僵息技术与佰息亿■船毽飘皿『同Ｉ噩 基于Ｌｉｎｕｘ的嵌入式数据采集装置的ＳＯＣＫＥＴ通信 Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ＳＯＣＫＥＴ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｌｉｎｕｘ 戴景峰 潘松峰薛兵 ＤＡＩ Ｊ ｇ一 ｎｇ ＰＡＮ ｓｏｎｇ一知ｎｇ ＸＵＥ Ｂｉｎｇ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—９５２８．２０１ １．０２．１４ 数据采集监控平台能够对分布在网络上的作为独立节点的数据采集装置进行监控和操作。 在监控平台的软件开发过程中，首先要解决的就是网络通信问题。本文介绍了基于ＴＣＰ／ＩＰ 协议的ＳＯＣＫＥＴ通信，以搭载有Ｌｉｎｕｘ操作系统的ＡＲＭ的数据采集装置为下位机，在其上 编程实现Ｓｏｃｋｅｔ通信的服务器端。以装有Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统的计算机作为上位机，在其上 编程实现Ｓｏｃｋｅｔ通信的客户端，解决了嵌入式数据采集网络监控平台的通信问题。 网络通信 Ｓｏｃｋｅｔ ＴＣＰ／ＩＰ客户端／服务器 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅｓ ａｓ ａｎ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｗｅ ｍｕｓｔ ｆｉｒｓｔ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｓ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ＴＣＰ／ＩＰ—ｐｒｏｔｏｃｏｌ ＳＯＣＫＥＴ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｗｉｔｈ ＡＲＭ—Ｌｉｎｕｘ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｃｒｅｗ， Ｓｏｃｋｅｔ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｉｎ ｉｔｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｒｖｅｒ ｓｉｄｅ．Ｔｏ ａｃｏｍｐｕｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｗｉｎｄｏｗｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｓ ．ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，Ｓｏｃｋｅｔ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｉｎ ｉｔｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｃｌｉｅｎｔ，ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉ— ｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉ０ｎ Ｓｏｃｋｅｔ ＴＣＰ／ＩＰ Ｃｌｉｅｎｔ／Ｓｅｒ ｅｒ ｌ弓ｌ言 ２・ 持多种套接字类型，只要有以下三 随着信息化的不断发展，在工业自动化、电力设 种： 备、通信管理、智能终端、智能小区等领域，对数据采 （１）流式套接字（ＳＯＣＫＥＴ—ＳＴＲＥＡＭ）：它提供 集的实时性、可靠性的要求也不断地提高。