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东北大学硕士学位论文摘要 基于i n t e r n e t 技术的嵌入式远程机房监测系统 摘要 介绍了一个远程监测系统的具体设计，该远程监测系统的主要目的是为了实现对分 散于宝钢厂区内各个远程机房的动力和环境进行监测。远程机房监测系统以企业主干网 为依托，采用先进的嵌入式网络技术，由远程采集装置、网络传输和网络中心监测系统 组成。 首先对远程监测系统进行了整体设计，之后又分别进行了监控装置设计、数据库设 计和管理系统设计。远程机房监测装置由传感器、a d 转换、单片机、液晶显示器和 m o x a 以太网关组成。集中监测系统由数据采集模块、数据库管理模块、数据存储模 块、自动报警、用户管理模块、显示功能模块以及报表输出模块等组成。根据数据库理 论与实际的应用需求，对系统所用的数据库表结构进行合理的设计。系统采用开放的 c l i e n t s e r v e r ( 客户机明瞪务器) 模式，前台客户端采用p o w e r b u i l d e r9 0 开发工具，后台 服务器采用m ss q ls e r v e r2 0 0 0 数据库系统加以实现。从内容上来说，第一章是引言 部分，主要介绍课题的选题背景及意义，分别对嵌入式i n t e m e t 技术和远程监控的现状 和发展趋势进行了阐述。第二章论述了远程监控系统的总体设计要求，包括了项目总体 设计要求，总体架构设计，软件结构。第三章是监控装置硬件设计部分，侧重讲述了监 控终端的硬件设计，重点介绍了a t 8 9 s 8 2 5 2 单片机和m o x a 网卡的特点和性能。第四 章讲述了数据库设计的基本概念和方法，重点阐述了数据库结构的组成，以及数据库的 自动生成。第五章是管理系统的设计，重点讲述了管理系统的主要功能以及各个组成模 块的具体实现。第六章是结论部分，说明系统的运行所带来的效益和意义。 宝钢主干网远程机房集中监测系统的投入运行，在减少了人力物力消耗的前提下， 给网络管理提供了有力的技术支撑，设备安装调试简便，系统运行稳定，已成功避免了 数次非正常停电对主干网的影响，为网络的稳定运行做出了贡献系统的投运减少了人力 物力消耗，提高了主于网的稳定性。 关键词：嵌入式i n t e r n e t 技术：单片机；机房；远程监测；数据库 - i i - 东北大学硕士学位论文 a b s t r a e t t h er e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n e m b e d d e di n t e r n e tt e c h n o l o g y a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e sap r o v i d ed e s i g no f r e m o t em a c h i n er o o mm o n i t o r i n gs y s t e m t oa c h i e v ep o w e ra n de n v i r o n m e n tm o n i t o r i n go fr e m o t em a c h i n er o o mw h i c hl o c a t e si n d i f f e r e n tp l a c e s ，w ed e s i g na n dd e v e l o pr e m o t em a c h i n er o o mm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n b a o s t e e lb a c k b o n e i ti sc o m p o s e do fr e m o t ec o l l e c t i o nd e v i c e ，n e t w o r kt r a n s m i s s i o na n d n e t w o r kc e n t e rm o n i t o r i n gs y s t e m a c c o r d i n gt os y s t e m sd e s i g n i n gi d e aa n df u n c t i o nm o d u l ep r i n c i p l e ，r e m o t em a c h i n e r o o mm o n i t o r i n gd e v i c ei n c l u d e ss e n s o r , a dc o n v e r t o r ，s c m ，l e da n dm o x ae t h e m e t g m e w a y c e n t r a lm o n i t o r i n gs y s t e mp e r f o r m sd a t ac o l l e c t i o n ，d a t a b a s em a n a g e m e n t , d a t a s t o r e ，a u t o m a t i ca l e r t , u s e rm a n a g e m e n t ，d i s p l a y i n ga n dr e p o r t i n gf o r m s , e t e t h eo p e n c l i e n t s e r v e rm o d ei su s e di nt h es y s t e m t h ec l i e n ti sd e s i g n e di np o w e r b u i l d e r9 0a n dm s s q ls e r v e r2 0 0 0 i nc o n t e n t ，t h ec h a p t e ro n ei sp r e f a c e ，w h i c hm a k e sac h i e fi n 订o d u c t i o n f o rt h em e a na n db a k g r o u n do ft h ep r o j e c t , ac h i e fi n t r o d u c t i o nf o re m b e d d e dn e t w o r k t e c h n o l o g ya n dr e m o t em o n i t o r i n g t h ec h a p t e rt w oi l l u s t r a t et h ew h o l ed e s i g nr e q u i r e m e n t ， h a r d w a r e 靠a m e w o r k sa n ds o l r a r ef r a m e w o r k s t h ec h a p t e rt h r e em a i n l yi u u s t m t eh a r d w a r e d e s i g n ，ac h i e fi n t r o d u c t i o nf o ra t 8 9 s 8 2 5 2c h i pa n dm o x a c a r d t h ec h a p t e rf o u rm a i n l y f o c u so nt h ed b d e s i g n t h ec h a p t e rf i v ei l l u s t r a t e st h ed e s i g no f t h em a n a g e m e n ts y s t e ma n d a l lm o d u l e s t h el a s tc h a p t e ri st h ec o n c l u s i o n b a c k b o n en e t w o r kr e m o t ec e n t r a lm o n i t o r i n gs y s t e mi nb a o s t e e lp r i d e ss t o n gt e c h n i c a l s u p p o r tf o rn e t w o r km a n a g e m e n te n a b l e se q u i p m e n ti n s t a l le a s ya n dc o n v e n i e n t t h e a p p l i c a t i o no ft h es y s t e mr e d u c e sc o n s u m p t i o no fm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e sa n d o p t i m i z e ss t a b i l i t yo f b a c k b o n e k e yw o r d s ：e m b e d d e dn e t w o r kt e c h n d o g y ；m a c h i n er o o m ；s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r ； r e m o t em o n i t o r i n g ；d a t a b a s e i ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名歌玮豫 日 期：跚，8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 1 1 问题的提出 随着计算机网络技术的飞速发展和过程自动化水平的不断提高，机房的安全稳定运 行对企业来说至关重要，特别是宝钢作为国内最大的现代化钢铁联合企业更是如此。计 算机机房的温湿度及电源状态对于计算机设备正常运行非常重要，上海宝钢有4 0 个机 房，地域上分散距离较远。如果每个机房都配备专门的人员监测温、湿度及电源状态， 就会浪费大量的人力资源，如果没有专门的人员就不能及时地报告上述几个量值的出错 信息。所以借助于宝钢内部主干网，采用基于i n t e m e t 的数据采集与集中监控系统，以 此监控各个机房的温湿度及电源状态，对于保证宝钢信息系统的正常运行具有现实的意 义。 面对国际上迅猛兴起的嵌入式网络技术产品的大潮，结合宝钢现有机房几十个、分 布数十平方公里、以太网遍布整个厂区的实际情况，在机房动力与环境监测系统中采用 带有以太网接口的可编程数据网关远程监测装置的方案无疑是首选方案。