（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式web远程监控系统的研究与应用.pdf

大连理1 。大学硕士学位论文 摘要 随着嵌入式系统的广泛应用，将嵌入式设备接入i n t e r n e t 将成为+ 种必然，而通过 w e b 方式对嵌入式设备进行远程监控则是最自然和最切实可行的选择，基于嵌入式w e b 技术的监控系统是工业现场实现网络控制的最新发展趋势，嵌入式w e b 技术改变了以 往的监控系统体系结构，满足了现代监控系统的可扩展性、分布式等要求。 针对高压静电除尘控制系统的远程监控网络化和信息化的发展需要，建立基于嵌入 式w e b 远程监控系统体系架构，提出基于嵌入式w e b 远程监控系统的设计思想和实现 方法。在设计f i 主要包括两个方面：嵌入式w e b 服务器；客户端基于组件的组态监控 平台。 嵌入式w e b 服务器硬件方面采用高压静电除尘控制器的中央处理单元r c m 2 2 5 0 模 块，该模块具有一个1 0 b a s e ，t 以太网接口，支持以太网通信功能，软件设计方面采用 嵌入式w e b 服务器的网络配置、c g i 接口设计技术和s o c k e t 通信方式等关键技术。 在客户端组态监控平台设计方面，采用基于组件的设计思想，应用v i s u a lb a s i c 1 发a c t i v e x 控件，组态工具采用m i c r o s o f t 公司的f r o n t p a g e ，根据现场的设备数量及需 要监控的数据点数灵活的组态监控界面。监控平台由通讯模块、数据存储模块、图形模 块、脚本模块四个部分组成。 在设计上很好的考虑了嵌入式系统资源的有限性和客户端软件维护升级的方便性， w e b 服务器端采用c g i 接口技术响应客户端的控制请求，客户端采用a c t i v e x 技术实现 动念的交互界面，系统具有可靠、灵活和可扩展的特点。 经过实验测试说明，系统的设计达到了实际控制要求，可以通过远程主机监控高压 静电除尘控制系统的运行情况，设计方案和实现方法是可行的。 关键词：嵌入式w e b 服务器；远程监控；c g i 接口；组件：组态 温立群：基于嵌入式w e b 远程监控系统的研究与廊j i _ i j r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f r e m o t es u p e r v i s o r ys y s t e mb a s e do n e m b e d d e dw e b a b s t r a c t w l t ht h ew i d eu s eo fe m b e d d e ds y s t e m 1 tb e c o m e sap o p u l a r i t yt oc o n n e c tt h e e m b e d d e dd e v i c e st oi n t e r n e ta n di ti st h em o s tn a t u r a la n dp r a c t i c a lc h o i c et oc o n t r o la n d m o n i t o re m b e d d e dd e v i c e sr e m o t e l yu s i n gw e bt e c h n o l o g y t h es u p e r v i s o r ys y s t e mb a s e d o ne m b e d d e dw e bt e c h n o l o g yi st h en e wd e v e l o p i n gd i r e c t i o nf o rr e a l i z i n gn e tc o n t r o l l e da t i n d u s t r yf i e l d t h es t u d yo fe m b e d d e dw e bt e c h n o l o g yh a sw i d ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d ， w h i c hc h a n g e st h es y s t e mf r a m e w o r ko ff o r m e rs u p e r v i s o r ys y s t e ma n ds a t i s f yt h er e q u e s to f e x p a n s i b i l i t ya n dd i s t r i b u t i o nf o rm o d e r ns u p e r v i s o r ys y s t e m a i m i n g a tt h en e e do fa p p l y i n gn e t w o r ka n di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y f o rr e m o t e s u p e r v i s o r yo fh i g h v o l t a g