（测试计量技术及仪器专业论文）便携式x射线机无线远程控制系统设计.pdf

中北大学学位论文 摘要 随着计算机技术、远程控制技术和无线网络技术的发展，无线远程控制技术 成为一个热门的研究和应用领域。而在野外射线无损探伤领域，如何对射线机实 现方便有效远程控制来增加设备的便携性和减少射线对人体的伤害一直是业内 关注的课题。 本文首先对无线远程控制技术的相关理论进行了研究：分析和比较了各种无 线网络技术，总结了无线网络的优点和技术要求；研究了远程控制的基本模型和 性能因素，并提出了系统的网络实现方法；其次对目前的网络通信技术进行了介 绍和分析：介绍了t c p i p 协议和r t p r t c p 协议以及套接字编程技术。经过对 上述技术的研究和分析，应用相关技术设计和实现了便携式x 射线机无线远程 控制系统。 结构上，本系统控制方式采用监督控制方式，系统体系结构采用c s 模式， 远程控制端( c l i e n t ) 和现场控制端( s e r v e r ) 均为便携式计算机，利用支持 i e e e 8 0 2 1 l n 标准的无线局域网进行信息通信。流程上，远程控制端通过无线网 络向服务端发送控制信号，再由现场控制端通过p l c 实现对射线机的控制功能。 同时，现场控制端会返回现场实时图像、所采集的图像和操作结果等信息。系统 中，视频图像采用h 2 6 3 标准进行压缩编码后再发送，采用r t p r t c p 协议作为 视频传输协议，保证视频传输的实时、可靠；采用u d p 协议作为指令传输协议， 保证操作指令快速到达；文件的传输采用t c p 协议。功能上，本系统除了能够 实现在无线网络的环境下对便携式x 射线机进行远程控制的主要功能，还能够 实现射线检测系统所需要的其他功能，如检测图像的采集和保存、对所获得的检 测图像进行诊断和处理以及检测过程中的实时视频监控等。 经过测试，本系统界面友好、操作容易，能够满足射线检测领域内控制指令 和图像传输的要求。 关键字：x 射线机，远程控制，无线局域网 中北大学学位论文 t h ew i r e l e s sr e m o t ec o n t r o ls y s t e mf o rp o r t a b l ex - r a ym a c h i n e a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e r ，w i r e l e s sn e t w o r ka n d r e m o t ec o n t r o l ，t h er e m o t ec o n t r o lw h i c hi su n d e rt h ee n v i r o n m e n to fw i r e l e s s n e t w o r kb e c o m e sap o p u l a rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nf i e l d i no u t d o o rn o n d e s t r u c t i v e f l a wd e t e c t i o n , t h er e s e a r c hh o wt ou s er e m o t ec o n t r o lf o rx - r a ym a c h i n et om a k e m a c h i n em o r ep o r t a b l ea n dk e e px - r a yh u r ta w a yf r o mh u m a nb o d y , a t t r a c t sm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h ec o r r e l a t i v et h e o r yo fw i r e l e s sr e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e d i ta n a l y z e sa n dc o m p a r e sa l lk i n d so fw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g i e s ， s u m m a r i z e st h ea d v a n t a g e sa n dt e c h n o l o g yr e q u e s t s ；s t u d i e st h eb a s i cm o d e la n d p e r f o r m a n c e sf a c t o r so ft h er f f m o t ec o n t r o l ，a n dp u tf o r w a r dt h en e t w o r kr e a l i z i n g m e t h o df o rt h es y s t e m t h e nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ei si