基于ip技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架及裝置研究_secret

1、基于IP技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架及裝置研究摘 要：本文針對IP技術(shù)和控制技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展趨勢，提出了一種基于IP技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架的實(shí)現(xiàn)方法，討論了該系統(tǒng)的構(gòu)架原則和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的監(jiān)控裝置的硬件實(shí)現(xiàn)方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對于開發(fā)一種具有較好開放性、靈活的擴(kuò)展性和方便易用的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)作了有益的探索。關(guān)鍵字：智能監(jiān)控 TCP/IP協(xié)議 以太網(wǎng) 控制網(wǎng)0引言當(dāng)前自動化領(lǐng)域內(nèi)的一個新趨勢是基于以太網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)測控架構(gòu)由于其優(yōu)良的測控特性，正逐漸被廣泛采用，并取代傳統(tǒng)的串行通信而成為自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的主流。目前該領(lǐng)域的開發(fā)和研究特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù)在適應(yīng)性、開放性、復(fù)雜性和

2、價格成本方面的局限性日益受到挑戰(zhàn)，而以太網(wǎng)具有的高速、大容量、開放性和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)與現(xiàn)代測控領(lǐng)域的要求相適應(yīng)，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于智能測控領(lǐng)域1-2；基于IP的Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)很成熟，有完善的協(xié)議體系和豐富的應(yīng)用層開發(fā)工具，采用基于IP的測控技術(shù)可以在很大程度上解決各種測控設(shè)備和計(jì)算機(jī)設(shè)備通過異種或同種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的問題，為構(gòu)造開放式測控系統(tǒng)提供有力支持，大大增加系統(tǒng)通信的靈活性 3-6；基于TCP/IP的測量、控制和管理一體化技術(shù)發(fā)展非常迅速，測、控、管一體化技術(shù)不同于單純的測控技術(shù)和信息管理技術(shù)，而是依托一個高效率、開放性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將測量、控制和信息管理結(jié)合起來，通

3、過系統(tǒng)各要素之間充分協(xié)調(diào)配合，使系統(tǒng)整體達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)7-8?？梢?，對以TCP/IP和以太網(wǎng)為代表的開放式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行研究，并將其應(yīng)用于自動化測控系統(tǒng)，有助于開辟智能測控技術(shù)和IP技術(shù)相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域，對其原理和應(yīng)用進(jìn)行研究具有較大的研究價值。1基于IP技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建原則系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建的目的是為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化、智能化的測控目標(biāo)，并在此前提下確定系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)，完成上述任務(wù)的前提是確定系統(tǒng)的構(gòu)建原則。本文主要基于室內(nèi)智能照明控制、室內(nèi)環(huán)境調(diào)控的應(yīng)用場合，將基于IP的測控技術(shù)結(jié)合以太網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)一種可行的系統(tǒng)構(gòu)架及裝置的實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究?；谝陨纤?，本

4、文確定了以下基于IP的智能監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架原則： 系統(tǒng)應(yīng)該具有較豐富的接口類型 把軟件和硬件兩方面結(jié)合起來考慮，建立與應(yīng)用相適合的接口和規(guī)范，接口的類別主要有串行數(shù)據(jù)接口（用于擴(kuò)展流量計(jì)、電度表和溫度濕度計(jì)等測量儀表）、開關(guān)量輸出接口（擴(kuò)展控制信號輸出）、狀態(tài)輸入接口（用于擴(kuò)展工作信號、報(bào)警信號和故障信號等狀態(tài)傳感器）、信號輸入接口（直接擴(kuò)展傳感測量電路）、網(wǎng)絡(luò)接口（用于擴(kuò)展遠(yuǎn)程通信）等； 系統(tǒng)的裝置應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)直接接入功能 監(jiān)控裝置內(nèi)部嵌入以太網(wǎng)通信接口和驅(qū)動程序，不需要采用專門的計(jì)算機(jī)作代理服務(wù)器或網(wǎng)關(guān)，通過監(jiān)控裝置可以在任何可連接Internet的地方訪問被控設(shè)備； 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循模塊化的思想

