（检测技术与自动化装置专业论文）基于互联网的恒压供水远程监控系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着2 1 世纪的到来，计算机技术、网络技术及控制技术相结合，极大地促 进了工业的发展，各种基于网络技术与分布式概念的系统大量应用于工业实践， 给工业生产带来了革命性的变化，作为现代工业技术的一个重要组成元素，远 程监控技术整合了现代计算机技术、通讯技术、控制技术以及图形技术，它采 用多元的信息传输、监控、管理和一体化地集成，达到监控的实时、快速和有 效。 本文在现有的恒压供水系统基础上，提出了一种功能更加完善的供水系统 基于i n t e r n e t 恒压供水远程监控系统，它具有节能、安全、高品质供水质 量的特点，同时能够对供水管网中的各个参数进行监测，解决供水管网中的控 制问题，本文设计了供水管网压力恒定的远程监测系统，其中主要工作包括如 下： ( 1 ) 硬件系统：包括供水管网远程监监测制系统的构建、传感器、执行机构、 其它元器件的选型、以及数据采集模块、现场控制模块和远程通信模块。 ( 2 ) 软件系统：包括人机界面、实时监控、故障诊断、自动控制及其数据管 理软件的设计与实现。 ( 3 ) 网络功能的设计和实现：c s 模块、t c p i p 、p r o f i b u s 总线、d a t a s o c k e t 网络动态数据交换、数据加密程序的开发以及网络传输实时性的研究等。 整个系统的测量、控制、管理一体化，是采用分布式的管理和控制结构， i n t e r n e t 、管理层、监控层和供水设备层构成综合信息网。这符合远程网络监 控系统的要求，也是供水系统现代化的要求。本课题提出了对供水管网远程监 控的智能化体系的构建，以恒压供水监测系统为背景，拟采用网络技术，数据 采集技术，i n t e r n e t 内的数据实时双向传输、串行化技术、面向编程等诸多技 术，研究系统的软硬件结构和模块化设计，是远程通信技术、计算机网络技术、 故障诊断技术、测试技术和单片机技术在设备测试系统中的具体应用。 关键宇：恒压供水，远程监控，i n t e r n e t 武汉理工大学硕士学位论文 n o w a d a y s , t h ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y p r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r yg r e a t l y , ag r e a td e a l o fs y s t e m sb a s e do n n e t w o r kt e c h n o l o g ya n dd i s t r i b u t ec o n c e p t i o nh a v eb e e na p p l i e dt oi n d u s t r y , a n d b r o u g h tr e v o l u t i o n a r i l yc h a n g eo ni n d u s t r y a sa ni m p o r t a n te l e m e n to fm o d e r n i n d u s t r i a lt e c h n o l o g y , r e m o t em o n i t o r i n gc o v e r sm a n yt e c h n o l o g i e ss u c ha sc o m p u t e r , t e l e c o m m u n i c a t i o n ，c o n t r o la n dg r a p h i ct e c h n o l o g y i tu s em u l t i r e s o u r c et e c h n o l o g y t ot r a n s f e r , m o n i t o r , m a n a g ea n di n t e g r a t ei n f o r m a t i o n , a n dc o m p l e t em o n i t o rf a s t , r e a l t i m ea n de f f i c i e n t l y i nt h i s p a p e r , b a s e do nt h ew a t e rs u p p l ys y s t e mw i t hc o n s t a n tv o l t a g e ，w e p r o p o s eam o r ep e r f e c tf u n c t i o nw a t e rs u p p l ys y s t e m r e m o t em o n i t o r i n gw a t e r s u p p l ys y s t e mw i t hc o n s t a n tv o l t a g e i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss a v i n ge n e r g y , s a f e ，h i g hq u a l i t y , w eh a dd e s i g n e dt h er e m