ee l e c t r o n - s t a t i cp r e c i p i t a t i n gs y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h en e e d sa n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e m o t es u p e r v i s o r ys y s t e m ，g i v e st h es t r u c t u r eo fr e m o t es u p e r v i s o r y s y s t e mb a s e do ne m b e d d e dw e b ，p u tf o r w a r dt h et h e o r ya n dt h er e a l i z i n gm e t h o do f r e m o t e s u p e r v i s o r ys y s t e mb a s e do ne m b e d d e dw e bt w oa s p e c t sa r em a i n l yi n c l u d e di nt h ed e s i g n ： e m b e d d e dw e bs e r v e r ；c o n f i g u r a t i o ns u p e r v i s o r yi n t e r f a c eo nc l i e n ts i d e i nt h ed e s i g no fe m b e d d e dw e bs e r v e r ，t h em o d u l er c m 2 2 5 0o fh i g h - v o l t a g e e l e c t r o n - s t a t i cp r e c i p i t a t i n gc o n t r o l l e ri sa d o p t e da sh a r d w a r e ，w h i c hh a sa10 b a s e - te t h e m e t i n t e r f a c et os u p p o r te t h e m e tc o m m u n i c a t i o n a b o u ts o f t w a r ew ea d o p tc o n f i g u r a t i o no fw e b s e v e r ，c g ii n t e r f a c ed e s i g n ，s o c k e tc o m m u n i c a t i o nm o d ea n ds oo n i nt h e d e s i g n o fc o n f i g m a t i o ns u p e r v i s o r yi n t e r f a c eo nc l i e n t s i d e ，t h ei d e a o f c o n f i g u r a t i o n i s a d o p t e d ，a c c o r d i n gt o t h en u m b e ro fd e v i c e sa n dt h ec o u n to fs p o t s ， c o n f i g u r e ss u p e r v i s o r y i n t e r f a c e b ya c t i v e xc o n t r o ld e s i g n e d w i t hv i s u a lb a s i ca n d m i c r o s o f tc o m p a n y sf r o n t p a g e t h es u p e r v i s o r yi n t e r f a c ei sc o m p o s e do fc o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，d a t as t o r em o d u l e ，d i s p l a ym o d u l ea n ds c r i p tm o d u l e c o n s i d e r i n gt h el i m i t a t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e mr e s o u r c ea n d t h ef a c i l i t yo ft h ec l i e n t s o f t w a r eu p d a t i n g ，c g li sa d o p t e do ns e r v e rs i d ea n da c l i v e xi su s e do nc l i e n t t h es y s t e m h a st h ec h a r a c t e r so fc r e d i b i l i t y ，f a c i l i t ya n de x t e n s i o n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mr