（水利水电工程专业论文）智能监控系统集成及通信技术的应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 自改革开放以来，我国的建筑规模居世界前列，但是智能化程度不高，与 发达国家相比相差甚远。将智能监控系统应用于住宅小区有助于小区的信息管 理和安全管理，提高小区居民生活质量。研究适合于我国国情的住宅小区智能 监控系统具有深远意义。 小区监控系统与传统工业用监控系统存在很大差异，它必须结合新进的通 信技术和计算机网络技术，在实现现场设备控制的同时进行大量的数据传输和 数据存储。如何将传统的监控思想与现代计算机及通信技术有机结合起来从而 保证数据通信的高效和控制的及时准确性对小区智能化显得尤其重要。i 本文主要基于系统集成的思想，在探讨了国内外监控技术、网络通信技术、 数据库技术以及通信协议的基本原理的基础上，讨论如何进行系统集成得到 套完整的智能监控系统。在系统集成的同时设计了一套相应的软件对整个系统 进行有效管理，使整个系统有效的运行。 在进行系统集成的同时着重研究了监控技术中的通信问题。分析了监控技 术中几种常用的通信方式，在此基础上提出了一种基于以太网的上位机和下位 机通信模式。为了解决上位机( p c 机) 和下位机( 单片机) 之间在以太网上 通信的困难，本文设计了一种简单的网络通信协议，并且给出了它的实现过程。 在文章的结尾对集成系统的一些关键技术进行了具体阐述并且探讨了它在本 文中的具体应用。 全文对智能小区监控的研究具有一定的代表性，依据该思想设计出来的监 控系统具有较高的实用价值。 关键词：智能小区 i 复j 生名域网吨托f 彳数据库集病，一( ， 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c er e f o r m a t i o na n do p e n i n g ，t h en u m b e ro f n e w b u i l d i n gi no u rc o u n t r y i sa t t h et o pl e v e lo ft h ew o r l d ，b u tt h e yh a v el e s si n t e l l i g e n c et h a nd e v e l o p e dc o u n t r i e s i fw eu s ei n t e l l i g e n tm o n i t o rs y s t e mi nt h eu p t o w n ，t h a ti s h e l pt oi n f o r m a t i o n m a n a g i n ga n ds a f em a n a g i n g , a n di m p r o v eq u a l i t yo f l i v e so ft h er e s i d e n t s t h e n ， s t u d y i n gw h a t k i n do f i n t e l l i g e n tm o n i t o rs y s t e mi sf i tf o ro u rc o u n t r y su p t o w n h a s t h ep r o f o u n dm e a n i n g t h e r ea r em a n yd i f f e r e n c e sb e t w e e nm o n i t o rs y s t e mo fi n t e l l i g e n td i s t r i c ta n d t h a to fi n d u s t r y m o n i t o r s y s t e mo fi n t e l l i g e n t d i s t r i c tm u s t a p p l y t h el a s t e d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rn e t w o r k t e c h n o l o g y i nt h i ss y s t e m ，l a r g e n u m b e ro fd a t as h o u l db ec o m m u n i c a t ea n ds a v e i ti sv e r yi m p o r t a n tf o ru p t o w n s i n t e l l i g e n c e ，t h a th o w t om e r g et r a d i t i o n a lm o n i t o r t e c h n o l o g yi nm o d e mc 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 nt e c h n o l o g yb es u r ec o m a - n u n i e a t ee f f i c i e n t l yc o n t r o l t i m e l ya n da c c u r a t e l y t h i sp a p e r sp r i n c i p l ei si n t e g r