（工程力学专业论文）基于TCPIP协议的远程数据采集与控制系统.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文在t c p i p 协议的基础上，对工程监测中视频、模拟、数字信号的采集与传 输技术进行了分析和研究，提出了一种综合的远程监测系统方案，即基于t c p i p 协 议的远程数据采集与控制系统。 该系统主要采用了网络、m p e g 一4 、t c p i p 、串行通讯、m a t c o m 等技术，系 统主要包括控制中心、客户端、现场和通信网络。控制中心不但对监测现场进行视频 采集和监视，对模拟数字信号进行采集和分析；同时，还可以控制现场监测设备： 客户端通过网络远程监测现场情况。整个系统采用多元化的信息采集，集控制和管理 为一体，同时，系统还实现了远程数据回放、报警等功能。将系统应用于动态应变测 试实验系统，提高了实验系统的数据采集和处理能力。 本系统采用模块化设计，参数可以根据不同的需求进行灵活设置，是一个简单、 实用、高效的系统。 关键词：工程监测；动态测试；t c p i p ；m p e g 一4 ：m a t c o m 基于t c p f l p 协议的远程数据采集与控制系统 a b s t r a c t o nt h eb a s eo ft h e p o p u l a rt c p , q p n e t w o r kp r o t o c o lt h i sd i s s e r t a t i o n a n a l y z e s n e t w o r kc o m m u n i c a t i o no fv i d e o ，a n a l o ga n dd i g i t a ls i g n a l si ne n g i n e e r i n gm o n i t o r i n g ， t h e np r e s e n t i n ga l li n t e g r a t e dp r o j e c to fr e m o t em o n i t o r i n g ，n a m e l yt h es y s t e mo f r e m o t e a c q u i s i t i o na n d c o n t r o lo nt c p i p t h es y s t e m m a i n l y u s e st l l e t e c h n o l o g yo fn e t w o r k ，m p e g 一4 ，t c p i p ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，m a t c o ma n ds oo n t h es y s t e mm a i n l yi n c l u d e sc o n t r o lc e n t e r ， c l i e n t ，w o r k s i t ea n dn e t w o r k t h ec o n t r o lc e n t e rn o to n l ya c q u i r e sv i d e o ，a n a l o ga n d d i g i t a ls i g n a l s b u ta l s oc o n t r o l st h ea c t i o no ft h em o n i t o r i n g e q u i p m e n t t h ec l i e n t m o n i t o r st h ew o r k s i t et h r o u g hn e t w o r k t h e s y s t e mu s e sm u l t i i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ， i n t e g r a t e sc o n t r o la n dm a n a g e m e n t ，a l s or e a l i z e sr e m o t ev i d e o r e c o r d i n g ，i n t e l l i g e n t r e p l a y i n g ， a l a r ma n dd a t aa n a l y s i sa n ds oo n d y n a m i cs t r a i ne x p e r i m e n ti m p r o v e st h e c a p a b i l i t yo f d a t aa c q u i s i t i o na n dd i s p o s a li ne x i s t e n c e 、i t lt h es y s t e m t h es y s t e mi s d e s i g n e db ym e a n so fm o d u l e sa n dl a y e r s i t sp a r a m e t e r sa r es e t a c c o r d i n g t od i f f e r e n td e m a n d i ti sa s i m p l e ，p r a c t i c a la n dh i g h - e f f i c i e n ts y s t e m k e yw o r d s ：e n g i n e e r i n gm o n i t o r i n g ：d y n a m i ct e s t i n g ；t c p i p ；m p e g 4 ：m a t c o m 堕室堕窒堕丕查兰堡主堂垡堕壅 一 第一章绪论 1 1 引言 监测技术包括监控技术和测试技术。