（信号与信息处理专业论文）基于modbus+tcp协议的远程监控系统应用设计.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于m o d b u st c p 协议的远程监控系统应用设计 摘要 近年来，远程监控系统在生产和生活中发挥着越来越重要的作用，电力、银行、交通 等场所对于安全防范和现场监控系统提出了更大的需求和更高的要求。在煤气抄表系统 中，随着科学技术的不断推进，传统的人工抄表费时费力，效率低下，已经不能满足信息 化、自动化的先进企业管理的需求。而目前，国内的智能化抄表系统的数据业务功能很单 一，远不能满足其对数据业务的智能化要求，因此，将远程监控系统融入到智能化抄表系 统中，研制具有远程设备参数读写、智能化监控、手机短信报警等功能的高效科学的智能 化抄表系统具有非常好的应用前景。 为克服传统远程监控系统工作效率低、可靠性不高、无法做到与上层信息管理层或决 策层的无缝连接、系统开放性不足、可扩展和可移植性不高等不利因素，本文采用了m o d b u s t c p 协议来实现远程监控系统的协议透明性，使不同厂商的设备在各个系统间都可以进行 无线通信。本文的主要工作和成果如下： 1 针对设备参数读取和视频数据传输对可靠性和实时性不同的要求，在应用层采用 m o d b u st c p 协议，在传输层采用t c p 协议来实现设备参数读取，在应用层采用r t p r t c p 协议，在传输层采用u d p 协议来实现视频数据传输。 2 针对s o c k e t 通信出现的异常情况，采用开启t c p 保活机制、发送心跳包、在传输 数据前先检测3 g 网络、c o n n e c t 超时自动重连等方法，实现了对s o c k e t 异常情况的及时 处理。 3 针对数据服务器与数据采集设备的通信协议不同，采用m o d b u st c p 协议实现协议 转换，使得数据服务器与数据采集设备能够无障碍地通信。 4 对多线程处理模式进行分析，根据系统的特点采用线程池技术来实现多线程的处 理。 5 针对短信收发技术的不同特征，对其进行分析，采用中兴m c 8 6 3 0 模块a t 指令实 现手机中文短信收发，使得在数据服务器读取设备参数出错时能自动发送中文短信报警。 6 确定r t p 的封包大小，实现视频数据传输的r t p 打包发送，并采用r t c p 实现拥塞控 浙江工业大学硕士学位论文 制。 7 进行系统的集成测试并对测试结果进行分析处理。 最后，对全文进行总结，并对系统的不足和进一步的研究提出展望。 关键词：m o d b u s m o d b u st c p 协议，远程监控，设备参数读取，短信发送，视频传输 浙江工业大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o nd es i g n0 fr e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do nm o d b u st c pp r o t o c o l a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mi s p l a y i n ga ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h e p r o d u c t i o na n dl i v i n g t h ed e m a n da n dr e q u i r e m e n t so fs e c u r i t ya n do n s i t em o n i t o r i n gs y s t e m i np l a c e sl i k ee l e c t r i c i t y , b a n ka n dt r a n s p o r t a t i o na r eh i g h e r w i t ht h ec o n t i n u o u sa d v a n c eo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi nt h eg a sm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，t h et r a d i t i o n a lm a n u a li si n e f f i c i e n ta n d c a n tm e e tt h en e e d so fa d v a n c e de n t e r p r i s em a n a g e m e n t a tp r e s e n t ，t h ed a t af u n c t i o no f i n t e l l i g e n tm e t e rr e a d i n gs y s t e mi no u rc o u n t r yi ss i m p l e ，f a rf r o mb e i n ga b l et om e e ti t s i n t e l l i g e n tr e q u i r e m e n to fd a t as e r v i