【实时Linux实战系列】实时 Linux 在边缘计算网关中的应用

背景与重要性

随着物联网（IoT）和工业4.0的快速发展，边缘计算网关在工业自动化和智能制造中扮演着越来越重要的角色。边缘计算网关是连接工业现场设备与云端的桥梁，它需要处理来自工业现场的实时数据流，同时与云端进行非实时通信。实时性是工业自动化系统的核心需求之一，例如在机器人控制、自动化生产线等场景中，任何微小的延迟都可能导致生产事故或产品质量下降。实时Linux操作系统因其出色的实时性能和强大的内核稳定性，成为边缘计算网关的理想选择。

应用场景

实时Linux在边缘计算网关中的应用场景非常广泛，包括但不限于以下几种：

工业自动化生产线：实时Linux可以处理来自PLC（可编程逻辑控制器）、机器人等设备的实时数据，确保生产过程的精确控制。
智能工厂：实时Linux可以作为边缘计算节点，处理来自传感器网络的数据，实现设备的实时监控和故障诊断。
能源管理系统：实时Linux可以实时监控电力设备的运行状态，优化能源分配，提高能源利用效率。

重要性和价值

对于开发者来说，掌握实时Linux在边缘计算网关中的应用技能具有重要的价值。这不仅可以帮助开发者在工业自动化领域找到更多的就业机会，还可以提升他们在嵌入式系统开发中的竞争力。此外，实时Linux的开源特性使得开发者可以自由地定制和优化系统，以满足特定的项目需求。

核心概念

实时任务的特性

实时任务是指对时间敏感的任务，必须在规定的时间内完成。实时任务的特性包括：

确定性：任务必须在预定的时间内完成，不能出现延迟。
周期性：任务通常以固定的时间间隔重复执行。
优先级：实时任务通常根据优先级进行调度，高优先级的任务优先执行。

使用的工具

在开发实时Linux应用时，常用的工具包括：

Linux内核：实时Linux操作系统的核心，提供实时任务调度和资源管理。
实时补丁（RT Patch）：用于增强Linux内核的实时性能，提供更严格的实时任务调度机制。
开发工具：如GCC（GNU编译器集合）、GDB（GNU调试器）等，用于开发和调试实时Linux应用。

环境准备

软硬件环境

为了进行实时Linux在边缘计算网关中的应用开发，需要准备以下软硬件环境：

硬件环境：
- 开发板：如NVIDIA Jetson Nano、Raspberry Pi 4等，具有足够的计算能力和网络接口。
- 网络设备：如以太网交换机、Modbus转USB适配器等，用于连接工业现场设备。
软件环境：
- 操作系统：Ubuntu 20.04 LTS（长期支持版本）。
- 开发工具：GCC 9.3.0、GDB 9.2。
- 实时补丁：PREEMPT_RT补丁。

环境安装与配置

安装Ubuntu 20.04 LTS
- 下载Ubuntu 20.04 LTS的ISO文件，并使用Rufus等工具制作启动U盘。
- 启动开发板，从U盘启动并安装Ubuntu 20.04 LTS。
- 安装完成后，更新系统：
复制代码
```
  sudo apt update
  sudo apt upgrade -y
```

安装开发工具
- 安装GCC和GDB：
复制代码
```
  sudo apt install build-essential gdb -y
```
安装实时补丁
- 下载PREEMPT_RT补丁：
  
  bash

复制

复制代码

wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/5.4/patch-5.4.83-rt47.patch.xz

解压补丁文件：

bash
复制
复制代码
```
unxz patch-5.4.83-rt47.patch.xz
```
下载Linux内核源码：

bash

复制

复制代码

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.83.tar.xz
tar -xvf linux-5.4.83.tar.xz

