（计算机应用技术专业论文）基于web的中水回用远程监控系统.pdf

摘要 基于w 曲的率水阐用远程监控系统 摘要 随着网络技术的飞速发展，i n t e m e t 技术已经渗透到臼常生活和工业 生产的各个领域，这使得远程实时监控工监自动化生产成为可能。技术人 员无须亲雅现场( 尤其在恶劣环境下) 就可以对现场盼生产情况进行监控。 本文对网络监控系统体系结构及相关技术作了详细的讨论，通过对不同软 件结构的比较，提出了基于w e b 的远程监控方案。本文充分考虑远程监 控技术对通信的实时性要求，以实现网络的实时数据交互为目标，介绍了 s o c k e t 网络通信及相关通信技术，分析了服务器层作为远程监控系统中的 中闯层，与远程监控浏览器及现场监控服务器进行实时数据通信的方法， 对j a v aa p p l e t 技术，以及w e b 数据库技术作了详细介绍。 论文详细设计了中水回用远程监控系统，提出了基于w e b 的中水回用 远程监控系统的具体硬件结构方案和软件的整体设计思路，实现了监控技 术与网络技术的紧密结合，应用串行通信技术进行数据采集，使用j a v a a p p l e 和s o c 鼬通信技术解决远程实时通信闯题。系统的实践表明，基于 、e b 的远程实时监控方案是可行的。 本文针对b s 模式下的远程实时监控系统的特点，实时性和网络安全 在系统中占有非常重要的地位。论文中对实时性的基本定义以及相应采取 昭措施作了阐述；并对网络通信中的基本安全技术进行了阐述，并从远程 监控系统整体上提出了一些加强鼷络安全的措施。 恕京化工大学硕士学谊论文 关键词一w 曲；j a v a ：j s p ：远程监控；实时通信：中水回用 i i 耩要 w e b - b a s e dr e u s e 编l t e rr e m o t e m o n i t o r i n ga n dc o n t l t o ls y s t e m a b s t r a c t w i t h 也ed e v e l o p m e n to f 也en e 协帕r kt e c h n i c a l ，i n t e m e tt e c h n i q u eh a s a l r e a d yp e 燃e a t e d t oe a c hf l e l do f 髓d a i l yl i 觚l n d 毫h ei n 如s t 够p r o d u c t 至o n 1 t m a d em e 瓣a l t i m er e 越o t em o n i t o r i n ga i l dc o n 灯o lo f 也ei n d u s t l 了a u t o m a t 主o n p r o d u c t i o np o s s i b l e t h r o u g ht h er e m o t em o n i t o r i n ga i l dc o n 订o lt e c h n i q u e ， t h et e c h n i c a i p e f s o n n e l n e e d n tt oa t t e n d p e r s o n a 王l y o rt ob e呈nb a d e n v 的嘲e n t 。 t h e y c a nw o f ka t 砌e rp l a c e s 。弧ea r c h i t e c t u r eo fw e b m o n i t o r i n gs y s t e ma n dt l l er e l a t i v et e c h n o l o g yw h a ti sa d o p t e di sm s c u s s e di n d e t a i l - t bt h ec o m p a r i s o no fd i 虢r e l l ts t m 咖r e so fs o 胁a r e ，w 曲南a s e d r e m o t e 掇o n 娃。蠢n ga n dc o n 耄r o ls c h e m ei sp u t 如删a r d t bc o 珏s i d e fs u f n c i 髓垃l y 协er e a l - 黩m e 揩m o t em o n i t o d n gc o m “m n i c 旋o n s ，a n d 诚t l l 墩e 辨翠o s eo f a c c o m p l i s h i n gr e a l t i m ed a t aa l t e r n a t i o n ，s o d tc o m m u n i c a t i o n si sp r o p o s e d a n dt h em e t h o do f 镪ec o m m u i l i c a t i o n sa m o n g 潴n o t em o n i t o r i n gb r o w s e r ， l o c a lm o n i t o f i n 窑s e r v e fl e v e la n ds e r v e rl e v e lw h i c hi si 麸撖em i d d l eo n e 主s a n a