（计算机应用技术专业论文）基于网络的远程控制系统的研究与实现.pdf

河北t 业大学硕j 一学位论文 基于网络的远程控制系统 的研究与实现 摘要 随着计算机网络技术的不断发展，其应用领域已经涵盖了社会生活的各个领域。除了 目前将网络技术广泛用于信息共享之外，还可以通过计算机网络来传输控制数据，实现基 于网络的远程控制，从而大大扩展人类的控制范围。本论文即采用计算机网络技术来传输 控制数据，使远程操作者通过通用的网页浏览器就可以实现对数控设备的远程控制。 本论文通过对远程控制和基于网络的远程控制技术的研究和分析，确定了系统的远程 控制方案采用监督控制方案，系统体系结构采用基于b s 的c s 模式，并根据面向对象思 想，用u m l 、j a v a 语言进行系统的分析、设计和实现。由于j a v a 不具备硬件访问能力， 所以采用j n i 接口来连接j a v a 与c 程序，以达到访问硬件的目的。 系统以w e b 应用程序的形式实现，用t o m c a t 作为w e bs e r v e r 提供网页供用户访问。 远程监控程序以a p p l e t 的形式嵌入在网页中，通过b s 模式发布到远程客户端，一方面 作为用户操作界面，另一方面作为数据传输c l i e n t 端程序与运行在服务器端的数据传输 s e r v e r 端程序以c s 模式实现控制数据的远程传输，从而实现远程控制的功能。对于系统 的实时性要求，首先通过选用监督控制方案来将远程控制者置于控制闭环之外，以保证由 于网络时延造成的响应速度较慢不会影响被控设备的正常运行：同时基于传输层实现控制 数据的传输并设计了专用的控制数据传输协议，以提供较好的数据传输速度，为系统提供 尽可能好的实时性。对于系统的安全性要求，分别采用了声明安全和编程安全的技术手段 为系统提供了基本的安全保证。 关键词：远程控制，基于b s 的c s 模式，面向对象技术，套接字 基于网络的远程控制系统的研究与实现 t h er e s e a r c ha n d l m p l e m e n t a t i o no fn e t w o r k b a s e d t e l e c o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t t h et e c h n o l o g i e so fc o m p u t e rn e t w o r ke v o l v ec o n t i n u a l l y , a n da r ea p p l i e di nv a r i o u sf i e l d s o fm o d e ms o c i e t y b e s i d e si t su s ei ni n f o r m a t i o ns h a r i n g c o m p u t e rn e t w o r kc a nb eu s e dt o t r a n s m i tc o n t r o l l i n gd a t ai uo r d e rt oi m p l e m e n tn e t w o r k - b a s e dt e l e c o n t r o l l i n g t h e nm a i lc a n c o n t r 0 1d e v i c ef r o mm o r ed i s t a n ta r e a t h es y s t e mi m p l e m e n t a t i o ni nt h i sw a yi sd i s c u s s e di nt h i s p a p e r , w h i c he n a b l er e m o t eo p e r a t e rt ot e l e c o n t r o lt h en u m e r i c a lc o n t r o ld e v i c eo n l yt h r o u g h t m i v e r s a b r o w s e r t h et e c h n o l o g i e sa b o u tt e l e c o n t r o la n dn e t w o r k b a s e dt e l e c o n t r o la r e p r e s e n t e da n d a n a l y s e di nt h ep a p e r s u p e r v i s o r yc o n t r o lm e t h o da n db sb a s e dc sm o d e la r ee h o o s e da st h e c o n t r 0 1m o d ea n da r c h i t e c t u r eo ft h es y s t e mt ob ei m p l e m e n t e d 0 b i e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g i e s ， s u c ha su m la n dj a v aa r eu s e dt oa n a l y s e d e