（通信与信息系统专业论文）基于cs模式的三容水箱远程实验系统的设计与实现.pdf

摘要 远程控制系统是计算机通信技术在控制学科的重要应用，它能实 现资源共享，在线监测，故障诊断等功能，具有广阔的前景。文章以 三容水箱液位控制系统为对象，以构建方便简单的网络实验室为目 的，结合远程控制技术，v c + + 面向对象技术，采用c l i e n t s e r v e r ( c s ) 模式，实现了对三容水箱的远程控制。该系统的硬件由远程控制计算 机、因特网、主控计算机和三容液位控制系统等组成，软件由远程控 制软件和本地控制程序组成。论文的主要内容如下： 首先介绍了远程实验系统的研究背景和研究意义，结合国内外发 展现状和应用情况，确定了主要研究任务。通过对c s 与 b r o w s e r s e r v e r ( b s ) 两种体系结构进行分析比较，提出了采用c s 模式 设计三容水箱远程实验系统。阐述了基于t c m p 协议套接口的特点， 指出了适合用于处理大量数据的字节流套接口是该系统的主要网络 编程接口。 然后对远程实验系统的软件设计过程和设计方法进行了详细的 说明，本系统以v c + + 6 0 软件为基础，利用w i n s o c k e t 完成了客户端和 控制服务器端的通信程序设计，实现了基于c s 结构的三容水箱远程 控制系统。客户端主要完成连接服务器、用户登录、向服务器发布控 制指令、参数设置、接收服务器传送过来的数据和曲线显示等功能； 服务器端主要完成指令接收、数据库和控制算法实现等功能。系统以 s q ls e r v e r 2 0 0 0 为数据库管理软件，结合a c t i v e xd a t ao b j e e t s ( a a g o ) 技术实现对数据库的访问。 最后通过对系统进行多次实验，调试和修改程序，完成了三容水 箱远程实验系统的联机实验并取得了预期的结果。试验结果证明了该 方案的有效性与可行性。 关键词：远程控制，c s 模式，w i n s o c k e t 通信，数据库，三容水箱 a bs t r a c t r e m o t ec o n t r o le x p e r i m e n ts y s t e mi sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o no f c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h et e c h n o l o g yo fc o n t r o l ；i t t a k e sg o o da d v a n t a g eo ft h e1 i m i t e dr e s o u r c ei n t of u uu s ew h i c hi sw i t h e x t e n s i v ef o r e g r o u n d 1 1 1 ea r t i c l ed e s i g n sap r i m a r yr e m o t ee x p e r i m e n t a l s y s t e mo f t h r e e - t a n kw a t e rc o n t r o ls y s t e ma n dr e a l i z e si t t h eh a r d w a r e o ft h es y s t e mi sc o m p o s e do fr e m o t ec o n t r o lc o m p u t e r ，i n t e m e t ，c o m p u t e r , h o s tc o m p u t e ra n dt h r e e t a n kw a t e rc o n t r o ls y s t e m ，e t c ：t h es o f t w a r ei s c o m p o s e do fr e m o t ec o n t r o ls o f t w a r ea n dl o c a lc o n t r o lp r o g r a m t h ea r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e o fr e m o t ec o n t r o l e x p e r i m e n t a ls y s t e m a n di t i d e n t i f i e si t sm a i n r e s e a r c h i n gt a s kc o m b i n e dw i t ht h et e c h n o l o g y ss t a t eo fd e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o nh o m ea n da b r o a d t h e n ，t h ea r t i c l ep r o p o s e st h a tt h e t h r e e - t a n kw a t e rl o n g d i s t a n c ec o n t r o ls