l y z e d a n d 也et e c h n o l o 舒o fj a v aa p p l e ta l l dw 曲d a t a b a s e i si n 订o d u c e d i n d e t a i l t 董l ep a r 垃c u l 甜& s i g 建o ft l l e 揩鞋s e w a t e r 羚m o t em o n i t o f i 毪g 鑫n dc o 拄t r o l s y s t e mi sp u o 辩d t h ec o n c 羚钯h 幽鑫糙s 锻l c t u 揩8 n ds o r w a r e 谢m a r y d e s i g ns u p p o s e i s p u tf o n 莉，a n da c h i e v i n g t l l e t i 曲tj o i n t b e t w e e n m o n i t o r i n ga n d c o r l 灯o l t e c 量m o l o g y a r l dn e 椭，o r kt e c l l i l o l o g y ，t h es e r i a l p r o g r a 掇辙i n gi su s e d 抛t l l e 如t ac o l l e c t 量。娃协也es y s t e m 。m e a n w h i l ej a v a a p p l e ta i l ds o c k e tc o m m u n i c a t i o n s 毫e c h 玎o l o g yi sa d o p t e df o r 也e 幽e 搬eo f r e m o t er e a l 一t i m ec o m m n i c a t i o n s t bt h ep r a c t i c eo fm ed e s i g ni nm es y s t e m ， h es c h e m eo f w 曲国a s e df e t i m er e 撼。圭em o n i 圭o f i l 璃a n dc o n t li sa v a i l 曲l e 。 b ya n a l y z i n g 班ec h a r a c t e r 量s t i c so f 饿er e a l 氆er 谨m t em o n i t o r i n g 鞠d c o n t r o ls y s t e mo nb sm o d e ，w er e a l i z e 廿l a tm er e a l - t i m ep e r f o m l a n c ea 1 1 d i i l 北京化工大学颧士学位论文 n e t 、糊r ks a f e t yi s 谯em o s ti m p o r t a n tt ot 1 1 er e a l t i m er e m o t em o n i t o r i n ga i l d c 拍l s y s t e m 。 s o m es 硅侥哆t e c h i 印eo f 珏e 撕。成c o m m u n i c a t 呈o ni s e m p h a s i z e di n “sp 印e r s e v e r a lm e a s u r e s ，w h i c hc a l le n h a n c et h er e a l t i m e p e r f o r n l a n c ea l l dt h en e t w o r ks a f e t ma r ep u tf o n a r d k e yw o r d s ：w 曲，j a v a ，j s p r e m o t em o n i t 谢n ga n dc o n t r o l ，r e a l t i m e c o m m u n i c a t i o n s f e u s e 、v a t e r 符号说明 符罨说明 s c a d a s u p e r v i s o r yc o n t r 0 1a f l dd a t aa c q u i s i t i o n ，数据采集与监控 w r r m sw e b b a s e dr e m o t cm o i l i t o r i n gs y s t e m ，熬于w e b 的远程骑控系统 北京化工大学位论文原台4 性声明 y8 8 1 8 5 9 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 进行研究工作掰取褥的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 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。 作者签名：这日期：迎么：圭! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工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工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并囱国家有关部门或机构送交论文的复印件祁磁盘，允 许学位论文被查阅和借阂；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。 