c e t h e r e f o r e ，i th a sav e r yg o o dp r o s p e c tt op u tt h er e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mi n t oi n t e l l i g e n tm e t e rr e a d i n gs y s t e ma n dd e v e l o pa t le f f i c i e n ts y s t e mt h a th a s f u n c t i o n ss u c ha sr e m o t ed e v i c ep a r a m e t e r sr e a d ，i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n ds m sa l a r m i no r d e rt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e ms u c ha sl o w e f f i c i e n c y , p o o rr e l i a b i l i t y , u n a b l et oa c h i e v eas e a m l e s sc o n n e c t i o nw i t ht h eu p p e rm a n a g e m e n t o rd e c i s i o n - m a k i n g ，l a c ko fs y s t e mo p e n n e s s ，p o o rs c a l a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y , t h i sp a p e ru s e s m o d b u st c pp r o t o c o lt oa c h i e v ep r o t o c o l t r a n s p a r e n c yo fr e m o t em o n i t o r i n g s y s t e m ，s o e q u i p m e n t sf r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r sc a nc o m m u n i c a t eb e t w e e nv a r i o u ss y s t e m s t h em a i n w o r ka n dr e s u l t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 f o rd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so nr e l i a b i l i t ya n dt i m e l i n e s so fd e v i c ep a r a m e t e r sr e a da n d v i d e od a t at r a n s m i s s i o n ，t h es y s t e mu s e sm o d b u st c pp r o t o c o la tt h ea p p l i c a t i o nl a y e r ，t c p p r o t o c o la tt h et r a n s p o r tl a y e rt or e a l i z ed e v i c ep a r a m e t e r sr e a d ，a n du s e sr t p r t c pp r o t o c o la t t h ea p p l i c a t i o nl a y e r , u d p p r o t o c o la tt h et r a n s p o r tl a y e rt or e a l i z ev i d e od a t at r a n s m i s s i o n 2 f o rt h ee x c e p t i o n so fs o c k e tc o m m u n i c a t i o n ，t h es y s t e mu s e sm a n ym e t h o d ss u c ha so p e n t h et c pk e e p a l i v e m e c h a n i s m ，s e n dh e a r t b e a tp a c k e t ，d e t e c t3 gn e t w o r kb e f o r et h e t r a n s m i s s i o no fd a t aa n da u t o m a t i c a l l yr e c o n n e c tw h e nc o n n e c tt i m e o u tt or e a l i z e t i m e l y p r o c e s s i n go ft h ee x c e p t i o n so fs o c k e tc o m m u n i c a t i o n 3 f o rd