（农业机械化工程专业论文）基于internet远程监控系统研究.pdf

摘要 随着科学技术的迅速发展，作为工农业生产中非常重要的一项技术即监控技术， 其重要性正在逐渐被人们所认识和重视。在测控领域，监测技术、计算机技术与通信 技术的紧密结合使计算机网络得以迅速普及和发展。在现场设备分布广泛或数据不易 采集的场合，要能够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 术在工农业生产上的要求。本论文主要阐述了本地计算机通过网络系统 i n t c m c t i n t r a n e t ，对远端的测控系统进行监视和控制，完成对分散控制网络的状态监 控。 c s ( s e r v e r c l i e n t ) 技术具有简单、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。基于c s 的远程监控系统是以网络作为通信平台的监控系 统。本文主要研究了基于c s 模式的网络实时监控系统的关键技术。本系统采用 l a b w i n d o w s c v i 虚拟仪器开发平台，利用网络通信、数据采集及面向对象等技术实 现了系统管理、用户管理、设备监控、数据显示及报警等功能，其优点是充分利用了 现有的局域网和广域网资源，以较高的性能价格比，以信息的实时获取和实时控制为 中心，实现信息、资源、任务的共享和全局一体化的管理。本系统操作简单、界面标 准、生动直观，方便了用户的使用。其数据操作对用户都是透明的，一切都由服务器 及专用的软件来处理。 由于控制网络与信息网络的技术要求与特点不同，本文对如何实现控制网络与信 息网络的融合进行了分析和研究：对比介绍了t c p i p 及d a t a s o c k c t 的动态交换技术； 对远程监控系统的实时性进行了研究，并在现有条件的基础上提出了一些提高系统实 时l 生的措施和方法；针对基于三层c s 远程监控系统的特点，网络安全在系统中占有 非常重要的地位，本文对网络通信中的基本安全技术进行了阐述，提出了一些加强网 络安全的措施；介绍并使用了一些常用的软、硬件抗干扰技术；用畜禽舍远程监控的 实例来说明系统构架的可行性、实用性和可靠性。 关键词：虚拟仪器；远程监控；c ，s ；l a b w m d o w c ；d a t a s o c k e t i n t c m c t s t u d y o nr e m o t e m o n i t o r i n ga n d c o n t r o l s y s t e mb a s e do ut h ei n t e r n e t a g r i c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o nw a n g j i a n x i n t u t o r y a n gs h i - f e n g a h s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n e ea n dt e c h n i q u e t h ei m p o r t a n c eo f m o n i t o r i n ga n d c o n t r o lt e c h n o l o g yh a s b e i n gu n d e r s t o o da n dr e c o g n i z e dg r a d u a l l yo v e r a l l 也ew o r l d i n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lf i e l d s t h ec o m b i n a t i o no fm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nm a k e i n t e r n e ts p r e a d e ra n dd e v e l o p e d r a p i d l yi nt h ef i e l d o fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m i nt h es i t u a t i o no f e q u i p m e n t sd i s t r i b u t e dw i d e l ya n d d a t a a c q u i s i t i o nd i f f i c u l tt h er e m o t em o n i t o r i n g a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yi sn e c d e dt o m o n i t o ra n dc o n t r o lt h eo p e r a t i n gs t a t eo f e q u i p m e n ti nt i m e t h ep a d e ri n t r o d u c ec l i e n t s m o n i t o ra n dc o n t r o lt h er e m o t em e a s u r e m e l i t s y s t e mt h r o u g h i n t e m e t t h ec s ( c l i e n