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【物联网中间件平台-02】YFIOs技术白皮书(V1.1)

简介: 在工控领域,组态软件司空见惯,国外的iFix、InTouch、WinCC,国内的组态王、力控、MSCG等等。组态软件的出现彻底解决了软件重复开发的问题,实现模块级复用,好处不仅仅是提高了开发效率,降低了开发周期,更大的优势的是成熟模块的复用,大大提高了系统稳定性和可靠性。

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1 前言
在工控领域,组态软件司空见惯,国外的iFix、InTouch、WinCC,国内的组态王、力控、MSCG等等。组态软件的出现彻底解决了软件重复开发的问题,实现模块级复用,好处不仅仅是提高了开发效率,降低了开发周期,更大的优势的是成熟模块的复用,大大提高了系统稳定性和可靠性。

所谓组态(Configuration),就是模块化任意组合(类似积木玩具)。组态软件的主要特点有:

(1)、延展性。所谓延展性,就是系统的延续和易于扩展性,用组态软件开发的系统,当现场或用户需求发生改变时(包括硬件设备或系统结构的改变),用户无需做很多修改,就可以很方便地完成系统的升级和改造;

(2)、易用性。组态软件对底层功能都进行了模块级封装,对于用户,只需掌握简单的编程语言(内嵌的脚本语言,类Basic或类C语言),甚至不需要编程技术,就能很好地,通过组态配置的方式完成一个复杂系统的开发和集成;

(3)、通用性。不同用户根据系统的不同,利用组态软件提供的I/O驱动(如PLC、仪表、板卡、智能模块、变频器等等驱动)、数据库和图元,就能完成一个具有动画、实时数据处理、历史数据和图表并存,且具有多媒体功能和网络功能的系统工程,不受领域或行业限制。

但是无论是基于PC平台的组态软件还是基于ARM系统的嵌入式组态软件,其组态粒度都显过大,大部分通过串口、网口、CAN等通道把个系统模块连接在一起,在一定程度上增加了系统构建的成本和代价。

而以.NET Micro Framework为依托构建的轻量级嵌入式组态软件(YFIOs)就很好的解决了上述问题,除支持常规的串口、网口、CAN外,还支持USB、Wifi、ZigBee、SPI、I2C等通道,SPI、I2C片级总线的支持加上强大的托管代码(C#,VB.net)开发能力,使嵌入式硬件系统真正的组态化、模块化成为可能,这项技术的推出,无疑为快速打造形态各异,功能不同的产品提供了最有力的支撑。

2 YFIOs简介
YFIOs就是YFSoft I/OServer的简称,在物联网、云计算时代,一切以数据为中心,不同的传感器通过不同的方式接入网络,通过云计算的方式为不同的终端用户提供服务。

为了适应这种新形势的发展,加速和降低各种传感器、智能模块的入网代价,以微软成熟的.NET Micro Framework系统为基础,打造出物联网时代的轻量级嵌入式组态系统 —— YFIOs。

2.1 技术特色和优势
和传统组态或其他物联网、嵌入式等方案相比,有如下优势:

(1)、组态式搭建系统,自动添加IO配置数据,驱动和策略开发接口对外开放;

(2)、支持远程升级,远程调试。

(3)、由于.NET Micro Framework的跨平台特性,所以基于该框架的YFIOs也可以跨平台应用。

(4)、采用MicrosoftVisual Studio 2010模板进行驱动和策略进行C#开发,开发门槛较低,和windows平台的开发别无二致;

(5)、驱动和策略可以在MicrosoftVisual Studio 2010开发环境中在线调试;

(6)、策略可以和驱动联动,不仅可以直接调用驱动,还可以和驱动进行关联,事件触发的方式执行策略;

(7)、策略不仅可以调用驱动,彼此之间还可以互相调用;

