0 引言

    大型的工業(yè)過程監(jiān)控系統(tǒng)一般都采用分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS^[1]）模式，上位控制主機(jī)和下位機(jī)都采用價格高昂的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。監(jiān)控系統(tǒng)的軟件通常選用專門的組態(tài)軟件，這些軟件價格不菲，導(dǎo)致系統(tǒng)投資過大，增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。當(dāng)系統(tǒng)性能難以滿足實(shí)時性需求，需進(jìn)行系統(tǒng)的升級改造時，原有主機(jī)基本被淘汰，造成極大的浪費(fèi)。

    如何用最少的投資實(shí)現(xiàn)超高性能，以滿足工業(yè)過程控制的實(shí)時性要求，是當(dāng)今所有監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)。

    樹莓派^[2]的出現(xiàn)以及性能的不斷提升，在硬件上為實(shí)現(xiàn)低成本監(jiān)控系統(tǒng)提供了可能。尤其是最新推出的樹莓派第2代B型，配置了ARM結(jié)構(gòu)的Cortex-A7 64位4核處理器及1 GB內(nèi)存，單價在200元以內(nèi)，配置16 GB存儲卡，散熱器和金屬外殼也不超過300元，性能比原有B型提升6倍，其使用Debain Linux操作系統(tǒng)，可運(yùn)行大部分Linux應(yīng)用程序。

    軟件方面，使用傳統(tǒng)的多進(jìn)程和多線程軟件技術(shù)無法滿足當(dāng)今應(yīng)用面臨高并發(fā)請求和實(shí)時性能要求，全新的Node.js^[3]服務(wù)器平臺技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

    Node.js采用了全新的單線程、非阻塞和異步驅(qū)動模式^[4]，能在使用很少內(nèi)存的情況下，高性能處理超大量的客戶并發(fā)請求，完美解決了傳統(tǒng)軟件技術(shù)難以逾越的C10K+問題。

    Node.js支持多種集群技術(shù)^[5]，可簡單地實(shí)現(xiàn)橫向和縱向伸縮技術(shù)，能適應(yīng)超大規(guī)模應(yīng)用的需求。

    本文將樹莓派與Node.js結(jié)合，并利用Node.js的集群技術(shù)，完美實(shí)現(xiàn)了一個超低成本、高性能的全新模式的集群式過程監(jiān)控系統(tǒng)，并在大連高新園區(qū)廣源熱力有限公司供熱管網(wǎng)監(jiān)控中實(shí)施。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

    為減少系統(tǒng)的投資，此監(jiān)控系統(tǒng)集群中的主機(jī)沒有使用傳統(tǒng)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，均采用樹莓派第2代B型，使用其Linux操作系統(tǒng)，安裝Node.js，構(gòu)成如圖1所示的過程監(jiān)控系統(tǒng)。為提高系統(tǒng)的可靠性和高性能，系統(tǒng)采用分層的架構(gòu)。

    現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層依然使用傳統(tǒng)的PLC完成，采用西門子S7-300實(shí)現(xiàn)對供熱管網(wǎng)溫度、壓力和流量的監(jiān)測。

    數(shù)據(jù)采集傳輸層采用多塊樹莓派構(gòu)成集群，通過TCP協(xié)議實(shí)時讀取PLC的數(shù)據(jù)，并使用socket.io模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時推送到客戶端的Web頁面上。

    監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的顯示層使用高性能的Nginx^[6]發(fā)布HTML頁面和JavaScript代碼到客戶端瀏覽器上。瀏覽器的JavaScript利用socket.io客戶端直接接收數(shù)據(jù)采集層推送的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并集成jQuery框架技術(shù)顯示在Web頁面的指定位置。由于使用了socket.io的數(shù)據(jù)推技術(shù)，克服了傳統(tǒng)Web監(jiān)控系統(tǒng)使用HTTP協(xié)議時AJAX的請求/響應(yīng)模式低效率和大延遲的缺陷，極大提高了系統(tǒng)的傳輸性能，滿足了監(jiān)控系統(tǒng)對實(shí)時性的苛刻要求。

