（机械电子工程专业论文）基于tcpip的远程监控系统研究.pdf

基于t c p ilp 的远程监控系统研究 摘要 随着计算机技术、信息技术、网络技术等在监控系统中得到充分利 用，远程监控技术得到了迅速的发展。、如何应用i n t e m e t 技术，合理组织软 件结构，使工作人员通过网络迅速获取设备运行信息并及时进行操作，成为 当前研究远程监控技术的一个重要方向。 论文结合现有监控系统，将t c p i p 通信技术应用于中央空调远程监控 系统中，完成了远程终端同主控中心之间的s o c k e t 通信，实现了跨平 台、多语言之间的直接通信。根据中央空调实际运行情况，提出了一套监控 方案，其中包括实时数据的采集和历史数据维护、中央空调运行信息的实时 察看、故障告警信息的察看等。系统采用基于t c p i p 通信协议的s o c k e t 通信技术，通过远程终端同主控中心之间建立s o c k e t 连接，实现远程数 据传输。在该系统中，运行u c l i n u x 嵌入式系统的远程终端采用c 语言实现 s o c k e t 服务器，主控中心使用j a v a 语言实现s o c k e t 客户端，通过它 们之间的通信来完成主控中心同远程终端之间的数据交互，同时制定了一套 适合于该系统传输数据的应用协议。论文还根据中央空调远程监控系统实际 需求，设计了一个较为完备的中央空调监控系统数据库，用来保存系统中所 涉及到的各种数据信息，其中包括系统用户信息、中央空调及其运行数据信 息、故障告警信息和维护记录等。 关键词：远程监控：t c p i p ：套接口：嵌入式； u c l i n u x r e s e a r c ho ft h er e m o t em o n i t o ra n d c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt c p i pp r o t o c o l a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h er e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o lt e c h n o l o g yi st h e r e s u l t so ft h e a p p l i c a t i o n s o fc o m p u t e rs c i e n c e ，i n f o r m a t i c sa n di n t e m e t t e c h n o l o g i e si nt h i sa r e a f o rt h et i m eb e i n gt h es y s t e m m a i n l yu s e si n t e r n e t t e c h n o l o g y i to r g a n i z e st h es o f t w a r es t r u c t u r e sr e a s o n a b l y , a n dt h e ne n a b l e st h e o p e r a t o r st og e ta l lt h ei n f o r m a t i o no ft h ee q u i p m e n t sq u i c k l ya n do p e r a t et h e m i nt i m et h r o u g ht h ei n t e r n e t t h et c p i pt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ot h er e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m o ft h ec e n t r a la i rc o n d i t i o n e r i tr e a l i z e st h es o c k e tc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e n t h er e m o t et e r m i n a la n dt h em a i nc o n t r o l l i n gc e n t e r , a n dt h e np u t st h ed i r e c t c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nd i f f e r e n tp l a t f o r m sa n dd i f f e r e n tl a n g u a g e si n t or e a l i t y b a s e do nt h eo p e r a t i o np r a c t i c eo ft h ec e n t r a la i rc o n d i t i o n e r , as e to fm o n i t o r i n g a n dc o n t r o l l i n gs t r a t e g i e si sp r o p o s e d i tu s e st h es o c k e tt e c h n o l o