o t em o n i t o r i n gw a t e rs u p p l ys y s t e mw i t h c o n s t a n tv o l t a g e ，t h ew o r ki n c l u d e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) h a r d w a r es y s t e m ：i tc o n t a i n st h eb u i l d i n go ft h i ss y s t e m ，t h es e l e c t i n go ft h e s e n s o r s ，e x e c u t i v ee l e m e n t ，o t h e re l e m e n t s , a n dd a t as a m p l i n gm o d u l e ，l i v i n gc o n t r o l m o d u l ea n dr e m o t et e l e c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ( 2 ) s o f t w a r es y s t e m ：i tc o n t a i n s t h e h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，r e a l t i m e m o n i t o r i n g , e r r o rd i a l o g u e ，a u t o - c o n t r o la n dd e s i g n a t i o no ft h ed a t am a n a g e m e n t s y s t e m ( 3 ) d e s i g n a t i o na n d r e a l i z a t i o no fn e t w o r kf u n c t i o n ：c sm o d u l e ，t c p n , p r o f i b u sb u s , d a t a s o c k e tn e t w o r kd y n a m i cd a t ac h a n g e ，d a t ae n c o d ea n dn e t r e a l - t i m et r a n s m i s s i o n t h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e mi n t e g r a t e st h ed e t e c t i o n , c o n t r o l l i n ga n dm a n a g e m e n t , i ti sc o n s i s to fd i s t r i b u t i n gm a n a g e m e n t , c o n t r o lc o n f i g u r a t i o n , i n t e r a c t , m a n a g i n g l a y e r , m o n i t o r i n gl a y e ra n dw a t e rs u p p l ye q u i p m e n tl a y e r i ts a t i s f i e st h er e q u e s to f r e m o t en e t w o r km o n i t o rc o n t r o ls y s t e m , e v e nt h e r e q u e s t o fw a t e r s u p p l y m o d e r n i z a t i o n t h i sp r o j e c ts e t st h ew a t e rs u p p l ys y s t e mw i t hc o n s t a n tv o l t a g ea st h e b a c k g r o u n d ，u s e st h en e t w o r kt e c h n o l o g y , d a t ac o l l e c t i o nt e c h n o l o g y , r e a l t i m ed a t a t w o - w a yt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , s e r i a lt e c h n i q u ea n do b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g t or e s e a r c ht h ec o n f i g u r a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，d e s i g n a t i o no fm o d u l a r i z a t i o n , i ti st h ea p p l i c a t i o no ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y , f a i l u r ed i