（模式识别与智能系统专业论文）无人值守基站机房动力与环境集中监控系统的研制.pdf

摘要 摘要 为无人职守的移动通信基站机房设计的集中监控系统，满足了电信运营商 的业务发展和科学管理的需要，具有非常广阔的应用前景和积极的现实意义。 本课题设计的集中监控系统基于具体应用背景，提出了一系列新的设计思路和 解决方法，成功的解决了在目前已投运系统中出现的很多问题。 本文首先对应用背景做详细的调查研究，分析了目前国家和行业相关设计 规范和用户的具体要求，将它们细化为具体的功能和性能指标，随后提出一种 详细的实施方案。该集中监控系统由动力、环境、门禁安防、交互、通信几个 部分组成。 运用单片机控制技术设计的数据采集与控制模块位于监控系统的前端，通 过综合运用电气隔离、a d 转换、输出驱动和保护、中断、状态机等技术完成 各种原始信号的采集与对执行器的控制，并独立完成安防功能。该部分的工作 重点是硬件电路和软件程序的设计，还有门禁安防子系统的实现原理。 然后通过选用高可靠性的工业控制计算机，并配置必要的硬件和软件模块 构成前端机。该部分的设计重点在于监控程序通过利用面向对象、组件、事件 驱动、流媒体等技术，实现通信子系统、温度控制子系统和视频监控子系统的 原理。 完成上述模块设备的设计工作以后，本文最后详细讨论了系统组网和通信 协议方面的情况，包括组网方案的比较论证和实施方案，通信协议的标准规约 和会话格式。 本系统能够完全达到相关的技术标准和规范要求，标准化、自动化和模块 化的程度很高，更关键的是在本应用条件下解决了整体实时性、可靠性、冗余、 节能等长期困扰行业的普遍问题。这些优势在现场测试和验收的结果中也体现 了出来。如果通过进一步改进完善，本课题的研究成果对于目前无人职守移动 通信基站机房集中监控系统的科学管理能够具有一定的参考意义。 关键词： 集中监控系统、门禁安防、计算机控制系统、计算机网络、协议转换、系 统可靠性、视频监控 a b s t r a c t an e wt y p eo fc e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gs y s t e mf o rm l a n i 啪d e db a s es t a t i o n si s i m p l e m e n t e d , w h i c hm e e t st h er e c e n tr e q u i r e m e n t so fd e v e l o p m e n ta n dm a n a g e m e n t o ft h et e l e c o m m u n i c a t i o nc 湖 r i e l 5 a i m i n ga tt h es o l v m gt h ep r o b l e m sf r o mt h e s t a t i o n si na c t i o n , s e v e r a ln e w t h o u g h t sa n dm e t h o d sa r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r f i r s t l yat b o m u g ha n ds y s t e m a t i ca n a l y s i s 0 1 1t h ef i e l dc o n d i t i o n ，i n d u s t r i a l s t a n d a r d sa n dc l i e n t sr e q u i r e m e n t si sg i 吼a n dt h e naf r a m e w o r ko f t h em o n i t o r i n g s y s t e mi sp r o p o s e d w h i c hi n c l u d e sp o w e r , e n v i r o n m e n t , s e c u r i t y , i n t e r a c t i o na n d c o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e m s s e c o n d l y , t h ed a t a - a c q u i s i t i o na n dc o n t r o lm o d u l ei sd e s i g n e db a s e do nt h e t e c h n o l o g yo fs i n g l c - c h i p - c o n 订o l l e rs y s t e m , w h i c hg a t h e r sd i f f e r e n ts o r t so fo r i g i n a l s i g n a l sa n dc o n t r o l sc e r t a i ne x e c u t o r s , a n dm e a s u r e so fe l e c t r i ci s o l a f i o n , a d c o n v e r s i o