Xây dựng sdk theo chuẩn opc ua và ứng dụng cho hệ thống quan trắc môi trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ──────── * ──────── ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN XÂY DỰNG SDK THEO CHUẨN OPC UA VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG Sinh viên thực : Nguyễn Trí Dũng Lớp Cơng nghệ phần mềm -K51 Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Huỳnh Quyết Thắng HÀ NỘI 5-2011 Nguyễn Trí Dũng – 20060600 – Khóa 51 Lớp CNPM A i PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thông tin sinh viên Họ tên sinh viên: Nguyễn Trí Dũng Điện thoại liên lạc: 0987006440 Email: ntdunglc@gmal.com Lớp: Công nghệ phần mềm – K51 Hệ đào tạo: Đại học quy Đồ án tốt nghiệp thực tại: Bộ môn Công nghệ phần mềm, Viện CNTT & Truyền thông – Đại học Bách Khoa Hà Nội Thời gian làm ĐATN: Từ ngày 15/ 01/2011 đến 25 /05/2011 Mục đích nội dung ĐATN  Tìm hiểu OPC UA, thiết kế lập trình SDK theo chuẩn OPC UA  Xây dựng ứng dụng minh họa cho chức SDK  Áp dụng SDK vào việc xây dựng hệ thống quan trắc môi trường Các nhiệm vụ cụ thể ĐATN  Nghiên cứu lý thuyết OPC UA  Xây dựng SDK theo chuẩn OPC UA  Viết ứng dụng minh họa khả SDK  Áp dụng SDK vào việc xây dựng hệ thống quan trắc môi trường Lời cam đoan sinh viên Tơi - Nguyễn Trí Dũng - cam kết ĐATN cơng trình nghiên cứu thân hướng dẫn PGS.TS Huỳnh Quyết Thắng Các kết nêu ĐATN trung thực, khơng phải chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả ĐATN Nguyễn Trí Dũng Xác nhận giáo viên hướng dẫn mức độ hoàn thành ĐATN cho phép bảo vệ Hà Nội, ngày tháng năm Giáo viên hướng dẫn PGS.TS Huỳnh Quyết Thắng Nguyễn Trí Dũng – 20060600 – Khóa 51 Lớp CNPM A ii TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ứng dụng công nghệ thông tin công nghiệp yêu cầu bắt buộc nước ta bước vào thời kì cơng nghiệp hóa Việc áp dụng cơng nghệ tiên tiến cách làm cần thiết để nâng cao hiệu sản xuất, đặc biệt hệ thống với quy mô lớn Đồ án tập trung nghiên cứu vào công nghệ ứng dụng nhiều nước tiếp tục phát triển, công nghệ OPC UA [OLE for Process Control Unified Architecture] OPC UA đặc tả ghép nối thiết bị dựa chuẩn mở, không phụ thuộc vào hãng công nghệ độc lập OPC UA cung cấp khả truy cập đến liệu, kiện theo thời gian thực lưu trữ thiết bị thông qua kết nối an toàn, đáng tin cậy độc lập với tảng Trước kia, việc trao đổi liệu thiết bị hay việc xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển gồm nhiều thiết bị khó khăn, thiết bị lại cần trình điều khiển (driver) riêng Việc thống cách thức giao tiếp thiết bị trở nên cần thiết, OPC UA, với ủng hộ nhiều tập đoàn lớn IBM, Apple, Nokia…, đời để đáp ứng yêu cầu Tuy nhiên, nghiên cứu OPC UA Việt Nam chưa nhiều, chưa đủ để đưa công nghệ vào ứng dụng sản xuất Những SDK theo chuẩn OPC UA thường bán để phục vụ cho hệ thống công nghiệp, khơng phù hợp cho mục đích nghiên cứu, điều gây nhiều khó khăn cho việc tiếp cận chuẩn Việt Nam Cần thiết phải có nghiên cứu sâu OPC UA Dưới hướng dẫn PGS.TS Huỳnh Quyết Thắng, đồ án tác giả thực công việc sau: Nghiên cứu OPC UA đặc tả nó, sử dụng nào; sau đó, xây dựng SDK minh họa