随着现代科学技术的迅猛发展和生产水平的 提高，各种监测技术已越来越广泛地应用于各种工程领域和科研工作中，监测技术水 平的高低越来越成为衡量国家科技现代化的重要标志之一。当代监测技术“1 的功能 主要分为四个方面： ( 1 ) 设备参数的测定： ( 2 ) 自动化过程中参数的反馈、调节和自控； ( 3 ) 现场实时检测和监控； ( 4 ) 试验过程中的参数测量和分析。 在一些工程实际中，如电力、桥梁、通信、水利、航空等工程和光弹、结构等一 些实验中人们已经不满足原来繁重的数据采集和数据处理方法以及人工的管理方 式，希望不但能够实现远程的数据采集和设备控制，如加载、卸载、报警等。还能够 通过计算机监视到整个实验过程：同时，设备在长时间的工作下，一旦出现问题，就 会影响正常的工作。严重时还会造成经济上的巨大损失甚至危及人身安全。在这种情 况下，对工程和实验环境进行实时的安全监测可以在设备出现问题前及时的调整更 换，降低发生意外故障的可能性，减小损失。对工程环境和设备进行安全监测可以调 整设备的工作频率，同时还可以为以后的实验情况回放提供记录，使系统从传统的状 态监测向以网络为基础的智能监测转变，从而大幅度提高了管理水平。在当前的监测 系统中，基于网络的智能式监测系统发展越来越迅速。 随着计算机技术和网络技术的发展，远程监测显示了其强大的生命力和广阔的应 用前景。与传统的监测系统相比，远程监测系统充分利用现代信息传输载体网络 使用户能够及时获得现场情况，同时能更准确、有效地得到运行设备数据，以充实理 论研究。利用远程监测，把对工程实验环境的视频监控纳入系统，以便于获取多方面 的信息，积累和综合各方面的经验、知识，服务于工程建设和维护，为工程安全正常 的进行提供有力的保证。在这样的需求下，提出了“基于t c p i p 协议的远程数据采 集与控制系统”。“基于t c p i p 协议的远程数据采集与控制系统”属于远程监测的范 畴，是远程监测技术在工程实验中的具体应用。该系统不但可以远程监测现场工作设 备的运行情况，同时还可以监视到现场和设备工作环境的视频，另外，还具有用户和 设备管理功能，是一个综合的监测系统。 1 2 远程监测技术的发展与现状 随着科学技术和经济建设的发展，工程实验过程中的状态监测和故障报警已成为 保证系统运行稳定性、可靠性和安全性、提高产品质量和生产效率的关键技术和重要 基于t c p ，i p 协议的远程数据采集与控制系统 手段，并日益引起国内外的广泛重视。 作为一个涉及多学科的综合性学科问题，监测的模式经历了从单片机监测系统到 分布式监测系统，再到基于因特网的远程监测系统这样一个发展历程。第一代监控系 统是以多用户联机、集中式控制为特征的单机监测系统。当时的监测系统主要是针对 某一特定的被测对象而设计的，它主要由1 台计算机和1 块或多块功能模板构成，信 息的交换与处理仅限于监测系统内部，因而是一种封闭式的系统。 第二代监控系统以局域网、集散化控制为特征，主要是针对大型设备主机和多辅 助工程分布和地域分布的特点，通过局域网把分布于各个局部的现场，独立完成特定 功能的本地计算机互连起来，以实现资源共享、协同工作、分散监测和集中操作、管 理与报警功能的计算机网络。第二代系统是基于工业局域网的相对开放的系统，监控 信息的处理在局域网内进行。 进入9 0 年代后期，随着计算机技术和信息技术的发展，特别信息高速公路的开 通，监测技术已经步入发展的第三个阶段i n t e r n e t 阶段。基于i n t e r n e t 的 远程监测技术和计算机网络技术的有机融合，是设备监测技术发展的崭新阶段。它以 若干台中心计算机为服务器，在现场的重要部位或设备上建立监测点，采集设备状态 数据，在控制中心提供远程技术支持，设各一旦出现异常，其监测服务器即发送请求， 在短时间内由服务器及时的进行设备调整与维修。 基于网络的远程监测技术，是利用远程网络系统在异地对远程的现场设备实簏监 视、测试，并根据测试数据进行故障报警，涉及到计算机网络、信息集成等多门学科 的综合技术。远程监测的数据包括声音、图像、模拟和数字量数据。远程监测技术包 括远程的视频监视和远程设备监测”“1 。 远程视频监视是通过远程网络把工程和实验现场的工作情况以图像的方式实时 的传达到远程客户端，远程监视是远程控制和远程报警的基础，通过对图像数据的采 集( 通过安装的摄像机对现场的连续图像的采集，对于发生故障的部分，可对其进行 录像和抓图) ，作为客户端进行远程监视的依据。 远程设备监测对一些现场设各的实时测试数据( 如设备运行参数) 的采集，通过 对数据进行分析以判断设备运行是否会出现故障。如果经判断有可能出现故障，则发 出故障报警，以便于及时的调整设备，避免故障的出现，同时可以保存这些运行数据， 在需要的时候进行回放。 