n t r o d u c e da n d s t u d i e d w ed i s c u s st h ei e e e 8 0 2 11p r o t o c o ls t a n d a r da n dt c p i pa n dr t p r t c p , a s w e l la sn e t w o r kp r o g r a m m i n gt e c h n i q u eb a s e do ns o c k e ta n dm u l t i - t h r e a d b a s e do n t h et h e o r yr e s e a r c h , w ed e s i g nt h ep o r t a b l ex - r a ym a c h i n ew i r e l e s sr e m o t ec o n t r o l s y s t e mi nt h i st h e s i s t h i sr e n o v a t e ds y s t e mi sb a s e do nc sm o d e l ，i nw h i c hb o t hs e r v e ra n dc l i e n ta r o p o r t a b l ec o m p u t e r s ，a n dt h ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) t h a ts u i tt h e8 0 2 1l n s t a n d a r di su s e df o rc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e ns e r v e ra n dc l i e n t i nt h i sd e s i g n e d s y s t e m , t h ec l i e n ts e n d sc o n t r o lc o m m a n d st ot h es e r v e rt h r o u g hw i r e l e s sn e t w o r k , a n dt h e nt h es e r v e rr e a l i z e st h ec o n t r o lf o rx - r a ym a c h i n eu s i n gap r o g r a m m i n g l o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) m e a n w h i l e , t h es e r v e rw i l lf e e db a c kt h er e a lt i m ev i d e o i m a g e , c a p t u r e di m a g e sa n do p e r a t i o nm e s s a g e st ot h ec l i e n t t ob et r a n s f e r r e db e t t e r , t h er e a lt i m ev i d e oi m a g ew a sc o m p r e s s e db a s e do nh 2 6 3v i d e o - c o m p r e s s i o n s t a n d a r d a n dt h er e a lt i m ev i d e oi m a g et r a n s m i s s i o na d o p t sr t p r t c pp r o t o c o l ，t h e c o n t r o lc o m m a n dt r a n s m i s s i o na d o p t su d pp r o t o c o l ，a n dt h ef i l et r a n s m i s s i o na d o p t s t c p p r o t o c 0 1 b e s i d e st h er e m o t ec o n t r o l l i n gf o rp o r t a b l ex - r a ym a c h i n e ，m a n yo t h e r 中北大学学位论文 p r o c e s s i n ga n dd i a g n o s i s ，r e a lt i m ev i d e om o n i t o r i n g , e t c f i n a l l y , t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h ep r o p o s e dw i r e l e s sr e m o t ec o n t r o ls y s t e m b d s i c a u yc o u l dm e e tt h er e q u e s tf o rl o n g - d i s t a n c ec o n t r 6 1a n di m a g et r a n s f