e a c h e st h er e q u e s t s ，a n dt h er e m o t eh o s t c a ns u p e r v i s et h ed e v i c e s ，t h ed e s i g na n dt h em e t h o do f t h ep r o j e c ti sf e a s i b l e k e yw o r d s ：e m b e d d e dw e bs e r v e r ；r e m o t es u p e r v i s i o n ；c g ii n t e r f a c e ；c o m p o n e n t c o n f i g u r a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：垒垒墨生日期：丝堕生l 三旦兰d 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 塾兰丝 圃 竺! 兰年旦月生e t 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着i n t e m e t 和i n t r a n e t 的快速发展和普及，w e b 技术正逐渐的被应用于远程监控 系统中。同样，微电子技术的也在不断地创新和进步，嵌入式系统成为计算机应用的一 个新领域，具有功能强、实时性强、可靠性高和结构小巧等优点。基于嵌入式w e b 的 远程监控系统结合了先进的w e b 技术和嵌入式技术，其服务器采用嵌入式技术实现， 通过w e b 方式实现服务器端与客户端的信息交互，是今后远程监控技术发展的主流方 向。 本文在对嵌入式w e b 远程监控技术和基于组件的组态监控思想进行深入阐述的基 础上，着重研究了嵌入式w e b 远程监控系统的服务器和客户端程序开发。全文共分六 个部分： 第l 章首先阐述了选题背景和意义，然后介绍了远程监控系统的结构、方式及远程 监控的特点，并引出基于嵌入式w e b 远程监控研究的意义，以及所要解决的问题，对一 些常用的概念做了解释。 第2 章首先介绍了远程监控对象高压静电除尘控制器的各部分功能，包括输入 输出部分、嵌入式设备控制部分和通讯部分，然后重点分析了远程监控的总体需求，提 出了监控系统所要达到的性能要求。 第3 章提出了基于嵌入式w e b 的远程监控系统架构。 第4 章详细介绍了嵌入式w e b 服务器的设计过程，包括嵌入式w e b 服务器的网络配 置、c g i 接口和s o c k e t 通信。 第5 章首先介绍了基于组件的组态监控设计思想，然后详细阐述了客户端组态监控 平台的设计过程，包括监控平台的模块划分以及各个模块的功能和具体实现方法。 第6 章介绍了嵌入式w e b 远程监控系统的运行效果。 温立群：基于嵌入式w e b 远程监控系统自g 研究与应用 1 概述 1 1 选题背景和意义 随着嵌入式系统和网络技术的迅速发展，信息共享的程度日益提高。怎样将i n t c r n c t 相关技术应用到人们日常工作和生活环境中大量存在的嵌入式设备中，使人们可以方便 快捷地查询和发布各类信息、实现对嵌入式设备的远程监控，已逐渐成为业界关注的焦 点。嵌入式技术的发展，使得w e b 服务器运行于单片机上成为可能，我们将之称为嵌 入式w e b 服务器。用户可通过w e b 浏览器对设备进行远程配置，或让设备利用w e b 内 容来报告工作状态等。嵌入式w e b 服务器的应用必将进一步推动嵌入式系统的发展【l - 2 】。 本文针对大连嘉禾工业控制技术有限公司的高压静电除尘控制器远程监控的需求， 进行了嵌入式w e b 远程监控系统的相关关键技术研究。其目标是设计嵌入式w e b 服务 器和客户端组态监控平台。嵌入式w e b 服务器要求实时响应客户端的各种请求；客户 端组态监控平台要求具有很好的适应性，因为不同的高压静电除尘设备的情况有些差 异，同时操作员所要求查看的内容和控制的量也不同，所以组态监控平台的软件设计必 须适应这些不同，在不做出大规模变动的情况下，满足不同的监控需求。 基于嵌入式w e b 的远程监控满足了现代监控系统在系统可扩展性、分布式和实时 性等方面的技术要求，不仅成为计算机学科的重要门类，而且是实现国家工业生产自动 化、优质高产低耗、提高企业经济效益的重要技术手段。发展监控系统中的嵌入式w e b 应用对改造传统产业、实现工业现代化、促进产业信息化有重要意义【 5 1 。 1 2 基于嵌入式w e b 的远程监控 1 2 1 远程监控方式和技术特点 ( 1 ) 远程监控系统的结构 控制数据流 一 状态数据流 图1 1 远程监控系统模型 f i g ，1 1s y s t e mm o d e lo f r e m o t es u p e r v i s o r y 大连理工大学硕士学位论文 远程监控技术是远程监测与控制技术的结合，远程监测是指在远程获得作业现场的 信息，远程控制是指远程发送命令控制作业现场设备的运行状态。远程监控系统可以划 分为：远程监控终端系统、远距离数据传输系统、现场设备监测与控制系统三部分。