基于网络远程通用监控系统设计与实现.pdf

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1、计算机工程与应用!#$%引言监控系统的网络化是监控系统今后发展的主要目标之一，它是随着以互联网为代表的信息技术的广泛应用而发展起来的。通过互连网络对分散在不同地点的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能&%。随着监控系统规模不断扩大、监控设备日益复杂，利用互连网络对分散在不同地点的运行设备实施集中监控和管理，并建立较通用的远程监控系统，越来越受到人们的关注。文章讨论了一个基于互联网络的远程电源监控系统的设计与实现技术，并就系统实现的关键技术，即总体结构设计和设备协议编辑代理等进行详细的论述。该系统不仅实现了对分散在远地电源设备的集中监控和管理

2、，而且可以根据不同类型的设备，动态编辑设备协议，以达到系统通用性目的。!总体结构!#%总体设计总体结构的设计是实现系统通用性的关键一步。在总体结构设计中引入现有的结构较复杂的电源设备控制系统，实现对其收集的电源设备参数和状态信息的实时监控，并完成对电源设备参数的设置功能。整个系统主要由数据库服务器、前置机、监控台三部分构成。总体结构如图%所示。图%总体结构探讨远程监控，首先考虑远程设备接入技术，即如何与现场设备控制系统进行通讯。设备控制系统种类繁多，不同厂家都有自己的控制方式，而且以前出厂没有联网能力的设备仍然在大量使用。针对这种情况可采用：对现场设备进行接口改造，通过()机完成对现场信息的提

3、取以及对设备的控制，然后通过()机联网进行通讯；许多设备带有*+,!-!接口或其他串并行接口，将这些接口和()机连接，实现设备的联网。同大多数设备控制系统一样，该监控系统引入的电源设备控制系统也没有联网能力，需要增加一()机（前置机）作为和网络连接的基于网络远程通用监控系统设计与实现张欣%王兵!徐建民!%（河北大学电子信息工程学院，保定.%!）!（河北大学数学与计算机学院，保定.%!）/,0123：4566%!7819:#;:0#;?(协议文章编号%!,$-%,（!）$,!-,-文献标识码中图分类号=(-A%!#$%&()*+,*&-$.&./-0 1*.-2&3,4+53+.#6.&$-.3

4、$&%&(7.&-3.,89#-*.&)&-3&-:0&%;$&$&%?;5$&*$&?%（=9B):33BCB:D/3B;EF:2;1G?D:F01E2:/C2BBF2C，HB5B2 I2JBFK2E8，L1:G2C.%!）!（=9B):33BCB:D M1E9B01E2;K 1G):0NOEBF，HB5B2 I2JBFK2E8，L1:G2C.%!）AB#-3C-：P2E9 E9B K;13B,ON 1G BQO2N0BE;:0N3BR2E8:D 0:2E:F2C 1G;:EF:3 K8KEB0 2;FB1K2C，2E 2K C2JB 0:FB1G 0:FB 1EEBE2:E:0:2E:F，

5、;:EF:3 1G 011CB E9B GB;BEF132SBG BQO2N0BE:?EBFBE，1G GBK2C E9B CBBF13,NOFTN:KB 0:2E:F2C 1G;:EF:3 K8KEB0#?E9B N1NBF，GBK2C 1G 20N3B0BE1E2:D 1 FB0:EB CBBF13,NOFN:KB 0:2E:F2C 1G;:EF:3 K8KEB0:2EBFBE 2K G2K;OKKBG，1G 2EK UB8 20N3B0BE2C EB;92QOBK 1FB C2JB，KO;9 1K E9B KEFO;EOFB，BQO2N0BENF:E:;:3 1CBE 1G K:#D9E

6、.3(#：*B0:EB 0:2E:F2C 1G;:EF:3，/QO2N0BE NF:E:;:3;:0N231E2:1CB?(NF:E:;:3作者简介：张欣，讲师，主要从事计算机网络及应用、系统结构等方面的研究。王兵，实验师，主要从事并行处理、计算机网络及应用方面的研究。徐建民，教授，主要从事并行处理、工程数据库、软件工程方面的研究。!-!#$计算机工程与应用中介。系统中设置本地数据库服务器，将前置机采集的所有设备参数集中保存在数据库中，既可实现设备集中监控、集中维护和集中管理，也可以使监控系统与管理系统紧密结合起来，实现监控过程中实时信息与管理信息的集成，为管理决策层提供决策依据。!#!数据流

