（计算机应用技术专业论文）无线监控体系框架的实现与复用.pdf

无线监控体系框架的实现与复用 摘要 计算机监控系统广泛应用于各个领域，由于无线监控系统有着无 法替代的优势，这，l 年得到了蓬勃发展。然而目前无线监控系统软件 开发过程中末形成系统的框架，存在大量的重复劳动，开发周期长、 效鼋夏低。 作者参与了“夜景照明监控”、“路灯监控”、“中水管网监控”等 多个无线监控系统从设计到建设的整个过程。论文工作以此为背景， 总结了无线监控系统开发经验，对无线监控应用进行领域分析，采用 面向对象的软件框架技术进行设计，结合设计模式思想开发出了无线 监控软件体系框架，并已经投入实际使用。整个过程借鉴了r u p 过 程，采用u m l 语言作为设计描述语言，并提出= r 利用自定义向导将 框架与v i s u a ls t u d i o 开发环境集成的可行方案。实际证明，该框架的 使用有利于提高无线监控中心软件的开发效率和软件质量，推动无线 监控系统的建设步伐。 在得到实际框架的同时，框架设计与实现方法论的研究可能更为 重要，作者侧重阐述了设计和实现软件框架的提取方法、开发过程以 及管理模式，并在无线监控体系框架的开发中得到了运用。论文最后 就开发过程中发现的一些问题进行了讨论，提出应该将消息格式标准 化，应用开发过程文档化和软件框架构件化的进一步研究内容和研究 方向。 关键词 无线监控系统框架面向对象u m l 设计模式 i m p l e m e n 啪i o n & r e u s eo f w i r e l e s sm o n i t o rs y s t e mf r a m e w o r k a b s t r a c t c o m p u t e r m o n i t o rs y s t e m sa r ew i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s b e c a u s eo fi t su n i q u e a d v a n t a g e ，t h ea p p l i c a t i o no f w i r e l e s sm o n i t o r s y s t e mi sb o o m i n g b u tt h e r ea r es t i l lal o to f r e p e a t e dw o r k s w h i c hl e a d t op r o l o n g e d p r o d u c tl i f ec y c l ea n dl o we f f i c i e n c y ，f o rl a c k i n go fam a t u r e s y s t e mf r a m e w o r kp r o d u c t o nt h eb a s i so f a b u n d a n t e x p e r i e n c e sa c q u i r e df r o m t h ep r o j e c t so f “l i g h t i n g s c a p ew i r e l e s sm o n i t o rs y s t e m ”，s t r e e tl a m pw i r e l e s s m o n i t o r s y s t e m ”a n d “w a t e rp i p e l i n ew i r e l e s sm o n i t o rs y s t e m ”，t h e a u t h o rs u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ew i r e l e s sm o n i t o r & c o n t r o l s y s t e m ，a n d t h e n p u tf o r w a r di t sd o m a i na n a l y s i s b ya d o p t i n gt h e o b j e c t - o r i e n t e ds o f t w a r ef r a m e w o r kt e c h n o l o g ya n da c c o r d i n gt od e s i g n p a t t e r n s ，t h ew i r e l e s sm o n i t o rs o f t w a r ef r a m e w o r kw a sd e v e l o p e da n d a p p l i e d t o m a n yp r o j e c t s t h ep r o c e s so fd e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n g w a s g u i d e db yr u p ( r a t i o n a l u n i f i e dp r o c e s s ) ，a n dd e s c r i b e d b y u m li n t h i sp a p e r m o r e o v e lt h ea u t h o r b