e r si nt h e f i e l d so fi n d u s t r i a ln o n - d e s t r u c t i v ef l a wd e t e c t i o n , w h i c hh a sf r i e n d l yi n t e r f a c ea n d e a s yo p e r a t i o n k e y w o r d ：x - r a ym a c h i n e , r e m o t ec o n t r o l ，w l a n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：锄日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名：重趣日期：鸯竺2 盘堡盟呈鱼 导师签名： 弋一一 l ，年。哪 一亡 、 ， 图2 5 e s s 网络结构( 无线) 2 2 3 38 0 2 11 系列标准比较 1 ) i e e e 8 0 2 1 1 1 9 9 0 年，i e e e 8 0 2 标准化委员会成立i e e e 8 0 2 1 1 w l a n 标准工作组。i e e e8 0 2 1 1 是在1 9 9 7 年6 月由大量的计算机专家审定通过的标准，该标准定义物理层和媒体访问 1 3 中北大学学位论文 控铝o ( m a c ) 规范。物理层定义了数据传输的信号特征和调制，定义了两个r f 传输方法 和一个红外线传输方法，r f 传输标准是跳频扩频和直接序列扩频，工作在2 4 0 0 0 - 2 4 8 3 5 g h z 频段。 i e e e 8 0 2 1 1 是i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网 和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据访问，速率最高只能达到 2 m b p s 。由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，所以i e e e 8 0 2 1 1 标准被 i e e e 8 0 2 1 l b 所取代了。 2 ) 1 e e e 8 0 2 1 l b 8 0 2 1l b 也被称为无线保真( w i r e l e s sf i d e l i t y ，w i f i ) 技术，采用补码键控( c c k ) 调制方式，使用2 4 g h z 频带，其对无线局域网通信的最大贡献是可以支持5 5 m b i t s 和 1 1 m b i t s 两种速率。多速率机制的介质访问控制可确保当工作站之间距离过长或干扰太 大、信噪比低于某个门限值时，传输速率能够从11 m b i t s 自动降到5 5 m b i t s ，或根据直 序扩频技术调整到2 m b i t s 和1 m b i t s 。在不违反f c c 规定的前提下，采用跳频技术无 法支持更高的速率，因此选择d s s s 作为该标准的惟一物理层技术。 3 ) i e e e 8 0 2 1 1 a 1 9 9 9 年，i e e e 8 0 2 1 l a 标准制定完成，该标准规定w l a n 工作频段在5 1 5 - 8 8 2 5 g h z ，数据传输速率达到5 4 m b p s 。该标准也是i e e e 8 0 2 1 1 的一个补充，扩充了标 准的物理层，采用正交频分复用( o f d m ) 的独特扩频技术，采用四相相移键控( q f s k ) 调制方式，可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口和1 0 m b p s 的以太网无线帧结构接口，支持 多种业务如话音、数据和图像等，一个扇区可以接入多个用户，每个用户可带多个用户 终端。 i e e e 8 0 2 1 l a 标准是i e e e 8 0 2 1 l b 的后续标准，其设计初衷是取代8 0 2 1 i b 标准，然 而，工作于2 4 g h z 频带是不需要执照的，该频段属于i s m 专用频段，工作于5 1 5 8 8 2 5 g i - i z 频带需要执照的。一些公司仍没有表示对8 0 2 1 l a 标准的支持，一些公司更加看好 最新混合标准8 0 2 1l g 。 4 ) i e e e 8 0 2 1 l g 2 0 0 1 年1 1 月，在i e e e 8 0 2 1 1 会议上形成了8 0 2 1 l g 标准草案，目的是在2 4 g h z 频段实现8 0 2 1 l a 的速率要求。该标准于2 0 0 3 年初获得批准。8 0 2 1 l g 采用分组二进制 1 4 中北大学学位论文 卷积码( p b c c ) 或c c k o f d m 调制方式，使用2 4 g h z 频段，对现有的8 0 2 11 b 系统 向下兼容。它既能适应传统的8 0 2 1 l b 标准( 在2 4 g h z 频率下提供的数据传输率为 1 1 m b i t s ) ，也符合8 0 2 ：1 1 a 标准( 在5 g h z 频率下提供的数据传输率5 4 m b i t s ) ，从而解 决了对已有的8 0 2 1 l b 设备的兼容问题。