s i g na n di m p l e m e n tt h es y s t e m b e c a u s eo ft h e i n c a p a c i t yo f j a v ai nh a r d w a r ea c c e s s i n g ，ii su s e dt ob et h ei n t e r f a c eb e t w e e nj a v aa n dc c o d et oa c c e s st h eh a r d w a r e t h es y s t e mi si m p l e m e n t e da saw e ba p p l i c a t i o n a n dt o m c a ti su s e da sw e bs e r v e rt o p r o v i d et h ew e bp a g ef o rr e m o t ea c c e s s i n g n et e l e c o n t r o lc l i e n tp r o g r a mw h i c hi sa c t u a l l ya l l a p p l e ta n de m b e d e di nw e bp a g e i sd i s t r i b u t e dt oc l i e n tc o m p u t e rt h r o n g hb sm o d e l 1 1 1 i s a p p l e t ，o no n eh a n d ，i su s e ri n t e r f a c eo ft h es y s t e m ，a n do nt h eo t h e rh a n d ，r u n sa st h ec l i e n t p r o g r a mo fd a t at r a n s m i t t i n gt oc o m m u n i c a t ew i t ht h es e r v e rp r o g r a mo fd a t at r a n s m i t t i n g r u n n i n go nt h es e r v e rs i d et h r o u g hc sm o d e lt ot r a n s m i tt h ec o n t r o l l i n gd a t aa n de n a b l eu s e rt o t e l e e o n t r o lt h ed e v i c e i na d d i t i o n ，p r o p e rm e a s u r e sa r ea d o p t e dt og u a r a n t e et h er e a lt i m e p r o p e r t ya n ds a f e t yo f t h es y s t e m k e y w o r d s ：t e l e c o n t r o l ，b s b a s e dc sm o d e l ，o b j e c t e o r i e n t e dt e c h n o l o g y , s o c k e t 河北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 - 1 引言 计算机网络是计算机技术与通信技术发展的结晶，自1 9 4 6 年第一台计算机问世以来，计算机经历 了从单机到远程访问系统再到网络的发展过程。目前，计算机网络技术发展非常迅速，在工业、农业、 交通运输、邮电通信、文化教育、商业、国防以及科学研究等各个领域各个行业都得到了越来越广泛的 应用。 远程控制提供了一种更高级的控制方式，大大扩展了人类可控制的范围。随着通信技术的不断发展， 各种类型的远程控制系统被用来不断地扩大人类的控制距离。互联网使人类的通信范围几乎覆盖了整个 世界，而快速发展的网络程序开发技术更为实现基于网络的远程控制系统提供了可靠的技术支持。 基于计算机网络的远程控制技术体现了控制系统向网络化、分布化、集成化发展的趋势。本论文把 计算机网络技术应用于控制领域，以适应信息网络时代对自动化控制提出的新的要求，所研究的内容不 是对计算机网络或计算机本身的远程控制，而是研究通过计算机网络对远端的设备进行远程控制。 1 - 2 - 1 应用背景 1 _ 2 选题背景 计算机网络技术的发展日新月异。人们以往主要是把网络作为信息共享的工具，例如通过i n t e m e t 可以很方便地获取到全世界范围的文本、音频、视频等各种信息。但是，这些应用都只是普通信息的传 输，而更进一步通过网络来传输控制数据以实现对远端设备的远程控制已经成为近几年来颇受瞩目的研 究重点。 采用远程控制主要是因为方便、效率和安全这三个方面的因素：方便如对车库门的远程控制可以实 现坐在车上就能够打开和关闭车库门；效率如在一个远程控制站集中控制多个分处在不同位置的设备： 安全如对在一些危险场合( 比如有毒气或辐射的地方) 或者海底、太空等人类暂时还无法涉足的地方所 运行的设备的远程控制，这也是远程控制技术不断发展的一个主要促进因素。 通过网络实现远程控制是将网络技术与远程控制技术相结合出现的一个新的应用领域，这一结合有 如下几个原因。 