（测试计量技术及仪器专业论文）近红外光谱仪器远程监控平台的开发.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着互联网络的迅速发展，网络化远程监控的仪器运行方式被广泛采用，并成为 各种检测和制造行业的发展趋势，本文所开发的远程监控系统正是远程监控在近红外 光学检测领域的一个应用实例。本系统基于c l i e n t s e r v e r 模式的网络远程通信来设计， 综合利用了传感器技术、数据采集技术及网络通信技术，实现了对近红外光学仪器的 远程监控、实时报警及光谱数据处理等功能。整个系统采用模块化、层次化的设计方 法，具有接口简单、适应性强、升级扩展方便等特点，并可根据具体的应用要求进行 二次开发，具有良好的开放性。 本文主要介绍了监控系统的系统概述和系统各功能模块的实现。系统概述部分主 要讨论了网络测控系统的研究背景，网络通信结构和协议的选择，系统各功能模块的 划分等。而系统模块实现部分主要包括了软件模块和硬件模块，软件模块部分首先讨 论了如何在d e l p h i7 0 开发环境下通过网络组件i n d y 的编程来实现远程通信，继而介 绍了如何使用u s b 串口通信技术来实现本地仪器运行参数的采集；硬件模块部分主要 介绍了本地监控系统中电压、电流、照明光强和样品室温度这四个仪器运行中的关键 参数采集的硬件制作，主要包括了传感器的选用和传感器电路的制作。 文章结尾用大量的实验证明了远程监控系统的可靠性和稳定性。该系统可以在近 红外仪器运行时精确、实时地记录下仪器的运行状况，为仪器的调整和维修提供丰富 的参考。 关键词：近红外光谱仪器，远程监控系统，t c p i p 技术，串行通信，数据采集，i n d y 组件 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h er e m a r k a b l ep r o m o t i o no ft h e 矾r r e r n e t , t h en e t w o r ki n t e g r a t e dm o n i t o r i n g s y s t e mh a sb e e nm o r ew i d e l ya d o p t e da n db e c a m et h ed i r e c t i o no fm a n u f a c t u r i n g t h e s y s t e mt h a td e s i g n e di n t h i sd i s s e r t a t i o ni sap r a c t i c a le x a m p l eo fn e t w o r ki n t e g r a t e d m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi nt h en i r ( n e a ri n f r a r e d ) f i e l d t h es y s t e m b a s e s o nac l i e n t s e r v e r n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n , s y n t h e s i z e st h et e c h n o l o g yo fs e n s o r , d a t aa c q u i s i t i o n , n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n , a c h i e v e st h ef u n c t i o n so fi n t e g r a t e dr e m o t e l ym o n i t o r i n g ，r e a lt i m ea l e r t a n dd a t ap r o c e s so ft h es p e c t r u m w i t ht h em o d e l e da n dl a y e r e ds t r u c t u r e ，i tp o s s e s s e st h e f e a t u r e sa ss i m p l ei n t e r f a c e ，s t r o n ga d a p t a t i o n , u p g r a d a a b l ea n d8 0o n a d d i t i o n a l l y , t h e s e c o n dd e v e t o pc a nb ed o n et os p e c i a lt h es y s t e mt om o r ea p p l i c a t i o n s t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yi n t r o d u c e st h es y s t e ms u m m a r i z a t i o na n dt h er e a l i z a t i o no f s y s t e m sf u n c t i o nm o d e l