在系统设计过 程中，在充分考虑到功能的完善性、系统的可靠性和稳定性、系统操作和维护的简便性 以及系统的经济性的前提下，决定采用先进的嵌入式网络技术以实现系统的要求。采用 嵌入式技术并以宝钢主干网为依托，研制了一套完整的远程机房动力与环境监测系统。 1 2 嵌入式i n t e m e t 技术 1 2 1 嵌入式i n t e m e t 的概念 嵌入式i n t e r n e t 是近几年发展起来的一项新兴概念和技术，是指设备通过嵌入式模 块而非p c 系统直接接入i n t e m e t ，并以i n t e m e t 为介质实现信息交互的技术，通常又称 作非p c 式i n t e m e t 接入。 嵌入式i n t e m e t 技术的目标是将小型简单韵低成本嵌入式系统连接到i n t e m e t ，充分 利用网络资源，实现更广范围的信息共享和更多类型的信息、服务。嵌入式i n t e m e t 在 嵌入式系统应用领域的革命性举措是它有效地解决了嵌入式系统不统一的网络协议标 准和人机接口的矛盾。目前许多公司和组织( 包括s i m e n s ，p h i l i p s ，i n f m e o n ，m o t o r a l a 等) 成立了嵌入式i n t e m e t 联盟( e t i ) 来专门讨论和制定嵌入式i n t e m e t 领域的标准和开发相 关的技术。 东北大学硕士学位论文第一章引言 1 2 2 嵌入式i n t e m e t 的研究背景及应用前景 当前嵌入式系统己经在家庭和工业的各个领域得到了应用。但目前大多数嵌入式系 统还处于单独应用的阶段，以m c u 为核心，与一些监测、伺服、指示设备配合实现一 定的功能。另一方面，i n t e m e t 和光纤主干网技术的飞速进展，使得基于分组交换技术 的通信性能、质量和可靠性得到稳步提高，i n t e m e t 己成为社会重要的基础信息设施之 一，是信息流通的重要渠道。 如果嵌入式系统能够连接到i n t e m e t ，我们就可以将所有设备的信号都通过网络来 传送，而且还可以做到通过网络充分共享多种设备，随时查看嵌入式设备的情况，并指 挥运转这些设备，从而方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何地方。可以预言， 嵌入式设备与i n t e m e t 的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来。 过去也有远程采集现场设备的数据、进行远程显示和控制的一些方法，但是数据的 传输大多采用r s 一2 3 2 ，r s 4 8 5 以及各种现场总线，这些方式存在着通信速度不够快，距 离不够远的缺点，而且各种总线之间难于实现互连和互操作，配套的软件和硬件要单独 设计。相比之下，嵌入式i n t e m e t 技术可以充分利用现有的i n t e m e t 网络和通信协议，设 计和使用都更加方便。嵌入式i n t e m e t 有以下的优点： ( 1 ) 不需要专用的通信线路，充分利用现有的网络资源； ( 2 ) 传输速度快、距离远； ( 3 ) 传输的数据多种多样，可以是字符、文本、图像、音视频等各种多媒体数据； ( 4 ) 协议更具有通用性，任何一种w e b 浏览器下都可以使用； ( 5 ) 信息直接反映到网页上，形式多种多样，实时数据会自动更新； ( 6 ) 每传一次信息，所有想收到信息的用户机都可以按照各自的终端要求给予显现和 操作： ( 7 ) 软件可靠性更高，而且有很多实用参考代码可供利用。 嵌入式i n t e m e t 的广泛应用将未来世界变得更加自动化、智能化和人性化，连入互 联网的嵌入式系统的出现，将给地球披上“电子皮肤”。嵌入式片上系统( s y s t e m o n c h i p ) 被称为“瘦服务器”，包括美国贝尔实验室总裁a n mn e t r a v a l i 在内的一批科学家对未 来i n t e m e t 的发展方向做出了预测：“在不久的未来，将会产生比p c 时代多成百上千倍 的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器，这些瘦服务器将与这个世界你能想到的各种物理信 息、生物信息相联接，通过i n t e m e t 自动地、实时地、方便地、简单地提供给需要这些 2 东北大学硕士学位论文第一章引言 信息的对象”。 1 2 3 嵌入式i n t e m e t 的研究现状及关键问题 嵌入式i n t e m e t 技术就是要实现嵌入式系统连接到i n t e r n e t ，要求嵌入式系统在软件 上实现有关的i n t e m e t 通信协议，解决数据的封装、编码及发送接收等问题：在硬件上 具有一定的计算和存储能力，提供高效处理i p 数据包需要的网络带宽和吞吐量。 由于嵌入式系统自身的特点，按照传统p c 的方法将嵌入式系统接入i n t e m e t 存在 很大的困难。