首先，传统的远程控制系统需要建立特殊的操作站，建设专用的数据传输线路，硬件设备也非常昂 贵，导致其应用范围受到很大的限制。而现有的网络设施提供了价格低廉的数据传输通道，作为远程控 制的系统构架，可以大大降低系统构建成本。并且基于现有网络所采用的标准通信协议实现远程控制系 统的数据传输，使开发出的软件系统能够具有良好的可移植性。 其次，计算机网络为人们提供了更多的远程交流的机会。人们已经习惯于通过i m e m e t 交换各种信 息，包括文本信息、图片信息或者声音信息，甚至可以通过控制连接到i n t e m e t 上的摄像机的旋转来获 取不同角度的视频信息。但是，这些远程行为与真实的的人类接触相比还具有很大的局限性。只有通过 与本地控制系统的连接，实现对远程现实的控制功能，才能真正实现人类行为跨越物理空间的限制。 最后，也是晟为重要的一点是基于网络的远程控制系统在i n t e m e t 的支持下，可以被连接到i n t e m e t 河北工业太学硕士学位论文 第一章绪论 卜1 引言 计算机网络是计算机技术与通信技术发展的结晶，自1 9 始年第一台计算机闰世以来。计算机经历 了从单机到远程访问系统再到网络的发展过程。目前，计算机网络技术发展非常迅速，在工业、农业、 交通运输、邮电通信、文化教育、商业、国防以及科学研究等各个领域各个行业都得到了越来越广泛的 应用。 远程控制提供了种更高级的控制方式，大大扩展了人类可控制的范固。随着通信技术的不断发展， 各种类型的远程控制系统被用来不断地扩大人类的控制距离。互联网使人类的通信范围几乎覆盖了整个 世界，而快速发展的网络程序开发技术更为实现基于网络的远程控制系统提供了可靠的技术支持。 基于计算机网络的远程控制技术体现了控制系统向网络化、分布化、集成化发展的趋势。本论文把 计算机网络技术应h 于于控制领域，以适应信息嬲络时代对自动化控制提出的新的要求，所研究的内容不 是对计算机网络或计算机本身的远程控制，而是研究通过计算机网络对远端的设备进行远程控制。 i - 2 - i 应用背景 卜2 选题背景 计算机网络技术的发展日新月异。人们以往主要是把网络作为信息共享的工具，例如通过i n t e r a c t 可以很方便地获取到全世界范围的文本、音频、视频等各种信息。但是，这些应用都只是普通信息的传 输，而更进步通过网络来传输控制数据以实现对远端设备的远程控制已经成为近几年来颇受瞩目的研 究重点。 采用远程控制主要是因为方便，效率和安全这三个方面的因素：方便如对车库门的远程控制可以实 现坐在车上就能够打开和关闭车库门：效率如在一个远程控制站集中控制多个分处在不同位置的设备； 安全如对在一些危险场合( 比如有毒气或辐射的地方) 或者海底、太空等人类暂时还无 土涉足的地方所 运行的设备的远程控制，这也是远程控制技术不断发展的一个土要促进因素。 通过喇络实现远程控制是将网络技术与远程控制技术相结合出现的一个新的应用领域，这一结合有 如下几个原因。 首先，传统的远程控制系统需要建立特殊的操作站，建设专用的数据传输线路，硬件设各也非常昂 贵，导致其应用范围受到根大的限制。而现有的网络设施提供了价格低廉的数据传输通道，作为远程控 制的系统构架，可队大大降低系统构建成本。并且基于现有网络所采用的标准通信协议实现远裂控制系 统的数据传输，使开发出的软件系统能够具有良好的可移植性。 其次，计算机网络为人们提供了更多的远程变流的机会。人们已经习惯于通过i n t e m e l 交换各种信 息，包括文本信息、图片信息或者声音信息，甚至可以通过控制连接到 n t e r n e t 上的摄像机的旋转来获 取不同角度的视频信息。但是。这些远程行为与真实的的人类接触相比诬具有很大的局限性。只有通过 与本地控制系统的连接，实现对远程现实的控制功能，才能真正实现人类行为跨越物理空间的限制。 最后，也是最为重要的一点是基于网络的远程控制系统在i n t e r a c t 的支持下，可毗被连接到 n t e r n e t 最后，也是最为重要的一点是基于网络的远程控制系统在i n t e r a c t 的支持下，可队被连接到 n t e r n e t 基于网络的远程控制系统的研究与实现 上位于任何地点的任何人所访问，为远程控制开辟了新的应用领域，如通过网络共享机器人或其它昂贵 的实验仪器，实现远程教育培训以节省费剧或者实现远程制造、远程医疗等。 卜2 2 学术背景 现代通信技术的发展使得控制系统不再受地域的限制，而计算机网络技术的发展则推动着控制技术 向网络化的方向发展。当前l m e m e t 网络已经遍布全球，具有信息传递快捷、交互性强、不受地域限制 等特点，使得控制系统的组成和扩展更加灵活、功能日益强大、性能不断提高。基于网络的的远程控制 系统可以跨地域、全球化，对远端的设备运行过程和各种参数进行控制，而不用花费巨资建立专用的通 信网络。 由于p c 机性能的不断提高，越来越多的控制系统选择通用p c 机作为其运行平台，利用计算机的 通信能力可以组成各种控制网络。一般的控制网络都是在控制现场，而借助计算机网络则可以有效地延 伸控制网络，从而实现更大范围的远程控制。 