g yb a s e do n t c p i pp r o t o c o lt oc o n n e c tt h er e m o t et e r m i n a l ，w h i c hi st h ee m b e d d e du c l i n u x s y s t e m ，w i t h t h em a i n c o n t r o l l i n gc e n t e r , a n d t h e nr e a l i z e st h er e m o t e c o m m u n i c a t i o n s t h es y s t e mu s e scl a n g u a g ei nt h er e m o t et e r m i n a l st o i m p l e m e n tt h es o c k e ts e r v e r t h em a i nc o n t r o l l i n gc e n t e ru s e sj a v al a n g u a g e t oi m p l e m e n tt h es o c k e tu s e r st e r m i n a l ，a n dt h e nt h ec o n n e c t i o n sb e t w e e n t h e m c o m p l e t e st h e d a t a e x c h a n g i n gc o m m u n i c a t i o n s b e t w e e nt h em a i n c o n t r o l l i n gc e n t e ra n dt h er e m o t et e r m i n a l s a tt h es a m et i m et h i sp a p e rr a i s e sa s e to fa p p l i c a t i o na g r e e m e n t sf o rt h et r a n s f e r r i n gd a t ai nt h i ss y s t e m f i n a l l y , b a s e d o nt h ec u r r e n tn e e d so ft h er e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mi nt h e c e n t r a la i rc o n d i t i o n e r , t h i sp a p e rd e v e l o p sar a t h e rc o m p l e t ed a t ab a s ef o ri t t h i s d a t a b a s ei su s e dt ok e e pa l lk i n d so f d a t ai n f o r m a t i o ni n v o l v e di nt h es y s t e m k e y w o r d s ： r e m o t em o n i t o r & c o n t r o l ，t c p i p ， s o c k e t ， u c l i n u x 独创性( 或仓9 新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。醛我所知，除了文巾特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料盖有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：妄囊壮日期：1 乒鲤筵争牡 ， f 关于论文使用授权的说明 学位论义作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期j 日j 论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围， 本人签名：耋鐾丛 导师签名：二丕弪主。 适用本授权书。 日期：地! 兰坐 日期：怨王：芝f 第1 章缩论 1 1 引言 第1 章绪论 随着计算机技术、自动控制技术、通信技术、网络技术的发展，信息 交换的领域萨在迅速地覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次。 信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成 自动化系统为基础的企业信息系统。作为工业生产中非常重要的一项技术即 监控技术的重要性证在逐渐被人们所认识。 远程监控系统主要用于完成远程现场点的数据采集、处理、实时监控 等功能，传统的远程监控系统大多结合自动控制技术，主要应用于工业自动 化、工业控制领域。远程实时监控系统包含了信息传送、远端控制、故障监 测、远程诊断、维护等各种系统技术i i j 。 在现场设备分布广泛或数据不易采集的场合，要能够随时随地及时地 监视设备的运行状态并进行有效控制，这就是远程监控技术在工业上的需 求，它能够极大的提高系统运行效率。一般方案是采用现场总线技术，将各 个待监控设备连接起来，分布于各个设备的传感器、监控设备等就从分立单 元阶段进入了集成单元阶段，他们之间通过局域网连接起来，形成了一个内 部网( i n t r a n e t ) ，在一个小范围内基本上实现了资源和信息共享。 