r i n g s o u taf e a s i b l ew a yt h a ti n t e g r a t e s t h ef r a m e w o r kw i t hv i s u a ls t u d i o b y c u s t o mw i z a r d s b a s e do nt h e r e a l i t y , i tc a n b e p r o v e d t h a tw ec a ni n c r e a s et h e d e v e l o p m e n te f f i c i e n c y , e n h a n c es o f t w a r e q u a l i t ya n dp u s h t h es y s t e mc o n s t r u c t i o ne x t e n t f o r w a r d i n gb ya d o p t i n g t h i sf r a m e w o r k t h er e s e a r c ho n m e t h o d o l o g y a b o u t d e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n g a f r a m ei sa l s oi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o r e x p a t i a t e sh o w t oe x t r a c t af r a m e w o r kf r o ma s p e c i f i cf i e l d ，t h ei t e r a t i v ed e s i g n i n gp r o c e s sa n d n h o wt om a n a g ew h e n d e v e l o p i n g t h e s em e t h o d s a leu s e di nw i r e l e s s m o n i t o r s y s t e mf r a m e w o r k sd e v e l o p m e n t i nt h ee n d ，t h ea u t h o r d i s c u s s e ds o m en o t i c e a b l ei s s u e sa n d f i n a l l yd r a w s ac o n c l u s i o nt h a tw e s h o u l ds t a n d a r d i z et h em e s s a g e f o r m a t ，c o n v e r tt h eo b j e c t o r i e n t e d f r a m e w o r kt oc o m p o n e n t b a s e df r a m e w o r ki nt h ef u t u r e ，a n dd o c u m e n t t h ed e v e l o p i n g p r o c e s s a te v e r yt u r n k e yw o r d s w i r e l e s sm o n i t o r s y s t e m ，f r a m e w o r k ，o b j e c t - o r i e n t e d ，u m l ，d e s i g n p a t t e r n s i i i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究i 作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文巾，1 i 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：r 期： 关丁论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文二r ：作的知识产权单位属北京邮电大学。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，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵。、r 此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名 同期 日期 北京邮电火学硕：t ：研究生学位论文 第一章谍题背景 第一章课题背景 讨算机监控系统广泛应用于邮电、钢铁、化工、环保、国防、航空航天、工 、i k 水处理、工矿企业、商业、金融机构、防洪救灾、政府机关及教育卫生、住宅、 小区等重大区域，几乎所有行业都程度不同地采用各种测控、监控设备。 随着我国国民经济的高速发展和传统行业现代化程度的不断提商，计算机监 控系统迎求了新的市场机遇。如何更好的适应形势发展的需要，更好的实施“以 信息化带动工业化”思路，深入开展具有自主知识产权的工业监控软件的研究和 实践具有重大的现实意义。 1 1 有线监控系统和无线监控系统 监控系统按数据传输媒介的不同分为有线系统和无线系统。