t s e v e r ) t e c h n o l o g yt h a th a st h ea d v a n t a g eo f e a s ya n de f f e c t i v eh a s b e i n gt h em o s tw i d e s p r e a di n f o r m a t i o ne x c h a n g ep l a t f o r mo fi n t e m e t 1 1 1 ep a p e rs t u d y r e a l t i m er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r 0 1t e e h n o l o g ya n dd e s i g nar e a l t i m em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l s y s t e mb a s e do nc sm o d e l n 坨s y s t e mb o t hu s ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo f l a b w i n d o w s c v ia n dm a k ef i l l lu s eo fi n t e m e tc o m m u n i c a t i o n d a t aa c q u i s i t i o n a n d o b j e c t o r i e n t e d p r o g r a r m a x m gt e c h n o l o g y t o p e r f o r m s y s t e mm a n a g e m e n t ，u s e r m a n a g e m e n t ，e q u i p m e n tm o n i t o r i n g ，d a t ad i s p l a ya n da l a r mf u n c t i o n t h e r eh a v em a n y a d v a n t a g e si nt h i ss v s t e ms u c ha st a k i n gf u i ia d v a n t a g eo f n e t w o r kr e s o u r c ea n dh i g h e r q u a l i t yr l e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t h es y s t e mo p e r a t i o ni n t e r f a c ei ss i m p l e s t a n d a r da n d v i v i d ju s e tc a nr u nt h es y s t e mc o n v e n i e n t l y 码es p e c i a ls o r w a r ec a nd e a lw i t hm u c ho f t e d i o u sw o r ks ot h eu s e rc a ni g n o r et h es o u r c eo ft h ed a t aa n dh o wt od u tt h e mt o g e t h e r i n t oa l lo r d e r l y , f u n c t i o n a l ，s t r u c t u r e dw h o l e b e c a u s eo ft h ed i f i e r e n c eo ft h ei n t e r a c tn e t w o r ka n dt h ec o n t r o ln e t w o r ki n c h a r a c t e r i s t i c s h o wt or e a l i z et h ei n t e g r a t i o no fi n f o r m a t i o na n dh o wt oa n a l y z e dt h e ma r e t h ek e yq u e s t i o ni nt h i sp a p e r t h i sd a l e ) e ri n t r o d u c e st c p i p , d a t a s o c k e ta n dd y n a m i cd a t a e x c h a n g et e c h n o l o g y n l i sp a p e rs t u d i e st h er e a l t i m ec h a r a c t e ro ft h er e m o t em o n i t o r i n g a n dc o n t r o i s y s t e m ，a n dp u t s f o r w a r ds o m em e a s u r e m e n tm e t h o d s d e p e n d i n g o n e x p e r i m e n t a t i o n n l ep a ! c i e ri n t r o d u c e st h eb a s i cn e t w o r ks a f e t ya n dp r e s e n t ss o m e m e t h