。