随着采用纯i p v 6 技术的第二代中国教育和科研计算机网c e r n e t 2 试验网宣布开通并开始提供服 务，作为中国下一代互联网示范工程c n g i 中最大的核心网和唯一学术网，它将提供以2 5 g b p s 一1 0 g b p s 的传输速率连接北京、上海、广州等2 0 个主要城市的c e r n e t 2 核心节点，实现全国2 0 0 余所高校下 一代互联网i p v 6 的高速接入，同时为全国其他科研院所和研发机构提供这一高速接入服务。目前在北 京和天津之间已经实现了4 g b p s 的传输速率，这是世界上第一次如此高速的真实流量速率。下一代互 联网将会带来更高的网络传输速度，为基于网络的远程控制这一课题带来更好的发展前景。 卜3 _ 1 国内外研究现状 目前，国内外已有很多对基于网络的远程控制的研究，被控对象主要包括机器人系统、实验仪器和 其它数控系统等。 国外在基于网络的远程控制机器人方面的研究相对其它领域较多一些。例如美国加州大学伯克利分 校的可以播种和浇水的远程花园t e l e g a r d e n ，它实际是一个可以通过i n t e m e t 进行远程控制的机器人 手臂，用户可以在网页上输入控制命令来远程控制机器人手臂进行种花、浇水等操作，同时可以通过反 馈回来的摄像机拍摄的实时图像来了解植物的生长情况。西澳大利亚大学的远程机器人t e l e r o b o t 2 1 可以 用来搬运和搭建积木，用户通过在浏览器上输入命令或者在机器人工作区图像上直接点击，向机器人发 送控制指令，服务器端接收用户的指令并与机器人控制服务器和图像服务器通信，控制机器人的移动并 返回移动后的当前位置的图像信息。此外也有对实验仪器的远程控制，如美国加州大学劳伦斯伯克利实 验室的s p e c t r o m i c r o s c o p yc o l l a b o r a t o r y l 3 1 就是通过网络实现对一种昂贵的实验仪器a l s ( a d v a n c e d l i g h ts o l l l c e ) 的远程协作式使用的虚拟实验室，这样科学家们不必专程到实验室去实际操作就可以使 用该仪器。最广为人知的远程控制系统应该是一些国家正在研制的火星探测器，美国n a s a ( n a t i o n a l a e m n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n 美国国家航空航天局) 的火星极地登陆者m a r sp o l a rl a n d e r 是一个 典型的基于i n t e m e t 的远程自主式移动机器人”1 。 国内各高校和科研机构也在纷纷开展基于网络的远程控制方面的研究。机器人远程控制方面有同济 大学对基于w e b 的移动机器人远程控制的研究pj ，应用j a v a 技术实现了以w m r 一1 型移动机器人为控 2 河北工业大学硕士学位论文 制对象的自主移动机器人远程控制系统；哈尔滨工业大学研制的基于i n t e m e t 的远程控制机器人 t e l e r o b o t t 6 1 允许任何连八i n t e m e t 的使用者通过w e b 浏览器对一台p u m a 5 6 2 机器人进行控制，完成抓 取、搬运与堆放操作；其它方面还有浙江大学对远程网络实验系统1 的研究，实现了通过i n t e r n e t 进行 计算机控制技术课的远程实验教学；东南大学”1 和南京航空航天大学1 9 1 等高校也在开展对数控系 统的远程控制的研究。 另外还有一些关于基于网络的远程控制实现中其它关键问题的研究，如针对i n t e m e t 的变延时和阻 塞特性而设计的信道调节器【1 w ，参考发送端自适应调整接收端驱动的流控方案，有效地提高了基于 i n t e m e t 的远程控制系统的实时性；以及针对i n t e m e t r 随机时延设计了使用s t r e a m i n gb u f f e r 的i n t e r n e t 远程机器人控制系统1 1 “，把不规则的时间延迟转化为常数，较好地解决了时间延迟对系统的精确控制 的影响。此外还有对远程控制系统控制算法【j “的研究，证明通过采用专门设计的动态补偿器和恰当的 时延预测算法后，能够保证远程控制系统的稳定性，得到较好的控制品质；以及在此基础上选择u d p 协议来实现系统软件，仿真研究表明可以获得较好的动态性能和鲁棒性。 已有的这些研究通过对不同方面的研究，期望能使基于网络的远程控制技术更加完善。 ( 1 ) j a v a 技术的应用j a v a 在客户端的应用已得到广泛的肯定，而服务器端的j a v a 程序开发技术 能够提供更加灵活、快捷的服务，s e r v l e t 、s o c k e t 和r v i i ( r e m o t em e t h o di n v o c a t i o n 远程方法调用) 都将 取代传统的服务器端开发技术( 如c g i 等) 以提供更加有效的客户服务器通信的方法。 ( 2 ) 分布式应用分布式应用分为两个方向，一个是多用户间的分布式协作，另一个是分布在网 络之上的多个被控对象的建立。也就是多用户单受控端系统和单多用户多受控端系统的研究。文献 1 4 对两种情况下的同步和协调策略分别进行了研究。 ( 3 ) 虚拟现实技术在远程再现中的应用虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术就是让用户在人工合成的环 境里获得“进入角色”的体验，为用户提供了对客观世界的更逼真的感受。这也是远程呈现( t e l e p r e s e n c e ) 的前沿问题。n a s a 的火星计划就实现了对远程登陆点的三维重建，并且证明通过对远程登陆点的三维 再现所提供的友好界面是二维图像无法比拟的，它增强了用户对远程控制的真实感受。 ( 4 ) 远程操作理论在基于网络基础上的扩展与改进这包括传统的在固定时延和系统稳定的条件 下远程操作的各种控制方法在网络环境下的应用，如文献 1 0 、 1 1 和 1 2 】通过对延迟的补偿、设计专用 算法等措施来适应网络环境，尽量减小对系统性能的影响。文献 1 5 1 采用了一种基于事件的控制方法来 解决计算机网络由于存储转发机制导致的不定时延和数据包丢失的问题，也取得了较好的控制效果。 1 _ 3 _ 2 实现方法概述 基于网络的远程控制系统的一种实现方法就是采用传统的网络程序开发模式一c ，s 模式 ( c l i e n t s e r v e r ，客户机服务器) 。c s 模式的客户端是一个可执行的程序，通过编码编译针对特定的系 统平台，并实现与服务器端的通信。可以发布给拥有相同平台的用户。文献【1 6 】、 1 7 1 都是采用这种模 式分别用d e l p h i 和v c + + 实现了对p m a c 多轴运动控制器和一种新型信息化家电的远程控制。这种 开发模式可以实现比较复杂的控制，但是需要更多的设计和编码，而且只能供那些基于相同平台的用户 使用，系统的可移植性和开放性都较差。 另一种实现方法是基于w e b 技术的b i s 模式( b r o w s e r s e r v e r ，浏览器棚务器) 。w e b 浏览器使得 设计者不需对用户界面做任何改动就可以以平台无关的方式发布到各种客户端，用户界面背后的大量处 理工作由运行在服务器端的程序来做。文献【l8 采用这种模式结合c o m 组件自动化技术实现了远程测 控功能；文献 1 9 1 是采用b i s 模式来实现对带有网络接1 ：3 的家电的基于i n t e r n e 的远程控制并结合w m l 3 基于网络的远程控制系统的研究与实现 语言实现了无线远程控制。这种方法很容易实现而且可以发布到各种平台上，但这种实现方式的实时性 较差。 第三种实现方法是结合上述两种方式的优点，在一个系统中同时使用两种模式，我称之为基于b s 的c s 模式。b s 模式用于发布c s 模式中的的客户端程序，而用c s 模式实现客户端对象和服务器端 对象之间的直接通信。文献 7 、 1 5 、 2 0 即是采用这种模式分别实现了对实验仪器、机器人系统和 数控设备的远程控制。这种模式既保留了b s 模式的易于发布的特性，又在客户端对象和服务器端对象 之间采用c s 模式的直接通信，保证了系统的实时性。与前两种相比，这种实现方法整体性能更好。 远程控制的所有功能都是建立在远程控制端和被控端的远程通信的基础之上，因此在远程控制系统 中最核心的功能是控制数据的传输功能，即在远程控制者和本地控制系统之间传递控制命令和反馈信 息。上述三种控制方法的根本区别就在于其对控制数据的传输采用了不同的实现方式。c s 模式和基于 b s 的c s 模式都是采用客户端对象和服务器端对象之间直接进行基于网络传输层的通信来实现控制数 据的传输，所以传输效率较高：而b s 模式则是基于应用层协议实现，导致其实现的远程控制系统实时 性能较差。 网络程序开发技术在不断地发展，将这些新的技术应用于远程控制系统的实现，会给系统带来更好 的可维护性和可扩展性。这也正是本论文的重点内容之一。 l - 4 一l 研究主题 1 _ 4 本论文研究内容 基于网络的远程控制系统需要研究的问题包括两个方面，一是远程控制功能的实现；二是系统性 能的保证。 本系统的本质就是利用信息网来传输控制数据，所以系统功自塞现的核心问题是在远程控制端和被 控端之间实现控制数据的高效可靠地传输；另外，作为一个应用系统，还需要实现必要的管理功能。 系统性能方面主要研究以下几个问题。 ( 1 ) 实时性问题实时性是控制系统的一个重要性能指标。而计算机网络的建立目的是信息共享， 主要考虑传输的准确性，传输速度则几乎完全依赖于传输设备。此外，网络传输的时延受网络带宽和网 络负载变化的影响，具有不确定性。在网络负载较小的情况下，实时性要求可以得到满足，但网络负载 超过一定值后就很难保证远程控制的实时性。对此，首先要求系统不能因为时间延迟而受损或崩溃，系 统必须具有高度的自主性和鲁棒性；另外要求尽量减少数据传输的数量，提高数据传输速度，尽量减少 时延对系统的影响。 ( 2 ) 安全性问题计算机网络是一个公用信息通道，所以基于网络的远程控制系统必须考虑系统 的安全性。要对远程控制者和系统管理者的身份进行确认，并通过有效的防护措施来保证系统的安全性。 ( 3 ) 可操作性问题为了方便具有不同技术基础的远程控制者使用，远程控制系统的操作界面应 该简洁明了，易于理解和操作；同时应该能够支持不同层次用户的使用要求，如一些高级用户能够实现 较高级或较底层的操作：另外操作界面还应该具有一定的兼容性和平台独立性。 