国产OS移植工业物联网OPC-UA协议

国家对于工业互联网、基础软件等关键领域的重视程度不断提升，为工业领域的硬件与软件国产化提供了坚实的政策保障。国产操作系统对工业物联网的一些重要领域的适配支持一直在推进。本次通过国产UOS系统移植测试OPC-UA协议。

1、OPC UA通信协议

OPC UA 协议，即 OPC Unified Architecture，是 OPC 基金会为满足工业自动化领域需求而开发的一种通信协议123。以下是对该协议的具体介绍：

特点

平台独立性：不依赖特定的操作系统或硬件，可在 Windows、Linux、macOS 等多种系统上运行，支持跨平台的数据交换。
面向服务的架构：采用 SOA 原则，将通信任务分解为读取、写入、订阅、浏览、方法调用等多项服务，具有高度的灵活性和可扩展性。
强大的安全功能：内置身份验证、加密、数据完整性检查和访问控制等安全功能，确保数据在传输过程中的机密性、完整性和可用性，满足工业自动化领域对安全性的严格要求。
信息建模：定义了一个抽象的信息模型，允许用户自定义数据类型和对象模型，能够处理各种复杂的工业数据，满足工业自动化系统中多样化的数据需求。
传输层独立性：支持 TCP/IP、WebSockets 等多种传输层协议，可适应不同的网络环境和应用需求。

主要应用领域

工业自动化领域：
- 设备集成与互操作：使得不同厂商生产的设备，如 PLC、传感器、工业机器人、控制系统等可以无缝集成和相互协作，提高生产效率和灵活性1。
- 数据采集和监控：方便地从不同设备和系统中收集数据，并进行实时监控和分析，有助于工业过程的优化和问题排查。
- 云平台连接：工业设备可以通过 OPC UA 与云平台进行连接，实现远程监控、管理、诊断和维护，同时为数据分析提供更多可能性。
能源领域：广泛应用于智能电网、智能电表等能源管理设备中，实现与其他系统的数据交换和远程控制，提高能源管理的效率和可靠性，实时采集能源消耗数据，进行能源分析和优化，降低能源成本。
楼宇自动化领域：可将空调系统、照明系统、安防系统等楼宇自动化设备与其他楼宇管理系统进行集成，实现智能化的楼宇管理，如对设备的远程控制、状态监测和能源管理等。
智能制造领域：作为工业物联网的关键技术之一，OPC UA 能够实现设备之间的互联互通和数据共享，为智能制造提供数据基础，通过对大量设备数据的分析和挖掘，可以实现生产过程的优化、预测性维护等智能化应用。

2、OPC UA技术特性

在过去，不同厂商生产的设备使用不同的通信协议，导致设备之间难以互相沟通。这给工业自动化带来了许多挑战，比如数据集成困难、系统复杂等。OPC UA应运而生，解决了这些问题，带来了许多好处：

**1. 开放性：**OPC UA是一种开放的技术标准，可以应用于不同的设备和系统。无论是传感器、控制器还是各种工业设备，只要支持OPC UA，它们就可以相互通信，实现无缝集成。

**2. 统一架构：**OPC UA提供了一种统一的架构和数据模型，使得不同设备的数据能够以统一的方式进行表示和交换。这样一来，设备之间的数据传输变得更加简单和可靠。

**3. 跨平台和跨语言：**OPC UA支持多种操作系统和编程语言。无论是Windows、Linux还是嵌入式系统，无论是C++、Java还是Python，都可以使用OPC UA进行通信，降低了集成的复杂性。

OPC UA的工作原理

OPC UA采用了现代化的网络通信技术，基于Web服务和互联网技术的基础之上。它使用了一种称为"面向对象"的方式来描述设备和系统之间的通信。

在OPC UA中，每个设备和系统都被抽象为一个对象，这些对象有自己的属性、方法和事件。通过读取和写入对象的属性，调用对象的方法，以及监听对象的事件，设备和系统可以进行数据交换和控制操作。

此外，OPC UA还提供了多种传输方式，如TCP/IP、HTTPS等，可以根据实际情况选择最适合的传输方式。同时，OPC UA还提供了安全机制，确保通信的安全性和可靠性。

opc连接过程

OPC UA 连接建立过程：

建立连接

客户端创建socket之后，发送Hello报文，其中包括客户端支持的buffer大小。服务器接收报文后返回Acknowledge报文完成buffer大小协商。协商好的buffer大小会上报给SecureChannel层，其中SendBufferSize字段指定在此连接上发送的MessageChunk的最大长度。

Hello/Acknowledge报文一般只能发送一次，若对端再一次接收到该报文会报错并关闭socket。如果socket创建之后，服务器很长一段时间（可配，不超过2分钟）内没有接收到Hello报文会主动关闭socket。

客户端接收到Acknowledge报文后，紧接着会发送OpenSecureChannel请求报文，服务器若接受该channel会将该socket和一个SecureChannelId关联，后续服务器发送应答报文时会根据SecureChannelId决定使用哪个socket发送。客户端接收到OpenSecureChannel应答报文后也会做相同的操作。

连接断开

客户端首先发送CloseSession请求报文准备关闭连接，服务器收到后，会回复一个CloseSessionResponse报文。

客户端发送CloseSecureChannel请求报文主动关闭连接，服务器接收该报文后会释放该channel相关的所有资源，但不会发送CloseSecureChannel应答报文。