有线监控的优势 在于数据传输的可靠性，但大容量系统投资费用问题突出，铺设专用线路的工程 造价太高且较难审批，而羊且用电话线的费用也很可观。无线远程监控系统是在传 统监测监控系统的基础上，结合当前无线通信技术和信息处理技术而发展起来的 新型测控系统。一般而言，现有的无线远程监控系统，大都符合“控制中心一监 测站”的构建模式。控制中心是整个系统运作的核心，负责收集各监测站上传的 监测信息，发送各种操作命令以控制监测站的行为。监测站被布放于远离控制中 心的各监测点处，负责完成信息的采集和响应控制中心发出的控制命令。控制中 心可用普通微机、工作站或工控机实现，软件开发可基于现有的w i n d o w s 或u n i x 操作系统。监测站的设计实现可根据不同的应用目的和应用环境，采用特定的技 术形式，比如单片机、d s p 或者i n t e lx 8 6 系列的微处理器等。无线远程监控系 统的组网方式也很灵活，可利用现有的无线通信网，如g s m g p r s 网络，c d m a 移动网络等，也可单独搭建专门的无线局域网。 有线监控系统和无线监控系统因为具有不同的建网方式，而具有不同的应用 特点。一般说来，在以下应用场合下，适合采用有线方式搭建监控系统：( 1 ) 被 监控设备居处易于布线，通信电路丰富；( 2 ) 被监控设备不具有移动性；( 3 ) 被 监控信息量大，或监控动作比较频繁等情形。而无线监控系统则在( 1 ) 被监控 设备居处御线成本高，但被移动基站信号覆盖；( 2 ) 被监控设备处于移动工作状 态：( 3 ) 被监控信息一次传输数据量小( 在引入彩信、w a p 等方式后将有所改 善) ，监控量一般状态下变化缓慢，不需频繁数据采集和传输等情形下更具有应 用优势。 第1 页麸5 4 页 北京i | j j f 乜人学f ；：| 士铆f 究生学位论文第一章课题背景 1 2 无线监控系统的应用现状 日前，无线监控系统由于具有有线监挎系统所不可符代的优势迅速在各行各 _ k 巾得到了广泛应用，比较成熟的广品有：无线路灯监控系统、交通车辆远洋 船舶远程控制系统、油f f i 油井监控系统、电力电量无线监控系统等等。下面例图 碰示了其中的一些应用。 洲汕段挣：i ：_ 1 蛐磊 ： 、砖警r 麓 未川洱r 一争j 羔f 蛰纷 图1 1 无线监控系统应用示例 北京城市网尚科技发展有限公司是北京市高新技术企业，是中国移动通信集 团公司在移动数据通讯行业应用领域优秀的合作伙伴，是北京移动、郑州移动等 运营商推荐的紧密合作伙伴，长期致力于无线通讯领域的研究和开发，其开发的 “北京市夜景照明监控管理系统( 简称l m a s ) ”基于移动g p r s 网络，对北京 市的夜景照明进行远程监控，系统覆盖了天安门广场、长安街及其延长线、重要 的历史文化古迹、大型立交桥等重要地区和设施，是一个很具代表性的无线监控 行业应用优秀案例。此外，该公司自主研发的“中水管网监控系统”，结合g p r s 和g i s 技术，对中水管网进行无线蕊控，也已经投入了试运行。另外，城市网 尚公司对其它众多的远程监控应用方面也都做过有益的尝试。 作者在北京城市网尚科技发展有限公司工作实习期问，参与了其中几个应用 的系统设计及实现，积累了同类产品行业应用的大量经验，为思考如何搭建一个 第2 页共5 4 页 舔 北京邮 也大学顺i ? 研究生学位论文 第一章课题背景 可重用的无线监控体系框架，提高无线监控系统的j t ：发和维护效率奠定了良好的 实践基础。 1 3 软件复用技术及其发展 软件复用的概念是随着软件开发方法的不断发展丽逐步建立起来的。所谓复 用是指利用现有的软件及其构件或者它们的抽象来构造新的软件系统，即将原有 软件或系统中的代码数据和方法或者由它们抽象而得的构件作为其中的一部分 直接引用。 当今软件开发的主流思想即是如何在最短的时问内完成设计任务，采用复用 技术由于直接引用了原有的成分，必然能够提高软件的开发效率；另外复用戒分 一般是经过检验的，质量可以保证，因此软件复用可以明显地提高软件质量。 软件复用可分为三个步骤【1 】：获取，指从软件实例中抽取可复用的成分。 管理，指有效地组织所获取的软构件。施用，指使用已积累的可复用资源解 决新问题。 软件复用技术在程序设计发展的不同阶段采用了不同的形式：在结构化程序 设计阶段主要有源代码级复用和目标代码级复用两种形式；在面向对象程序设计 阶段提出了类和继承等概念，主要采用了代码级直接复用、继承性复用两种复用 形式：在继面向对象的软件设计理论之后，基于构件的开发技术是当前软件开发 的一个新思潮，大大提高了代码的重用性，不厨的开发者可以跨地址空间、跨网 络以至于跨机器结构进行交互。 1 4 无线监控体系框架的提出 i l k 控制领域的采集量和控制量非常繁杂，各个对象之间的耦合性很强，不 多的工业现场对于采集和控制的要求又各不相同，并且随着运行系统的动态演化 而不断改变。 传统工控软件通常只是针对某个特定应用环境进行的分析、设计和开发，各 种系统功能被紧密封装成一个整体，系统内各模块之间关联非常紧密。随着工业 生产的不断发展，功能的不断增强，需求的不断加速变化，软件规模的不断扩大， 该类工控软件主要存在以下问题：1 软件开发周期长，生产效率低下；2 软件 可维护性差，不易移植和扩展；3 存在严重的重复劳动。 