s i nt h es y s t e ms u m m a r i z a t i o ns e c t i o n ，t h e s ea r ed i s c u s s e di nd e t a i l ： r e s e a r c hb a c k g r o u n do fn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m , c o n f i g u r a t i o no fn e t w o r km o d e l ，t h e s e l e c t i o no fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，c o m p a r t m e n t a l i z a t i o no fs y s t e m sf u n c t i o nm o d u l e s a n de t e t h er e a l i z a t i o no fs y s t e ms e c t i o nc o n t a i n st h es o f t w a r em o d e la n dt h eh a r d w a r e m o d e l t h es o f t w a r es e c t i o ni s m a i n l yd i s c u s s e dw i t ht h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n c o m p o n e n tp a c ki n d yp r o g r a m m i n ga n dt h eu s bt e c h n o l o g yo fl o c a ls a m p l es y s t e mi nt h e d e l p h i7 0e n v i r o n m e n t t h eh a r d w a r es e c t i o ni sm a i n l yd i s c u s s e d 耐t ht h em a n u f a c t u r eo f t h es e n s 研c i r c u i t sw h i c hw e d g eu s e dt om e a f ；u i ev o l t a g e c u r r e n t , u g h ti n t e n s i t ya n ds a m p l e r o o m st e m p e r a t u r eo ft h ei n s t r u m e n t a tt h ee n do fd i s s e r t a t i o n , i ta l s og i v e ss o m ee x p e r i m e n t st ot e s 碰f yt h es y s t e m k r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y t h i ss y s t e mc a nr e c o r dt h er u n n i n gd a t ao fn i ri n s t r u m e n t s p r e c i s e l ya tr e a lt i m e t h e s ed a t ac a nb eu s e dt oa s s i s t a n tt h er e c t i f i c a t i o na n dm a i n t a i no f t h ei n s t r u m e n t s k e y w o r d s ：n e a r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p ya n a l y s i si n s t r u m e n t , r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m , t c p i p , s e r i a lc o m m u n i c a t i o n , d a t ap r o c e s s i n g ，i n d y 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密 靴论文作者繇瓣非 指删币繇寻纵 ) 。7 年c 1 j7 抄 7 年1 月7 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：狱索i 日期；卸口7 车6 月fh 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 基于i n t e r n e t 远程监控的研究背景 现代互联网的雏形诞生于上个世纪、7 0 年代，严格说来该系统还不能算是真正 意义上的网络之是i b m 和d i g i t a l 的中央处理系统，其主体是一台或多台大型主 机，被隔离在一个相对封闭的机房( “玻璃屋”) 中由工作人员小心维护。这个时期的 网络仅局限于一些专业领域，如金融行业、研究机构等。