(8)、驱动和策略可以加密,也可以绑定指定硬件运行,不仅可以保护用户的知识产权,还可以在此基础上为第三方客户提供增值服务。

(9)、运行时小巧轻便,不含YFHMI库的运行时仅19.2K,含MiniGUI、中文字库、四套图元库的运行时,也仅355K。

2.2 .NET Micro Framework简介
Microsoft .NET Micro Framework 将 .NET 的可靠性和效率与 VisualStudio的高生产率结合起来,以针对价格较低、资源受限的小型设备开发应用程序,可帮助人们使用熟悉的Visual Studio工具来构建托管的嵌入式应用程序。2009年5月,.NET MicroFramework采用Apache 2.0license,比Linux等开源软件更为彻底的方式实现了源代码完全开放。

2.2.1 哪些领域可以采用.NETMicro Framework技术?
.NET Micro Framework技术可以应用到:Sideshow、远程控制、智能家电、教育类机器、医疗电子、零售终端以及汽车电子等行业应用场景;此外由于.NET Micro Framework集成了各种接口,如串口、网口、Wifi、Zigbee、I2C、SPI、SDIO、USB等通信接口,加上其应用开发简便,所以在物联网时代,将大有作为。

2.2.2 .NET Micro Framework与Window CE和Windows XPEmbedded的区别?
.NET Micro Framework对存储器和处理器的要求更低。开发人员可以在低功耗、低成本的ARM7、ARM9、Blackfin和Cortex-M3处理器上使用该框架(不需要MMU支持),所开发出来的软件仅需要几百Kbytes的RAM或Flash/ROM存储空间。而WindowsEmbedded CE的托管代码环境需要约10~12Mbytes的存储空间,基于.NET的应用编程设备只需要较少的存储空间,降低了产品成本。

2.2.3 .NET Micro Framework与其他.NET平台的区别?
作为.NET家族的一员,.NET MicroFramework是微软专门针对超轻量级平台设计的软件架构。与.NET Framework和.NET CompactFramework不同的地方是,.NETMicro Framework具有自启动的特性,并且在HAL层,微软将操作系统的必要特性引入,如:启动管理、中断处理、线程调度、内存管理等。.NET Micro Framework可以单独使用,不需要依托其它操作系统,因此占用空间很小。

2.3 YFIOs系统架构
YFIOs由三大部分构成,一是YFIOs运行时,包含YFIODB、YFIOBC、驱动引擎和策略引擎四部分;二是应用模块,包含驱动、策略和IO数据三部分;三是YFIOsIDE环境(YFIOsManager),该工具和Microsoft Visual Studio开发工具一起共同完成驱动、策略的开发、配置及部署工作。

系统架构图和YFIOs和.NET Micro Framework关系图(如下图所示):
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2.4 YFIODB
YFIODB是一个在内存实现的数据库,主要存放IO数据,供驱动程序、策略程序直接访问,从而起到跨模块交换数据的目的。其IO数据一般可分两类,一种是内部IO数据,该类IO数据不绑定任何设备驱动,主要作为中间变量或临时变量来使用;另一种是设备IO数据,该类IO数据和实际的驱动程序进行绑定,该IO数据的值映射驱动所对应的设备参变量的值。

2.4.1 YFIODB库结构
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2.4.2字段组成
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YFIODB本身仅仅是一个数据库框架平台,并不包含以上的字段信息,也不包含任何数据。YFIOs启动后,会根据以上字段定义的信息,创建指定大小的内存数据库表,并且把预先定义好的内部IO变量和设备IO变量填充到内存数据库中去。

2.4.3访问接口
YFIODB访问接口被操作类接口(IOPerate)进一步封装,而操作类接口是驱动和策略标准函数接口的第一个参数,所以任何一个驱动和策略程序都可以操作YFIODB。

相关操作接口定义如下:

  //读数据

    stringIORead(string name);

    intIOReadInt(string name);

    floatIOReadFloat(string name);

    //读数据(扩展方式 变量名.字段名)

    stringIOReadEx(string name);

    //写数据(内部写)

    intIOWrite(string name, stringdata);

    intIOWrite(string name, intdata);

    intIOWrite(string name, floatdata);

    //写数据(扩展方式 变量名.字段名)

    intIOWriteEx(string name, stringdata);

    //外部写(直接写变量)

    intExtern_IOWrite(string name, string data);