i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so fd a t as e r v e ra n dd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e ，t h e s y s t e mu s e sm o d b u st c pt oa c h i e v ep r o t o c o lc o n v e r s i o n ，s od a t as e r v e ra n dd a t aa c q u i s i t i o n d e v i c ec a ne a s i l yc o m m u n i c a t e 浙江工业大学硕士学位论文 4 a n a l y z i n gm u l t i - t h r e a d e dp r o c e s s i n gm o d e ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m ， t h es y s t e mu s e st h r e a dp o o lt e c h n o l o g yt oa c h i e v em u l t i - t h r e a d e dp r o c e s s i n g 5 a n a l y z i n gt h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h em e s s a g i n gt e c h n o l o g y , t h es y s t e mu s e sa t c o m m a n d so fz t em c 8 6 3 0m o d u l et or e a l i z es e n d i n ga n dr e c e i v i n gc h i n e s es m s ，w h e nt h e r e i sa ne r r o ri nr e a d i n gd e v i c ep a r a m e t e r s ，t h es y s t e mc a na u t o m a t i c a l l ys e n dc h i n e s es m st o a l a r m 6 d e t e r m i n i n gt h em t uo fr t pp a c k e t ，t h es y s t e mr e a l i z e si 汀pp a c k e ts e n d i n go fv i d e o d a t at r a n s m i s s i o n ，a n du s e sr t c pt oa c h i e v ec o n g e s t i o nc o n t r 0 1 7 t e s t i n gt h es y s t e ma n da n a l y z i n gt h et e s tr e s u l t s f i n a l l y , s u m m a r i z et h i sp a p e ra n do u t l o o kt h ei n s u f f i c i e n ta n df u r t h e rr e s e a r c ho ft h es y s t e m k e yw o r d s ：m o d b u s m o d b u st o p ，r e m o t em o n i t o r i n g ，d e v i c ep a r a m e t e r sr e a d ，s m s s e n d i n g ，v i d e ot r a n s m i s s i o n 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 近几年来，监控系统在人们的日常生产和生活中发挥着越来越重要的作用，在我们身 边到处都有监控系统的存在，监控系统的发展也是日新月异，由功能单一的传统监控向功 能齐全的智能化监控发展。随着科技的高速发展，电力、银行、交通等众多场合和环境对 于安全防范和现场监控系统提出了更大的需求和更高的要求。人们对于监控系统的要求具 体体现在下列两个方面：一个方面是需要实施监控的范围越来越大，从电力、银行等系统 到普通的住宅小区都需要监控系统来提供便利和保证安全；另一个方面要求将监控系统与 智能化管理系统和网络系统等结合在一起，远距离传输、存储并自动处理海量数据，实现 资源共享，为高层决策者、管理人员和相关工作人员提供可靠、方便、有效的服务【1 】。因 此，远程监控系统符合信息产业的发展趋势，代表了监控行业的发展方向。 远程监控系统通过网络系统对位于远端的设备进行监控【2 1 ，包括读取远程设备参数、 对远程设备进行监控和维护等。采用远程监控系统后，管理人员不需要亲自到现场查看就 可以监视现场的运作状态，实现参数的设置与修改，查看是否发生故障并进行恢复等，为 管理人员的管理和维护提供了极大的便利。但传统的远程监控系统仍存在很多不足之处： ( 1 ) 传统监控系统长时间占用网络资源，使用成本较高，而且其数据传输速率较低，可 靠性不高；( 2 ) 无法与上层信息管理层进行无缝连接，即无法与上层无阻碍地传输信息； ( 3 ) 系统开放性不够，整个系统较为封闭，可扩展性和可移植性不好( 3 1 。 