3、open62541概述

open62541（http://open62541.org）是一个开源的免费实现OPC UA（OPC统一架构），用C99和C ++ 98语言的通用子集编写。该库可与所有主要编译器一起使用，并提供实现专用OPC UA客户端和服务器的必要工具，或将基于OPC UA的通信集成到现有应用程序中。open62541库与平台无关。所有特定于平台的功能都是通过可交换的插件实现的。为主要操作系统提供了插件实现。

open62541功能

open62541实现了OPC UA二进制协议栈以及客户端和服务器SDK。它目前支持Micro Embedded Device Server Profile以及一些其他功能。服务器二进制文件的大小可能低于100kb，具体取决于所包含的信息模型。

通讯栈

OPC UA二进制协议

分块（分割大信息）

可交换网络层（插件），用于使用自定义网络API（例如，在嵌入式目标上）

加密通信

客户端中的异步服务请求

信息模型

支持所有OPC UA节点类型（包括方法节点）

支持在运行时添加和删除节点和引用。

支持对象和变量类型的继承和实例化（自定义构造函数/析构函数，子节点的实例化）

单个节点的访问控制

支持订阅/监视项目以获取数据更改通知

每个受监视值的资源消耗非常低（基于事件的服务器体系结构）

代码生成

支持从标准XML定义生成数据类型

支持从标准XML定义生成服务器端信息模型（节点集）

4、open62541移植

源码下载

https://www.open62541.org

https://github.com/open62541

编译与安装open625412

安装编译工具及相关依赖包:

sudo apt-get install git build-essential gcc pkg-config cmake python

# enable additional features
sudo apt-get install cmake-curses-gui # for the ccmake graphical interface
sudo apt-get install libmbedtls-dev # for encryption support
sudo apt-get install check libsubunit-dev # for unit tests
sudo apt-get install python-sphinx graphviz # for documentation generation
sudo apt-get install python-sphinx-rtd-theme # documentation style

进入源码目录，创建build目录，通过cmake及make进行编译：

cd open62541
mkdir build
cd build
cmake ..
make

配置源码需要的功能包（需选择动态库与测试例程）：

# select additional features
ccmake ..
make

# build documentation
make doc # html documentation
make doc_pdf # pdf documentation (requires LaTeX)

需选择动态库与测试例程:

安装:

sudo make install

5、简单测试例程

测试平台：x86平台、国产UOS v20桌面操作系统

测试程序编译时需要独立的open62541.c、 open62541.h文件进行编译，可在下述网址下载http://open62541.org。

服务端程序

#include <open62541/plugin/log_stdout.h>
#include <open62541/server.h>
#include <open62541/server_config_default.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
static volatile UA_Boolean running = true;
static void stopHandler(int sig) {
UA_LOG_INFO(UA_Log_Stdout, UA_LOGCATEGORY_USERLAND, "received ctrl-c");
running = false;
}
int main(void) {
signal(SIGINT, stopHandler);
signal(SIGTERM, stopHandler);
UA_Server *server = UA_Server_new();
UA_ServerConfig_setDefault(UA_Server_getConfig(server));
UA_StatusCode retval = UA_Server_run(server, &running);
UA_Server_delete(server);
return retval == UA_STATUSCODE_GOOD ? EXIT_SUCCESS : EXIT_FAILURE;
}

源程序目录需要包括测试程序与open62541.c、 open62541.h文件，通过下述命令一起编译。

$ gcc -std=c99 open62541.c myServer.c -o myServer

客户端程序

#include <open62541/client_config_default.h>
#include <open62541/client_highlevel.h>
#include <open62541/plugin/log_stdout.h>

int main(void) {
UA_Client *client = UA_Client_new();
UA_ClientConfig_setDefault(UA_Client_getConfig(client));
UA_StatusCode retval = UA_Client_connect(client, "opc.tcp://localhost:4840");
if(retval != UA_STATUSCODE_GOOD) {
UA_LOG_INFO(UA_Log_Stdout, UA_LOGCATEGORY_USERLAND,
"The connection failed with status code %s",
UA_StatusCode_name(retval));
UA_Client_delete(client);
return 0;
}

UA_Variant value;
UA_Variant_init(&value);

const UA_NodeId nodeId =
UA_NODEID_NUMERIC(0, UA_NS0ID_SERVER_SERVERSTATUS_CURRENTTIME);

retval = UA_Client_readValueAttribute(client, nodeId, &value);

if(retval == UA_STATUSCODE_GOOD &&

UA_Variant_hasScalarType(&value, &UA_TYPES[UA_TYPES_DATETIME])) {
UA_DateTime raw_date = *(UA_DateTime *) value.data;
UA_DateTimeStruct dts = UA_DateTime_toStruct(raw_date);
UA_LOG_INFO(UA_Log_Stdout, UA_LOGCATEGORY_USERLAND,
"date is: %u-%u-%u %u:%u:%u.%03u",
dts.day, dts.month, dts.year, dts.hour,
dts.min, dts.sec, dts.milliSec);

} else {
UA_LOG_INFO(UA_Log_Stdout, UA_LOGCATEGORY_USERLAND,
"Reading the value failed with status code %s",
UA_StatusCode_name(retval));
}
UA_Variant_clear(&value);
UA_Client_delete(client);
return 0;
}