5、 在硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)上采用模塊化思想，不僅便于開發(fā)調(diào)試，而且增加了系統(tǒng)靈活性，為進(jìn)一步的功能改變和系統(tǒng)擴(kuò)充提供條件； 具有比較經(jīng)濟(jì)的使用和維護(hù)成本 產(chǎn)品成本經(jīng)濟(jì)易于在用戶中快速普及，有機(jī)會被各種類型的用戶使用，在性能上得到不斷改進(jìn)從而最終被用戶接受； 系統(tǒng)的安裝、配置和操作簡明 簡明的特性使得即使是非專業(yè)的計(jì)算機(jī)操作人員使用起來也沒有較大困難，監(jiān)控裝置在設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后能即插即用，終端操作和監(jiān)視界面也應(yīng)直觀、簡明、友好。2 系統(tǒng)構(gòu)架模型設(shè)計(jì)基于以上原則，設(shè)計(jì)了圖1所示的基于IP的網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)架，圖中描述了測量、控制設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)相互連接組成一個系統(tǒng)的關(guān)系，整個系統(tǒng)構(gòu)架基本分為以下三個網(wǎng)

6、絡(luò)層次：第一網(wǎng)絡(luò)層次 是各被控設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控裝置連成一個監(jiān)控網(wǎng)。各傳感器送來的狀態(tài)信號通過裝置的輸入端口輸入，供單片機(jī)處理、傳送；控制指令由輸出端口輸出到設(shè)備的執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)；串行接口作為設(shè)備與監(jiān)控裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的擴(kuò)展接口和連接微機(jī)的虛擬控制臺接口；第二網(wǎng)絡(luò)層次 是區(qū)域以太網(wǎng)（局域網(wǎng)）。在這一層次中，同屬一個單位（或部門）的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等連成一個局部區(qū)域內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)，有較高的安全性，網(wǎng)絡(luò)的配置、管理及用戶的設(shè)備都可以明確地加以管理，網(wǎng)絡(luò)中用戶的身份是確定的；第三網(wǎng)絡(luò)層次 是Internet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這是一個全球范圍的廣域網(wǎng)，這個網(wǎng)絡(luò)將全球其他連在其上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備聯(lián)成一個整體

7、，聯(lián)網(wǎng)的任何計(jì)算機(jī)終端設(shè)備可以通過Internet互相進(jìn)行資源訪問，是實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程監(jiān)控必須依賴的媒介。在第二層次和第三層次之間設(shè)置局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和防火墻，可對不必要的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行隔離。采用上述體系結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)： 網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控裝置成為一個監(jiān)控信息匯集平臺。 監(jiān)控裝置是第一層次和第二層次的銜接點(diǎn)，其對輸入的普通模擬信號進(jìn)行辯識并處理，然后進(jìn)行編碼并通過網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)遠(yuǎn)方的請求，同時監(jiān)控裝置也可對接收自網(wǎng)絡(luò)的有效數(shù)據(jù)指令進(jìn)行解釋，以決定在相應(yīng)的端口輸出操作信號。通過這個平臺的處理和轉(zhuǎn)換，普通的設(shè)備不需處理復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，就可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測控； 該體系結(jié)構(gòu)能更高效地使用網(wǎng)絡(luò)資源。 裝置接入層與以太網(wǎng)連接，采

8、用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既可以工作在競爭占用總線的工作狀態(tài)下，也可以利用交換機(jī)取代集線器，采用專線連接來滿足特定場合的實(shí)時性要求； 該體系結(jié)構(gòu)一定程度上解決了傳統(tǒng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)互連的問題。 生產(chǎn)運(yùn)行中控制設(shè)備種類多，通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，傳統(tǒng)設(shè)備不具備網(wǎng)絡(luò)訪問能力，利用本監(jiān)控裝置為平臺對傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行改造，使其具有基本的網(wǎng)絡(luò)訪問能力，很有現(xiàn)實(shí)意義； 該體系結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了信息網(wǎng)和控制網(wǎng)相結(jié)合的特點(diǎn)。在很多測控場合中，測控的數(shù)據(jù)量不大，對控制沒有非常嚴(yán)格的實(shí)時性要求，將信息網(wǎng)和控制網(wǎng)相結(jié)合可構(gòu)成一種質(zhì)優(yōu)價廉、靈活性高的綜合測控系統(tǒng)； 系統(tǒng)具有良好的開放性和擴(kuò)展性。 充分采用可擴(kuò)展。靈活性好的硬件結(jié)構(gòu)，例如內(nèi)部總線普遍采用