1 第3 页共5 4 页 北京| | | l f i u 人学坝二l ：研究生学位论文 第一章课题背景 为了解决在无线监控系统开发中所遇到的这些问题，缩短同类软件产品的开 发周期，避免重复劳动，从而提高生产效率，作者根据软件复用技术和软斜：工程 的相天思想，结合“北京市夜景照明监控管理系统( l m a s ) ”和“巾水管网赂 控管理系统( w m a s ) ”以及其他同类无线监控系统开发实践，开展了创建一个 j 行的无线盟控系统体系框架的研究实践。 软件框架技术是针对特定应用领域的软件复用技术，能够解决通用组态软件 。发遇到的问题，为不同类型的组态软件或者监控软件提供更为底层的开发环境 支持。在“北京市夜景照明临控管理系统( 简称l m a s ) ”的研发过程中，我们 已经开始注意到应该结合项目实际开展监控软件框架方面的研究和实践，缩短同 类软件产品的丌发周期，避免重复劳动，从而提高生产效率。随着公司其他无线 监控系统的设计与实现，该体系框架逐步清晰起来。 作者在参与实际工程项目的基础u 卜，以提高无线监控系统的开发效率和质量 为目的，将对无线嗡控体系的设计与实现进行描述。本篇论文主要给出了软件体 系框架的设计思想及设计成果，并给出了如何在该软件体系框架上进行复用，开 发无线监控系统的具体应用。 1 5 论文组织安排 总结一年多来对无线监控系统及其框架的设计及实现实际工作，从理论高度 剥其升华，探讨丌发过程发现的一些问题，是本论文产生的主要原因。 在余f 的章节里，作者做了以下安排： 在第二章中，作者对无线监控应用系统进行了分析，给出了无线监控系统的 一般体系结构，并总结了现有无线监控应用系统的软硬件实施方案； 在第三章中，作者将在理论上对软件框架开发过程进行研究和总结，这些理 论在无线监控软件体系框架的设计和实现过程中具有指导意义； 在第四章中，作者给出了无线监控软件体系框架的分析、设计与实现过程。 在第五章中，作者将对无线监控体系框架的设计与实现中发现的一些有意义 的问题做进一步的研究，指出下一阶段的研究任务。 第4 页共5 4 页 北京邮l 乜夫学硕士研究生学位论文 塑三章无线髓控系统成用分析 第二章无线监控系统应用分析 领域分析是构造框架的第一步，铂1 本章中，我们将对现存无线监控应用系统 的软硬件结构进行分析，总结该类系统的一般构成。为了使框架具有更广泛的应 用性，我们在讨论包括检测站和监控中心的软硬件实现时，将总结现有的技术实 施方案，而不以某种具体应用或具体技术作为框架结构实现的依据，从而达到框 架最终完成后，能具有一定的普适性的目的。 2 1 无线监控系统的一般体系结构 监控系统的主要功能是在监控中心实现对各分控点的遥测、遥信、和遥控功 能，实时监视分控点状态和运行参数，接受故障告警信息，通过智能终端设备下 达测控命令。一般而言，现有的无线远程监控系统，大都符合“监控中心一监测 站”的构建模式。依据多层软件体系结构，我们又将监控中心划分为表示层( 网 管终端) 、业务逻辑层( 处理服务器) 和数据层( 数据库服务器) ，在这里，我们 将业务逻辑层( 处理服务器) 和数据层( 数据库服务器) 划分为监控调度层，而 将综合网管终端称为综合管理层。这样，整个监控系统软件体系结构出三个层次 组成：远端现场测控层、监控中心监控调度层、监控中心综合管理层。关于各个 层的主要功能和组成结构将在本章随后几节中进行详细描述。 圈2 - 1 无线监控系统分层结构 第5 页共5 4 页 北京邮电人学硕l 研究生学位论文 塑三章尤线雌控系统廊用分析 2 2 远端现场测控层的功锩和组成结构 远端现场测拧层的j = 要任务有：( i ) 进行过程数捌采集，快速采集被控设备 的过程量和现场的状态信息，作为赢接数字控制系统的输入或用于对_ d j k 现场的 临测和榆查；( 2 ) 对过程或设备进行直接数字控制，根据控制酣黄数掘库、控制 算法模块来实施对过程量( 如模拟量、玎关量) 的实时控制；( 3 ) 对设备进行监测， 对系统实施测试和诊断，在必要时采取报警、给出错误信息或诊断结果等措施。 远端监测站的设计与实现是无线监控系统研制丌发的重点之一，监测站对信 息对信息数掘处理的能力和精度将影响整个系统的最终性能。在整个开发过程 中，监测站的设计是工作量最大、所需时间最长的一部分。监测站处于_ 丁作现场， 只完成数据的采集、处理和控制，任务相对单一、固定，无须用庞大的台式机来 完成；考虑到节能和布放方便，监测站多为嵌入式系统。根据整个无线远程监控 系统所要实现的功能，和对数据处理与对传感器控制能力的要求，监测站设计的 复杂程度和采用的具体技术是1 i 一样的。 2 2 i 远端监测站的设计实现方式 ( 1 ) 基于单片机的设计实现方式 采用单片机是大多数嵌入式系统设计时的首选方案。由于在片上集成有丰富 的外设，具有良好的控制能力，单片机天生就是为嵌入式系统度身定做的。 基于单片机的设计方案一般适用于对数掘处理要求不高，运算量不大的远程 监控系统。根据需要，单片机可以选用较为低端的4 位机或8 位机，如8 0 5 l 等， 也可选用功能较强的专用芯片，如m s p 4 3 0 f e 4 2 x 系列。单片机主要用于监测站 端的系统控制。