用户还可以配置与8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 以及8 0 2 1 l g 均相互兼容的多方式无线局域网，有利于促进无线网络市场的发展。 5 ) i e e e 8 0 2 1 l n i s 】 随着人们需求变化和新技术的出现，就注定了不断有新标准的推出。i e e e 8 0 2 1 l n 1 1 0 版草案于2 0 0 6 年1 月份获得批准，经过一年的酝酿，修改完善了1 2 0 0 0 处提议， 在2 0 0 7 年1 月又给出了草案2 0 版，预计正式标准可能到2 0 0 8 年1 0 月才会通过。8 0 2 1 1 1 1 计划将w l a n 的传输速率增加至1 0 8 m b p s 以上，最高速率可达6 0 0 m b p s ，和以往的 8 0 2 11 系列标准不同，8 0 2 111 1 协议为双频工作模式( 包含2 4 g h z 和5 g h z 两个工作频 段) ，这样8 0 2 1 1n 保障t 与以往的8 0 2 1 l a , b ，g 标准兼容。尽管该标准只是草案，但是 8 0 2 1in 的产品已经火热登场，出现了“标准滞后于产品 的现象，这也充分说明了 i e e e 8 0 2 1 1 n 具有明显的优势。 第一，技术优势。新兴的8 0 2 1 l n 标准理论上具有高达6 0 0 m b p s 的传输速率，这肯 定需要技术支持，8 0 2 1 1n 结合了多种技术，其中包括多入多出m i m o ，o f d m ( i e 交领 分多路复用) 、智能天线、软件无线电、2 0 m h z 和4 0 m h z 信道和双频带( ( 2 4 g h z 和5 g h z ) 枯 奇。 第二，高吞吐量。为了提升整个网络的吞吐量，8 0 2 1 l n 还对8 0 2 1 1 标准的单一 m a c 层协议进行了优化，改变了数据帧结构，增加了净负载所占的比重，减少管理检 错所占的字节数，大大提升了网络的吞吐量，拷贝需要3 0 分钟时间的视频文件，在最 高数据传输率上，用8 0 2 1 l b 拷贝文件需要耗时4 2 分钟，用双天线草案8 0 2 1 1n 客户端 只需要不到一分钟。 第三，覆盖范围广。智能天线技术的应用解决了8 0 2 1 1n 的传输覆盖范围问题，通 过多组独立天线组成的天线阵列系统，动态调整波束的方向，8 0 2 1 1n 能够保证让用户 接收到稳定的信号，并减少噪音信号的干扰，覆盖范围可扩大3 倍以上( 甚至能达几平 方公里) ，这使得原来需要多台8 0 2 1 l g 设备的地方，只需要一台8 0 2 1 1n 产品就可以了， 不仅方便了使用，还减少了原来多台8 0 2 1 1g 产品互相联通时可能出现的信号盲点，移 15 中北大学学位论文 动性大大增强。 第四，兼容性好。8 0 2 1 1n 通过采用软件无线电技术解决不同标准采用不同的工作 频段、不同的调制方式，造成系统间难以互通，移动性差等问题。这种软件无线电技术 是一个完全可编程的硬件平台，所有的应用都通过在该平台上的软件编程实现，也就是 说，不同系统的基站和移动终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容，这使 得w l a n 的兼容性得到极大改善。软件无线电技术将根本改变网络结构，实现无线局 域网与无线广域网融合并能容纳各种标准、协议，提供更为开放的接口，最终大大增加 网络的灵活性，这意味着w l a n 将不但能实现8 0 2 1 1n 向后兼容，而且可以实现w l a n 与无线广域网络的结合，比如3 g 。 6 ) 其他相关协议 i e e e 8 0 2 工作组今后将继续对8 0 2 1 1 系列协议进行探讨，并计划推出一系列用于完 善无线局域网应用的协议，其中主要包括8 0 2 1 l e ( 定义服务质量和服务类型) 、8 0 2 1 l f ( a p 间协议) 、8 0 2 1 l h ( 欧洲5 g h z 规范) 、8 0 2 1 l i ( 增强的安全性& 认证) 、8 0 2 1 l k ( 高层无线网络测量规范) 、8 0 2 1 l j 1 明( e t s i 和i e e e 的联合标准，为解决8 0 2 1 l a 与 h i p e r l a n 2 的互通问题) 以及高吞吐量研究工作组的相关协议。i e e e 8 0 2 1 1 、8 0 2 1 l b 、 8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l g 、8 0 2 1 l n 标准性能参数比较如表2 1 所示。 