然而，现代用户对监控系统的要求，已经不仅仅满足于传统的小范围 内采集和控制输出，而是要和最新的网络技术相结合，同最新的管理技术相 结合，以高效、节省的方式，实现数据的共享及利用最大化。系统应该能够 从远端实时获取数据和对设备进行监控操作。对一个企业来说就是如何充分 利用现代技术解决实时数据的采集、传输和利用。例如，通过i n t e r n e t 网将 设备运行情况提供给服务器，工作人员在服务器端即可了解整个系统的运行 情况。 i n t e r n e t 的出现为远程监控的实施手段提供的新的资源和方法。在 i n t e r n e t 上，地域的差别几乎被抹除了，i n t e r n e t 在人与人之间、企业之间架 起一座桥梁，使信息的流量空前提高。i n t e r n e t 最大的贡献就是资源共享， 它有能力解决以前在极有限的资源下很难解决的问题，为远程监控系统的发 展提供了良好的条件】。 = ：=垫量些皇尘兰：! 兰竺圭耋竺兰兰： ：= ：= 1 2 课题来源及背景 本课题足北京市科委彩虹工程资助项目，将现代通信网络技术应用到 中央空调远程监控系统中，结合具体中央空调生产厂家的需求，为该厂家研 制一套基于t c p i p 技术的中央空调远程监控系统。 山于该公司销售规模较大，需要远程监管的中央空调设备分布区域 广，中央空调的监控管理及维护都十分不便在传统情况下，工作人员只能 定期地到工作现场检查，却不能及时地检测、发现空调设备实际存在的隐 患。基于网络的设备远程监控系统的研制有效解决了这些传统问题，不仅极 大地改善了工业过程的检测能力，使管理人员能够及时准确地了解现场的中 央空调运行情况，同时，降低了维护费用，减少了设备故障率，减少了维护 人员现场办公的次数，为该公司节约了大量的人员差旅费。而且真正做到了 从经营决策、计划管理、作业调度到设备控制都实现低成本、高效率的实时 自动化，这对于提高工业企业的竞争能力，保障企业生产力，获取更大的经 济效益，有着十分重要的意义。 丌发中央空调的远程监控和管理系统，必须采用标准化的技术，除了 采用标准化的硬件和网络环境，软件的接口也必须符合中央空调厂家遵守的 标准，尤其目前是以软件为主体的情况下，要实现异构网络、异构数据库、 异构系统的无缝集成，必须采用先进成熟的模块化技术、标准的接口技术以 及大家共同遵守的协议，只有这样爿能使得开发的系统和其他的系统得以集 成，形成更大、更强的系统。另外，由于i n t e r n e t 网络存在传输延时、传输 不确定性和存在安全隐患等固有性能，必须研究如何克服这些不利的影响， 建立合理的中央空调远程监控模型。 因为中央空调远程监控系统结构复杂、距离远，而且随着i n t e r n e t 和 w e b 技术的发展，必然使该系统的开发和使用覆对的是网络环境这样的异构 平台。面对这样的分布式网络环境，传统的c i s 模式已经很难满足要求，而 t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 通信技术和b s ( 浏 览器，服务器) 模式都能将底层网络环境很好地屏蔽起来，两者的结合可以 使应用系统的开发人员获得分布式对象技术的支持，并使用户得到友好一致 的用户界面。 在开发监控系统对，常用的一个方法就是建立基于w e b 的远程监控系 统，管理人员可以通过i n t e r n e t 访问信息库，在远离现场的地方比如在家或 第1 章绪论 在外地就可以看到设备运行情况并发送控制信息到控制系统，由系统自动或 出有关人员进行操作，以保证系统的顺利运行。与传统系统相比，这样可以 大大简化操作，实现大范围内的数据共享i 。 因此论文中所提到的远程监控即是指本地计算机通过网络系统( 特别是 i n t e m e t ) 对远端的中央空调设备进行监控，包括了中央空调的远程数据采 集、中央空调运行信息的实时查看和空调故障远程维护。而基于t c p i p 协 议通信的远程监控系统就是以i n t e r n e t 网作为通信平台的监控系统。 1 3 论文主要内容 论文共分五个章节来阐述基于t c p i p 的中央空调监控系统。第二章首 先简单介绍该项目中主要用到的技术t c p i p 通信协议及其具体应用。 第三章详细描述整个中央空调远程监控系统体系结构，同时介绍每个 模块之间的具体实现方式。 第四章重点描述中央空调监控系统各个模块之间的通信方式及其实现 原理，包括嵌入式系统同p l c 模块之间的串口通信、嵌入式系统同监控中心 的应用程序服务器之间基于t c p i p 的s o c k e t 通信及应用程序服务器和浏览 器客户端a p p l e t 之间的s o c k e t 通信。 第五章详细描述中央空调监控系统的数据库设计，及数据库服务器的 部署，该数据库服务器为基于l i n u x 操作系统的m y s q l 数据库服务器。 第2 章t c p 【p 协议原理 第2 章t c p i p 协议原理 t c p i p 协议的来源最早可以追溯到美国国防部赞助的研究网络 a r p a n e t ( a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y ) 。