phần đặc tả ứng dụng vào hệ thống cụ thể, mà đây, tác giả chọn hệ thống quan trắc mơi trường Nguyễn Trí Dũng – 20060600 – Khóa 51 Lớp CNPM A iii ABSTRACT OF THESIS Application of information technology (IT) in the industry has been become a vital requirement as our country has industrialized its economy recently Apply of state-of-the-art technical is an essential step to improve the production capacity in general, and especially in large scale systems The dissertation focuses on a technological innovation that has been applied in many countries and still continuously has been researched to enhance its effectiveness – OLE for Process Control Unified Architecture (OPC UA) OPC UA is specification about connection of accessories, based on open form, and independent from any technological systems OPC UA gains access to data base and events follow its real time or are stored through safe, trustworthy and totally separate connection In the past, the exchange of information between devices or the contribution of monitors and controls require a number of accessories, leading to many problems and difficulties occur because each accessory needs its private driver Therefore, the unification of communication between them has become a universal concern OPC UA Project supported by leading corporation such as IBM, Apple and Nokia… have been established to meet the demand of technological innovation in the new ages These days, the invention on OPC UA in Vietnam has still been under limitation, and not enough to be applied in production SDKs installed under OPC US standard not only assist for study purpose, but also are sold to server industrial system This makes the criteria approach in our country much more difficult, and we indeed need profound study in OPC UA The main content of dissertation is divided into two main parts:  Defination of OPC UA and its specifications  Demo of SDKs and its application in specific system: environment information control system My dissertation is made with the enthusiasm support of A.Prof PhD Huynh Quyet Thang I truly thank for his kind assistance and advices, and hope to be received more suggestions to better my final year project Nguyễn Trí Dũng – 20060600 – Khóa 51 Lớp CNPM A iv LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy cô giáo trường đại học Bách Khoa Hà nội nói chung thầy giáo viện Công nghệ Thông tin, môn Công nghệ phần mềm nói riêng tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Huỳnh Quyết Thắng, thầy tận tình giúp đỡ, trực tiếp bảo hướng dẫn em trong suốt trình làm đồ án tốt nghiệp Trong thời gian làm việc với thầy, em khơng ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, điều cần thiết cho em trong trình học tập và công tác sau Đồng thời xin chân thành cảm ơn chị ThS.Nguyễn Thị Thanh Tú anh KS.Nguyễn Anh Tuấn cho em lời khuyên quý báu trình thực đồ án Cảm ơn thầy TS.Nguyễn Phan Kiên nhóm E-teamhq bên viện điện tử viễn thơng giúp em mặt phần cứng hệ thống Và xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè động viên, đóng góp ý kiến giúp đỡ khoảng thời gian