1 - 4 2 研究方法 4 首先对远程控制技术以及基于网络的远程控制技术进行分析研究，为系统实现提供理论支持。 河北工业大学硕士学位论文 对于系统功能的实现，即开发实现一个基于网络的远程控制系统，采用面向对象方法来进行系统分 析、设计和程序开发。 对于系统的性能要求，分别通过如下方式来满足。 ( i ) 实时性从两个方面来考虑：一是选择合适的控制方案；二是通过采用合适的实现技术来提 供尽可能高的控制数据传输速度和传输效率。 ( 2 ) 安全性选择台适的技术手段对远程控制者和系统管理者进行身份认证和访问控制，为系统 提供安全保障。 ( 3 ) 可操作性为用户提供简单易用的操作界面，并通过采用跨平台的程序开发工具和其它开发 技术来保证系统的平台独立性。 卜4 3 论文内容 本论文包括六章，各章内容如下： 第一章是对本课题的选题背景、国内外研究现状以及本论文研究内容的介绍。 第二章是对远程控制系统的高层描述，通过对系统功能和性能以及实现方案的分析明确系统所要实 现的是远程控制系统中的数据传输通道和远程监控终端这两个部分。 第三章是对基于网络的远程控制系统的分析，通过对系统实现方法和可用的技术等关键问题的讨论 确定系统体系结构和数据传输方案以及实现技术。 第四章是采用面向对象方法进行系统的分析和总体设计。 第五章是采用j a v a 、x m l 等面向对象开发技术进行系统的详细设计和实现。 第六章是对本论文研究结论的总结和所研究课题的发展前景的展望。 5 基于例络的远程控制系统的研究与实现 2 - 1 1 远程控制系统概述 第二章远程控制系统分析 2 1 远程控制系统 远程控制系统是以通信技术为基础，扩展人类控制范围的一门先进技术。正是通信技术的不断发 展促进了远程控制技术的持续进步。 远程控制系统从功能角度看可以分为三个部分：远程监控终端、数据传输通道和本地控制系统， 三个部分协同工作，共同完成对被控设备的远程控制。远程控制系统模型如图2 1 所示： 1 远程监控终端 远程监控终端是远程控制者与被控设备之间进行交互的界面。它的主要功能包括输入控制命令及其 参数、显示被控设备的反馈信息以及其它必要的操作。当前，由于计算机的广泛应用及其价格的不断下 降，并且用于远程控制的计算机都远离被控现场，所以基于计算机的远程监控软件技术发展迅速，计算 机是远程监控终端的主要运行平台。 2 数据传输通道 数据传输通道用于在远程监控终端和本地控制系统之间传输数据。一方面需要把远程监控终端发出 的控制命令传输到被控现场，实现对被控设备的控制；另一方面还要把被控设备的反馈信息传回到远程 监控终端，以供远程控制者了解被控设备的运行状态，进而决定下一步要采取的措施。在某些远程监控 应用中，视频图像作为一种反馈形式非常重要。但是实时图像信息量大，对传输的质量要求较高，一般 与数据分开传递，分别占用不同的通道、波段或频段。比如在i s d n 方式中”“，i s d n 的2 b 通道用于传 输视频和音频信号，d 通道则用于传输数据信息。相信随着互联网带宽和可靠性的不断提高，基于互联 网的远程控制前景更为广阔。 3 本地控制系统 本地控制系统直接控制被控设备。它根据远程监控终端发出的控制命令对被控设各进行控制，同时 监测被控设备的运行状态，进行必要的分析，然后作为反馈数据通过数据传输通道传输到远程监控终端。 本地控制系统可以是一个以计算机为中心的集现场控制、管理、数据采集为一体的控制系统，也可以是 一个数控机床或其它数控设备，甚至可以是一个机器人控制系统。 图2 1 远程控制系统模型 f i g 2 1m o d e lo f t e l e c o n t r o ls y s t e m 控制命令斗 反馈信息一 河北工业大学硕士学位论文 2 - 1 - 2 系统主要性能要求 文献 5 指出远程控制系统在眭能方面的要求主要包括实时性、可靠性、稳定性和可操作性。 1 实时性 实时性是远程控制系统的一个比较重要的性能指标。如果由于某种原因，使得远程控制者的控制 命令不能马上由被控设备执行，造成设备动作的不连续，就会影响控制系统的正常运行：另一方面，被 控设备的反馈数据不能及时传送回远程监控终端，也会导致远程控制者在判断被控设备运行状态时出现 偏差。这些情况都会直接造成远程控制系统的性能不可靠。 通常用“响应时间”来描述系统的实时性。响应时间是指某一系统对输入做出响应所需的时间 2 6 3 0 响应时间的单位一般采用m s 、s 、m i n 、h 。响应时间越短，表示系统的实时性越好。对于远程控制来说， 响应时间包括多个因素，这里对这些因素做一个简单分析，这对基于计算机网络的远程控制来说尤为重 要。 远程控制系统需要传输多种数据，其中对实时性产生影响的主要是远程控制终端发送到本地控制 系统的控制命令和本地控制系统发送回远程控制终端的反馈信息。下面简单分析传输这两种数据所需要 的时间。 分别用t c 、t f 来表示控制命令和反馈信息的传输滞后时间。传输滞后时间包括三个组成部分：处 理时间( t p ) 、传输时间( t t ) 、作用时间( t a ) ，如下： t c = t c p + t c t + t c a ；( 式2 - 1 ) t f = t f p + t f l + t f a ；( 式2 2 ) 处理时间( t p ) 是指在控制命令或反馈信息交给数据传输通道进行传输之前进行的预处理。