a r p a n e t 网最初使用n c p ( n e t w o r kc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议。逐渐地，a r p a n e t 网通过租用的电话线 连接了数百所大学和政府部门。但是当卫星和无线网络出现以后，利用这种 协议连接不同网络时出现了问题，需要一种新的参考体系结构，它能够无缝 隙地连接多个网络。这种体系结构在它的两个主要协议( t c p 和i p ) 出现以 后，就被称为t c p i p 参考模型。t c p 和i p 协议是由斯坦福大学的两名研究人 员于1 9 7 3 年提出的。由于t c p i p 协议具有跨平台的特性，a r p a n e t 的实验 人员在经过对t c p i p 的改进以后，规定连入a r p a n e t 的计算机都必须采用 t c p i p 协议。后来a r p a n e t 逐渐发展成为现在的i n t e r n e t 互联网，t c p i p 协 议也就成为i n t e r n e t 事实上的标准连接协议。现在，随着人们对数据共享和 分布式处理要求的不断提高，联网成了普遍要求，t c p i p 协议得到了越来越 广泛的应用，特别是在远程监控系统应用中【”。 2 1t c p i p 协议基本结构 t c p i p 协议中包括很多协议子集，如a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o n p r o t o c o l ，地址解析协议) 、r a r p ( r e v e r s ea r p ，逆地址解析协议) 、1 p ( i n t e r n e tp r o t o c o l ，互联网络协议) 、o s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ，内 部网关路由选择协议) 、b g p ( b o r d e rg a t e w a yp r o t o c o l ，外部网关路由选 择协议) 、i c m p ( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，互联网控制报文协 议) 、t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，传输控制协议) 、u d p ( u s e r d a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 等，以及应用层上的d n s ( d o m a i n n a m es y s t e m ，域名解析协议) 、s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n t p r o t o c o l ，简单网络管理协议) 、s m t p ( s i m p l em a i lt r a n s f e rp r o t o c o l ，简单 邮件传输协议) 、h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，超文本传输协议) 等 等。为了减少协议设计、实现的复杂性，t c p i p 协议采用了分层( 1 a y e r ) 或分级( 1 e v e l ) 的方式来组织整个协议栈。每一层都接受下层提供的服务， 并向它的上层提供自己的服务，但是把如何实现这一服务的细节加以屏蔽。 这样就好像一台机器的第n 层与另一台机器的第n 层直接进行对话，它们之间 ： = 兰；型! ! 些垒! ：；i 兰i 型耋i ! ；! 一：= ： ：= ： 进行对话的舰则就是第n 层的协议。f c p i p 协议是从工程应用中发展起来 的，注重效率，而不像o s ! 二层模7 键那样注重髓明协议的标准性，其参考模 1 _ 如图2 l 所示i 引。 2 1 1 应用层 图2 1t c p i p 通信协议模型 应用层 传输层 网络层 网络访问层 t c p i p 模型- i 的应川层主要为j 1j 户的应川程序提供网络服务。在t c p 的 应用层中，将数据称为“数据流( s t r e a m ) ”：而在用户数据报协议( u d p ) 的应用 层中，则将数据称为“报文( m e s s a g e ) ”。t c p 将它的数据结构称作“段 f s e g m e n t ) ”，而u d p 将它的数据结构称作“分组( p a c k e o ”，网络层则将所有 数据看作是一个块，称为“数据报( d a t a g r a m ) ”。t c p i p 使用很多种不同类型 的底层网络，侮一种都用不同的术语定义它传输的数据，大多数网络将传输 的数据称为“分组”或“帧( f r a m e ) ”。 第2 章t c p i p 协议顾理 2 1 2 传输层 传输层的功能是使源端和目标端主机上的对等实体可以进行端到端的 通信。该层主要包括两种协议，t c p ( t r a n s m i s s i o t lc o n t r o lp r o t o c o l ，传输控 制协议) $ 1 u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 。