a t i o n a f t e rd i s c u s s i n gt h ep r i n c i p l eo fm o n i t o r t e c h n o l o g y ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，d a t a b a s ea n dc o m m u n i c a t i o n a l p r o t o c o l ，t h ep a p e rs t u d i e sh o w t ou s et h i s t h e o r yt oc o n s t r u c ta ni n t e l l i g e n tm o n i t o r s y s t e m i nt h i sp a p e r w e d e s i g na s e to fs o f t w a r et om a n a g et h es y s t e m t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a f t e ra n a i y z m gs o m e c o m m o nc o m m u n i c a t i o n a lw a y s ，i tp r o v i d e san e ww a yo fc o m m u n i c a t i o n t h e p a p e rd e s i g n sap r o t o c o lt oc o m p l e t et h i sc o m m u n i c a t i o na n dc a r r yo u ti t kt h i s p a p e r ，s o m e m a i nt e c h n o l o g ya b o u tt ot h i ss y s t e mi ss t u d i e d t h i sp a p e rh a ss o t b et h e o r e t i ca n dp r a c t i c a lv a l u eo nt h es t u d yo fu p t o w n s i n t e l l i g e n tm o n i t o r k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tu p t o w n ，m o n i t o r , l a n ，p r o t o c o l ，d a t a b a s e ，i n t e g r a t i o n 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 绪论 本文是以智能小区作为背景来研究监控系统的集成及其数据通信。随着人 类社会的进步和科学技术的迅猛发展，人类开始迈入以自动化和信息化为平台 的智能化社会，出现了诸如智能化仪表、智能化机器人、智能化汽车、智能化 飞机、智能化高速公路、智能化工厂、智能化大厦等具有不同程度智能的各种 产品、设备、工具乃至工作环境和生活环境，并且在高速发展中f 1 】。其中，智 能小区就是近年来产生并迅速崛起的一种新型住宅群，它为住户提供了一种更 加安全、舒适、方便、快捷和开放的智能化、信息化的生活空间。同时，智能 小区依托先进的科学技术，实现小区物业运行高效化、节能化和环保化。它不 仅已经成为一个国家经济实力和科学技术水平的标志之一，而且也是人类社会 住宅发展的必然趋势。 智能小区的概念和思路来源于智能建筑，世界上第一座智能建筑是美国 u t b s 公司于1 9 8 4 年1 月在康涅狄格州所建的“城市广场大厦”口】。该大厦 以当时最先进的技术控制空调设备、照明设备、防灾防盗系统、电梯设备、通 信和办公自动化等，通过计算机网络通信技术、计算机控制技术以及自动化的 综合管理，实现了方便、舒适和安全的办公和居住环境。并具有高效和节能的 特点。“智能住宅”的概念在9 0 年代初才在美国、欧洲的一些发达国家首先出 现。即使在这些发达国家，智能小区的发展历史也很短”l 。在我国，智能小区 还是新生事物，无论是消费者还是房地产开发商，对其认识不多，且不统一。 从目前大多数文献来看智能小区可作如下定义：所谓智能小区就是在良好的建 筑设计与施工基础上，以科学技术为基础，依靠先进的设备和科学的管理，利 用计算机及最新相关技术，将建筑技术与计算机技术、自动控制技术、通信与 信息处理技术等先进技术相结合的高度综合的复杂系统，实现住宅小区基础物 业管理、安防管理以及信息服务等方面的高度自动化，实现节约能源、降低运 行成本、提高服务质量等目标，提供良好物业管理服务的居民住宅小区。整个 系统实际上是一个智能监控管理系统。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 监控技术在其它领域的应用 监控技术是一种应用广泛、历史悠久的技术。它广泛应用于国防、航空、 制造业、水利、水电、煤矿开采以及服务等行业。在电力系统中，在电力系统 发生故障时，为了保证电力系统稳定，在某些情况下需要在故障发生后立即采 取措施，如切机、制动、切负荷以及解列等”】。这些措施一般装设在电站和变 电站。