对大多数人而言，网络是陌 生的、神秘的甚至是虚无缥缈的东西。 随着2 0 世纪8 0 年代p c 的出现，互联网络发生了革命性的变化。由于p c 具备独 立的处理引擎( a u ) 和文件存贮区域( 硬盘) ，拥有强大的计算能力，满足了个人用 户信息处理的需要。于是信息的交换需求也日益迫切起来，而i n t e r a c t ( 国际互联网) 技术便是在这时蓬勃发展起来。i n t e r a c t 的应用范围最早是在军事、国防领域，它的原 型是1 9 6 9 年美国国防部远景研究规划局( a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t s a g e n c y ) 为军事 实验用而建立的网络，名为a r p a n e t ，初期只有4 台主机，其设计目标是当网络中 的一部分因战争原因遭到破坏时，其余部分仍能正常运行。到踟年代初期a r p a - 玎疆 和美国国防部通信局研制成功用于异构网络的t ( m 协议并投入使用；1 9 8 6 年在美 国国会科学基金会( n a t i o n a ls c e n o ef o u n d a t i o n ) 的支持下，用高速通信线路把分布 在各地的一些超级计算机连接起来，以n f s n e t 接替a r p a n e t ；进而又经过十几年 的发展形成i n t e r a c t 。其应用范围也由最早的军事、国防，扩展到美国国内的学术机构， 进而迅速覆盖了全球的各个领域，运营性质也由科研、教育为主逐渐转向商业化。 基于i n t e r a c t 的远程监控是建立在现代通讯技术、计算机技术、传感器技术及传 统的控制理论基础上的一种新兴的边缘技术。在i n t c r n c t 没有普及之前，远程监控一 般采用专用连接或电话连接等点到点的通讯方式，这种监控方式无法实现多用户的协 同工作和资源共享，其缺点是很明显的，而i n t e m e t 的出现则有效克服了上述问题。 随着基于t c p i p 协议的各种局域网和广域网的广泛建立，监控系统从传统的中央集中 监视、集中控制扩展到网络化的集中监视、集中管理和分散式控制。以太网互联网等 网络构架也己逐渐在自动化产业内被广泛的采用，取代传统的串口通信而成为自动化 系统通信的主流。 1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t c m e t 的工业远程诊断研讨会由斯坦福大学和麻省理工 江苏大学硕士学位论文 学院联合主办，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到刽。斯坦福大学和麻 省理工学院从1 9 9 6 年1 0 月开始合作开发基于i n t e r n e t 的下一代远程诊断示范系统， 该项工作很快就得到了制造业、计算机业和仪表业的支持和通力合作。此外，密执安 大学也在积极开展针对机械加工的远程诊断和制造系统的研究工作，并在因特网上设 立了一个宣传站点。许多国际组织也纷纷通过网络进行设备故障诊断咨询和技术推广 工作，并制定了一些信息交换格式和标准，相应的许多公司也在他们的产品中加入了 连接因特网的功能。 国内不少高校及科研单位也开始着手设计和开发各类远程监控系统。西安交大电 子信息学院开发了基于组态王组态软件的三峡大坝浇筑分布式网络监控系统，上层网 络采用标准以太网，底层网络采用r s 4 8 5 协议总线技术，加上服务器、监测工作站， 构成一个适合工业现场的局域网远程控制系统【2 l 。华中理工大学机械学院信息所建立 了远程设备故障诊断中心。这是一个网上虚拟实验室，它可以为i n t e m e t 用户提供远 程信号采集，信号分析和设备故障诊断服务，同时也能从网上为在校学生开设工程测 试与信号分析实验阐。哈尔滨工业大学航天学院热能工程研究所，以大型汽轮发电机 组为对象，首先在电厂内部建立分布式监测诊断系统，然后通过i n t e r n e t 将状态监测 和故障诊断延伸到研究所和大学的故障诊断中心，实现了基于i n t e r n e t 的远程故障诊 断，目前其运行状态良好【删。南京长江二桥建设规划部设计了二桥远程综合监控系统， 可同时监控三个变电站的供配电设施、大桥埋地式密封变压器、照明灯、各种障碍灯、 桥涵灯、大桥钢箱梁内温湿度和除湿机状态。该系统以l o n w o r k s 技术( 美国埃施朗 公司开发的种完整的、全开放、可互操作的分布式控制网络技术1 为核心，所有数据 通过光纤网络传送到综合监控主机，该综合监控主机再通过以太网，与其它监控工作 站进行数据共享。除此之外各种住宅小区、智能大厦的网络化监控系统也得到了越来 越广泛的应用。 网络通信技术在测控系统中的应用还渗透到了传感器领域，将网络接口芯片与智 能传感器集成起来并把通信协议固化到智能传感器的r o m 中，导致了网络传感器的 产生。网络传感器继承了智能传感器的全部功能，并且能够和计算机网络进行通信， 因而在现场总线控制系统中得到了广泛的应用，成为现场级数字化传感器。国外有不 少仪器公司己研制出了各种各样的网络化传感器。美国a g i l e n tt e c h n o l o g i e s 和 t e l e m o n i t o r 联合开发了t m l l 4 5 1 2 k c l l 0 j 网络传感器。