9、I2C通信總線，在此基礎(chǔ)上可以擴(kuò)展大量其它符合I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的器件（例如擴(kuò)展I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的液晶顯示屏，外部I/O接口和AD/DA轉(zhuǎn)換器等）；系統(tǒng)具有的多種接口類型便于與其它硬件設(shè)備構(gòu)成多層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在軟件方面，系統(tǒng)采用C51實(shí)現(xiàn)了一個嵌入式Web服務(wù)器，采用XML語言封裝監(jiān)控狀態(tài)頁面數(shù)據(jù)，不僅可以被IE瀏覽器處理，也為拓展新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用擴(kuò)展提供了統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)接口。3 監(jiān)控裝置的實(shí)現(xiàn)方案本節(jié)重點(diǎn)從以下三個方面簡述硬件方案的實(shí)現(xiàn)問題。 核心處理器選擇 目前測控系統(tǒng)常用的硬件類型有單片機(jī)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)和DSP系統(tǒng)等，本文方案是選用一款性價比較高的單片機(jī)系統(tǒng)來組成系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，主要基于以下幾

10、個優(yōu)點(diǎn)： 從實(shí)時性和通信量的因素考慮 本文討論的環(huán)境設(shè)備控制場合，沒有視頻類的實(shí)時數(shù)據(jù)，需要處理的信號流量比較少，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量不大，以處理開關(guān)量的邏輯數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯控制功能為主，采用性價比較高的單片機(jī)系統(tǒng)作為硬件核心，可以滿足系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的需要； 從開發(fā)平臺考慮51系列微處理器有功能強(qiáng)大的開發(fā)平臺，例如基于Keil Vision的開發(fā)平臺，相關(guān)參考資料豐富，開發(fā)設(shè)備和仿真設(shè)備都具有很高開發(fā)效率，有利于高效完成設(shè)計(jì)目標(biāo)； 從移植性和適用范圍考慮 單片機(jī)是目前控制應(yīng)用領(lǐng)域使用最廣泛的控制核心，積累了大量成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行中的大量智能控制裝置都是基于單片機(jī)的，采用C51進(jìn)行程序代碼開發(fā)后，使

11、代碼移值性大大增強(qiáng)，所以以單片機(jī)為控制核心進(jìn)行本論文的研究對于在其它應(yīng)用場合的普遍推廣有積極的意義； 在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議上 單片機(jī)完全能實(shí)現(xiàn)必要的TCP/IP協(xié)議棧，為基于IP技術(shù)的測控體系提供數(shù)據(jù)通信接口。 硬件組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 針對實(shí)現(xiàn)具有網(wǎng)絡(luò)直接接入功能的測控平臺的目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)了圖2所示的電路結(jié)構(gòu)：電路硬件設(shè)計(jì)在總體上采用裝置一體化，功能模塊化的方案，即裝置的各個電路元器件和各種功能集成在一起，集成到同一設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)邏輯、運(yùn)算、通信和輸入輸出接口的各項(xiàng)功能。設(shè)計(jì)時把硬件電路從組成上分為微處理器及存儲器模塊、網(wǎng)絡(luò)控制及接口模塊、電可擦除存儲器模塊、輸入輸出接口及RS232接口模塊和外置直流電

12、源等。各模塊對應(yīng)的軟件功能也實(shí)現(xiàn)模塊化，有利于在電路調(diào)試時分塊調(diào)試通過，也增強(qiáng)了程序代碼的可移植性。 網(wǎng)絡(luò)控制芯片及網(wǎng)絡(luò)接口方案設(shè)計(jì) 本裝置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)直接接入功能的關(guān)鍵是在系統(tǒng)內(nèi)直接驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)控制芯片，設(shè)計(jì)時通過方案對比，沒有采用100M的PCI接口控制芯片，而選用10M速度的RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)控制芯片，具有以下優(yōu)點(diǎn)：10M的數(shù)據(jù)傳輸速率對沒有大量實(shí)時數(shù)據(jù)的測控場合已經(jīng)具有很優(yōu)秀的通信質(zhì)量；芯片的標(biāo)準(zhǔn)工作電平是DC-5V，與單片機(jī)系統(tǒng)完全兼容；芯片遵循ISA總線標(biāo)準(zhǔn)，有8位和16位數(shù)據(jù)傳輸兩種工作模式，有利于與8位單片機(jī)配合使用，單片機(jī)利用部分控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線就可直接操作RTL80