其困难在于i n t e m e t 上面的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等 方面的要求比较高，而嵌入式系统中除部分3 2 位处理器以外，大量存在的是8 位和1 6 位嵌入式m c u ，它们存储容量小，运行速度较慢，支持t c p i p 等i n t e m e t 协议将占用 大量系统资源。另外，传统的t c p i p 协议在实现实时性方面做得不够好，它把大量的 精力花在保证数据传送的可靠性以及数据流量的控制上。而在实时性要求比较高的嵌入 式领域中，传统的t c p i p 不能满足其实时要求。 因此，从简洁实用的角度出发，需要把传统t c p i p 在不违背协议标准的前提下加 以改进实现，使其实现性得到提高，占用的存储空间尽可能少，以满足嵌入式应用的要 求。 目前实现嵌入式系统接入i n t e m e t 的方案主要有以下几种： ( 1 ) 微处理器微控制器+ 实时操作系统( r t o s ) 这种方案采用1 6 3 2 位的高档单片机，在r t o s ( 实时多任务操作系统) 的平台上进行 软件开发，在嵌入式系统中实现t c p i p 的协议处理。1 6 位或3 2 位的嵌入式系统具有较 强的计算处理能力，有足够的能力和资源在实时操作系统并完成很多复杂的功能。随着 微处理器价格急剧下降，利用r t o s 开发嵌入式应用系统已经逐步成为潮流，国外许多 公司提供了具有t c p i p 协议支持的实时操作系统，如v r t x ，n u c l e u s ，p s o s ，q n x ， v x w o r k ，r t x c ，c m x - r t x 等，l i n u x 也向这个领域进军。根据系统性能要求，选择合 理的微处理器及其开发套件，选取适当的r t o s 软件包，可以提高系统开发效率，最终 达到系统目标。但这种方案存在如下缺点：高档单片机价格较贵，开发周期较长；需 要购买昂贵的r t o s 开发软件，对开发人员的开发能力要求较高。 ( 2 ) 网关十轻量级设备网 采用专用网络( 如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 c a nb u s 等) 把一小批单片机连接在一起，然后再 将该专用网络连接到一个p c 上，该p c 作为网关将专用网络上的信息转换为t c p i p 协 3 东北大学硕士学位论文 第一章引言 议数据包，然后发到网上实现信息共享。 这种方式可以降低对嵌入式系统的要求，使用范围广泛，可以连接多种单片机，可 充分利用已经大量存在的8 位和1 6 位嵌入式产品，集中分散的小型设备成为网络，并 提供使用i n t e m e t 进行信息交互的手段，有利于设备远程访问和实时监控。但是这种方 案也存在如下的缺点：需要一个专门的嵌入式网关，对于过于分散的嵌入式系统而言， 嵌入式系统和网关之间的通信需要专门的网络布线。需要在p c 机上安装专门的协议 转换软件，这种软件通常由专门的第三方软件商提供，费用较高。 ( 3 ) i n t e m e t 控制器+ 固化的协议栈 这个方案是由m c u 及固化了t c p i p 协议的芯片组成应用系统的核心。应用系统可 以直接拨号上网，硬件电路相对简单。但需要大容量的存储器，如果所用的t c p i p 协 议芯片是软件固化的，还要求m c u 有较高的运行速度。采用这种方案的芯片有s c e n i x s e m i c o n d u c t o r 公司的s x s t a c k ，s e i k oi n s t r u m e n t 公司的$ 7 6 0 0 a ，i r e a d y 公司的i n t e m e t r l n n e r ，c o n n e c to n e 公司的i c h i p 等，其中s c e n i x 公司的单片机为软件固化协议，其 它芯片为硬件固化。 此方案具有开发时间短、系统成本低的优点。因此对于开发小型、价廉的信终端产 品是比较好的选择。 ( 4 ) 8 1 6 位低端嵌入式系统的简化方式 对于大量存在的8 位和1 6 位m c u ，由于其速度较慢，内存较小，如要支持t c p i p 协议将占用大量系统资源，或根本不可能。考虑到这类系统功能较为单一，数据量较小， 可以根据实际要求尽量简化，即提供最低要求的t c p i p 堆栈和最精简的t c p i p 协议。 如实现简化的w e bs e r v e r ；简化i c m p 协议；使用u d p 协议而不是t c p 协议等。精简 后的t c m p 协议虽然功能受到了一定的限制，但对于这种低端嵌入式系统的要求而言， 如传送少量数据或是信号，还是完全可以胜任的。而且，这种方式的实现成本很低，在 很多些场合下，也不失为一种可行的低端嵌入式以太网解决方案。 ( 5 ) m c u + e m i t 协议+ e m g a t e w a y 协议 采用e mw a r e 公司开发的嵌入式微i n t e m e t 网络技术e m i t ( e m b e d d e dm i c m l m e m e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) ，在应用系统的m c u 内部使用e m n e t 协议，再通过e m g a t e w a y 网 关与i n t e m e t 进行连接。