对于 控制命令处理时间( t c p ) 来说，是指远程监控终端在接受到远程控制者的输入命令后，对其进行必要 的处理，形成一种系统特定的数据格式所需的时间；而对于反馈信息处理时间( t c f ) 来说，则是指本 地控制系统对收集到的设各运行状态信息进行必要的处理，形成一种系统可辨识、易于传输和处理的数 据格式所需要的时间。 传输时间( t t ) 是指数据传输通道传输数据所需的时间。传输时间取决于所用的传输介质以及传 输方式。高速的数据传输介质和优化的传输方式都可以缩短控制命令传输时间( t c t ) 和反馈信息传输 时间( t f t ) 。 作用时间( t a ) 是指控制命令和反馈信息被接收后所做的必要处理所需的时间。具体来说，对于 控制命令作用时间( t c a ) ，是指控制命令通过数据传输通道被传送到本地控制系统后，被转换成被控设 备的控制指令，以便对被控设备进行控制所需的时间；而对于反馈信息作用时间( t f a ) ，则是指反馈信 息到达远程监控终端后，被转化成远程控制者可理解的数据表示方式并显示出来所需的时间。 处理时间和作用时间受处理系统和作用系统的软硬件系统的影响，通过合理的设计和选择软硬件 系统都可以有效地减少时间。传输时间则可以分为两种情况：一种是采用专用的数据传输通道，则主要 取决于传输介质的选择：另一种是采用公用的数据传输通道，如公用电话网、g s m 、i n t e r n e t 等，则主 要取决于传输方式或者叫传输协议的设计和选择。对于基于计算机网络的远程控制系统，传输时间是决 定系统实时性的主要因素，所以合理有效地设计和选择网络传输协议非常重要，这是减少响应时间改善 系统实时性的主要途径。 2 可靠性 可靠性是远程控制系统的又个重要的性能指标。系统的可靠性包括两个方面，一是它的三个组 成部分，即远程监控终端、数据传输通道和本地控制系统的运行可靠性：另外对于远程控制系统来说， 数据传输通道的传输可靠性至关重要。而传输可靠性主要取决于所采用的传输介质及传输方式等因素。 3 稳定性 稳定性是指本地控制系统在远程监控终端的远程控制下，能够稳定地运行，避免出现震动、中断、 跳变等不正常现象。影响系统稳定性的因素主要包括以下几种：一是由于传输时延的影响，本地控制系 7 基于网络的远程控制系统的研究与实现 统在执行完一条控制指令后，没有及时接收到下一条控制指令，从而产生控制过程的中断，如果本地控 制系统没有对该中断作出相应的补救措施，就有可能导致不可预测的结果；二是当本地控制系统出现异 常情况后，需要远程监控终端给出修正，而传输时延会使异常在控制现场得不到及时有效的终止，从而 出现不可预测的结果：三是数据传输的错误造成系统出现不稳定状况，数据传输通道可能会由于外界干 扰等原因出现数据传输错误，从而影响系统的控制稳定性。在具体应用中，还可能存在许多其它因素影 响远程控制系统的稳定性，需要我们具体问题具体分析。 4 可操作性 为了方便具有不同技术基础的远程控制者，远程控制系统的操作界面应该简洁明了，方便易用： 同时应该能够支持不同层次用户的使用要求，如一些高级用户能够实现较高级或较底层的操作；另外操 作界面还应该具有一定的兼容性和平台独立性。 2 - 2 远程控制的控制方案 远程控制方案是指远程控制者以何种方式操纵被控设各，基本的远程控制方案有如下三种：”7 2 2 1 直接控制 直接控制方式( d i r e c tc o n u 0 1 ) 3 l 称作木偶式( p u p p e ta p p r o a c h ) ，即由远端控制者完全控制被控设 备，直接发送控制指令函数来完成某一操作。这种控制方式对控制者的要求比较高，需要了解被控设备 的底层指令或编程语言。其结构原理图如图2 2 ： 远端：! 本地 测量反馈l l 远程 i控制者 执行指令l 2 2 2 监督控制 图2 2 直接控制结构图 f i g 2 2s t r u c t u r eo f d i r e c tc o n t r o l 控设备 监督控制方式( s u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 ) 最初是用来研究空间探险机器人的。在传统的双向力反应遥控 机器人系统中，当主从两端存在明显的通讯时延的时候，直接主从控制必须采取“走一走，等一等”的 方式来保证控制过程的稳定性。这就增大了任务完成的时间，也加大了任务的难度，因此提出了监督控 制。其基本思想是将远程控制者置于控制结构闭环之外，从而尽量减小传输时延对整个系统的影响。远 程控制者只发送目标任务或一小部分相关的必需指令给被控端，而任务具体由被控端回路自治完成：在 控制者方的监控回路向控制者提供有关的反馈信息，在存在通讯时延的情况下，还可以进行预报被控端 下一动作。其结构原理图如图2 3 ： 在被控设备端，有一个上位缓冲器用于接收、存储远端发至的任务或指令，并由它“二次”发指 令给本地设备。由于是处于本地，故不存在时延和不稳定性的影响。这种方法充分利用了被控端的本地 智能。 8 河北工业大学硕士学位论文 远端! 