（机械工程专业论文）基于bs的水泵远程测控系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机网络技术以及信息技术的发展，基于i n t e r n e t 的远程测控技术 开始成为，并且已经成为工业测控领域的主要发展方向之一，它推动着测控技 术向网络化、信息化、智能化的方向发展。同样对于水泵测控领域来讲，原有 的单机测控技术已经不能适应当前信息化社会的发展需求。本文针对这个问题， 结合某型号水泵的测控要求，研究在j 2 e e 平台下进行基于b s 结构的水泵远程 测控系统的开发，以实现水泵的远程在线监控和在线历史数据查询。 本文首先讨论了基于b s 结构的水泵远程测控系统的结构体系，给出了其 系统模型，并根据模型对影响系统实时性的几个因素进行了分析。文章接着对 水泵现场测控系统进行了设计，并采用了单片机系统作为其测控系统模型，然 后按照模块化设计的思想对系统各部分进行了设计，并重点对数据采集、控制 信号输出以及人机交互等模块进行了分析讨论。系统采用液晶屏了对水泵的现 场进行实时监控，并采用p i d 控制算法实现对水泵的变频调速控制。水泵现场 测控系统通过r s - 2 3 2 串行通信的方式向远程测控系统w e b 服务器传送现场测控 的实时数据。w e b 服务器与现场测控单片机系统之间采取多机通讯的方式，可同 时向多台水泵采集现场测控信息，从而实现了同时对多台水泵的远程测控。服 务器端采用了j a v a 应用程序来与水泵现场测控系统进行串行通信，通过数据发 送程序向各现场测控子系统发送控制命令并通过数据接收程序接收处理来自现 场测控的数据。水泵远程测控系统w e b 服务器采用了s t r u t s 框架进行开发，并 结合a j a x 技术实现了在线监控页面无更新动态刷新实时数据的功能。 关键词：水泵，远程测控，串行通信，j 2 e e ，s t r u t s 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n di t , t h e t e c h n o l o g yo fr e m o t et e s ta n dc o n t r o lb a s e do ni n t e m e th a sb e c o m eah o tr e s e a r c h t o p i ca th o m ea n da b r o a da n do n e o ft h em a i nd i r e c t i o n so fd e v e l o p m e n to ft h ef i e l d o fi n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o l ，d r i v i n gt h em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o l t e c h n o l o g yt ot h en e t w o r k ，i n f o r m a t i o ni n t e l l i g e n td i r e c t i o n t h es a m ef o rt h ep u m p i nt e r m so fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lf i e l d ，t h eo r i g i n a ls t a n d - a l o n em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o l t e c h n o l o g yh a sb e e nu n a b l et om e e tt h ed e v e l o p m e n to ft h e c u r r e n t i n f o r m a t i o ns o c i e t y t os o l v et h i sp r o b l e m , c o m b i n e dw i mt h em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o lo fac e r t a i nt y p eo fp u m p ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ed e v e l o p m e n to fr e m o t e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nb su n d e rt h ep l a t f o f i l lo ft h ej 2 e e ，i n o r d e rt or e a l i z er e m o t eo n - l i n ec o m p u t e rm o n i t o r i n ga n do n l i n eh i s t o r i c a ld a t a q u e r y t i l i sa r t i c l ef i r s td i s c u s s e st h es