    //变量读写模式

    stringIOReadMode(string name);

需要说明的是,该接口提供的对YFIODB的写操作,并不是直接对YFIODB数据库某表某字段,进行写操作,而是根据一定的逻辑算法,对各表项综合操作(注意:扩展方式写操作,是直接对表中具体的项直接进行操作的)。驱动函数要采用内部写模式,执行后,会自动复位“W”标志位,而对策略函数来说,属于用户层面操作,所以要写YFIODB的时候,要采用外部写函数,执行后,函数会自动置位“W”标志位。

写YFIODB分内外的意义在于:策略函数仅仅是把变量的值写入数据库,而驱动才会真正的把该变量的值写入到实际的设备中去。而通过复位和置位“W”标志可以获知是否要写入到实际设备,或是否写入完成。

2.5 YFIOBC
和YFIODB不同,YFIOBC是用来供驱动程序和策略程序存储和交换大块数据而用的,如摄像头的图像数据。该结构设计的如同文件系统,可新建、删除和读写,其内容大小仅受设备内存的限制。

2.5.1 YFIOBC库结构
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2.5.2 访问接口

和操作YFIODB接口一样,操作YFIOBC的接口也封装到操作类接口(IOPerate)中,所以驱动和策略程序都可以操作YFIOBC。

操作接口定义如下:

  //删除内存数据条目

    intIOBC_Del(string name);

    //size=0 打开,size>0 创建

    intIOBC_Create(string name, uint size);

    //获取指定条目所分配的内存大小

    intIOBC_GetLength(int hander);

    //读写偏移设置

    intIOBC_Seek(int hander, intoffset);

    //读内存数据

    intIOBC_Read(int hander, byte[]buffer, int offset, intcount);

    //写内存数据

    intIOBC_Write(int hander, byte[]buffer, int offset, intcount);

    //关闭

    intIOBC_Close(int hander);

该接口仿照文件操作方式进行操作,其作用类似Windows平台上的共享内存操作,读写都在内存中完成。

2.6驱动开发
一个驱动程序可对应一种设备,也可以对应一类设备,关键在于设备支持的协议是私有的,还是公开的,一般公开的协议,如Modbus,不同厂家的通信设备都有不同程度的支持(比如支持3号或16号指令),凡支持该协议的设备,都可以通过同一个设备驱动进行访问,唯一不同的就是设备地址、数据类型、起始地址和数据长度等参变量,我们可以根据实际需要,相应配置即可。

2.6.1 驱动接口类

  public interface IDriver

    {

        DriverInfoGetDriverInfo();

        intOnLoad(Device dv, IOperateop, object arg);

        intOnRun(Device dv, IOperateop, object arg);

        intOnUnload(Device dv, IOperateop, object arg);

}

驱动程序必须要实现这四个函数接口,其中GetDriverInfo仅供上位机配置程序调用。

(1)、GetDriverInfo – 返回驱动相关信息(请参见2.5.3)。

(2)、OnLoad – 驱动被加载时,将自动调用OnLoad方法。用户可以在该函数内,完成一些初始化操作。

(3)、OnRun – 根据配置不同,该函数按指定的时间间隔连续被系统调用(如果时间间隔配置为0,则系统不会自动调用OnRun方法)。同一个接口配置的驱动,将共享一个线程,系统将依次调用该方法。

(4)、OnUnload – 驱动被卸载时,系统将调用OnUnload。(目前YFIOs系统不支持驱动卸载)。

2.6.2 通信接口

 public enum DeviceConnMode

    {

        SerialPort = 0,

        Ethernet,

        CAN,

        USB,

        SPI,

        I2C,

        SDIO,

        Zigbee,

        AD,

        DA,

        I,

        Q,

        PWM,

        Other,

    }

2.6.3 驱动配置信息类

public class DriverInfo

{

    //32byte,驱动名称(要保证唯一)

        public string Name;                        

        //16byte,版本信息

public string Ver;

//64byte,说明

public stringExplain;                    

        //16byte,开发者

public stringDeveloper; 

//16byte,日期                

        public string Date;                               