o d s t om a k ei n t e r n e tc o m m u n i c a t i o ns a f e ri nt h r e e l a y e r s c sm o d e l t h i s p a d e r a l s o i n t r o d u c e sa n t i - j a m m i n gm e a s u r e m e n t so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e a tl a s t ，t h ep a d e rp r o v e s t h es y s t e md e p e n d a b l et h r o u g has a m p l e k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；r e m o t em o n i t o r i n g a n d c o n t r o l ；c s ；d a t a s o c k e t ； i n t e m e t ；l a b w i n d o w s c v i ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得洹j e 壅些太堂或其它 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。 学位论文作者签名； 互建搿 签字日期；勋口年年f 月f 了日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解趣j k 盘些盘堂有关保留及使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门( 机构) 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查( 借) 阅。本人授权塑j e 塞些态堂可以将论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等方法加以保存或编成学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名互= 旋新导师签名 签字日期：2 鲫手 年f 月, - - f a 签字日期占月，7 目 基于i n t e m e t 远程监控系统研究 1 1 远程监控系统概述 1 引言 从设备故障检测技术的诞生到现在的几十年中，产生了许多监控程序和系统。计算机监控系 统是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象( 生产过程) 共同 构成的整体。在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。但大多数系统都是 面向单台，或单一类型的设备。而随着生产力的进步，设备的分布越来越复杂。单一的，各自独 立的监测系统已不能适应工业化的需求，于是便产生了分布式系统。这种系统以计算机网络为基 础。使系统资源分配趋于合理。但是由于目前运行的绝大多数分布式监测系统还只是在局域网上， 通常的测控仅局限于同一地点。所以具有一定的地域局限性。 在现代工农业的生产和管理中，大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数需要进行实 时检测、监督管理和自动控制。由于工农业生产过程控制要求的高环境适应性、高实时性、和高 可靠性等特点，自动控制与检测技术一直沿着自己的道路发展，测控领域所使用的通信技术都自 成体系，许多通信协议不开放。 虚拟仪器的出现为远程监控的实施提供了新的资源和方法。在i n t e m e t 上，地域上的差别几 乎被抹除了，人们无法从网页浏览速度或电子邮件的传递时间来判断地理位置的远近，i n t e m e t 在人们之间、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 a c t 最大的贡献就是资源共 享，它能互通有无，从而使人们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 系统的发展提供了有利的条件。 计算机领域又经历了一场新的革命，它结合了现代控制技术、图形技术，其目标是随时随地 为人们提供无缝的、高质量的、易用的、廉价的信息资源，使其能真正进入人们的生活。在计算 机技术、电子技术和通信技术迅猛发展的过程中，监控系统的技术水平也从初期的模拟信息传输 与控制飞速发展到了数字化、网络化信息传输与控制。 远程监控就是建立在现代的计算机技术、通信技术、控制技术以及图形技术上的一个新的应 用。远程监控的监视点与控制中心分别位于两地，打破了地域的界限，需要通过网络来连接传递 信息。它采用多元的信惠传输、监控、管理和一体化的集成技术，实现了信息、资源和任务的共 享，达到了监控的实时、快速和有效，并能够跟其它的计算机网络系统互连，向人们提供了一个 更高效、更全面、更安全、更快捷的服务模式，改变了传统的监控模式。 随着网络技术的不断发展，远程监控将更多地应用在工农业生产过程的管理中，专业技术人 员可以通过互联网来管理和维护生产过程，优化生产工艺，提高设备的利用率，最终降低生产成 本，提高效益。 