e m g a t e w a y 网络软件接口可以安装在计算机、t v 机顶盒或专 用的家用电器服务器中，它支持t c p i p 协议并运行h t t p 服务程序，作为用户可以通 过网络浏览器浏览访问远程服务器。e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a n 红外及射频等 4 东北大学硕士学位论文第一章引言 通信方式与多个嵌入式设备相连。每个嵌入式设备的应用程序包含一个独立的通信任 务，称为e m m i c r o ，监测嵌入式设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到e m g a t e w a y 中，同时e m m i c r o 还可以解释e m g a t e w a y 的命令，修改设备中的变量，或进行某种控 制。为了完成网络连接，e m w a r e 公司开发了大量软件来建立访问和监控m c u 应用系 统的接口，这些接口可以在不同的设备中。 这种方案具有一定的性能价格比优势。但应用系统设计工程师必须熟悉e m n e t 协议 和相关的接口，原来客户应用系统的m c u 也不一定符合要求，并且软硬件设计的工作 量仍然较大。同时，应用系统的单片机处理e m n e t 协议要占用一定的系统资源。 ( 6 ) 方案选择 以上5 种嵌入式i n t e m e t 实现方案分别适用于不同的产品和不同的应用环境。对于 工业应用中的远程数据采集和远程监测系统，数据传输量一般很大，远程数据传输时协 议的封装和分解也需要占用较大的存储资源，但过程控制本身并不太复杂，使用性能较 高、功能齐全的8 位单片机完全可以满足应用需求。因此，本文选用方案2 进行系统的 设计。通过m o x a n - p o r t d e 一3 1 1 ( 串口转以太网，m o x a 称为“串口服务器”) 将 r s 2 3 2 转换为1 0 0 m 以太，通过球网络传输到控制中心的计算机。采用这种设计方案进 行系统设计，既简洁，又经济。 1 3 监控系统的发展历程 工业现场的监控管理系统的发展进程大致分为以下三个阶段： 第一代监控系统是为不同的且相互独立的设备和分别配备各自的监控装置。然而随 着设备的分布越来越复杂，单一的各自独立的监控装置造成现场的维护管理效率低下， 往往由于同一原因产生的告警事件而引起的响应，但叉无从分析诸多告警现象的内在关 系，难以尽快地排除故障和恢复业务。正是在这种情况下，基于计算机网络的分布式监 控系统应运而生。 第二代监控系统是将各类设备和监控管理物理地综合为一个集中监控管理系统，利 用一套显示装置对全网进行集中监控。由于目前大多数分布式检测系统只是在局域网 上，由于各个系统的逻辑功能仍旧是相互分离的，难以具备较强的故障管理和系统维护 功能。i n t e m e t 的出现为这类问题的解决提供了机会。 第三代监控系统是基于i n t e m e t 的远程监控，它将工业现场的一切监控和管理的功 能综合于一个公共的智能平台上，全方位地检测整个网络的运行状态。能够提供具有高 5 东北大学硕士学位论文 第一章引言 级自动化水平的告警分析和故障定位功能，支持维护控制行动的决策，预测网络异常情 况对业务性能的冲击并做出相应的应急对策，具有充分支持新技术、新业务、新标准的 扩展和升级能力。 目前，我国基于网络的远程监控、维护、管理的总体水平还比较低，基本处于正在 逐步实现第三代远程监控系统的初级阶段。 1 4 远程监控研究的意义 以往工业现场的脏控系统每台设备都伴以测试仪器及仪表，不仅传统的仪器、仪表 系统布线复杂，而且需要大量的人力、物力来记录、维护、维修，当设备出现预料不到 的故障和告警事件都不能及时地反应给现场管理人员，致使损失的进一步扩大。 随着计算机网络以及智能仪表技术的发展，使得远距离地进行监测和控制成为可 能。远程监控技术是故障监测与诊断技术和计算机通信技术相结合的高级诊断技术。提 供故障诊断服务的远程客户端和服务器端通过计算机通信网络连接起来。当现场设备出 现故障时，系统可以通过计算机通信网络将现场设备状态信息传输到远程诊断专家中 心，由专家对设备故障进行诊断。 当需要增加现场控制设备的数量时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆 上，这既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。由于监控系统的结构简化，设备 的连线减少，现场仪表的内部功能加强，减少了信号的往返传输，因此提高了系统的工 作可靠性。因而从经济和实用上来讲其效益都是很可观的。 1 5 国内外远程监控研究现状 近1 0 年来，美英等国在远程监控方面已经做了许多工作，比如斯坦福大学和麻省 理工学院合作开发了基于i n t e m e t 的下一代远程诊断系统( i n t e m e t - b a s e dn e x tg e n e r a t i o n r e m o t e d i a g n o s i s ) ，美国的d m 2 0 0 0 系统和p d s 系统都是网络系统，能对多台设备同时 进行监测和智能诊断多种典型故障，并具有远程通信的能力，能与企业的管理和控制系 统联网通信，使企业不同部门都能同时获得设备运行状态信息，也能对不同地区不同企 业的设备进行监测和诊断等。