a l o g u et e c h n i q u e ，t e s t i n gt e c h n i q u ea n ds i n g l e - c h i pt e c h n i q u ei ne q u i p m e n t t e s t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l ys y s t e mw i t hc o n s t a n tv o l t a g e ，r e m o t em o n i t o r i n g ，i n t e r a c t 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 远程监控系统的概述 监控系统是一个从集中监控到网络监控的发展过程。传统的监控系统一般 是建立在近距离的条件下，即近程监控。这种监控方式主要是通过液晶显示来 得知系统各个参数的情况。然后采用数据线通过r s 2 3 2 口或r s 4 8 5 进行通信， 利用手动方式来控制系统的各种状态及参数，包括修改参数和查看参数。这种 方式需要大量的维护人员，花费大量的人力、物力、财力，已经越来越不能适 应现代化经济的发展。计算机监控系统是以监监测制计算机为主体，加上检测 装置、执行机构与被监监测制的对象共同构成的整体。在该系统中，计算机实 现了生产过程的检测、监督和控制功能。但大多数系统都是面向单台，或单一 类型的设备。而随着生产力的进步，设备的分布越来越复杂，单一的，各自独 立的监控系统已经不适合工业化的要求。于是便产生了分布式系统。这种系统 以计算机网络为基础，使系统资源分配趋于合理，沿着网络化方向和开放性方 向发展 1 1 。 随着现代恒压供水管网的发展，要总揽现场控制信息和生产状况，要实现 对分散在各个水点的控制网络进行状态监控、远程数据下载及设备的诊断维护， 只有通过远程通信网络才能实现。随着网络技术的发展，因特网极其相关技术 的出现，解决了这些问题，而且随着因特网技术渐趋成熟，相关技术成本正在 下降。所以，基于因特网的远程监控就逐渐成为监控系统发展的趋势。 在i m e m e t 上，地域上的差别几乎被抹除了。i n t e r n e t 最大的贡献就是资源共 享，它能互通有无，从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下很难解决的 问题，为远程监控系统的发展提供了有利的条件。计算机领域又经历了一场新 的革命，它结合了现代控制技术、图形技术，其目标是随时随地为人们提供天 衣无缝的、高质量的、易用的、廉价的信息资源，使其能真正进入人们的生活。 在计算机技术、电子技术和通信技术迅猛发展的过程中，监控系统的技术水平 也从初期的模拟信息传输与控制飞速发展到了数字化、网络化信息传输与控制。 所谓基于i n t e m e t 的恒压供水远程监控系统就是指利用计算机通过i n t e r n e t 网络实现对远程供水设备控制系统的监视和控制。在广泛的工业领域中，可实 武汉理工大学硕士学位论文 现信息网络和控制网络的融合，即现场总线和i n t e m e t 容为一体。目前，以t c p p 和现场总线为代表、成熟度较高的开放式网络技术，正逐渐地被应用在各个自 动化系统，将i n t e m e t 与局域网相连，控制局域网里所有的设备，实现信息的完 全共享。局域网的监控信息接入i n t e m e t ，在一定条件下就可以通过i n t e m e t 监视 并控制现场设备的运行状态和各种参数。管理人员可以监视远程水点控制设备 的运行情况，根据需要及时发出调度指令。控制者不必亲临现场，这可以节省 大量人力物力，从而打破了地域的界限，达到了信息传输、监控、管理和一体 化的集成技术，实现了信息、资源和任务的共享，达到了监控的实时、快速和 有效，向人们提供了一个更高效、更全面、更安全、更快捷的服务模式【2 】。 1 2 远程监控系统在国内外研究现状 目前的远程监控系统有两种类型，一种是生产现场就没有现场监控系统， 而是将数据采集直接送到远程计算机进行处理，这种远程监控与一般的现场监 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，其它的部分与现 场监控系统相同；另一种是现场监控与远程监控并存，在这种情况下，远程监 控系统只具有监督功能，利用现场监控处理过的数据，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。 1 9 9 7 年，首届基于h l t c m c t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理 工学院联合主办，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会，会议主要 讨论了有关远程诊断系统开放式体系、诊断规程、传输协议、以及对用户的合 法限制等，并对未来技术发展作了展望。