河北农业大学硕士学位论文 1 2 远程监控技术国内外研究动态及分析 远程监控与故障诊断技术1 1 - 4 是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e m e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有 来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了有关远程诊断系统开放式体系、 诊断信息规程、传输协议，以及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望。由斯坦福大 学和麻省理工学院合作开发基于i n t e m e t 的下一代远程诊断示范系统，这项工作同时也得到了制 造业、计算机业和仪器仪表业的s u n 、h p 、b o e i n g 、i n t o l 、f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通 力配合。之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统t e s t b e d 。t e s t b e d 用嵌入式w e t ) 组网、 用实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 初步形成在i n t e m e t 范围内的信息监控和诊断推理。 另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e m a l l i a n c e ) 、m f p t ( s o c i e t y f o r m a c h i n e r y f a i l u r e p r e v e n t i o n t e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o n m o n i t i o na n d e n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 等，也纷纷通过网络进行设备故障诊断咨询和技术推广工 作，并制定丁一些信息交换格式和标准。许多大公司在他们的产品中加入了i n t e m e t 的功能，如 b e n t l y 公司的计算机在线设备运行监测系统d a t am a n a g e r2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换 ( n e td d e ) 的方式向远程终端发送设备运行状态信息；著名的n a t i o n a l n s t r u r a e n t s 公司也在它 的产品l a b w i n d o w s c v i 以及l a b v i e w 中加入了网络通讯处理模块，因而可以通过w w w 、f t p 、 e m a i l 方式在网络范围内进行监控数据的传送。法国“a l a r m ”研究组对生产过程的智能报警 和监控系统进行了长期研究并在多个项目中进行了应用。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。目前，西安交大、华中科技大学、哈尔滨工业 大学、南京理工大学等高校已取得了较为先进的研究成果，如西安交通大学研制的“大型旋转机 械计算机状态监测系统及故障诊断系统r m m d ”、华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断 系统k b g m d ”、哈尔滨工业大学的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统m m m d e s ” 等。 目前远程监控技术的主流是应用i n t e r n e t 技术，在t c p f l p 协议和w w w 规范的支持下，合 理组织软件结构，使工作人员通过访问网络服务器来迅速获取自己权限下的所有信息并及时做出 响应。将来，嵌入式系统的发展会越来越迅速，越来越成熟，这项新技术迟早必将用于远程监控 系统上，是监控系统未来发展方向之一。嵌入式监控系统可以使信息实现本地化处理，改善服务 器性能，可以使每一个设备具备上网与服务功能，即每一个设备都可以独立进行服务，从而大大 提高监控的质量和范围。 随着网络技术的飞速发展和监控范围的扩大，监控系统由过去的单机监控过渡到现在的网络 监控，但目前还存在着一些问题。首先，网络通信技术不足的问题。网络通信技术是远程监控技 术中最为关键的技术，然而，目前网络通信一般简单采用s o c k e t 技术，甚至f t p 或e m a “等， 这些技术无论在传输的数据量、编程的灵活性还是安全性方面都有很大的欠缺。特别对于现场多 个端点的数据采集，会大大增加编程的复杂度，不能满足远程监控技术对网络通信的需求。其次， 网络通信中多种结构并存的问题。目前的远程监控系统结构大多比较复杂，分布距离远，而且还 基于i n t e m e t 远程监控系统研究 存在着不同局域网，不同平台，甚至在同一局域网中的操作平台以及编程语言也有可能不同的问 题，这就要求集成网络中的不同平台，实现不同平台之间的通信，而这些问题采用传统方法是难 以解决的。 