基于i n t e r n e t 的远程监测技术已在国内外引起广泛的关注和重视，并投入了 大量的人力、物力进行研究。如美国斯坦福大学和麻省理工学院开展“基于i n t e r n e t 的下一代远程诊断示范系统”的研究。目前，我国一些单位也已经开展了远程监测的 研究工作- 如同济大学以上海大众汽车冲压生产线为研究对象，开发了面向制造企业 的工业现场远程监控诊断系统。当代科技水平的不断发展，为监测技术水平的提高创 造了物质条件，反过来，拥有高水平的监测理论和监测技术又会促进新科技成果的不 断发现和创新。当前，随着半导体技术的新突破和大规模集成电路构成的微处理器的 南京航空航天大学硕士学位论文 出现，监测技术越来越朝着高精度、网络化和智能化方向发展，新型传感器的研制也 是当代监测技术的重要发展方向。 长期以来，对设备的状态监测主要集中在泵、风机、压缩机等动力设备上，对这 些设备主要监测的内容包括振动信号、温度信号、异常声音信号等。在工程实验中， 各种应变、应力、损伤信号需要长时间的监测，数据量比较多。目前对工程领域中的 监测基本都是对设备运行状态的监测，即对模拟、数字量信号的监测，将工程环境的 视频监控纳入监测的系统比较少，而且目前视频传输效率比较低。 由于市场( 价格、历史、观念) 原因，很多老的视频采集技术依然存在，而且都 有了很大发展，因此在特定场合继续存在。目前，视频监控系统中仍然存在视频矩阵 型、多画面型、集散式视频监控系统，这些都是模拟视频采集系统“。 虽然老技术仍然存在，新技术也得到了很大的发展和应用。目前，基于网络的远 程视频监控和传输技术已经在网络教学、视频会议、视频电话等领域中得到了广泛的 应用。这种采集技术在信源端对视频数据进行视频压缩，不管是采集来的视频数据还 是在网络上传输的视频频数据都是数字量数据。这种技术已经脱离了模拟信号的显 示，同时采用了先进的m p e g - 4 视频压缩方式，提高了视频传输的效率。 1 3 本文研究的主要内容 本文提出的“基于t c p i p 协议的远程数据采集与控制系统”针对目前在工程实 验领域中远程监测系统的不足提出的方案，该系统把工程环境的视频监控纳入监测系 统。“基于t c p i p 协议的远程数据采集与控制系统”充分利用了网络、m p e g 4 压缩、 动态测试、m a t c o m 及数据库等技术，主要研究了在工程实验监测中远程数据采集 与控制系统的设计以及实现问题。 该监测系统主要包括两个分系统：视频采集与控制系统和模拟数字信号数据采 集与控制系统。视频采集与控制系统主要针对工程实验环境进行远程视频监控而设计 的，模拟数字信号采集与控制系统主要对设备的运行状态进行远程实时监测。本文 主要介绍了该远程数据采集与控制系统的设计以及在动态应变测试实验系统中的应 用问题。 整个监测系统由视频采集与控制系统和模拟数字信号采集与控制系统组成。整 个系统分为控制中心、客户端、现场和通信网络四部分。控制中心包括视频服务器和 模拟数字信号服务器。视频服务器完成视频数据的采集、录像以及处理等功能；模 拟数字信号服务器完成模拟数字信号的采集、存储和分析等功能。同时还要实现对 现场设备的远程控制、报警等功能。 每个分系统由一或若干个功能单元组成。监测系统应具有以下几个功能，即：将 工程环境和设备运行的视频通过摄像机传输到服务器和客户端：将被测对象置于预定 状态下，并对被测对象所输出的特征信息进行行采集、变换、传输分析、处理、判断 和显示记录，最终获得测试目的所需的信息，还可以通过网络向远程客户端发送设备 基于t c p i p 坍议的远程数据采集与控制系统 运行数据，进行远程控制、本地控制等。典型的监测系统如图1 i 所示。 显示 i 型兰h 引蠹蠢卜 记录 数据处理 图1 1 监测系统的组成 由图可知，一个完整的监测系统由被测对象、传感器、信号变换与测量电路、显 示记录系统四大部分组成。若要以最佳方案完成监测任务，就应该对整个监测系统的 各功能单元和关键技术作全面和综合的考虑。 针对提出的基于t c p i p 协议的远程数据采集与控制系统中所要采用的编码压缩 方式m p e g 一4 和网络传输协议t c p i p 进行研究应用。m p e g - 4 与m p e g l 、m p e g 一2 标准的主要不同之处在于它采用的是基于内容的数据压缩方式，在甚低速率下改进时 间存取，容错性大大增强。m p e g 一4 为多媒体数据压缩提供了一个更为广阔的平台。 它更多定义的是一种格式、一种框架，而不是具体的算法。因此，m p e g 一4 建立了一 个更自由的通信与研发环境，为用计算机软件做编码、解码提供了很大的方便。 m p e g - 4 的应用范围将可涉及到远程监控、网上虚拟会议、教室：交互式移动可视电 话；多媒体数据库的查询和检索；交互式家庭购物等领域。 互联网的出现和发展为人们能够随时随地的进行监视和管理提供了方法， t c p i p 协议是目前最通用的一种网络协议，利用该协议可以根据要传输的信号类型 不同优化传输方式，进行可靠传输。在系统中采用通用的客户机服务器模型进行系 统设计，并采用w i n s o c k 技术来实现客户机和服务器之间的通信。 