基于IPv6技术的智慧油田数据采集系统的研发

李凤民，潘居臣，宋 松，薛大欢，曹旭东，梁华庆

（1.中石油华北油田分公司数据中心 河北 任丘 062552；2.中国石油大学（北京）昌平 北京 102249）

基于IPv6技术的智慧油田数据采集系统的研发

李凤民1，潘居臣1，宋 松1，薛大欢2，曹旭东2，梁华庆2

（1.中石油华北油田分公司数据中心 河北 任丘 062552；2.中国石油大学（北京）昌平 北京 102249）

基于设计下一代IPv6协议的智慧油田数据采集系统的目的，采用了ATMEL公司的AT91SAM9263为微处理器，并设计高速电路核心板，修改移植YAFFS2操作系统、搭建DM9000的网卡环境的方法，该方法使系统设备运行在IPv6协议栈的网络环境中，完成基于IPv6协议栈的局域网和跨域网的数据通讯。测试结果表明，设计的物联网系统设备工作稳定，在智能设备的升级替换和推进新型物联网的建设方面有重要的借鉴作用。

互联网；IPv6协议栈；嵌入式ARM9；YAFFS2操作系统；Modbus协议

在Internet的飞速发展的今天，以太网通信技术和人们的日常生活息息相关，而且已经成为当前主流的信息通信方式。在工业控制领域，串口RS232/485技术、USB技术、CAN总线技术日益完善，现在已经深入到生活的方方面面。在嵌入式系统中引入TCP/IP协议栈，并支持IPv6协议的终端，以支持嵌入式设备接入网络，成为嵌入式系统必不可少的一个重要功能。ARM是目前进行便携式电子产品开发的主流芯片，因此，对ARM架构下的以太网双栈协议终端的研究具有非常重要的意义。随着 Internet技术的快速发展而形成的网络化是推动智能化、信息化和国际化的基础和核心，通过对数字信息的综合采集、处理和传输带动了物联网技术的发展。物联网的基本架构包括应用层、感知层、和网络层[4]。感知层由各种传感设备和传输线路组成，就像人体的五官，可以识别物体和采集信息，然后在网络层通过RFID技术、工业现场总线和ZigBee无线通信等技术完成信息的转发和处理。要想研发出好的设备，仅支持协议栈还不够，关键的是要解决好双栈环境下网络协议的兼容性与稳定性。

随着计算机网络的迅猛发展，传感器网络、现场总线、以太网及无线通信、嵌入式技术等发展，物联网新兴产业扑面而来，传统设备互联远程监控引起了工业革命风暴。特别在环境比较恶劣的情况下，而通过远程终端即可对现场数据进行查看并做出决策，极大地提高了便捷性。IPv6协议既是IPv4协议的升级，还是下一代互联网的核心，它把IP地址的长度扩展到128位，解决了全球IPv4地址紧缺的问题，提升了嵌入式TCP/IP技术在智能设备中的应用空间。当前大多数产品是基于IPv4协议实现的，要想将Internet和企业的网络设备全部升级到IPv6是不现实的，二者将不可避免地在相当长一段时间内共存。考虑到这些因素，本次设计研发的物联网网关兼容IPv4和IPv6协议共存的网络环境，既可以实现单网口双协议栈通信又能利用双网卡完成跨域网IPv4和IPv6的转接通信，是嵌入式技术和TCP/IP技术的有机结合。因此，该网关具有很高的实用价值和广阔的市场前景。

1 系统总体设计方案

基于IPV6协议的数据采集传输系统包括与上位机的网络传输部分和与下位机的串行总线传输部分，挂载各式的仪器仪表，使得油田现场的传统设备都能连接到此系统平台上，达到设备互联互通的目的。

以 McWiLL （Multi-Carrier Wireless Information Local Loop，多载波无线信息本地环路）机制建设通信网络，在油田实现信号的全覆盖，传输速率更快。智能设备集成网络接口和串行总线，支持大容量标准化数据掉电不丢失存储，可以挂载油井常用可编程传感器设备、电量监测设备、示功仪测量设备等模块，系统统一分配设备的Modbus站号，其中各个井场的油气井配置一套智能测控设备作为主站，将油气井的若干传感器、监测设备连接作为从站，采取主站呼叫、从站应答机制采集子站的数据，然后远程测控设备分析处理后作为从站通过射频模块经基站网络上传给数字中心。

2 系统硬件设计

次数据采集传输系统采用ATMEL公司的32位ARM9处理器AT91SAM9263作为主控芯片，它扩展了DSP指令，具有Java加速引擎，在200 MHz的系统时钟频率下性能高达220 MIPS，支持Linux操作系统，从而使管理内存和设备的能力更强，可以实现复杂算法和通信协议的多任务实时性调度。传感模块通过RS485有线方式和ZigBee无线方式接入，采集的数据包括电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、油压、油温、模拟量和开关量等。智能系统将这些数据按照工业标准的ModBus协议通过Internet网络传输给远程工控中心，实现了据采集速率可控、编码格式统一和双向冗余校验，可大大提高工作效率。