1 3 虚拟仪器技术 1 3 1虚拟仪器技术的概念和特点 伴随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电工电子测量技术领域的应 用，测量仪器不断进步，依次出现了数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器，同时也由单台仪器 逐渐发展到叠架式仪器系统、虚拟仪器系统等等。经剖析不难发现，任何传统仪器无非由以下三 大功能模块组成，即对被测信号的采集与控制、数据的分析与处理、测得结果的表达与输出。传 统仪器的这些功能模块都是以硬件( 或固化的软件) 形式存在的。 虚拟仪器技术是日益发展的计算机技术、仪器技术、传感器技术密切结合，共同孕育出的一 项新成果，是上世纪9 0 年代计算机系统和仪器系统技术革命的产物。以计算机作为仪器统一的 硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同 时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机融为一体，构成一台从外观到功能 都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分利用计算机系统资源的全新仪器系统。由于仪器的专业 化功能和面板控件都是由软件构成，因此国际上把这类新型仪器称为“虚拟仪器”。虚拟仪器的 出现，彻底改变了传统的仪器观，开辟了测试技术的新纪元。 虚拟仪器的概念首先由美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s m a n e n t s c o r p o r a t i o n ，简称n i ) 于1 9 8 6 提出。虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式。它给用户一个 充分发挥自己才能和想象力的空间用户( 而不是厂家) 可以随心所欲的根据自己的需要，设计 自己的仪器系统，满足多种多样的仪器需求。在虚拟仪器系统中，硬件只是为了解决信号的输入 与输出，软件才是整个系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法很方便的改变、 添减仪器系统的功能和规模，所以有“软件就是仪器”之说。传统仪器与虚拟仪器的比较如表1 一 l 所示。 从这个比较中不难看出虚拟仪器的巨大优越性】。虚拟仪器系统的概念是测控系统的抽象， 不管是传统的还是虚拟的仪器，它们的功能都是相同的：数据采集，对采集的数据进行分析处理， 然后显示并输出处理结果。它们的不同主要表现在灵活性方面。虚拟仪器由用户自己定义，这就 意味着我们可以自由组合计算机平台、硬件、软件以及各种完成应用系统所需的附件，而这种灵 活性在传统仪器上是达不到的。 虚拟仪器技术利用p c 机高速数据采集和处理能力，对被测对象进行数据采集、分析( 如叠 加、平均、数字滤波等) 、存储、显示等。虚拟仪器排除了干扰信号和模拟电路引起的误差，大 大提高了测试精度。虚拟仪器控制功能强，有自动调零、自动调节量程、自动转换极性和自动校 河北农业大学硕士学位论文 准的功能。虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，在计算机屏幕 上建立起图形的软面板来代替常规的仪器控制面板。用户通过鼠标或键盘操作软面板来进行操 作。且操作方便，易于掌握。 表1 1虚拟仪器与传统仪器的比较 传统仪器虚拟仪器 仪器厂商定义 硬件是关键 仪器功能、规模固定 封闭的系统，与其它设各相连受限制 价格昂贵 技术更新慢( 周期5 1 0 年) 开发维护费用高 用户自己定义 软件是关键 系统功能、规模可通过软件修改和增减 基于计算机的开放式系统，可方便的同外设、时络及 其它设备相连 价格低，可重复利用 技术更新快( 周期i 2 年) 节省开发维护费用 由于虚拟仪器测试系统的各种自动测试工作都是在计算机控制和参与下自动完成的，因此该 测试系统有以下特点： ( 1 ) 通道多。传统的独立仪器系统功能单一，只能测量固定的几个参数，通常不具备同时 测量多个参数的能力。而基于p c 机的虚拟仪器系统可配备多个信号通道，有的多达上千路。对 于多路信号，通过计算机软件控制，进行高速扫描采样，实现多信息的同步测量。 ( 2 ) 精度高。测试系统可以选用高分辨率的a i d 转换器，可以随时修正测量误差，如自动 校准( 消除零漂、温漂、增益不稳定等系统误差) 、软件线性化处理( 对传感器等硬件的非线性 特性进行校正) 、软件滤波( 消除系统内、外部引入的干扰) 等。 ( 3 ) 速度快。这得益于微处理器和p c 总线速度的提高。 ( 4 ) 系统功能强，操作简单、方便。 目前虚拟仪器技术己成功应用于数据图像采集控制系统、g p i b 仪器控制系统、v x i 仪器系 统以及过程控制、自动化等领域。 从上世纪9 0 年代中期以来，国内的一批高等院校和高科技公司，在研究开发虚拟仪器产品、 虚拟仪器设计平台以及引进消化n i 公司、h p 公司的产品等方面做了一系列有益工作，并取得了 一批瞩目的成果【l2 ”】。据世界仪表与自动化杂志报道，2 1 世纪初，虚拟仪器的生产厂家将超 过于家，品种将达到数千种，市场占有率将达到电测与电控仪器的5 0 。美国g o l d s m i t h 种子公 司于1 9 9 7 年利用虚拟仪器开发工具开发了计算机自动化秧苗分析系统( c a s a ) ：美国g e o m a t i c s 公司于1 9 9 6 年采用虚拟仪器开发工具l a b ：e w 软件开发了自动灌溉系统；密执安工业大学 于1 9 9 6 年开发了柴油机实验室自动化数据采集与控制系统，这些系统都具有同类系统不可比拟 的优势。