t c p 是面相连接 的，它为两台主机提供高可靠性的端到端的数据通信，适合于一次传输大批 数据的情况，并适用于要求得到响应的应用程序。另一方面u d p 提供了一 种无连接韵简单豹通信服务，它不检测数据传送的可靠性，适合子一次传输 小量数据，可靠性由应用层来负责。选用u d p 作为一种数据传输服务的原因 有多种，如果传输的数据量很少，那么为建立连接和确保可靠传输而花费的 开销可能比重新传输全部数据的开销还高，因此这种情况下，u d p 协议就是 传输层协议最佳选择。 使用“查询一响应”方式的应用程序也非常适宜使用u d p 其响应可以用 作对查询的肯定确认，如果在一定的时间内没有收到响应，应用程序便发出 另一个查询。 2 1 3 网络层 网络层负责把下层传来的数据进行分组，并进行必要的路由算法，把 这些分组通过相同或者不同的路径传向目标。网络层协议包括的协议有i p 协 议( 隅际协议) 、i c m p 协议( 网际控制报文协议) 和i g m p 协议( 网际组管理协议) 等。网问协议i p 是t c p i p 的核心，也是网络层中最重要的协议。i p 可提供基 本的分组传输服务，这是构建t c p i p 网络的基础。不管是出去的还是进来的 所有的t c p i p 数据都流经i p ，与它的最终目的地无关。 i p 是一个“无连接协议”，它需要依靠其它层的协议提供错误检测和错 误恢复。有时将该两闻协议称为“不可行协议”，因为它并不包含错误检测和 恢复的程序代码。这并不是说i p 协议是不能信赖的，恰恰相反，它可以正 确地将数据传送到己连接的网络，不过它并不检验数据是否被正确地接收。 必要时，t c p i p 结构中其它层的协议可以提供这一检验功能。 2 1 4 网络访问层 网络访问层r n e t w o r ka c c e s sl a y e r ) 是t c p i p 协议结构的最低层，它负责 数据帧的发送和接收。该层通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中 北京邮电大学工学硪t ：学位论立 对应的嘲络接口每。 该层中的协议提供了一种数据传送的方法，使得系统可以通过直接连 接的网络将数据传送到其它设备，并定义了如何利用网络来传送数据报。网 络访问层协议与较高层协议不一样，它必须知道底层网络的各种细节( 如它 的分组结构、寻址方式等) ，以便准确的格式化传输的数据，使其遵守网络 规定f 叫。 网络访问层执行的功能包括将i p 报文封装成被网络传输的帧，并将i p 地 址映射为网络使用的物理地址。在两端点通讯时，网络访闯协议种类繁多， 每一个协议都对应一种物理网络标准。 t c p i p 协议的核心是传输层协议( t c p 与u d p ) 、网络层协议( i p ) ， 它们通常在操作系统的内核中实现。操作系统的内核是不能直接为一般用户 所感受到的，一般用户感受到的只有应用程序，应用程序只有通过网络应用 编程界面( 套接字) 与t c p i p 的内核联系。套接字( s o c k e t ) 相当于应 用程序和其他应用程序通信的输入输出接口。程序员可以将s o c k e t 看作是 一个文件指针，只要向指针对应的文件读写数据，就可以实现网络通信i ”。 2 2t c p 基本原理 由于在中央空调监控系统中，主要用到的是基于t c p 的s o c k e t 通信 协议，t c p 协议是传输层主要包括的协议。t c p 协议是一种可靠的、面向 连接的、字节流协议。它为两台主机提供高可靠性的端到端的数据通信，适 合于一次传输大批数据的情况。并适用于要求得到响应的应用程序。 t c p 协议工作于i p 层之上。它提供可靠的，按序传送的服务。t c p 的 连接是双工的( 全双工) ，既可以用于发送数据，同时也可以接收数据。在 使用t c p i p 传输数据之前，必须先建立t c p 连接，在数据传输过程中， t c p 提供流量控制，并通过相应的机制保证数据可靠的传输。当应用层不 再使用连接后，需要关闭连接。t c p 负责把要传送的数据分成若干个数据 包，并给每个数据包加上包头，包上有相应的编号这样可以在数据接收端将 数据还原为原来的格式。在传送过程中可能出现数据包丢失或损坏的情况， 如果接收方在规定时间内不能收到这些数据包，t c p 协议会让发送方重新 发送丢失的数据包直到数据包正确到达接收方或出现网络超时。 兰! 薹! ! ! ! ! 竺堡坚堡 2 ，2 1 连接管理 t c p 连接管理的目标是使连接的建立和释放正常进行。要达到这一目 标，在连接建立的过程中要解决三个问题： 使连接双方都确知对方的存在； 允许双方协商一些参数( 如最大报文长度，最大窗口大小和服务质量 等) ； 对实体资源进行分配( 如：缓冲区大学，连接表项目等) 。 连接简历的过程是一次三次握手的过程，该过程通常由一个t c p 协议 ( 客户端) 发起，然后由另一个t c p 协议( 服务器端) 响应。客户端首先 发送一个s y n 信号请求连接，然后等待服务器端的应答信号，在收到这个 应答信号后，客户端再发送一个确认的信号，这样才正式建立连接。 三次握手结束以后，连接就建立起来，参与通信的双方都可以通过该 连接传输数据。在通信结束后，连接豹双方都可以释放连接。主动提出关闭 连接请求的一方被成为主动关闭方。