n , o u t p u td r i v ea n dp r o t e c t , i n t e r r u p tp r o c e s sa n ds t a t em a c h i n ea r e e m p l o y e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h i sm o d u l ei si n t r o d u c e dw i t ha n e m p h a s i so nt h ed i s c u s s i o no f t h es e c u r i t ys u b s y s t e m t h i r d l y , t h ef o r e s i d ec o m p u t e ri si m p l e m e n t e du s i n gi n d u s t r i a lc o m p u t e r e q u i p p e dw i t hn e c e s s a r ya c c e s s o r i e s m e a n w h i l e s o m ek e yi s s u e so ft h e 觚i d e c o m p u t e rs u c ha sm e s s a g et r a n s f e r r i n gw i t hs sa n ds m , t e m p e r a t u r ec o n t r o la n d v i d e om o n i t o r i n gu s i n go b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g , c o m p o n e n t s , e v e n t - d r i v e n m e t h o da n dm e d i as t r e e ma r ei n u o d u c e d f i n a l l y , t h en e t w o r ko r g a n i z a t i o nb e t w e e nt h e 觚i d ec o m p u t e ra n da l lt h e s u p e r v i s o r ym o d u l e si ns t a t i o nr o o mi si n t r o d u c e d , w h e r eac o m p a r i s o ns t u d yo f d i f f e r e n tt y p e so fs c h e m e si sm a d e , f o l l o w e db yt h ei m p l e m e n t a t i o no fn e t w o r k i n g a n dt h ed e s i g no f c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 e x p e r i m e n t sa n df i e l dt e s ti n d i c a t et h a tt h ep r o p o s e dc e n t r a l i z e dm o n i t o r i n g s v s t e mm e e t st h en e e d so fs t a t i o nr o o mm a n a g e m e n ti ni t ss t a n d a r d i z a t i o n , a u t o m a t i o na n dm o d u l a r i z a t i o nl e v e l a n dt l l e r e f b 旭g r e a t l yi m p r o v e st h es c i e n t i f i c m a n a g e m e n to fu n a t t e n d e db a s es t a t i o n s m o s ti m p o r t a n t l y , s i g n i f i c a n tc o n t r i b u t i o n s o ft h i sd i s s e r t a t i o na r ct h a ts e v e r a lm e a s u r e sh a v eb e e np r o p o s e dt os o l v et h e c h a l l e n g i n gi s s u e so fr e a l - t i m ep r o c e s s i n g , s y s t e mr e l i a b i l i t y , s y s t e mr e d u n d a n c ya n d e n e r g y - s a v m g c e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gs y s t e m , s e c u r i t ya n da u t