保密论文注释：本学位论文属于保密范匿，在蔓年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范嗣，适用本授权书。 作者签名： 塑一一 日期：! 型：查2 导师签名： ：色【刻日期：盘坐：翻 第一章绪论 第一章绪论 随着计算机技术的进步，计算橇网络技术戳一日千里的速度迅速发展。从1 9 6 9 年 第一个分组交换计算机网络的出现到今天，仅仅缀过3 0 多年的发展，计算机网络在现 代信息社会中的琏位已不能由第二种方式取代。借助计算桃网络，企妲可| 三l 从事各零孛 各样的经营活动，人们可以访问全球信息、娱乐和商务站点。计算机和网络技术的发 展使人类走遴了信息时代，跨入了网络社会，以计霹机、遴讯和多媒体技术为基础的 网络技术将成为联结未来信息社会的纽带。网络将把世界上各个国家和地区联为一 体，形成“地球村落”，促进人类的共同发展。 网络傀使远程观测、远程倍感反馈、远锺控潮、复杂市场的多方面跟踪监测成为 可能，工业社会时代的流水线生产方式将被设计研制、施工生产、销售一体化的生产 方式所取代。诗算规睡络按拳豹飞速发展，使远稷整控技零的研究进入到一令耨的领 域网络远程监控，使远程监控技术发展到一个新的阶段。采用网络进行远程监控 是计算机网络技术和远程控制技术发展的必然结果，尤其是因特网技术的发展，研究 基于因特网的远程监控更是一个新的课题，有着广阔的发展前景。 1 远程监控系统的概述 远程监控是撑远程计算机系统通过网络系统( 特别是i n t 。f n e t ) 对蕊场的控制系统进 行虢测与控制，而监测和控制的对象是一个物理系统，如电网、生产线、流域水电站 等等，它们由计算机系统进行控制和管理，因此远程监控是远程计算机监控现场计算 机系统的运行情况。 根据控制方式的不同，远程监控可以分以下儿类： f 1 ) 保持爨豹远程簸控方式 远程监控仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自主的完成这个命令，监 控设备只对设备遘褥监视，在必要时对设备进行干预。这样就要求设备不皈向远程监 控系统发送设备运行信息，远程监控系统保持对设备的监控能力。这种模式可实现远 程设备的无人控制，可应用于危险环境、人力不g & 到达的地方等。本文所研究的远程 监控系统属于此类方式。 ( 2 ) 完成型的远程监控方式 远程整控系统仅仪翔设备控制系统发出控制余令，蔼囊设备蠡走的完成这令命 令，远程监控系统不对设备的具体实现过程进行监控，设备完成任务后向远程监控系 统报丧。设备的操作控剖完全在本遣送锤，设备程本地搡修人员的监控下宠成加工任 北京化工大学硕士学位论文 务。 ( 3 ) 完全型的远程控制方式 设冬的本地控制系统仅仅控制设备的执行杌构，全部豹操作控制由远程监控系统 完成。在这种方式中，设备控制系统和设备是分离的，而在设备控制系统内信号的传 递速度要求缀商，要求系统能够嶷亥i 对瑗场作出反应。这辩控制方式用在一些特殊豹 行业。 ( 4 ) 人机交互式远程监控方式 设备在本地操作人员和远程监控系统的协同控制下工作，即设备在远程监控系统 的指挥下工作，由本地操作人员对设备进行控制和维护工作。在任务执行过程中，可 夔时建立连接，进萼亍设备之闯和人员之闻的交互，设备豹状态信息可随时在远程j l 矗控 端采集。这是目前使用比较多的一种监控方式。 根据通信网络的不同，目前童要研究的远程爨控方式主要存： ( 1 ) 基于g s m 网络的s m s 方式的远程脏控方式 数字式移动通信网络g s m 近华来发展迅速，覆盖的范围日益扩大，以及手机应用 资费的下调，为远程监控提供了一个新的乎段。g s m 系统提供的s m s 业务，其有双向 通信、具有一定的交互能力，占用g s m 网络的信令通道等特点，利用手机的短信功能 模块和接收终端可以实现远程盗控。 ( 2 ) 基于i n t e m e t 的远程监控方式 i n 耄c m e t 技术的发展，侵 孽传统的远程簸控技术产生了袋豹飞跃，使远程馥控终溺 的位援更加灵活，真正可以做到随时随地监控。基于i m e m e t 的远程监控是目前研究的 热点。 1 1 2 远程监按系统的概念 监控系统是集计算机技术、控制技术、网络技术为一体的产品，具有控制功能强、 操作简便和可靠牲高等特点，宅可以方便蟪月予工妲装置的生产控制和经营管理。秘 前监控系统之含义是比较统一的，是指具肖数据采集、监视、控制功能的计算机系统， 稚监控和数据采集系统，也是人们常谫的s c a d a ( 鲫辨“i s o f yc o n 轾o la 艇d a 瞧 a c q l l i s i t i o n ) 系统【”。计算机监控系统是以控制计算机为主体，加上检测装置、执行机 构。与被监测控制的对象( 生产过程) 共同构成的整体。在这个系统中，计算机点接参 与被监控对象的检测( m o n i t o r ) 、激督( s u p e r v i ) 和控弗0 ( c o n 仰1 ) 。