根据工程环境中对视频监控的功能要求设计视频部分的各功能模块，确定各模块 的实现方法。在v i s u a lc + + 6 0 环境下进行程序设计，针对远程视频采集和控制信 号的远程传输、发送进行了讨论，并给出了其实现方法。远程控制功能的实现是由控 制中心的视频服务器把远程控制转化为本地控制，通过串行通讯口发送到解码器实现 的。远程视频数据和控制信号传输采用w i n s o c k 来实现。该部分主要包括：视频数据 的采集、传输和接收三部分。同时还包括远程录像、远程回放、远程控制、串行控制 和报警等。 根据整体方案设计中对模拟数字信号采集与控制系统的要求。确定系统的功能 模型，进而划分系统的功能模块。根据各个模块确定程序的实现方法。在v i s u a lb a s i c 6 0 环境下结合m a t c o m 函数库和a c c e s s 数据库进行软件开发。将该系统应用于 动态应变测试系统中，针对动态应变测试实验中的远程数据采集与控制信号的远程传 输、发送进行了讨论，并给出了其实现方法。该部分内容主要介绍了m a t c o m 和动 态链接库的应用：数据采集、处理的方法和远程数据传输、接收以及控制信号的发送 和接收等问题。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 - 4 本文研究的目的和意义 在工程实验监测对数据采集和智能化管理的要求越来越高的情况下，提出了基于 t c p i p 协议的远程数据采集与控制系统。该系统是基于互联网的数据采集与控制系 统，采用多元化的信息传输、集控制和管理于一体，实现了信息、资源和任务的共享， 达到了数据采集和控制的实时、快速和有效，并可以在互联网上实现远程采集和控制。 向人们提供一个更高效、全面、安全、快捷的服务方式，相比现有的工程监测系统有 了很大的进步。 本系统监测包括对工程环境的视频进行监控和各种传感器的模拟数字信号数据 的采集分析。同时还可以实现对现场设备的远程控制，如远程加载、卸载等。本系统 的视频采集采用在信源端进行视频压缩的方式，同时摈弃m p e 伊l 压缩制式，转而 利用更加理想的m p e g - 4 压缩方式进行开发。模拟数字信号采集采用数据采集卡和 传感器进行数据采集，并结合m a t c o m 技术在计算机中对实验数据进行分析、存储 等，同时实现了远程控制和远程报警。系统采用模块化、分层管理的方式进行开发。 系统灵活可靠，用户可以根据不同的环境而配置独有的采集与控制系统，所以系统具 有个性化设置功能。 在本系统中，我们不但对视频数据进行实时采集、监视以及视频录像、回放等； 还将系统应用于动态应变测试实验，通过采用数据采集卡采集传感器的模拟数字信 号，并进行显示、分析等。提高了动态应变测试实验的数据采集及处理能力。同时通 过解码器发送控制或报警命令，如空载、过载等报警。整个系统是集视频、模拟数 字信号采集与控制功能，并且是基于互联网的系统。 该系统利用m p e g - 4 技术、t c p i p 网络协议、串行通讯技术、动态链接库、 m a t c o m 、控制技术和数据库技术实现了一个基于网络的实时远程数据采集与控制 系统，视频采集及处理程序的开发采用面向对象( 0 p p ) 的开发技术，利用v i s u a lc + + 6 0 在w i n d o w s2 0 0 0 平台上开发，程序的界面和框架利用m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o n c l a s s ) 实现，视频图像的采集使用视频卡的开发包进行开发，模拟数字信号的采集 和处理程序利用v i s u a lb a s i c6 0 并结合m a t c o m 技术进行开发。同时结合数据采 集卡开发包进行开发，网络通信部分采用t c p i p 协议，设备的控制采用串口通信技 术实现。整个系统采用开放的、模块化的、面向对象的体系结构，是一个简单、实用、 高效的监测系统。 基于t c p i p 协议的远程数据采集与控制系统 第二章m p e g - 4 压缩及数据传输技术 2 1m p e g 一4 压缩技术 在视频采集与传输过程中，视频压缩是非常重要的。对于分辨率为6 4 0 4 8 0 、 每秒3 0 帧的视频而言，其大小为6 4 0 4 8 0 2 4 x3 0 = 2 2 1 m b p s ，由此可以看到一秒钟 的视频就要占用好几百兆字节的硬盘空间，如果不经过压缩，可以想象要看一部完整 的电影，需要巨大的存储的空间。因此视频压缩的理论和技术的出现是数字化时代不 可避免的。 尽管数字视频的占用空间庞大，但是通过先进的压缩技术，还是能够将视频数据 压缩到目前计算机网络能够处理传输的基本要求。压缩是视频处理的必要过程，但是 并不是毫无根据地压缩。盲目的压缩只会导致离用户的需求越来越远。而通过科学的 分析，在数字视频当中，有许多数据是冗余的，包括空间和时间冗余信息、熵冗余、 心理视觉冗余、结构冗余。因此可以通过分析压缩或者去掉这些冗余数据，从而将数 字视频大幅度的压缩。 