本地 本地 卜1 测量反馈l 远程 控制 掳4 i i _ 垫 系统 叫执行指令i 【。- j 2 2 3 预测预演控制 图2 3 监督控制结构图 f i g 2 3s t r u c t u r eo fs u p e r v i s o r yc o n t r o 控设备 预测颀演控制方式( p r e d i c t i v e p r e v i e wd i s p l a yc o n t r 0 1 ) ：是在将控制指令发给被控端之前，先在控制 端模型对象上进行模拟预演指令的执行效果，同时被控端的实际执行过程通过视频或其他测量数据反馈 回来。这样就大大提高了动作执行的可靠性和正确性。但这种方案实现起来比较复杂。其结构原理图如 图2 4 ： 远端：本地 le 日；i z x m q 、1 1 测量反馈i i远程 控制者 + 模拟演示i执行指令i 图2 4 预测，预演控制结构图 f i g 2 4s t r u c t u r eo f p r e d i c t i v e p r e v i e wd i s p l a yc o n t r o l 设备 在上述三种方案中，由于监督控制将远程控制者置于控制闭环之外，使得其响应时延对控制效果的 的影响较小，而且这种方法充分利用了被控端的本地智能，具有较强的容错和纠错能力( 如被控端设备 可以忽略甚至自动改正一些错误指令) ；另外它还可以使远程控制者不必持续监视被控设备的运行，从 而可以减轻控制者的工作强度。因此，这种控制方案更适合用于实现基于网络的远程控制系统。 远程控制的所有功能都是建立在远程控制端和被控制端的远程通信基础之上，在采用监督控制方 案后，所要实现的远程控制系统最重要的功能是信息传输功能，主要用于在远程控制者和本地控制系统 之间传递控制命令和反馈信息。本论文所实现的远程控制系统主要考虑前述三个组成部分中的前两个部 分，即远程监控终端和数据传输通道。 2 - 3 远程控制系统的设备接入技术 如前所述，本论文所实现的远程控制系统主要考虑前述三个组成部分中的前两个部分，即远程监 控终端和数据传输通道。本地控制系统可以直接使用原有的设备控制系统，只需为原有系统添加一个与 远程控制系统的接口即可。设备接入技术即指用于连接本地控制系统的接口的相关技术。本论文所实现 的远程控制系统支持通过两种常见接口方式实现与本地控制系统的连接，从而实现与本地控制系统之间 的通信。 9 基于网络的远程控制系统的研究与实现 2 3 一lr s 一2 3 2 r s 一2 3 2 是串行数据接口标准，由美国电子工业协会( e i a ) 制订并发布，作为工业标准，用以保证 不同厂家产品之间的兼容。它适台于数据传输速率在o 2 0 0 0 0 b s 范围内的通信。这个标准对串行通信 接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与r s 一2 3 2 c 制式 兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。r s 一2 3 2 标准只对接口 的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。 r s 2 3 2 只有1 5 米有效传输距离，但构造简单、支持硬件多，广泛用于短距离数据传输，现代数控机 床都带有标准的串行通信接口，大多采用r s 一2 3 2 接口来进行数据传输。 2 - 3 2u s b 通用串行总线( u s b ) 主要用于外围设备( 比如键盘和鼠标) 和p c 机之间的连接。事实上，u s b 还在诸多其他方面的应用中也非常易用，包括测量和自动化应用 2 e o u s b 端口已成为如今p c 机上的标准配置，这意味着无须为连接u s b 接口的数据采集设备或仪器 购置专用控制器。基于u s b 的设备目前可在w i n d o w s9 8 2 0 0 0 m e x p 操作系统上使用。虽然它在测量和 自动化方面刚刚才得到普及，u s b 拥有的几个特色却让它在此类应用中表现极为出色，比一些传统的内 部p c 总线( 如p c i 和i s a ) 更加易于使用。 用u s b 连接的设备都具有热拔插功能，在添加或拆除设备时不需要关机。该总线还具有自动探测 设备的功能，这意味着用户插入设备后无须对其进行手工配置。操作系统软件会自行探测到这些设备并 进行安装。高速数据及控制方面的应用将受益于u s b 通过同步或异步数据传输传送数据的能力。通过同 步传输，该总线将确保时效性数据包传输的带宽。同步传输可确保在指定的时间内完成传输，但不保证 接收到的传输数据没有错误。u s b 协议可确保具备必要同步带宽的设备在每帧都有预定数量的数据包。 数据密集型应用通常需要此类保证带宽。另一方面，测量和控制系统通常会要求有响应事件的能力。u s b 允许任何设各生成异步事件。异步传输可确保精确传送，而带有紧急信息的设各可优先于其他所有设备。 异步传输的应用包括发送控制信息和改变设备参数。 1 0 河北工业大学硕士学位论文 第三章基于网络的远程控制的研究 3 - 1 基于网络的远程控制的实现方法 根据第二章的分析，远程控制系统主要实现数据传输通道和远程监控终端的功能。基于网络的远程 控制采用计算机网