是否要采取稳定措施、采取哪些措施以及各种稳定措施如何组合，一般 取决于故障发生前的运行方式、故障点和故障模式。这样就要求对系统进行实 时监控，随时可以了解系统状况。8 0 年代初期，煤矿监测监控技术的开发和 应用在国内就已经展开，至今已得到广泛的发展和应用 4 1 。利用煤矿监控系 统可以监测瓦斯、c0 、烟雾、风速、温度、负压、风筒、风门状况等环境参 数，以及监测机组位置、煤仓煤位、水仓水位、原煤产量、设备开停、计时、 记数等生产参数和电位、电压、功率等电量参数。煤矿监控系统有效提高了煤 矿开采效率和安全性。在加工过程自动化领域，对加工过程中的刀具状态进行 检测，提高加工质量、保证加工设备和工件【6 】。又如，随着计算机应用的推广 和网络多媒体技术的发展，监控技术的应用领域不断扩大。医疗、服务业以至 日常生活中都开始使用监控技术，病人监控看护和各种服务区的安全防范监控 都得到很好的发展。 1 3 监控技术的历史和现状 13 1 监控理论的发展和现状 监控技术的发展历史至少可以追溯到2 0 世纪中叶。早在3 0 年代初， s h e w h a r t 等人就针对制造过程质量控制问题进行过系统研究，建立了著名的 s h e w h a r t 控制表。5 0 6 0 年代，e s p a g e 、k k e m p 和a s h i r y a e v 等对连续的 变点估计和具有报警控制表的设计方法等进行了深入研究，奠定了后来所谓的 异变检测技术的统计基础 7 - 1 0 1 。 在随后的十多年时间里，e s p a g e 、k k e m p 、s w r o b e r t 和a s h i r y a e v 等 人基于似然比、概率比、w a l d 序贯概率比或b a y e s 方法对过程( 特别是独立 同分布的随机序列或弱平稳相关过程) 参数阶跃型跳变进行过细致研究，建立 华中科技大学硕士学位论文 了包括质量控制中广泛使用的多种异变检测方法。不过，2 0 世纪5 0 6 0 年代 的过程异变检测大多数是建立在经典的统计模型和各种充分统计量或者充分 统计量复合函数之上的，理论上属于统计异变检测的范畴。“。 2 0 世纪6 0 年代，由于航天、军工等领域对过程系统可靠性及维修决策等 相关技术的迫切需要，以直接冗余或物理冗余为基础的故障检测与诊断( f d d ) 技术在美、英和瑞典等西方国家受到重视，并在理论与应用两个方面得到研究。 过程监控的理论体系和方法体系的形成和发展，大多集中在2 0 世纪7 0 年 代以后。 7 0 年代初，美国学者r v b e r d 和苏联学者g s b r i t o v 与l a m i r o n o v s k i 相继提出了利用解析冗余代替物理冗余和直接冗余的进行故障检测与诊断的 思想。 随后二十多年里，过程故障检测技术得到了广泛而深入的研究，出现了一 系列可用于过程突变或系统故障的检测、辨识、定位、模式识别以及故障容错 处理的方法。 近年来，过程监控技术更加丰富和使用，不仅出现了基于系统仿真的方法、 基于容错的方法、基于人工神经网络和进化算法，以及对已有故障检测技术进 行稳定健化改进的各种改进型方法，监控对象也逐步由连续变量动态系统 ( c v d s ) 向离散事件动态系统、混杂系统以及各种网络系统拓展。 l _ 3 2 监控技术的发展 监控技术是一门综合性极强的技术，它的发展变化与材料技术、电子传感 技术、数字通信技术、控制技术、微计算机技术、软件技术和网络技术的发展 息息相关。尤其是通信技术和网络技术的发展决定着监控系统的整体布局和数 据传输手段2 7 1 2 8 1 。 1 计算机网络技术的发展和现状 计算机网络的形成和发展经历了四个阶段 t s l ： 第一阶段：计算机技术与通信技术相结合，形成初期的计算机网络模型。 此阶段网络应用的主要目的是提供网络通信、保障网络通信。 第二阶段：在计算机通信网络的基础上，完成了网络体系结构与协议的研 1 华中科技大学硕士学位论文 究形成了完整的计算机网络。 第三阶段：计算机解决了计算机与互连标准化的问题，提出了符合计算机 网络国际标准的“开放互连参考模型( o s ir m ) ”，从而极大地促进了计算机 网络技术的发展。 第四阶段：计算机网络向互连、高速、职能化和全球化发展，并且迅速得 到普及，实现了全球化的广泛应用。 2 通信技术 通信技术多种多样，可供选择的数据采集和传输的通信模式也呈多样化发 展。常用的通信模式：星型模式，总线型模式和点对点模式。星型模式按传输 介质可分为三种：光纤通信、电话线网和无线通信。总线模式可分为：r s 4 8 5 总线网和低压电力线载波通信网。点对点模式可分为：2 0 毫安电流环传输和 红外线传输。除了以上用于局域网的通信方式外，还可以将上述各种通信方式 的多种方式结合起来形成复合通信系统。 1 4 本文研究重点和意义 智能小区是今后住宅小区建设的趋势，设计良好的监控系统是小区智能化 的保证。同时监控技术又是一种使用广泛的实用性技术，如何保证其先进性、 可靠性、安全性和经济性是应用中的重要课题。本文的目的就是以智能小区的 监控管理作为研究背景，参考各种监控技术、通信技术和网络技术，结合当今 技术特点，充分应用网络技术、通信技术和数据库技术集成一套完整的智能监 控系统。对监控的核心部分一网络通信部分进行重点探讨和研究，分析它的 原理和实现。