片外存储器一般为r a m 、e e p r o m 和f l a s h 等存储器；i 0 设备 一般为键盘、l c d 等供设计调试用的人机交互接口；传感器一般为话筒、摄像 头、扬声器和伺服马达一类的设备。无线通信接口实现相对较为复杂。编解码器 是u ，取舍的，对于低速率数据一般没有必要。根据系统的处理任务和信息的类别， 编解码器可选用不同的芯片，如c m x 6 3 9 ( 用于音频) 或l d 9 3 2 0 等，也可用编 程逻辑器件实现。监测站软件可直接通过c 或汇编语言实现，也可在实时操作 系统上开发应用软件。对于低档的4 位或8 位单片机，控制能力较低，系统简单， 一般采用直接编写控制程序的方法。对于功能较强大，各设备间交互较复杂的系 统而言，大多数是利用操作系统来进行任务管理、设备交互，应用软件只是完成 e 层的数据处理等工作。 ( 2 ) 基于d s p 的设计实现方式 第6 页共5 4 受 北泉蛐； 乜入学预融p f 究生学位论文 釜三童无线堕控系统应用分析 d s p 在数字处理方面能力较强技术已经很成熟，能处理各种运算的通用、 用芯片也很多。以d s p 为核心设计开发的监测站，可以完成高速率数据处理， 保证系统实时性方面的要求。 这类设计方案一般适用于数据处理运算量比较大，实时性要求高而对控制能 力要求十h x , j 较低的监控系统。与以单片机为基础的监控系统不同的是，d s p 除了 作控制器以外，还可兼作数据计算、编，解码之用。对于较复杂的编解码以及压 缩解压运算( 比如对图像视频数据的处理等) 是否仍由d s p 完成，须综合考虑。 若d s p 在系统控制和实现传输协议方面负担太重，则这部分运算需要由专门的 处理芯片完成；若系统控制和传输协议较简单，或根本没用到上层协议栈，则这 部分复杂的运算可由d s p 完成。 ( 3 ) 基于单片机+ d s p 的设计实现方式 这种设计方式吸取了单片机和d s p 各自的优点：单片机的特点决定其擅长 于控制，d s p 的内部结构保证其较强的数据处理能力。两者的组合可实现一些相 当复杂的系统功能，但由于系统中采用了两个处理器，其间的信息交互是设计这 类监测站时须着重考虑的问题。只有单片机和d s p 之间较好地协同工作，才能 充分发挥各自的优点；否则，由于两者间的协调而耗费了大量资源，整体性能未 必高于采用单一处理器的系统。实现单片机和dsp 间通信协调的常用方法是采 用双口r a m 。 日前，有些d s p 或单片机厂家为了扩大芯片的适用范围，在原有基础上进 行扩展，相互问容入了对方的特点，使同一芯片在数据处理和控制方面同时具有 较好的性能。比如m i c r o c h i p 公司推出的d s p i c ，使客户能方便地将单片机的功 能转移到d s p 上，目前推出的产品有d s p i c 3 0 f x x x 系列。由于d s p 和m c u 两个功能模块在同一芯片内实现，提高了系统的可靠性、降低了监测站的设计难 度并节省印制扳空间。这类芯片得到广大用户的青睐。 ( 4 ) 基于m p u 的设计实现方式 设计嵌入式产品的另一可选方案是采用基于微处理器的设计方式。与工业控 制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点； 同时，在该领域技术成熟、产品类型多、选择空间大，满足各种性能需求的处理 器比较容易获得。随着采用r i s c 体系的高性能m p u ( 比如采用a r m 构架的处 理器芯片等) 的出现，m p u 在嵌入式领域中的地位经久不衰：但是，由于在设 计监测站时，电路扳上必须包括r o m 、r a m 、f l a s h 、总线接口和各种外设等器 件，系统的可靠性将有所下降，技术保密性差，实现难度也较大。 第7 页共5 4 页 北京邮l 也人学倾i j 研究生学位论文第二章无线监控系统应用分析 2 2 2 工业现场总线的选择与设计 我们在实际的工作应用中，采用如下图所示的没计对远端监测站进行了实 1 + 、“- ： 图2 - 2 远端监测站的设计 现场监测单元p l c 直接与现场的各种设备装置相连，包括传感器、变送器、 执行器、记录仪表及智能仪器等等，对这些设备直接进行监测或控制，并且还与 上一层现场工控机r t u ( 远程终端单元) 相连，接受上层管理信息，还向上传 递设备的特性参数和采集到的实时数据。 为了提高通信传输的可靠性，降低无线传输的成本，我们可以将地域相近的 儿个现场监测单元组成一组，通过现场总线连接到工业控制计算机r t u ( 远程 终端单元) ，由r t u 通过无线通信接口与监控中心进行通信。 工业现场总线的品种非常多，现在的工业总线类型常用的有：w o r l d f i p ， p r o f i b u s ，f i e l df u n d a t i o nb u s ，p - n e t ，l o n w o r k s ，s b u s ，c a n 等等。在我们的 系统实现中，我们采用了r s 一4 8 5 总线。 r s 一4 8 5 是埽十常见的串行接口总线，是一种支持多节点、远距离和接收高 灵敏度的总线标准，r s 4 8 5 标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来 驱动总线，具有抑制共模干扰的能力，所有这些特点使得r s 一4 8 5 成为分布式溯 控系统中现场级数据传输优先考虑的总线之一。