y s t e ms h o u l da d o p tc sm o d e a f t e rc o m p a r i n ga n d a n a l y z i n gt h ec sa n db sm o d e n e x tt h ea u t h o r d e s c r i b e st h ef e a t u r eo fw i n s o c k e tb a s e du p o nt c p i pp r o t o c o l ，a n d i n d i c a t e st h a tt h eb y t es t r e a ms o c k e tw h i c hs u i t sf o rd i s p o s i n gl a r g e a m o u n t so fd a t ai st h em a i nn e t w o r kp r o g r a m m i n gi n t e r f a c ef o rt h e s y s t e mt op r o g r a mt h en e t w o r kl o n g - d i s t a n c ec o n t r o ls o f t w a r e t h es y s t e mi sb a s e do nv c + + 6 0s o f t w a r e a n di tm a k e su s eo f w i n s o c k e tt oa c c o m p l i s ht h ec o m m u n i c a t o rd e s i g no ft h ec l i e n ta n dt h e c o n t r o ls e r v e r , a n di tr e a l i z e st h et h r e e - t a n kw a t e rr e m o t ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ec ss t r u c t u r e t h ec l i e n tm a i n l yf u n c t i o n sa su s e r sl o g g i n g o n ，e x p e r i m e n tb e s p o k e ，s e n d i n go r d e rt os e r v e r , p a r a m e t e rs e t t i n g , s e n d i n ga n dr e c e i v i n gt h ed a t af r o mt h es e r v e ra n dg r a p h i cd i s p l a y i n g ，e t c ； w h i l et h es e r v e rm a i n l yf u n c t i o n sa si n s t r u c t i o nr e c e i v i n g ，d a t ar e a l t i m e c o n t r o l ，t h er e a l i z a t i o no fc o n t r o la l g o r i t h m ，e t c 1 1 1 es y s t e mu s e ss q l s e r v e r 2 0 0 0a st h em a n a g i n gs o f t w a r eo fd a t ab a s e ，v i s i t st h ed a t ab a s e w i t hv c ，a n dc o n n e c t st h ed a t a b a s ew i t ha d o t e c h n o l o g y t h ea r t i c l em a k e sac l e a re x p l a n a t i o nt ot h ep r o c e s so ft h es o f t w a r e d e s i g na n dt h em e t h o do ft h ec o n t r o ls y s t e m i tg o e st h r o u g hm a n yt i m e s o fe x p e r i m e n t i n g ，p r o g r a md e b u g g i n ga n d m o d i f y i n ga n di ta c c o m p l i s h e s t h et h r e e t a n kw a t e rr e m o t ec o n t r o ls y s t e ma n dr e a l i z e st h ee x p e c t a n t o u t c o m e t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o je c t ，a n d i i p o i n t so u tt h ew a y si nw h i c ht h es y s t e ms h o u l di m p r o v ei nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：r e m o t ec o n t r o l ，c sm o d e l ，w i n s o c k e tc o m m u n i c a t i o n ， d a t a b a s e ，t h r e e t a n kw a t e rc o n t r o ls y s t e m i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：煎：j ! 