2 0 0 0 年南京航空航天大学研究了在i n t e r a c t 上进行远程故障诊断的协同工作环境 ( c s c w ) 。分别采用n i 公司l a b v i e w 的gw e bs e r v e r 技术和d a t a s o c k e t 技术实现诊断对象的 远程状态监控：并且建立了基于a s p 技术和d a t a s o c k e t 技术的两个多功能c s c w 远程协同故障 诊断平台。 基于i n t e m e t 远程监控系统研究 1 3 2 虚拟仪器的构成 一个典型的数据采集控制系统由传感器、信号调理电路、数据采集卡( 板) 、计算机、控制 执行设备五部分组成n ”。一个好的数据采集产品不仅应具备良好性能和高可靠性，还应提供高性 能的驱动程序和简单易用的高层语言接口，使用户能较快速地建立可靠的应用系统。近年来，由 于多层电路板、可编程仪器放大器、即插即用、系统定时控制器、多数据采集板实时系统集成总 线、高速数据采集的双缓冲区以及实现数据高速传送的中断、d m a 等技术的应用，使得最新的 数据采集板卡能保证仪器级的高准确度与可靠性。 软件是虚拟仪器测控方案的关键。虚拟仪器的软件系统主要分为四层结构：系统管理层、测 控程序层、仪器驱动层和i o 接口层。 i o 接口驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动和通信。d a q 硬件是离不开相应软件 的。大多数的d a q 应用都需要驱动软件。驱动软件直接编制d a q 硬件的登录、操作管理和集成 系统资源，如处理器中断、d m a 和存储器等的软件层管理。驱动软件隐含了低级、复杂的硬件 编程细节，而提供给用户的是容易理解的界面。控制d a q 硬件的驱动软件按功能可分为：模拟 i ( 3 、数字i 0 和定时i 0 。驱动软件有如下的基本功能： 以特定的采样率获取数据； 在处理器运算的同时提取数据； 使用编程的i o 、中断和d m a 传送数据： 在磁盘上存取数据流； 同时执行几种功能； 集成一个以上的d a q 卡： 同信号调理器结合在一起。 虚拟仪器硬件系统包括g p i b ( i e e e4 8 8 2 ) 、v x i 、插入式数据，图像采集扳、串行通信与网 络等几类i o 接口。虚拟仪器系统构成方案如图l 一1 所示。 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e 订a c eb u s ) 是目前使用最为广泛的仪器接口，吲匝4 9 9 2 标准使 基于g p i b 的计算机测试系统进入了一个新的发展阶段。g p m 总线的出现，提高了仪器设备的性 能指标。利用计算机对带有g p i b 接口的仪器实现操作和控制，可实现系统的自动校准、自诊断 等要求，从而提高了测量精度便于将多台带有g p i b 接口的仪器组合起来，形成较大的自动测 试系统，高效地完成各种不同的测试任务，而且组建和拆散灵活，使用方便。 v x i 总线是v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n 的缩写，即v m e 总线在测量仪器领域中 的扩展。它能够充分利用最新的计算机技术来降低测试费用，增加数据吞吐量和缩短开发周期。 v x i 系统的组建和使用越来越方便，其直用面也越来越广，尤其是在组建大、中规模自动测量系 统以及对精度、可靠- | 生要求较高的场台，有着其它仪器系统无法比拟的优势。 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c ts p e c i mi n t e r e s tg r o u p ，p c i s i g 简称p c i ) ，即外部设 备互连。p c i 总线是一种即插即用( p n p ，p l u g a n d p l a y ) 的总线标准，支持全面的自动配置，p c i 总线支持8 位、1 6 位、3 2 位、6 4 位数据宽度，采用地址数据总线复用方式”。其主要特点有： 河北农业大学硕士学位论文 突发传输，多总线主控方式，同步总线操作，自动配置功能，编码总线命令，总线错误监视，不 受处理器限制，适合多种机型，兼容性强，高性能价格比，预留了发展空间等。 图1 1 虚拟仪器测试系统构成方案 工业通信是虚拟仪器的又一应用领域，主要表现在串行仪器( r s 2 3 2 4 8 5 ) 、u s b 、p l c 与 工业网络的控制【1 7 l 。 1 3 3l a b w i n d o w s ，c 测控技术离不开测控软件目前种类繁多的软件开发平台主要致力于实现顶层应用开发( 如 用户界面、文件操作、数据库管理和网络操作等) ，而计算机测控系统有自己的特点：底层的硬 件通信能力、仪器控制能力、软件运行对时间的严格要求和专业化的信息分析处理等，这些功能 是一般的开发工具所不具备或不完善的，功能的实现较困难，软件开发周期长，而美国n i 公司 的l a b w i n d o w s c v i 是专门面向测控系统的软件开发工具，它为熟悉c 语言的开发人员在测控领 域建立计算机仪器系统( 虚拟仪器) ，提供了一个良好的软件开发环境。 