一般计算机虢控系统 有如下特点：实时性、可靠性、可维护性、数据自动采集处理、通信功能、自动运行 与报警、管理功能吲。 结合网络技术的发展，各种先进的技术不断涌现，例如远程监控、远程制造、敏 捷制造等。其中远程监控技术是远程监测与控告l 技零豹结合，远程监测是摆在远程获 第一章绪论 得作业现场的信息，远程控制是指远程发送命令控制作业现场设备的运行状态。能够 实现远程监控的计算机软硬件系统称为远程监控系统【3 一。 1 2 远程监控技术的研究现状及意义 随着互联网技术的飞速发展，基于i n t e n l e t 的远程监控技术将成为新一代的监控模 式。国内外学者对远程监控技术已进行了深入的研究，主要集中在远程实验的研究， 机器人远程控制的研究以及远程监控应用于工业领域的研究。 1 基于i n t e m c t 的远程实验 远程实验不仅能节省大量的实验资源，并能使实验者在不同的地点相互协助，也 是进行远程控制研究的重要装置。现代实验设备由于其高度的精密和复杂性以及大量 的信息获取和处理要求，基本上涵盖网络化生产与商业的技术问题，使得它成为一个 非常好的前期模型。正因为如此，远程科学实验的研究倍受工业界的关注f5 1 。基于网 络技术的远程实验，将成为2 1 世纪科学实验室进行开放性研究的重要模式。目前，国 外一些大学己经有了这方面的研究。澳大利娅r m i t 大学设计的虚拟实验用于进行热 传递过程的教学i 矾，可以帮助学生快速掌握抽象的概念：美国t e n n e s s e e 砒c h a n a i l o o g a 大学的j i mh c n e r y 设计的网上工程实验室提供了一系列远程控制实验【7 】，如：压力控 制、液面控制、温度控制、速度控制实验等，该远程实验系统由一台w e b 服务器和五 台客户机构成的，每台客户机与一套实际的设备相连。用户通过i n t e m e t 访问w e b 服务 器，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，控制实验设备来完成实验，并把实验数据通过w e b 服务器生成实 验结果图，返回给用户。另外，新加坡国立大学( n u s ) 的虚拟实验室【8 ，9 】允许用户通过 i n t e m e t i 茳行远程实验，可以实现昂贵实验设备的共享。上海交通大学的纳米科技研究 中心的蔡英文等在分析因特网信息传输机制的基础上，采用协议和客户机服务器模式 实现了多用户远程分权控制扫描隧道显微镜仪t c p 加p s t m 仪器。应用该软件系统可以 对远程设备进行实时控制，同时用户与操作者之间可以进行任意两者之间的语音与视 觉交流，从而实现了科学实验的设备无关性，突破了现有科学研究对操作时间与地点 的限制，为大幅度提高现有设备的使用效率和创建新的科研模式奠定了基础。该系统 成功地实现了北京上海两地之间的远程演示l lo j 。 2 远程监控在机器人技术中的应用 由于机器人控制技术出现较早，国际上对于机器人的远程控制研究要早一此【“】。 早在2 0 世纪6 0 年代，国外就有一些专家学者开始致力于机器人远程控制的研究。1 9 9 4 年美国南加州大学完成m e r c u r y 项目，该项目允许远程用户通过w e b 浏览器控制一机械 手进行文物挖掘。英国b r a d f o r d 大学工业技术系于1 9 9 6 年研制的r 0 b o t i ct e l e s c o p e 天文 望远镜，天文爱好者可通过h l t e m e t 和w 曲浏览器访问其主页，控制望远镜的角度和焦 乾索化工大学硖士学位论文 距。德国b o n n 大学开发的用于博物馆导航的r j l i n o 和氧耋i n e r v 0 1 2 1 等则在基于w e b 的远程 鑫主式移动机器人的两大主要应用领域进行了积极的尝试。 国内的一些高校也进行了类似的研究。复旦大学计算机系陆璐锋人采用三层模澄 结构l ”j ，提出了一种基于w w w 并利用x m l 和j a v a 语言的远程监控机器人系统的方 案，并在实际系统中进行了应用。北京航空航天大学机器人研究所将飘联网技术、机 器人远程控傣技术和计算机技术有枧结合起来，建立了一个基于互联网豹机器人远程 实验系统。操作者可以在任何时间和任何地点透过甄联网来控肯4 和操作机器入臂手集 成系统。用户逶过豆联网霹以进簿机器人语言的学习、编程及直接控锘机器人关节运 动，宪成一些篱萃的操律，也可以利粥带有力觉和触觉反馈的入桃交互设备，在瀣拟 仿真规划的基础上，完成复杂的操作任务l l 引。 3 远程监控技术在工业领域中的应用研究 对工业过程的远程监控是工业自动化发展的一个熏要方向，围际控制基金会2 0 0 2 年在谣班牙举纷了基予融e f n e t 控制静 究的磺讨会。许多学者魂开发人员已经开始研究 设诖4 基于i n t e m e t 的远程羧控技术实现对工业j 耍程豹监控。如s 黼m i e f o s o 拽和 c y b e n i c s 的一组发酵器豹新一代控制系统，在这个系统中，由西门予p l c 控制的发 酵器，宙一个s 姐j a v a s 诅t i o n 弼络计算枫靛控，由j 砸用程_ | 葶控制温度、p h 值等。 