t r u c t u r a ls y s t e mo ft h ep u m pr e m o t em e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nb sa n dg i v e st h es y s t e mm o d e l ，t h e na n a l y z e ss e v e r a l f a c t o r sa f f e c t i n gt h es y s t e mr e a l - t i m ea c c o r d i n gt ot h em o d e l s u b s e q u e n t l y , t h e a r t i c l ed e s i g n st h ef i e l dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo ft h ep u m pa n du s e st h e m c u s y s t e ma st h em o d e lo ft h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m , a n dt h e nd e s i g n s e a c hp a r to ft h es y s t e mf o l l o w i n gt h ei d e ao fm o d u l a rd e s i g na n dm a k e sa na n a l y s i s a n dd i s c u s s i o nm a i n l yf o rd a t aa c q u i s i t i o n , c o n t r o ls i g n a lo u t p u t , a sw e l la st h e h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nm o d u l e s 1 1 地s y s t e mu s e sal c ds c r e e nt oc a r r yo u t r e a l - t i m em o n i t o r i n go ft h ep u m pa n dt h ep i dc o n t r o la l g o r i t h mt or e a l i z et h e f r e q u e n c yc o n t r o lo ft h ep u m p n 坨f i e l dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo ft h e p u m p u s e st h er s - 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d et ot r a n s m i tt h er e a l t i m ed a t ao f t h ef i e l dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt ot h ew - e bs e r v e ro ft h er e m o t em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m t h ew 色bs e r v e rt a k e st h em u l t ic o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nm e t h o dt o c o m m u n i c a t ew i t l lt h es i t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lm c us y s t e ma n dc a nc o l l e c t i n f o r m a t i o no ft h ef i e l dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lf r o mm o r et h a no n ep u m ps oa st o r e a l i z et h er e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo fm u l t i p l ep u m p sa tt h es a m et i m e t 1 1 e s e r v e r - s i d eu s e saj a v aa p p l i c a t i o nt od ot h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n 、i mt h ep u m p - s i t e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma n dad a t as e n d i n gp r o c e d u r et os e n dc o n t r o l i l 