在这样一个信息化高速发展的时代，随着社会经济的不断发展，企业为了适应时代的 步伐不断进行信息化改造。目前大部分企业的监控系统仍位于单独应用的层面，或是通过 一些常用的现场总线将监控系统连成一个控制网络，实现现场设备的监控与通信【4 1 。但是， 上述这两种情况都局限于监控现场内部的、孤立的信息网络。在全球信息化的趋势下，企 业为了自身能够有更好的发展，必须改造这些不利于信息化、网络化和统一管理的缺陷， 实现开放性的远程监控系统。为了便于企业现场设备的统一监控和管理，必须实现现场总 线与上层信息网络的连通。 现场总线与以太网的互连问题是当今的一个研究热点，只有解决了现场总线与以太网 的互连问题，才能真正实现开放性远程监控系统。虽然国际电工委员会( i e c ，i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 己意识到形成统一标准现场总线的重要性与必要性，并要求 1 浙江工业大学硕士学位论文 不同厂商采用统一的制造标准，从而组成开放的互联网络【5 1 ，但是不同的行业有着不同的 需求，各种现场总线都有其适用的工业领域，很难制订一个统一的现场总线标准来迎合各 行业的要求，在经过长达1 6 年的现场总线标准商议后，现场总线依然没有形成统一的国 际标准，现阶段及今后一段时间内仍将处于多种现场总线标准共存的局面。目前世界上大 约有4 0 多种现场总线【6 1 ，其中使用较多的主要有基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、 德国西门子公司的p r o f i b u s 、德国r o b e r b o s c h 公司的c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ，控制 器局域网络) 、日本三菱电机和松下电工等公司的c c 1 i n k ( c o n t r o l & c o m m u n i c a t i o nl i n k ， 控制与通信链路) 、法国c e g e l e c 、s c h n e i d e r 等公司的w o r l d f i p ( w o r l df a c t o r y i n s t r u m e n tp r o t o c o l ，世界工厂仪表协议) 、美国r o s e m e n t 公司的h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l e r e m o t et r a n s d u c e r ，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议) 、美国 r o c k w e l l a u t o m a t i o n 公司的c o n t r o l n e t 和施奈德电气公司的m o d b u s 等。 ( 1 ) f f f f 由现场总线基金会组织开发，是一种全数字、串行、双向的通信协议【7 1 。f f 以德 国标准( d i n l 9 2 4 5 ) 和欧洲标准( e n 5 0 1 7 0 ) 为保证，以i s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o r s t a n d a r d i z a t i o n ，国际标准化组织) 定义的o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c f i o n ，开放系统互 联) 为基础。f f 通信模型的物理层、数据链路层和应用层分别为o s i 的相应层次，同时在 f f 的应用层上增加了用户层【6 1 。f f 有低速h 1 和高速h 2 两种通信速率，是为过程自动化 系统在功能和技术上的需求专门设计的。 ( 2 ) p r o f i b u s p r o f i b u s 有三个组成部分：p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s f m s 8 1 。p r o f i b u s 以国 际标准( e n 5 0 1 7 0 ) 为保障，并在众多系统中得到应用，具有国际化、开放性、不依赖设 备生产商的特点。p r o f i b u s d p 适用于工厂自动化，p r o f i b u s p a 适用于流程工业， p r o f i b u s f m s 适用于工厂级或车间级的监控网络。 ( 3 ) c a n c a n 也是建立在o s i 基础上的现场总线，取其物理层、数据链路层和应用层作为c a n 的模型结构。c a n 是国际上应用最为广泛的现场总线之一，己成为一种国际标准 ( i s 0 1 1 8 9 8 ) 9 1 ，是唯一一个被i s o 批准的现场总线。c a n 具有高性能和高可靠性，支持 多主方式工作，并采用总线仲裁技术来避免总线冲突。c a n 适用于汽车制造、自动控制、 航天航海、过程工业、医疗器械和传感器等领域，尤其是汽车制造领域，在欧洲c a n 已 成为汽车网络的标准协议。 ( 4 ) c c 1 i n k 浙江工业大学硕士学位论文 c c - l i n k 是唯一一个在亚洲起源的开放式现场总线，在亚洲占有较大份额，并快速发展 到欧洲和北美地区。c c 1 i n k 控制系统可以将控制和信息数据同时以10 m b p s 高速传送到现 场网络，不仅将工业现场配线问题简单化，而且具有很好的抗噪性能和兼容性1 0 1 。 ( 5 ) w b r l d f i p w o r l d f i p 是欧洲标准e n 5 0 1 7 0 3 ，采用有调度的总线访问控制，具有使用单一总线结 构来适应不同应用领域需求的特点，而且没有网关或网桥相连，依靠软件来实现高速和低 速的链接，适用于工业控制、电力、交通等领域。 ( 6 ) h a r t h a r t 采用f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ，频移键控) 技术，在模拟信号上叠加数字信 号，能够与现有的模拟系统相兼容，是一种模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品。 由于h a r t 混合了模拟信号和数字信号，较难开发通用的通信接口芯片。 ( 7 ) c o n t r o l n e t c o n t r o l n e t 是一种新型的网络，实现了在单根电缆上支持两种类型数据的传输。 c o n t r o l n e t 的控制网通信采用生产者消费者模式，不仅支持点对点通信，还支持同时向多 个设备发送信息，具有吞吐量大、网络利用率高、速度快等特点，比p r o f i b u s 更加稳定， 更容易维护，有利于实现无缝连接。 ( 8 ) m o d b u s m o d b u s 是全球第一个真正用于工业现场的总线协议，由m o d i c o n ( 现为施奈德电气公 司的一个品牌) 在1 9 7 9 年推出【1 l 】。在各种不同系统的通信中，m o d b u s 协议是一种在工业 领域应用广泛的、真正开放的、标准的网络通信协议，具有开放性和透明性的特点。m o d b u s 协议可以实现控制器相互之间或控制器通过网络与其它设备之间的通信。截止到2 0 0 7 年， m o d b u s 的安装节点数目已经超过1 0 0 0 万个，其中7 5 的产品不是施奈德公司生产的，并 且在全世界各个地方都有分布1 2 】，它已经成为一种通用工业标准。并且，m o d b u s 在中国 也得以快速发展，已成为我国的国家标准( g b t1 9 5 8 2 2 0 0 8 ) 。通过该协议，不同设备厂 商生产的控制设备可以组成工业网络，进行集中监控。 由于现场总线与以太网通信协议的不同，互连首先遇到的就是协议转换的问题。从现 场总线的发展趋势来看，基于现场总线的控制系统都将与以太网互连，最终实现与i n t e m e t 的连接【”1 。目前，已有多种协议实现了现场总线和工业以太网的融合，如e t h e m e t i p 、h s e ( h i g hs p e e de t h e m e t ，高速以太网) 、p r o f i n e t 和m o d b u st c p 等。e t h e m e t i p 是一个面向 工业自动化应用的工业应用层协议，特点是在t c p u d p i p 上附加了c i p ( c o m m o n i n d u s t r i a lp r o t o c o l ，通用工业协议) ，其优点是通信稳定、能够保证远程数据的传输、成本 浙江工业大学硕士学位论文 较低、连接方便且兼容性较好【1 4 】，缺点是实时性较差、报文利用率较低且容易受到环境的 干扰，主要用于零件制造业。h s e 由现场总线基金会制定，特点是采用灵活的网络和设备 冗余形式并具有灵活的功能块技术【l5 1 ，主要用于工程控制领域。p r o f i n e t 是由p i ( p r o f i b u s 国际组织) 提出的基于工业以太网技术的自动化总线标准，包括p r o f i n e ti o 和p r o f i n e tc b a 两部分，优点是解决了工业环境不同等级下的实时性和网络安全问题，并实现了与企业管 理系统的透明通信【1 6 】，缺点是存储与过程处理的开销过大，不适合用于现场设备。m o d b u s t c p 是m o d b u s 协议在t c p i p 上的实现，用一种简单的方法将m o d b u s 帧嵌入到t c p 帧 中，使m o d b u s 与t c p i p 相结合，具有易于实施、开放式、实时性和数据传输量大等优点， 适合用于工业自动化领域中现场设备与以太网的互连。采用m o d b u st c p 协议，用户可以 通过以太网访问现场设备，实现远程监控系统的协议透明性，在各个系统间，都可以实现 无线通信。 1 2 研究的目的和意义 随着企业信息化的深入发展，实现企业上层的管理网络与现场控制网络的无缝连接变 得极为重要，尤其是在经常需要对现场设备采集并记录的信息进行处理，并及时进行访问 控制的工业化控制领域。实现管理网络与控制网络紧密互连并具有智能化监控功能的远程 监控系统是当前研究的热点和未来发展的趋势。 