    按照此架構(gòu)設(shè)計(jì)的高性能監(jiān)控系統(tǒng)，主機(jī)部分采用了5塊樹莓派，按每塊300元計(jì)算（已包含核心板和輔助的配件），共計(jì)1 500元。如果采用較普及的天迪工控機(jī)，即使雙核的最低型也要4 200元，如果使用4核CPU版，則要5 600元左右，要組成本系統(tǒng)的集群，則至少3萬元，可見本系統(tǒng)的成本優(yōu)越性。

2 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集傳輸模塊設(shè)計(jì)

    數(shù)據(jù)采集傳輸模式是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其向下實(shí)時讀取PLC監(jiān)測的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，向上使用Node.js的socket.io模塊采用推技術(shù)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端?？蛻暨B接成功后，不再需要客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)請求，傳輸層定時將數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端進(jìn)行顯示。

    為提高系統(tǒng)的性能和可靠性，系統(tǒng)采用2塊樹莓派組成集群，將來可以隨時增加更多的板子，以適應(yīng)更高性能的要求，這也是此系統(tǒng)的最核心優(yōu)勢。

    樹莓派內(nèi)部有一個4核64位的CPU A7，系統(tǒng)采用cluster集群模塊，單板可運(yùn)行4個Node.js實(shí)例，集群模塊內(nèi)置了均衡負(fù)載功能實(shí)現(xiàn)請求的均衡處理。如此2塊樹莓派可運(yùn)行8個Node.js實(shí)例，使系統(tǒng)處于超高性能數(shù)據(jù)處理和傳輸狀態(tài)。

    Cluster模塊只是單主機(jī)內(nèi)部集群，為解決跨主機(jī)間的Node.js的socket.io模塊的消息處理集群，系統(tǒng)采用socket.io-proxy代理模塊構(gòu)成主機(jī)集群，實(shí)現(xiàn)2塊樹莓派之間的消息處理的均衡負(fù)載，未來可根據(jù)需求增加更多的Node.js主機(jī)，以滿足更高的性能需求。

2.1 現(xiàn)場監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)

    西門子S7-300支持TCP協(xié)議通信^[7]，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接相互傳輸。系統(tǒng)使用Node.js的TCP Client核心模塊讀取PLC的監(jiān)測數(shù)據(jù)，節(jié)省了購買昂貴的西門子數(shù)據(jù)采集組件的費(fèi)用。

    西門子S7-300內(nèi)置TCP FETCH WRITE通信方式，該模式下通過TCP協(xié)議，Node.js使用內(nèi)置的net模塊創(chuàng)建TCP客戶端實(shí)現(xiàn)與PLC的數(shù)據(jù)交換，其示意代碼如下所示：

var net = require("net");

var  MonoteData=function(){};

MonoteData.prototype.monitor =function(){

var io = require('socket.io')(9000);

io.on('connection',function (socket){

var client=new Array();

for(var i=0;i<plcs.length;i++){

  client[i] = net.connect(plc[i].port, plc[i].ip);

  client[i].on('data', function(data) {

    var plcdate=convertToReal(data);

    iosocket.broadcast.emit("plcdata",plcdata);

  });

}  

});

}

    數(shù)據(jù)讀取程序使用JavaScript的面向?qū)ο筇匦苑庋b在對象構(gòu)造函數(shù)中，以便進(jìn)行集群處理。在數(shù)據(jù)采集程序之前，使用Node.js的文件模塊fs，將保存所有PLC設(shè)備IP和端口的配置文件plc.json讀入到數(shù)組plcs對象中，通過Node.js創(chuàng)建TCP客戶端，連接到所有的PLC，使用Socket對象的on事件以異步響應(yīng)模式接收監(jiān)測數(shù)據(jù)。接收到PLC監(jiān)測數(shù)據(jù)后，使用專門的轉(zhuǎn)換函數(shù)轉(zhuǎn)換為JSON格式的數(shù)據(jù)，其中包含監(jiān)控點(diǎn)的編號、監(jiān)測的數(shù)據(jù)類型（溫度、流量或壓力）和數(shù)據(jù)值，使用socket.io模式實(shí)時推送到Web客戶端。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸集群設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