7、程该系统属于分布式客户%服务器体系结构的应用软件网络系统，系统功能分为四部分：实时数据采集、设备调控、状态查询和设备协议编辑代理。监控系统中的数据流程如图!所示。图!数据流（&）数据库服务器负责数据库的管理和维护。数据库服务器接收由各个前置机发送来的实时数据（告警、非告警数据）以及由监控台发送来的设备协议编辑结果，同时数据库中的实时数据和历史数据送往监控台，由监控台实现数据的查询、显示和图形的绘制。（!）监控台除了查询和显示从数据库得到的实时数据和历史数外，还负责编辑设备协议，以及向前置机发送设备调控命令。依设备参数类型不同，自行编辑相应设备协议和数据结构，根据增减设备的实际情况制定界面，是使

8、系统达到通用性的关键技术之一。同时，由监控台直接向前置机发送调控命令，无须经过服务器，这样既可以减少网络的通信量，又降低了程序的复杂性。（）前置机主要完成两项工作：其一是从设备控制系统采集实时数据，同时发送给远程的数据库服务器。其二是从监控台得到对设备的调控命令，将命令传送到设备控制系统上，对设备进行调控。解决监控台向设备发送调控命令问题有两种方法可以选择，第一种方法是通过监控台先把调控命令写入数据库中，再由前置机读取数据库中的调控命令，将调控命令发送给设备控制系统，实现对设备的调控。第二种方法是监控台直接通过前置机向设备发送调控命令，不经过数据库服务器。由于采用第一种方法增加了网络的数据通信

9、量，同时考虑到监控系统中监控台和前置机均支持()*%+*协议，而在()*%+*网络中主要的进程间通信模型是客户机%服务器模型（,-./01%2/34/3 5678/-），96,:/1就是面向这种模型设计的，针对客户机和服务器分别提供不同的系统调用，使网络客户机和服务器通过96,:/1实现网络之间的连接和数据交换，因此，系统采用了第二种方法。监控台与前置机的模型是客户%服务器模型，监控台是客户机，前置机是服务器，选用96,:/1两种主要类型（913/;5 96,:8/12和）监控台根据同样的设备协议编辑结果分解数据包为独立的参数；（?）按要求设定设备参数，并组装成调控命令包，发给指定的前置机；（

10、）前置机接收调控命令包，依设备协议编辑结果，分解为设备可接受命令，对设备进行调控。命令数据的交换可通过在前置机设置两个缓冲区文件实现。一个文件存放缓冲区的头、尾指针和缓冲区长度；另一个文件存放具体的数据包。读取缓冲区数据包时，按头指针指向的记录读，读后修改指针；向缓冲区写入数据包时，在尾指针指向的记录写，写后修改指针。通过文件缓冲区屏蔽监控系统语言设计环境和设备控制系统语言设计环境的差异，使监控系统平台可以达到通用性的目的。在系统的设计中，把数据采集、设备控制、数据查询和图形绘制等功能分散到不同的部件上，平衡系统的负载，提高系统的运行效率。同时采用网络数据库集中存储数据的方案，极大地方便了远程

11、数据的查询和对设备集中监控和管理，使被控设备不受地点、距离、分散程度的限制。设备协议编辑代理设备协议和数据结构编辑代理功能是使监控系统具备通用性的又一关键技术。#&设备协议为了增强监控系统的通用性，除了从总体结构设计上着手，还应考虑设备本身的参数、状态、控制信号等数据结构的复杂性和多样性，即系统具有动态地添加、删除设备，并依具体设备数据结构的不同动态编辑设备通信协议和数据结构的能力。为了达到此目的，在数据库服务器中保存着设备协议表，当增减前置机时，自动增减设备协议表；当增减设备时，在设备协议表中增减相应设备的记录信息。此项操作由监控台的设备协议编辑代理子系统实现，协议编辑的结果作为命令调控和状