在我国的煤气抄表系统中，随着科学技术的不断推进，传统的人工抄表费时费力，效 率低下，已远不能满足信息化、自动化的先进企业管理的需求。而目前，国内的智能化抄 表系统的数据业务功能很单一，远不能满足其对数据业务的智能化要求。因此，将远程监 控系统融入到智能化抄表系统中，并采用m o d b u st c p 技术，研制具有远程设备参数读写、 智能化监控、手机短信报警等功能的高效科学的智能化远程监控系统具有非常好的应用前 景。 本文研究的基于m o d b u st c p 协议的远程监控系统实现了控制网络与企业高层信息网 络的互连，有利于上层信息管理层的管理和决策。相关工作人员在服务器端能方便的读取 及修改数据采集设备采集的设备参数、了解设备的工作状况并进行远程监控，并且能直观 形象地看到网络摄像机在现场拍摄的视频，了解现场的环境状态。在服务器读取设备参数 出现问题时系统会自动发送中文短信进行报警，无需工作人员守在服务器端观察设备参数 的读取是否成功。该远程监控系统经济实用、高效安全，开放性高，并具有良好的可扩展 性和可移植性，具有重要的应用意义。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 国外对m o d b u st c p 协议的研究始于1 9 9 8 年，为满足用户和市场的需要，施奈德公司 推出了基于t c p i p 以太网的m o d b u st c p 协议。m o d b u st c p 协议是一种应用层协议，是 施奈德电气集团推出的“透明工厂”概念的一部分【1 7 】。经过十几年的应用发展，m o d b u s t c p 协议已经成为一种通用工业标准，该协议被广泛用于不同厂商生产的控制设备间的通信并 被应用于远程监控系统中。m o d b u st c p 协议使工业控制进入网络时代。 在国内，对m o d b u st c p 协议的研究应用也受到广泛关注，近几年，各大高校及公司 对于基于m o d b u s m o d b u st c p 协议的监控系统的研究设计层出不穷： 上海交通大学的刘振华等人研究设计的基于m o d b u st c p 协议的自动在线监控系统实 现了上位机对下层仪器的控制、下层仪器的组态管理和上位机的数据管理等功能，并在上 海精密仪器公司调试成功并试运行【1 引。 中国石油大学的陈志刚等人研究设计的基于m o d b u st c p 协议的远程监控系统实现了 远程油气监控系统的监控中心与远程终端之间的通信问题和组态系统与现场设备之间的 开放式数据交换，系统具有性价比高、运行可靠、可扩展性好等特点，具有很好的应用参 考价值【1 9 j 。 江苏大学的孙月平等人研究设计的基于m o d b u s 的智能工业控制器监控系统，通过 m o d b u s 协议通讯，实现上位机对下位机参数的读写、显示、报警、报表打印等功能，完 成了一套完整可靠的工业控制系统，经厂家使用效果理想，有广阔的应用前景【2 0 1 。 西南科技大学的崔鹏研究设计的基于m o d b u s 协议的智能控制系统，下位机实现基于 m o d b u s 的数据采集和显示，再通过控制电路控制变量，上位机实现数据在上位机界面显 示，并将采集的数据保存到数据库，系统具有一定实用价值【2 l 】。 上海普照建筑市政工程公司的王忠标研究设计的基于m o d b u st c p 协议的水闸监控系 统通过电信专网，实现了对现场设备的集中控制和信息资源共享等功能，极大提高了系统 的安全性和可靠性【2 2 1 。 西南大学的张渝等人针对m o d b u s 控制网络不易实现远程监控的缺点，研究提出了一 种m o d b u s 远程监控系统框架，将g p r s 引入m o d b u s 网络扩展远程通信能力，成功实现 了m o d b u s 远程监控系统，并应用于教学中，效果良好【2 引。 目前国内对于基于m o d b u s m o d b u st c p 协议的监控系统的研究与日俱增，其在工业控 制中也慢慢展现出智能化的魅力，基于m o d b u s m o d b u st c p 协议的监控系统必将慢慢取代 传统的监控系统。因此，实现基于m o d b u st c p 协议的远程监控系统在生产和生活中具有 重要的现实意义和极为广阔的应用前景。 气 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 本文所做的工作和章节安排 本文研究的重点是基于m o d b u st c p 协议的远程监控系统的设计与实现，包括s o c k e t 通信的建立及异常情况的处理、线程池的实现、手机短信报警的中文实现以及视频数据传 输的实现。论文主要做了以下工作： 1 采用s o c k e t 建立远程监控终端与数据服务器之间的连接，并对s o c k e t 通信出现的 异常情况进行处理。 2 对m o d b u s m o d b u st c p 协议进行研究并采用m o d b u st c p 协议实现设备问的协议 透明性。 3 采用线程池技术实现多线程的处理。 4 采用中兴通讯m c 8 6 3 0 模块a t 指令实现手机中文短信报警。 5 实现视频数据传输的r t p 打包发送，并采用r t c p 实现拥塞控制。