以往传 可靠的通信流，使用面向连接的ＴＣＰ协议，从而保 统的单片机加采集卡的数据采集装置已经不能满足 证数据传输的正确性和顺序性。 人们使用的要求。嵌入式数据采集装置是在传统数 （２）数据报套接字（ＳＯＣＫＥＴ—ＤＧＲＡＭ）：ＵＤＰ协 据采集装置的基础上发展起来的具有以太网通信功 议使用此类接口，它是无连接的服务，以独立的数据 能的新型数据采集装置。它把ＴＣＰ／ＩＰ协议作为一 报进行网络传输。它是无序的，并且不保证可靠，无 种嵌入式应用到采集装置中，在网络中充当着独立 差错，它定义一种面向无连接的服务。 结点的角色，可以通过以太网接口与外界进行数据 （３）原始套接字（ＳＯＣＫ—ＲＡＷ）：它允许直接访 交换，实现工业远程数据采集及控制。 问底层协议，功能强大但使用较为不便，主要用于一 本文提出了基于ＡＲＭ的数据采集装置以ＴＣＰ／ 些协议的开发， ＩＰ协议为载体，在实现对数据的高速采集的同时， ２．２ Ｓｏｃｋｅｔ的编程原理 并能够将数据可靠的、实时的上传给上位机。 本文将采用面向连接的流式套接字，流式套接 ２ Ｓｏｃｋｅｔ技术 字采用的是客户／服务器模式。因此编程分为服务 器端和客户端两部分。服务器和客户端的进程交互 ｓｏｃｋｅｔ通常也称作套接字，位于网络中的主机 如图１所示。 可以通过连接的套接字提供的接口进行数据传输。 编程流程如下：服务器首先调用ｓｏｃｋｅｔ（）建立 一个Ｓｏｃｋｅｔ，返回该Ｓｏｃｋｅｔ的描述符；配置Ｓｏｃｋｅｔ的 青岛大学自动化工程学院控制理认与控制工程系２６６０７１ 端口和ＩＰ地址，并使用ｂｉｎｄ（）将该套接字和ＩＰ联 国暖蠢 ■佰息技术与僵息亿 系在一起；再调用ｌｉｓｔｅｎ（）建立监听函数，检测是否 有客户端向服务器发送请求，若有则接受该请求，将 其放到接受队列中；用ａｃｃｅｐｔ（）接受连接；并向客户 端发送确认连接信息。 服务器端 图１ 面向连接的ＳＯＣＫＥＴ通信示意 客户端首先调用ｓｏｃｋｅｔ（）建立Ｓｏｃｋｅｔ，返回该 Ｓｏｃｋｅｔ的描述符；配置Ｓｏｃｋｅｔ端口和ＩＰ地址，并使 用ｂｉｎｄ（）将该套接字和ＩＰ联系在一起；调用ｃｏｎ— ｎｅｃｔ（）和服务器连接，并接收服务器发挥的确认连 接信息。 客户端与服务器调用ｓｅｎｄ（）和ｒｅｃｖ（）来发送 和接受数据。待数据传输结束，双方调用ｃｌｏｓｅｓｏｃｋ— ｅｔ（）关闭Ｓｏｃｋｅｔ。 、 ３多线程Ｓｏｃｋｅｔ通信 ３．１多线程并发的优点 同一进程可以包括多个线程，这些线程共享相 同的内存空间，而进程都有各自的独立的内存空间， 进程之间通信需要专门的机制，这无疑增加了内核 的开销，降低了系统性能。线程带来的开销很小，内 核无需单独复制进程的内存空间或文件描述符等， 这就大量地节省了ＣＰＵ时间，使得创建线程比创建 进程的速度快很多。另外，多线程程序作为一种多 任务、并发的工作方式，还可以提高应用程序响应时 间，使多ＣＰＵ系统更加有效以及改善程序结构等。 ３．２多线程并发服务器算法 Ｓｏｃｋｅｔ通信中应用多线程技术，可以更容易地 图 Ｑ 垒簋 塑 构造并发服务器，主线程一直循环运行，负责监听和 接受客户连接请求，每当有新的连接时，主线程并不 去直接处理而是将创建一个从线程负责处理连接， 直到与客户通信结束，从线程终止。基于多线程的 并发服务器更适合于大量线程间通信的情况，更有 利于设计强大和复杂的服务器。其服务器端算法如 图２所示。 ｌ主 ｌ线 ｌ程 Ｊ ．．．．．．．．．．．：‘‘．．． ．．．．一 ｌ建立ＴｃＰ套接ｌ 绑定套接字 的ＩＰ和端口 ＿－－＿－－＿＿＿－－●●－－－＿－＿－－＿＿ ． ． 