l 曲w i n d o w s c v i ( cf o fv h - t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 是一个用c c + + 语言构建仪器系统的交互式 软件开发环境，其目的就是使用户易于开发和调试虚拟仪器系统。l a b w i n d o w s c v l 使用单一的 开发环境，可以通过模块化方式对c 语言进行编辑、编译、连接和调试。l a b w i n d o w s c v i 软件 把c 语言的有力与柔性同虚拟仪器的软件工具库结合起来包含了g p i b 、r s 2 3 2 、v x i 、数据 采集和分析库，同时，l a b w i n d o w s c v i 软件提供了国内外知名厂家生产的三百多种仪器的驱动 6 基于i n t e m e t 远程监控系统研究 程序。l a b w i n d o w s c v l 软件的重耍特征就是在w i n d o w s 和s u n 平台上简化了图形用户接口的设 计，使用户很容易地生成各种应用程序，并且这些程序可以在不同的平台上移植【”1 。 本课题采用l a b w i n d o w s c v i 开发平台进行了系统的总体设计和软件开发。 1 4 本课题的研究任务 本课题着重研究了以p c i 数据采集设备为硬件基础，以l a b w i n d o w s c v i 为软件开发平台， 以p c 机为核心的虚拟仪器网络化测控系统。并将虚拟仪器技术和网络测控技术带入农业畜禽生 产中，从而实现了监控系统的现代化、智能化、远程化。本课题的研究内容具体包括以下方面： ( 1 ) 硬件系统的设计：包括计算机监测控制系统的组建传感器、调控设备及其它元器件 的选型。 ( 2 ) 软件系统的设计与实现：包括用户界面、实时监测、自动控制及数据管理软件的设计 与实现等。 ( 3 ) 网络功能的设计与实现：包括网络的拓朴结构，三层c s 系统结构的构建，t c p i p 、 d a t a s o c k e t 网络动态数据交换、数据加密程序的开发以及网络传输实时性的研究等。 7 河北农业大学硕士学位论文 2 t c p i p 与d a t a s o c k e t 技术 2 1 o s i 体系结构及协议 随着计算机网络发展的复杂化与多元化，如果只要一个人编写单个软件去完成不同计算机之 间通信所需的每一项任务，是难以想象的。为了便于维护或得以执行，通常的做法是把所有要求 分成“组”。一组相关的任务就称为“层”。例如，处理数据传输任务的一个组就是传输层，处理 终端用户应用程序任务的另一个组，就是应用层。 层的划分有不同方法与标准。在这里，我们采用国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o n o r g a n i z a t i o n ，简称i s o ) 于1 9 8 3 年制定的开放系统互联( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，o s i ) 网 络参考模型【l “”j ，该模型广泛适用于分层的网络体系结构定义框架。与o s i 标准并行发展的且相 辅相成的是t c p i p 标准，它并不是由国际标准化组织提出的，但却是世界上广泛使用的事实标 准。 o s i 参考模型包括七层功能及其对应的协议，每层完成一个明确定义的功能集合，并按协议 相互通信。每层向上层提供所需的服务，在完成本层协议时使用下层提供的服务。各层功能是相 互独立的，层问的相互作用通过层接口实现。只要保证层接口不变，任何一层实现技术的变更均 不影响其余各层。其体系结构如表2 一l 所示： 表2 1o s i 物理七屡 基于i n t e m e t 远程监控系统研究 该七层参考模型的各层描述如下： ( 1 ) 物理层 该层处于o s i 模型的最底层，是整个开放系统模型的基础。其任务是实现网内两实体间物理 连接，按位串行传输比特流，将数据信息从一个实体经物理信道送到另一个实体，向数据链路层 提供一个透明的比特流传输服务。 ( 2 ) 数据链路层 该层的主要功能是提供对物理层的控制。检测并纠正传输过程中出现的传输错误。通过检验、 确认和反馈重发等手段对高层屏蔽传输介质的物理特征进行检测，保证两个相邻节点间的无错数 据传输，给上层提供无错的信道服务。 ( 3 ) 网络层 该层的基本任务是接收来自源机的报文，把它转换成报文分组，然后送到指定的目标机。报 文分组在源机与目标机之间建立起的网络连接上传输，当它到达目标机后再还原为报文。这种网 络连接是通过通信子网建立的。 ( 4 ) 传输层 该层是端对端的，也就是主机到主机的层次。它的目的是提供种独立于通信子网的数据传 输服务，使源主机与目标主机好像是点对点简单连接起来的一样。 ( 5 ) 会话层 该层允许不同主机上各种进程间进行会话。传输层是主机到主机的层次，而会话层是进程到 进程之间的层次。会话层组织和同步进程问的对话，它可管理对话，允许双向同时进行或任何 时刻只能一个方向进行。在后一种情况f ，会话层提供一种数据权标来控制哪一方有权发送数据。 会话层还提供同步服务。若两台设备及其进程间要进行较长时间的大文件传输，而通信子网故障 率又较高，对传输层来说，每次传输中途失败后，都不得不重新传输这个文件，会话层提供了在 数据流中插入同步点控制，在每次网络出现故障后可以仅重发最近一个同步点以后的数据，而不 必从头开始。 ( 6 ) 表示层 该层为上层用户提供共同需要的数据或信息的语法表示方法。