文章最后完成系 统的集成测试并对测试结果进行分析处理。 本文的章节安排如下： 第一章为绪论，介绍了课题的研究背景，研究的目的和意义，国内外研究现状以及本 文所作的工作和章节安排。 第二章介绍远程监控系统中的相关技术及原理，包括l i n u x 下s o c k e t 通信技术、线程 池技术、m o d b u s m o d b u st c p 协议、短信收发技术和视频实时传输技术。 第三章为远程监控系统的方案设计，从理论出发，提出适合本系统的网络传输协议、 多线程传输模式、设备参数读取方式和短信发送模式，并根据选择的方案给出远程监控系 统的整体框架设计。 第四章为远程监控系统的具体实现，从具体技术层面出发，实现远程监控系统的设备 参数读取、中文短信报警和视频数据传输，并对整个系统作出测试和分析。 第五章为总结和展望，总结了本文所做的工作、系统存在的不足之处以及下一步的研 究方向。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章远程监控系统相关技术及原理 本文所研究的远程监控系统涉及多种相关技术及原理，建立远程监控终端与数据服务 器之间的通信需要用到l i n u x 下s o c k e t 通信技术，设备参数读取需要用到线程池技术、 m o d b u s m o d b u st c p 协议，实现手机短信报警需要用到短信收发技术，实现视频数据传输 需要用到视频实时传输技术。下面对这几种技术进行详细介绍。 2 1 l i n u x 下s o c k e t 通信技术 随着网络技术的飞速发展，网络中主机与设备间的通信变得越来越重要。s o c k e t 接口 是t c p i p 网络中最为通用的应用接口，也是i n t e r a c t 上进行网络程序应用开发最通用的 a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，应用程序编程接口) 1 2 4 ，s o c k e t 接口定义了很多 函数和示例程序，以便程序员开发基于t c p f i p 网络的应用程序。 2 1 1 s o c k e t 简介 在t c p i p 网络应用中，两个进程间进行通信的主要模式是客户j j 及务器( c s ) 模式， 即客户向服务器发出请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。s o c k e t 利用c s 模式 很好地解决了进程间建立通信连接的问题。作为l i n u x 的进程通信机制，s o c k e t 也被称为 套接字，位于网络中的主机可以通过s o c k e t 接口进行数据传输。在l i n u x 系统中，s o c k e t 数据传输是一种特殊的i o ( i n p u t o u t p u t ，输入输出端口) ， s o c k e t 是一种文件描述符。 s o c k e t 是通信端点的一种抽象，它可以被认为是两个网络应用程序在各自通信连接中的一 个端点【2 5 1 ，它提供了一种收发数据的机制。s o c k e t 在计算机中提供了一个通信端口，通过 这个端口，计算机可以与其它具有s o c k e t 接口的计算机进行通信，程序员开发的应用程序 可以通过套接字向网络发出请求或者应答网络请求，从而实现在网络上发送与接收信息。 s o c k e t 通信在网络程序中被广泛应用，不同的应用场合对通信质量和性能有不同的需 求，从而衍生出不同的套接口类型，以供程序员选择。l i n u x 系统主要支持三种类型的套 接口：流式套接口( s o c ks t r e a m ) 、数据报套接口( s o c kd g r a m ) 和原始套接口 ( s o c kr a w ) 【26 1 ，其中最常用的是流式套接口和数据报套接口。这三种套接口类型各 有特点：流式套接口采用t c 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 ，传输控制协议) ，提供一种 浙江工业大学硕士学位论文 可靠的、面向连接的数据传输服务；数据报套接口采用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) ，提供一种不可靠、无连接的数据传输服务；原始套接口允许直接访问较 低层次的协议，如i p 、i c m p 协议，通常用于检验新的协议或访问现有服务中配置的新设 备。 2 1 2 流式套接口技术 流式套接口( s o c ks t i 迮a m ) 提供一种可靠的、面向连接的双向数据传输服务，保 证数据无差错、无重复的传送，并按顺序进行接收。流式套接口使用t c p 来实现字节流的 传输，t c p 在进行数据通信前必须经过三次握手来建立连接，通信结束需要进行四次握手 来关闭连接，而且t c p 还提供超时重传、捎带确认等机制来保证数据是正确且按序传输的。 当用户想要传送大批量的数据或对数据传输可靠性有较高的要求，而对实时性有一定的容 忍度时，可以使用流式套接口。 t c p 客户端 众所周知端口 t c p 服务器 l s o c k e t 0 l b i n d 0 l l i s t e n 0 l a c c e p t 0 图2 1 流式套接口流程图 8 浙江工业大学硕士学位论文 流式套接1 ：3 的流程图如图2 1 所示1 2 7 1 。