另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e ma l l i a n c e ) 、m 刚s o c i e t yf o r m a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o nt e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i f i o nm o n i t i o na n d e n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 等，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。许多大公司在他们的产品中加入了 i n t e m e t 的功能，如b e n t l y 公司的计算机在线设备运行监测系统d a t am a n a g e r 2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e td d e ) 的方式向远程终端发送设备运行 状态信息，国外对控制网络系统的远程监视与控制研究的较多，现在国外先进 的控制网络技术是以以太网作为现场控制总线，并且与i n t e m e t 集成，实现了企 业信息系统的远程化和以太网的一体化 3 1 。 目 i 在国内变频调速恒压供水远程监控系统的研究设计中，对于能适应不 2 武汉理工大学硕士学位论文 同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾控制系统研究得 还不是很多，国内对控制网络的研究只局限于现场总线网络上，也有部分学者 对工业以太网控制网络进行了探讨，但仍停留在概念上，未进入实质研究阶段， 在控制网络的远程通讯方面，国内有的企业实现了对现场设备的远程监控，但 这些系统在开放性，互操作性上存在一些缺陷，系统造价也偏高，无法满足客 户的监控要求。 远程监控技术的主流是应用i n t e r a c t 技术，在t c p i p 协议和w w w 规范的 支持下，合理组织软件结构，使工作人员通过访问网络服务器来迅速取自己权 限下的所有信息并及时做出响应。随着网络技术的飞速发展和监控范围的扩大， 监控系统由过去的单机监控过渡到现在的网络监控，但目前还存在着一些问题。 首先，网络通信技术不足的问题。网络通信技术是远程监控技术中最为关键的 技术，然而，目前网络通信一般简单采用s o c k e t 技术，甚至f r p 或e - m a i l 等， 这些技术无论在传输的数据量、编程的灵活性还是安全性方面都有很大的欠缺。 特别对于现场多个端点的数据采集，会大大增加编程的复杂度，不能满足远程 监控技术对网络通信的需求。目前的远程监控系统结构大多比较复杂，分布距 离远，而且还存在着不同局域网，不同平台，甚至在同一局域网中的操作平台 以及编程语言也有可能不同的问题，这就要求集成网络中的不同平台，实现不 同平台之间的通信，而这些问题采用传统方法是难以解决的阱。但是随着因特网 的快速发展，人们通过因特网访问控制系统，进行远程诊断、维护和服务的愿 望越来越强烈，因此t c p 1 p 协议也进入过程控制领域，目前基于i n t e r a c t 的远 程监控系统已投入到实际的应用领域，并取得了良好的经济效益，其应用前景 是十分广阔的。并且在广泛的工业领域中。实现信息网络和控制网路融合，即 现场总线( 包括工业以太网) 和i n t e m e t 融为一体，使基于i n t e m e t 的远程监控 领域得到迅速地发展 4 1 。 1 3 本课题研究的主要内容 整个系统要设计成测量、控制、管理一体化的远程监控系统。监控系统要 操作维护方便。本课题研究的目标是使系统的稳定性和节能效果进一步提高， 操作更加方便，简捷，故障报警及时迅速，同时具有开放的数据传输。利用通 讯技术，数据采集技术及面向对象等软件编程技术实现整个系统的系统管理、 用户管理、设备监控、数据( 实时数据和历史数据) 显示及报警等模块，实现 3 武汉理工大学硕士学位论文 信息，资源和任务的综合共享和全局一体化的管理。 主要内容： ( 1 ) 硬件系统：包括供水管网远程监监测制系统的构建，传感器，执行机构 以及其它元器件的选型。 ( 2 ) 软件系统：包括人机界面、实时监控、故障诊断、自动控制及其数据管 理软件的设计与实现。 ( 3 ) 网络功能的设计和实现：c s 模块、t c p i p 、p r o f i b u s 总线、d a t a s o c k e t 网络动态数据交换、数据加密程序的开发以及网络传输实时性的研究等。 拟解决的关键问题： ( 1 ) 设计出较为合理的软件，实现远程供水的控制和管理，达到“无人值守”。 ( 2 ) 安全性、实时性及可靠性是本课题研究中的最为关键的问题，拟出一套 能够行之有效的身份验证和决策管理的系统。 国内对泵站计算机系统的研究己做了大量的工作，但将整个区域作为一个 系统来监控的成功例子还未见报道。因此本课题充分结合并总结先前开发过的 泵站、水闸监控系统，参考国内外先进的局域供水网络系统，对供水网络智能 监控系统应用技术展开研究 5 1 。本文提出的供水网络智能监控系统采用工业以太 网和p r o f i b u s 现场总线技术构成远程网络监控系统，应用人工智能相关理论和 流量跟踪优化理论，对供水网络进行智能调度。并利用网络通信技术，现场总 线技术，d a t a s o c k e t 技术，面向对象编程技术等诸多技术提出了基于i n t e r n e t 技术供水管网远程监控系统，整个系统概括起来有4 个部分：数据采集部分、 现场控制部分、远程通信部分、后台监控软件。