各 部分分工协作，共同实现对设备的远程控制，如图1 1 所示远程控制系统模型【6 】。 远程监控终端系统：远程监控终端系统是用以与现场设备进行交互的远程接口。从 功能角度来看，主要包括远程设备状态的终端显示，控制命令及参数的输入，对命令参 数和状态数据进行必要的处理，以及其它操作。目前，由于p c 机的广泛应用和价格越 来越低廉，并且用于远程监控的p c 机远离工业现场，所以基于p c 机的远程控制端软 件技术发展迅速，p c 机成为远程监控终端系统的主要操作平台。 远距离数据传输系统：远距离数据传输系统作为远程控制的信息的传输通道，进行 各类控制数据、监测数据和图像的传输，传输系统的目的就是将现场的设备状态信息尽 快的传输到监控端，使操作人员通过对现场设备状态的了解，决定下一步的操作措施； 另一方面传输系统将监控端的控制信息反馈到现场的控制主机，使主机能对设备进行实 际的控制。 现场设备监测与控制系统：现场监控系统是直接对现场设备进行监测控制的系统， 包括现场设备数据监测与控制系统。在整个远程监控系统中，现场监控系统根据远程监 控终端的控制数据对设备进行控制，实时监测设备的状态，并作必要的分析，再将这些 状态通过传输通道反馈到远程监控端。现场监控系统实际是一个计算机控制系统，是以 计算机为中心的集现场控制、管理、数据采集为一体的控制系统。 计算机远程监控系统是信息技术发展的产物，它是以计算机为核心、结合多媒体技 术、网络技术及工业自动化技术的一种监控网络系统。远程监控系统不仅能获得作业现 场信息并发送到监控中心，通过计算机网络使其能够到达桌面计算机上，与信息管理系 统融合在一起，而且可以充分发挥远程控制的功能，使操作者不必亲临现场就可以控制 现场设备的运行。另外远程监控系统是伴随多媒体技术的发展产生的一种自动化、智能 化的应用，它使得人们可以在异地看到现场设备的运作状况，同时对控制设备工作进行 操纵，并对历史资料进行保存、管理和检索。目前，远程监控系统广泛地应用于保安系 统、交通系统、工业生产、医学系统、家庭自动化、水利系统、环保系统等各方面。 ( 2 ) 远程监控方式 远程监控是指远程计算机系统通过网络系统( 特别是i n t e m e t ) 对现场的控制系统 进行监测与控制，而监测和控制的对象是一个物理系统，如电网、生产线等，它们由计 算机系统进行控制和管理，因此远程监控是远程计算机监控现场计算机系统的运行情 况。 温立群：基于嵌入式w e b 远程监控系统的研究与应用 根据控制方式的不同，远程监控可以分以下几类： 保持型的远程监控方式：远程监控仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自 主的完成这个命令，监控设备只对设备进行监视，在必要时对设备进行干预。这样就要 求设备不断向远程监控系统发送设备运行信息，远程监控系统保持对设备的监控能力。 这种模式可实现远程设各的无人控制，可应用于危险环境、人力不能到达的地方等。本 文所研究的远程监控系统属于此类方式。 完成型的远程监控方式：远程监控系统仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设 备自主的完成这个命令，远程监控系统不对设备的具体实现过程进行监控，设备完成任 务后向远程监控系统报告。设备的操作控制完全在本地进行，设备在本地操作人员的监 控下完成加工任务。 完全型的远程控制方式：设备的本地控制系统仅仅控制设备的执行机构，全部的操 作控制由远程监控系统完成。在这种方式中，设备控制系统和设备是分离的，而在设备 控制系统内信号的传递速度要求很高，要求系统能够立刻对现场作出反应。这种控制方 式用在一些特殊的行业。 人机交互式远程监控方式：设备在本地操作人员和远程监控系统的协同控制下工 作，即设备在远程监控系统的指挥下工作，由本地操作人员对设备进行控制和维护工作。 在任务执行过程中，可随时建立连接，进行设备之间和人员之间的交互，设备的状态信 息可随时在远程监控端采集。这是目前使用比较多的一种监控方式 7 1 。 根据通信网络的不同，目前研究的远程监控方式主要有： 基于g s m 网络的s m s 方式的远程监控方式：数字式移动通信网络g s m 近年来发展 迅速，覆盖的范围日益扩大，以及手机应用资费的下调，为远程监控提供了一个新的手 段。g s m 系统提供的s m s 业务，具有双向通信、具有一定的交互能力，占用g s m 网络 的信令通道等特点，利用手机的短信功能模块和接收终端可以实现远程监控。 基于i n t e m e t 的远程监控方式：i n t e m e t 技术的发展，使得传统的远程监控技术产生了 质的飞跃，使远程监控终端的位置更加灵活，真正可以做到随时随地监控。基于i n t e m e t 的远程监控是目前研究的热点。 ( 3 1 远程监控的特点 借助于远程监控可以将企业内部的信息网( i n t r a n e t ) 与控制网有效地连接起来，实 现对生产、运营情况的随时掌握，把生产运营状况同企业的经营管理策略紧密结合，从 而实现企业的综合自动化，可以建立网络范围内的监控数据和网上知识资源库。