表2 1i e e e 8 0 2 1 1 ，8 0 2 1 l b 、a 、g 、n 标准比较 标准 玎睫e 8 0 2 1 le e 8 0 2 1 l b玎已e e 8 0 2 1 l a i e e e 8 0 2 1 l g 皿e e 8 0 2 1 l n 网络拓扑 a dh o e ，i n f r a s t r u c t u r e l l c 协议磁e 8 0 2 2l l c m a c 协议i e e e 8 0 2 11m a c 协议( c s m a c a ) 安全机制w e p 加密 w p a - p s k 加密 工作频率 2 剐跚疆z2 4 g h z5g h z2 4 g h z ，5g 2 4 g k 5g 通信机制 d s s s ，f h s s 瓜 d s s s ( c c k ) 0 唰d m p b c c ，c c k - o f d m m i m 0 0 f d m f h s sd s s s 1 4 个频点 1 4 个频点2 2 眩间 信道带宽7 5 个l 1 4 个2 2 m i i z 2 0 m h z 间隔2 0 m 砘鹕o m i k 间隔 2 2 m i - i z 间隔 隔 m i - i z 间隔问隔 传输漶：率最大2 m b t , * 最大1 1m b t , s 最大5 4 m b p s最大5 4 m b t , s可达1 0 8 m b p s 以上 1 6 中北大学学位论文 经过以上对8 0 2 1 1 系列协议的分析和比较，结合射线检测系统的特点和无线远程控 制系统的技术要求，我们的无线网络远程控制系统选择i e e e 8 0 2 1 l n 无线局域网协议标 准并采用b s s 拓扑结构组建无线局域网。目前支持最新的8 0 2 1 l n 标准的网络产品( 无 线网卡和路由器) 已经上市，可以使网络数据速率达到3 0 0 m b p s ，有效通信最大距离为 3 0 0 米，基本上能够满足本远程控制系统中对无线网络的技术要求。而且i e e e 8 0 2 1 l n 标准的工作频率为2 4 g h z 5 g h z ，与x 射线的频率相隔非常远，因而受x 射线的干扰 会非常小，因此更适合应用于x 射线机无线远程控制系统中。 2 3 远程控制技术研究 2 3 1 远程控制基本模型 早期的远程控制系统采用计算机总线实现控制器和被控对象之间的数据交换。采用 计算机总线技术可以保证非常高的数据传输速度，但是它的最大传输距离很短，而且远 程控制系统需要建立固定的通信线路。并且其采用独家、封闭的通信协议，给系统集成 与应用带来诸多不便，其技术发展也受到较大束缚。 随着计算机技术以及网络通讯技术的不断发展和完善，特别是基于t c p i p 协议的 以太网技术的逐渐成熟，使得远程控制系统朝着网路化方向进行发展，改变了传统的控 制系统的结构，形成了新的网络集成式全分布控制系统，不仅拓展了远程控制的距离， 而且可以大大改善远程控制的互联性和透明性。近年来，无线网络技术进入了一个高速 发展期，基于网络的远程控制开始其无线化的发展趋势，即无线远程控制技术。这正是 本课题的研究内容。 如图2 6 所示，典型的远程控制系统可以划分为：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 4 , 2 0 1 。各部分分工协作，共同实现对设备的 远程控制。 远程控制终端系 征巾u 1 面屉。 1 工巾：7 i 百思 远距离数据传输现场设备检测与 统 系统 控制系统_ o 1 岳地止白、i = 扫墼唐白 图2 6 远程控制系统基本模型 1 7 中北大学学位论文 1 ) 远程监控终端系统 远程监控终端系统提供用户与现场设备进行交互的界面。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。由于微机的广泛应用和价格越来越低廉，而且用于远程监控的微 机可以远离工作现场，基于微机的远程控制终端软件发展迅速，微机成为远程监控终端 系统的主要操作平台。 2 ) 远距离数据传输系统 该系统作为远程控制的信息传输通道，进行各类控制数据的传输。传输的目的就是 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， 决定下一步措施( 比如通过传输系统发出控制命令等) ；另外还需要将监控端的控制信 息传输到现场的控制主机，以便对设备进行控制。一个远距离数据传输系统通常由通信 介质、通信协议、通信软件、硬件系统等组成，表2 2 列出了传输系统可采用的一些现 有的通信协议。 表2 2 网络通信协议 标准举例 高级通信协议h t r p 、c o r b a 、d c o m 等 基本应用协议 t c p i p 、i p x s p x 、r t p r t c p 、p p p 等 底层协议8 0 2 系列、i s d n 、a t m 、x d s l 等 物理协议电话线、双绞线、d d n 、光纤、同轴电缆、微波等 3 ) 现场设备监测与控制系统 现场设备监测与控制系统是直接对现场设备进行监测控制的系统。主要任务是根据 监控终端的控制数据对设备进行控制，同时监测设备的状态，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。 2 3 2 远程控制系统的控制方式选择 以上面所介绍的远程控制基本模型为基础，基于网络的远程控制系统控制方式有三 种【2 1 l ：直接控制方式、监督控制方式、预测预演控制方式。 