//自动化标志

        //0 bit 0 - 系统为你初始化通信接口 1 - 由驱动程序本身完成通信接口初始化

        //1 bit 0 - 无操作                  1 - 由驱动程序本身完成IO变量添加

        //2~31 bit 备用    

        public int AutoFlag;  

//通信方式                    

        public DeviceConnMode ConnMode;

        //64byte,设备制造商

        public stringManufacturer;                

//32byte,设备类型

        public string DeviceType;                  

        //设备参数

//硬件端口名称  空为无效项

        public string PortAddrExplain;            

//硬件端口默认值项选择(如果有的话)用"|" 分隔开,默认项为第一个

        public string PortAddrValue;

//端口参数名称  空为无效项              

        public string PortConfigExplain;           

  //端口参数默认值项选择(如果有的话)用"|" 分隔开,默认项为第一个

        public string PortConfigValue;   

//设备地址名称  空为无效项       

        public string DeviceAddrExplain;

//设备地址默认值项选择(如果有的话)用"|" 分隔开,默认项为第一个          

        public string DeviceAddrValue;     

//设备参数名称  空为无效项      

        public string DeviceConfigExplain;

//设备参数默认值项选择(如果有的话)用"|" 分隔开,默认项为第一个

        public string DeviceConfigValue;          

        //项参数

//8*32 byte,连接项名称

        public string[] ItemExplain;              

//8*4 byte 默认值项选择(如果有的话)用"|" 分隔开,默认项为第一个

        public string[] ItemValue;                 

         //扩展配置信息的长度如果为0,则表示没有(上位机管理程序使用)

public int ConfigSize;                    

}

2.6.4 扩展配置接口
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如果驱动程序提供的标准配置项,不足以配置驱动,则可以自行定制驱动配置页,自行生成配置数据,驱动自行解析。

DriverInfo信息类中的最后一项ConfigSize,就是定义该配置信息的大小。驱动的实例类中会含有一个Config字节数组,存放上位机管理程序配置的信息。

(【接口说明】选项就是选择该驱动后,自动出现的页面,不过该页面并没有配置任何数据,仅仅起到提示说明的作用)

 public interface IConfig

    {

        //建议面板大小319*203

        Panel[]GetPanel(byte[] InitConfig,ConfigParameter parameter);

        byte[]GetConfig();

}

 

    public class ConfigParameter

    {

        public string[] IODataNames;

        public string[] DeviceNames;

        public string[] StrategyNames;

        public object Sender;

    }

上位机管理程序会向驱动配置面板提供当前所有IO内存变量名称,驱动名称和策略名称等等信息。

2.6.5 驱动的执行
驱动程序除了按设定的扫描时间周期执行外,还可以把扫描时间设置为0,表示不会自动运行。设置为该模式的驱动,一般被策略程序直接调用而得以执行。

另外驱动还可以设置为Disabled,这样该驱动任何方式的调用将被禁止,如该驱动不存在一样。

2.7 策略开发
可以把YFIOs运行时想象成一个支持多任务的操作系统,这样每个策略的OnRun接口,都可以当成一个进程的Main函数,唯一不同的是,这个Main函数被调用的机制多种多样(参见策略执行模式)。

策略就是一段代码,一段标准的.NETMicro Framework程序,可以根据项目的需求充分访问.NET Micro Framework已有的开发资源(如各类库函数),编写任意功能的代码模块。

2.7.1 策略接口类

  public interface IStrategy

    {

        StrategyInfoGetStrategyInfo();

        intOnLoad(IOperate op, objectarg);

        intOnRun(IOperate op, StrategyModemode, object arg);

        intOnUnload(IOperate op, object arg);