国际标准化协会( i n t e m a t i o n ms t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n ，i s o ) ，国际电子学 委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o n i c sc o m m i t t e e ，i e c ) ，国际电信协会( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 等国际组织，于9 0 年代领导制定了许多重要的多媒 体数据压缩标准，包括j p e g 、h 系列标准、m p e g 标准“。 m p e c r - 4 的制定初衷主要针对视频会议、可视电话超低比特率压缩编码的需求。 将基于内容的检索与编码结合起来考虑，基于内容的压缩编码方法，这主要是针对应 用来定义的概念。新的编码方法可以基于通用芯片，打破了原来压缩编码方法基于专 用硬件的限制，可以引入涉及到图像分析的较复杂的算法。于是m p e g - 4 新的目标 就定义为：支持多种多媒体应用( 主要侧重于对多媒体信息内容的访问) ，可根据应 用要求不同来现场配置解码器。编码系统是开放的，可以随时加入新的有效的算法模 块。这对于以前基于专用硬件的压缩编码方法都是不可想象的。 与m p e g 一1 、m p e g - 2 “1 不同，m p e c r - 4 “”1 并不仅仅着眼于定义不同码流 下的压缩编码标准，而是更多地强调多媒体通信的交互性和灵活性，以及多产业领域 的融合。m p e c r - 4 的目标定义大致来源于两方面：一是极低比特率下的多媒体通信， 二是多产业多媒体通信的融合，主要有通信业、计算机业、消费电子业和娱乐影视业。 关于多产业的融合，其先驱要数始于1 9 9 4 年的d a v i c ( d i g i t a la u d i o v i s t u f fc o u n c i l ) ， 它致力于广播、通信和计算机界的中立的多媒体解决方案。然而，由于产业界利益的 冲突，终于使d a v i c 的计划以失败告终。m p e c r - 4 就是试图达到以上两个主要目标 而制定的多媒体通信标准。因而，一方面，m p e g - 4 要求有高效的压缩编码方法，另 一方面，m p e g - - 4 要求有独立于网络的基于视频音频对象( a v 对象) 的交互性。 m p e g 一4 提供一系列技术以满足视听内容的提供者、网络服务商和最终用户的要 6 南京航空航天大学硕士学位论文 求。对于视听内容的提供者，m p e g - - 4 使得他们有更大的灵活性和更丰富的内容，同 时，这些视听内容易于重复利用，并且易于管理，便于保护知识产权。对于网络服务 商，m p e g - 4 使得多媒体信息在不同网络中提供透明的传输。m p e g 一4 的多媒体信息 独立于网络特性并能针对不同网络特性进行优化传输。对于最终用户，m p e g - 4 将支 持更多的功能，尤其是支持对a v 对象的交互作用以及远程监控服务。 基于以上介绍的m p e g - 4 的种种优点，本文所介绍的系统采用了m p e g - 4 标准 对要发送到网络上进行实时传输的视频流进行实时压缩。 目前，m p e g 一4 技术已开始逐步得到应用。例如，日本夏普公司推出了应用在互 联网上的数字摄像机v n e z l 。这台网络摄像机利用m p e g - 4 格式，可把影像文件 压缩为a s f ( 高级流格式) ，然后用户只要利用微软公司的m e d i a p l a y e r 播放程序， 就可以直接在电脑上进行播放。又如：在移动多媒体通信领域，摩托罗拉公司在2 0 0 1 年5 月份宣布开发出用手机看电影的技术。该公司已研制成功通过g p r s ( 通用数据 包无线业务) 移动数据网络传输m p e g 一4 实时图像的系统“2 “。 m p e g 一4 之后，m p e g 组织极力推出的将是m p e g 一7 标准。”“。m p e g - 4 是基 于内容的压缩，而其后继的m p e g 一7 则是基于内容的描述。它不是一种压缩算法的 标准，而是一种面向内容的描述语言和格式的标准。其应用领域又将十分广泛。最重 要的一点是，有了基于内容的描述之后，可以对多媒体信息进行分类、检索、识别和 加工制作。 未来多媒体数据压缩技术的发展趋势将是基于内容的压缩这实际上是信息处理 的更高阶段，更加向人自身的信息处理方式靠近。m p e g 系列标准的推出，正好顺应 了这一发展趋势，符合了这一发展的需要，将对多媒体数据库和i n t e m e t 多媒体应用 的发展起至关重要的作用。 2 2 数据传输技术 在远程数据采集与控制系统中，选择适当的通讯网络对进行系统设计、数据传输、 资源管理和信息交互是非常重要的。针对提出的基于t c p i p 协议的远程数据采集与 控制系统采用了基于t c p i p 协议的i n t e m e t 作为系统的远程通信网络。 2 2 1 传输协议 在互联网中，各种型号、各种系统的计算机之间为了能够进行通信，必须有一定 的协议支持。目前有很多的通信协议，在这些协议中，t c p i p 协议m 3 是应用最广泛 的。t c p i p 协议已经成为了事实上的工业标准，主要用于广域网( w a n ) 和局域网 ( l a n ) 。 