vừa qua Hà Nội, tháng năm 2011 Nguyễn Trí Dũng Nguyễn Trí Dũng – 20060600 – Khóa 51 Lớp CNPM A v MỤC LỤC PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii LỜI CẢM ƠN .v MỤC LỤC .1 DANH MỤC CÁC HÌNH MINH HỌA DANH MỤC CÁC BẢNG PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP .8 1.1 Giới thiệu chung OPC UA 1.1.1 Các khái niệm 1.1.2 Vai trò OPC UA hệ thống 1.1.3 Các đặc tả OPC UA 10 1.1.4 Những lợi ích việc sử dụng OPC UA 11 1.2 Bài toán xây dựng SDK theo OPC UA 14 1.2.1 Lý đưa toán 14 1.2.2 Mô tả toán 14 1.2.3 Định hướng giải phạm vi đồ án .15 1.3 Hệ thống quan trắc môi trường 16 1.3.1 Ý tưởng hệ thống 16 1.3.2 Sơ đồ hệ thống 17 1.3.3 Vị trí OPC UA hệ thống 17 1.4 Kết chương 17 CHƯƠNG : XÂY DỰNG SDK THEO CHUẨN OPC 18 2.1 Tổng quan SDK .18 2.1.1 Kiến trúc chung ứng dụng theo OPC Foudation 18 2.1.2 Kiến trúc SDK 19 2.1.3 SDK công nghệ WCF 20 2.2 Xây dựng thành phần dùng chung server client 21 2.2.1 Sinh code tự động dựa đặc tả OPC Foudation 21 2.2.2 Sử dụng số hỗ trợ cung cấp OPC Foundation 21 2.2.3 Mở rộng kiểu liệu sinh công cụ sinh code 21 2.3 Xây dựng Server SDK 25 2.3.1 Kiến trúc chung server .25 2.3.2 Khởi tạo server 27 2.3.2.1 Kết nối mơ hình điểm cuối dịch vụ 27 2.3.2.2 Xây dựng điểm cuối dịch vụ 28 2.3.2.3 Các bước khởi tạo server .29 2.3.3 Modul quản lý phiên làm việc 30 Nguyễn Trí Dũng – 20060600 – Khóa 51 Lớp CNPM A 2.3.3.1 Thiết lập phiên làm việc 30 2.3.3.2 Đóng phiên làm việc .32 2.3.4 Modul quản lý không gian địa 33 2.3.4.1 Mơ hình khơng gian địa 33 2.3.4.2 Mơ hình quản lý server 33 2.3.4.3 Các xử lý server để đáp ứng client 35 2.3.5 Modul quản lý đăng ký theo dõi liệu 39 2.3.5.1 Mơ hình quản lý đăng ký theo dõi liệu 39 2.3.5.2 Các xử lý server để đáp ứng client 40 2.4 Xây dựng Client SDK 46 2.5 Demo kiểm tra chức SDK 47 2.5.1 TestServer 47 2.5.2 TestClient 48 Chương 3: Ứng dụng quan trắc môi trường …………………………… 52 3.1 Tổng quan hệ thống 52 3.2 Vai trò OPC UA hệ thống 53 3.3 Giới thiệu hệ thống phần cứng 53 3.3.1 Các cảm biến 53 3.3.2 Vi điều khiển sim 54 3.3.3 Mạch thiết kế rút gọn hệ thống 54 3.4 Phân tích thiết kế phần mềm 54 3.4.1 Phân tích hệ thống chức 54 3.4.2 Thiết kế sở liệu .55 3.4.3 Thiết kế giao diện người dùng 57 3.4.4 Giao tiếp với thiết bị phần cứng .58 3.4.5 Sử dụng SDK để triển khai hệ thống 58 3.5 Ghép nối hệ thống kết thu .60 3.6 Đánh giá hệ thống khả mở rộng 62 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………70 Nguyễn Trí Dũng – 20060600 – Khóa 51 Lớp CNPM A DANH MỤC CÁC HÌNH MINH HỌA Hình 1.1: Ví dụ trình điều khiển máy in Hình 1.2: Vai trò chuẩn OPC[OPC Foundation Website] Hình 1.3 : Các đặc tả OPC Foundation [OPC Foundation Website] 10 Hình 1.4: UA thay DA, AE HAD [OPC Foundation Website] 11 Hình 1.5: OPC UA - đảm bảo chất lượng [OPC Foundation Website] 11 Hình 1.6: Vượt qua internet tưởng lửa [OPC Foundation Website] 12 Hình 1.7: Ví dụ mơ hình thơng tin chung [OPC Foundation Website] 12 Hình 1.8: UA giấy chứng thực [OPC Foundation Website] 12 Hình 1.9: Từ phần mềm nhúng đến hệ thống [OPC Foundation Website] .13 Hình 1.10: Mac, Windows hay Linux [OPC Foundation