促进监控系统从纯粹的工业应用向其它领域推广。 1 5 本章小结 本章简单介绍了本文研究的课题背景以及监控系统的国内外发展状况以 及其研究意义。 j - 华中科技大学硕士学位论文 2 智能监控系统的设计 2 1 系统监控对象简介 2 1 1 被监控对象的系统结构和主要特点 智能小区是综合性很强的复杂系统，从功能上可分为安全防范子系统、物 业信息管理子系统和信息网络管理子系统。网络管理系统是小区宽带接入系 统。安全防范子系统和物业管理子系统是与监控相关的两个子系统。在这两个 子系统中包含大量的监控对象，如小区设备情况和小区现场情况。具体而言有 如图2 0 l 所示的监控对象： 电梯照明设摄像头红外双 各鉴 图2 1 监控对象示意图 周界越界防范。通过红外双鉴探测任何试图非法翻越小区围墙和栅栏进 入小区的行为。 视频监控防范。在小区的主要通道、重要公共建筑及周界设置前端摄像 机，将图像传送到小区监控中心。让管理员充分了解小区动态。 门户非法入侵防堕：堡旦主童堡型量塑茎差望塑堡型竖堕止韭鎏堡尘 - _ - - _ _ 一一一 e 华中科技大学硕士学位论文 区住户。 火灾探测。在住户家中安装烟感探测器，在住户发生火灾时及时通知小 区监控人员。 煤气泄露探测。使用离子探测器，在住户发生煤气泄露时及时通知小区 监控管理人员。 多表现场计量与传输。将水表、电表和煤气表的脉冲值传送到监控主机 进行处理。 供电设备、照明设备、电梯和家用电器设备监控。对各种小区设备和住 户设备进行控制，让各种设备稳定运行和按照住户的意图运行。 停车场监控。对小区住户的车位进行严格控制。 被监控对象的特点： 被监控的对象数量大。与传统的工业监控相比较，智能小区的监控对象 数量众多，一个初具规模的智能小区也有上百家住户，数据采集量较工业控制 大得多。对数据通信的传输量需求更大，要求通信网络有更大的网络带宽。 被监控对象的种类多，信号类别多。探测器探测的物理量包括温度、压 力、声音、电磁波、震动和图像等各种物理量。必须使用不同种类的传感器进 行数据采集。 被监控对象分布的地域广。一个较大的小区可达几个平方公里。 2 12 监控对象对监控系统的要求 1 功能要求 数据采集和传输功能。系统必须通过前置机实时采集系统关心的数据 ( 各种实时状态量和参数) 并且通过通信手段进行传输将数据传送给数据库服 务器，建立实时数据库( 核心库) 、报警事件库和历史数据库。为监控打下基 础。 运行监视。包括画面显示、事件记录和报警。画面显示给值班人员提供 一个丰富、直观的监视工具。对关键的参数，绘制出其变化曲线，对历史数据 进行规律总结，模拟其未来走向，便于监控人员及时了解现场状况和预测即将 茎生笪擅匹：遮尘皇垫笪蕉生：随蛊王塞然。盟现场运猛，让箕扭越i 足独通往 - 6 华中科技大学硕士学位论文 异常迸行记录和图形报警提示，同时还可以进行声音报警等多种手段的报警提 不。 控制功能。对现场设备进行自动控制，实现现场的无人职守。具体过程 是：将通过处理后的采集数据进行a d 转换后送给监控主机，在监控中心机 上进行处理后送到前置机，然后进行d a 转换进行设备控制。自动调节关键 参数达到无人值守的目的。 图像传输。随着多媒体技术的发展，有些监控系统已经引进图像传输功 能，在现场安装摄像头，对现场环境进行直接监控。给监控值班人员一个直观 的现场情况。 2 性能要求 及时性。系统能及时反应住户和小区的安全状况。 交互性。系统必须有良好的用户界面，将各种警戒信息及时、生动的反 馈给监控人员。监控终端也必须有一定的交互性。 准确性。三表数据和报警信息必须准确反映真实情况。三表的数据差错 和误报警都会导致管理者与用户的纠纷，因此准确性是监控系统设计的主要性 能指标。 操作灵活性。住户可以在家中、办公地点以及途中进行布防、家电开关 等操作。 2 2 智能监控设计方案选择 监控系统的设计有两种方案可供选择：一、独立设计方案。整个系统从硬 件到软件，每一个环节都自行设计。这样设计出来的系统具有很好的灵活性和 可修改性，但是设计周期长、成本高和稳定性差。二、系统集成方案。采用系 统集成，不需要自己设计核心电路，采用成熟的芯片加上简单的外围电路即可 使用。这种方案的明显优点就是设计周期短，系统模块性强，具有良好的稳定 性。 因此本文采用系统集成的设方案，购买国内外各种成熟的芯片和现成的各 种传感器进行集成设计。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 智能监控的方案设计 231 系统的结构选择 工业监控系统从总体结构上讲经历了三个阶段。 1 集中式结构阶段 6 0 年代到7 0 年代中期，由于计算机价格昂贵，往往使用一台计算机对工 业对象实现集中控制，对于分散于工业现场的物理量使用标准的模拟信号传输 到主机处集中处理，控制信号使用标准的模拟信号传输到现场的控制机构。由 于这种控制方式结构简单，成本低廉，现在许多小规模的监控系统依然使用这 种方式。 2 分布式结构阶段 随着局域网技术的发展，出现了分散式监控系统和分布式监控系统。分散 式监控系统指以功能分散为主要特征，使控制系统负载分散、危险分散和功能 分散。将数据采集、控制调节和事件记录等功能分别用单独的设备来完成。功 能分散式监控系统设有解决信息过度集中的方案，以避免因单一功能计算机出 现问题而导致整个系统崩溃。 