主动关闭方将发送一个f i n 信号，然 后等待对方应答，如果超时，将重发f i n 。被动关闭方在收到f i n 后，发送 一个a c k 信号，之后再发送一个f i n 信号到对方。主动关闭方收到对方发 送的f i n 后，发送一个a c k 信号，并等待一段时间释放本端连接。 2 2 2 可靠的数据传输 t c p 提供可靠豹数据流赧务，是通过使用颓序号，确认重传机制来实 现的。应用数据被分割成t c p 认为最合适发送的数据块。这不同意u d p ， u d p 中应用程序产生的数据报长度保持不变。曲t c p 传递给i p 的信息单位 称为报文段或段( s e g m e n t ) 。 当t c p 发出一个掇文段焉，它启动一个定时器，等待甚的端确认收到 这个报文段。如果超出定时器仍未收到确认，将重发该报文段。接收方应对 已经正确收到的数据流中最后收到的字节进行确认。采用的确认方法是累计 确认确认信息指出的是接收方期望收到的下一个字节的序号，这就说明了 该序号之前的数据都已经收到。 t c p 将保持它首部和数据豹校验和。这是一个端到端的校验和，目的 是监测数据在传输过程中的任何编号。如果收到段的校验和有差错，t c p 将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段( 希望发端超时并重发) 。 ：= ： 兰塞些里至兰些型；茎丝窒三一一：一： ：一：! ： t c p 报文段作为i p 数据报来传输，到达可能失序。t c p 将收到的数据 进行重新排序，以难确的顺序交给应用层。如果i p 数据报发生重复，t c p 的接收端将丢弃重复的数据。 2 2 3 流量控制的实现 t c p 的流量是通过滑动窗口机制实现的，滑动窗口技术是简单的带重 传中肯定确认机制的一个更复杂的变形。滑动窗1 3 协议允许发送方在等待一 个确认信息之前可以发送多个分组，这样就提高了网络带宽的效率。 从概念上讲，滑动窗口协议要记录哪些分组已经被确认，并为每个未被 确认的分组设定定时器。如果某个分组丢失，对应的定时器超时之后发送方 就会重新传输这个分组。发送方滑动窗口时要把所有已经确认的分组移到窗 口之外。在接收方，也有一个类似的窗口，在分组到达之后进行接收并送回 确认信息。因此，窗口把所有的分组划分成三个部分：窗口左边的分组是已 经成功地传输、接收和已经确认的，而窗口右边的分组是还没有发送的，窗 1 3 内的分组是已经发送了的( 还没收到确认) 。窗口中序列号最小的分组是 还没有收到确认的分组序列里的第一个分组。 t c p 所采用的窗1 ：3 机制特点是允许随时改变窗1 ：3 大小。在每个确认 中，除了指出已经收到的字节数外，还包括了一个窗口的通告来说明接收方 还能再接收多少字节的数据。可以把窗口通告的值当做当前接收缓冲区的大 小。相应于窗口通告值的增加，发送方扩大发送窗口，继续发送尚未发送的 字节。而相应于窗口通告值的减小，发送方降低发送窗口的大小并停止发送 处于窗口边界之外的字节。t c p 不会因为窗口的收缩以至于超越了以前在 字节流中的位置而造成冲突。变小的通告知是随着确认信息而来的，也就是 说窗口的大小在向前滑动时改变。 t c p 的窗口机制提高了传输效率。由于t c p 窗口机制可以在接收到确 认信息之前发送多个报文段，这种机制使得网络处于忙碌状态，提高了整个 网络的吞吐量。同时这种窗口机制还实现了流量控制，它允许接收方在拥有 足够的容纳数据的缓冲空间之前对传输进行限制。如果接收方的缓冲区快要 满了，不能接收更多的分组，这时它就发出小的窗口通告值，这样双方就会 放慢发送的数率。在极端的情况下，接收方使用零通来停止所有的传输。而 在缓冲区空间又可用之后，接收方通过一个非零窗口值再次触发数据流睛】。 第3 章中央空调远程监控系统 第3 章中央空调远程监控系统 3 1 中央空调远程监控系统的体系结构 中央窄调远程监控系统主要的通信平台为i n t e r n e t 网，整个系统设计采 用了基于b s 模式的三层结构，图3 一l 为中央宝调远程监控系统框图。 圈3 一l 中夹空调远程苤控系统框匿 中空调远程监控系统主要分为三大部分，嵌入式远程终端，浏览器客户 端和主控中心。其中远程终端包含了p l c ( 可编程逻辑控制器) 和嵌入式 北京邮i u 人学工学倾_ ：学位论文 系统，监控中心是一台基于l i n u x 操作系统服务器，它包含应用程序服务 器、数据库服务器和w e b 服务器，方面用户可以通过监控中心的界面查 看d ：央空调告警信息，另一方面用户可以通过浏览器客户端管理空调，同时 查看空调的运行信息， 这三大模块之间的通信主要是基于i n t e r n e t 网来完成，通信协议采用当 今i n t e r n e t 网上最流行的t c p i p 协议和h t t p 协议。其中远程终端和主控 中心之间采用基于t c p i p 的s o c k e t 套接口通信，而浏览器客户端同主控 中心之间采用h t t p 协议和s o c k e t 套接口进行通信，用户可以在客户端 通过浏览器直接查看中央空调的运行信息。 3 2 嵌入式远程终端 嵌入式远程终端直接部署在中央空调机组上，它负责采集中央空调运行 信息，同时将这些信息发送给主控中心，完成中央空调监控系统同主控中心 之问的通信。图3 2 是该监控系统远程终端的硬件结构框图。 