1 8 中北大学学位论文 1 ) 直接控制方式( d i r e c tc o n t r 0 1 ) 又称木偶式( p u g e ta p p r o a c h ) ，即由远端控制者完全控制被控设备，直接发送控制 指令函数来完成某一操作。这种控制方式对控制者的要求比较高，需要了解被控设备的 底层指令或编程语言。其结构原理如图2 7 所示。 远程 控制信息。 控制端 l ( 操作人员) 一一一一- 一 。反馈信息 图2 7 直接控制方式结构原理 2 ) 监督控制方式( s u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 ) 监督控制方式最初是用来研究空间探险机器人的。在传统的双向力反馈遥控机器人 系统中，当主从两端存在明显的通讯时延的时候，直接主从控制必须采取“走一走，等 一等 的方式来保证控制过程的稳定性。这就延长了任务完成的时间，也加大了任务的 难度，因此提出了监督控制。其基本思想是将远程控制者置于控制结构闭环之外，从而 尽量减小传输时延对整个系统的影响。远程控制者只发送目标任务或小部分相关控制指 令给被控端，任务执行具体由被控端回路自主完成，监控回路向控制端提供现场反馈信 息，监控端对被控设备进行监控，在必要时进行干预。其结构原理如图2 8 所示。在现场 控制端，可建立一个上位缓冲器，用于接收、存储远端发至的任务或指令，并由它“二次” 发指令给被控设备。由于是处于本地，故不存在时延和不稳定性的影响，充分利用了现 场控制器的本地智能，同时也可有效降低系统延时。 控制信息 被控 设备 、反馈信息 ( 射线机) 图2 8 监督控制方式结构原理 3 ) 预测预演控制方式( p r e d i c t i v e p r e v i e wd i s p l a yc o n t r 0 1 ) 结构原理如图2 9 所示。这种控制方式是在将控制指令发给被控端之前，先在控制 端模型对象上进行模拟预演指令的执行效果，同时被控端的实际执行过程通过视频或其 他测量数据反馈回来，这样就大大提高了动作执行的可靠性和正确性。但这种方案实现 起来比较复杂。 1 9 中北大学学位论文 一仿真显和 确认显示 控制信息 被控 设备 、反馈信息 ( 射线机) 图2 9 预测预演控制方式结构原理 在上述三种控制方式中，由于监督控制将远程控制端置于控制闭环之外，使得其响 应时延对控制效果的影响较小，而且这种方法充分利用了被控端的本地智能，具有较强 的容错和纠错能力，如现场控制器可以忽略甚至自动改正一些错误指令，突遇故障的情 况下，除了完成报警功能外，现场控制器可根据既定方案进行自主控f i j l 另外可以使远 程控制端不必持续监控被控设备的运行，从而减轻控制者的工作强度。因此，监督控制 方式更适合基于网络的远程控制系统，本系统也采用了监督控制方式。 2 3 3 远程控制系统软件模型选择 目前适于远程控制的软件模型主要有两种：客户机j j 艮务器模型、浏览器服务器模 型瞄 2 3 】。下面我们对这两种模型进行简单的介绍和比较。 1 ) 客户栅服务器模型 客户机服务器模型，即c l i e n t s e r v e r ( c s ) 模型，通过将任务合理分配到c l i e n t 端和 s e r v e r 端，降低了系统的通讯开销，可以充分利用两端硬件环境的优势 2 4 1 。c s 一般建 立在专用的网络上小范围里的网络环境，局域网之间再通过专门服务器提供连接和数据 交换服务。客户端向用户提供应用服务界面，服务器端则提供各种服务机制。 2 ) 浏览器服务器模型 浏览器服务器模型，即b r o w s e r s e r v e r ( a s ) 模型，是随着i n t e m o t 技术的兴起，对 c s 模型的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，用户界面完全通过w w w 浏览器 实现，一部分事务逻辑在前端实现，但是主要事务逻辑在服务器端实现，形成所谓的三 层结构。b s 模型利用不断成熟和普及的浏览器技术实现原来需要复杂、专用软件才能 实现的强大功能，并节约了开发成本，是一种全新的软件系统构造技术。 3 ) 两者比较 在安全性方面，b s 建立在广域网之上，有比c s 更强的适应范围，面向是不可知 的用户群一般只要有操作系统和浏览器就行，但正因为这个原因使其对安全的控制能力 2 0 中北大学学位论文 相对弱。c s 一般面向相对固定的用户群，并且必须安装客户端软件，系统相对封闭， 使对信息安全的控制能力远强于w e b 的方式，因此高度机密的信息系统比如军事系统 优先采用c s 模型。 在易维护性方面，b s 面向不同的用户群，分散地域，与操作系统平台关系最小。 b s 个别构件的更换，可通过从网上自动下载实现升级，系统维护开销较小。而c s 程 序由于整体性，必须从整体考虑和处理出现的问题，并且系统升级较难。 在交互性方面，b s 模式的数据提交一般以页面为单位，数据的动态交互性不强， 不利于在线事务处理；而c s 模型的优势也体现在此。c s 可以专门开发更具交互性的 图形化控制界面。 