由西安交通太举开发的基于i n t e m e t 的快速成型和快速加王技术，只要用户安装w w w 浏览器，就可以通过h t t p 获得远程服务部t s b ( t e l e - s e r v i c eb u r e a u ) 在线技术支持和数 攒交换。比如提供3 dc a d 文件和物理模型，加工测试数据反馈给t s b 等。 杨双华博士研究了基于i n t e 拄娥的远程监控的层次结构，他把整个过程控制分为四 个层次：全厂范围优亿层、艇控层、常援层以及过程控制郛保护层。提出实现基予 i n t e m e t 控制的方法是在原有的因个层次上增黼一个i n t e m c t j 甚，i n t e n l e t 层与各层的连接 可以进行不同方式豹远程靛控，每一种方式具有不阐豹特点。并指出设计和实现 i n t e m e t 远程控制的关键问题是解决由于i n t e m e t 的介入带来的时延不确定性、用户的不 确定性等问题【16 】。图1 1 为过程控制层次模型及岛i n t e m e t 的连接示意图。 芝述远程监控系统典烈实例中，系统的连接基本上分为鼹种类型，一静类型是点 鼹点豹连接方式，另一种类塑是基于瘸络豹连接方式。两种类型的菇同特点是，整个 系统都分为三个部分：远程客户端、服务器班及控制对象。它们的酝剐在于，点对点 的连接方式中，服务器与控翻对象之间使用率臼、数据采集卡或者专用总线进幸子连接， 这种方式的软件缩构可采用c s 模式，也可以采用b ，s 模式。基于网络的连接方式中， 一般采用b s 方式，w e b 服务器与控制对象分离，控制对象通过串口、总线等与控制 计算机连接，w e b 月匪务器与控制计算机都处于同一局域网中。 对远程甑撩技术进行深入研究窍如下意义： 第一：采用远程监控技术，管理人员不必亲临现场( 茏其在恶劣环境下) 就萄以对 现场的工作情况进行监视，完成参数设置与调整，进行故障後复等，大大提高了势动 4 第一章绪论 生产泰。 强l - l 过程控制的层次结构及与 撒e m e t 的连接 魂u 1 - lt b es h v c t u 瓣a n dn 悖i n t e m e tc o n n e c t i v i q0 f p r o c e s sc o n t r o l 第二：远程监控技术可以究分利用异地的智力资源。处于异地的专家学者可以通 过网络获得远程的监控数据，进行分析和处理，找出问题所在，提出改进的意见，从 蔼大大提高产品的科技含薰，增强产品的竞争力。 第三：远程监控技术胃戳炎分稠用异她的耪震资源。馁籍一个生产实嚣或群掰单 位部不可拥有全部的生产和辩研设备。通过该技术，就可以利用异遣先进的物藏设 备进行研究和探索。 第四：远程监控技术可以获得现场监控数据，对远程故障诊断技术提供了物质基 础。 第五：通过远程监控技术，可以加强企业间合作，可以更合理的安排生产，加强 企业的竞争力。 一般，远程箍控系统有两秘类型，一釉是生产现场就没奄现场监控系统，两是将 5 北京化工大学硕士学位论文 数据采集来厢直接送到远程计算枫进行处理，这种远程监控与一般的现场簸控没有多 大的区别，只是数据传输距离比现场监控系统要远，其他部分则和现场监控系统媚同； 另一种怒现场监控与远程监控并存。这种情况下，远程监控系统一般只具有监督功能， 和用现场监控系统处理过的数据，进行生产过程分析预测，并对各个生产过程的生产 状况进行归纳总结，以便提出新的生产计划。本论文主要讨论第二种情况。 传统的远程监控存在如下不足之处：瞽遍采用m o d e r n l 进行数据传输、长期占用 网络资源、使用成本离、工撵效率低、可靠性不高和传输速率低。系统专搦性强，开 放性不足，熬个系统处于封 j l 或半封闭状态，可扩展和可移植性也不瘫。 随着i n t e m e t 和i n n 锄e t 的快速发展和饕及，w e b 技术能够弥补佬统监控系统的 不足，运用w e b 技术实现设备的远程监控，己经越来越多地成为设备监控系统不可 或缺的一部分。 1 3 本论文的选蕊背景及主要研究内窑 中水是指民用建筑或鹰住小区用后摊放的各种生活污水、冷却水，经适当处理焉 作为杂用水再回用于民用建筑或居住小区，其水质指标达到国家觌定的杂用水标淮。 该标准低于城市给水中的饮用水水质标难，高于污水允许排放标准，介予“上水”与“下 水”之间，是可以在一定范围内熏复使用的非饮用水。中水回用技术是污水资源化的 重要措施之一，它将污水处理、净化作为城市低水质用水的第二水源，具有开源节流 与环境保护的综合效益。 建立中水圈用系统能够会瑾的、最大限度的稠用现有的水资源，减少自来水粥量。 这无疑为缓解供承的紧张状况发挥了作用。同时，顼强豹建成和运行将对区域中水阐 用积累大量详实的数攒和经验，尤其对予未来我校及其它高校中水系统的规划、设计、 建设、改造及运行管理都有很好的指导和借鉴意义。 原有的中水系统都是人工在现场去读取数据，进行非定期的人工计算仪表参数， 并绘出变化曲线图，这样相当耗费人力，我们设想如果能把所有数据读入微机，这样 一来，我们可以借助网络，在现场由服务器实时采集仪表数据，我们可以设定服务器 的用户访问权限，这样客户就可以通过浏览器测览我们的数据，得到所需的结柒数据 以及图表等。 基于w e b 的远程监控系统不i 司于一般的管理信息系统，综合其特点主要表现在 三个方面：数据传送的实时性要求；数据的事件驱动、数据源主动传送。