7 0 年代由于集成电路的高速发展，计算机价格普遍降低。以多处理器为基 础的分布式监控系统应运而生。分布式监控系统指以对象分散为主要特征，按 控制对象设置不同设置多套相应装置，将功能分散到下级微机进行处理。分布 式控制系统明显改善了通讯网络。相对于原始的集中检测、控制的系统而言， 从现场到中心控制室的成千上万条电缆被几根屏蔽双绞线所替代，即明显节约 了硬件投资，又大大降低了由于接线错误导致的故障率。 3 现场总线阶段 现场总线( f i e l d b u s ) 是8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过程 自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络 4 5 1 。 它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与 8 华中科技大学硕士学位论文 更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、 新型全分布控制系统。现场总线有许多特点： 系统的开放性。开放系统是指通信协议公开。 互可操作性与互用性。这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统 间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身可完成自动控制的基本功 能，导致现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场 总线，是专为现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射 频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通 信，并可满足本质安全防爆要求等。 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处 理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基 本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 网络技术是现场总线控制系统的重要基础，作为一种网络技术现场总线也 有相应的拓扑结构 4 6 , 4 7 1 。现场总线的网络拓扑结构有环型、总线型、树型以 及几种类型的混合。 环型拓扑结构中以令牌环形网最为典型，其优点是延时性较好，缺点是成 本较高。总线网的优点是站点接人方便，可扩性较好，成本较低，在轻负载的 网络基本上没有时延，但在站点多、通讯任务重时，延时明显加大。缺点是时 延的不确定性，对某些实时应用不利。树型网是总线网的一种变型，其优点是 可扩性好，有较宽的频带，缺点是站点间通讯不方便。总线网的争用使它不适 于实时处理某些突发事件，令牌环形网中的令牌绕环一周的时间虽然有一个上 限，但在轻负载时性能不太好，可靠性比总线网差，综合这两种网的优点，在 现场总线中采用了令牌总线网，即在物理上是一个总线网，在逻辑上是一个令 牌网。令牌总线网具有总线网接人方便、可靠性较好的优点，也具有令牌环形 、 网“无冲突”和时延性好的优点。 基于现场总线自身的特点，许多工业控制和楼宇智能化中都开始使用现场 总线技术。但是现场总线技术也存在着明显不足：由于竞争激烈，至今还未形 成统一的现场总线标准，其开放性也不完全。使用现场总线还有一个最大的缺 华中科技大学硕士学位论文 点是与以太网的接口产品也不够丰富。 考虑到智能小区的建设必需依托于以太网。本文用以太网代替现场总线， 将工业监控的分布式思想带入智能小区的监控设计。这样小区局域网用作普通 局域网的同时又能充当现场总线，达到一网多能的目的。本文研究以以太网为 信息传输媒介，分布式控制为主要特征的智能监控系统。 2 3 2 系统的总体方案设计 从本章第一节的分析可知，小区监控系统的所需要监控的监控对象具有种 类多、数量大和分布广等特点。并且随着计算机技术和多媒体技术的发展，监 控系统中传输的数据量有成几何级数增长的趋势。小区的服务需求种类也日新 月异。因此小区监控系统的设计必须有自己的特色。 1 现场总线监控系统 目前在工控领域和智能小区中最流行的监控系统是都基于各种现场总线进 行设计的。它们的普遍设计模型如图2 - 2 。 局域网 高速现场总线如 l o n w o r k s 、c a n监控计算机j 、= 二二 低速现场总线 智能末端设备 智能末端设备 图2 2 现场总线监控布置 现场总线的监控模型中，最大的特点是分层进行控制。如图所示，监控终 端分四层进行控制。最底层是智能设备终端，主要是负责数据采集的传感器和 一些执行终端。低速现场总线将采集到的数据传送到主节点，主节点执行部分 控制功能。主节点由单片机和p l c 等设备充当。主节点与监控计算机之间通 。一 1 0 是 一 华中科技大学硕士学位论文 过高速现场总线进行通信，监控计算机可以对数据进行处理并向主节点发送操 作指令。监控级设备要与管理设备进行通信，就必须通过专门的接口硬件软 件与局域网进行连接。