a n a l o gd e v i c e s 推出了基于 m i c r oc o n v e r t e r 系列产品。国内在网络传感器方面的研究尚处于原理研究阶段。中国 2 江苏大学硕士学位论文 科学院智能机械研究所、北京英贝多嵌入式网络技术有限公司都投入到该领域的研究， 但还没有成型的网络化传感器出现。 总的来看，网络远程监控将是工业自动化发展的一种必然趋势，它将在运作方式、 运营成本、设计理念等方面对现代工业产生更深远的影响。 1 2 近红外光谱分析仪器的国内外发展状况 从上世纪5 0 年代起就有近红外光谱分析仪器应用于农副产品成分分析的先例圈， 但由于当时的信息处理技术的限制，没能获得长足的进步。在进入2 0 世纪年代以 后，计算机技术得到迅猛发展，使得化学计量学方法通过计算机能够良好解决近红外 光谱多元信息的处理和提取，人们真正认识到近红外光谱分析仪器的价值，欧美发达 国家相继进人了广泛的研究开发阶段。近红外光谱分析仪器是2 0 世纪9 0 年代以来发 展最决、最引人注目的光谱分析仪器，它具备现代仪器的典型特征：量测信号的数字 化和分析过程的绿色化。由于近红外光在常规光纤中具备良好的传输特性，使近红外 光谱分析仪器在实时在线分析领域中得到越来越多的应用。部分测试项目已经将近红 外光谱分析仪器作为标准测试设备来使用。例如1 9 7 8 年美国和加拿大采用近红外法代 替凯氏法，作为分析小麦蛋白质的标准方法。 现代近红外光谱仪器从分光系统可分为固定波长滤光片、光栅色散、快速傅立叶 变换和声光可调滤光器( a c o u s t o - o p t i ct u n a b l ef i l t e r ，a o a f ) 4 种类型 3 1 。光栅色散型 仪器根据使用检测器的差异又分为扫描式和固定光路两种。在各种类型仪器中，滤光 片型主要作专用分析仪器，如粮食水分测定仪、油品专用分析仪等。为提高测定结果 的准确性，现在的滤光片型仪器往往装有多个滤光片供用户选择。光栅扫描式是最常 用的仪器类型，采用全息光栅分光、p b s 或其他光敏元件作检测器，具有较高的信噪 比。由于仪器中的可动部件( 如光栅轴) 在连续高强度的运行中可能存在磨损问题， 从而影响光谱采集的可靠性，不太适合于在线分析。傅立叶变换近红外光谱仪是目前 近红外光谱仪器的主导产品，具有较高的分辨率和扫描速度，这类仪器的弱点同样是 干涉仪中存在移动性部件，且需要较严格的工作环境。a o t f 是2 0 世纪9 0 年代初出 现的一类新型分光器件，采用双折射晶体，通过改变射频频率来调节扫描的波长，整 个仪器系统无移动部件，扫描速度快，具有较好的仪器稳定性，特别适合用于在线分 析。但目前这类仪器的分辨率相对较低，价格也较高。 3 江苏大学硕士学位论文 阵列探测器件生产技术的日趋成熟，为解决上述问题找到了较为妥当的方法。采 用固定光路、光栅分光、阵列探测器构成的近红外光谱分析仪器，以其性能稳定扫描 速度快、分辨率高、信噪比高以及性能价格比好等特点正越来越引起人们的重视。它 如同蜻蜒复眼一样的多通道阵列探测器接收不同波长下的光谱，从而避免了光栅或单 探测器等部件的移动，实现了光路的固定。在与固定光路相匹配的阵列探测器中，常 用的有电荷藕合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，简称c c d ) 和二极管阵列 ( p h o t o e l e c t r i c i t yd i o d e a r r a y ，简称p d a ) 两种类型，其中硅基( s i ：4 0 0 - 11 0 0 r i m ) c c d 多用于近红外短波区域的光谱仪，硫化铅基( p b s ：11 0 0 - 30 0 0 r i m ) p d a 探测器 则用于长波近红外区域【4 l 。表格1 - 1 很直观地对几种类型近红外光谱分析仪器的特点 和性能作了比较： 表1 - 1 各种类型近红外光谱分析仪器的特点与性能比较 国外近红外光谱仪的研制工作开展的比较早，技术也比较成熟。2 0 世纪年代 中期，高强度光源、低散射光栅、固态高灵敏探测器的研制成功和计算机软硬件技术 的发展及广泛应用，都大幅提高了近红外光谱仪器的各项性能指标和运行的可靠性， 简化了仪器的结构，增强了仪器的功能，达到数据的实时采集和处理，提高了仪器的 自动化、数字化与智能化的程度，同时降低了仪器成本阁。进入2 0 世纪9 0 年代，声 光可调滤波器型近红外光谱仪器的出现、多通道探测器性能的提高和价格的降低，使 得多通道型近红外光谱仪器大量研制开发，为近红外光谱仪器的家族增加了不少色彩。 其中典型的有美国的a s d ( a n a l y t i c a ls p e c t r a ld e v i c e s ) 公司的可见近红外便携式光 谱分析仪l a b s p e c p r o 系列，可选择光谱的测量范围10 0 0 - 18 0 0 r i m 、10 0 0 25 0 0 r i m 和 3 5 0 - 25 0 0 r i m ，光纤探头并配以用于化学计量学模型编程的u n s c r a m b l e r 标准软件。