墨日期：堕年上月卫日作者签名：队1 岔日期：刎年岁月歹6 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：型导师签名日期：旦年三月丛日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 计算机和网络技术给现代社会的改变是划时代的，这一点同样表现在控制系 统的发展上。控制系统的发展大致经历三个阶段，分别是经典控制理论阶段、现 代控制理论阶段和计算机控制阶段。在现代控制理论阶段，随着生产力向大型化、 连续化的方向发展，原有的简单控制系统已经不能满足要求，自动控制技术及相 关的工业技术面临着挑战，现代控制理论应运而生，并在许多尖端技术领域取得 了相当大的成功，该阶段的控制已经从事物外部现象深入到系统的内在规律，从 局部简单控制进入到在一定程度内的全局最优控制，在结构上从简单闭环系统扩 展到自适应环、学习环等；而到了计算机控制阶段，计算机功能的增加和可靠性 的提高，使得它在自动控制领域内大量应用，该时期里出现了分布式控制系统， 并且产生了第三代控制理论，即大系统理论和智能控制理论，非线性系统、分布 式参数系统、随机控制以及容错控制、模糊控制等也在理论上和实践中得到了发 展【l j 。自动控制系统已突破了局部控制的模式，进入到全局控制，达到了控制管 理一体化的新模式。 伴随着控制系统的发展，许多先进的技术被运用到网络中来，产生了许多类 型的控制系统。如直接数字控制系统，监督计算机控制系统，分布式控制系统和 现场总线控制系统。前两者处于计算机技术发展的早期阶段，己被分布式控制系 统和现场总线控制系统所代替，后两者以现代网络通信技术为基础，采用先进的 控制策略，使得计算机控制系统朝着低成本高自动化的方向发展。 控制网络技术从5 0 年代开始，经历了从模拟到数字、从集中到分散的过程， 现在正朝着全分散、全数字、全开放的控制网络系统方向发展。目前，计算机网 络技术发展非常迅速，计算机网络技术是计算机技术与通信技术的结晶，随着网 络技术的发展，各种类型的远程控制系统被用来不断的扩大人类的控制距离。 远程控制系统往往要控制比较复杂的工业过程，要注重控制的鲁棒性、实时 性、容错性以及对控制参数的自适应和学习能力。作为现代工业技术的一个重要 支撑技术与组成要素，远程控制技术近年来越来越受人们的重视。 然而一旦远程控制技术运用在所谓“黑客程序刀，比如我们熟悉的特洛伊木 马，则会对企业、国家和广大网民的网络资源安全构成极大的威胁。所以，远程 控制技术就像一把双刃剑，它既给我们提供了前所未有的方便，是一种重要而且 便利的控制方法，也可能给人们带来巨大的信息安全问题 2 1 。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 远程控制简介 远程控制技术是计算机网络技术渗透到控制领域的结果。远程控制是指本地 计算机通过网络系统实现对远端对象的监测和控制。具体地说，远程用户发送各 种控制命令和设置参数通过i n t e m e t 传送到本地的控制系统上，本地控制系统执 行该指令后，把控制结果再返回给远程用户。通过网络传送的控制指令和参数到 现场控制的计算机，就可以控制和监视现场设备的运行状态，控制者不必亲临现 场，这样能够节省人力物力【3 】。 1 1 1 远程控制基本原理 远程控制软件实际上是一种客户机服务器程序，服务器程序安放在被控制 的计算机端，客户机程序安装在控制端。在客户端和服务器端都安装成功之后， 客户端在网络上搜寻已经安装了服务器的远程计算机，客户端发送指令获得服务 器端的连接指令，两台计算机建立起连接，可以通过网络的互连协议t c p i p 进 行远端控制，远程控制基本原理如图1 - 1 所示。 客户端服务器端 一发起连接 启动服务器程 序 j 输入用户名与密码 咚 i n n 返回结果：成功或者失败卜多三 ， 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 远程控制步骤如下： ( 1 ) 服务器运行服务器端程序，使服务器端的某个端口处于监听状态，这样 服务器就时刻处于侦听远程计算机连接请求状态。有的远程控制软件还会在服务 器端程序中指定要等待连接的用户或计算机，其它用户或者计算机的连接请求不 会被接受。 ( 2 ) 当服务器端程序运行后，客户端在本地计算机中运行相应的远程控制程 序的客户端，通常在运行这个程序时会指定要连接的服务器端计算机名或i p 地 址，程序运行后就会向所有网络搜索指定的计算机或i p 地址。 ( 3 ) 搜索到指定的计算机后，客户端计算机就向服务器指定端口发出t c p 连 接请求，如果服务器端计算机同一端口处于侦听空闲状态，则服务器接受客户端 的连接请求，并根据设定的不同，向客户端发出接受请求确认信号，并同时向客 户端发出登录用户信息对话框。 ( 4 ) 客户端输入登录信息并确认后，就会向服务器发送信息，服务器收到客 户端发送来的用户信息后，开始对客户端所输入的信息进行合法性确认，如果不 符登录条件，则拒绝用户的连接。 ( 5 ) 如果服务器确认客户端所输入的用户符合登录本服务器的条件，则服务 器允许客户进行进一步的连接，这样，整个远程控制的连接过程就完成了。随后 要根据不同的远程控制软件，进行不同的远程控制操作。 客户端一旦连接上远程服务器，这时客户端就好比远程服务器的一个超级用 户，可以直接控制远程服务器【4 】。 1 1 2 基于因特网远程控制的特点 远程控制给人们的生活和工作带来了空前的方便，但同时也在安全和管理方 面对r r 人员提出了新的要求，一个好的远程控制软件必须满足一些重要的准则 【3 5 】： ( 1 ) 支持已有的网络基础结构。远程控制解决方案应该支持已有的网络基础 结构，支持流行的操作平台，支持各种网络环境和连接方式。 ( 2 ) 有力维护网络的安全性。由于远程控制软件允许对用户的被控端计算机 进行远程访问，因此就可能将计算机暴露给未授权的用户进行访问。这将使入侵 者能够访问该计算机上的机密信息，并经由该计算机获得所有网络资源。远程控 制软件应该保护被控端计算机，防止任何未经授权的访问。 ( 3 ) 提高工作效率。为了让用户和技术人员能够加快解决问题的速度并减少 失误，远程控制软件产品必须保证快速的连接和高性能：客户端用户必须能在网 络上方便地找到服务器，在远程控制时实现友好的交互非常重要，可以加强客户 端的用户与服务器端的管理人员的交流【5 】。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 远程控制软件应该易于与其他系统集成，以便提供最有效的操作。例如， 技术人员应该能将远程控制软件集成到其他系统中。虽然一些系统含有远程控制 工具，但是这些工具的功能和使用范围有一定的局限。 1 2 远程控制在实验教学的应用及目前的研究现状 远程控制给人们带来了前所未有的方便，相关技术运用在教学方面，也给教 育带来了新的实验模式基于i n t e m e t 的远程实验。 远程实验给学生提供了必要的实际动手能力的锻炼。对于工科院校的学生， 综合性的自主实验是提高实际技能的一个重要方式，而远程实验能够摒弃以往 “仅仅是验证性的，都是老师安排好的 这种传统的实验方案。为了实现远程实 验教学这一新的教育模式，国内外不少大学及科研院所投入了大量的人力物力进 行远程实验技术的研究，并取得了很多有意义的成果。 目前，国内已经开始了基于i n t e m e t 的远程实现系统方面的研究。中国科技 大学物理系研制了一套基于i n t e m e t 的扫描探针显微镜( s p m ) 远程控制系统。该系 统分为四部分：客户端、服务器、s p m 仪器端、视频监视系统。由于设备复杂、 贵重，其中客户端分为两种类型，一类是实验主控操作人员程序端，用于对设备 进行远程操作，采用基于t c p i p 协议的c s 结构对s p m 进行操作运行；另一类是 观众客户端，这部分程序是基于h t t p 协议和c g i 的浏览器，提供给普通用户观 看实验过程。服务器和s p m 仪器端通过自行设计的d s p 控制器组成一套完整的 s p m 反馈系统，该实验系统在京沪两地试用，获得了良好的实验效果。 大连理工大学机械工程学院研制的远程控制快速成型加工系统，其设备对象 是数控加工机床。该系统采用基于w i n s o c k t 的c s 编程模式，客户端用户输入加 工参数及各种命令，网络只需负责将数据量不大的参数传递到加工服务器端。服 务器端负责完成s t l 文件的分层参数设置和分层处理工作，并在快速成型系统上 生成底层数控代码。从而可以实现远程加工及结果显示。 上海交通大学电子信息学院研制了一套机器人远程控制系统。该系统基于 c s 模型的远程控制，实现对机器人的运动及产品加工控制。文中介绍了介于远 程客户端和机器人之间的机器人控制器( 服务器) 的详细设计。客户端和服务器 上以完全对接的自定义r p c ( 远程过程调用) 为通信协议基础。客户端发出的请求 先调用r p c 存根函数，存根函数将请求转换为调用请求和变元进行网络传输，服 务器接收到数据后再调用r p c 存根函数转换为输出命令。两个过程分别称之为信 号编集和信号逆编集。由于带宽的限制，该系统主要用于局域网的远程实现。 虚拟实验室的研究、开发也得到了应有的重视。目前已有部分高校初步建立 了相关专业的虚拟实验室。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 系统；华中科技大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展 示，供远程教育之用。