但4 8 5 总线在抗干扰、自适应、 通信效率等方面仍存在缺陷，一些细节的处理不当常会导致通信失败甚至系统瘫 痪等故障，因此提高r s - 4 8 5 总线的运行可靠性至关重要。影响r s - 4 8 5 总线通 讯速度和通信可靠性的因素包括：因阻抗不连续和阻抗不匹配导致在通信电缆中 的信号反射；困电缆的分布电容、分布电感和电阻导致信号在电缆的传输过程中 衰减；由终端电阻、偏置电阻和r s 一4 8 5 收发器构成的纯阻型负载的大小。 第8 页共5 4 页 北京邮一也人学坝二f 一研究生学位论文 塑二枣堂_ ：| 【拎系统应用分析 此外，由于r s 一4 8 5 是种半双工通讯，发送和接收共用同一物理信道，在 任意时刻只允许一台单机处于发送状态，因此要求应答的单机必须在侦听到总线 上呼l ：q 信号已经发送完毕，并目没有其它单机发出应答信号的1 隋况下，才能应答。 半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在列序上配合) i i 好，就会发生总线冲突，使整个系统的通讯瘫痪，无法正常工作。在r t u 和多 个现场监测单元组成的多机串行通信系统中，采用主从式结构：现场监测单元作 为从机，不主动发送命令和数据，一切由主机r t u 控制。 由于论文主要讨论的是无线监控体系框架的设计、实现以及如何进行复用， 在这里，关于现场总线的讨论将不再深入下去，仅停留于此。在应用中应该采取 什么样的工业现场总线，甚至如何对远端监测站进行重新设计，可以根据具体情 况而定。 2 3 监控中心的功能和组成结构 监控中心的概念区别于现场控制单元，它负责系统的数据收集、处理和存储， 并提供良好的人机界面，为用户监视和控制整个系统提供接口( 一般以图形方式 呈现) 。通过远程数据通信网络与现场测控对象进行数据交互，从而监控中心达 到数据采集和自动控制的目的。工业控制一般要求中心具备良好的、稳定的、可 靠的运行环境。 2 3 1 监控中心分层的系统体系结构 传统工业监控软件通常采用基于两层客户服务器结构模型，系统分为客户 机和服务器两部分，分别运行于不同的机器或者进程中。采用这类客户j l 务器 模式的监控软件大都是“肥客户机”的，即客户机软件完成大部分功能，通常由 应用程序及相应的数据库连接程序组成，服务器一般是某种数据库系统组成。 两层客户服务器结构面临的主要问题是可扩展性差，安装维护困难，此外 还存在以下缺点：1 客户端程序运行占用了大量的系统资源和网络资源；2 服 务器的定位通常需要网络细节；3 客户端的应用程序严格依赖于服务器数据的 存储和组织方式；4 重复开发许多相同的功能，代码复用困难。最常见的复用 方式是拷贝代码并对其进行修改。 针对两层体系结构中存在的问题，人们提出了三层乃至多层的系统体系结 构，其中以三层模型最为常见。三层模型将整个系统按层次逻辑分为：表示层 ( p r e s e n t a t i o nl a y e o ，业务逻辑层( b u s i n e s sl o g i cl a y e r ) 矛l l 数据层( d a t al a y e r ) 。这 第9 页共5 4 负 北京邮l b 人学顾r l 研究生学位论文 塑二章无线1 1 【拄系统应用分析 种层次关系是逻辑上的划分，其物理j 一的分如根灵活，各层相对独立，只通过接 口交互，各层的内聚性强而层洲的耦合性弱。 与两层体系结构桐比，二层体系结构具有扩展性好、可管瑙! 性强、安全性高、 软件重用性好等优点。此外，还具有以f 优点： ( 1 ) 客户端人机界面部分的程序丌发工作得以简化。不必关心业务逻辑是 如何访问数据库的，只需把精力集中在人机界面上即可。 ( 2 ) 中间业务逻辑层包含了大量的供客户程序调用的业务逻辑规则，帮助 其完成业务操作。它的优点在于它所具有的可伸缩性，可使其随着具体业务的变 化而改变，而且客户层和数据层所作的改动较小。系统的安全性得以提高。它可 以对每个业务功能组件进行授权，限制非法访问。便于进行事务管理。 ( 3 ) 数据层主要提供对数据库进行各种操作的方法。它主要由中间业务层 调用并完成业务逻辑，当数据库结构确定后，对它的改动也较小了。 在监控中心设计中，我们就采用了三层模型，其体系结构模型如下图所示： 誓崩晰终璀 ii 表示层i 业务逻辑层，；数据层 图2 3 监控中| 心的三层体系结构 2 3 2 综合网管终端的功能说明和软件模块构成 综合网管终端处于系统的表示层，是应用的客户部分，负责与用户交互，为 表达信息和收集数据提供可视接口。 根掘综合网管的功能要求，综合网管的软件模块应该至少包括用户管理( 包 括安全管理) 、配置管理( 包括设备配置和设备管理等) 、设备监控界面、告警显 示和告警处理界面、统计报表生成等等。 第1 0 页共5 4 页 北京邮i 乜人学顾卜研究生学位论文 箍；章无线盟控系统应用分析 一般来讲，因为应用的不同，综合网管终端软件呈现的界面也干变万化( 而 且从用户的心理角度来讲，他们也不希望所有的应用看起来都一样) ，比如，有 止! 