其中数据采集部分可以根据现 成供水管网的具体要求而单独配置，而现场控制系统要与现场总线技术结合， 将现场分散的水电设备组建控制局域网络，主要功能：一方面接收远方后台传 来的命令，进行判断，进而对现场的设备进行控制：另一方面将现场采集来的 数据处理后上传至后台服务器上并显示出来。远程通信部分相当于现场控制局 域网络与i n t e r n e t 网络的转换接口。基于t c p i p 协议，一方面从i n t e r n e t 网 络接受信息，并将接收到的信息重新打包成网络信号，然后传递给现场设备控 制模块，以实现控制命令的实施；另一方面，该模块可以通过网络连接到 i n t e r n e t 上，与远方监控主机进行数据传送。对于后台监控软件，要完成图形 用户界面的初始化，等待接收并处理用户命令，对接收的数据进行处理，并传 达用户命令给现场通信模块。 4 武汉理工大学硕士学位论文 本文主要研究现场控制网络的组建及其与i n t e r n e t 网实时通信的实现， 用户通过i n t e r n e t 后台监控软件，对现场供水点的情况实时监控，本文将这些 内容扩展为基于i n t e r n e t 的恒压供水管网的远程监控系统，具体硬件、软件设 计过程在后面几章具体阐述。 1 4 本监控系统的特点 本文利用网络技术、d a t a s o c k e t 技术、现场总线技术及面向对象的软件技 术实现了基于i n t e r n e t 的恒压供水远程监控系统，该系统的主要特点有： ( 1 ) 配置灵活用户可根据供水管网设备的实际情况取舍各个应用模块， 灵活配置适合本身监控需要的监控系统。 ( 2 ) 组网方便系统终端采用总线型拓扑结构，可扩充监控设备，增加系 统容量。 ( 3 ) 组态性好系统采用模块化的结构，各部分功能相互独立，用户可根 据设备应用实际情况选择监控配置。 ( 4 ) 技术先进采用浏览器服务器模式，利用网络技术。实用简单；底层 通信协议采用国际标准的t c p i p 协议。 ( 5 ) 用户界面友好操作界面为图形界面，可按现场情况布图，操作灵活 方便，简单易用。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章网络通信技术与监控系统的功能原理和研究 2 1o s i 体系结构及协议 随着计算机网络发展的复杂化与多元化，如果只要一个人编写单个软件去 完成不同计算机之间通信所需的每一项任务，是难以想象的。为了便于维护和 得以执行，通常的做法是把所有要求分成“组”，一组相关的任务就称为“层”。 层的划分有不同方法与标准。在这里，我们采用国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n ，简称i s o ) 于1 9 8 3 年制定的开放系统互联( o p e n s y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，o s i ) 网络参考模型，该模型广泛适用于分层的网络 体系结构定义框架。与o s i 标准并行发展的且相辅相成的是t c p i p 标准，它并 不是由国际标准化组织提出的，但却是世界上广泛使用的事实标准1 6 l 。 o s i 参考模型包括七层功能及其对应的协议，每层完成一个明确定义的功能 集合，并按协议相互通信。每层向上层提供所需的服务，在完成本层协议时使 用下层提供的服务。各层功能是相互独立的，层间的相互作用通过层接口实现。 该七层参考模型的各层描述如下： ( 1 ) 物理层：该层处于o s i 模型的最底层，是整个开放系统模型的基础。 其任务是实现网内两实体间物理连接，按位串行传输比特流，将数据信息从一 个实体经物理信道送到另一个实体，向数据链路层提供一个透明的比特流传输 服务。 ( 2 ) 数据链路层：该层的主要功能是提供对物理层的控制。检测并纠正传 输过程中出现的传输错误。通过检验、确认和反馈重发等手段对高层屏蔽传输 介质的物理特征进行检测，保证两个相邻节点间的无错数据传输，给上层提供 无错的信道服务。 ( 3 ) 网络层：该层的基本任务是接收来自源机的报文，把它转换成报文分 组，然后送到指定的目标机。报文分组在源机与目标机之间建立起的网络连接 上传输，当它到达且标机后再还原为报文。这种网络连接是通过通信子网建立 的。 ( 4 ) 传输层：该层是端对端的，也就是主机到主机的层次。它的目的是提 供一种独立于通信子网的数据传输服务，使源主机与目标主机好像是点对点简 武汉理工大学硕士学位论文 单连接起来的一样。 ( 5 ) 会话层：该层允许不同主机上各种进程间进行会话，传输层是主机到 主机的层次，而会话是进程到进程之间的层次。对传输层来说，每次传输中途 失败后，都不得不重新传输这个文件，会话层提供了在数据流中插入同步点控 制，在每次网络出现故障后可以仅重发最近一个同步点以后的数据，而不必从 头开始。 ( 6 ) 表示层：该层为上层用户提供共同需要的数据或信息的语法表示方法。 大多数用户问并非交换随机的比特数据，而且还要交换诸如人名、日期、货币 数量和商业凭证之类的信息。它们是通过字符串、整型数、浮点数以及由简单 类型组合的各种数据结构来表示的。