t c p i p 协议起源于2 0 世纪6 0 年代末美国政府资助的一个分组交换网络研究项 目，到2 0 世纪9 0 年代已发展成为计算机之间最常应用的组网协议。它是一个真正的 开放系统，该协议族的定义及其多种实现可以在公开的场合无偿得到。i n t e m e t 就是 7 基于t c p f i p 协议的远程数据采集与控制系统 采用t c p i p 协议作为共同的通信协议，将世界范围内许许多多计算机网络联结在一 起，成为当今最大和最流行的国际性网络。 2 2 2 客户机, i l l 务器通信模型 进入九十年代后随着计算机和网络技术的发展，很多远程访问系统都采用了开 放系统结构的客户机服务器( c l i e m s e r v e r ) 网络模型，即客户机向服务器提出请求， 服务器对请求做相应的处理并执行被请求的任务，然后将结果返回给客户机。这种方 式隐含了在建立客户机服务器之间通信时的非对称性。 客户机服务器模型工作时要求有一套为客户机和服务器所共识的惯例来保证服 务能够被提供( 或被接受) ，这一套惯例包含了一套协议，它必须在通讯的两头都被 实现。根据不同的实际情况，协议可能是对称的或是非对称的。在对称的协议中，每 一方都有可能扮演主从角色；在非对称协议中，一方是主机，而另一方则是从机。无 论具体的协议是对称的或是非对称的，当服务被提供时，必然存在两个进程：客户进 程和服务进程。 一个服务程序通常在个众所周知的地址监听客户对服务的请求，也就是说，服 务进程一直处于休眠状态，直到一个客户对这个服务的地址提出了连接请求。在这个 时刻，服务程序被“惊醒”，并为客户提供服务对客户的请求做出适当的反应。 虽然基于连接( t c p ) 的服务是设计客户机m i l l 务器应用程序的标准，但有些服务也 是可以通过数据包( u d p ) 套接字提供的。 1 服务器或 一 客户端或 客户端 1 服务器 r 一 请求连接0 连接响应 发送命令 数据传送 拆除连接 图2 1 客户、服务器的通信原理 在客户与服务器的通信过程中，所谓客户，就是发出需求请求，并等待响应的一 方；所谓服务器，就是根据客户提出的相应需求，给客户提供对应的服务。通信原理 如图2 1 。 在客户机服务器通信模型中，对于服务器端，使它处于侦听方式( i i s t e n ) ，以 便接受任何针对于本服务器的请求：对于客户端，如果需要与服务器端通信，可与服 务器端建立通信连接。 在v c 6 中，结合客户与服务器的通信特点，提供了w i n s o c k 控件，用于实现客 南京航空航天大学硕士学位论文 户与服务器之间的数据交换。w i n s o c k 控件对用户来说是不可见的，它提供了访问 t c p 和u d p 网络服务的方便途径。m i c m s o f t a c c e s s 、v i s u a lb 硒i c 、v i s u a lc + + 、或 v i s u mf o x p r o 的开发人员都可使用它。为编写客户或服务器应用程序，不必了解t c p 的细节或调用低级的w i n s o c ka p i s 。通过设置控件的属性并调用其方法就可轻易连 接到一台远程机器上去，并且还可双向交换数据。 2 2 3w i n s o c k 编程模型 在目前计算机网络通信发展中，t c p i p 协议在异网互联中展现出强大的生命力。 在w i n d o w s 下的各种编程接口中，由于w i n d o w ss o c k e t s 的开放性，又可以支持多种 协议，获得了越来越广泛的应用。所以，在本系统中利用w i n s o c k 接口来开发系统的 网络支持功能。 w i n s o c k 通信“即w i n d o w ss o c k e t 通信，是套接字s o c k e t 通信的一个子域。 s o c k e t 是b s du n i x 提供的基于t c p i p 网络应用编程接口。套接字是通信的基石， 是支持t c p i p 协议的网络通信的基本操作单元。可以将套接字看作不同主机间的进 程进行双向通信的端点。它构成了在单个主机内及整个网络间的编程界面。套接字存 在于通信域中，通信域是为了处理一般的线程通过套接字通信而引进的一种抽象概 念。套接字通常和同一个域中的套接字交换数据( 数据交换也可能穿越域的界限，但 这时一定要执行某种解释程序) 。w i n s o c k 规范支持单一的通信域，即i n t e r n e t 域。各 种进程使用这个域，互相之间用i n t e r a c t 协议族来进行通信( w i n s o c kl _ l 以上的版本 支持其他的域，例如w i n s o c k2 ) 。 w i m o c k 采用客户机服务器的通讯机制，使客户机和服务器可以通过s o c k e t 实 现网络之间的连接和数据交换。s o c k m 提供了一系列系统调用，可实现t c p 、u d p 和i p 等多种t c p i p 之间的通信。w i n s o c k ( w i n d o w ss o c k e t ) 是m i c m s o rw i n d o w s 平台上网络应用编程的标准接口，它由一个w i n s o c k h 头文件、一个w i n s o c k 1 i b 库 文件和两个w i n s o c k d l l 、w s o c k 3 2 d l l 动态连接库组成。 