国内上海交大、西安交大、华中科技大学、武汉理工大学、 同济大学和哈工大也开展了对于工业领域的远程诊断研究。如：西安交通大学的张金玉 等研究大型回转机械智能综合诊断中心的建立；武汉理工大学的黎洪生等提出基于b s 的远程故障诊断专家系统的研究；由上我们可以预见随着i n t e m e t 的迅猛发展，远程监 6 东北大学硕士学位论文 第一章引言 级自动化水平的告警分析和故障定位功能，支持维护控制行动的决策，预测网络异常情 况对业务性能的冲击并做出相应的应急对策，具有充分支持新技术、新业务、新标准的 扩展和升级能力。 目前，我国基于网络的远程监控、维护、管理的总体水平还比较低，基本处丁正在 逐步实现第三代远程监控系统的初级阶段。 1 4 远程监控研究的意义 以往工业现场的监控系统每台设备都伴以测试仪器及仪表，不仅传统的仪器、仪表 系统粕线复杂，而且需要大量的人力、物力来记录、维护、维修，当设备出现预料不到 的故障和告警事件都不能及时地反应给现场管理人员，致使损失的进一步扩大。 随着计算机网络以及智能仪表技术的发展，使得远距离地进行监测和控制成为可 能。远程监控技术是故障监测与诊断技术和计算机通信技术相结合的高级诊断技术。提 供故障诊断服务的远程客户端和服务器端通过计算机通信网络连接起来。当现场设备出 现故障时，系统可以通过计算机通信网络将现场设备状态信息传输到远程诊断专家中 心，由专家对设备故障进行诊断。 当需要增加现场控制设各的数量时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆 上，这既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。由于监控系统的结构简化，设备 的连线减少，现场仪表的内部功能加强，减少了信号的往返传输，因此提高了系统的工 作可靠性。因而从经济和实用上来讲其效益都是很可观的。 1 5 国内外远程监控研究现状 近l o 年来，美英等国在远程监控方面已经做了许多工作，比如斯坦福大学和麻省 理工学院合作开发了基于i n t e m e l 的下一代远程诊断系统( i m e m e t - b a s e dn e x tg e n e r a t i o n r e m o t ed i a g n o s i s ) ，美国的d m 2 0 0 0 系统和p d s 系统都是网络系统，能对多台设备同时 进行监测和智能诊断多种典型故障，并具有远程通信的能力，能与企业的管理和控制系 统联网通信，使企业不同部门都能同时获得设备运行状态信息，也能对不同地区不同企 业的设备进行监测和诊断等。国内上海交大、西安交大、华中科技大学、武汉理工大学、 同济大学和哈工大也开展了对于工业领域的远程诊断研究。如；西安交通大学的张余玉 等研究大型回转机械智能综合诊断中心的建立；武汉理工大学的黎洪生等提出基于b s 的远程故障诊断专家系统的研究；由上我们可以预见随着i n t e m e t 的迅猛发展，远程监 的远程故障诊断专家系统的研究；由上我们可以预见随着i n l e m e t 的迅猛发展，远程监 6 东北大学硕士学位论文 第一章引言 级自动化水平的告警分析和故障定位功能，支持维护控制行动的决策，预测网络异常情 况对业务性能的冲击并做出相应的应急对策，具有充分支持新技术、新业务、新标准的 扩展和升级能力。 目前，我国基于网络的远程监控、维护、管理的总体水平还比较低，基本处于正在 逐步实现第三代远程监控系统的初级阶段。 1 4 远程监控研究的意义 以往工业现场的脏控系统每台设备都伴以测试仪器及仪表，不仅传统的仪器、仪表 系统布线复杂，而且需要大量的人力、物力来记录、维护、维修，当设备出现预料不到 的故障和告警事件都不能及时地反应给现场管理人员，致使损失的进一步扩大。 随着计算机网络以及智能仪表技术的发展，使得远距离地进行监测和控制成为可 能。远程监控技术是故障监测与诊断技术和计算机通信技术相结合的高级诊断技术。提 供故障诊断服务的远程客户端和服务器端通过计算机通信网络连接起来。当现场设备出 现故障时，系统可以通过计算机通信网络将现场设备状态信息传输到远程诊断专家中 心，由专家对设备故障进行诊断。 当需要增加现场控制设备的数量时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆 上，这既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。由于监控系统的结构简化，设备 的连线减少，现场仪表的内部功能加强，减少了信号的往返传输，因此提高了系统的工 作可靠性。因而从经济和实用上来讲其效益都是很可观的。 1 5 国内外远程监控研究现状 近1 0 年来，美英等国在远程监控方面已经做了许多工作，比如斯坦福大学和麻省 理工学院合作开发了基于i n t e m e t 的下一代远程诊断系统( i n t e m e t - b a s e dn e x tg e n e r a t i o n r e m o t e d i a g n o s i s ) ，美国的d m 2 0 0 0 系统和p d s 系统都是网络系统，能对多台设备同时 进行监测和智能诊断多种典型故障，并具有远程通信的能力，能与企业的管理和控制系 统联网通信，使企业不同部门都能同时获得设备运行状态信息，也能对不同地区不同企 业的设备进行监测和诊断等。