h e n t i c a t i o n , c o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m , c o m p u t e rn e t w o r k , p r o t o c o lt r a n s l a t i o n , s y s t e mr e l i a b i l i t y , v i d e o m o n i t o r i n g h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 研究生签名： 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 第一章引言 第一章引言 1 1 课题研究的背景和意义 近几年来，随着移动通信业务的迅猛发展，移动通信基站的建设数量也与日俱增。尤其 是随着第三代移动通信网( 3 g ) 建设的即将启动，电信运营商对于降低基站综合建设和运 行维护成本的要求也更加迫切。移动通信市场的不断发展以及将来整体业务发展的需要，使 通信机房的数量急剧增加，对通信设备的维护管理和对基站的安防监控提出了越来越高的要 求。在运维队伍的人力资源和运维效率方面，这些不断增加的通讯基站、不断提升的服务要 求使移动通信运营商的运维力量薄弱和运维工作量大的矛盾日益突出。如何把维护人员从繁 琐的维护工作中解脱出来，提高劳动生产率，降低设备运行维护成本，提高设备的可靠性和 经济性，这些问题都必然的要求我们对通信系统中所有基站的配电设备、蓄电池、u p s 、空 调等多种设备和环境进行科学的计算机化的监视、控制和管理。 为保证移动通信网的正常运行，必须保证通讯基站内通讯设备在安全、稳定、可靠的环 境里运行。随着网络规模的不断扩大，传统的以人工巡检的方式对分布越来越广的基站进行 监控，已经无法满足及时发现和处理基站故障的需要，这就要求使用先进的基站机房自动监 控系统，做到机房无人值守，既可以对内部设备和环境实现自动监控，也可以进行远程管理， 为基站设备提供一个稳定可靠的工作环境。 我国幅员辽阔，东部南部经济发达地区人口稠密，移动通信网络容量大，建设密集；中 部西部地区人口稀少，地形复杂，移动通信网络分布广，位置偏远不同的实际需要客观上 都加大了目前移动通信网络的建设投资；加之该网络建设时间早，遗留下了较多计划经济因 素，因此各电信运营商都肩负着巨大的人力资源和设备维护成本。同时，移动通信网络事关 国计民生，与国家安全、经济建设和人民日常生括的联系日益密切，息息相关，任何微小的 基站故障都可能导致大片区域信号异常，大量数据延时甚至丢失，甚至造成无法挽回的损失 所以说，一套优良的机房监控系统是机房硬件环境系统建设的有利补充，对保障内部通信设 备的正常运行十分必要，能够节约国家投资，保证正常的社会经济生活，加强电信运营商的 综合竞争能力。 “十一五”期间，是我国为实现电信电子强国目标奠定坚实基础的关键时期。在未来几 年，随着3 g 移动网络建设的即将启动，2 0 0 8 年奥运会的召开，我国移动网络建设将会得到 更加迅猛的发展。据信息产业部历年全国通信业发展统计公报资料统计，至2 0 0 5 年末， 我国电信用户总数已达7 2 4 亿户，其中移动电话用户比例占5 2 3 ，固定电话用户比例为 4 7 7 ：而到2 0 0 6 年末时，用户总数已经达到8 2 8 亿，移动电话用户比例更是增长到了5 5 2 我国移动通信网络总规模目前已经稳居世界首位。另外，宽带接入业务和数据通信业务也增 势强劲。根据国家通信专家组对通信市场调查研究表明，未来五年内透信行业对移动通信基 站的需求量约在5 万台以上，这为无人值守基站机房集中监控系统提供了广阔的市场空间。 无人值守移动基站机房监控系统可以对机房内各种设备信息和机房环境信息进行采集， 然后统一发送到监控中心，便于实现对机房各种信息的统一管理，避免原有设备之间各自独 立、不能有机结合的缺点而且该系统还可以对采集到的信息进行分析处理，进行故障检测， 发现故障则及时报警，利于及时发现并排除故障。这样可以使机房做到无人值守、远程监控。 在移动通信基站建设数量与日俱增的情况下既提高了维护效率又可以降低维护成本。 无人值守移动基站机房监控系统，不仅适用于移动通信网基站机房，同样也可以用于固 话和网络通信基站，在地域分布广泛的长途电话、信令、主干光缆或电缆、卫星信号的中继 站、交换局和交换站等都有很大的应用市场。此外，根据具体环境和相关国家和行业标准， 东南大学硕士学位论文 对这种监控系统只需要做简单的改造，就可以符合公安、银行，电力、广电、教育、税务、 交通等多种行业的具体要求，具有很高的应用价值。 1 2 相关技术和研究现状 1 2 1 通信网络监控系统的层次化结构 目前我国国内四大主要电信运营商中国电信、中国移动通信、中国联合通信和中国网络 通信都采用了相似的业务，管理网络，其分类情况如表1 1 所示，集中监控系统就是管理 网的一部分。 