软件可能采用简单的列表方式呈现给客户就可以了，但一些更大型的项目，则 可能要求采用更复杂的技术如g i s ( 地理信息系统) 技术来呈现更为详尽的监控 信息。 2 33 处理服务器的功能说明和软件模块构成 处理服务器处于系统的业务逻辑层，封装并执行应用的业务逻辑和规则，是 应用的核心。它响应用户请求，执行相应的业务行为，为表示层提供服务。处理 服务器在高可靠性系统中，必须7 * 2 4 小时时刻正常运行。 处理服务器应该可以在无人职守的情况下，完成基本的监控任务，包括自动 采集监控数据，进行必要的数据分析，发生告警时能进行事件告警( 如通过某种 联系方式通知相关负责人) 并根据需要进行紧急预处理。 为了使系统满足一定的伸缩性，当系统中监控的现场监控设备点数量发生变 化时提高系统性能，我们在处理服务器和远端测控点之间增设了消息代理服务 器，负责接收和解析远端测控点传送到监控中心的原始数据，并将解析好的数据 送给处理服务器。当现场监控设备点数量增多时，我们可以灵活地增加消息代理 个数，增强监控中心的通信能力，从而满足一定的伸缩性。消息代理可以和处理 服务器位于同一台机器上，也可以分布于不同的机器上，两者可以在局域网内通 过t c p i p 协议进行通信。 2 3 4 数据库系统的功能说明和软件模块构成 数据库服务器处于系统的数据层，提供存储和读取用户数据的服务。数据层 可以分为数据库和数据对象，数据库负责定义、维护、存取和更新数据，数据对 象由独立代码实现的，负责与数据库建立连接，封装数据库方法，对外提供简单 易用的数据库访问接口，从而屏蔽了数据源的变化以及对数据库访问的细节和编 码特征。 对于无线监控系统而言，从数据逻辑关系上可以主要分为三类数据：系统的 参数等配置信息、系统运行时的实时状态信息、以及用于事后统计分析和优化目 的的历史监控信息。此外，数据库中可能还保存了系统运行时需要的一些安全信 息数据，如用户名、用户密码以及操作权限之类等。 第1 1 页共“页 北京邮t b 人学砸 二研究生学位论义第二章无线髓拧系统应用分析 配置数掘和实时运行数据实时性要求比较强，需要较快速的数据库响应速 度，而历史监控信息随着时问的推移，必然迅速膨胀，因此历史信息数据不允许 和配胃数据和实时运行数据部署在同一个数掘库中。 在关系型数据库的丁 ：发过程q j ，要了解和设计数以百计的表组成的应用是相 当闭难的，而面向对象o o 模型提供了 种超结构的思考方式。利用u m l 对象 模型进行数据库设计可以使数据库设计和编程相同的模型工作。目前有许多设计 r 具r 叮以实现从u m l 时象模型到实体关系( e i r ) 模型的转换，并且提供了切 实可行的转换方法和转换步骤，如v i s i o 和i b mr a t i o n a i r o s e ，在这里将不再一 一赘述。 2 4 远端监测站监控中心无线通信的设计实现 采用无线数据通信网络的监控系统，摆脱了线路建设的束缚，特别的公共无 线数掘传输网络的成熟和商业化加速，使得监控系统的规模得以大幅度提升，无 线监控系统建设正在迅速兴超。卜面简单介绍几种远端监测站和监控中心之间无 线通信方式的设计与实现。 2 41 利用现有网络实现监控站与监控中心的无线通信 现有的通信网络较多，按业务建网是3 g 以前通信网络的特点，无线网络也 小例外。设计无线远程监控系统可以借用的无线网络主要有：全球数字移动电话 系统( g s m ) 、通用分组无线业务( g p r s ) 、采用码分多t ：( c d m a ) 技术的移动网、 蜂窝式数字分组数据( c dp d l 系统。 ( 1 ) g s m ( g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l e ) 是全球最主要的2 g 标准，能够在低服 务成本、低终端成本条件下提供较高的通信质量。就其业务而言，gsm 是一 个能够提供多种业务的移动i s d n ( i n t e g r a t e d s e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ，综合业务 数字网络1 。 ( 2 ) g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ) 在现有的g s m 网络基础上增加一 些硬件设备和软件升级，形成一个新的网络逻辑实体。它以分组交换技术为基础， 采用i p 数据网络协议，提高了现有g s m 网的数据业务传输速率，最高可达1 7 0 k b s 。g p r s 把分组交换技术引入现有g s m 系统，使得移动通信和数据网络合 二为，具有“极速传送”、“永远在线”、“价格实惠”等特点。 第1 2 页共5 4 页 韭塞业些二垒兰塑垡咝兰丝堡苎 釜三童蒌垫堕丝茎绝鏖旦坌堑 ( 3 ) c d m a ( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 网络采用扩展频谱技术，使用多 种分集接收方式，使其具有容量大、通信质量好、保密性高和抗干扰能力强等特 点。 ( 4 ) c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a ld a t a ) 无线移动数掘通信基于数字分组数掘通信 技术，以蜂窝移动通信为组嘲形式，是数据通信与移动通信的结合物。