武汉理工大学硕士学位论文 c o m m a n dt ot h es i t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls u b s y s t e m ，a sw e l la sad a t ar e c e i v i n g p r o c e d u r et or e c e i v ea n dp r o c e s sd a t af r o mt h es i t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 t h e p u m pr e m o t em e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e mw e bs e r v e ru s e st h es t r u t sf r a m e w o r k f o rd e v e l o p m e n ta n dc o m b i n e st h ea j a xt e c h n o l o g yt or e a l i z et h ef u n c t i o no ft h e o n l i n em o n i t o r i n gp a g ed y n a m i c a l l yr e f r e s ht h er e a l - t i m ed a t aw i t h o u tp a g eu p d a t i n g k e yw o r d s ：p u m p s 。r e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 。 j 2 e e ，s t r u t s i l l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 水泵在国民经济生活中应用广泛，关于水泵的测控技术也由来已久。由于水 泵工作环境复杂而且工作时间长，采用传统的现场测控的方法往往效率低下并 且人工劳动强度大，难以满足生产生活的需要，因此采用自动化的测控手段已 经成为水泵测控领域的主要趋势。随着计算机网络技术以及信息技术的发展， 基于i n t e r n e t 的远程测控技术开始成为国内外研究的热门课题，并且已经成为 工业测控领域的主要发展方向之一。基于i n t e r n e t 的远程测控技术具有信息传 递快、数据共享、不受时空限制和交互性强等特点，随着该技术的不断发展成 熟，它也必然促进着水泵测控技术向网络化、信息化、智能化的方向发展。当 前，我们已经步入了信息化社会，互联网的广泛普及深刻地改变了我们的生产 生活方式，将基于i n t e r n e t 的远程测控技术应用于水泵测控系统中，不仅能使 生产现场管理人员与水泵工作现场相隔离开来，采用远程监控来代替过去的现 场监控，从而大大减小了人工劳动强度，而且还能使企业管理人员不管在什么 地方、什么时间，只要能上网，也可以看得到过去只有现场操作人员才能看得 到的生产现场的实时信息，并实现对生产现场的远程调度、指挥决策以及在线 故障诊断等功能，从而大大提高了企业的信息化生产管理水平。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 远程测控系统的国内外研究现状分析 远程测控技术是工业测控领域的前沿技术，它是传统测控技术与计算机技 术、网络技术、通信技术等新兴技术相结合的产物，在工业领域中有着广阔的 应用前景，国内外都对此进行了大量的研究洲3 1 。早在1 9 9 7 年，由斯坦福大学和 麻省理工学院联合主办的基于i n t e r n e t 的远程监控诊断工作会议第一次会议就 已经召开，会议就远程监控系统的开放式体系等问题展开了讨论羽。中国自2 0 l o 年开始定期召开“中国国际远程测控系统与r t u 技术发展应用高峰论坛 ，至今 武汉理工大学硕士学位论文 已经成功举办两届，第一届会议的主题为“可靠、智能、绿色一制造业转型下 的远程测控系统 ，近2 0 0 位专家学者、制造商以及设计工作者参加了会议，就 远程测控领域的相关问题展开了讨论。目前，远程测控技术已经在环境监测、 电网监控以及石油的输送管道远程监控等领域获得了广泛的应用。 远程测控技术由来已久，在i n t e r n e t 还没有获得广泛使用之前，人们就已 经开始利用现有的技术进行远程测控方面的研究，并相续开发出多种适合不同 场合具有各自特点的远程测控系统，由于研究得早，一些远程测控系统已经在 实际应用中获得了广泛的应用，当前应用得比较成熟的远程测控系统主要有以 下几种嘲： ( 1 ) 应用专线的远程测控系统。它是将现场测控系统发送的数据通过串行 口送给本地的m o d e n 进行调制之后，通过专线传送给远方的m o d e n ，远方的m o d e n 将受到的信号解调为数字信号，通过串口送给主机，从而实现主机对现场的监 控与管理。这种远程测控系统在水利、电力、交通等行业已经得到了广泛的应 用。 ( 2 ) 利用公用电话网的远程测控系统。该方法利用现有的公用电话网，采 用拨号方式建立临时连接的方式来实现远程测控。这种方法适用于通信数据量 较小的并且通信不太频繁的场合。 ( 3 ) 采用光纤通道的远程测控系统。该方法充分发挥了光纤传输的稳定性 好、抗干扰能力强、传输速度快等优点，采用光纤收发器进行信息的传送与接 收，从而实现远程测控。 ( 4 ) 采用无线通信方式的远程测控系统。该方法利用无线电波来传输测控 信息，从而不用铺设通讯电缆，适合于工作点较多、距离较远且环境恶劣的场 厶 口 随着i n t e r n e t 技术的逐渐成熟以及获得了越来越广泛的使用，它已经深刻 地改变了人们的生产生活方式，传统的远程测控技术已经不能满足人们对于信 息开放以及远距离随时随地获取信息的需求，于是基于i n t e r n e t 的远程测控技 术随之而产生，它一经出现便成为国内外研究的热门课题。基于i n t e r n e t 的远 程测控系统具有传统远程测控系统所无法比拟的一些优点：它采用互联网作为 信息传输的媒介，使得信息传递既方便又快捷；它采用w e b 服务器来作为与用 户进行信息交互的渠道，用户不管身在哪里，只要在能上网的地方，就可以通 过登录远程测控系统的w e b 服务器来获得现场测控的信息，实现对生产现场的 远距离掌控；由于使用了w e b 服务器，使得远程测控系统成为了一个开放式的 2 武汉理工大学硕士学位论文 信息系统，较好地满足了当前信息化社会的条件下人们对于信息开放的需求。 当前，随着w e b 技术的不断发展，基于i n t e r n e t 的远程测控系统的实现形 式呈现出了多样化的特点，但总结起来应用最多的主要有以下两种方式： ( 1 ) 采用嵌入式w e b 服务器的远程测控系统。由于在工业测控领域，单片 机获得了最广泛的应用，人们于是开始研究将测控现场的单片机直接接入到 i n t e r n e t 中，以实现远程测控，当前这种技术已经成熟，通常的做法是以单片 机为核心，通过扩展以太网络接口芯片，在单片机内构建嵌入式的w e b 服务器 来实现，由嵌入式w e b 服务器来完成远程测控的功能，嵌入式w e b 服务器和客 户端浏览器之间的通信仍采取h t t p 协议( 超文本传输协议) ，用户通过客户端 浏览器即可实现对嵌入式w e b 服务器的访问。该方法的系统框图如图1 - 1 所示。 甲甲 0 网络接口芯片 ： 嵌入式w e b 服务器 l 现场测控单元 单片机系统 以太网 图1 - 1 采用嵌入式w e b 服务器的远程测控系统框图 这种方法使得单片机在无p c 机的情况下可直接与i n t e r n e t 相连，每个单片 机都对应着i n t e r n e t 上的一个i p 地址，用户可直接通过互联网访问现场测控 单片机系统本身，这样构建的远程测控系统具有较好的实时性，接入互联网的 方式比较简单，但是它的缺点也很明显，就是单片机的存储容量有限，难以实 现大量数据的存储，另外，嵌入式w e b 服务器实现的功能非常有限，难以实现 功能强大、视觉友好的w e b 界面。文献 1 6 文献 2 6 均对采用嵌入式w e b 服 务器的远程测控系统进行了研究。文献 1 6 提出了一种i n t e r n e t 技术应用于嵌 入式分布式远程测控系统中的方法，即利用c a n 总线与底层测控单元连接，通 过网络接口芯片r t l 8 0 1 9 a s 将单片机与i n t e r n e t 相连，采用嵌入式w e b 服务器 实现远程测控系统功能，并以3 2 位微处理器s 3 c 4 4 b o x 为平台，在嵌入式操作系 统p c l i n u x 支持下，采用c g i 、j a v aa p p l e t 等技术构建了e w s 系统。文献 1 7 3 武汉理工大学硕士学位论文 讨论了基于嵌入式w e b 服务器的远程测控系统的设计，使基于p i c l 8 f x x x 单片 机的测控设备通过i s p ( i n t e r n e t 服务供应商) 在不需要p c 机的情况下接入互 联网，并采用c g i 技术实现动态w e b 页面。文献 1 8 以单片机和网络接口芯片 为硬件平台，通过对t c p i p 协议进行精简，在单片机上设计并实现了嵌入式w e b 服务器。文献 1 9 通过对t c p i p 协议进行精简，在8 位单片机上实现了嵌入式 w e b 服务器。文献 2 0 提出了一种基于高速单片机的嵌入式远程网络化测控系 统，并将其应用于化工生产中对空气压缩机状态的监控。文献 2 1 在分析现有 网络协议的基础上，采用精简t c p i p 协议构造了e w s ，并结合j a v aa p p l e t 技 术构造了适合嵌入式系统的b s 服务器结构，较好地适应了远程测控的要求。 文献 2 2 提出了c g i 与s s i 技术相结合的“扩展c g i 方案，克服了c g i 方式可 维护性差的缺点，较少了服务器生成动态页面时的开销，并给出了嵌入式w e b 服务器的具体实现方法。文献 2 3 分别采用j a v a s c r i p t 结合v m l 以及使用 a p p l e t 这两种方法实现了基于嵌入式w e b 服务器的动态历史曲线绘制。文献 2 4 提出了基于单片机的无线嵌入式w e b 服务器的概念，并对嵌入式w e b 服务器在 无线领域的应用做了探讨和研究。文献 2 5 将远程视频监控与嵌入式w e b 服务 器相结合，实现了嵌入式w e b 服务器远程视频监控。