表1 1 电信运营网络分类 分类 举例 电话网p s t n 业务网 综合业务数字网 i s d n 数据网d d n 、x 2 5 、帧中继 传输网p d h 、s d h 基础网交换网 电路交换、报文交换、分组交换 接入网 x d s l 支撑网信令网、同步网 管理网监控网、d c n 、删 按照我国相关规范，根据电信运营商的各级维护管理单位的不同职能，在一个省的范围 里，可以把监控系统划分为省监控管理系统、地区监控管理系统、区县监控管理系统和局站 ( 基站) 监控管理系统4 个层次，分别负责不同范围内的设备监控和管理对应的各监控管 理中心是省监控管理中心( p s c ，p r o v i n c es u p e r v i s o r yc e n t e r ) 、地区监控管理中心( s c ， s u p e r v i s o r yc e n t e r ) 、区县监控管理中心或称监控站( s s ，s u p e r v i s o r ys t a t i o n ) 和局站( 基 站) 监控管理中心或称监控单元( s u ，s u p e r v i s o r yu n i t ) ，此外，一般对机房内前端设备再 分一层，为监控模块( s m ，s u p e r v i s o r y m o d u l e ) 。 2 j 1 7 j m 图1 1 监控系统的层次化网络结构 2 第一章引言 目前我国的电信运营网络，除省际主干网使用网状结构外，省内一般都是使用星形拓扑 结构。集中监控系统的结构也是一样，上述的5 级监控管理系统，实际上是一个由多层次的 星形结构的计算机网络逐级汇接而成的一个树形结构，如图1 1 所示。在传统的通信网络 中，通信网和监控网使用相同的拓扑，极大的简化了系统建设难度和维护成本，因此被广泛 采用。目前各省电信公司都在建设d c n ( 综合数据通信网) ，很多发达地区的d c n 已经延 伸到局站级。d c n 是新一代电信网络的代表，在它的带动下也引发了监控系统的变革。监 控系统如果借助d c n 直接组网，能够使网络结构进一步简化，各级组成部分虽然在管理上 仍然是层次结构，但是在逻辑上已经完全成为完全对等的实体，具有更大的优越性。 一般的s s 是系统的主要维护点，具有较强的监控和管理功能；s u 以监控功能为主， 由于很多s u 无人值守，因此目前的发展趋势是由这一级承担一定的管理任务；s m 是执行 监控功能的主体，基本没有管理能力；p s c 和s c 以管理功能为主，通常都不具有直接检测 或控制设备的能力各级监控系统功能具体而言如下： 设备级的监控模块s m 是监控系统中最低的一层，直接与设备和环境相连，按照要求对 设备和环境参数进行采集、监视和处理，形成规范的数据信息向上级报告；同时接收并执行 上级下发的控制和设置指令。典型的s m 设备诸如智能门禁控制器、智能电源监控器等s m 一般由单片机系统构成，具有一定数量和形式的模拟量输入、开关量输入、开关量输出接口， 另外还具有时钟定时器，一定容量的非易失存储器( m ，r m ) ，现场通信接口等。 局站级的监控单元s u 是本局站的集中维护点，用于对本局站内的各s m 进行监控和管 理，担当现场协议转换器的角色，是本局站各s m 的上位机其功能以监控为主，有时具有 少量数据管理能力。具体的说s u 主机负责向各s m 发送检测和控制命令，并汇总各s m 的 信息，按照要求生成数据、报警和参数，向上级报告；接收上级下发的控制命令。一般s u 由工控计算机担任，但不配置显示和打印设备，但是在必要时可以接入操作台或便携式电脑 进行现场操作；小规模的局站也可能直接使用专用计算机设备以节约成本。 区县级的监控中心s s 是用以对一个区县内所有局站进行监控和管理的集中维护点，是 最基本的运维单位其功能比较完整：接收下级局站的运行数据、工作状态和报警信息，下 发对设备的控制命令；对各种信息进行保存、备份、查询、统计、打印：提供良好的操作界 面，形象的显示基站地理位置和层次关系；能够处理报警信息；对系统进行安全管理，对人 员进行权限检查；根据要求上传数据一般s s 是一个由服务器、操作台，通信机、磁盘阵 列和打印机组成的计算机同 更高级的监控中心s c 和i s c 偏重于统计和管理功能，是整个系统的核心单元。一般分 布在各地级市和省会城市，例如江苏省电信公司和苏州分公司都分别在南京和苏州建设了网 络管理中心，集中管理全省和苏州市范围的局站，并配备专人维护一般s c 网络中心是整 个监控系统的信息管理中心，通常由大型计算机群构成。 这种监控系统层次的划分是由客观的功能要求、地理位置和人员配置而决定的，但是在 很多情况下，各层次的分布也是非常灵活的。有时候上级或下级的功能会发生偏移，有时候 某层的设备会被简化。从这个角度上说，以上的结构更重要的是从功能的角度进行划分的。 随着电信管理技术的不断进步，近年来各主要运营商都在逐步建设自己的电信管理网 t m n ( t e l e c o m m a n a g e m e n t n e t w o r k ) t m n 的出现，导致了原有的网络管理系统和动力环 境集中监控系统的进一步集中整合。将电信管理水平提高到了新的层次。 根据上文所述，我们可以将是否使用p c 作为监控主机( 行业术语称为“前端机”，t h e f o r e s i d ec o m p u t e r ) ，将s u 系统分为包含前端机的完整s u 和省略前端机的简化s u 后者 一般部署在低配局站里，由于主机能力比较弱，其管理能力需要由母局或上级s s 承担关 于有无前端机的差别。