通过远 程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，获得现场监控数据，为远程故障 诊断技术提供了物质基础；通过远程监控，技术人员无须亲临现场或恶劣的环境就可以 4 - 大连理工大学硕士学位论文 监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各种参数，使受过专业训练的人员“虚拟” 地出现在许多监控地点，方便地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行高级过程控 制，以维护设备的正常运营，从而减少值守工作人员，最终实现远端的无人或少人值守， 达到减员增效的目的【“”】。 但是在一些实对性要求很高的应用场合，目前的网络速度很难满足控制的时间精度 要求，但随着网络技术的飞速发展，相信不久的将来实时性问题将会得到很好的解决。 目前，越来越多的企业集团呈跨地域的发展趋势，利用网络技术实现远程监控，对企业 降低生产成本，提高劳动生产率，提高企业产品的科技含量，以及增强企业的综合竞争 实力等方面都具有十分重要的意义【1 1 1 。 1 2 2 基于嵌入式w e b 的远程监控 目前基于b s ( 浏览器服务器) 模式和c s ( 客户端服务器) 模式的远程监控系统 是以网络作为通信平台的监控系统，以t - t t t p ( 超文本传输协议) 技术为基础，具有简 单、高效等优点，已经成为信息网络的一种最普遍应用的信息交互平台。利用网络通信 技术、s o c k e t 技术、数据采集技术及面向对象等软件技术实现了整个系统的系统管理、 用户管理、设备监控、数据显示及报警等模块，其优点是充分利用了现有的局域网和广 域网资源，以最高的性能价格比，以信息的实时获取和实时控制为中心，实现信息、资 源及任务的综合共享和全局一体化的管理。例如：监控系统将设备运行情况提供给服务 器，并由服务器发送到各个节点客户机，工作人员在客户端( 一般为远端) 便可了解整 个系统的工作状态及运行情况。简单地讲，对企业来说就是充分利用现代技术解决实时 数据的采集、传输和处理以及进行相应控制的问题。正是它的这些优点使得它得以飞速 发展旧。 目前，大多数设备的监控系统都是基于现场的或是基于局域网的分布式的系统，但 此种体系结构相对封闭。在目前企业生产、服务全球化的趋势下，这种系统显得过于保 守、不开放。w e b 技术的开放性使得我们可以突破监控原来的概念框架，恰当地把w e b 技术与设备的监控技术结合起来，是对设备监控技术的提升。因此，首先需要确定w e b 技术与监控技术的结合策略，以充分考虑各自的优势及劣势，达到最优的效果【l ”。 ( 1 ) w e b 技术用于远程监控的优点 伴随着i n t e r n e t 和计算机的不断普及，w e b 技术以其自身的优点也得到了快速的发 展。利用w e b 技术构建远程监控系统有以下优点【i ”1 ： 用户的工作平台上只需利用i n t e m e te x p l o r e r a s k - n e t s c a p e 等浏览器，不需要额外的 系统或软件开发。w e b 技术十分成熟，新的版本不断出现，易于系统的升级。w e b 浏览 温立群：基于嵌入式w e b 远程监控系统的研究与应用 器存在于多个操作平台上，并独立于这些操作平台，只需连接至l j i n t e m e t 1 p 可，且浏览器 对硬件配置的要求不高。w e b 浏览器的多媒体功能使得浏览器不仅可以单纯地以文本形 式，还可以以图形界面的方式来显示数据。 工具简单、界面标准且生动直观。无需花费额外的时间来学习软件操作。简单 的界面替换了以往的软件包。所有的数据操作对用户都是透明的，用户不用关心数据的 来源，一切都由服务器及专用的数据库来处理。 除上述优点外，把w e b 技术用于远程监控还有如下优势：功能易于扩充，系统只需 对w e b 服务器添加和嵌套新的功能函数即可，符合小客户端要求：不受地理和空间的限 制，只要i n t e m e t 和i n t r a n e t 可连接到的地方，均可通过浏览器实时地监控设备的运行状态， 改变了传统监控系统的封闭局面。 ( 2 ) 基于w e b 的远程监控的方案 基于w e b 的远程监控有两种实现方烈m 1 ：代理方案和嵌入式方案。 代理方案：该方案中使用一台p c 机作为内部网络接入i n t e m e t i n t r a n e t 的代理服务器， 远程监控主机通过传输网络与代理服务器进行数据的交互，来实现设备的远程监控。内 部网络采用r s 2 3 2 r s 4 8 5 等数据总线组网，需要额外的数据采集和控制设备来负责现场 设备的数据采集以及把采集到的实时数据发送给代理服务器，或把代理服务器的控制命 令传递给现场设备。该方案可以充分利用代理服务器强大的数据库功能，适合于设备比 较集中的情况。但是该方案适应性较差，可靠度不高，当代理服务器出现故障时，远程 监控主机将对所有的现场设备失去监视和控制；内部网数据传输速率不高，影响远程监 控的实时性；采用一台代理服务器进行数据的存储、转发和交互，现场设备的数量受到 一定程度的限制。代理方案的系统结构如图1 2 所示。 