采用俺种方 法能将远程监控系统的数据及时、安全、便捷的反映到浏览器上，针对现有远程实时 监控系统的缺点，本文结合计算机技术、网络技术和j i 盘控技术。对远程实时监控系统 做了大量的研究并在以下方面作了尝试：采用先进的分布式网络编程搜术，解决了以 往远程监控技术中通信技术豹不足，具有更大的灵活性和网络通信传输能力；对历史 6 第一章绪论 遮辩系统进行缀好的封装，保持与现有系统的兼容蛙；采嗣w 曲技术，给远程客户 提供一个统一的界面，大大加速了远程监控系统的推广和应用。 本论文主要研究内窑是： 1 研究和分析远程监控的原理、方式，以及阔内外在远程实验、机器人、工业 控铜领域中的远程簸擦技术研究现状。 2 研究网络远程监控系统的层次结构以及各层的功能，对控制网络技术以及控制 网络与信息嘲络的集成技术进行了详纲豹介绍。透过对传统的c s 模式、转s 模式的比 较，掇出基于w e b 的远程益控方案，并提潞其膏实对性远程髓控系统豹基本框架。 3 + 以提离实时性为曩标，农介绍t c p ，l p 协议和s o c k e t 网络避信技本的基础上，研 究基予w e b 的网络远程j i 餐控系统中三层之趣豹数据交互技术，主簧龟括强v a 却p i e t 技 术、s o c k e t 阿络通信技术及实时数据库技术等，并对各种通信方式进行分析和比较。 4 根据典型的w b r m s 的远程监控方案，设计中水回用远程监控系统，介绍系统 的体系结构，以及整体设计，并详细介绍了中水远程监控系统各层之间的数据交互技 术实臻过程。 5 根据中水远稚监控系统设计方案，对系统豹实时性及安全悭做出了详尽的探 讨疆究，劳提戡了系统实时性的敬进措施及系统性能安全策略。 本文的论文结构安撑如下：第一章为绪论，介绍远程j | 蠡控豹发展现状及意义，在 第二章中阐述了网络远程监控系统的体系结构及所用到的相关技术，文章的第三部分 详细介绍系统实现的三个层次的功能，对相关技术作了详细的讨论，并提出基于w e b 的远程监控系统所选择的方案：第三帮研究了纂予w e b 的远程监控系统w b r m s 的通 信技术：第网章对系统进行了详细分析，弗对w b r m 技术在中永远程监控系统中的实 现过程进行了详细阐述；第五章对系统的安时性与安全性作出了探讨及提滏了建设性 的意觅。第六掌是结论。 北京化工大学硕士学位论文 第二章基予w e b 的远程监控系统体系结构及橇关技术 2 1 基于w 曲的远程监控系统结构分析 2 。1 1 传统的c ，s 模式体系结构 传统的客户枧，月臣务器( e ，s ) 缝均是伴随蓑网络数据库技术豹应用发展起来的，c s 模式的体系结构最朗出现在8 0 每代，般甄层镰 鸯朗“胖客户端”结构是最蹙墼、也 是最普遍的一种形式。这种形式的c s 结构分为两层：第一层是在客户机系统上结合 了用户界面与业务逻辑( 客户端程序里) ：第二层是通过网络结合了数据摩服务器，系 统任务分别由客户机和服务器来完成。在c s 两层结构中，客户端保持着应用程序， 童按访问数据库；服务器端存放着所有数据；每个客户与数据库僳持一个信任连接。 客户端通过应用程序翔数据服务器发出请求，数据服务器据此请求对数据库进行操 作，势向客户端返回斑答结果。服务器暴有数据采集、控精5 耱与客户杌通信的动能； 客户端剿包括与服务器通傣和用户赛面模块。d s 结构将一个笈杂静网络应用鄢生动、 赢观的用户界面相分离，将大曩的数据运算交给了后台去完成，提高了用户变甄反应 的速度；应用开发篱单，殍发工具多丽成熟，对网络数据痒的应用起到了较大豹推动 作用。图2 1 是c ，s 结构的个示意图： 垂2 1 e ，s 系统结构圈 f l 鐾聩抟2 - lt h e 鼬m c 似俺o f c ，ss v 啦m 但随着信息技术的发展，c s 结构暴露出一些问题。由予c ，s 结构中，客户端同 时承担了表达逻辑和业务逻辑两部分功能，二者之闻界限不明鼹，无论在功能划分上 还是具体程序实现上，两个层面往往交织在一起。因而客户端需要安装大量的软件， 辊嚣需要较高的酉己置，客户端维护频繁，系统豹强健性( r o b u s t ) 下降，用户也需要进 第二章基于w 曲的远程监控系统体系结构及相关技术 行专门的培训才能操作。这样，运行成本一直呈上升趋势，从某种程度上限制了网络 的应用范围。这种“瘦服务器朋巴客户机”的模式，随着信息管理的复杂化、网络系统集 成的高度化发展，其逐渐显示了它的局限性，具体表现在如下几个方面 1 8 】： 1 部署困难，除了要安装服务器软件外，对每台客户机都要安装客户软件的一 份拷贝。 2 满足不了客户端跨平台的要求。一般来说，客户端的操作系统是不同的，与 此对应的客户端程序也是不同的。但是，为每一种操作系统设计一个客户端程序是不 现实的。而要求客户放弃已有的操作系统来购买新的操作系统会使客户付出很大的代 价。 3 更突出的弱点在于管理、维修费用高、难度大。 2 1 2 基于w e b 的b ，s 模式体系结构 1 浏览器服务器模式( b m w s e “s e r v e r ) 由于c s 结构的这些不足，我们可以在传统的c s 结构的中间加上一层，把原来 客户机所负责的功能交给中间层来实现，这个中间层即为w 曲服务器层。