将在2 5 节里做进一步探讨。 3 东南大学硕士学位论文 1 2 2 相关国家标准和行业规范 国家信息产业部、原邮电部电信总局等国家主管机关，中国电信、中国移动通信、中国 联合通信、中国网络通信等相关企业已经针对通信基站动力与环境集中监控系统多次联合出 台了相关政策、文件和标准，规定其组成、工作方式、监控内容、系统管理、可靠性、测试、 施工等技术要求。这些规范主要有：通信电源、机房空调集中监控管理系统技术要求) 、通 信局( 站) 电源系统总技术要求、通信局( 站) 电源、空调及环境集中监控管理系统( 共4 部 分) 等。另外各省市也纷纷根据国家标准和规范陆续制定了实施细则、管理规定，建设要求 等。例如浙江省( s c 与s s 电源及环境集中监控管理系统联网协议等，这些都为监控系 统的规范化建设管理和合理应用提供了依据。 由于近年来通信网络建设的飞速发展，集中监控系统的标准和规范也在与时俱进，不断 适应新的发展要求。信息产业部每年都会对集中监控系统国家标准进行更新，在开展该领域 的研究和生产时应当注意及时获取最新的标准和规范的文档。 1 2 3 技术现状 由于无人值守机房监控系统的市场巨大，因此国内外有很多商业公司已经向市场推出了 自己的产品，其中市场份额比较大、比较有影响力的有： 美国艾默生网络能源有限公司( e m e r s o nn e t w o r kp o w e r ) 是全球最大的机房监控设备 制造商，该行业的领导企业，拥有最完整的产品线，并参与指定国家标准。其开发的动力设 备、机房环境及安全监控系统p s m s 适用于对通信局站内多种动力设备( 整流器、低压配电， 交流直流电源、逆变器、畜电池、u p s ，汽油柴油机) 、空调设备及其环境( 门禁、温度、 湿度、烟感、水浸，红外、场景) 进行实时监控、统一管理，以保障通信系统正常运行 台湾研华科技股份有限公司( a d v a n t e c h ) 是全球工业控制领域的著名厂商，其工业控 制计算机、工业级服务器、终端，以及工业级机柜、c p u 、i o 、通信、人机、视频模块都 在业界享誉盛名。在机房监控市场，研华利用自己在工业控制领域的优势，推出了灵活的产 品服务例如集中控制器和软件的定制，现场组网相关的产品和服务。 加拿大万联有限公司( m a c r ou n i o n ) 开发的o m m 系列网络化环境、安防、门禁监控 系统是一种专门用于对无人值守现场内的动力设备、环境状况、安防消防等进行信息采集、 管理和监控的网络设备。它集中了现场数据采集、现场智能设备诊断，各种通信协议转换、 安防状态监控、远程图像监控、故障告警，应急控制、智能联动、内嵌w e b 配置页等多项 功能，在该设备基础上建立的统一基于t c p i p 先进的监控平台可极其方便的为现场设备管 理和环境监控提供一体化解决方案，从而大大简化了现场监控设备，十分有效地提高了整个 系统的稳定性和安全性 国内中兴通讯有限公司的e - g u a r d 集中监控系统利用多功能一体化监控设备，对基站现 有的配电设备、蓄电池、空调等各种设备和环境实行监控，同时在一体化监控设备中完成处 理和通信功能，有效降低了系统成本。该系统采用分布式计算机控制系统结构，以多级监控 中心自下而上逐级汇接而成，每个级别的监控中心连接成一对多的监控系统网络。系统结构 可分为监控中心、传输线路及现场监控单元。监控中心主要功能为实时监控基站的动力设备 及环境量，对基站、机房上报的各种信息进行智能分析处理，实现告警联动。现场监控单元， 负责采集基站的动力设各及环境参量的数据并将数据定期上报监控中心( 告警信息实时上 报) ，同时接收并执行监控中心发送来的遥控命令。现场监控单元可对高低压配电设备、油 机、整流器、蓄电池、空调、环境参量进行监控，可以转换智能汽油柴油机、智能开关电源、 智能空调等智能设备的监控协议，并对其他监控系统提供透明传输接口。【i ” 4 第一章引言 1 2 4 目前集中监控系统存在的主要问题 基站机房集中监控系统技术方兴未艾，新思想新技术层出不穷，但是我们也应该看到。 在目前发展的过程中，也已经暴露出很多问题。m 【9 1 1 1 q 1 1 2 4 2 1 虽然系统的设计目标是“集中监控和管理”，但是因为种种原因，现行各系统的集中化 程度普遍还不高。特别是通信电源、机房空调和安防三个监控子系统往往各自为阵，没有组 成有机联动的整体；部分局站虽然已经安装了比较理想的监控器，但是从整体看来集中度参 差不齐，无法到达图1 1 所示的合理结构，这些给上级监控体系的管理带来了很多不便。 也限制了更多附加高级功能的实现。 监控系统的可靠性应高于被监控设备，即监控系统的采用不应影响被监控设备的正常工 作，这是最明显和最基本的要求。但是在很多情况下，监控系统反而成为了负面因素，一些 设备在监控之前是好的，纳入监控系统后反而工作不正常，严重的甚至发生损坏；更多监控 系统根本不能达到“1 0 万小时m t b f ”的要求。 我国已经提出了在“十一五”期间建设节约型社会的目标。