}

策略程序必须要实现这四个函数接口,其中GetStrategyInfo仅供上位机配置程序调用。

(1)、GetDriverInfo – 返回策略相关信息(请参见2.5.3)。

(2)、OnLoad – 策略被加载时,将自动调用OnLoad方法。用户可以在该函数内,完成一些初始化操作。

(3)、OnRun – 根据配置不同,该函数以事件、循环等等方式被系统自动调用。

(4)、OnUnload – 策略被卸载时,系统将调用OnUnload。(目前YFIOs系统不支持策略卸载)。

 2.7.2 策略执行模式

 public enum StrategyRunMode

    {

        None = 0,      //无动作  

        Loop,          //循环执行

        System_Loop,   //系统循环执行

        //事件驱动

        Event_System_Launch_Before,

        Event_System_Launch_After,

        Event_System_Error_Process,

        Event_Driver_Run_Before,

        Event_Driver_Run_After,

}

和最初的定义的执行模式不同,新版策略执行模块简化了许多。

(1)            None – 策略定义为该模式,意味着需要其它策略来调用才能被执行。系统本身只负责加载策略和调用策略的初始化接口,

(2)     Loop – 系统自动为策略创建一个线程,然后按指定的间隔,连续调用策略的OnRun的接口。

(3)     System_Loop – 系统不会另外为策略创建线程,而是在主线程里(也就是Main函数中的while循环里)不断调用策略的OnRun接口,如果多个策略配置了该模式,则这些策略的OnRun接口将依次执行。建议包含界面的策略配置成这种执行模式,并且仅且只有一个这样的策略配置成这种模式。

(4)            Event_System_Launch_Before – 配置为该模式,策略将在YFIOs执行Launch函数之前执行该策略。Launch函数执行的功能主要是初始化驱动、挂载驱动事件策略、创建线程执行驱动、初始化策略和创建线程执行策略。

(5)            Event_System_Launch_After – 策略将在YFIOs执行Launch函数之后执行。

(6)            Event_System_Error_Process – 当系统出现异常和错误的时候,将会自动调用配置为该模式的策略。

(7)            Event_Driver_Run_Before – 该策略执行模式需要指定关联触发的驱动,在系统调用驱动OnRun接口之前,会自动执行配置该模式的策略。注意,当策略调用DriverRun接口来执行驱动的OnRun函数时,该事件也会被触发。

(8)            Event_Driver_Run_After – 和Event_Driver_Run_Before执行模式类似,只是在调用驱动的OnRun接口之后,触发该事件。

注意:策略并不仅支持一种策略执行模式,同一个策略可以配置多个执行模式,只要符合条件,该策略将会被调用。

 2.7.3 策略的执行
     策略除了按策略执行模式执行外,策略之间还可以互相调用,并且还可以直接调用指定名称的驱动程序的接口函数。

    策略在配置的时候,也可以设置为Disabled,这样该策略的所有接口将无法访问,和该策略不存在一样。

2.7.4 扩展配置接口
    和驱动程序的扩展配置接口相同,请参见2.5.4项的介绍。

2.8 YFIOs项目存储
2.8.1 项目存储映像图
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2.8.2 项目信息头

 public class ApplicationHead

    {

        public string Flag = "YFIOs";         //标志 YFIOs 8 byte

        public uint Ver;                      //版本

        public uint ApplicationHeadSize;      //ApplicationHead大小

        public uint ChannelHeadSize;          //ChannelHead大小

        public uint DeviceHeadSize;           //DeviceHead大小

        public uint StrategyHeadSize;         //StrategyHeadSize大小

        public uint StrategyModeSize;         //StrategyModeSize大小

        public uint IOItemSize;               //IOItem大小

        public uint IODataSize;               //IOData大小 

        public string Name="";                //应用名称  32 byte

        //服务器URL,128byte 既可以是IP+端口模式 192.168.0.1:80 ,也可以是标准url格式

        public string Server = "http://192.168.1.100";          

        public int MaxDBCount = 256;          //IO数据最大条目数

        public int MaxBCCount = 8;            //IO数据块最大个数

        public uint IODataCount;              //IO数据个数

        public uint ChannelCount;             //信道个数

        public uint StrategyCount;            //策略个数

        //总调试模式开关,驱动中的debugmode为单个控制     

        public uint DebugMode = 0xEC;       

        public uint ConfigSize;               //扩展配置信息

}

2.8.3 信道信息头

  public class ChannelHead

{    

//禁止执行 0 - 允许执行 1 - 禁止执行

        public int Disabled; 