套接字可以根据通信性质分类，这种性质对于用户是可见的。应用程序一般仅在 同一类的套接字间通信。不过只要底层的通信协议允许，不同类型的套接字间也照样 可以通信。 套接字有两种不同的类型：流套接字( t c p ) 和数据报套接字( u d p ) 。 不论是流套接字还是数据报套接字编程，一般都采用客户机服务器方式，它们 的运作过程基本类似，流套接字的服务进程和客户进程在通信前必须创建各自的套接 字并建立连接，然后才能对相应的套接字进行“读”、“写”操作，实现数据的传输。 其编程时序图如图2 2 。 9 基于t c p ，i p 协议的远程数据采集与控制系统 服务器客户端 l i s t e n ( ) 侦听 。 严 l s o c k e t ( ) 建立套接字 t f fa c c e p t ( ) 接受连接i 建立连接+ i l c o n n e c t ( ) 连接主机 拥挤，筘待客户的请求 i读写数据卜叫发送接收数据 l服务器请求响应l 上 关闭套接字陕闭套接孚，结束与 一陆务器的对话 c l o s e s o e k e t 0 ，关闭 套接字，服务结束 图2 2 流套接字编程时序图 通过通信时序图，可以看出远程客户端和控制中心的服务器的工作方式。服务器 端首先建立套接字，进入侦听模式，一旦侦听到客户端的连接请求，就对客户端的身 份进行验证，验证成功后，建立连接。成功建立连接之后，客户端和服务器之间就可 以进行可靠的通信。 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章整个系统的方案设计 基于t c p i p 协议的远程数据采集与控制系统是一个非常庞大的监测系统，涉及 到硬件、软件等等许多复杂的技术，设计一个科学的方案是实施系统的一个关键步骤。 本章着重探讨系统的需求及方案的设计，提出了系统结构模型、功能模块以及主要的 控制操作。 3 1 系统需求 通过对工程环境的考虑以及对数据采集和远程控制的需求进行调研，本系统可以 在多种不同的工程环境中应用，如工程远程状态监测、远程实验等。所以本系统需要 具有灵活配置的功能。在不同的环境中只需要设置环境要求的参数即可配置需要的系 统。在功能上，系统不但要实现远程的视频、模拟数字信号采集，同时还要实现在 互联网上的远程控制和报警，还包括一些参数和用户的管理，视频录像，模拟数字 数据的分析和数据标定等功能。 在系统设计中，系统实行分层管理，系统主要由控制中心、客户端、现场和通信 网络组成，各部分又有一定的设计要求。 1 控制中心。控制中心包括视频服务器( 安装视频采集卡和服务器端视频采集软 件) 、模拟数字信号服务器( 包括数据采集卡和数据采集及处理软件) 、解码器等。 视频服务器能同时监视1 6 个现场图像，可以接受报警信号，当报警时，自动切换到 相应的图像。模拟数字信号服务器可以同时采集1 6 个通道的模拟量数据，并且在计 算机中可以对这些数据进行分析处理。同时，控制中心能根据远程客户端的需要，把 视频或模拟数字信号数据打包通过网络发送给客户端。把从客户端发来的控制命令 转换为本地控制命令发送给解码器，控制现场设备的开、关、加载、卸载等操作。现 场的报警信号可以反馈到控制中心，也可以由控制中心通过网络反馈给远程客户端。 另外，还要求控制中心有用户管理、设备管理、视频录像、地图管理、数据分析和数 据回放等功能。 2 客户端。通过网络接收控制中心发来现场的视频或模拟数字量数据，并进行解 码显示、分析。根据分析结果，用户可以根据的自己的需要调整现场的实验设备如： 加载、卸载等。客户端的这些调整命令通过网络发送给控制中心的视频服务器或模拟 数字信号服务器，由服务器把这些远程控制命令转换为本地控制，发送给解码器， 由解码器来进行控制操作。 3 现场。现场设置摄像机、全方位云台、电动三可变镜头、室外防雨云台镜头 罩、传感器、需监测的工作设备。设置每个报警点位置及报警联动响应动作。若警报 发生，报警探测器和视频控制联动，自动切换摄像视频，并自动启动录像功能。 4 通信网络。通信网络可以是局域网、互联网、电话网等。在本系统中，主要采 用的是局域网和互联网。由于采用了先进的视频数据的压缩方式，减少了带宽的占用， 基于t c p i p 协议的远程数据采集与控制系统 从而保证了数据远程实时的传输。 系统的总体目标是：网络上的计算机根据权限分别通过网络对各个现场进行远程 视频、模拟数字信号采集和设备控制。同时具有远程录像、远程报警、远程数据回 放、数据分析等功能。采集的各种数据对所有的用户网络共享。系统强调了高度的安 全性和可靠性。 3 2 系统的模型设计 合理规划一个系统模型是一个系统能够顺利实施的关键，只有有一个很好的系统 框架，才能够使得整个系统的开发达到事半功倍的效果。本文研究的对象是基于 t c p i p 协议的远程数据采集控制系统，所以，针对该系统需要建立一个合理的结构模 型。 先来看一个比较通用的基于网络的采集模型，该模型是一个基于局域网和广域网 的模型，如图3 1 。从结构图3 1 可以看出，该系统是以视频采集、监视为主的一个 集成各种技术的综合的系统。