图3 2 远程终端硬件结构框图 从图3 - 2 我们可要看出，在远程终端中，包括西门子s 7 2 0 0p l c 控制 第3 章中央窀调远程监控系统 器、i 星的s 3 c 4 4 b o xa r m 芯片、以太网控制器、串口芯片和f l a s h 存 储器等。远程终端主要为基于三星公司s 3 c 4 4 b o x 的a r m 7 芯片嵌入式系 统。它通过串口芯片从p l c 控制器上采集中央空调的运行信息，进行简单 的数据处理后通过以太网控制器发送给主控中心。 3 2 1p l c 控制器 在中央空调监控系统中，获取空调的运行信息主要从安装在中央空调 机组上的p l c 控制器的内存单元中获得。这里用到的p l c 控制器为德国西 门子公司生产的s i m a t i cs 7 - - 2 0 0 系列的产品。 西门子公司相继推出了p l c 系列的产品，有s 5 系列、s 7 系列、m 7 系 列和c 5 系列等等，其中s 7 系列的p l c 以其强大的功能、快速的处理速 度、良好的性能得到了广泛的应用。该系列产品包括适用于微型控制环境的 s i m a t i cs 7 2 0 0 系歹 j 、适用于中型控制环境的s i m a t i cs 7 3 0 0 系列和具 有中高档性能的s i m a t i cs 7 4 0 0 系列三种类型。模块化、无排风扇结构， 易于实现分布、用户容易掌握等特点使得s 7 系列成为各秘小规模和中等性 能要求控制任务方便又经济的解决方案1 9 j 。 s 7 2 0 0 系列是一种微可编程逻辑控制器( m i c r op l c ) 。它能控制各种 设备以满足自动化控制需求。s 7 2 0 0 的用户程序包括了位逻辑、计数器、 定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通信等指令内容，从而使它能够 监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和 强大的指令集使s 7 2 0 0 成为各种控制器应用的首选方案。 前盖： 图3 3 西门子s 7 2 0 0p l c 控制器结构图 ：= ：= 。：= ： 兰室坚呈奎i 呈璧堡圭兰堡篁兰= ：= 一：= ：= ：= ： s 7 2 0 0c p u 将一个微处理器、一个集成电源和数字量i o 点集成在一 个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型p l c ，其结构如图3 3 所示1 1 。 3 2 2 嵌入式系统 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬 件可裁剪、适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的 专用计算机系统。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计 算机的外部设备中就包含了5 一1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、 硬盘、显示卡、显示器、m o d e m 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相 机、u s b 集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、 通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方 面均是嵌入式计算机的应用域。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体 技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它 必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的集成系统【。 在中央空调远程监控系统中，所采用的嵌入式系统是基于u c l i n u x 的操 作系统，硬件环境为三星公司的s 3 c 4 4 b o x 系列的a r m 7 芯片。 s 3 c 4 4 8 0 x s 3 c 4 4 b o x 是韩国三星公司( w w w s a m s u n g c o m ) 一款以a r m 7 t d m i 为内核的微处理器，正日益受到广泛的应用。s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位 r i s c 处理器s 3 c 4 4 8 0 为一般类型应用的用户提供了高性价比和高性能的微 控制器解决方案。为了降低成本，s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的内置部件，包括 8 k bc a c h e ，内部s r a m 。l c d 控制器，带自动握手的2 通道u a r t 等 1 2 】。 s 3 c 4 4 b o x 采用了a r m 7 t d m i 内核，0 2 5 u m 工艺的c m o s 标准宏单 元和存储编译器。他的低功耗精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和 功耗敏感的应用。