    針對樹莓派4核64位CPU的特性，系統(tǒng)使用Node.js的cluster[8]模塊，在每塊樹莓派內(nèi)部運(yùn)行與CPU核數(shù)對應(yīng)的Node.js實(shí)例，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測和傳輸層的集群，以滿足監(jiān)控系統(tǒng)的高性能需求。其核心的示意代碼如下所示：

var cluster = require('cluster');

var numCPUs = require('os').cpus().length;

if(cluster.isMaster) {

  for(var i = 0; i < numCPUs; i++) {

    cluster.fork();

  }

}

if(cluster.isWorker){

    new MonoteData().monitor();

}

    代碼在每個樹莓派內(nèi)部創(chuàng)建4個Node.js實(shí)例，并且cluster模塊自動具備動態(tài)負(fù)載均衡功能，實(shí)現(xiàn)采集任務(wù)處理的均衡分配。

    由于cluster模塊不具備跨不同樹莓派的集群功能，只能在單個主機(jī)內(nèi)多CPU內(nèi)核實(shí)現(xiàn)縱向的可伸縮性，為實(shí)現(xiàn)跨不同主機(jī)Node.js的橫向可伸縮性，本系統(tǒng)采用集群模塊node-http-proxy^[9]。

    服務(wù)器端與客戶端通過Socket.io模塊與其底層使用的WebSocket協(xié)議實(shí)時通信，此協(xié)議在連接初期依然使用HTTP協(xié)議，待握手成功后，升級為WebSocket協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)全雙工的實(shí)時通信。因此為實(shí)現(xiàn)多主機(jī)集群，原則上可以使用任何支持HTTP協(xié)議的動態(tài)均衡負(fù)載的集群服務(wù)器產(chǎn)品，如著名的Nginx，同時Node.js也提供了多種模塊實(shí)現(xiàn)相同的功能。為與Node.js模塊更好地融合，系統(tǒng)選擇了node- http-proxy實(shí)現(xiàn)橫向集群，其簡化示意代碼如下所示：

var httpProxy = require('http-proxy');

var addresses = [

{ host: '172.30.39.230',port:9000},

{ host: '172.30.39.231',port:9000}

];

httpProxy.createServer(function(req, res, proxy) {

var target = addresses.shift();

proxy.proxyRequest(req, res, target);

addresses.push(target);

}).listen(9000);

    如果要增加新的Node.js主機(jī)，在addresses變量定義中增加新主機(jī)的配置項(xiàng)即可，極其簡便。

3 數(shù)據(jù)發(fā)布Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)

    本系統(tǒng)的Web客戶端全部采用純的HTML和JavaScript實(shí)現(xiàn)，通過socket.io的客戶端與Node.js進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。雖然使用Node.js的express模塊也能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)Web站點(diǎn)的發(fā)布，但Nginx是此類應(yīng)用的最佳選擇，在所有靜態(tài)Web內(nèi)容的請求處理上，Nginx性能是最佳的。為提高系統(tǒng)的請求處理性能，本系統(tǒng)采用1塊單獨(dú)的樹莓派運(yùn)行Nginx服務(wù)器，使用其默認(rèn)的配置，將監(jiān)控系統(tǒng)的Web客戶端文件保存在Nginx的html目錄下即可，該Nginx監(jiān)聽80端口上的HTTP請求。

4 數(shù)據(jù)顯示客戶端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    監(jiān)控系統(tǒng)的客戶端采用Web方式，可以使用PC、手機(jī)、平板等訪問監(jiān)控頁面?？蛻舳耸褂肏TML、JavaScript、jQuery和socket.io客戶端實(shí)現(xiàn)。頁面上的顯示數(shù)據(jù)使用絕對位置的div實(shí)現(xiàn)，每個div通過id屬性與特定的監(jiān)控點(diǎn)對應(yīng)。socket.io客戶端監(jiān)聽Node.js服務(wù)器廣播的數(shù)據(jù)事件，從中解析出監(jiān)控點(diǎn)編號和監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用jquery顯示在指定的div中。