文献 2 6 重点讨论了在5 1 单片机系统中嵌入式w e b 服务器的软、硬件设计方法，并对系统进行了测试， 该方法切实可行。 ( 2 ) 采用普通w e b 服务器的远程测控系统，其系统框图如图i - 2 所示。 以太罔 p c 机 图1 - 2 采用普通w e b 服务器的远程测控系统框图 这种方法的特点是w e b 服务器在p c 机上，w e b 服务器通常采用b s 结构进 行设计，用户通过客户端浏览器访问w e b 服务器，w e b 服务器又通过系统总线或 通信总线的方式与现场测控单元相连，所有的数据都存储在数据库中。这种方 4 武汉理工大学硕士学位论文 法的缺点就是客户端不能直接与现场测控单元进行信息的交流，只能采取一种 间接的方式，但是它的优点却显而易见：它的服务器位于计算机上，能充分发 挥计算机强大的计算能力，实现复杂的数据处理；它的所有数据都存储在数据 库中，能够实现数据的大量存储，并且对数据的查询和管理也将变得十分方便； 能够使用各种w e b 开发技术进行w e b 服务器的开发，从而实现w e b 服务器各种 强大的功能，以满足人们的需求。当前w e b 系统开发领域里的两大主流开发平 台，即微软公司的n e t 平台和s u n 公司的j z e e 平台均支持这种方法，其它的一 些平台如l a b v i e w 平台等也都支持它。随着w e b 开发技术的不断成熟，基于b s 结构的远程测控系统正在获得越来越广泛的应用。文献 3 文献 1 3 3 均对基于 b s 的远程测控系统进行了研究。文献 3 提出了一种基于w e b 技术的实时网络 监控系统设计方法，把基于b s 模式的3 层体系结构运用于监控系统中，并将该 方法用于中央空调远程实时监控系统中。文献 4 提出了一种基于b s 结构的远 程测控系统模型：用户通过浏览器访问w e b 服务器，服务器调用本机上的组件， 组件再调用测控模块的驱动程序，从而实现b s 结构的远程测控。文献 5 研究 了基于c s 和b s 的混合模型的网络远程测控系统，并结合a d o a s p 技术，实 现了远程网络实时数据采集、数据动态发布、历史数据查询以及远程参数配置。 文献 6 将基于b s 结构的远程测控系统应用到油井集成远程测控中去，并在 j z e e 平台下采用m v c 模式进行开发。文献 7 基于l a b v i e w 平台采用a c t i v e x 控 件技术实现i n t e r n e t 的b s 模式的网络虚拟仪器，实现了基于i n t e r n e t 的远 程测控。文献 8 分析了测控领域中两种类型的远程测控系统，论述了利用虚拟 仪器和i n t e r n e t 技术快速构建基于w e b 的远程测控系统的方法，并利用该方法 构建了基于w e b 的远程在线监测诊断系统。文献 9 将基于b s 的远程测控系统 应用于汽车耐久性实验中，实现了对实验现场的实时监控，并在实际应用中取 得了较好的效果。文献 1 0 3 在已有变电站集中式在线监控系统的基础上，结合 a s p 和a c t i v e x 技术建立了可直接用i n t e r n e t 进行查询的远程监控系统，该系 统采用b s 结构实现。文献 1 1 开发了基于i p s e cv p n 数据传输技术和b s 模 式的w e b 数据发布在线监控系统，能够对污染企业排污口的原始监控数据进行 实时传输与监控、历史数据查询以及数据分析。文献 1 2 提出了基于w e b 的变 电站远程监控系统的实现方法，通过在网页中嵌入j a v a 程序实现了通过浏览器 在线查看变电站的各种图形和信息的功能。文献 1 3 分析了如何采用数据加密、 数字签名、m d 5 力h 密算法、w e b 用户权限验证等安全技术实现基于b s 结构的远 程测控技术中数据传输、数据库以及w e b 页面的安全性。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 水泵远程测控技术国内外研究现状分析 水泵测控技术是伴随着工业测控技术的发展而逐步成长起来的，它经历了从 最初的仪器设备和人工数据记录处理以及手动控制到今天的数字化参数采集、 计算机处理数据以及自动化、智能化控制的历程。随着微机技术的发展，当前 在水泵测控中都广泛采用了单片机系统作为水泵的现场测控系统，并结合精度 高、稳定性好、抗干扰能力强的数字传感器进行水泵性能参数的采集，有效地 提高了测量精度。变频技术的出现，改变了以往水泵的控制方式，它实现了水 泵的电机调速控制，使得水泵的控制变得更加安全、可靠、控制方式更加多样 化并且易于掌控，因此国内外都普遍采用了变频器来对水泵进行控制。随着变 频器技术的发展，当前的变频器大都提供了多种方式来实现对变频器的控制， 这就使得采用变频器控制水泵的方式具有了更大的灵活性。 随着远程测控技术的兴起和发展，水泵测控技术也开始向远程测控的方向发 展。西方发达国家凭借其技术优势已经在这方面走在了前面，他们的水泵测控 系统测试精度和自动化程度均比较高，而且功能齐全，对于水泵的远程测控也 有了许多成功的应用，如丹麦的格兰富公司的水泵测试系统已经实现了水泵测 试参数的在线发布，只要能上网，都能够随时随地方便地查看该公司的每一台 水泵的现场测试情况口。 