l 一一j 图1 2 代理方案系统结构 f i g 1 2s y s t e ma r c h i t e c t u r eo f t h ea g e n ts c h e m e 大连理工大学硕士学位论文 嵌入式方案：系统结构如图1 3 所示。该方案对每台现场设备均配有一个微型嵌入 式w e b 服务器，负责对现场设备进行数据采集、数据存储、数据转发及与远程主机的 数据交互、现场设备通过嵌入式w e b 服务器可以直接连接到i n t e m e t i n t r a n e t 上。由于 嵌入式系统有着实时性好、可靠性高、结构小巧和开发费用低廉等特点，使得该方案有 如下优点： 现场设备采集到的实时数据，可以实现实时存储和发送，不用经过代理服务器 就可直接通过i n t e m e t i n t r a n e t 发送给远程监控主机，实时性比代理方案好。 与现场设备相连接的嵌入式w e b 服务器出现故障，不会影响到其它的现场设备 的监控，可靠度和适应性比代理方案高。 现场设备的数量不受限制，可监控比代理方案多的现场设备。 图1 3 嵌入式方案系统结构 f i g 1 3s y s t e ma r c h i t e c t u r eo f t h ee m b e d d e ds c h e m e ( 3 ) 基于w e b 的远程监控系统的发展方向 现场仪表和工业设备层应用嵌入式技术是工业监控系统的发展趋势。与现场总线技 术相比，嵌入式技术不仅为开发者提供了大量的工具和函数库，面且减少了传统的客户 端软件二次开发的工作量。而把嵌入式技术和i n t e m e t 技术结合起来，使得整个工控网络 易于和i n t e m e t 实现无缝连接。在远程监控系统中嵌入式w e b 技术就成为这项技术的关 键。嵌入式w e b 技术是研究如何在嵌入式系统中有效地集成某些w e b 技术。在实际应用 中，可以把嵌入式w e b 技术的研究分成两大类：一类侧重研究如何把w e b 浏览器相关技 术集成到嵌入式系统中( 如在信息家电中的应用) ，这类嵌入式系统称其为嵌入式w e b 浏览器：另一类侧重研究如何把w e b 服务器相关技术集成到嵌入式系统中( 如在监控设 备中的应用) ，这类嵌入式系统称其为嵌入式w e b 服务器。对于嵌入式w e b 服务器来说， 它不仅应具有被监控设备中传统嵌入式系统的功能，即完成对被监控设备状态参数的采 集、存储以及对设备的控制；而且应具有使用超文本标记语言h m l 等生成相应监控w e b 温立群：基于嵌入式w e b 远程监控系统的研究与应用 页面的功能，并且支持t c p i p 、h r r p 、u r l 等协议，可以使用户在客户机上利用浏览 器软件显示其中的监控页面。 在基于嵌入式w e b 的监控系统结构中，要求嵌入在被控设备中的嵌入式计算机具有 较高的硬件性能，这在今天已不成为问题。随着嵌入式系统硬件和软件的发展，在大型 监控系统的组建中，采用基于嵌入式w e b 的监控系统结构将是其发展方向【1 7 ，1 8 】。 ( 4 ) 基于嵌入式w e b 远程监控系统的提出 由于基于嵌入式w e b 的远程监控具有很多优点，所以为远程监控领域开辟了一条新 的道路。基于嵌入式w e b 的远程监控系统的设计主要包括两个方面：嵌入式w e b 服务器 的设计；客户端软件设计。 嵌入式w e b 服务器以8 位、1 6 位或3 2 位单片机及d s p 为硬件工作平台，以嵌入式实时 多任务操作系统r t o s 为软件工作平台，其中软件工作平台也可以无操作系统，其上运 行小型精简的服务器程序。嵌入式系统本身主要是控制系统，将控制系统与嵌入式w e b 服务器进行有机的结合便可构成一个基于嵌入式w e b 的远程监控系统【1 9 , 2 叭。 客户端采用的是通用的浏览器，是基于h t m l 标准的w e b 页面，在应用层遵循h t r p 协议。 基于嵌入式w e b 远程监控系统的优点是：第一，这种系统的硬件是一个同处理器 和操作系统拥绑较为紧密、功能专一、专门设计的独立的设备，不像插卡系统那样受通 用计算机系统中其它软件硬件的影响，因此性能上更稳定，易于实现系统的模块化设计； 第二，将w e b 服务器“植入”监控系统后接入i n t e m e t ，在世界上任何一个地方即可通 过网络浏览器从i n t e m e t 获取该w e b 服务器发布的监控系统实时信息，进而实现远程控 制、调节与维护；第三，这种基于h t m l 标准化的w e b 用户界面降低了为不同操作平 台而定制人机界面的开发费用、通信费用、人员培训费用和系统升级维护费用：第四， 嵌入式系统体积小，功耗低，维护方便，特别适合于监控现场条件恶劣的场合。 1 3 国内外研究和应用现状 随着i n t e r n e t 和i n t r a n e t 的快速发展和普及，w e b 技术正逐渐的被应用于远程监控 系统中。同样，微电子技术的也在不断地创新和进步，嵌入式系统成为计算机应用的一 个新领域，具有功能强、实时性强、可靠性高和结构小巧等优点【2 l 】。基于嵌入式w e b 的远程监控系统结合了先进的w e b 技术和嵌入式技术，其服务器采用嵌入式技术实现， 通过w e b 方式实现服务器端与客户端的信息交互，是今后远程监控技术发展的主流方 向【列。