不同机器采用不同编码方法来表示这些数 据类型和数据结构， ( 7 ) 应用层：该层是开放系统互联环境中最高层，并且是o s i 系统的终端 用户界面，其任务是显示接收到的信息，把用户的新数据发送至较低层。 还应注意，o s i 模型并非网络体系结构的全部内容，因为它并未确切描述各 层的服务和协议，仅说明每一层应完成的功能。它只是一个简单的理论模型。 在现实网络中，大多数协议并不是真正遵从o s i 规范。但只有理解了o s i 的七 层参考模型，才能更好地理解网络协议、网络通讯及其它的网络体系结构1 7 1 s l 。 2 2t c p i p 协议 ( 1 ) t o p i p 协议 与o s i 参考模型不同，t c p i p 模型更侧重于互联设备问的数据传送，而不 是严格的功能层次划分。它在计算机网络体系结构中占有非常重要的地位，几 乎所有的工作站都配有t c p i p 协议，这就使得t c p i p 成为计算机网络事实上 的国际标准，即工业标准。它的设计基于美国国防部( d e p a r t m e n to fd e f e n s e ， d o d ) 的通信协议模型，由于它更强调功能分布而不是严格的功能层次的划分， 因此它比o s i 模型更灵活。t c p i p 参考模型共有四层：应用层、传输层、互联 网层和网络接口层。与o s i 参考模型相比，t c p i p 参考模型没有表示层和会话 层。互联网层( 有时也称网络层) 相当于o s i 模型的网络层、网络接口层相当 于o s i 模型中的物理层和数据链路层。t c p i p 参考模型如下1 9 1 ： 下面是对t c p i p 参考模型各层的介绍： ( 1 ) 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ：应用层提供计算机之间的高层网络通 7 武汉理工大学硕士学位论文 信，相当于o s i 模型中的应用层、表示层和会话层。应用层协议指定在客户端 和服务器之间传输命令，提供标准的访问方法。 ( 2 ) 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) ：它的功能是使源端和目标主机上的对等 实体可以进行会话。该层与o s i 的传输层相似，为网络中的主机提供了面向连 接或无连接通信。它允许从一台机器发出的字节流无差错地发往另一台机器。 它将输入的字节流分成报文段并传给互联网层。传输层还要处理流量控制，以 避免快速发送方向低速接收方发送过多的报文而使接收方无法处理。 ( 3 ) 互联网层( i n t e r n e tl a y e r ) ：它是整个体系结构的关键部分。该层 定义了互联网络协议( i p ) 的报文格式和传送过程。它的功能是使主机可以把 分组报文发往任何网络并使分组独立地传向目标( 可能经由不同的网络) ，对应 于o s i 参考模型的网络层。这些分组到达的顺序和发送的顺序可能不同，因此 如果需要按顺序发送和接收时，高层必须对分组进行排序。所有上述的需求导 致了基于互联网层无连结的分组交换网络。网络层定义了正式的分组格式和协 议，即i p 协议( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 它负责把i p 分组发送到目标终端。分 组路由和避免阻塞是这里主要的设计问题。 ( 4 ) 网络接口层( i n t e r f a c el a y e r ) ：t c p i p 参考模型没有真正描述这一 部分，只是指出主机必须使用某种协议与网络相连。实际上，网络接口层对应 于o s i 模型的底端两层，即数据链路层和物理层，该层的主要功能是从网卡中 接受或发送数据。该层的标准包括e t h e r n e t 、令牌环、光纤分布数据接口( f i b e r d i s t r i b u t e dd a t ai n t e r f a c e ，f d d i ) 和桢中继等m 嘲。 ( 2 ) h t t p 协议 1 9 9 0 年，科学家们制定了能够快速查找超文本文档的协议，即h t t p 协议。 使用h t t p 协议我们可以很方便地从w w w 上获得各种所需的信息。 h t t p 协议是用于从w 唧服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。它可 以使浏览器更加高效，使网络传输量减少。它不仅保证计算机正确快速地传输 文本文档，还确定了传输文档中的哪一部分，以及哪部分内容首先显示( 如文 本先于图形) 等。 h 1 v r p 规范是一种根据明确性和速度要求，为建立分布式协作超媒体信息系 统而设计的协议，对多种协议提供一个统的通用接口，属于应用层协议，用 来传输各种对象，位于t c p i p 协议层的顶层1 1 0 】。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 3d a t a s o c k e t 技术 ( 1 ) d a t a s o c k e t 技术特性 从独立的传统仪器，到附带网络功能的虚拟仪器，再到网络化的虚拟仪器， 是仪器工业发展的必然趋势。正如人们谈到i n t e r n e t 就必然谈到t c p i p 一样， 当构建网络化的虚拟仪器时，人们很容易想到n i 公司于1 9 9 9 年推出的一项新 技术d a t a s o c k e t 技术。 