当前，我国多数水泵仍处于独立测试以及手动控制的阶段，生产自动化水平 不高，为了提高生产管理水平，国内一些企业也开始将远程测控技术引入到水 泵测控领域，有的已经取得了一定的成果。国内有些污水处理厂采用了无线通 讯的方式将各个水泵的现场测试参数通过无线通讯的方式发送到监控中心，由 监控中心的计算机进行分析计算，并对水泵进行监控；文献 3 3 将g p r s 技术应 用到城市供水工程中，对各个水源井进行实时远程监控，实现对水源井水泵各 种参数的远程采集，并可根据需要远程控制水源井水泵的启停；徐州中测电子 科技有限公司开发的水泵远程控制系统，应用于煤矿井下排水设施的集中监控， 它采用工业以太网将各个水泵的测试参数传送至主站的上位机，由上位机进行 集中自动化监控，由此实现了泵房的无人值守以及在线监控的功能。以上的这 些应用都是采用了传统的远程测控技术，它们的缺点就是远程测控网络仅限于 局域网内，无法实现测控信息的远程共享。 对于在水泵测控技术中采用基于i n t e r n e t 的远程测控系统的研究，目前国 内还进行的很少。文献 2 8 进行了水泵在线智能监控技术的研究，并构建了水 6 武汉理工大学硕士学位论文 泵在线智能综合监控网络平台，该平台基于i n t e r n e t 网，形成了现场总线一企 业网一i n t e r n e t 网的三级网络模式，实现了水泵的远程监控和信息共享，该系 统采用了n e t 平台进行开发；文献 2 9 3 进行了水泵综合参数测控系统的网络化 研究，并基于n e t 平台开发出了基于i n t e r n e t 的水泵远程测控系统，实现了水 泵性能参数的在线监控和历史数据查询等功能。文献 3 4 将远程监测与故障诊 断技术引入到大型水泵机组的故障监测中，实现了对水泵机组的实时在线监测 和故障诊断，该系统主要是采用l a b v i e w 平台进行设计。 纵观国内外远程测控技术以及水泵测控技术的发展与研究，结合近年来发表 的各种文献资料可知，国内对基于i n t e r n e t 的水泵远程测控技术的研究还处于 起步阶段，尤其是对于在j 2 e e 平台下进行基于i n t e r n e t 的水泵远程测控系统 的开发，国内目前还没有进行过此方面的研究。本文正是针对这种现状，在j 2 e e 平台下进行基于b s 的水泵远程测控系统的开发研究。 1 3 本文的主要研究内容和论文的结构 本文主要是针对某型号水泵的测控要求，研究在j 2 e e 平台下进行基于b s 结构的水泵远程测控系统的开发，以实现水泵的四个参数电机温度、油温、输 出压力和油压的网上在线发布以及网上在线历史数据查询功能。 本文共分为6 章，第1 章主要对国内外对于远程测控系统的研究现状以及对水 泵的远程测控的研究现状进行了分析，针对国内对基于i n t e r n e t 下水泵远程测 控领域研究的不足，提出了在j 2 e e 平台下进行基于a s 结构的水泵远程测控系 统的研究：第2 章对基于b s 的水泵远程测控系统的体系结构进行了分析，并提 出了其系统模型；第3 章对水泵现场测控系统进行了设计，并着重从数据采集、 控制信号输出、人机交互以及串口通信等方面对系统进行了硬件以及软件方面 的设计：第4 章对现场测控系统与远程测控系统w e b 服务器之间的通信问题进行 了研究，并对现场测控系统通过串口向服务器发送现场采集的数据以及w e b 服 务器通过串口接收现场发送过来的数据分别进行了程序设计；第5 章对水泵远程 测控系统的w e b 服务器进行了设计，服务器采用s t r u t s 框架进行开发设计，并 融合a j a x 技术，实现了水泵基于i n t e r n e t 下的远程测控：第6 章是对全文的总 结和展望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于b i s 的水泵远程测控系统结构体系 在互联网越来越发达、计算机网络等技术越来越成熟的今天，采用传统的远 程测控系统已经不能满足信息化社会的需求，因此本文将采用基于i n t e r n e t 的 远程测控系统来作为水泵的远程测控系统方案。本章将重点讨论基于b s 结构 的水泵远程测控系统的结构体系。 2 1 基于b s 的水泵远程测控系统模型研究 2 1 1b s 结构的特点 e s 结构即浏览器( b r o v e r ) n 务器( s e r v e r ) 结构，它是随着i n t e r n e t 技术 的兴起，对传统c s 结构一种变化或者改进的结构。在b s 结构下，所有用户 的界面都通过浏览器来实现，用户通过浏览器去访问w e b 服务器，然后通过w e b 服务器来与数据库服务器进行数据交换，从而形成一种三层结构，如图2 - 1 所示。 浏览器服务器 ll| ； | = 1 p 斗f w c e 嬲m 1 竺吖= 习| i 客户端浏览器1 j 三一1 一数据库服务器l ； ii 响应 lll 返回数据 ili ；|； l - - - - 图2 - 1e s 结构模型图 b s 结构利用不断成熟的嗍浏览器技术，结合多种s c r i p t 语言和a c t i v e x 等w e b 开发技术，通过普通浏览器就实现了所有用户需要的功能，而不需要编 制专门的客户端软件，从而使e s 结构在软件开发上能大大节约开发成本，而 且使得开发人员只需要进行服务器端的开发，从而提高了开发速度。