目前，在国外对嵌入式w e b 技术的研究已从理论阶段过渡到开发阶段，惠普公 司应用i e e e l 4 5 1 2 智能传感器标准，研制的嵌入式以太网控制器具有1 0 b a s e t 以太网 大连理工大学硕士学位论文 接口，能够运行f t p 棚p u d p 协议，应用于传感器、驱动器等现场设备】。近年来 国内也出现了嵌入式w e b 远程监控相关研究，例如武汉大学黄天戌等人利用s x 5 2 微 控制器开发的嵌入式w e b 服务器，南京大学王健等人利用a r m 处理器开发的网络视频 监控系统等 2 4 , 2 5 。 目前，对高压静电除尘控制系统的监控，普遍采用的是现场人员的直接操作和基于 组态方式的分布式系统监控等，采用基于w e b 的远程监控的研究和应用很少 2 6 - 2 8 1 。文 中在高压静电除尘控制器原有功能的基础上，增加了嵌入式w e b 服务器的功能，无需 增加多余的资金投入，系统的灵活性和可扩展性很强，满足了高压静电除尘控制系统远 程监控的需求，应用嵌入式w e b 技术实现了除尘控制系统网络化和信息化的改造。 1 4 论文主要研究内容 本文研究了远程监控系统的结构、方式、特点以及远程监控技术的发展方向，提出 了基于嵌入式w e b 远程监控系统的体系架构。分析了远程监控设备高压静电除尘控 制器的远程监控需求以及需要解决的问题。在具体实现上主要分成两个部分：嵌入式 w e b 服务器和客户端组态监控平台。 嵌入式w e b 服务器设计方面研究了嵌入式w e b 服务器的基本功能以及如何构建嵌入 式w e b 服务器。根据远程监控的需求，采用c g i 接口技术实现远程控制功能，采用s o c k e t 通信技术实现客户端与w e b 服务器的实时数据交互。 客户端组态监控平台设计方面采用基于组件的组态监控设计思想。将各种监控功能 模块化，监控平台分为通讯模块、图形模块、数据存储模块、脚本模块四个部分，利用 w e b 页面中的a c i t v e x 控件实现通信、图形显示和数据存储功能。 论文的最后对监控系统进行了实验测试，总结了本论文所作的工作及解决的问题， 并探讨了进一步的研究工作。 温立群：基于嵌入式w e b 远程监控系统的研究与应用 2 嵌入式w e b 的远程监控总体需求 2 1 远程监控设备高压静电除尘控制器 随着现代工业的发展，大气污染越来越严重，在烟囱林立的工业城市，每天都要排 放大量的烟气，这些烟气携带的粉尘能扩散到很远，危害极大，严重影响生态环境和人 类的身体健康，成为四大污染源之一。高压静电除尘法是现在比较流行的除尘方法，它 是利用直流高压电离空气，使粉尘荷电，在电场作用下，集尘极吸附荷电的粉尘粒子， 以达到除尘目的。高压静电除尘法以除尘效率高、处理粉尘的颗粒度范围宽、压力损失 小、运行稳定可靠性高、投产后维护管理方便等一系列优点成为工业生产中应用臼益广 泛的一种先进除尘方法 2 9 - 3 2 。 2 1 1 监控设备结构 远程监控设备高压静电除尘控制器的硬件结构框图如图2 1 所示1 3 孤。 光? 斟亟 几八电 ：# o _ 匝 模拟量 u辟八 厂 隔 采集保 光 护电路 以及模 离 仁刮皇堡 拟开关叫 电 中央处理器 r c 也2 5 0 蚓网络变压器 科亟 l 隔 、 p j 光 刮巫 m 、d i 可扩展电路b ； 离 v 卜 电 隔 八【= 焉= = _ 栅出牲明 离1 7 图2 1 高压静电除尘控制器硬件结构框图 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo f h i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i o nc o n t r o l l e r 高压静电除尘控制器具有7 路模拟量输入，2 路模拟量输出，1 2 路开关量输入，1 2 路开关量输出。其中模拟开关c d 4 0 51 分别切换一次电流( 1 1 ) 、一次电压( u 1 ) 、二 次电流( 1 2 ) 、二次电压( u 2 ) 等模拟量输入，由r c m 2 2 5 0 控制选中各个通道，经l m 3 2 4 放大电路送入1 2 位逐次比较式a d 转换器m a x l 8 7 3 町，转换后的数字量经过光电隔离 送入中央处理器。完成数据采集后，c p u 通过控制算法，计算出要送给可控硅的导通角 大连理工大学硕士学位论文 控制量，再由两路开关量输出至两个单向可控硅的控制极，从而完成整个控制过程，输 出电路也有光电隔离进行保护。控制器还可以将模拟量输出经光电隔离和施密特触发器 整形后分别串行发送给2 片1 0 位d a 转换器m a x 5 0 4 d ”，m a x 5 0 4 将其转换为模拟电 压，再经电流串连负反馈电路变换为4 2 0 m a 标准电流信号进行输出。控制器具有三 个异步串行通信接口，每个通信接口均可支持r s 2 3 2 、r s 4 8 5 通信标准，并且与中央处 理器之间都进行了光电隔离。r c m 2 2 5 0 模块还集成了以太网接口芯片r t l s 0 1 9 a s ，要 完成以太网通信，还需要额外配置隔离变压器h r 6 1 h 4 0 l 以增加驱动能力，为了接插可 靠，选取工业上常用的d b 9 插座作为以太网通信的物理接口。 