在性能方面，采用剧s 模型的系统的性能要远低于c s 模型。针对b s ，这样一种 使用浏览器的模型技术，由于其在编程时使用的c g i 、j a v aa p p l e t 等编程技术性能相对 较低，使得b s 模型并不适合于对实时性和可靠性等性能要求很高的远程控制系统。而 c s 模型一般采用s o c k e t 进行较为底层的开发，能满足工业控制系统的性能要求。 综合上述比较，由于便携式x 射线机远程控制系统更强调性能、安全性和交互性， 所以系统的软件模型采用c s 模型。 2 3 4 远程控制系统软件实现方法选择 目前有多种通过网络来实现远程控制的软件编程方法，如公共网关接口c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) 、a c t i v e x 控件、j a v aa p p l e t 和s o c k e t 。c g i 请求传递那 些能够在服务器端运行的程序( c g i 脚本) ，操作人员的命令被编码在h t r p 请求中。 c g i 脚本从客户端传来的请求信息中抽取出控制指令，对控制对象进行控制。从c g i 脚本返回的h t t p 响应包括服务器返回的各种状态信息，这些信息通过操作者的显示屏 显示出来。虽然c g i 使得远程控制成为可能，但仍然存在很多缺陷。如果操作者想连续 控制并希望得到远端环境的连续反馈，c g i 和其他一些批量数据交换的技术就无法使操 作者的愿望得到满足。采用c g i 和其他批处理技术，每一个指令产生一个动作并引发一 个响应，操作者无法看到整个动作的过程，也无法干预正在执行中的动作。j a v a 小程序 具有独立于平台的特性，完全相同的程序可以在不同的浏览器和平台上使用，而不需作 2 1 中北大学学位论文 任何修改。j a v a 程序可以完成一般可执行程序所做的工作，包括创建套接字连接。a c t i v e x 控件是另外一种在客户端的网页上实现特定任务的方法。但用户必须从服务器端首先下 载该控件并在本地机安装，这需要花费一定时间。这三种方法一般应用于采用b s 模型 的系统中。 在采用c s 模型的系统中，其编程方法一般采用s o c k e t 技术。s o c k e t 即套接字【2 5 _ 2 7 】 是目前在工控领域应用的比较广的一项技术，并已成为网络通信软件开发的标准和规 范，具有技术成熟、功能完善、跨平台的特点。 s o c k e t 是网络通信的基本操作单元，它提供了不同主机间的进程双向通信的端口。 s o c k e t 的目的就是隐藏网络底层复杂的结构和协议，使编程人员能够简单地对网络进行 操作，利用它可以构造任意跨操作系统、跨网络协议的分布式处理系统。现在w i n d o w s 、 u n i x 、l i n u x 、s u n o s 等几乎所有的操作系统都提供了s o c k e t 接口。s o c k e t 不仅支持t c p i p 协议，而且支持i p x s p x 、a p p l et a l k 、n e t b e u i 等多种网络协议。此外s o c k e t 属于底 层的软件开发，虽然复杂性相对要高很多，但是对于工业控制系统的开发更具灵活性， 便于对高层通讯协议、实时性、可靠性、安全性、稳定性等多方面从更底层对控制系统 进行设计和实现。 综合上述的分析，又考虑到系统今后的兼容性和扩展性，选择c s 模型下的s o c k e t 进行远程控制系统的软件开发。 2 4 网络通信技术研究 2 4 1t o p ip 协议族 为了能够在各种型号、各种系统的计算机或电子设备之间进行通信，必须有统一的 通信协议支持。目前有很多的通信协议，在这众多的协议中，t c p i p 协议的应用是最为 广泛的，主要用于广域网( 删) 和局域网( l a n ) 。为了实现网络的互联，国际标准 化组织( i s o ) 早在2 0 多年前就提出了o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，开放系统互 联) 参考模型【2 羽。但是o s i 参考模型只给出了计算机网络的一些原则性说明，并不是一 个具体的网络。如图2 1 0 所示，它将整个网络的功能划分成七个层次。层与层之间的联 系是通过各层之间的接口来进行的，上层通过接口向下层提出服务请求，而下层通过接 2 2 中北大学学位论文 口向上层提供服务。两个用户计算机通过网络进行通信时，除物理层之外其余各对等层 之间均不存在直接的通信，而是通过各对等层之间的通信协议来进行通信，只有两物理 层之间通过传输介质进行真正的数据通信。 o s i 参考模型t c p i p 模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 f t p ，s m t p ， 应用层 t e l n e t 。 