澳 大利亚i n t e g r a t e ds p e c t r o n i c sp r yl t d 的p i m a ( p o r t a b l ei n f r a r e dm i n e r a la n a l y z e r ) 是典型 的便携式野外岩石矿物订喂分析仪器。 国内n i r 仪器的研制起步较晚，2 0 世纪9 0 年中期，通过一些厂家和科研单位的 4 江苏大学硕士学位论文 积极努力，在近红外光谱仪器的研制、软件开发方面取得了一定的成绩。如北京瑞利 分析仪器有限公司研制出傅立叶变换型n i r 光谱仪。在多通道n i r 仪器的研制方面， 石油化工科学研究所研制、深圳英贤仪器公司生产的n i r - 2 0 0 0 型近红外光谱仪于1 9 9 8 年通过中国石油化工集团公司鉴定，并批量生产。该仪器采用2 0 4 8 检测单元c c d 作 探测器，波长范围7 0 0 11 0 0 r i m ，主要用于多种石油产品的组成和性质的分析1 6 川。中 国农业大学研制了滤光片型漫透射近红外谷物品质分析仪，天大光谱公司研制了声光 可调滤光器型近红外乳品分析快速分析仪砌k 2 1 型。虽取得了一些成绩，但与 国外近红外技术日新月异的发展速度相比，国内近红外技术进步还是较缓慢，主要原 因是：首先，近红外光谱分析仪器的应用要求光谱仪器、光谱数据关联和处理软件以 及应用样品模型要紧密结合为一体，任何一个应用不好都会影响到整个仪器的使用。 而检测样品会由于样品产地的不同而异，国内外的样品通常有较大的差异，因此，进 口的应用预测模型一般不适合分析国内样品。如果依靠自己建立模型，就需要操作人 员了解和熟悉化学计量学知识和软件。而国内外近红外光谱仪器均没有网络远程监控 功能，在售后服务和产品更新等方面尚有很多问题需要解决。 i 3 选题的意义 由于国内的近红外光谱分析仪器普遍存在如下问题： 1 1 由于近红外光谱的检测容易受到测量条件( 如温度、湿度、仪器) 、样品状态 等外界因素的影响，引起以系统误差为主的光谱不确定性。例如影响近红外光谱吸收 峰位置的因素就有很多，氢键的影响会使吸收峰向长波长方向移动；温度升高，会使 吸收峰向短波长方向移动【9 】； 2 ) 近红外光谱仪器光源发射光的稳定性和光强直接影响到近红外光谱的稳定性 和吸收峰幅值大小； 3 ) 近红外光谱仪器光源的工作电压、印刷电路板的输入电压及重要元器件端电压 的稳定性和大小对仪器的正常运行都会有影响； 舢近红外光谱分析仪器在使用中出故障时，一般用户难以分清是操作错误、软件 错误和硬件问题。以往的统计数据表明绝大多数故障都是用户操作错误引起的，而真 正的硬件问题很少，这种情况下如果允许售后技术人员远程对仪器参数进行检测将节 省大量的维护时间和成本。 5 江苏大学硕士学位论文 研目前大部分国内自主研发生产的近红外仪器的配套软件还没有模型嵌入预测 和光谱仪异常分析的功能； 旬目前国内的近红外仪器都没有仪器工作状态的监控装置，所以仪器的维修，一 般都是厂家派人上门服务，这样做耗时、耗力效率低成本高，如果能通过网络远程检 测仪器的工作状态，就可以根据工作状态参数做出有针对性的措施。 针对这些普遍存在于近红外光谱分析仪器运行中的问题可以发现，建立一个远程 的网络监控平台，使光谱仪器采用网络化的运行方式对于仪器的稳定运行、故障报警、 光谱重现性以及预测模型修正等方面都会有很大帮助。 1 4 课题的研究目标及内容 l a l 主要的研究目标 针对上述近红外光谱仪器运行中的一些问题，本课题研究开发了一个基于i n t e m e t 的近红外光谱仪器远程监控平台，并在北京瑞利仪器公司的n i r 8 0 0 型仪器上进行了 实际运行和测试。本系统的客户端由一个u s b 接口的数据采集卡为下位机和一台p c 为上位机组成，下位机的功能是通过相应的传感器及电路对近红外光谱仪的样品室温 度、照明电源光强及待测点电流、电压等参数进行数据采集，p c 的功能是给下位机发 送运行参数，从下位机获取实时数据，然后对数据进行统计、分析处理，根据处理结 果产生监控数据表或数据曲线。若近红外光谱仪运行有异常，则对运行故障进行自诊 断，并报警提示，及时通知使用者通过提示的报警信息进行仪器维护。在光谱仪进行 光谱采集时，可以调入在化学计量学软件( 由江苏大学近红外研究组开发) 中建立的 数学模型，预测采集光谱的化学指标值。可以对由仪器或环境参数引起的光谱测量值 偏差进行修正。本系统的服务器端为一个运行平台，允许多用户同时登录，平台可以 从远程采集客户端的仪器运行参数，方便操作人员对客户端仪器的运行状态做出评估， 如果客户端仪器不正常，服务器端可以提供调整意见。以及根据客户端的运行参数对 近红外光谱的预测模型进行修正，更进一步的功能是使通过网络同时协调多台近红外 光谱仪器的同时运行，以节省人力物力。 总之，本课题所要开发的是一个具备远程采集、远程控制、异常报警、数据偏差 修正和模型调入预测等功能的网络平台，同时还要有报表打印、数据保存和数据库浏 览管理等功能。同时为了该系统能够更好地实现商业化运作，还需要有一个网站平台 6 江苏大学项士学位论文 作为支持。 