13、19AS的內(nèi)部寄存器，最大限度簡化了驅(qū)動電路和驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)。 4 裝置樣機(jī)、實(shí)驗(yàn)與結(jié)論根據(jù)以上所述方案原理，試制了基于IP的網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控裝置的實(shí)驗(yàn)電路板模塊（圖3），該模塊內(nèi)置了以太網(wǎng)接口，有四路信號輸入通道和四路控制輸出通道，RS-232接口可作非網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備的轉(zhuǎn)換接口和測量儀表擴(kuò)展接口，較好地實(shí)現(xiàn)了前面所設(shè)計(jì)的硬件框架結(jié)構(gòu)。載入軟件系統(tǒng)后，以本裝置為核心搭建了一個網(wǎng)絡(luò)化溫室測控實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，聯(lián)網(wǎng)后首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連通測試，然后分網(wǎng)絡(luò)測量和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控兩個內(nèi)容進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要構(gòu)成要素見表1；表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要素表Table 1 Elements list of experiment sys

14、tem要素名稱數(shù)量位置備注監(jiān)控裝置1校園網(wǎng)教學(xué)樓1IP: 202.38.202.63溫度，濕度傳感器2校園網(wǎng)教學(xué)樓1連接監(jiān)控裝置模擬設(shè)備信號燈4校園網(wǎng)教學(xué)樓1模擬控制電平輸出狀態(tài)信號模擬開關(guān)4校園網(wǎng)教學(xué)樓1模擬控制電平輸入校園網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可推廣到Internet監(jiān)控終端11校園網(wǎng)教學(xué)樓2IP: 202.38.203.128 網(wǎng)絡(luò)連通測試：將監(jiān)控終端1切換到MSDOS狀態(tài)，輸入“ping 202.38.202.63”，屏幕上顯示“reply from 202.38.202.63: byte=32 time10ms TTL=126”，由于監(jiān)視終端1與裝置間在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖辖?jīng)過了兩個網(wǎng)關(guān)，所以TTL=128

15、-2=126，說明裝置通過Internet通信的功能正常。網(wǎng)絡(luò)測量驗(yàn)證：信號輸入選用了溫度、濕度兩種傳感器檢測信號（圖4），測量儀器以監(jiān)控裝置為平臺，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸和顯示，其中左圖為通過監(jiān)控裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送后顯示在計(jì)算機(jī)終端的數(shù)據(jù)，右圖為現(xiàn)場傳感器的顯示值。嵌入式Web網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控驗(yàn)證：網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)置了4個狀態(tài)信號輸入和4個控制信號輸出，在網(wǎng)絡(luò)任一臺終端上打開IE瀏覽器，在地址欄輸入監(jiān)控裝置IP地址/訪問密碼，如圖5所示成功顯示了以XML格式封裝的測控狀態(tài)數(shù)據(jù)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，本監(jiān)控裝置實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化測量功能，并能完成嵌入式Web服務(wù)器功能，設(shè)計(jì)思想得到驗(yàn)證，通過選用更強(qiáng)大的處理器芯片，進(jìn)一步完

16、善功能軟件，本監(jiān)控裝置可以在智能家居、生產(chǎn)監(jiān)控等領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：1 Tian, G.Y.; Zhao, Z.X.; Baines, R.W. A Fieldbus-based intelligent sensorJ. Mechatronics, 2000, 10(8): 835849.2 金歡，阮冠春，徐凌宇，趙海. 基于嵌入式Internet技術(shù)的Webit體系結(jié)構(gòu)研究與實(shí)現(xiàn)J. 控制與決策. 2002,17（5）:541-545 3 LIU Gui-xiong, SHEN Bai-hua1, FENG Yun-qing. Rapid developing technology for networked intelligent sensorJ. Journal of transducer technology, 2002,9(21):47.4 鄒緊跟，符強(qiáng)，聶佰玲. 基于Ethernet網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程測控技術(shù)J.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2002,25(4): 624-6275 牟英峰，徐殿國，張東來. 基于嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的信息家電連接Internet單芯片解決方案J. 電子技術(shù)應(yīng)用. 2002,（6）6