d a t a s o c k e t 是一个基于t c p i p 工业标准的编程技术，对底层进行了高度封 装，所提供的参数简单友好，大大简化了同一计算机内部或网络中不同计算机 间应用程序的数据交换过程。使用d a t a s o c k e t 类，很容易地通过各种方式接收 和发送测量数据，如：o p c 、h t t p 、f t p 或其它网络的d a t a s o c k e t ，包括 i n t e r n e t i n t r a n e t 。人们不用进行底层t c p i p 编程，就可以很方便地在测量 和控制系统中共享和传输现场数据( l i v ed a t a ) ，并在网上实时发布。d a t a s o c k e t 技术包含d a t a s o c k e ta p i 和d a t a s o c k e ts e r v e r 两个部分。o a t a s o c k e ta p i 是 一个与协议、编程语言、操作系统无关的应用程序接口，可通过a c t i v e x 控件， l a b w i n d o w s c v i 或l a b v i e w 来实现，它所起的作用是把用户测量得到的数据自 动转化为可在网络上传输的字节流，可在任何编程环境中使用。操作d a t a s o c k e t a p i 与操作文件很相似，包括打开、读、写、关闭四种方法。d a t a s o c k e ts e r v e r 提供了在i n t e r n e t 上高速地、并发地广播现场测量结果的功能。它是一个单独 的组件，能够自动管理与客户端之间的连接，从而大大简化t c p i p 编程。我们 可以利用它方便的实现网络广播功能【l l i 。 假设一个客户端的应用程序是信息的“发布者”。它把要在网络上广播的数 据“写”到服务器上，另外一个或多个客户端作为“阅读者”，用d a t a s o c k e t a p l “读”出服务器上的数据，从而实现网络广播，这种分层体系使我们可以灵活 的实际应用系统的结构，如下图2 1 所示。 与h t t p 协议及f t p 协议的u r l 不同，d s t p ( d a t a s o c k e tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 的u r l 不是指向一般文档，而是指向数据项目，d a t a s o c k e t 只需要通用资源定 位器u r l ( u n i f o r l l lr e s o u r c el o c a t o r ) ，就可用来在i n t e r n e t 进行及时分送所 需传输的数据，例如：d s t p ：1 0 c a l h o s t s i n ，表示d a t a s o c k e t 用d s t p 协议打 开一个到l o c a l h o s t s i n ，去取波形s i n 。不同的协议使用不同的端口，通常h t t p 使用8 0 端口，d s t p 则通常使用3 0 1 5 端口。d a t a s o c k e t 采用独特的二进制数据 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1d a t a s o c k e t 数据发布体系 文件格式d s d ( d a t a s o c k e td a t a ) ，该格式的文件后缀为d s d 。d s d 文件可 以附带有用户定义的属性资料数据( 例如：数据采集的日期时间、采样的速率 和数据传输的结束标记等) ，d s d 格式可接受多种类型的数据，例如单个或数组 形式的字符串、逻辑量和数值量。d a t a s o c k e t 在读数据文件时支持t e x t 、w a v e 和d s d 文件格式，而在写文件时支持t e x t 和d s d 格式。由于d a t a s o c k e t 采用 二进制传输数据，所以用户可以像使用l a b w i n d o w s c v i 中的其它数据类型一样 使用d a t a s o c k e t 读写字符串、整形数、浮点型、布尔量及数组数据。d a t a s o c k e t 提供了三种数据目标：f i l e 、d a t a s o c k e ts e r v e r 、o p cs e r v e r ，因而可以支持 多进程并发。 d a t a s o c k e t 是一种面向测量和自动化工程的网上实时数据交换的编程新技 术，其控件包含以下三个工具： ( 1 ) d a t a s o c k e ta c t i r ec o n t r o l ：连接数据源和数据宿，并使其共享数据 的元件。因为它是一种a c t i v e 控件，可以用它在v b 、v c + + 、d e l p h i 的a c t i v e 环境中开发数据应用程序。 ( 2 ) d a t a s o c k e ts e r v e r ：在两个应用程序间用d s t p 协议进行数据通信和 交换是可行的。在服务器端运行了d a t a s o c k e ts e r v e r 后，当客户端连接到 d a t a s o c k e ts e r v e r 时，就可以使诸如i n t e r n e t 这样的网络连接是可访问的。 ( 3 ) d a t a s o c k e ts e r v e rm a n a g e r ：用以对d a t a s o c k e ts e r v e r 进行配置。 d a t a s o c k e t 非常适合于在大型的监控网络中实时协调各个功能计算机的 工作，获取各功能计算机的当前工作状态，发布下一步的操作指令。一般采用 主从结构循环收发方式，管理计算机为信息发布源，要确认各功能计算机收到 后才能进行后续工作。各功能计算机为信息接收者，收到后要通知管理计算机， 才能进行后续工作。通过d a t a s o c k e t ，即使网络通信的数据量最小，又达到了 良好的传输效果。随着网络迅速普及、性能及监测技术的要求日益提高，该技 1 0 圈圃 武汉理工大学硕士学位论文 术将会得到广泛的应用。 ( 2 ) d a t a s o c k e t 服务器和管理器 由于软件系统利用d a t a s o c k e t 机制实现通信，因此程序的源代码中必须包 含头文件“d a t a s k t h ”。从下面主程序来看，可以得到d a t a s o c k e t 服务器的 加载是由d s _ c o n t r o l l o c a l s e r v e r ( d s c o n s t s e r v e r l a u n c h )和 d s _ c o n t r o l l o c a l s e r v e r ( d s c o n s ts e r v e r c l o s e ) 来共同完成的( 1 2 i 。 i n tm a i n ( i n ta r g c ，c h a r * a r g v ) i f ( i n i t c v i r t e ( 0 ，a r g v ，0 ) = = o ) r e t u r n l ：* o u to fm e m o r y * i f ( p a n e l h a n d l e = l o a d p a n e l ( 0 ，“d s t ps t r i p c h a r t u i r ”，p a n e l ) ) o ) r e t u r n 一1 ： d i s p l a y p a n e l ( p a n e l h a n d l e ) ： d sc o n t r 0 1 l o c a l s e r v e r ( d s c o n s t - s e r v e r l a u n c h ) ：序启动d a t a s o c k e t 服务 器木 r u n u s e r i n t e r f a c e0 ： d s _ c o n t r o l l o c a l s e r v e r ( d s c o n s ts e r v e r c l o s e ) ：车关闭d a t a s o c k e t 服务 器半 d i s c a r d p a n e l ( p a n e l h a n d l e ) ： r e t u r n0 ： 在d a t a s o c k e t 服务启动的时候，首先要启动d a t a s o c k e t 服务器，它标示 着数据包的发送状况。如图所示： 图2 2d a t a s o c k e ts e r v e r 启动界面 其中p r o c e s s e sc o n n e c t e d ：显示和d a t a s o c k e t 服务器连接的客户端的实际数 目；n u m b e ro fp a c k e t s ：显示传输数据包的数目。 我们可以通过配置d a t a s o c k e t 服务管理器来管理d a t a s o c k e t 的数据发送。 但在每次设置改变后，d a t a s o c k e t 服务器应重新启动以使新设置生效。如图2 - 3 武汉理工大学硕士学位论文 所示。 其中，s e r v e r s e t t i n g s ：为服务器配置。选项m a x c o n n e c t i o n s 表示最多可以 连接的客户端数。d a t a s o c k e t 最多可连接1 0 0 0 个客户端。m a x l t e m s 表示能够 显示的测试参数。最多可显示1 0 0 0 个测试参量。 图2 3d a t a s o c k e t 服务器管理器 p e r m i s s i o ng r o u p s ：指组许可配置。此项为与安全有关的部分配置。所谓 g r o u p ( 组) ，是指用一个“组名”来代表一组i p 地址( 主机) 的集合，这对于 以组为单位进行设置较方便。d a t a s o c k e t 服务器有三个内建的组：d e f a u l t r e a d e r s ，d e f a u l tw r i t e r s 和c r e a t o r s ，分别代表了读、写和创建数据项的缺 省主机设置。如不设置默认客户端，则表示可以和所有的客户端进行通信连接。 我们也可用n e wg r o u p 命令按钮添加新组。 p r e d e f i n e dd a t ai t e m