国内上海交大、西安交大、华中科技大学、武汉理工大学、 同济大学和哈工大也开展了对于工业领域的远程诊断研究。如：西安交通大学的张金玉 等研究大型回转机械智能综合诊断中心的建立；武汉理工大学的黎洪生等提出基于b s 的远程故障诊断专家系统的研究；由上我们可以预见随着i n t e m e t 的迅猛发展，远程监 6 东北大学硕士学位论文 第一章引言 控的前景是十分光明的。当然，基于i n t e m e t 的远程协作诊断尤其是理论和技术上的复 杂性，还需要做不断深入的研究。 1 6 研究远程监控系统的目的 远程监控系统是监控领域新兴的研究方向，本文从时代需求和实际应用两方面考 虑，以现代机房系统为研究对象，进行远程监控的研究与开发。实现通过运行在客户端 的浏览器发送请求给服务器端，使得服务器能够接受请求并将实时运行状态反馈给客户 端，并在得到实时运行状态信息的基础上，扩展服务器端和客户端软件的功能，使得客 户端能够发送控制指令给服务器端，然后通过服务器端软件对状态进行实时监控。机房 系统远程监控的目的是： ( 1 ) 增强机房系统运行的可靠性。 ( 2 ) 实现机房系统的集中监控、减少监控人员的数量，提高经济效益。 ( 3 1 进一步提高远程监控的理论研究和具体实践，为深入研究做基础。 ( 4 ) 能够提供具有高级自动化水平的告警分析和故障定位功能，支持维护控制行动的 决策，预测网络异常情况对业务性能的冲击并做出相应的应急对策，充分提高支持新技 术、新业务、新标准的扩展和升级的能力。 1 7 本文的主要工作 ( 1 ) 查阅相关文献，了解监测系统的现状和今后的发展方向，学习监测系统的组成结 构和基本原理，为建立远程机房监测系统提供理论基础。 ( 2 ) 与宝钢有关技术人员进行讨论，构架符合系统要求的硬件和软件结构。 f 3 ) 依据项目实际需求并结合计算机理论，对项目进行了总体设计。 ( 4 ) 详细研究项目目标及技术指标，并在此基础上完成监控装置的设计。 f 5 ) 根据项目实际需要和数据库理论，设计数据库所需的数据库表结构。 ( 6 ) 设计完善合理的管理系统，便于用户授权管理与安全登陆应用系统，确保系统对 远程机房的智能监控。 7 东北大学硕士学位论文第二章总体设计 第二章总体设计 弟一早芯怜驭丌 2 1 系统总体设计要求 本系统应用于机房的环境动力和设备工作状况的监测和控制，整个监控系统包括监 控中心，监控主站和现场监控终端。终端系统实现机房的环境动力数据采集、分析、传 输到监控主站。监控主站基于微型计算机软件平台对终端系统传来的数据进行处理、存 储，并提供给用户方便友好的操作界面。监控中心是浏览器方式上作的软件平台，实现 数据的远程存储，和对监控主站的管理，以及对外网的融合接口。系统设计时要求达到 以下目标。 ( 1 ) 对环境参数采集接口采用通用可配赶接口，通过软件配置可以实现不同的参数 采集，用以降低整个系统的成本，系统升级时，对于需求的更改可以尽量不改动软件结 构和重新写代码。 ( 2 ) 对于数据整合采用模块化设计，当需要增添、删除模块的时候，不会变动其他 模块，各个模块与嵌入式数据处理及网络传输模块采用r s 2 3 2 总线通讯，各参数采集模 块处于被动查询模式。 ( 3 ) 硬件设计中，嵌入式系统和各个参数采集模块之间用光藕进行电器隔离，以防 止外界干扰和外部设备故障而导致系统损坏。 ( 4 ) 当环境参数超出设定的范围时，能够及时向监控中心报警。 ( 5 ) 系统自我诊断功能，当传感器异常( 开路、短路) ，及时向监控中心报警。监控中 心也需要定时查询各个中断，当发现终端没有反应的时候，应及时报警，并提供详细的 警情信息。 ( 6 ) 硬件系统各级都必须设计看门狗，当系统出现故障的时候，能够自动重新启动。 ( 7 ) 软件系统对各监控节点采用数据库管理，可自行增加、删除、查询、更改监控 终端配置。 ( 8 ) 软件平台提供系统控制和系统状态指示界面，当采集到终端传来的数据时，能 够直观形象地反映在信息窗口中：用户通过控制菜单上的按钮条可以实时掌握远程设备 的运行状态。 ( 9 ) 软件数据分析功能，对环境参数的数据存储，并将数据映射到图形曲线表中， 以便监控中心分析，统计历史数据，预测未来趋势，抉择参考等。 9 东北大学硕士学位论文 第二章总体设计 2 2 系统设计原则 公司主干网的4 0 个主节点机房中，绝大部分为无人值守且在厂区内分布较散。为 了有效掌握各网络机房的状态参数，需要建立网络主节点机房温度、湿度及电源状态监 测系统，建立的监测系统必须具备以下功能： ( 1 ) 对5 个计算机房进行温度、湿度、交流电源输入电压、u p s 输出电压、蓄电池 总电压进行检测。 模拟量信号输入：分别以不同周期对不同类型的模拟量进行循环采集。 采集模拟量精度要求： 湿度精度要求达到：准确度 3 i 出，湿滞回差 2 r h ，响应时间 1 5 s ，稳 定性 1 r h ，年，工作温度 1 8 0 c 。 温度精度要求： 温度精度要求达到：精确度0 。5 ，响应时间 i s ，温度范围：4 5 1 5 5 。