Website] 13 Hình 1.11: SOAP/XML hay UA Binary [OPC Foundation Website] 13 Hình 1.12: UA SDK - giải pháp tiết kiệm chi phí [OPC Foundation Website] 13 Hình 1.13: Kiến trúc hệ thống OPC UA [Unified Architecture Book] 14 Hình 1.14: Hệ thống quan trắc môi trường .17 Hình 2.1: Sơ đồ kiến trúc ứng dụng OPC UA chuẩn 18 Hình 2.2:Sơ đồ hệ thống gồm server client 19 Hình 2.3:Kiến trúc chung SDK 20 Hình 2.4: Lớp NodeId .22 Hình 2.5: Lớp ExpandedNodeId .22 Hình 2.6: Lớp ExtensionObject 23 Hình 2.7:Lớp Variant 23 Hình 2.8: Lớp DataValue 24 Hình 2.9: Lớp StatusCode .24 Hình 2.10: Kiến trúc chung server SDK 25 Hình 2.11: Điểm cuối WCF 27 Hình 2.12: Kết nối UA client UA server[Unified Architecture Book] 28 Hình 2.13: Các bước tạo điểm cuối dịch vụ 29 Hình 2.14: Các bước khởi tạo server 30 Hình 2.15: Khởi tạo phiên làm việc 30 Hình 2.16: SessionManager 31 Hình 2.17:Giao diện ISercurityHelper 32 Hình 2.18: Ví dụ khả mơ hình thơng tin[Unified Architecture Book] 33 Hình 2.19: INodeManager đối tượng quản lý không gian địa .34 Hình 2.20: Biểu đồ hoạt động - client gửi yêu cầu truy vấn 35 Hình 2.21:Biểu đồ hoạt động dịch vụ duyệt không gian nút 36 Hình 2.22:Biểu đồ hoạt động dịch vụ đọc giá trị thuộc tính 37 Hình 2.23:Biểu đồ hoạt động dịch vụ tạo nút 38 Hình 2.24: Tổng quan quản lý đăng ký[Unified Architecture Book] 39 Hình 2.25:Mơ hình quản lý đăng ký theo dõi liệu .39 Hình 2.26: Biểu đồ hoạt động dịch vụ CreateSubscription 41 Hình 2.27:Sơ đồ hoạt động dịch vụ thêm phần tử theo dõi 42 Hình 2.28: Mơ hình lấy mẫu liệu [Unified Architecture Book] 43 Hình 2.29:Mơ hình phân phối thơng báo 44 Hình 2.30: Sơ đồ chức lấy thông báo 45 Nguyễn Trí Dũng – 20060600 – Khóa 51 Lớp CNPM A Hình 2.31: Xử lý để lấy yêu cầu hàng đợi 46 Hình 2.32:Kiến trúc client SDK 47 Hình 2.33: Ứng dụng TestServer 48 Hình 2.34:Giao diện TestClient .49 Hình 2.35:Testclient – chức hiển thị sơ đồ 50 Hình 2.36:TestClient - chức xem thuộc tính 51 Hình 2.37:TestClient- chức theo dõi giá trị thay đổi 51 Hình 3.1:Sơ đồ khối hệ thống quan trắc môi trường 52 Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống sử dụng OPC UA 53 Hình 3.3: Cơ sở liệu hệ thống quan trắc 57 Hình 3.4: Thiết kế giao diện client 57 Hình 3.5:Mơ hình giao tiếp qua TCP/IP 58 Hình 3.6:Mơ hình thơng tin thiết bị 59 Hình 3.7:Main hệ thống 60 Hình 3.8:Ghép nối phần cứng 61 Hình 3.9:Giao diện phần mềm 61 Nguyễn Trí Dũng – 20060600 – Khóa 51 Lớp CNPM A DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1:Các tham số dịch vụ duyệt không gian nút 35 Bảng 2:Các tham số dịch vụ đọc giá trị thuộc tính 36 Bảng 3:Các tham số dịch vụ thêm nút 37 Bảng 4:Các tham số dịch vụ tạo phần tử theo dõi 40 Bảng 5:Các tham số dịch vụ tạo phần tử theo dõi 42 Bảng 6:Các tham số yêu cầu gửi thông báo .44 Bảng 7: Giá trị tham số cho dịch vụ Browse TestClient .49 Bảng 8:Giá trị tham số cho dịch vụ Read TestClient 51 Bảng 9: Chức server quan trắc 54 Bảng 10: Giá trị tham số cho dịch vụ Browse client hệ thống quan trắc 59 Bảng 11: Giá trị tham số cho dịch vụ Read client hệ thống quan trắc 60 Nguyễn Trí Dũng – 20060600 – Khóa 51 Lớp CNPM A