由于总线的标准不统一，因此与以太网的接入设备使用 并不普遍。e c h e l o n 、t o s h i b a 和c i s c o 等公司正在研究一种接口芯片，名称为 t m p r 3 9 15 ，试图用这种芯片设计一种路由器来连接l o n w o r k s 总线网和以 太网，但是到目前都还未面世【4 ”。所以目前的总线监控系统很少使用到管理 级，只局限于监控级。如果监控系统只局限于监控一级，那么系统将会有以下 缺陷： 缺乏强大的数据管理功能。由于通用的数据库管理系统是为i t 网开发 的，不能直接与现场总线的相关协议兼容。如果没有数据库管理系统的参与， 监控系统中的数据存储和管理功能变得极薄弱。 传输带宽受到限制。高速现场总线的带宽只有l m 或者2 5 m b p s ，低速 现场总线的带宽只有3 0 k p s 。如果系统只采集和传输一些脉冲数据，采集节点 的数目基本不受到限制，但是，如果采集或者传输的数据中有图像数据和音像 数据，那么采集节点必须严格控制。 系统的开放性和扩展性不好。总线网和以太网不进行互连，由于总线的 标准不统一，添加任何的服务都必须单独由专门的厂家设计专门的接口，这会 导致监控系统的功能扩展困难。 二次开发性不足。现场总线的软件开发必须使用专用的开发工具和平 台，这对开发者提出了较高的要求。 2 本文设计的监控系统整体构成 为了有效的使用以太网资源( 包括以太网的物理网络、开发工具以及软 硬件开发商对以太网的潜在支持) ，本文基于以太网进行监控系统设计。设计 的监控系统结构如图2 3 和2 - 4 。 智能小区监控系统与工业监控系统相比，有采集节点多，信息传输量大等 特点。根据控制对象的功能不同，将监控系统分解成多个不同的监控子系统， 不同的监控服务器( 上位机) 承担不同子系统的数据处理功能，并且将部分控 制和操作功能分配给监控终端去执行。这样就避免了由同一台上位机承受所有 功能时出现的控制过度集中，形成典型的分布式控制结构。对于承担重要功能 华中科技大学硕士学位论文 的监控服务器( 如，进行三表数据远程抄送的服务器) 进行冗余设计，避免因 意外造成数据丢失。 由于整个网络是基于以太网进行设计的，必需考虑网络的拓扑结构。常用 的局域网拓扑结构有：星形网、环行网、总线网和树形网。考虑到住宅小区具 有面积大，各住户是独立个体的特点，为了避免标准总线拓扑中，一台工作站 出故障会引起连锁反应的缺陷。小区的局域网采用集线器级联结构，也就是主 干线下采用星型拓扑模式。 整个控制系统处在同一个局域网之中，局域网有一定的覆盖范围限制，为 了扩大监控范围，将局域网划分成多个局域网网段，网段之间通过网桥连接在 住宅小区的局域主干网上。主干网上设置多个功能服务器和一个数据库服务 器。每一个局域网网段上连接多个监控终端。 监控系统各组成部分的功能如下： 监控终端：通过外接各种传感器或者摄像头进行现场数据采集以及数据的 临时存储：与上位机进行数据通信；执行本机控制指令和上位机下传的远程控 制指令。 功能服务器：同一个监控系统可以根据功能的需要设置多台功能服务器， 不同的服务器在某一个功能子系统中充当数据的分析和处理功能。总体上讲就 是接收监控终端上传的各种数据，进行数据分析和处理，提供良好的人机交互 界面，向监控终端发送各种操作指令，进行各种警戒提示。 数据库服务器：存储系统实时数据和各种历史数据供系统分析预测用。 w e b 服务器：即小区网站服务器，用户可以通过i n t e m e t 浏览小区网页。 由于动态网页有强大的数据库操作功能，用户可以通过网页对监控数据库服务 器进行操作。通过w 曲服务器与监控服务器之间的通信，用户可以在i n t e m e t 上进行远程操作和访问小区设备。 监控系统的上位机和下位机之间的通信技术采用局域网通信技术。具体的 通信技术见本文第四章。 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 3 监控布置总图 图2 - 4 监控局部图 监控终端的硬件结构框图如图2 5 。整个监控终端的核心是一块微处理芯 片，芯片通过一些外接设备进行扩展构成完整的监控终端。 数据采集端口。该端口外接各种传感器进行数据采集，然后通过防高压 光耦隔离进入微处理器，微处理器将数据存储在r a m 中。 设备控制端口。该端口外接各种需要由监控终端进行控制的电器设备， 通过微处理器对端口进行各种属性设置来确定端口的控制方式。定义好属性 壶遴 华中科技大学硕士学位论文 后，通过微处理器发送的指令进行外接设备的开关控制。 键盘。通过键盘进行必要的数据输入；输入的数据被定义成单纯的数据 或者是通信指令。 l c d 。提供一个简单的人机界面，显示各种文字信息、菜单和图形。 n e 2 0 0 0 。网卡芯片，负责在监控终端与p c 机之间的数据通信。 h u b 。主要用于端口冗余。 3 传感器的选择”6 1 7 ，”翔 图2 - 5 监控终端硬件结构图 在整个监控系统的设计中，传感器的选择是一个重要环节。系统的安全防 范功能的实现，依赖于数据采集端口外接的各类传感器，选择合适的传感器类 型决定着监控系统的灵敏程度和准确程度。由于不同的传感器探测的物理量不 同，设计原理也存在差异。有时对同一种安全的探测可以根据具体情况选用不 同的传感器。火灾的探测是小区住户最关心的问题，这里简要讨论以下火灾探 测器的选用原则。 