12、态查询的依据。图给出了几个设备协议及数据结构。设备协议体系结构由前置机信息、设备信息、设备协议链表、数据结构链表和数据结构类型五个层次构成。前置机信息和设备信息用于描述每个前置机及其所连接的所有设备信息，其中，通过图标和显示坐标两项模拟显示前置机和设备的物理位置，达到界面形象化设计目的。每一设备可含有若干种数据结构，每一个数据结构包含多种数据结构类型，图中给出三种类型，即标准数据结构类型、比特数据结构类型、数值数据结构!计算机工程与应用!#$类型，根据设备参数类型的要求，可增加新的类型。图%设备协议设备协议链表在新添加前置机时创建，描述前置机下可连接的设备种类，包括设类型、设备名、以及设备拥有

13、的数据结构个数。数据结构链表用来描述设备的具体数据结构，其中数据结构类型项描述设备的参数类型，该文给出标准数据结构、比特数据结构和数值数据结构三种基本类型，通过基本类型可嵌套构造出复杂的数据结构类型，实际的系统也可根据设备参数要求增加其他数据结构类型。标准数据结构主要用来描述整型和实型参数。其中数据名项说明设备参数名，如电流、电压等。单位名称项说明数据名单位，如电流的单位是安培，电压的单位是伏特等。数据类型有六种：无符号字节型（$位）、有符号字节型（$位）、：无符号整型（&位）、有符号整型（&位）和自定义结构。前五种均为整型，为了描述实型值，增加显示系数项，实际数值等于标准数据结构类型值乘显示

14、系数。若选择自定义结构，则根据设备实际数据类型要求，通过嵌套定义，可构造符合设备要求的较复杂的数据结构。自定义结构需要通过数据结构指针项链接到数据结构链表的数据结构编号中，用来指明嵌套定义的数据结构类型。比特数据结构用来描述布尔类型参数。位结构大小指明设备中布尔类型参数占字节数量，对所有字节的位进行统一编址，位地址指明布尔值在字节中的相对位置，因此，通过位结构大小和位地址两项唯一确定某一位的具体位置。通过位含义项定义此位的意义。数值数据结构描述把特殊数值定义成特殊含义的情况，利用数值和值含义两项唯一定义某值的具体含义。数值个数项说明共多少个这样的数值。数据类型同标准数据结构中前五种数据类型。%

15、#!协议编辑由于设备参数本身类型多样，有整型、实型、布尔型、数值数据结构型等，而且通常是这些类型的组合，为了描述复杂的数据类型，系统中把所有的数据都按设备协议编辑结果组成数据包，存放在数据库中或是用于数据通信，并可通过同样的设备协议分解数据包为独立的数据（参数、命令、状态）。数据包有多个数据项组成，每一数据项表示一个具体的数据。设备协议代理的功能是为了构造复杂的数据结构，满足不同设备的不同数据结构需求，这可通过在标准数据结构中选择自定义结构数据类型实现。下面通过一个具体的示例，说明选择自定义结构类型如何嵌套定义出复杂的数据结构。图(设备参数数据格式假设某一电源设备的数据包数据结构如图(所示。有

16、三种数据类型，其中电源和电压属于标准数据结构类型中无符号字节型；低压断路器工作方式属于数值数据结构中无符号字节型；而)(则是比特数据结构类型。首先，要构造标准数据结构类型，包括四个数据项，将这四个数据项写入数据结构链表中，其中前两个数据项分别对应电压和电流两个参数，第三和第四个数据项定义为自定义结构，分别用于嵌套定义数值数据结构和比特数据结构。其次，将三个数值数据结构项与四个比特数据结构项也写入数据结构链表中。最后，在标准数据结构表中，使两个自定义结构的数据结构指针项分别指向数据结构链表中这两类数据结构，这样在标准数据结构中嵌套定义了数值数据结构和比特数据结构两种类型。采用同样的方法，可以嵌套