此外，系 统的维护也都集中在服务器端，不需要像c s 结构那样需要在服务器端和客户 端两边都进行维护，从而给系统的维护带来了很大的方便。e s 结构还拥有较强 的可扩展性，它的三层结构之间，层与层相互独立，任何一层的改变不影响其 它层，使得系统扩展非常容易。b s 结构还有一个优势就是它具有信息获取方便 的特点，使得用户不管在什么时间、什么地点、采用何种操作系统，只要能用 浏览器上网，就能对服务器进行访问，从而获取所需要的信息，而且使用浏览 器，操作也比较简单。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 基于b s 结构的水泵远程测控系统模型 基于b s 结构的水泵远程测控系统包括水泵现场测控系统和w e b 服务器两大 部分，水泵现场测控系统主要负责采集水泵参数数据和对水泵进行工作过程控 制，并通过数据通信方式向w e b 服务器传送现场采集的实时数据，w e b 服务器负 责接收从现场传来的实时数据并存储在数据库中，用户通过浏览器访问w e b 服 务器，从而获得现场测控的实时数据，实现远程测控。本系统采用了串行r s 一2 3 2 通信方式来进行现场测控系统与w e b 服务器之间的数据通信。 本系统在b s 结构的基础上，采用了j a v a 应用程序+ w e b 应用程序的模式来 实现水泵远程测控系统w e b 服务器的结构模型，其结构模型图如图2 - 2 所示。 w e b 服务器 图2 - 2 基于b s 结构的水泵远程测控系统模型图 j a v a 应用程序专门用来与水泵现场测控系统进行串行通信，通过它向现场 测控系统发送控制信号，接收来自现场的数据并进行处理，然后将处理后的数 据存入到数据库中；w e b 应用程序用来实现服务器的功能，它向客户端浏览器返 回的数据如水泵测控的实时数据以及历史数据等均来自于数据库中。以上的水 泵远程测控系统结构模型实际上就是确立了以实时数据库为中心的远程监控系 统，所有的实时数据和历史数据都存储在了数据库中，具有开放性好、数据管 理简单等特点，并且其对串口数据的接收处理也具有效率高的特点，但是它也 存在着一些缺点。其中最典型的就是远程客户端所访问的只是数据库中的信息， 而无法与现场测控系统直接进行通信，只能由数据库作为中介进行数据访问， 从而会影响到系统的实时性。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 水泵远程测控系统的实时性问题分析 在远程测控系统中，实时性是影响系统性能的一个重要因素，如果系统的实 时性较差，则不能满足远程测控系统的需求。实时是指信号的输入、运算和输 出都要在一定的时间内完，并根据测控数据的变化及时进行处理：实时系统是 指能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和外部或内部、同步或异步时间 做出响应的系统。实时与快速的含义是不一样的，不论网络传输的速度如何， 只要信息在规定传输的时间内是确定的，即它是可以预测的，我们就称该信息 具有实时性。也就是说，只要某系统在网络中的数据传输是在具体的响应时间 内产生的响应动作，则称该统具有实时性。实时系统的正确性不仅与系统处理 信息结果的正确性有关，而且还与系统得到结果的时间有关，只有系统处理信 息的结果正确和得到结果的时间在规定范围内两者同时具备，系统才是实时系 统。 影响本系统实时性的因素主要有以下几个： ( 1 ) 水泵现场测控系统采集处理数据的时间t 。； ( 2 ) j a v a 应用程序与水泵现场测控系统的通信时间t c ； ( 3 ) j a v a 应用程序接收处理串口数据的时间t 。； ( 4 ) w e b 应用程序对实时数据请求的响应时间t p ； ( 5 ) 网络传输时间t 。； 其中，网络传输时间t d 是系统程序所无法控制的，要想提高本系统的响应时 间，可以从以下几个方面着手：一是要提高水泵现场测控系统采集处理水泵参 数的速度，采用高速 o 转换器；二是提高串行r s - 2 3 2 通信的通信速率，采用 合理的通信协议，提高通信效率：三是要提高j a v a 应用程序接收和处理数据的 速度：四是要提高w e b 服务器在线监控页面更新实时数据的响应时间，以便实 时数据表中更新的数据能以最快的速度返回到用户的面前。通过以上措施，在 软件设计中采取合理的算法和程序结构，尽可能地减少软件延时对系统响应延 迟的影响，以提高系统的实时性。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 水泵远程测控系统的体系架构 2 2 1j 2 e e 平台下本系统的开发环境 当前，微软公司的n e t 平台和s u n 公司的j 2 e e 平台是w e b 系统开发领域里 的两大主流开发平台，本系统采用了j 2 e e 平台进行系统项目的开发，相对于n e t 平台来讲，它具有以下一些优势： ( 1 ) 基于j 2 e e 平台的水泵远程测控系统具有与平台无关的特点，可以在 任何操作系统上运行，实现了一次开发，到处运行。 ( 2 ) j 2 e e 平台采用了多层的体系结构，拥有成熟的框架技术，使其在项目 的开发上具有一定的优势。