h t t p ，t f t p 传输层t c p ，u d p 网络层 i c m p ，l p ，i g m p a r p ，r a r p 网络接口层 图2 10o s i 参考模型与t c p i p 模型及每层协议 尽管i s o o s i 的结构体系非常严谨，各层协议也非常完备，但是完全符合各层协议 的产品却不能满足客户的需要，随着i n t c r n e t 的迅猛发展，t c p i p 协议获得了广泛的支 持，已经成为事实上的标准。 t c p i p 也是一个分层的网络协议，不过它与o s i 模型所分的层次有所不同。如图 2 1 0 所示，t c p i p 从底至顶分为以下4 个层次口8 】： 1 ) 网络接口层。包括有多种逻辑链路控制和媒体访问协议。该层的功能是接收口 数据报并通过特定的网络进行传输，或从网络上接收物理帧，抽取出口数据报并转交 给网络层。 2 ) 网络层( m 层) 。该层包括i p ( i n t e m e tp r o t o c o l ，网际协议) 、i c m p ( i n t e r n e tc o n t r o l m e s s a g ep r o t o c o l ，因特网控制报文协议) 、a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，地址解析 协议) 、r a r p ( r e v e r s e a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，反向地址解析协议) 等协议。该层 负责相同或不同网络中计算机之间的通信，主要处理数据报和路由。 3 ) 传输层。该层提供了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) 和 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) 两个传输协议，它们都建立在口协议 的基础上，其中t c p 提供可靠的面向连接服务，u d p 提供简单的无连接服务。传输层 提供端到端，即应用程序之间的通信，主要功能是数据格式化、数据确认和丢失重传等。 2 3 中北大学学位论文 4 ) 应用层。t c p i p 协议的应用层相当于o s i 模型的会话层、表示层和应用层，它 向用户提供一组常用的应用层协议，其中包括：t e l n e t 、s m t p 、d n s 等。此外，在应 用层中还包含有用户应用程序，它们均是建立在t c p 口协议组之上的专用程序。 2 4 2 视频传输协议：r t p r t c p 在便携式x 射线机远程控制系统中，实时视频监控一个非常重要的功能，包括视频 信息的获取、编码、传输、播放等。远程控制端的操作人员可以及时的观察到被检物体 被x 射线机所检测的位置，再进行相应的操作，这样控制起来更加直观方便。 在进行无线视频传输时，通常使用i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 推荐的实时 传输协议r t p ( r e a l - t i m et r a n s i ) 0 r tp r o t o c 0 1 ) 和实时传输控制协议r t c p ( r e a l t i m e t r a i l s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 来完成实时数据传输 2 9 1 。 r t p 是针对i n t e m e t 上多媒体数据流的一个传输协议，由i e t f 作为r f c l8 8 9 发布， 现在最新的为r f c 3 5 5 0 。能为具有实时特性的数据( 例如交互的音频和视频数据) 提供端 到端的数据传输服务【嬲3 1 。r t p 的典型应用建立在u d p 上，但也可以在t c p 等其他协 议之上工作。由于多媒体数据对实时性、延迟要求较高，但对数据的可靠性要求较低， 所以r t p 协议通常与u d p 协议一起使用，这样有利于降低协议开销，避免t c p 重传机 制引起的延迟f 3 5 】。 r t p 协议不具备纠错或流量控制机制，也不提供其他q o s 保证，这种保证主要由 下层协议来实现。它采用的实时机制主要是时间戳和顺序编号。由于使用u d p 协议的 p 网络在传输中采用的是包交换方式和“尽可能 的投递包，也没有提供按序的数据包 投递，因此不同的数据包可能经过不同的传输路径，数据包到达接收端的先后次序是不 可预知的。所以采用对数据包顺序编号和时间戳机制可对无序到达的数据帧按正确的次 序进行帧重构。 r t p 在流媒体数据( u d p 数据包) 的头部加上时标和序号后发出，若接收端配以适当 的缓存，那么接收端就可以根据时标和序号信息“复原 数据包。 r t p 包括数据和控制两种类型的信息包。数据包用于传送多媒体数据，而控制包则 用于传送和r t c p ( r e a l - t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议相关的控制信息。 r t c p 是与r t p 同时存在并协同工作的控制协议，r t p 用于传送媒体数据，而r t c p 2 4 中北大学学位论文 主要用于传送控制报文，实现协议控制功能。它通过定义的各种包来承载控制信息，以