根据火灾的形成发展特点选用。如果火灾初期有阴燃阶段，即初期产 - 1 4 - 华中科技大学硕士学位论文 生大量的烟和少量的热。一般选用烟感探测器；如果火灾发展迅速，有强烈的 火焰辐射。一般选用火焰光探测器。 根据房间高度选用。烟感探测器的安装使用高度h 1 2 m ，感温探测器 的使用高度h 。 8 m ，火焰探测器灵敏度范围为9 m 3 0 m 。 综合环境下的选用。必须考虑环境温度、气流速度、震动、空气湿度 和光干扰等各方面的因素。 本文中安全防范使用的传感器只要求对现场情况的某些物理量的极限值 做出反应，因此本文一律选用智能化传感器，这种传感器具有数据极值判断与 越限报警的功能。 2 3 _ 3 本文监控系统结构的特点 本文的监控系统基于以太网进行设计，鉴于以太网应用广泛许多i t 业 机构和组织研制着其它网络与它的互连技术。因此本监控系统有很好的开放 性，可以通过各种接口将电信网、计算机网络和有线电视网合成一个整体，形 成三网合一的综合网络体系。从而具有良好的服务功能可扩展性，可以根据需 要将视频监控技术、电话报警等功能加入本监控系统。 可以节省布线投入。在现场总线监控系统中，控制系统是一个单独的网 络体系，必须单独进行布线。要满足设备控制和小区上网就必须设计两套独立 的网络。因此，本应用中将两套网络的功能合而为一节省了硬件的一次性投入。 并且小区主干网使用标准的网络硬件和协议使网络的升级和扩展更加容易。 系统的监控终端部有一个微处理芯片，可以进行一定容量的数据存储并 切具有一定的处理功能，这种分布式设计思想减轻了上位机服务器的负担，避 免了功能过于集中产生系统崩溃的风险。 本文的数据传输采用的是数字通信传输，与集中控制阶段的模拟量传输 相比有更好的抗干扰性和稳定性，并且在数字信号传输过程中可以借助于软件 进行数据的纠错和检错。更好的保证了控制的准确性和稳定性。 、 本系统的采集终端选择具有一定智能功能的传感器，通过参数设定后， 传感器自己设置一个越界极限，当被测参数达到越界极限后，传感器输出警告 信号供微处理器处理。减少了微处理器的数据分析和处理任务，相当于对功能 进行了又一级分散，进步提高了系统的可靠性。 1s 华中科技大学硕士学位论文 采用本文的网络结构形成分级控制，对网络流量要求高的主干网可以采 用高速以太网甚至吉比特网，下一级的局域网可以采用1 0 b a s e 5 、1 0 b a s e t 等物理网络。这样就可以针对不同的小区规模采用不同的物理层布线，可以节 省成本，也便于系统升级。 具有高效率的开发平台。监控系统基于以太网进行设计后，上位机的操 作系统的可供选择的范围变得很大，即可以使用w i n d o w s 系列，也可以选择 u n i x 系列，当然也可以选择其它专用操作系统。通用的操作系统支持很多集 成开发环境，使用集成开发环境可以提高开发效率。 便于监控软件的可视化。现代监控系统要求有良好的用户界面，集成开 发环境使监控软件的可视化变得更容易实现。 2 3 4 系统软件模块设计 现代监控系统的设计不仅仅是对现场设备进行控制。它还必须具备良好的 人机交互性和数据信息管理功能。因此本监控系统的软件模块由三大部分组 成：监控软件模块、数据库管理模块和网站模块。三大模块的功能如下： 1 数据库管理模块： 对各种管理数据进行录入、更新和删除。如住户档案的录入和删除，设 备属性的初始化数据的录入等。 数据采集设备的属性值设置和修改。如输入设备是脉冲式设备还是电平 式设备。 对数据库用户进行权限设置，实现数据的安全管理。 提供良好的数据库操作和显示界面。 2 网站模块： 网站模块分两部分：一部分提供管理功能，操作主体是小区工作人员。工 作人员通过访问小区主页，进行各种查询、录入和设定。另一部分是网站服务 功能，操作主体是小区住户。住户通过网站实现各种查询和管理设置。 从功能的角度管理模块可以划分为以下几个部分： 财务管理。对水、电、煤气的价格和收费情况进行设定和录入。 华中科技大学硕士学位论文 行政管理。对住户档案进行管理，进行小区消息进行编辑以及进行投诉 操作。 安全管理。出入管理、住户报警处理、巡更管理和特约服务等。 从功能的角度网站模块可以分为以下几个部分： 用户投诉。通过网络终端，用户可以对小区的服务情况进行各种投诉。 用户查询。用户通过网络进行报警的处理情况、各种开支以及访客留言 的查询。 用户设置。对布防级别和方式进行设置。 3 监控模块： 安全防范。对住户和整个小区的安全情况进行实时监控并且将信息即时 反馈给监控室，并且在收到报警信息后采取适当的处理，如通过语音卡与住户 进行联系或者直接通过电信网络与当地消防部门进行联系。 三表抄送。将单片机采集到的数据脉冲转换成水、电和煤气的实际用量 存储到数据库中，将数据库中的脉冲数据定时转换为实际生活中的用水、用电 等。 人机交互。监控服务器软件对报警信号实现视觉和听觉提示，监控终端 通过液晶显示器显示操作结果。 在监控模块中，三表远程抄送是用户最为关心的一个模块，三表计量的准 确性关系到用户的切身利益。为了进行数字式传输市场上的许多计量表能将用 量与转数等物理量对应起来，从而将用量与输出的脉冲数进行对应，在本应用 中就是利用这种对应关系来初始化数据库的相应属性，并且监控服务器软件将 脉冲数转换成用户的实际用量。整个过程是：用量脉冲数用量费 用。