l 蕾2 研究的主要内容 1 ) 萄 卸 铆 明确网络监控平台的功能，完成模块划分，确定每个模块要完成的工作； 各传感器的选择及底层电路的设计： a 口转换及通信电路的芯片或模块的选型； 以d e l p h i7 0 为工具开发客户端参数检测模块、c s 通信模块、服务器端监控 模块； 检测系统硬件设计和试验，分析检测系统误差的产生，提出并实施增加系统可 靠性的方法。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章近红外光谱分析仪器远程监控平台总体设计 本文的基本思想是把应用分布在客户机和服务器上，其中客户机为一台负责控制 近红外光谱仪器运行的计算机，而服务器负责远程网络的监控，其基本的网络结构如 图2 - 1 所示。 图2 一l 网络结构示意图 本章的第一节对基于客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) 的信息交换系统进行了简单的 介绍。第二、三节讨论了本系统客户端与服务器端所使用的通信协议的选择，第四节 介绍了服务器端和客户端软件的设计和模块的实现，最后一节介绍了作为客户端采集 模块的硬件设计及平台相关资料。 2 1c li e n t s e r v e r 结构简介 客户机朋艮务器结构在最初阶段是以终端主机( r r e 珊i n a l m a i n 仃a m e ) 结构的形式出 现的。这种体系结构使用户能够尽可能地使用共享资源。这里不仅包括了数据的共享， 也包括了应用的共享。终端所要做的事只是输人命令( 通常是以命令行的形式) ，显示 结果，而有关的一切数据处理都交给了主机去完成。在这样的结构中，由于终端不需 要做什么处理工作，所以它可以很简单，也不必随着信息业的发展频繁更新，因此也 称“哑”终端。但是主机就不一样了，它几乎包揽了有关数据的一切处理工作。这就 要求它具有十分高的性能，并且能够随着信息量( 包括数据库的加大和终端的增加) 的 增加不断更新。这种终端，主机( t e r m i n a l m a i n f r a m e ) 结构特点是资源得到充分共享，但 用户界面不友好，主机负载过大。在这种情况下，客户机服务器( c 搐) 模式应运而 生了。 8 江苏大学硕士学位论文 c s 模型是一个由“请求驱动”的模型【1 1 l ，它的特点在于客户端与服务器端的是非 对等相互作用的。客户端将服务的请求发送至服务器端，服务器可同时提供多种服务， 客户端也可请求服务器上的各种不同服务。它的数据传递的过程如图2 - 2 所示。 h 一服务器端卜制+ 网络_ - + 卜一客户端h 图2 - 2 数据在c s 问传送示意图 目前常用的c s 系统是一个两层结构系统。其客户端运行一个主应用程序，这个 客户支配程序( 或者这些程序) 除了系统所要求的所有逻辑功能以外，由所有的用户接 口功能组成。程序上的考虑( 诸如某一特定的算法是如何实现的) 都可以在客户程序中 找到。因为客户程序负责处理许多核心的功能，所以在两层结构的环境中的应用程序 通常被称为胖客户，胖客户是在被认为加载了应用程序的核心功能的一个两层客户 服务器环境中的一个客户计算机。 客户机服务器结构通常化分为4 层。从客户机到服务器分别为： 1 ) 数据捕获层人机交互的捕获和转换，包括键盘、鼠标、虚拟现实接口设备和 未来的语音、手势和神经传导，以及输出设备如显示器、打印机、磁带机等。在该层 的编程操作是将数据以预定的格式展现出来。 2 ) 业务规则层该层负责将数据转换为业务关联数据。增加有关业务规则的信 息。业务规则层并不处理数据，仅仅是涉及规则。 3 ) 应用接口层该层负责将业务关联数据转换为技术关联数据。如s q l 语句，以 供应用服务器层使用。 4 ) 应用服务器层该层负责处理数据，如存储数据和计算出结果。这种体系结构 最初的出现是为了缓解终端主机结构中主机繁重的工作负担，通过在客户和服务器之 间划分各自所包含的层次，则可以提高应用的计算效率。于是将主机要做的一部分工 9 江苏大学硕士学位论文 作转移到了客户机上，显然这也就增加了对客户机的要求，但随着p c 业的发展，这 一点己经在很大程度上得到改善。 在两层结构的系统里，业务规则可能混杂在客户端的用户界面控制流中，也可能 嵌入在服务器端的数据库中。更常见的是客户端和服务器端各实现一部分业务逻辑。 通过网络，客户端把s q l 语句、文件系统的调用以及其他请求送到服务器中。服务器 对请求进行相应处理，然后把原始结果回送到客户端。 两层结构的特点在于： 一具有成熟的设计开发方法和工具。经过多年的积累，基于c 1 i e n t s e r v e r 模式 的系统设计开发方法己被用户所熟悉和掌握。并且，众多的数据库和软件生产厂商提 供了各种可视化工具和编程语言来支持它的开发。 一交互性强、界面友好。各个c l i e n t 机上运行的应用程序是针对特定的用户和 任务设计的，同时具有在线帮助和出错提示等等之类的功能。 一数据通信小、安全性高。 2 1 2 三层及多层c l i e n t s e r v e r 结构( b r o w s e r s e r v e r 结构) 三层c s 结构是把应用逻辑划分为三个部分：第一层是用p 界面( u s e ri n t e r f a c e ) 也 称应用程序，提供用户与系统的友好交互。第二层是应用服务器，亦即事务管理器， 专门管理业务逻辑的实现。