但是目前集中监控系统自身 电源功耗过高，例如控制机房温度的空调机殷设定好参数后就常年开启，虽然能够达到温 度控制要求，但是却造成了巨大的无谓耗电量；此外也是空调m t b f 指标不高的重要原因。 任何系统不可能自始至终停滞在建成时的状态，集中监控系统的主要功能是代替人进行 机房管理和维护，但是其自身也需要进行不断的维护、扩充和升级。很多系统自从设计之日 开始，就没有按照工程规范要求进行实施；诊断和组态等基本功能不完善，或是配置繁琐； 文档更是不健全，这些都给今后的维护造成了巨大的困难。 作为计算机技术的一次应用，目前的监控系统尚没有将自诊断、自分析、预报警、数据 统计和处理等智能化的重要优势发挥出来。利用计算机技术协助维护人员做出正确的决定， 或者直接管理设备改善运行质量，提高维护水平，目前这些都尚未达到令人满意的水平 成本控制永远是商业运营的主题，虽然计算机技术按照m o o r e 定律飞速发展，但是监 控系统的整体成本仍然没有得到很好的控制。一方面我们需要采用模块化的设计思想，提高 系统的可重用性，但是另一方面过于分散的模块结构也会使成本难以控制，因此需要在。专 用”和“通用”两个方向找到一个合理的平衡点。如何进一步提升开发、生产的规范化，充 分利用既有资源避免重复投资，都是值得继续研究的课题。 1 3 课题的主要原理和技术 本课题所研究的集中监控系统是一种以计算机控制技术为主，集传感器和检测技术，嵌 入式计算机、计算机网络、视频采集与传送、通信协议工程于一体的综合系统，既采用了当 今先进的工业应用技术，又是理论研究的一次实践应用 1 3 1 监控系统的。五遥” 针对各种监控对象所设置的具体监测和控制的信号量，称为监控项目。从信号的类型上， 可以把这些监控项目分为模拟量和开关量；从方向上，又可以分为输入量和输出量。所谓“五 遥”，是监控领域的术语，指远程的监控或者管理主机获取现场各种信号，并对设备进行实 时控制的过程，其内容包括遥测、遥信、遥控、遥调和遥像。 遥测是指通过对设备或环境的连续变化的模拟信号量进行采集，转换成主机能够处理的 形式，来远程获取数据的过程。遥测的对象一般是电压、电流、功率等电信号以及温度、压 力、湿度、液位、流量等非电信号。这些信号一般都要经过变送、调理、采样、保持、转换、 东南大学硕士学位论文 缓冲等一系列处理后，成为计算机能够处理的数字信号。 遥信是指通过对现场设备或环境的运行状态进行监视，来远程获取相应的状态量的过 程。遥信的内容一般包括设备运行状态和状态报警信息两种。这些状态量有一个共同的特点， 就是只能取有限的几个值，每个值都有确定的含义，对应一种状态。只有两种状态的开关量 就是一个典型的例子状态量信号一般要经过保护、隔离、缓冲等处理后，才能进入计算机。 遥控是指监控系统对远程设备发出指令，使设备执行规定动作的过程。遥控量的值通常 是开关量，用以表示“开”或“关”，“运行”或“停止”等信息也有采用多值状态量的， 使设备能够在几种不同的状态间进行切换。控制命令到达计算机后，一般要经过锁存、隔离、 驱动、保护等环节后控制执行器。 遥调是指监控系统远程改变设备运行参数的过程。例如前端计算机的报警工作点、实时 时间、环境温度湿度设置点等，一般都是模拟量的形式。 遥像是对数据监控的补充，通过采集、编码、传输、解码、还原等一系列技术远程传输 图像的过程。遥像一般分为静态图像监控和实时视频监控两种。 人们一般也将“遥调”并入“遥控”，将“遥像”并入“遥信”，这样监控过程被简化为 。三遥”不同的系统有不同的。五遥”、。三遥”指标。无论是“五遥”，还是“三遥”，都 是对一般监控系统的基本要求。 1 3 2 通用和专用计算机技术 自从1 9 4 6 年世界上第一台电子计算机e n i a c 诞生以来，计算机已经极大的改变了我们 的世界，无论是人们日常生活，还是工业生产，或是科学研究。自从现代计算机技术发展到 微机时代以后，逐步分化为两个方向：微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 和微控制器 ( m i c r o c o n t r o l l e r ) 前者为通用处理器，以i n t e lx 8 6 和m i c r o s o f tw m d o w s 的m mp c 系统 为代表，通过尽可能的提升硬件和软件的性能，满足飞速提升的针对处理速度和存储容量的 要求后者则为专用处理器，也称为单片机或嵌入式处理器，专注于控制能力、可靠性、小 型化，低功耗和低成本等，走与前者完全不同的发展道路。 从计算机诞生的那天起直到今天，微处理器技术一直以m o o r e 速度飞快的发展，这主 要得益于微电子技术的发展和计算机体系结构的标准化。i n t e l 结构i a ( i n t e la r c h i t e c t u r e ) 和m i c r o s o f tw m d o w s 平台的结合，成为了通用计算机事实上的标准。在这样的基础上，经 过训练的专业人员依据分工原则，能够高效、快速、安全、规范的形式开发应用系统，满足 各种各样的要求。