这样，客 户端就不负责原来的数据存取，我们只须在客户端安装浏览器就可以了。把原来的服 务器作为数据库服务器，在数据库服务器上安装数据库管理系统和创建数据库。w 曲 服务器的作用就是对数据库进行访问，并通过i n t e n l e 妇n 仃a i i e t 网传递给浏览器。这样， w 曲服务器既是浏览器的服务器，又是数据库服务器的浏览器。 在这种模式下，客户机就变为一个简单的浏览器，形成了“肥服务器瘦客户机” 的模式，这就是我们所研究的b ，s ( 浏览器服务器) 模式【1 9 l 。基于b ，s 模式的结构将 w 曲与数据库相结合，形成的基于数据库的w 曲计算模式，并将该模型应用到 i n t e m e t ，i m r a n e t 中，最终形成了三层客户机服务器应用结构，三层结构将应用系统的 三个功能层面进行了明确的分割，使其在逻辑上各自独立。其体系结构如图2 2 所示 【 】： 数据层 表示层功能层 ，、 、 _ _ ， 圈2 - 2 三层b ，s 系统结构图 f i 列仲2 2t h es 1 1 1 l c t l l r eo f m ”e - l a y e rb ，ss y s t e m 北京纯工大学硕士学位论文 表示层、功层、数据层被分割成三个相对独立豹单元。表示屡包含系统的形式 逻辑，即将避去多种应用存在的多种界面豹状况，彻底统一为一种界面格式。任务是 由w 曲测览器向网络上的某w 曲服务器提出服务请求，w 曲服务器在对用户身份 进行验证后，把所需内容传送给客户端并显示在w 曲浏竖器上。丽在功能层中包i 奎 系统的事务处理逻辑，任务是接受用户请求，与数据露进行连接，商数据库服务器提 出数据处理申请，等数据库将数据处理缩采提交给w 西服务器，再由w 曲服务器传 送到客户端。数据存储和数据处理逻辑放嚣予数据库服务器端，任务是接受w 曲服 务器对数据操级的请求，实现对数据库的查询、修改、更新等功能，把运行结果提交 给w 曲服务器。这样豹三层体系结构丈大减轻了客户机的压力，不用把负荷均衡的 分配给了w e b 服务器1 2 0 j 。由于客户机把事务处理逻辑部分分给了功能服务器，不再 负责处理复杂计算和数攒访问等荚键事务，只负责湿示部分，所以维护人员不荐为程 序的维护工作奔波于每个客户机之间，褥把主要精力放在功能服务器上程净的更新工 作。这种三层结构层与层之间相互独立，任何一层的改变不影响其它层的功能。目前， b s 正日盏与0 0 ( o b j e c t - o r i e n t e d ，0 0 ) 技术，分布式计算紧密结合，通过封装的可霪 用构件提供系统更好的灵活性和离效豹开发速度【2 l 捌。 2 b ，s 实时监控系统结构 数据层 寝示艨动辘层 ，、 、。， 豳2 - 3 三层b ，s 实时监控系统结构图 f 塘u r e2 3t h es 台嗽t 埘世o f t h f e e i a y e rb ，sr e a l 矗m e m o 撕幻r i 粥a n dc o 咖l 掣g 把m 1 0 第二章基于w 曲的远程监控系统体系结构及相关技术 基于w 曲的b s 模式采用的是三层体系结构，即客户端、服务器和数据库服务 器。客户端仅仅使用浏览器即可访问服务器，事务处理放在服务器端，数据处理则由 数据库服务器进行，这样通过网络就可以进行异地数据访问。但仅在b s 模式下还不 能直接实现与被控对象进行数据通讯。基于b s 模式实现与被控对象进行数据通讯的 远程监控系统需采用四层体系结构，即表示层、功能层、数据层和控制层。如图2 3 所示，和传统c ，s 体系结构好像只是在b s 的三层体系结构的基础上增加了控制服务 层，用来实现与w 曲服务器进行通讯和控制被控对象。而实质上是有区别的。这里 不仅增加了控制层，而且对功能层和数据层的功能也都进行了扩展。这种体系结构既 具有b s 模式的优良特性，又增加了控制服务功能，充分利用了现有的网络资源和工 业现场资源，并且使二者有机地结合在一起，达到了基于b s 远程模式监控2 3 j 。 其中各个层次的功能具体表示如下： 表示层、功能层、数据层和控制层既有一定的相互联系又有相对独立性，各层是 通过i n t e m e t ，i n 拄a n e t 相连接，通过h t t p 协议和串口通讯协议进行信息通讯。 表示层，作为应用程序的客户端，包括系统的显示逻辑。它通过功能层来访问数 据库或控制层，显示w 曲服务器返回的应答信息。 功能层，作为w 曲s e r v i c e 应用程序服务器端，包括系统的事务处理逻辑。负责 表示层与数据层及控制层之间的数据传输。具体表现为接受用户或控制服务器的请 求，以执行相应的应用程序；或与数据层进行连接，向数据层提出数据处理请求，将 数据层处理的结果发送给请求端。 数据层，代表物理数据库和数据处理应用程序，包括系统的数据处理逻辑。它主 要是接受功能层对数据库的请求，实现对数据库的查询、增加、删除等功能，并把运 行结果返回给功能层。 控制层，位于控制服务器端，包括系统的控制逻辑。它主要是用于控制被控对象， 向被控对象发送控制信息和接收被控对象的请求信息，或者向功能层发送被控对象的 请求数据请求，并把结果发送给被控对象。 应用这种四层体系构架，具体优点如下： 1 配置简单。