第三层是数据服务器，也是资源管理器，负责数据信息的 存储、访问及其优化。由于系统业务逻辑被提取到应用服务器上，因而这种结构也叫 瘦客p ( t h i n c l i e n 0 结构。 资源管理器是提供应用程序要求的事务问的服务。一般情况下是一个数据库，在 我们的系统中，可以是各个板卡的驱动程序。事务管理器提供管理事务的服务，包括 资源管理的两阶段确认服务和通讯管理器的服务。通讯管理器提供通讯服务的接口以 及管理应用层协议。三层结构设计思想的主要目的，就是为了解决两层结构中原发性 的问题。其最主要价值在于产生一套切实可行的解决方案，把客户服务器结构下的应 用可靠地推广到更加复杂多变的系统中，并利用这一技术所带来的高效率、多功能与 灵活性，增强系统信息网络的性能和扩展能力。它的系统结构见图2 - 3 ： 江苏大学硕士学位论文 图2 3 三层客户服务器系统结构 多层客户服务器指的是这样一个体系结构，在这个结构中客户与中间服务器交 互。反过来这些中间服务器又和其他的中间服务器交互，再反过来其他的中间服务器 再与另外的中间服务器交互，如此下去。换言之，一层的系统不是表示将一个结构限 制为三个定义好的层，而是随意的混合匹配所需要的服务，这样作的原因是由于我们 想把不同的业务逻辑规则分离到不同的中间服务器上去。它是对三层模型的一个概括， 是向分布式的一个过渡。 基于w e b 的浏览器朋艮务器( b s ) 结构是由客户服务器结构转化而来的，b s 模式 可以看作是传统c s 模式的一个子集。以下对b s 模式和传统c s 模式进行了比较： 一、b s 模式的优点： 5 ) 由于w e b 支持底层的t c p i p 协议，使w e b 网与目前使用的几乎所有局域网都 可以连接，解决了异构系统间的连接问题； 6 ) 由于“瘦客户端”，使系统开放性得到很大改善，系统对访问的用户数的限制 有所放松； 7 ) 界面统一( 全部为浏览器方式) ，操作相对简单。 二、c s 模式的优点 研c l i e n t s e r v e r 方式有很强的实时处理能力，与w e b 方式相比，c l i e n t s e r v e r 结 构更适合于对数据库的实时处理和大批量的数据更新； 9 ) c l i e n t s e r v e r 方式的面向对象技术十分完善。并且有众多与之配套的开发工具， 这些开发工具已经做得非常优秀，这一点对目前w e b 技术来说绝对是个挑战； l m 由于c l i e n t s e r v e r 方式必须安装客户端软件，系统相对封闭，这反而使它的保 密性能由于w e b 方式。 综上所述，由于本系统的设计目标是能够远程传送运行参数及光谱数据，对数据 交换实时性要求较高，同时需要安装客户端软件以提高系统的安全性和保密性，故最 终决定采用c s 方式来实现服务器和客户端的通讯。 1 1 江苏大学硕士学位论文 2 2 服务器客户端通讯协议的选择 2 2 1 基于t c p i p 协议的互联网络结构 t c = p p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c o l ，传输控制协议网络协议) 是发展至今最成功也是最通用的网络通信协议【1 2 1 。随着计算机的普及，t c p f l p 仪器开 放性的特点，成为了i n t e m e t 的基础，并通过i n t e r a c t 把全世界数以千万的计算机连接 在了一起。 基于t i ：彰i i l 协议的i n t e r a c t 通常被分为四层，每一层负责的功能如下： 1 1 链路层有时被称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备 驱动程序和计算机中对应的网络接口卡，它们一起处理与电缆( 或其他任何传输媒介) 的物理接口细节。该层包含的协议有a r p ( 地址转换协议1 和r a r p ( 反向地址转换协 议) ； 2 ) 网络层有时也被称为互联网层，负责分组在网络中的活动，包括i p ( 网际 协议) 、i c m p ( i n t e r a c t 互联网控制报文协议) 以及i g m p ( i n t e m e t 组管理协议) ； 3 1 传输层该层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的数据通信，它分为 两个不同的协议，即t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据 报协议) 。t c p 提供端到端的质量保证的数据传输，该层负责数据的分组、质量控制 和超时重发等，对于应用层来说，就可以忽略这些工作。u d p 则只提供简单的把数据 报从一端发送到另一端，至于数据是否到达或按时到达、数据是否损坏都必须有应用 层来做。这两种协议各有各自的用途，前者可用于面向连接的应用，而后者则在即时 性服务中起着重要的作用，如网络多媒体通信等； 4 ) 应用层该层负责处理实际的应用程序细节，包括大家都十分熟悉的t e l n e t ( 电子公告板) 、h t i t ( 超文本传输协议) 、s m t p ( 简单邮件传输协议) 、f t p ( 文件 传输协议) 、和s n m p ( 简单网络管理协议) 等著名协议。 