规模化的产量也使通用计算机的性能价格比达到非常高的水平 为了适应工业控制领域对计算机的特殊要求，人们在通用计算机标准上开发出了工业控 制计算机，简称工控机工控机具有通用计算机的各种标准化优点，同时使用灵活的电源模 块、可热插拔的功能板卡、防潮防震防尘的三防设计等，以满足工控领域的严格要求，成为 复杂工业过程控制器的不二选择。 在上个世纪7 0 年代末发展起来的单片机技术，是微控制器的典型代表。从结构上看， 单片机是一种在特定c p u 基础上，进一步集成存储器、a d 转换器、d a 转换器、p n m ， 脉冲捕获、日历时钟、电源监测、程序运行监测等各种外部电路的单芯片。这些增加的外设 都是针对了控制应用要求，单片机所使用的c p u 也是针对控制要求而特别设计的，因此其 控制能力勿庸置疑：另外，单芯片的结构也使整个计算机系统的设计周期缩短，可靠程度增 加，体积和功耗减小，整体成本也能得到有效控制 基于单片机的开发过程也与通用计算机系统不一样。单片机的硬件选型具有更多。定制” 的意味，处于核心的处理电路集成度很高，因此系统设计工作向具体的底层接口倾斜其软 件直接面向硬件开发，具有很大的灵活性，却较少使用软件工程的概念。无论是硬件还是软 6 第一章引言 件，单片机开发过程都和具体对象密切相关，对规范的硬件软件平台依赖较少。单片机工程 师一般都不是计算机专业，对计算机原理并不很精通，但是他们大多具有控制、机电、热工， 仪表等相关专业背景。 目前微控制器市场上的主要产品系列有i n t e l 的8 0 5 1 、9 0 1 9 6 ，m i c r o c h i p 的p i c ，f r e e s c a l e 的6 8 0 0 0 、m p c 5 5 5 ，i n f m c o n 的c 1 6 6 ，以及近年来堀起的a r m 7 。这些产品涵盖了从8 位， 1 6 位到3 2 位，h a r v a r d 结构和v o nn e u m a n 结构，c i s c 结构和r j s c 结构，可重复编程型 号和一次编程型号，静态内存和动态内存，标准产品和可定制产品，几引脚到数百引脚，给 设计者带来了众多的选择，适应了各种各样的应用要求。 在本课题中，作者正是应用单片机技术自行设计s m 级数据采集与控制模块，对各种形 式的信号和对象实现了采集和控制，这部分内容将在第三章详细介绍。同时，在工控机平台 上开发了前端机，实现了s u 一级的集中监控和通信，这部分内容将在第四章介绍 1 3 3 通信、网络和协议工程技术 通信是两个或更多实体之间进行信息交换的过程。通信的广义范畴可以包括生命体、机 械设备、电子电气设备之间的传递信息，互相理解，协同工作。一般狭义的理解为具有一定 机器智能的电子设备之间进行信息交换，本文亦是如此。自从人类进入信息社会后，通信技 术和计算机技术就成为了两大核心支柱 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 ) 网络体系结构，是国际标准化组织l s o 在1 9 年 提出的定义通信系统的互联方法、层次结构和层间接口的参考模型，简称i s o o s i - r m ( 1 s 0 7 4 9 5 ) 这里的。通信系统”可以是广义的，但是一般用它来描述计算机网络。o s i 是迄今为止最为科学的网络描述，为无数实用网络模型提供了理论依据o s i 定义了2 种对 象：通信实体和通信子同，并根据物理和逻辑功能将它们分成7 个层次，各层的功能和工作 方式可简述如下； 一应用麽协议一 爱用晨瘦用纛 一 燃撒 一 裹承墓囊糸曩 一 含话屡治波 一 盒话曩台琏曝 一黼屡协泼 整壤屡箍赣基 j 獭鏖协议一，潞鏖协议一 翔络薹内路基同终屡 舅s 晨协议j 瞩踌蔗协议 数据螺路晨数据鼬# 晨数舞埔蹲曩 j 瞻屡协议一j 睡璎傍汲一 鞠理屡物理屡物理蘑 遗位赛体避经子霸遵饴实俸 图1 2o s i - r m 定义的网络体系结构 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 负责建立、保持和断开一条物理电路并提供时钟信号，以便透 明地传送原始的比特流。规定了传输媒体本身以及与机械、电气相关的接口。传输媒体可以 是电缆、光纤、微波和通信卫星等。 数据链路层( d a t a l i n k l a y e r ) 负责在相邻结点之间无差错地传送以帧为单位的数据， 提供数据有效传输的端到端连接。通过在帧的开头和结尾附加上特殊的二进制编码来产生和 7 东南大学硕士学位论文 识别帧边界。此外差错处理、流量控制等也是在数据链路层实现的。 网络层( n e t w o r k l a y e r ) 负责在源通信实体和目标通信实体之间建立所使用的路由，并 在网络上进行端到端的分组传送。此外还要负责处理拥塞和登记等任务。网络层服务可分为 面向连接的服务和无连接的服务两种。面向连接服务也可称为虚电路服务，类似于电话，是 一种可靠的、保证顺序的、无丢失的服务。无连接服务也常称为数据报服务，类似于电报， 不保证顺序，可能有丢失，但简单、易于实现。网络层已经能够囊括通信子网的全部功能。 