客户端只要安装有浏览器即可访问服务器资源，而不需要再安装 任何的客户端软件，对客户端的要求可以很低。 2 易于维护。只需在客户端安装有浏览器即可，维护和升级源代码的工作都在 服务器端进行，不需要对客户端进行任何改变，大大降低了开发和维护的成 本。 3 开放的标准。采用的标准都是开放的非专用的，并经过标准化组织所确定的 而非单一厂商所确定的，保证了其应用的通用性和跨平台性。 4 安全性高。客户端和数据库服务器之间增加了一层w e b 服务器，使两者不再 直接相连，客户端无法直接对数据库中的数据进行操作。在用户登陆w e b 服务器的时 北京化工大学硕士学位论文 候还要进行身份验证，只有合法用户才能进入。而且还可以在w 曲服务器上加防火墙， 防止非法入侵。 5 易予实蠛跨平台的应用，解决了不弼系统下不兼容的情况。 b ，s 模式下的远程监控系统的基本工作模式：从数据现场采集实时数据：将数据 传绘w 曲s e r v e r 端w 曲应用程序；应用穗序将数搌在网页上鼹示。劳能定时对数据 进行动态刷新；利援动西效果将数据动态表示：对网页上表示受控对象进行操作，将 控胄l 参数输入；将受控对象表示及参数返回w 曲8 e r v e r 端；将数据传给相应程序执行 操作。 综上所述，三层的b ，s 体系绩构具有许多传统c s 体系结构琴具备的优点，用的 是基于i n t e m e t 的w 如技术，结合传统控制原理，拓展了传统的工业簸控斑用的功能， 更适合时代的发展，是技术发展的大势所趋。 2 1 3 远程整控系统体系结祷的选撵 根据对以上几种结构的分拆，本文采用基于测览器，服务器( b s ) 模式的体系结构 作为远程监控系统的结构。 基于w 曲的远程簸控系统是浏览器，w e b 服务器- 数据库服务器的三层应疆结构在 远程监控系统中的应用，是以w e b 作为通信平台的监控系统。w e b 技术以h t t p 技术为 基础，具有简单、高效、跨平台等优点，已经成为信息网络中酱遍应用的种信息交 互平台。闰2 罐为基于w e b 的设备监控的结构。 监控机w 曲服务器数攒库服务器 圈2 4 基于w 曲的设备监控 i 毡q 婵2 4w e b - b a s e dm o n i t o n n ge q u i p m e n t 1 2 第二章基于w 曲的远程监控系统体系结构及相关技术 目前，已霄许多关于w e b 技术应用于远程箍控领域的研究【2 4 ，2 5 ，2 酏，通常磷究的基 于w e b 技术豹远程鼗控模型按层次可划分为：监控层、数据管理瀑、现场测控设备豹 数据采集与控制层( s c a d a 层) 。 虢控层：是系统和用户交曩豹界面，一方面，用户通过浏览嚣向数据管理层发出 服务请求，获得设备的状态信息服务；另一方面，用户将控制命令提交数据管理层， 由数据管理瑶做出处理。 数据管理藩：w e b 服务器响斑监控层的请求，一方箍。它接受客户端的响应，从 实时数据库中的取出设餐实时状态数据，发布到浏览器上供用户察看；另一方蘑，它 掩收到的客户的控利命令存入实f l c | 数据库，供设备豹控剖中心提取。 现场设备的数据采集与控制层：通常现场设备的数据采集工作站( 或者数据采集模 块) 将采集到的数据放入实时数据库，供w e b 服务器发布：同时，现场设备的操作站读 取实时数据库中控制命令，用于对设备的控制。 这种典型的基于w 西豹远程监控方案怒基于实时数据库的远程监控方式，如图2 5 所示。 誊 现 现 场 服_ 一实时b 监 场 务 l 数据库l 控 测 计 控 器 、， 算 设 备 机 图2 5 基予实时数据库的远程监控框架 f i 蚪r e2 5t h es 打u 弧鹏o f d a t 曲a s e 南a s e d 撑a l 柏熊er e m o t e m o n n o r i n g 蚴dc o n 订o ls y s t e m 2 1 。4 远程监控系统的寅时慷改进模激 基于实时数据库的远程监控系统的一个很显著的特点是远程监控端所能访问的 其能楚数据库中的信息，焉无法巍接与处于s c a d a 层的现场监控计算机进行通信， 雨由数据库进行中转褥访阔到信息，在实融性方露往往比较蒺，因此，谗多远程监控 方式采用基于t c p 璎的直接通信方式【2 7 0 捌，这种方式与基予数据库的方式相比，实 时性比较高，但开放性蓑，在应嗣层霈要遵循栩藏豹协议。这耪对实时性进锫改进的 远程监控系统的框架如图2 6 所示 北衷化王大学碛士学位论文 远程客户菇应用服务嚣层 图2 - 6 慕于、b 的远程实时监控系统的基本框架 魂硅瑚2 6t h es t m c t u r eo f w 曲- b 醛e df e 融o l er e a i t i m em o n h o 蛙n gs y s t e m 图2 6 把网络远程监控层次模型中的远程监控屡具体化为两层，一是远程客户层， 二是斑用服务器层( 图2 5 也可以进行这样豹层次划分) 。从蹰2 6 中，可以看出它与辫2 5 睽描述的远程驻控系统的区别在于远程监控端可以通过二次通信接嗣间接访闻到现 场监控系统，不需要经过数据痒豹中转，体现了实鞋寸性。本文主簧针对这种远程监控 方式进行研究和应掰。有关具体通信技术及箕吴体实现，将在后续章节具体介绍。 2 2j a v a