将用量和费用存储在数据库中后，管理人员只需在中心控制室操纵微机便 可完成抄表、收费、结算、打印报表，以实现对用户用电、用水的监控和管理， 从而避免了逐户上门抄表带来的一系列问题。 、 通过三大模块的组合，将数据库、计算机网络、数据通信技术和监控技术 有机的结合起来，理论上可以满足小区监控提出的任何新的需求，具有良好的 扩展性。特别是数据库技术的使用给系统提供了大量的存储空间，设计者可以 根据需要可以存储大量的历史数据和即时数据供系统进行性能分析和预测分 17 华中科技大学硕士学位论文 析。 2 4 本章小结 本章介绍了本文所设计的智能小区监控系统总体构成和软件构成，并且对 各个软、硬件模块的功能进行了简要说明。 华中科技大学硕士学位论文 3 监控系统设计的通信及网络原理 监控系统的核心就是数据传输，现代监控系统的数据传输是在计算机网络 上进行的。计算机网络是计算机技术与现代通信技术与现代通信技术相结合的 产物。从功能结构上我们把计算机网络看成是一个两层结构的系统。外层是由 主计算机等构成的资源子网，承担全网的数据处理和向网络用户提供共享的资 源及相应的服务；而内层则是通过通信控制处理机和高速通信线路等组成的通 信子网，负责全网的数据传输、交换、加工和变换等通信处理工作，即负责将 一台计算机输出的数据传送给另一台计算机。在网络中，任何两台计算机之 间的数据交换都是借助于通信的手段来实现的，从本质上讲是一个数据通信问 题。数据传输和网络技术的发展推动监控技术的发展。本章将系统要用到的通 信理论和网络理论进行必要解释。 3 1 数据通信原理 在计算机网络中，通信的目的是为了交换信息。信息( i n f o r m a t i o n ) 是消 息( m e s s a g e ) 所包含的内容，它的载体是数字、文字、语音、图形和图象等。 计算机及其外围设备产生和交换的都是由二进制代码表示的字母、数字或控制 符号。常用的编码方式有：博多码、a s c i i 码、b c d 码和e b c d i c 码。 博多码在1 8 7 4 年以法国从事电报工作的邮政工程师博多( b a u d o t ) 的名 字命名d o l 。它是一种五位代码，可以表示3 2 种字符，它无法处理全部的字母 字符集，必须对它进行扩展才能处理全部的字母字符集。博多码主要用于电报 网络。 、 a s c i i ( a m e r i c a ns t a n d a r dc o d ei n f o r m a t i o i li n t e r c h a n g e ) 码，是一种八位 编码，它由七位信息位和一位奇偶校验位组成。a s i i 码是数据传输编码中使 用最广的一种编码。其奇偶校验位可以对数据进行一定的校验。 b c d 码，是一种六级编码，有些计算机用它作为内部码。 e b c d i c 码，是一种八位编码，是b c d 码的扩展编码。 本文的传输系统是基于a s c i i 码的信息传输，并且在协议中使用了b c d 华中科技大学硕士学位论文 被传输的二进制代码称为数据，它是传递信息的载体。通信系统关心的是 数据的表示方式和传输方法。计算机网络中传递的二进制码称为“码元”。数 据传输的过程如图3 一l ，编码方式采用曼彻斯特编码。 通信线路 计算机一编码器r l j_ 译码器r _ 一计算机5 图3 - i 传输编码和译码图 数据通信系统主要技术指标是： 比特率s ：数字信号的传输速率，它表示单位时间内所传输的二进制 代码的有效位数，单位是比特每秒( b p s ) 或千比特每秒( k b p s ) 。 波特率b ：一种调制速率，称波形速率。 b = 圭( 波特) 出错率：信息在传输中的错误率，也称为“误码率”。在计算机网络通 信系统中，要求误码率低于1 0 。 3 2 数据交换技术 在计算机网络中，计算机通常使用公用的传输线路进行数据交换，以提高 传输设备的利用率。在网络中的数据交换方式可分为线路交换和存储转发交换 两大类，其中存储交换又可分为报文交换和分组交换。 线路交换：在计算机网络中，当计算机与终端或者计算机与计算机之间要 通信时，也是由交换机负责在其间建立一条专用通道，即建立一条物理连接。 其通信过程可以分为：电路建立阶段、数据传输阶段和拆出电路连接三个阶段。 其特点是先有两个节点的线路接通，然后才能通信，双方通信的内容不受交换 机的约束，即传输的信息符号、编码、格式以及通信控制规程等均随用户的需 要决定。线路交换的优点为：传输延时小，线路一旦接通，不会发生冲突。可 靠性和实时响应能力好。缺点：建立线路连接所需时间长；一旦接通双方独占 线路，造成信道浪费。 报文交换：两个站点之间无需建立专用通道。当发送方有数据块要发送时， 它把数据块作为一个整体交给交换设备i m p 。交换设备根据报文的目的地址， 2 阻 华中科技大学硕士学位论文 选择条合适的空闲输出线，将报文送出去。报文交换技术是一种存储转发技 术。这种方式不适合实时通信或交互通信。 分组交换：分组报文交换技术将用户的大报文分成许多小的报文分组每一 个分组均含有数据和目的地址，同一报文的不同分组可以在不同的路径中传 输，到达终点后，在将它们重新组装成完整报文。 虚电路：面向连接的一种分组交换方式，可以保证数据传输的可靠性。 在本文设计的监控系统之中采用的通信技术是局域网通信技术，局域