传输层( t r m b p o r tl a y e r ) 负责通信过程中最为重要的寻址任务，完成连接的建立、维 持、拆除，以及高级流量控制、信道复用等工作，为端到端用户提供完整可靠的通信服务 会话层( s e s s i o nl a y e r ) 管理和协调两个实体之间的信息交互，提供建立和使用连接的 方法。一个连接就称为一个“会话”，将会话分解为若干“活动”，并对活动进行管理。为方 便重传而进行通信任务分解和同步。当传输层连接出现故障时。整个通信活动不必从头开始， 只需从同步点进行重传。 表示层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) 负责管理数据编码方式包括数据的加密和解密、数据压 缩等。此外，提供了描述负载数据结构的方法。在这一层，实现了o s i 的一个主要概念：“原 语” 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 确定应用进程的性质，为应用进程提供通信接i i 。根据不 同应用性质，应用层需要提供不同的功能和服务。由于应用的种类很多，使得应用层很复杂 广义的计算机网络内容非常丰富，例如连接不同国家和地区的广域网，在单位或者大楼 内部使用的局域网，在工业现场使用的现场总线等。不同的网络从通信速率，数据形式、同 步方式、传输距离到介质会有很大差别。但是有一种东西是所有网络的核心，那就是协议。 协议是各通信实体为了实现通信过程而事先制定的规约，它定义了信息的交换顺序 ( p r o c e d u r e ) 、格式( f o r m a t ) 和词汇( v o c a b u l a r y ) 。协议工程是研究如何设计和构造协议， 以及如何把所设计的协议快速，正确、低成本的转化为可以使用的软件的科学，是包含了需 求分析、形式描述、综合、验证，性能评价、实现、测试、直到文档的完整过程。协议的好 坏直接影响通信网络的稳定性、可靠性、安全性。 在本文中，将针对现场网、局域网、广域网等多种应用需要，详细探讨信道选型，网络 拓扑、协议工程等实用问题 1 3 4 有限状态自动机和状态空问 有限状态自动机f s m ( f i n i t es t a t em a c h i n e ) ，是一种来源于现实对象的数学模型，已经 在“形式语言与自动机理论”中得到了完整的阐述一般的，定义f s m 为一个5 元组 其中，j 是输入信号的有限集合； q 是状态的有限集合； z 是输出状态的有限集合； 占是状态转移函数占( ，q ) q ； 国是输出函数c o ( i xq ) 一z 在输入的作用下，f s m 从旧状态q 按照状态转移函数万转移到新状态g ，并根据 3 第一章引言 输出函数缈使输出更新为z ，的过程称为状态转移，这是f s m 最基本、晟重要的运动。输 入，可以是具体形式的外部激励，也可以是时间等广义的事件。这个转移过程可以使用表格、 矩阵和图的方法进行描述，其中使用最广泛的是图，也就是状态转移图i 柏j 当使用矩阵描 述的时候，f s m 即成为现代控制理论中的离散系统状态空间方程。 现代控制理论以系统的状态空间模型为基础，对于一个线性时不变离散系统来说，其状 态空间方程描述为 f r ( 七十1 ) = g x ( 七) + h u ( k ) i y ( _ j ) = c x ( k ) + d u ( k ) 其中，u ( 女) 是输入信号向量 j ( 七) 是系统状态向量； y ( i ) 是输出信号向量； 第一个方程称为系统方程，第二个称为输出方程。可以看到，状态空间模型也具有和 f s m 一样的5 元组，互相对应，完全类似。当时间从时刻k 迁移到k + l 时，系统状态x 根 据系统方程的描述发生改变，对应了f s m 的状态迁移；同时系统输出y 根据输出方程进行 更新。 与其他数学模型相比( 包括状态空间方程模型在内) ，f s m 也有一整套完整的数学理论 描述其特性、规律和使用，但是在实际应用中，工程师们只需要保障状态机的收敛性、唯一 性和合理性即可，不必纠缠于复杂的数学推导之中。使用状态转移图描述的f s m 具有形象、 实用，贴近实际对象特征的优点，因此被广泛的应用于控制系统、计算机软件、计算机语言 编译、协议处理等领域，并取得了很好的成果。 本文将使用安防门禁子系统部分作为例子，详细介绍一个f s m 应用。 1 3 5 视频采集、编码与传输技术 随着国民经济的发展和监控技术的不断进步，各行业对视频监控的需求也在不断提高。 视频监控即遥像，在监控五遥中属于比较特别的项目闭路电视既是早期的遥像方法；目前 的主流方案是使用监控摄像机，配以计算机和网络实现；今后随着模式识别技术的逐步成熟， 能够达到计算机自动识别图像中的对象，真正实现无人值守自动管理。视频监控需要包括视 频信号的采集，数字化、编码压缩、传输、解码、模拟化和重现等很多复杂环节，视频监控 对系统硬件软件的要求也比较高。目前通常采用的解决方法是使用专用的硬件软件组成监控 设备，使用相对独立的子系统完成监控功能，但是这样不利于提高系统的集成度；还可以使 用标准化的接口将视频信息送到计算机中处理和传输，该方案能够为设计人员提供灵活的编 程手段，并且能够使视频监控子系统与其他监控项目集成一体成为可能，这种办法一般需要 借助标准化的硬件设备和开发工具。i o ， 使用原始色光传