c 电压测量主要技术指标如下： 电压范围：1 5 0 v 2 4 5 va c 或3 0 0 v 4 3 0 va c u p s 输出电压1 5 0 v 2 4 5 va c 、或3 0 0 v 4 3 0 va c 电池电压测量要求达到： 采用变送器及扩展单元对u p s 的总电池电压进行监测。 ( 2 ) 本地通信支持e t h e r n e t 网，速率1 0 1 0 0 m b p s ，采用星形结构，通讯介质为 同轴电缆或双绞线，通信协议采用t c p i p 协议。 ( 3 ) 检测数据通过公司主干网传送到监控中心，按照指定的周期定时进行记录，记 录数据存入历史数据库中，记录周期为5 s 、1 0 s 、2 0 s 、3 0 s 、6 0 s 、1 2 0 s 。历史数据库 保持最近一年的数据，过期的数据由人工定时备份，以备将来查看。如果人工不备份的 话，系统会自动的删除超过一年的数据。 “) 监控中心完成记录、显示、报警、报表等功能。监控中心软件实现数据采集模 块、数据库管理、数据存储、自动报警、用户管理、显示功能、报表功能。 ( 5 ) 从现场检测点发生报警情况到监控中心发出报警时间延迟时间小于等于模拟量 采集周期加2 秒。 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章总体设计 2 3 系统构成 ( 1 ) 系统总体结构 监测系统将工作于公司主干网平台上，充分利用已有的网络资源，以t c p i p 作为 主要的通信协议，监控系统拓扑结构如图2 1 所示： 图2 1系统总体结构图 f i g 2 1 t h es m m t t t r ec h a r t f o r a l ls y s t e m ( 2 ) 系统数据流程 系统所要采集的温度信号、湿度信号为温、湿度传感器的4 2 0 m a 信号，其余为2 2 0 v 系统电源电压信号，u p s 交流电压输出信号和u p s 电池电压信号，所有要采集的信号经 过信号交换后，形成0 - 5 v 电压信号，经l c _ a d 转换变成数字信号，经过单片机数据滤波 处理形成具体数字，通过r s - 2 3 2 i 变成串行数据，经过m o x a 网络转换变成网络信号， 以以太网为网络传输介质、传送到监控计算机中。 2 4 节点机房监测装置方案 节点机房监测装置的功能是把信号变送单元采集到的温度、湿度、电源电压和频率、 u p s 的电压和频率等信号变换处理成能通过网络与计算机进行通讯的数据，最终把监测 数据传送到远程监控计算机上。 网络智能监控装置及信号变送单元原理结构如图2 _ 2 所示： 1 1 东北大学硕士学位论文 第二章总体设计 温度 湿度 u p s 输入电压 u p s 输出电压 电池电压 信 号 以太网 智能检测装置 变 换 图2 2 传送结构原理图 f i g 2 2 t h es t r u c t u r ec h a r tf o rt r a n s m i s s i o n 节点机房监测装置实现的技术功能有： ( 1 ) 信号检测有温度、湿度、电源输入电压和频率、u p s 输出电压和频率、电池电 压等数据。 ( 2 ) r j 4 5 以太网接口。 ( 3 ) 2 2 0 v 交流供电。 ( 4 ) 提供w i n d o w s 驱动程序 ( 5 ) 支持e t h e m e t 和t c p i p 协议 2 5 集中监控管理软件方案 监控计算机设置在网络管制中心。整个系统的管理任务集中在监控计算机上，系统 功能包括：数据采集、数据库管理、数据存储、自动报警、用户管理、显示功能以及报 表输出。 结构如图2 3 所示： 图2 3 系统功能结构图 f i g 2 3 t h ef u n c t i o no f t h e r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ( 1 ) 数据采集模块 1 2 东北大学硕士学位论文第二章总体设计 负责与监测装置通信，采集现场数据。一般情况下对各机房以固定周期进行查询检 测。由现场监测装置负责数据采集和输出，模拟量信号输入。对模拟量输入信号进行预 处理，包括：正确性判断、数字滤波、线性校正、非线性校正。 ( 2 ) 数据库管理 由监控主机以数据库的形式集中组织、存贮和管理所有测点数据和事件信息，提供 并行的查询、修改、追加和维护等功能。 ( 3 ) 数据存储 监控主机对指定的模拟量进行测点，按照指定的周期定时作记录，记录数据存入历 史数据库中。历史数据库中总是保持最近一年的数据，过期的数据由人工定时备份，以 备将来查看。 ( 4 ) 自动报警 监控主机在每次接收到现场来的数据时，将自动进行模拟量越限检测。当发生越限 时，生成报警信息，同时存入历史事件库和故障事件库。当发生监控节点通信中断时， 生成报警信息。工作站根据报警信息的内容和报警级别，弹出报警窗口、显示报警信息、 发出报警声响等。实现向维护人员个人报警的报警方式为网络管制中心现场声光报警。 ( 5 ) 数据预测： 根据以有的数据，进行科学的预测，预测到下一个时间的数据量，预测到系统可能 存在的故障，并及时地进行相应的报警，以采取有效的措施，减少、避免可能的损失， 本模块的处理方法和终端监测电是相同的。 ( 6 ) 显示功能 参