四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电 台二线综合测试仪”，将8 台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统；淮海工学院 电子工程系创建的虚拟实验室，主要用于辅助实验教学，学生通过w e b 浏览器 可以查阅和学习相关器件、仪器设备资料及使用方法，以及相关实验项目和实验 方法；中国科学技术大学人工智能与计算机应用研究室最新研制出我国第一套虚 拟现实教学软件“几何光学实验设计平台一该系统完成光学虚拟实验室的设计， 通过实验所提供的一系列光学仪器，学生可以基本完成所有的单透镜实验和组合 透镜实验【6 j 。 在国外，早在1 9 8 9 年美国维吉尼亚大学( u n i v e r s i t yo fv i r g i n i a ) 的w i l l i a m w o l f 教授就提出了合作实验室( c o l l a b o r a t o r y ) 概念并称其为“无墙的研究中 心 。提出该类型实验室的目的是为开发一个分布式计算机系统，让分布于世界 各地的科学家们可以相互共享各自的资源( 如设备、信息、数据和人才等) 。其实 这就是现在人们常说的网络实验室【5 】。 美国的t e n n e s s e ea tc h a t a n o o g a 大学的j i mh e n r y 设计的网上工程实验室提供 了一系列远程控制实验，如压力控制、液面控制、温度控制、速度控制实验等。 这个远程实验系统是由一台w e b 服务器和五台客户机构成的。每台客户机上都运 行用l a b v i e w 编写的软件，并与一套实际的实验设备相连。当用户通过i n t e m e t 访问w e b 服务器时，首先需要选择控制参数，然后w e b 服务器把这些参数写入文 件传送给相应的客户机。客户机收到这些参数后，通过数据采集卡来控制相连的 实验设备完成实验，并把实验数据传回给w e b 服务器。服务器根据这些数据生成 实验结果图返回给用户r 7 1 。 美国的巴尔摩( b a l t i m o r e ) 约翰霍普金斯大学的化学工程系的卡尔威教授在 电脑网络上建立了一个“虚拟实验室刀，在电脑上模拟各种实验，让工程系统的 学生通过电脑网络来完成实验。 新加坡国立大学( n u s ) 虚拟实验室通过b s 方式允许用户通过i n t e m e t 进行 远程操作控制，实现昂贵的设备共享。远程实验室的服务器端l a b v i e w 虚拟仪 器软件实现对实验设备的控制，服务器与实验设备之间通过r s 2 3 2 接口或 i e e e 4 8 8 2 总线进行连接。为了能让用户直观地观察到实验现象，远程实验室采 用视频会议技术向用户反馈视频和音频信息【8 】。 上述提到的是国内外远程控制实验系统的典型实例，这些系统共同特点是： ( 1 ) 整个系统主要分为三个部分：客户端、服务器端和控制对象。有的系统 加上一个视频或音频部分。 ( 2 ) 服务器和控制对象之间通过串口、数据采集卡或者专用总线进行通信。 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 客户机和服务器之间通过基于t c p 协议或者h t t p 协议的应用程序进行 通信。 1 3 选题的目的及意义 实验教学在整个教学环节中具有对理论知识进行验证、通过对理论知识的深 入理解的基础上进行进一步创新研究这两方面作用。高校为国家培养的人才不仅 要求理论知识扎实，同时还应具备一定的专业技术应用能力。这就要求学生在校 期间除了要接受课堂教育，还要受到系统的工程实践训练。实践证明：开展实验 教学有利于培养学生分析闯题和解决问题的能力，巩固和加深对理论知识的理 解。 近年来随着高校办学规模的不断扩大，教学实验设备己逐渐不能满足当前高 校的发展步伐。实验室场地不够，学生做实验只能分批、分时复用实验设备。学 生的理论知识学习与实验验证难以同步进行。很多高校采用实验录像带的形式或 者学生分组观看实验的形式让学生对那些贵重的、套数较少的设备实验能有一个 初步的了解。但这些只能让学生“看 而不能“做”的实验方式对学生工程实践 能力的培养是不利的。学生在学习过程中缺少“理论结合实践的实验平台让很 多学生毕业之后知识水平只局限于数学公式的推导和一些孤立的课程知识点，而 缺乏实际动手能力。由于资金和场地问题，学校是很难批量购买这些贵重或体积 庞大的实验设备。于是，怎么有效的利用这些贵重的设备成了人们关注的焦点问 题。 本课题研究的目的是，研究出一种适合高校教学的，针对自动化专业的远程 教学实验系统，以促进教学改革和资源共享。我们选择当前自动化技术实验中的 一种典型的控制系统三容液位系统作为远程控制对象，该系统完善后再扩展 到实验室其他的控制对象，比如倒立摆，磁悬浮，甚至四旋翼飞行仿真器系统。 该远程实验系统同传统的实验系统相比，优势是非常明显的，主要有如下几点： ( 1 ) 无时间和空间的限制，灵活性高。因i n t e m e t 的无处不在，远程控制用 户可以不受地理条件的限制，只要找到与i n t e m e t n 的互联的插口，就可以控制 远端的设备，老师和学生可以在自己合适的时间、地点进行访问，在学习模式上 最直接体现了学习和主动学习的特点，充分体现了发展中的现代教育和终身教育 的基本要求p j 。 ( 2 ) 资源共享，节省费用。i n t e m e t 广泛的应用到各个领域，所以远程控制 系统采用i n t e m e t 为传输通道，可充分利用现有i n t e m e t 网络资源，当实验设备或 者实验老师的缺乏限制了学生的实验需求时，远程实验系统可以很好的解决这个 问题。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 发展性强。i n t e m e t 技术具有强劲的生命力，经过几十年的发展，已经 形成十分巨大的硬件、软件资源，并在不断的发展完善，基于i n t e r a c t 的远程控 制技术也将随之不断的发展完善【1 0 1 。 总之，远程控制技术将计算机、控制和信息网络技术相结合，运用在教学上， 可以有效地解决因为设备缺乏而无法做实验的困难，实现资源共享。三容水箱是 经典的自动控制教学设备，也是一种昂贵的实验器材，因此开发三容水箱远程实 验系统有着很重要的实际意义。 1 4 本文的章节安排 本文的主要工作包括以下几个方面：首先，阐述了远程控制的基本原理，国 内外远程实验系统的发展现状，总结了目前远程实验系统的主要特点以及研究意 义。详细阐述了系统数据库和通信模块的实现，这也是完成远程实时系统的关键 技术。最后，分别给出了客户端子系统和服务器子系统的设计方案，并对实现上 述子系统所采用的技术方法进行研究，列出了实现过程，分析了实验结果，具体 的章节内容如下： 第一章介绍了远程控制的基本原理、特点，远程控制在实验教学上的应用和 国内外的研究现状以及选题的目的和意义； 第二章首先简单介绍了远程实验系统的网络体系，然后通过对c s 与b s 两种 体系结构进行研究分析后，提出该控制系统采用c s 模式，接着针对c s 模式设计 了系统客户端和服务器端的数据流程，最后介绍了c s 模式下网络通信的实现基 础，其中包括了通信协议、编程软件以及套接口的选择； 第三章详细阐述了系统数据库和通信模块的实现，包括数据库的设计、数据 库里主要的表结构、如何利用v c 来访问数据库以及通信模块里w i n s o e k e t 中主要 函数的功能，客户端与服务器端通信功能的程序实现过程： 第四章详细介绍了客户端与服务器端软件设计过程和设计方法，包括客户端 与服务器端的主要功能、设计步骤及实现方法，这是远程实验系统的核心部分； 第五章是全文的总结以及对未来工作的一些建议。 1 5 本章小结 本章介绍了远程控制的基本原理，远程控制的特点，远程控制在实验教学上 的应用以及远程实验国内外的研究现状，简单的介绍了选题的目的和意义，最后 做了文章主要内容的安排。 7 中南大学硕士学位论文 第二章远程实验系统总体设计 第二章远程实验系统总体设计 2 1 远程实验系统网络体系 将远程实验系统体系结构经过抽象，建立相应的网络结构模型，如图2 - 1 所 示，由图可以看出，该远程网络系统由五层组成。分别是信号采集层，输入输 出接口层，现场处理层，网络管理层，终端客户层。 图2 1 远程控制网络体系图 ( 1 ) 信号采集层 该层主要由智能数据采集模块、传感器、执行元器件构成数据采集前端，其 任务是把非电量信号转换为电量，或把电量转换成i o 接口( 输入输出) 仪器 设备可以识别的信号范围，并传送给数据信号采集终端，再通过相应的功能模块 向外传输信号【l l 】。 ( 2 ) 输入输出接口层 该层主要包括各种数据采集板卡，可扩展模块等，通过标准的总线把数据送 往现场处理层的计算机作进一步的数据格式化处理。 ( 3 ) 现场处理层 该层的作用是对整个系统所采集的数据进行处理、存储，并提供查询、打印 等功能。它是系统的核心层，该层的主要设备是计算机、打印机等。通过该层， 可以将本系统的数据提供给其它管理系统使用。该层将直接面对设备管理员的操 作。 中南大学硕士学位论文 第二章远程实验系统总体设计 ( 4 ) 网络管理层 该层由应用服务器和数据库组成，主要面向具有管理和调度权限的管理人 员。服务器和数据库实现对网络的管理和控制，与现场数据处理层的通信、与终 端客户层的通信。 ( 5 ) 终端客户层 该层面向测控网络的用户，他们通过网络来访问服务器上的信息，实现预定 的控制任务。在实际过程中，有多个客户可以同时登陆，进行网络操作，但在同 一时间内只能由一个客户来进行远程控制物理设纠1 2 1 。 2 2 远程实验系统体系结构分析 体系结构是用来定义一个系统的结构及系统成员间相互关系的一套规则。远 程控制系统的实现过程实际上是一套应用程序的开发过程，应用程序包含演示代 码、数据处理代码和数据存储代码等几部分，应用程序的体系结构因程序代码的 包装方式的不同而不同。远程控制系统体系结构中，人们熟悉的有两种模式：c s 模式( 客户服务器模型) 和b s 模式( 浏览器服务器模式) 。c s 模式是8 0 年代出现 的一种模式，发展到现在已非常成熟。随着i n t e r a c t 技术的发展，以w e b 技术为基 础的b s 模式已日益显现出其先进性，但其与c s 模式相比，还不够成熟i l 引。下 面我们来简单的了解一下这两种体系结构的特点。 2 2 1c i i e n t s e r v e r 体系结构 客户月艮务器模型是常用的网络体系结构，网络通信要求在两台计算机或互 相对话的两个程序之间建立网络连接。