同样s 3 c 4 4 b o x 还采用了一种新的总线结构，即 s a m b a i i ( 三星a r mc p u 嵌入式微处理器总线结构) 。s 3 c 4 4 b o x 的杰出 性篚是源于它的c p u 核，它是由a r m 公司设计的1 6 3 2 位 a r m 7 d m i r i s c 处理器( 6 6 m h z ) 。a r m 7 t m d i 体系结构的特点是它集成 了t h u m b 代码压缩器，支持i c e 端点调试，同时具有一个3 2 位的硬件乘法 器。另外，s 3 c 4 4 b o x 通过全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路 l 】除处i 坐器以外的冗器件配置，从而进一步最小化系统的成本。图3 - 4 是 s 3 c 4 4 b o x 内部系统结构图1 13 1 。 u c l i n u x 图3 4s 3 c 4 4 b o x 内部系统结构图 通常操作系统本身所涵盖的内容十分的广泛，而且每种操作系统都有 自己的特点。嵌入式操作系统，继承了通用操作系统的基本思路和原理，针 北京邮l 毡人学1 一学砸j 学位论文 对应用领域和依赖的处理器的特性进行了优化，去除了一些冗余的功能，加 强了一些嵌入式领域特殊的需求。对嵌入式系统的评价指标分为了嵌入式领 域所特别关注的和基础设施两部分，前者包括支持的微处理器。所占用的内 存，任务调度方式，系统构架，实时性等。后者包括任务问通信方式，是否 支持t c p i p 协议栈，图形支持等。常见的嵌入式操作系统有v x w o r k s 、 w i nc e 、q n x 等，这里采用的是源于l i n u x 系统的u c l i n u x 嵌入式操作系 统。 珏e l c o m e1 ；o ，二i ii 二 、ii i 、 f 、 i i 、i 、一、一 f o rf u r c h e r1 n f o r l m a ti o nc h e c k ： h t t p ： w w u c l i n u x o r g t h i sp o r tcanb erunu n d e r5i e d a 。sa r kd e v el o p m e n tb o a r d h t t p ：v v w 5 l e d a 。c o r n 囤3 5u c l i n u x ) b 动界面 图3 5 是u c l i n u x 成功启动后的界面。u c l i n u x 是嵌入式l i n u x 操作系统 的一个分支，同标准的l i n u x 相比，出于u c l i n u x 自身不支持m m l ，多任务的 实现就需要技巧了。但是，在u c l i n u x 上运行的绝大多数的用户程序并不需 要多任务。另外，针对u c l i n u x 内核的二进制代码和源代码都经过了重新编 写，以紧缩和裁剪基本的代码。这就使得u c l i n u x 的内核同标准的l i n u x 内核 提比非常之小，但是它仍保持了l i n u x 操作系统的主要的优点，如稳定性、 强大的网络功能和出色的文件系统支持等。u c l i n u x 包含l i n u x 常用的a p i 、 小于5 1 2 k 的内核和相关的工具。操作系统所有的代码加起来小于9 0 0 k b 。 u c l i n u x 有一个完整的t c p i p 协议栈，同时对其他许多的网络协议都 提供支持。这些网络协议都在u c l i n u x 上得到了很好的实现。u c l i n u x 可以 称作是一个针对嵌入式系统的优秀网络操作系统。u c l i n u x 所支持的文件系 统有多种其中包括了最常用的n f s 网络文件系统) 、e x t 2 、r o t o r s 、m s d o s 及f a t l 6 3 2 等1 1 4 1 。 第3 章中央空调远程监控系统 u c l i n u x 和l i n u x 的异同 u c l i n u x 是针对控制领域的嵌入式l i n u x 操作系统，它从l i n u x2 0 1 24 内 核派生而来，沿袭了主流l i n u x 的绝大部分特性。适合不具备内存管理单元 ( m m u ) 的微处理器微控制器。没有m m u 支持是u c l i n u x 与主流l i n u x 的基本 差异。标准l i n u x 是钊对有m m u 的处理器设计的。在这种处理器上，虚拟地 址被送至u m m u ，把虚拟地址映射为物理地址。通过赋予每个任务不同的虚 拟物理地址转换映射，支持不同任务之间的保护。 对u c l i n u x 来说，其设计针对没有m m u 的处理器，不能使用处理器的虚 拟内存管理技术。u c l i n u x 仍然采用存储器的分页管理，系统在启动时把实 际存储器进行分页。在加载应用程序时程序分页加载。但是由于没有m m u 管理，所以实际上u c l i n u x 采用实存储器管理策略。u c l i n u x 系统对于内存的 访问是直接的，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。操作系统对内 存空问没有保护，各个进程实际上共享一个运行空间。一个进程在执