应用补丁：

复制代码

cd linux-5.4.83
patch -p1 < ../patch-5.4.83-rt47.patch

配置内核：
复制代码
```
make menuconfig
```
在配置菜单中，选择"PREEMPT_RT Patch"选项，启用实时补丁。
编译内核：

复制代码

  make -j4
  sudo make modules_install install

重启系统，使用新编译的内核启动

实际案例与步骤

案例研究：实时Linux在边缘计算网关中的应用

本案例将展示如何使用实时Linux作为边缘计算网关的操作系统，处理来自工业现场的Modbus和EtherCAT数据流，同时与云端进行非实时通信。

步骤1：配置Modbus通信

安装Modbus工具
- 安装Modbus工具：
复制代码
```
  sudo apt install libmodbus-dev -y
```

编写Modbus客户端代码
- 创建一个Modbus客户端程序，用于从Modbus设备读取数据：

复制代码

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <modbus/modbus.h>

  int main() {
      modbus_t *mb;
      uint16_t tab_reg[64];
      int rc;

      mb = modbus_new_tcp("192.168.1.100", 502); // 替换为Modbus设备的IP地址和端口
      if (mb == NULL) {
          fprintf(stderr, "Unable to create the libmodbus context\n");
          return -1;
      }

      modbus_set_debug(mb, TRUE);

      if (modbus_connect(mb) == -1) {
          fprintf(stderr, "Connection failed: %s\n", modbus_strerror(errno));
          modbus_free(mb);
          return -1;
      }

      rc = modbus_read_registers(mb, 0, 64, tab_reg);
      if (rc == -1) {
          fprintf(stderr, "Failed to read register: %s\n", modbus_strerror(errno));
          modbus_close(mb);
          modbus_free(mb);
          return -1;
      }

      for (int i = 0; i < rc; i++) {
          printf("reg[%d]=%d (0x%X)\n", i, tab_reg[i], tab_reg[i]);
      }

      modbus_close(mb);
      modbus_free(mb);
      return 0;
  }

编译代码：

复制代码

  gcc -o modbus_client modbus_client.c -lmodbus

运行Modbus客户端
- 运行客户端程序：
复制代码
```
  ./modbus_client
```

步骤2：配置EtherCAT通信

安装EtherCAT工具
- 安装EtherCAT工具：
复制代码
```
  sudo apt install ethercat -y
```

编写EtherCAT客户端代码

创建一个EtherCAT客户端程序，用于从EtherCAT设备读取数据：

复制代码

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <ethercat.h>

  int main() {
      ec_master_t *master;
      ec_slave_t *slave;
      uint16_t data;

      master = ec_master_init();
      if (!master) {
          fprintf(stderr, "Failed to initialize EtherCAT master\n");
          return -1;
      }

      if (ec_master_open(master)) {
          fprintf(stderr, "Failed to open EtherCAT master\n");
          ec_master_destroy(master);
          return -1;
      }

      slave = ec_master_slave_get(master, 1); // 替换为EtherCAT设备的从站号
      if (!slave) {
          fprintf(stderr, "Failed to get EtherCAT slave\n");
          ec_master_close(master);
          ec_master_destroy(master);
          return -1;
      }

      if (ec_master_receive(master)) {
          fprintf(stderr, "Failed to receive EtherCAT data\n");
          ec_master_close(master);
          ec_master_destroy(master);
          return -1;
      }

      data = ec_slave_read(slave, 0x1000, 2); // 替换为EtherCAT设备的

寄存器地址和长度 printf("EtherCAT data: 0x%X\n", data);