本系统采用了j 2 e e 平台下的s t r u t s 框架技术进行 系统w e b 服务器的架构设计，不仅大大缩短了开发时间，而且使得本系统软件 具备清晰的层次结构，比较便于维护和扩展。 ( 3 ) 当前，在企业中应用得最广泛的是j 2 e e 平台，本系统采用j 2 e e 平台 进行水泵远程测控系统的开发，对于已经应用了j 2 e e 平台的企业来讲，能够较 为方便地实现与该企业现有的信息系统进行融合，而不需要重新建立新的应用 平台，从而节约了成本。 在j 2 e e 平台下进行水泵远程测控系统的开发，首先要构建其开发环境，本 系统所需要的开发环境主要有以下几个方面： ( 1 ) j d k 要进行本系统的开发，首先要安装j d k ，并进行相关环境变量的设置。j d k ( j a v ad e v e l o p m e n tk i t ) 包括了j a v a 的运行环境以及j a v a 工具和j a v a 基础 的类库，它是本系统运行的基础。j d k 有多个版本，本系统所用到的版本为 j d k l 6 0 。 ( 2 ) 应用服务器 本系统采用了t o m c a t 作为系统的应用服务器，系统的w e b 服务器的调试和 发布都是通过t o m c a t 来进行的。t o m c a t 是一个轻量级的应用服务器，它在 w i n d o w s 平台以及l i n u x 平台下均可以安装运行。本系统开发中所用到的版本为 a p a c h et o m c a t7 0 。 ( 3 ) 数据库平台 在数据库的应用上，本系统采用了m y s q l 数据库，其版本为m y s q l 5 0 。 ( 4 ) 集成开发环境 武汉理工大学硕士学位论文 在本项目的集成开发环境上，本系统采用了m y e c l i p s e 来进行项目的开发。 m y e c l i p s e 是一个功能丰富的j 2 e e 集成开发环境，它是许多e c l i p s e 插件的集 合，集编码、调试以及发布等功能于一身。本系统所用到的版本为m y e c l i p s e 8 6 。 2 2 2 本系统服务器的软件设计模式 在进行w e b 应用程序设计时，本系统采用了m v c 设计模式来对该程序进行设 计。m v c ( m o d e 卜v i e w c o n t r o l l e r ) 是j 2 e e 平台下的一种软件设计模式，它把 应用软件分为模型( m o d e l ) 、视图( v i e w ) 和控制器( c o n t r o l l e r ) 三个部分纠引： ( 1 ) 模型 模型负责处理用户提交的数据以及相关业务逻辑，并进行应用软件的数据持 久化操作，它是应用软件的核心部分。同时，模型还能响应视图的状态查询， 当模型中的数据更新时，它便通知视图进行数据更新。 ( 2 ) 视图 视图是应用软件与用户交互的界面，它为用户提供输入的手段，并把用户提 交的数据传递给控制器进行相关处理，它还负责将数据处理的结果返回给用户。 ( 3 ) 控制器 控制器是模型与视图之间的桥梁，它负责接收用户的h t t p 请求，然后根据 请求将其交给相应的模型来处理，并将模型处理的结果以视图的形式返回给用 户。 m v c 模式很好地体现了分层设计的思想，层与层之间相互独立，每一层都能 进行独立的开发和修改，这样就使得软件的开发和维护变得更加容易；在视图 方面，由于在m v c 模式中，允许多个视图共同使用一个模型，因此可以在应用 软件中实现多种用户界面；在模型方面，由于模型的独立性，因此模型只需要 为上层调用提供接口即可，当模型需要修改时，只要接口不变，则所有调用该 接口的上层程序都不必修改，从而提高了程序的可重用性，另外模型还能在不 同的平台之间相互移植，只需要对视图和控制部分作出响应的修改即可；由于 m v c 采用了控制器来对视图和模型进行协调，使得程序的各部分的调用有条不紊 地进行，很好地优化了系统结构，当应用程序越复杂的时候，这种优势就体现 得越明显。正是由于m v c 模式的这些优点，使它成为j a v aw e b 领域中广泛应用 的设计模式。 本系统采用了s t r u t s 框架来进行水泵远程测控系统w e b 应用程序的架构。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 s t r u t s 是由a p a c h e 开源联盟提供的一套用于构建j a v aw e b 应用程序的框架， 它将w e b 程序的表示层、控制层和后台功能层相分离，从而实现了m v c 模式2 。4 射， 其结构模型图如图2 3 所示。 s t r u t s 配置文件 s t m t s - c o n f i g x m l 客 t 户 端m 1 。p 请求 核心控制器 a c t i o n f o r m 子控制器 浏a c t i o n s e r v l e t a c t i o n 览 器 卜沁一a r a1 i 硼绷 结果返回 视图 数据返回 模型组件 h 卜一 j s p 图2 - 3s t r u t s 结构模型图 下面分别从控制器、视图和模型三个方面对s t r u t s 的体系结构进行说明。