除尘控制器采用的中央处理器是处理模块r c m 2 2 5 0 ，它以r a b b i t 2 0 0 0 嵌入式8 位 微处理器为基础，外扩5 1 2 ks r a m 和5 1 2 kf l a s hr o m 。r a b b i t 2 0 0 0 处理器运行速度较 快，外接晶振频率为1 1 0 5 9 2 m h z ，内部使用倍频技术，处理器和外设工作频率均达到 2 2 1 1 8 4 m h z 。与普通8 位处理器比较，r a b b i t 2 0 0 0 内部指令运行所需时钟周期更少。 r c m 2 2 5 0 处理模块内嵌掉电检测电路，可以使处理器在上电或电源不稳时被可靠复位， 其工作电压范围是4 7 5 5 2 5 v 。r a b b r 2 0 0 0 处理器内部资源丰富、功能强大，具有以 下特点口6 】： ( 1 ) 具有4 个串行通信口a 、b 、c 、d ，都可以工作在异步方式下。其中a 、b 两 个串行口还可以工作在同步方式下。 ( 2 ) 具有5 个8 位并行口a 、b 、c 、d 、e ，其中e 口可编程工作在特殊选通输入 输出方式。 ( 3 ) 两组定时器计数器a 和b ，a 组包括a 1 、a 4 、a 5 、a 6 、a 7 五个可自动重装 载的8 位定时器，其中a 4 、a 5 、a 6 、a 7 既可用作定时，又可分别为4 个串行通信口 提供波特率发生器；b 组包括b 1 、b 2 两个1 0 位比较定时器。在处理器内部还嵌入一个 看门狗定时器，专用作看门狗定时，看门狗与掉电检测电路一起，保证强干扰环境下， 内部程序的可靠运行。 ( 4 ) 两个外部中断i n t o 和i n t l ，可编程为上升沿触发、下降沿触发或者上升沿和 下降沿均触发。 ( 5 ) 具有4 个中断优先级0 、1 、2 、3 ，优先级顺序从小到大。 ( 6 ) 具有标准的l o 针编程端口，p c 机通过编程电缆与目标系统直接连接，即可进 行程序下载和在线调试，无需仿真器。 高压静电除尘控制器的软件设计思想：由主程序、1 0 m s 外部中断程序、定时器a 中断程序、定时器b 中断程序组成。主程序主要完成初始化、通信处理、正常升压控制 及打火时的慢速升压控制、开关量输入输出、采样值线性映射等功能。几个中断服务程 温立群：基于嵌 式w e b 远程监控系统的研究与应用 序是协调工作的，1 0 m s 中断程序中进行打火时快速升压控制并装载启动定时器b ，定 时器b 中断程序中发出控制脉冲、采集备份通道数据并装载启动定时器a ，定时器a 中断程序中采集u 1 、1 1 、u 2 、1 2 四个通道的数据并进行火花检测【3 3 】。 软件开发环境d y n a m i cc 是用于编写嵌入式应用软件的一套完整的开发系统。它可 运行在i b m 兼容机上，是专为z w o r l d 控制器和基于r a b b i t 微处理器的控制器而设计 的，具有编辑、编译、链接、装载和调试等开发功能。 d y n a m i cc 在标准c 语言的基础上又进行了扩展( 比如共享变量、保护变量，互联 语句及公有函数等) 。中断服务程序可直接由c 语言编写。而且，d y n a m i cc 支持协作 多任务及抢先多任务处理，并且带有许多函数库( 全部为源代码形式) 。这些库支持实 时程序编制、芯片级i o ，并提供标准串和数学函数。另外，d y n a m i cc 还支持使用汇 编语言编程，编写汇编指令时不需要离开c 开发系统环境，并且c 和汇编语言还可以 混合应用。 在速度上，d y n a m i cc 能够直接对存储器进行编译，还可以对函数和库进行编译、 链接及远程下载。在速度较快的p c 机上，当波特率达到1 1 5 2 0 0 b p s 时，d y n a m i cc 可 在5 秒种之内下载3 0 0 0 0 个字节的代码。d y n a m i cc 在许多功能上都有所提高【”，本文 主要应用它的网络功能，d y n a m i cc 中包括了很多用于支持t c p f l p 开发环境的库( 如 z e r v e r l i b 、h t t p l i b 、f t p l i b 等) ，这些库详尽的提供了控制器工作于h t t p 服 务器和f t p 服务器时需要的数据结构和函数，可以方便的实现h t t p 服务器和f t p 服 务器功能。 2 1 2 嵌入式设备的输入输出 ( 1 ) 输入部分 本控制器的输入部分主要是7 路模拟量输入和1 2 路开关量输入，其中模拟量包括 升压变压器的1 1 、u 1 、1 2 、u 2 和三路备份通道。控制器周期的采集1 1 、u 1 、1 2 、u 2 四个通道的数据，应用于控制处理中，其中1 2 、u 2 还用于火花检测中。 1 2 路开关量输入，包括油面、轻瓦斯、油温下限、重瓦斯油温上限、主回路接通 接入点、安全连锁接入点、硬件过流和5 路备份通道。其中重瓦斯油温上限、主回路接 通接入点、安全连锁接入点、硬件过流属于停机故障，而油面、轻瓦斯、油温下限属于 非停机故障。在程序中利用函数r e a d d l 0 来读取这些开关量，如果发生重瓦斯油温上 限、主回路接通接