        //通道模式 0 - 分别打开端口 1 - 统一打开端口               

        public int ChannelMode = 0;

//通信方式

        public DeviceConnMode ConnMode;     

//端口地址 串口:1.串口:1...n 网络:端口号 ...

        public int PortAddr;      

//32byte,端口参数  如串口:波特率,数据位,校验方式,停止位如9600,N,8,1

        public string PortConfig; 

 //设备个数

        public uint DeviceCount;

  }

2.8.4 驱动信息头

  public class DeviceHead

    {       

        public int Disabled;                  //0- 执行 1 - 禁止执行不调用相关函数

        public string Name;                   //32byte,设备名称 

        public int AutoFlag;                  //自动化标志     

        public DeviceConnMode ConnMode;       //通信方式

        public int PortAddr;                   //端口地址 1.串口:1...n 网络:端口号 ...

        public string PortConfig;             //32byte,端口参数

        public int DeviceAddr;                //设备地址

        public string DeviceConfig;           //32byte,设备参数

        public int Scantime;                  //扫描周期(ms) 如果为0,则禁止扫描

        public int Overtime;                  //超时时间(ms)

        public int ErrorScantime;             //故障扫描周期(s

        public int ErrorMaxScantime;          //最长故障扫描周期(s)

        public int AcceptBufferLength;        //接收缓冲区大小

        public int SendBufferLength;          //发送缓冲区大小

        public int ReadDataBufferLength;      //一次从端口读取的字符数

        public int DebugMode;                 //debug模式,控制驱动是否显示一些调试信息

        public uint IOItemCount;              //设备连接项个数

        public uint ConfigSize;               //扩展配置信息

        public uint PeSize;                   //pe文件的大小

        public uint PeAddr;                   //pe文件存放的地址(相对地址)     

    }

2.8.5 策略信息头

  public class StrategyHead

    {

        public int Disabled;                   //禁止执行,不调用相关函数

        public string Name;                    //32byte,策略名称

        public uintModeCount;                 //策略运行模式个数

        public uint ConfigSize;                //扩展配置信息

        public uint PeSize;                    //pe文件的大小

        public uint PeAddr;                    //pe文件存放的地址(相对地址)     

    }

2.8.6 数据连接项

   public class IOItem

   {

      public string Name;                   //32byte,内存变量名称(对数组,仅指数组名)

      public int[] Param = new int[8];      //中间传递变量,由驱动程序自己设定,自己解释

   }

2.8.7 IO数据

 public class IOData

    {

        public string Name = "";        //32  数据名称

        public string Type = "";        //2   数据类型 B布尔型 I整型 F浮点型 S 字符串

        public string Value = "";        //32 变量的值

        public string Comment = "";      //26 注释

//2  读写模式 0 只读 1 只写 2 读写(自动读) 3 读

        public string RWMode = "";       写(手动读) 4-只读(手动)

//2  R自动读 W 自动写 r 手动读 n读不操作 N 写不操作

        public string RWFlag = "";      

        public string LO = "";           //16  下限

        public string HO = "";           //16  上限

        public string DateTime = "";     //8  数据更新时间

    }

3 YFIOs应用开发
3.1 YFIOsManager简介
image.png
操作视频演示:http://v.youku.com/v_show/id_XNDkxMzgyNTgw.html

3.2 YFIOs应用实例
3.2.1 农村个人医疗远程助理
image.png
3.2.2 YFHMI物联网画面组态系统
image.png
操作演示视频:http://v.youku.com/v_show/id_XNDg2MjMxODI4.html
image.png
设备运行视频:http://v.youku.com/v_show/id_XNDg2MjM4MTQw.html

4相关资源
1、.NET Micro Framework官方网址

http://www.microsoft.com/netmf/default.mspx

2、.NET Micro Framework官方博客

http://blogs.msdn.com/netmfteam/

3、中文博客

http://blog.csdn.net/yefanqiu

http://www.cnblogs.com/yefanqiu

4、叶帆科技

http://www.sky-walker.com.cn/

5、物联网中间件技术开发论坛

http://www.yfios.net

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