    頁面HTML的主div定義指定的監(jiān)控區(qū)域，將監(jiān)控設(shè)備圖作為其背景圖片，定義每個監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)div，并通過CSS進(jìn)行絕對位置定義，并懸浮在監(jiān)控點(diǎn)上，其簡化示意代碼如下：

<link rel=”stylesheet” type=”text/css” href=”main,css”>

<script type="text/javascript" src="../socketio/socket. io.js"></script>

<script type="text/javascript" src="main.js"></script>

<div id="area01">

  <div id="t01"></div>

  <div id="p01"></div>

  <div id="l01"></div>

</div>

    其中area01為第1個監(jiān)控區(qū)域，每個監(jiān)控區(qū)域使用不同的頁面，用戶可以選擇查看不同監(jiān)控區(qū)域的數(shù)據(jù)。t01表示第1個溫度檢測數(shù)據(jù)，p01為壓力數(shù)據(jù)，l01為流量檢測數(shù)據(jù)。

    頁面元素的定位采用CSS進(jìn)行控制，其示意代碼如下(為簡化只演示一個顯示元素，其余相似)：

div#area01{

    background-image:url(../images/area01.jpg);

    width:960px;

    heighty:650px;  }

div#t01 {

  position:fixed;

  top:212px;

  left:467px;

  width:12px;

  height:11px;

}

    客戶端接收服務(wù)器發(fā)送的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和顯示，通過JavaScript結(jié)合jQuery和socket.io客戶端實(shí)現(xiàn)。通過接收異步響應(yīng)式事件，取得采集服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，顯示在指定的div元素上，其簡化示意代碼如下：

$(document).ready(function(){

  var socket = io.connect("http://172.30.39.100:8082");

  socket.on("plcdata",function(data){

    var dataid=data.plc.id;

    var value=data.plc.data;

    $("div"+dataid).html(value);

  });

});

    這里socket.io客戶端連接的是node-http-proxy代理Node.js主機(jī)，該代理按照負(fù)載均衡算法轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)采集主機(jī)，實(shí)現(xiàn)高并發(fā)請求的處理。系統(tǒng)顯示的監(jiān)控頁面截圖如圖2所示。

5 結(jié)論

    此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施是低成本監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)新實(shí)踐，極大減輕了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，提高了企業(yè)投入技術(shù)改造的積極性。使用全新的異步響應(yīng)式編程模式和高性能的Node.js結(jié)合，極大簡化了監(jiān)控系統(tǒng)的編程和維護(hù)，加快了系統(tǒng)的建設(shè)和實(shí)施效率，通過集群技術(shù)，提供了監(jiān)控系統(tǒng)的性能，更好地滿足了監(jiān)控系統(tǒng)對處理速度和實(shí)時性的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 張士超，儀垂杰，郭健翔，等．集散控制系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007(1)：94-96．

[2] Samarth Shah．Learning raspberry PI[M].Birmingham：Packt Publishing，2015．

[3] 陸凌牛.Node.js權(quán)威指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014．

[4] Diogo Resende.Node.js high performance[M].Birmingham：Packt Publishing，2015．

[5] Pedro Teixeira.Professional Node.js[M].Indianapolis：John Wiley&Sons，Inc，2013．

[6] Rahul Sharma．Nginx high performance[M].Birmingham：Packt Publishing，2015．

[7] 席英杰，劉文麗．簡述西門子S7-300/400的通訊功能及工業(yè)應(yīng)用[J].自動化與儀表，2007(1)：37-40.

[8] TILKOV S，VINOSKI S.Node.js：using JavaScript to build high-performance network programs[J].Internet Computing，IEEE，2010，14(6)：80-83.

[9] 姚立．IBM云計(jì)算平臺下NodeJS應(yīng)用支持環(huán)境的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.