17、定义更加复杂的数据结构，尽可能满足不同设备参数要求，达以到系统的通用性。设备协议编辑结果作为状态查询和设备调控分析数据包的依据。图*给出嵌套定义示意图。图*自定义结构嵌套(结束语文章讨论了基于互联网络的远程通用监控系统平台的设计与实现技术。系统使用+,-+./0./1#作为数据库软件，网络操作系统平台是2345678 9:，网络通信协议采用目前广泛使用的:;协议。在系统的设计中，采用分布式监控模式，把数据采集、设备控制、数据查询和图形绘制等功能分散到不同的部件上，平衡系统的负载，提高系统的运行效率。通过增加前置机作为设备控制系统接入网络的中介、采用文件缓冲接口，以及设备协议编辑代理功能，屏蔽设

18、备的差异，使监控系统平台可以达到通用性的目的。同时采用网络数据库服务器集中存储数据的方案，极大地方便了远程数据查询和对设备集中监控和管理，可以使监控系统与管理系统紧密结合起来，实现监控过程中实时信息与管理信息的集成，为管理决策层提供决策依据。（收稿日期：!&年&月）参考文献&#钱清泉，谭永东#监控系统的技术发展及其研究动向#?A：=777#A?B3#C6D#C4!#E3CF686G;6FA6FH364#IBJBK6A34L;K3B4=+BFJBF MAAK3CH3648 73?03N（下转!%$页）!*!#$计算机工程与应用（上接!%页）&()*(&+,-./#012：.+,34&456 73

19、8&，9:;)(&?4A83，=(B+C D 168B8E&#FE683E86G43H+E G+6I J7KF7-./#738E6+,8 L()，FE,#，9:$M#N3+&O(A&(，N8E 4P8#FE683E86 7343(AA+E-./#电子工业出版社，9:$%#Q+)+(A 16()+E&#D4,()(EC.8634P4)+6(E 238(R86G43H&-./#电子工业出版社，9:$;#陈卫文，施振明#分布式管理系统-O/#计算机研究与发展，9:S；（M）99：$T$M脑电中也含有心电伪迹，但因心电幅度较小，极易将其误认为是脑电的某些特征波。由图（,）（C）可见利用FE54A(U算

20、法可以很好地消除脑电中的心电信号，仔细观测FE54A(U算法对脑电的处理结果并与原始数据进行比较，可以发现在消除脑电中心电伪迹的同时，对脑电中的其它细节几乎没有破坏，这一点传统的方法是难以做到的。在建立模型时曾假设为平稳随机过程，虽脑电信号的非平稳性比较强，但在有限的时间内，可认为是平稳的（或准平稳）。M结束语文章探讨了基于FE54A(U算法的盲源分离方法以及在脑电信号预处理中的应用。实验结果说明FE54A(U算法在电生理信号的盲源分离方面是一个有效的分析工具，实验中只取了两路观测信号，但从脑电信号的产生机理上看，如果引入多导脑电信号，则不但可以消除其中的心电伪迹，还可以增强某些导联的信号，从

21、而绘出更加精确的脑地形图。可见此方法在生物医学信号处理及医学辅助诊断上的应用也潜力巨大。（收稿日期：!9年%月）参考文献9#2 O*8)，J O 18VE4G&H+#2E+E543A(6+4ETA(U+A+W(6+4E(PP34(,I 64X)+EC&8P(3(6+4E(EC X)+EC C8,4EB4)6+4E-O/#R83()4AP6(6+4E，9:%；S（;）：99!:T99%:!#杨福生等#独立分量分析及其在生物医学工程中的应用-O/#国外医学（生物医学工程分册），!；!（）：9!:T9M#何振亚等#非线性FE54A(U自组织算法的盲源分离机理-O/#数据采集与处理，9:$；9（M）：T%M#杨绿溪等#线性FE54A(U自组织算法的性能分析-O/#数据采集与处理，9:$；9（M）：;T9%#刘琚等#一种盲信号分离的信息理论方法-O/#山东大学学报（自然科学版），9:$；（M）：:$TMI8&#马仁飞译#临床实用脑电图学-./#北京：人民卫生出版社，9:S（,）（C）（(）（,）同步测量的脑电、心电原始信号（X）（C）采用FE54A(U算法分离后的结果图!$