这种通信 方式基于t c p i p ，系统结构为开放式，提供同层网络无缝连接和多协议网络服 务。cd pd 网络具有速度快、数据安全性高等特点，可与公用有线数据网络互 联互通，非常适合传输实时、突发性和在线数搦。 为使监控中心与监测站间的无线通信能和用现有的焖络，对于特定的无线网 需用相应的接入设备。这类设备市面上有现成的产品可供选择。接入g s m 网络 的通信模块有西门子的s i e m e n st c 3 5 i ，接入g p r s 可用西门子的m c 3 5 g p r s 模块，接入c d m a 网络的有华立h 1 1 0 c d m a 模块和a n y d a t a 公司的c d m a m o d e m ( d t s 一8 0 0 1 8 0 0 ) ，遵循c d p d 方式的无线调制解调器( m o d e m ) 有o m n i s k y 和n o v a t e l m i n s t r e l 。 无线接入模块产品一般都提供有r s 2 3 2 作为对外通信接口，有些天线是内 置的。利用现有的网络覆盖面广和可漫游等特点，使监测站和控制中心的位置不 受距离的限制；但由于利用公网，安全性会有所降低。 2 4 2 通过专用无线收发设备建立无线局域网 这种没计实现方式结构简单，且无须向网络运营商付费；利用专网，安全性 高。无线传输以微波作传输媒体，根据调制方式的不同，可分为扩展频谱方式和 窄带调制方式两种。扩展频谱方式系统的抗干扰能力和安全性高，对其它电子设 备的干扰小。窄带调制方式占用频带少，频带利用率高；通常选择专用频段，需 要申请；相邻频道问影响大，通信质量、通信可靠性无法保障。无线收发设备包 括无线m o d e m 和无线网桥等。 2 43 利用收发集成芯片在监测站端实现无线通信 前两种组网方式的一个特点是采用现有的网络系统和产品，无线通信部分不 须专门开发，实现较为容易。但出于所购买的产品均是独立器件，使整个系统特 别是监测站一端结构复杂、体积庞大，往往在系统推广时会带来不利，且外购产 品会增加系统的成本。若能将外购产品的功能与监测站集成在一起，在电路板级 实现，将司+ 以避免上述不利因素；但这会增加系统开发的难度，延长研制周期。 须权衡利弊，根据项目组的开发实力和系统生命周期作最有利的选择。 第1 3 页共5 4 负 北京邮【乜大学颤l j 研究生学位论文 塑三尊无线航拄系统应用分析 2 44 多种方式的混合无线通信传输方式 而从通信方式来看，无线通信又l 叮以划分为无线数据t c p i p 方式、g s m 短 消恩方式、以及u s s d 技术。 ( 1 ) 无线数据7 f c p 1 p 方式：g p r s 和c d m a 以及大部分移动网络支持存 物理网络卜i 采用t c p i p 协议，终端可以使用调制解调器通过拨号的方式接入无 线数据网络，进行正常的数据通信业务。g p r s 中心侧接入方案有多种方式：拨 号方式，适用于小系统的建设；专线接入方式，适用于大系统架设，而且对安全 性要求高的系统：公网接入方式，适用于提供公共访问接口的系统，一般需要增 加安全服务器以确保整个系统的安全等。虽然公用无线网络g p r s 和c d m a 网 络目前的连接稳定性不高，数据传输激活时延在秒级，但对系统实时性要求不高 的系统足够适用。随着无线数掘通信技术的进一步发展，实时性和稳定性的不断 提高，其网络环境会更加适宜监控应用，无线监控应用也必将得到更大的发展。 ( 2 ) g s m 短消息方式：短消息采用存储转发方式利用网络的信令信道传输 用户数据，能充分利用移动公网资源，它可以大大节约建设投资，降低维护成本。 中心和终端之间通过对端的手机号码或者短消息中心号码进行通信。但它有几个 特点：短消息每次最多能传送1 6 0 个英文字符，适合进行小数据量传送：消息以 数据报方式传输，平均传输时延大，并且传输时延没有保证：在特定的通信高峰 期，容易发生信道堵塞，可能导致通信不畅。 ( 3 ) u s s d 【3 】f 3 3 3 】技术：u s s d ( u n s t r u c t u r e ds u p p l e m e n t a r ys e r v i c ed a t a ) 定义为移动台和网络应用之间经过归属位置寄存器( h l r ) 传递信息和指令的一 种机制，它为移动通信用户提供基于文本的界面，用于管理用户的业务。譬如， 用户在手机上输入“3 3 2 1 31 2 3 4 5 6 7 # s e n d ”，则该用户的所有来话都将被转移 到号码1 2 3 4 5 6 7 。u s s d 与短消息业务( s m s ) 都是通过网络的信令通道传递的。 不同之处在于短消息属于存储转发方式，u s s d 则属于面向对话方式。当用户访 问u s s d 业务时，该对话通路保持连接，直到对话结束。总的来讲，u s s d 具 有快速、方便、支持漫游、广泛适用、功能强等特点，但除香港地区以外，u s s d 业务在国内应用尚不普遍。 在实际应用中，我们可以灵活使用三种通信方式的一种或几种，如采用 t c p i p 和s m s 相互补充备份的方式，增强无线网络通信的可