由于具体应用环境不同，可以有许多种不同的分布形式。 可以根据自己的需要在网络中加入适当的模块。 图3 1 通用远程视频采集控制系统模型 目前的远程视频采集监视系统多采用图3 1 中的模型，但是在实际的开发中，投 入比较大，而且灵活性不强。 基于互联网的数据采集与控制系统所采用的协议是h 1 v r p 协议，采用视频服务器 的方式进行远程数据采集和控制是目前进行远程采集与控制比较灵活、可靠的一种网 络模型，如图3 2 。 图3 2 中，客户端可以是局域网或广域网上的任意一台计算机。视频服务器通过 是视频采集卡获得视频数据，接收从客户端传来的控制信号。通过网络实现远程实时 2 壹室堕窒塾丕盔兰堡主兰垡堡苎 采集、控制及远程报警。在本文所介绍的系统中，视频采集与控制系统就是在这种模 型下建立的。 图3 2 基于视频服务器的远程数据采集控制系统模型 但是，随着现代网络技术的飞速发展以及人们对远程数据采集与控制系统的功能 要求不断提高，一个完整的采集控制系统应该是集各种信号的采集、管理和控制为一 体的综合系统。本文提出的基于t c p i p 协议远程数据采集与控制系统正是集成了视 频信号、模拟数字信号采集和控制、管理功能为一体的系统。 基于t c p i p 协议远程数据采集与控制系统的设计采用服务器客户端网络模型， 在具体设计中为了便于管理，采用基于服务器客户端的三层网络模型，如图3 3 。三 层分别为：现场、控制中心和客户端。通过网络连接构成了系统的完整构架。 摄像机ll 云台、雨刮等ii 报警器lj 实验设备等fi 传感器 视频服务器 控制中心 集线器ij 路由器 局域网 模拟数据采集服务器 广域网 客户端ff 客户端ll 客户端ii 客户端 图3 3 系统完整构架 图3 3 可以很清楚地看到整个系统的分层结构。其中包括了局域网和广域网的数 据传输，同时也实现了多对多的远程控制。一个控制中心可以包含多台视频服务器和 模拟数字信号服务器，即可以同时采集和控制多个现场。服务器之间数据共享。在 基于t c p i p 的远程采集与控制系统中，客户端通过网络进行远程采集和控制，最重 要的一点是远程客户端只需安装客户端软件就可以在任意地方进行远程采集和控制。 图3 3 中也反映整个系统中的信息传输，包括控制信息和数据信息的传输过程。 图中的向上的“箭头”表示传输时的控制信息，相反，向下的“箭头”传输的是视频 或模拟数字量数据。其中当一个远程客户端需要采集和控制时，首先需要通过网络 基于t c p ，i p 协议的远程数据采集与控制系统 连接到控制中心的服务器，然后由服务器返回相关数据，如登陆信息等，确认成功后 就可以远程采集数据和发送各种控制命令到控制中心的服务器。服务器通过串行口把 这些控制命令发送给解码器以控制云台、摄像机等视频设备调整和实验设备的各种操 作的如启动、停止、加载、卸载等。 3 3 系统构成模块 整个系统由现场、控制中心、客户端、通信网络构成。通过对系统结构模型的设 计和分析，为了便于系统软件设计，把系统划分成模块。系统的模块构成如图3 4 所 示。 图3 4 系统构成模型 1 现场 主要完成工程或实验环境的图像采集、压缩编码和实验设备的模拟数字信号采 集和执行服务器发送的指令进行设备工作状态的控制。 每个现场根据用户要求及实际需要，设置摄像机、传感器和报警器等进行智能采 集与控制和科学管理。报警装置与相应摄像机联动，一旦工程或实验过程中有异常情 况，如构件断裂、载荷过大等。现场就会进行报警。 现场设备包括进行视频采集的摄像机、云台等和进行模拟数字信号采集的传感 器以及实验设备和辅助设备等。 2 控审0 中心 控制中心包括视频服务器和模拟数字信号服务器。在视频服务器上主要完成视 频采集、视频录像、视频回放、报警、用户和设备管理以及对摄像设备的控制操等。 模拟数字信号服务器主要完成工程和实验中需要监测部分的数据采集、数据分析、 数据标定、数据回放和设备的控制操作等，如开、关、加载、卸载等。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 控制中心的设备主要有视频服务器、模拟数字信号服务器、解码器等。显示设 备采用计算机的显示器；视频服务器配置远程视频采集与控制系统的服务器端软件； 模拟数字信号服务器需配置远程模拟数字采集与控制系统的服务器端软件。各用户 在控制中心的视频服务器或模拟数字信号服务器上登陆之后就可以在自己的权限范 围内进行本地的数据采集和控制操作，并在异常情况下发出报警。 3 客户端 客户端是指局域网或者互联网上的任意计算机，该计算机只需要安装客户端软 件，不需要安装其它任何设备。用户通过权限和密码登陆控制中心的视频服务器或模 拟数字信号服务器之后，通过网络进行远程采集，查看控制中心的信息，控制现场 的视频设备和实验设备操作。同时，可以进行远程视频录像、数据回放、数据分析和 报警等。 4 通信网络 通信网络主要包括网络通道和传输接口，主要完成视频、模拟数字量数据的采 集和控制命令的传送。系统在豆联网上进行图像、模拟数字信号的综台传输。通过 通信网络把现场、客户端和控制中心连成一个完整的系统。 3 4 系统控制功能 1 视频切换 系统对视频切换可以实现任意编制。视频服务器能够把各个监控现场的图像信 号，定点切换到任一