t c p f l p 结构的运行如图2 4 ： 江苏大学项士学位论文 围2 4 通过t c p i p 和路由器连接的两个网络 2 2 2t c p i p 参考模型与o s l 参考模型的比较 为了实现各种网络的互联，国际标准化组织( i s o ) 铜j了开放系统互联( q s y s t e mi n t c r c o n n e c t i o n ，o s i ) 参考模型。所谓开放，就是只要符合o s i 标准，一个系统 可以和位于世界上的任何地方的同样遵守这一标准的其它任何系统互联。o s i 模型提 供了一个讨论不同网络协议的参考点。表2 - 1 给出t c p f l p 参考模型及与o s i 参考模型 的层次对应关系。 表2 - 1t c p i p 参考模型与o s i 参考模型的比较 0 s i 参考模型t c p i p 参考模型 应用层应用层 表示层 会话层传输层 传输层 网络层网络层 数据链路层 链路层 物理层 t c p i p 参考模型与o s ! 参考模型的共同之处是：它们都采用了层次结构的概念， 在传输层中二者定义了相似的功能。但是，二者在层划分与使用的协议上，有很大区 江苏大学硕士学位论文 别。o s i 参考模型将“服务”与“协议”定义结合起来，使得参考模型变得格外复杂，将 它实现起来是很困难的，严格按照层次模型编程的软件效率很低，不适合计算机与软 件的工作方式。 与t c p i p 参考模型相比较，o s i 的七层模型结构严密、功能强大而复杂。尽管 o s i 的体系结构从理论上讲是比较完整的，七个层协议也考虑得很周到，然而由于 t c p i p 实际应用的简便与灵活性，使得t c p f l p 协议的产品大量涌入市场，几乎所有 的工作站都配有t c p i p 协议。所以目前t c p f l p 协议成为计算机网络事实上的国际标 准。因此在本远程监控系统中都采用t c p i p 为网络编程参考模型。 2 2 3 传输层协议 在基于t c p i p 协议的i n t e r n e t 四层网络模型中，传输层协议的功能是建立并且维 护连接，这些协议主要是保证主机问的数据传输的安全性。在这个层中定义了两个协 议：t 凹和u d p 。 1 t c p t c p 的全称是t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，即传输控制协议。在网络通信传输 机制中，它属于“面向连接，可靠传输”的类型。这一点如果和u d p 进行比较就会看 得比较清楚。面向连接的传输意味着在进行通信以前，需要在两个系统之间建立逻辑 连接，在每个数据传输的过程中都需要进行应答以保证数据包的完整。这种方法需要 的网络开销较大，但可以保证数据传输的可靠性。 在常见的上层协议中，t e l n e t 、f i t 、s m t p 、h t l t 等都是使用t c p 作为基础的， 而一些简单的服务如e c h o ( 一种简单的回显服务，即客户端会从服务器端接受到自己 的发送包的拷贝) ，则可以使用t c p 也可以使用u d p 。 2 u d p u d p 的全称是u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，即用户数据报协议。它属于“面向无连接， 不可靠传输”的类型。该协议只负责接受和传送由上层协议传递的消息，它本身不做 任何检测、修改和应答，上层协议需要自己处理这些事务。 u d p 中，每个数据包成为“数据报”，它的包头只包括4 个域，主要是地址信息 与包的长度和校验信息。与此对应，t c p 包的头信息有1 0 多个域。因此它的网络开 销一般要小于1 p 。 由于u d p 在传送数据过程中没有建立连接，而且不进行检查，因此在优良的网络 1 4 江苏大学硕士学位论文 环境中，其工作的效率较t c p 要高。目前使用u d p 工作的软件主要是各种在线聊天 软件，如o i c q 等。由于u d p 自身的特点，也同时成为了网络广播的首选协议。传统 的n f s ( n e tf i l es y s t e m ，网络文件系统) 使用u d p ，当然从n f sv 3 0 版本开始同时 支持- i 仰和u d p 。 2 工4 传输层协议的选择 t c p i p 体系结构为传输层制定了传输控制协议f r c p ) 和用户数据报协议( u d i p ) 。 u d p 提供无连接的数据报协议，为应用程序发送和接收数据报。一个数据报是从发送 方传输到接收方的一个信息单元。数据报以独立包的形式传送，服务不提供无错保证， 数据可能丢失、重复或失序，数据报的长度也受一次处理最大长度的限制( 默认值为8 1 9 2 字节，最大值为3 27 6 8 字节1 ，不进行包的拆分和重组操作。与t c p 不同的是， u d p 是不可靠的，它不能保证数据报能安全无误地到达最终目的地。而- i p 协议是 一种可靠的全双工的字节流的面向连接的协议，t c p 和u c p 相比传输可靠、数据无差 错、无重复，可按发送顺序接收，数据为字节流，其长度不受限制，为用户提供虚电 路服务，并为数据的可靠传输提供检验。 在选择远程监控系统通信协议时，应从4 个方面来考虑，即实