复制代码

     ec_master_close(master);
     ec_master_destroy(master);
     return 0;
 }
 ```

编译代码：

复制代码

  gcc -o ethercat_client ethercat_client.c -lethercat

运行EtherCAT客户端
- 运行客户端程序：
复制代码
```
  ./ethercat_client
```

步骤3：与云端进行非实时通信

安装MQTT客户端
- 安装MQTT客户端：
复制代码
```
  sudo apt install mosquitto-clients -y
```

编写MQTT客户端代码
- 创建一个MQTT客户端程序，用于将数据发送到云端：

复制代码

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <mosquitto.h>

  void on_connect(struct mosquitto *mosq, void *obj, int reason_code) {
      if (reason_code != 0) {
          fprintf(stderr, "Failed to connect to MQTT broker\n");
          exit(-1);
      }
  }

  void on_publish(struct mosquitto *mosq, void *obj, int mid) {
      printf("Message published\n");
  }

  int main() {
      struct mosquitto *mosq;
      int ret;

      mosquitto_lib_init();
      mosq = mosquitto_new(NULL, true, NULL);
      if (!mosq) {
          fprintf(stderr, "Failed to create MQTT client\n");
          return -1;
      }

      mosquitto_connect_callback_set(mosq, on_connect);
      mosquitto_publish_callback_set(mosq, on_publish);

      ret = mosquitto_connect(mosq, "mqtt.example.com", 1883, 60); // 替换为MQTT服务器的地址和端口
      if (ret != MOSQ_ERR_SUCCESS) {
          fprintf(stderr, "Failed to connect to MQTT broker\n");
          mosquitto_destroy(mosq);
          return -1;
      }

      char payload[100] = "Hello, Cloud!";
      ret = mosquitto_publish(mosq, NULL, "test/topic", strlen(payload), payload, 0, false);
      if (ret != MOSQ_ERR_SUCCESS) {
          fprintf(stderr, "Failed to publish message\n");
          mosquitto_destroy(mosq);
          return -1;
      }

      mosquitto_destroy(mosq);
      mosquitto_lib_cleanup();
      return 0;
  }

编译代码：

复制代码

  gcc -o mqtt_client mqtt_client.c -lmosquitto

运行MQTT客户端
- 运行客户端程序：
复制代码
```
  ./mqtt_client
```

常见问题与解答

问题1：Modbus客户端无法连接到设备

原因：可能是Modbus设备的IP地址或端口配置错误，或者网络连接问题。 解决方法：

检查Modbus设备的IP地址和端口是否正确。
确保网络连接正常，可以使用ping命令测试网络连通性。

问题2：EtherCAT客户端无法读取数据

原因：可能是EtherCAT设备的从站号或寄存器地址配置错误。 解决方法：

检查EtherCAT设备的从站号和寄存器地址是否正确。
确保EtherCAT设备已正确连接到网络。

问题3：MQTT客户端无法连接到服务器

原因：可能是MQTT服务器的地址或端口配置错误，或者网络连接问题。 解决方法：

检查MQTT服务器的地址和端口是否正确。
确保网络连接正常，可以使用ping命令测试网络连通性。

实践建议与最佳实践

调试技巧

使用GDB调试：在开发过程中，可以使用GDB对程序进行调试。例如：

复制代码

  gdb ./modbus_client

在GDB中，可以设置断点、查看变量值等。

查看日志 ：实时Linux系统会生成详细的日志信息，可以通过dmesg命令查看内核日志。

性能优化

实时任务优先级：在实时Linux中，合理设置实时任务的优先级可以提高系统的实时性能。例如：

复制代码

  struct sched_param param;
  param.sched_priority = 10; // 设置优先级为10
  sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, &param);

减少上下文切换：尽量减少实时任务之间的上下文切换，可以通过减少任务数量或优化任务调度策略来实现。

常见错误解决方案

内存泄漏 ：在开发过程中，要注意避免内存泄漏。可以使用valgrind工具检测内存泄漏：

复制代码

  valgrind ./modbus_client

死锁问题：在多线程环境下，要注意避免死锁问题。可以通过合理设计线程同步机制来解决。

总结与应用场景

要点回顾

本文介绍了实时Linux在边缘计算网关中的应用，包括配置Modbus和EtherCAT通信以及与云端进行非实时通信的步骤。通过实际案例，展示了如何使用实时Linux处理工业现场的实时数据流，并将数据发送到云端。

实战必要性

实时Linux在边缘计算网关中的应用具有重要的实战价值。它不仅可以满足工业自动化系统对实时性的严格要求，还可以通过与云端的通信实现设备的远程监控和数据分析。

应用场景

实时Linux在边缘计算网关中的应用场景非常广泛，包括工业自动化生产线、智能工厂和能源管理系统等。开发者可以将所学知识应用到真实项目中，提升系统的实时性能和可靠性。

【实时Linux实战系列】实时 Linux 在边缘计算网关中的应用

背景与重要性

应用场景

重要性和价值

核心概念

实时任务的特性

相关协议

使用的工具

环境准备

软硬件环境

环境安装与配置

实际案例与步骤

案例研究：实时Linux在边缘计算网关中的应用

步骤1：配置Modbus通信

步骤2：配置EtherCAT通信

步骤3：与云端进行非实时通信

常见问题与解答

问题1：Modbus客户端无法连接到设备

问题2：EtherCAT客户端无法读取数据

问题3：MQTT客户端无法连接到服务器

实践建议与最佳实践

调试技巧

性能优化

常见错误解决方案

总结与应用场景

要点回顾

实战必要性

应用场景