。． ． ｌ； 一 监听 调用 ａｃｃｅｐｔ（）接 予线程 受客户端请 建立连接与 求，产生ｆ 客户端交互 线程，处理 客户端请求 处理客户端 请求并关闭 连接 —］一 Ｌ一 退出 图２多线程并发服务器算法 ４ Ｓｏｃｋｅｔ编程实现服务器与客户端之间通信的程 序实现 本系统的服务器端是以三星公司的ＡＲＭ处理 器￥３Ｃ２４４０开发板为核心的嵌入式数据采集装置， 客户端装有Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统的ＰＣ。 在数据采集装置软件的主线程中，用一个Ｓｏｃｋ— ｅｔ套接字绑定一个固定端口，负责监听客户端的 Ｓｏｃｋｅｔ请求。每启动一个客户端程序，客户端发送 来一个Ｓｏｃｋｅｔ连接请求时，开发板就开启一个新线 程，并在其中穿件一个新的Ｓｏｃｋｅｔ和该客户端的 Ｓｏｃｋｅｔ进行通信，知道客户端程序关闭连接，结束该 线程。数据采集装置主线程中的Ｓｏｃｋｅｔ在退出应 用程序时关闭。 部分算法程序如下： 僵患技术与僵息他■Ｅ番强；ｊｉ】啊嚣 ｓｏｃｋｅｔ（ＡＦ—ＩＮＥＴ，ＳＯＣＫ—ＳＴＲＥＡＭ，０）；／／ｇ０建 套接字 ｂｚｅｒｏ（＆ｃｌｉｅｎｔ—ａｄｄｒ，ｓｉｚｅｏｆ（ｓｔｒｕｃｔ ｓｏｃｋａｄｄｒ— ｉｎ））； 本文的服务器端的通信程序已在Ｌｉｎｕｘ操作系 统测试和验证，ＩＰ为１９２．１６８．６．３５的客户端发送 数据Ｈｅｌｌｏ，ＩＰ为１９２．１６８．６．２３的客户端发送数据 Ｗｏｒｌｄ，而服务器端接收到的数据结果如下： ／／绑定ＩＰ和端口 ｌｙ＝ＡＦＩＮＥＴ； ｃｌｉｅｎｔａｄｄｒ．ｓｉｎｆａｍｉ———ｃｌｉｅｎｔａｄｄｒ．ｓｉｎ—＿—ｐｏｒｔ＝ｈｔｏｎｓ（ＭＹ—ＰＯＲＴ）； ｗｃｌｉｅｎｔａｄｄｒ．ｓｉｎａｄｄｒ．Ｓ—ａｄｄｒ＝ｈｔｏｎｌ（ＩＮＡＤＤＲ— ＡＮＹ）； ｂｉｎｄ（１ｉｓｔｅｎ—ｆｄ，（ｓｔｒｕｃｔ ｓｏｃｋａｄｄｒ￥）＆ｃｌｉｅｎｔ—ａｄ－ ｄｒ，ｓｉｚｅｏｆ（ｃｌｉｅｎｔ—ａｄｄｒ））； ｌｉｓｔｅｎ（１ｉｓｔｅｎ＿ｆｄ，５）；／／监听 ｗｈｉｌｅ（１） ｛ ｉ＝０； ａｃｃｅｐｔ—ｆｄ＝ａｃｃｅｐｔ（１ｉｓｔｅｎ—ｆｄ，ＮＵＬＬ， ＮＵＬＬ）； ｐｔｈｒｅａｄ—ｃｒｅａｔｅ（＆ｒｉｄ［ｉ］，ｎｕｌｌ，（ｖｏｉｄ，Ｉ：） ｆｕｎ，ｎｕｌ１）；／／ｇ￣建子线程 ｉ＋＋： ｐｔｈｒｅａｄ．＿ｊｏｉｎ（ｔｉｄ［ｉ］，ｎｕｌ１）； ｃｌｏｓｅ（１ｉｓｔｅｎ ｆｄ）； ｃｌｏｓｅ（ａｃｃｅｐｔ＿ｆｄ）； ｝ ｝ ｖｏｉｄ ｆｕｎ（ｖｏｉｄ）／／子线程程序 ｛ ｃｈａｒ ｂｕｆｆｅｒ［１０２４］； ｎｂｙｔｅｓ＝ｒｅａｄ（ａｃｃｅｐｔ＿ｆｄ，ｂｕｆｆｅｒ，１０２４）； ｂｕｆｆｅｒ［ｎｂｙｔｅｓ］＝‘； ｐｒｉｎｆｆ（“Ｓｅｒｖｅｒ ｒｅｃｅｉｖｅｄ％Ｓ ”，ｂｕｆｆｅｒ）； ｅｘｉｔ（０）； ｝ 图３客户端程序在Ｌｉｎｕｘ上运行的结果 ５结束语 本文主要介绍了Ｓｏｃｋｅｔ通信原理，根据面向连 接的流式套接字的Ｃ／Ｓ模式，在基于ＡＲＭ的嵌入 式数据采集装置平台下构建了Ｓｏｃｋｅｔ服务器端程 序，在上位机搭建了一个Ｓｏｃｋｅｔ客户端为核心的监 控平台，实现了嵌入式数据采集装置与上位机监控 软件的通信。 参考文献： ［１］ 高小明．基于ＰＸＡ２７０嵌入式系统的Ｓｏｃｋｅｔ通 信设计［Ｊ］．计算机与信息技术，２００９，０４— ００９ ［２］ 周炎涛，李立明．ＴＣＰ／ＩＰ协议下网络编程技术 的实现［Ｊ］．航空计算技术，２００２，３２—３：１２２ —１２５ ［３］ 华清远见嵌入式培训中心．嵌入式Ｌｉｎｕｘ Ｃ语 言应用程序设计［Ｍ］．北京：人民邮电出版 社．２００７ ［４］孙琼．嵌入式Ｌｉｎｕｘ应用程序开发详解［Ｍ］． 北京：人民邮电出版社，２００６ ［５］ 韦东山．嵌入式Ｌｉｎｕｘ应用开发完全手册 ［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００６． ［作者简介］ 戴景峰，青岛大学自动化工程学 院控制理论与控制工程系。 （收稿日期：２０１１—０１—１１）