其工作流程如下：服务器端首先启动，调用 s o c k e t ( ) 建立一个套接1 ：3 ，从而获得其套接口描述字，然后调用b i n d ( ) 绑定该套接1 ：3 和本地 网络地址，再调用l i s t e n ( ) 使套接口进入监听状态，并给出它的请求队列长度，之后就调用 a c c e p t ( ) 来等待并接收客户端的连接。客户端先调用s o c k e t 0 建立一个套接1 ：3 ，再调用 c o n n e c t ( ) 和服务器端建立连接。连接建立后，服务器端和客户端之间就可以通过调用r e a d ( ) 和w r i t e ( ) 来接收和发送数据。最后，等数据传输结束后，服务器端和客户端分别调用c l o s e ( ) 来关闭套接口。 2 1 3 数据报套接口技术 数据报套接口( s o c kd g r a m ) 提供一种不可靠的、无连接的双向数据传输服务， 这种服务不能保证数据传输的可靠性，数据在传送过程中可能出现丢失、重复，同时也不 保证接收端按照发送端发送的顺序接收数据。数据报套接口使用u d p 来实现数据传输， u d p 进行数据通信不需要进行连接，也不提供任何机制来保证数据传输质量，因此具有资 源消耗小、处理速度快等特点。当用户对数据传输的实时性要求较高而对可靠性有一定的 容忍度时，可以使用数据报套接口。 u p p 服务器 图2 2 数据报套接口流程图 浙江工业大学硕士学位论文 数据报套接口的流程图如图2 2 所示【2 刀。其工作流程如下：服务器端首先启动，调用 s o c k e t ( ) 建立一个套接口，然后调用b i n d ( ) 绑定该套接口和本地网络地址，再调用r e c v f r o m ( ) 来等待接收数据或调用s e n d t o o 来发送数据。客户端调, 用s o c k e t o 建立一个套接口，再调用 s e n d t o ( ) 向服务器端发送数据或调用r e c v f i o m o 来接收服务器端的数据。最后，等数据传输 结束后，客户端调用c l o s e o 来关闭套接口。 2 2 线程池技术 计算机经历了几十年的发展后步入网络时代，分布式系统随处可见，大部分分布式应 用程序对系统的响应速度、处理能力和稳定性等整体性能提出了更高的要求【2 8 1 ，单线程模 式已远不能满足应用程序的这些要求，因此多线程处理技术应运而生。线程池技术是为了 满足这些要求而被普遍采用的一种多线程处理模式。采用线程池技术，能最大限度的利用 系统的整体性能进行工作，提高系统的响应速度和处理能力。 如w 曲服务器、邮件服务器之类的服务器应用程序经常面临来自客户端的数量众多、 间隔时间短、任务短小简单的请求【2 9 1 。如果用单线程来处理所有请求，则会导致后面的众 多请求都处于排队等待处理的状态，大大降低系统的响应速度。如果对每一个请求都生成 一个新的线程来处理，由于请求任务简单，系统在创建和销毁线程上花费的时间和资源可 能比实际处理请求所花费的时间和资源更多， 浪费大量时间和资源，若是系统资源被耗尽， 降低系统的响应速度和整体性能。 这样会导致系统因为不断创建和销毁线程而 则会引发异常。由此可见，这两种方式都会 线程池是一种网络并发处理模式的多线程处理形式。线程池采用预创建技术，在程序 开始时便预先创建一定数量的线程，在程序运行的过程中，当有请求任务到达时，则向线 程池发出申请要求，由线程池分配一个空闲线程来执行该任务，当任务结束后，不需要销 毁线程，只需要将其返还给线程池，线程池会自行统一管理。线程池工作原理图如图2 3 所示。 线程池技术为创建、销毁线程的开销问题和系统资源不足问题提供了一个很好的解决 方案。其优点是：由程序员控制系统总共产生的线程数目，采用预先创建一定数量的工作 线程的方法来控制线程的内存消耗；可以降低系统在时间和资源上的消耗，线程池中的线 程可以在多个请求中重复利用，创建、销毁线程的开销被平分到多个请求上；可以提高系 统的响应速度，由于线程在程序开始时已经创建好，请求到达的时候可以直接从线程池中 申请空闲线程来执行任务，避免了因创建线程带来的延迟，而且多个线程可以并发处理， 浙江工业大学硕士学位论文 减少了请求的等待时间；任务结束后不需要销毁线程，避免了因销毁线程带来的时间和资 源上的浪费，而且线程池自行管理线程，程序员不必管理和维护生存周期短暂的线程，给 程序员带来了便利。 图2 3线程池工作原理图 虽然线程池技术有上述优点，但它也不是一项一劳永逸的技术，在使用中有一定的风 险。使用线程池时需注意下列问题：( 1 ) 线程池尺寸的选择。线程池只有在合理选择线程 池尺寸大小的情况下才能显著降低系统时间和资源上的开销，提高系统的整体性能【3 0 1 。如 果线程池尺寸太大，由于在线程之间进行切换非常浪费时间和系统资源，线程间同步开销 过大，而且线程池维护线程也需要消耗一定的系统资源，线程池中的线程数超过实际需要 的线程数可能会导致系统资源不足。如果线程池尺寸太小，则体现不出线程池技术的优势， 不能显著提高系统的整体性能。线程池尺寸的大小需根据执行任务的数量来确定，而在实 际应用中很难确定其最佳值。选择合适的线程池尺寸可以先对需要的线程数目进行预测，