大多数用户间并非仅交换随机 的比特数据而且还要交换诸如人名、日期、货币数量和商业凭证之类的信息。它们是通过字符 串、整型数、浮点数以及由简单类型组台的各种数据结构来表示的。不同机器采用不同编码方法 来表示这些数据类型和数据结构。为了让采用不同编码方法的计算机在通信后相互理解数据的 值，可以采用抽象的标准方法来定义数据结构，并采用标准的编码表示形式来管理这些抽象的数 据结构，把计算机内部的表示形式转换成网络通信中采用的标准形式，都是由表示层来完成的。 ( 7 ) 应用层 该层是开放系统互联环境中最高层，并且是o s i 系统的终端用户界面，其任务是显示接收到 的信息，把用户的新数据发送至较低层。不同的应用层为特定类型的网络应用提供访问o s i 环境 手段。网络环境下不同主机间的文件传输、访问和管理，网络环境下传输标准电子邮件的报文处 理系统，方便不同类型终端和不同类型主机间通过网络交互访问的虚拟终端协议等，都属于应用 层的范畴。 还应注意，o s i 模型并非网络体系结构的全部内容，因为它并未确切描述各层的服务和协议， 河北农业大学硕士学位论文 仅说明每一层应完成的功能。它只是一个简单的理论模型。在现实网络中，大多数协议并不真正 遵从o s i 规范。但只有整体理解了o s l 的七层参考模型，才能更好地理解网络协议、网络通讯及 其它的网络体系结构。 2 2t c p i p 协议 按照层次结构思想，对计算机网络模块化研究形成的一组从上到下单向的依赖关系称为协议 栈，也叫协议族。 t c p i p ( 传输控制协议掰际协议，t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l i n t m e tp r o t o c 0 1 ) 实际上是进行 网络传输的一组协议( 协议族) 。它是至今为止最广泛使用的网络通信协议，被用于当今最大的 开放式网络系统i n t e m e t 上。它最初是为满足军事需要而设计的，直到今天其原有标准，如：开 放性、抗毁性和可靠性等依然是我们进行网络设计与开发所强调的。这些特性包括可靠传输数据、 自动检测和避免网络发生错误的能力，更重要的是t c p i p z z 2 8 l 是一个开放式通信协议，开放性意 味着在任何空间，不管这些设备的物理特性有多大差异，都可以进行通讯。开放式通讯的关键在 于理解所有两端系统相互之间通信和共享数据所必需的功能，这些必需的功能以及建立它们时必 须发生的先后顺序是开放式通信的基础，只有两端系统对如何通信达成一致，它们才能通信。 2 2 1 t c p i p 参考模型 与o s i 参考模型不同，t c p i p 模型更侧重于互联设备间的数据传送，而不是严格的功能层 次划分。它在计算机网络体系结构中占有非常重要的地位，几乎所有的工作站都配有t c p i p 协 议，这就使得t c p i p 成为计算机网络事实上的国际标准，即工业标准。它的设计基于美国国防 部( d e p a r t m e n to f d e f e n s e ，d o d ) 的通信协议模型，由于它更强调功能分布而不是严格的功能 层次的划分，因此它比o s i 模型更灵活。t c p i p 参考模型共有四层：应用层、传输层、互联网 层和网络接口层。与o s i 参考模型相比，t c p i p 参考模型没有表示层和会话层。互联网层( 有 时也称瞬络层) 相当于o s i 模型的网络层，网络接口层相当于o s i 模型中的物理层和数据链路层。 t c p i p 参考模型如表2 2 所示。 表2 2t c p f i p 参考模型 t c p i p 参考模型 应用层( d n s ，s m t p ，t c l n c t 等) 传输层( t c p ，u d p ) 互联网层( i p ) 网络接口层 基于i n t e m e t 远程监控系统研究 r 面是对t c p i p 参考模型各层的介绍： ( i ) 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ：应用层提供计算机之间的高层网络通信，相当于o s i 模 型中的应用层、表示层和会话层。应用层协议指定在客户端和服务器之间传输命令，提供标准的 访问方法。应用层的协议主要有： 虚拟终端协议t e l n e t ：允许一台机器上的用户登录到远程机器上并且进行工作。 文件传输协议兀p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) ：提供有效地将数据从一台机器上移动到另一台 机器上的方法。 电子邮件协议s m t p ( s i m p l em e s s a g e t r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) ：最初仅是一种文件传输协议，但 是后来为它提供了专门的电子邮件传输协议。 域名系统服务d n s ( d o m a i n n a m es e r v i c e ) ：用于把主机名映射到网络地址上。 超文本传输协议h r r p ( h y p e r t e x t t r a n s f e r p r o t o c 0 1 ) ：用于提交申请并在万维网( w w w ) 上获取主页等。 ( 2 ) 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) ：它的功能是使源端和目标