网络连接包括通信进程的两端以及它们之 间的通道。客户服务器模型将网络应用程序分为两部分：客户部分和服务器部 分。网络连接的客户方向服务器方请求提供服务和信息，服务器方对客户方的请 求做出响应。也就是说，在客户服务器模型中，网络应用程序完成两个独立的 和定义好的功能：请求信息和对请求信息做出响应。请求信息是客户端应用程序， 对请求信息作出响应的程序充当服务器程序【1 4 j 。 传统的c s 是建立在点对点的连接上。它采用客户应用进程与服务器应用进程 共同去实现应用系统的用户界面处理、业务逻辑、数据处理等功能。用户界面由 客户应用进程实现，业务逻辑由客户和服务器联合完成，数据服务由服务器进程 承担。传统的c s 模式如图2 - 2 所示。这种体系结构最初的出现是为了缓解主机 终端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，来提高应用的计算效率。于是将主机要做的一部分工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，这一点已经构不成什 9 中南大学硕士学位论文 第二章远程实验系统总体设计 么问题了。 厂 服务器程序 苗 控制三容水箱的 重 服务器端软件 | 卜程序 、y u 数据库程序 图2 - 2e l i e n t s e r v e r 体系结构 c s 体系的优缺点非常明显，我们简单的介绍一下该体系的优缺点。c s 结构 的优点： ( 1 ) 客户端功能强：客户端响应速度快、能力强，很多工作可以在客户端处 理后再提交给服务器。 ( 2 ) 数据共享：数据从客户端分离出来并且被存储在所有用户都可以访问的 服务器位置，因为数据被存储在服务器上，即减少了数据的冗余。 ( 3 ) 无需副本便于维护：因为数据被集中存储，故其维护变得较容易。数据 没有副本，在数据存储中消除了数据的不一致性【1 5 1 。 缺点主要有以下几个： ( 1 ) 比较适用于局域网。而随着互联网的飞速发展，移动办公和分布式办公 越来越普及，这需要我们的系统具有扩展性。这种方式远程访问需要专门的技术， 同时要对系统进行专门的设计来处理分布式的数据。 ( 2 ) 客户端需要安装专用的客户端软件。首先涉及到安装的工作量，其次任 何一台电脑出问题，如病毒、硬件损坏，都需要进行安装或维护。还有，系统软 件升级时，每一台客户机需要重新安装，其维护和升级成本非常高。 因此，c s 模式的控制系统一般建立在专用的网络上，适用于小范围里的网 络环境，局域网之间再通过专门服务器提供连接和数据交换服务，该种控制系统 一般面向相对固定的用户群，对信息安全的控制能力比较强。 2 2 2b r o w s e r s e r v e r 体系结构 随着i n t e m e t 技术的不断发展，尤其是基于w e b 的信息发布和检索技术，导致 了整个应用系统的体系结构从c s 的主从结构向灵活的分布式结构演变，这一演 变给体系结构在当今以w e b 技术为核心的信息网络的应用赋予了新的内涵，这种 l o 罔u 客罔u 。i 中南大学硕士学位论文第二章远程实验系统总体设计 新型的分布式结构就是浏览器服务器( b r o w s e r s e r v e r ) 结构。结构示意图如下： 图2 - 3 基于聊w 模式的b s 体系结构 b s 模型是一种以w e b 技术为基础的新型网络模式。它有三层，第一层是用户 和系统的接口程序，一般为通用的浏览器软件，如微软的i e 等。在这一层，用户 不仅可以浏览信息，而且还可以通过表单实现和服务器的交互功能。第二层是 w e b 服务器将启动相应的进程响应浏览器的请求，和数据库服务器进行交互处 理，然后将请求的结果返回给浏览器。第三层的任务类似于c s 模式，负责协调 不同的w e b 服务器发出的请求。 基于w e b 的浏览器服务器( 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。与c s 相比，采用b s 模式的体系结构 具有以下优点： ( 1 ) 界面统一( 全部为浏览方式) 、操作相对简单：客户端只需安装单一的浏 览器软件( 如正，不需要像c s 结构中那样安装客户端软件、应用软件等，操作界 面简单统一，这样不但可以节省客户机的资源，而且使安装过程更加简便【嘲。 ( 2 ) 易于维护：由于客户端无需安装专用的软件，对应用系统进行升级时， 只需更新服务器端的软件，用户从网上自己下载安装就可以实现升级，实现了系 统的无缝升级，减少了系统维护与升级的成本与工作量，使用户消耗的总体成本 大大降低【1 7 】。 ( 3 ) 易于连接、扩展性好：由于w e b 支持底层的t c p i p 协议，w e b 网几乎可 以与目前所有的局域网相连，解决了异构系统间的连接问题；同时b s 模式由于 采用标准的t c p i p 、h t t p 协议，它可以使网管系统与i n t e r n e t 有机结合，具有良 好的扩展性。 ( 4 ) 信息共享度高：由于b s 模式是“瘦客户端 ，使系统开放性得到很大 中南大学硕士学位论文第二章远程实验系统总体设计 改善，系统对访问的用户数的限制有所放松，同时h t m l 是数据格式的一个开放 标准，目前大多数流行的软件均支持h t m l 通用因特网邮件扩展技术使得浏览器 可以访问多种格式的文件f l s j 。 但是，在近几年的应用中，b s 体系结构也暴露出了许多不足地方，具体表 现在以下几个方面： ( 1 ) 由于浏览器只是为了进行w e b 浏览而设计的，当其应用于w e b 应用系 统时，许多功能不能实现或实现起来比较困难。 ( 2 ) 相对于发展己非常成熟c s 的一系列应用工具来说，某些技术没有完全 成熟，开发复杂，从而给升级和维护也带来了不便。 ( 3 ) h 1 v r p 可靠性低有可能造成应用故障，特别是对于管理者来说，采用浏 览器方式时进行系统的维护是非常不安全与不方便的。 ( 4 ) w e b 服务器成为对数据库的难一的客户端，所有对数据库的连接都通 过该服务器实现。w e b j 艮务器同时要处理与客户请求以及与数据库的连接，当访 问量大时，服务器端负载过重。 因此，b s 模式控制能力相对较弱。从当前的技术水平看，b s 模式的控制系 统特别适用于系统同用户数据交互量不大且数据交换不频繁的情形。 2 2 3 本系统采用的体系结构 以上两种结构模式的比较可知，c s 模式技术成熟，但是应用维护和升级带 来了极大的不便，b s 模式虽然使用方便，也容易移植，但是不适合数据交换频 繁的系统。本文出于以下几个方面的考虑，采用c s 模式： ( 1 ) 软件开发基于c s 结构的系统最大优点是开发速度快。多数情况下，利 用c s 结构可以在比较短的时间内开发出一个使用方便的管理信息系统。目前c s 结构的系统开发工具有v c ，d e l p h i 等。利用这些先迸的开发工具，程序员从大 量繁杂的编程劳动中解脱出来，并且可以设计出十分友好的人机界面。b s 结构 的开发工具开发能力相对而言还不够完善。尤其在界面的设计、信息的组织、代 码的维护和重用方面也不够成熟。并且b s 体系结构在客户端对大容量数据进行 深层次分析、汇总、批量输入输出、批量更改的工作中容易出现困难。 ( 2 ) 系统性能c s 采用配对的点对点的结构模式，并运行于局域网中，局域 网的运行速度和稳定性相对于广域网来说要好，c s 结构的系统性能更多取决于 应用服务层的处理。而b s 结构的系统性能主要取决了网络速度。因为b s 结构的 系统一般运行于i n t e r a c t 上，目前i n t e m e t 的速度还远比不上局域网的速度，因此， b s 结构的系统性能一般都低于c s 结构的系统1 1 9 1 。 ( 3 ) 安全性c s 采用配对的点对点的结构模式，并采用适用于局域网安全 性比较好的网络协议。在安全方面，c s 体系结构可得到较好的保证，并且c s 1 2 中南大学硕士学位论文第二章远程实验系统总体设计 一般面对相对固定的用户群，程序更加注重流程，它可以对权限进行多层次的校 验，提供了更安全的存储模式，对信息安全的控制能力很强，一般比较机密的信 息系统采用c s 结构，尽管系统相对封闭，但这使它的保密性优于浏览器服务器 模式。 ( 4 ) 实时性出于实时性考虑，本文的实验系统运行过程中有大量数据更新和 实时处理，然而在b s 模式下，服务器和客户端之间的连接是一次性的，每当浏 览器向服务器提出请求之后，服务器和浏览器建立一次连接，将其需要的数据返 回后，断开本次连接。而当浏览器再需要数据时又需要重新和服务器建立连接 【2 0 】。 2 3 系统数据流程分析 整个远程控制系统采用c s 的体系结构，考虑到功能实现的模块化和界面设 计的方便，采用面向对象语言v i s u a lc 椭0 编程，利用w i n s o c k e t 实现客户端 与服务器端的通信，使用数据库实现数据的存储和管理功能。系统的主要数据流 程如图2 _ 4 所示： t c p 协议数据通 讯模块 返回数据 控制命令 存储数据 数据库存储处 理模块 读取数据 主 程 序 图2 - 4 系统数据流程示意图 上图中的主程序包括客户端程序和服务器程序，是整个系统的核心，客户 端的主程序通过通信模块发送控制命令给服务器程序，服务器程序接受控制命 令，启动本地控制程序，采集数据，数据库程序读取数据，并存储在服务器端 主程序里，服务器端主程序再通过通信模块将实时曲线返回给客户端。 2 3 1 客户端流程分析 客户端是远程控制者与被控设备之间进行交互的界面。它的主要功能包括用 户登录、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， 客户端流程图如图2 5 。 中南大学硕士学位论文第二章远程实验系统总体设计 回 图2 - 5 客户端流程图 首先用户在客户端登录，申请远程实验的控制权，如果没有申请到则继续等 待，由于远程实验设备一次只能由一个用户操作，也就是说只有排在队首的用户 有控制权，申请到控制权后，选择控制算法，设置系统参数。当客户设置好了参 数后，将系统参数流送往客户s o c k e t 。然后，客户s o c k e t 向专用服务器发出连 接请求，并建立s o c k e t 通道。这时客户s o c k e t 就可将系统参数流，按照参数发 送协议，组成s o c k e t 流