系统主要由AT91SAM9263处理器、USB2.0、CAN、SDRAM、Nand Flash、Data Flash、以太网控制器、时钟芯片、RS232/485接口、电源管理和数据采集部分组成，如图1所示。系统包含电量模块、温度传感器、压力传感器、模拟量输入AI、模拟量输出AO、数字量输入DI、数字量输出DO；数据传输层的设备是网关，它通过Internet接收工程中心的命令调控上传数据采集层的数据；数据处理层由APP监控软件实现，实时处理、存储和分析数据，并将数据曲线面向用户操作界面，提高了数据采集的灵活性和管理效率。

图1 系统电路板

3 通讯协议设计分析

3.1 IPv6 协议栈

IP是TCP/IP协议族中网络层的协议，是TCP/IP协议族的核心协议，为高层协议提供无连接的传送服务[4]。IPv4的地址是32位，由于互联网的高速发展，IP地址的需求量越来越大，地址空间的不足妨碍了互联网的进一步发展。IPv6协议采用128位地址长度，不仅解决了地址短缺问题，还考虑端到端IP连接、QoS、安全性和多播等问题。

以太网中 IPv4向 IPv6过渡的技术基础是双协议栈技术，同时也是隧道过渡机制的基础，它可以在同一网络节点上同时支持IPv4和IPv6两种协议，如图2所示。本系统嵌入的Linux操作系统支持IPv4和IPv6两种地址，网络控制器可以根据所在网络环境的类型，动态选择应该采用IPv4协议还是IPv6协议进行数据收发。

图2 IPv4/IPv6双协议栈结构

3.2 TCP/IP 协议

网络协议分为不同的层次进行开发，每一层负责完成不同的通信任务[4]。TCP/IP协议族又名Internet协议族（Internet Protocol Suite），是一组不同层次上的多个协议的组合，它规范了网络设备如何接入互联网，以及数据的传输方式和标准[11]。TCP/IP不同于OSI，它通常被认为是一个四层协议系统（图3），分别是应用层、传输层、网络层和链路层。应用层处理FTP、SMTP、SNMP等用户应用程序；传输层提供客户端和服务器之间的通信，传输协议中TCP数据通信可靠性高，而UDP则为应用层提供相对简单的服务，只把数据包从一台主机发往另一台主机，但并不保证该数据包的正确性以及能否到达另一端。

图3 TCP/IP协议族四层模型

3.3 Modbus协议分析

Modbus是一种应用于电子控制器上的通信语言，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一种通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以练成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。

当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出[6]。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法，MODBUS协议图解如下。

图4 Modbus协议

此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。自从 1979年建立了工业上的串行标准之后，Modbus已使数百万的自动化设备实现了通信。今天，致力于Modbus结构简单化和优质化的步伐仍在继续。

智能系统与下位机以Modbus_RTU协议通信的流程图如图5所示。

图5 Modbus的串行485通信流程图

图6 Hyper Lynx下信号线EBI_D28的串扰仿真

4 系统测试与实现

把制作好的 Uboot、内核和文件系统下载到电路板中，PC机连接网关的调试串口，给电路板上电，在Secure CRT终端中可以看到串口的打印信息，说明内核和文件系统移植成功，电路板启动正常。在终端用 #ifconfig命令查看电路板两个网口eth0、eth1的IPv4地址为192.168.1.15和192.168.1.18，IPv6地址为 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，这正是在DM9000驱动程序的dm9000_plat_data结构体中定义的[5]。

用ping命令与IP地址为192.168.1.66的Redhat虚拟机进行数据通信，双方各自收发10个数据包，在Redhat平台用wireshark工具监控网络通信，数据包丢失率为0，见图6。

5 结论

针对网络设备由IPv4向IPv6协议升级过度，设计了基于嵌入式处理器ARM9的IPv6协议栈系统，连通性测试、协议转换测试、远程控制等多方面测试，表明其功能和性能指标稳定。采用面向对象的思想，按照统一接口的要求分别设计和实现IPv6的通信功能，设计中的网络控制器属于独立设计。该方案适用于10/100 M以太网接口模式，并实现了全双工和半双工通信方式的自动识别，能够有效地利用宽带资源，提升网络数据的传输速度。

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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 稿件编号：201512057

国家发改委下一代互联网技术在智慧油田的应用示范项目（CNGI-12-03-043）

李凤民（1964—），男，河北馆陶人，高级工程师。研究方向：油田信息化。