（机械电子工程专业论文）基于gprs的塔机实时状态远程监控系统研究.pdf

浙江t 业人学硕士学位论文 基于6 p r s 的塔机实时状态远程监控系统的研究 摘要 随着计算机、通信和控制技术的发展，塔机监控技术也在不断提高。但是如何提高塔 机的安全系数，实现覆盖全国的塔机监控技术，使塔机生产商更好地掌握用户的塔机运行 状态并实施远程管理和监控，这方面的研究还很少。本文在分析和总结当前一些塔机监控 系统的研究现状和不足的基础上，提出了基于g p r s 的塔机实时状态远程监控系统的设计 方案并给出了实现方法，为大范围的塔机监控提供了一种新思路。 本论文的主要研究工作包括： 1 在对塔机监控需求进行详细分析的基础上，提出了基于g p r s 的塔机设计目标和设 计方案。采用a v r 作为塔机监控终端，通过发送a t 命令控制g p r s 模块，将采集的数据 通过s o c k e t 通信技术传输到接入因特网的服务器端监控软件。该系统的设计内容主要包括 ( 1 ) 仪表主机的设计；( 2 ) 手持键盘的设计；( 3 ) 服务器端监控软件的设计。 2 在设计方案的基础上，对重量、力矩、角度、高度、幅度、风速的检测原理进行了 阐述并设计出监控终端的硬件电路，包括信号采集和处理电路、液晶显示电路、继电器控 制电路等等。 3 完成了塔机监控终端的软件设计。监控主机采用双c p u 的方式实现数据的采集、 处理、显示及传输等功能。主c p u 完成数据的采集、处理及继电器操作等，而从c p u 完 成数据的显示和g p r s 传输。手持键盘部分完成和监控主机的串口通信和参数配置时的液 晶显示功能，实现对主机仪表的参数设置并建立数据采集线性模型。 4 设计出基于j a v a 线程池和多线程的服务器端监控软件。整个软件分为用户界面模 块、数据通信模块和数据库管理模块。以j a v as w i n g 的形式实现用户界面，采用线程池和 多线程技术、j a v as o c k e t 技术来处理多个塔机监控终端的连接和通信请求。软件冗余度和 稳定性好。 5 对采集的数据进行了线性化建模和线性拟合处理，将修正系数加入到监控终端程序 中，提高了塔机监控仪器的设计精度和分辨力。 i 浙江工业大学硕士学位论文 在本系统实验平台上，配置好网络通信参数后，数据传输可靠，效率高，服务器端运 行平稳，达到预期效果，证明了这种开发模式的正确性和设计方案的优越性。将来随着3 g 和4 g 网络技术的发展，塔机监控终端可采用a r m 处理器来代替目前的a v r 单片机控制 器，嵌入l i n u x 等开源操作系统，实现塔机的图像和视频形式的实时监控。本论文中服务 器端监控软件还可以通过整合更多的第三方数据统计软件来提供更多的结果分析方式，以 图形或曲线的方式实时显示所采集的数据。 关键词：塔机，远程监控系统，g p r s ，j a v as w i n g 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt o w e rc r a n er e a l 月i m er e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p r s a b s t r a c t w i t ht h ec o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n sa n dc o n t r o ld e v e l o p m e n t ，t o w e rc r a n em o n i t o r i n g t e c h n o l o g yh a sa l s oi m p r o v e d b u th o wt oi m p r o v et o w e rc r a n es a f e t yf a c t o ra n da c h i e v e n a t i o n a lc o v e r a g eo ft h et o w e rc r a n em o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , t om a k et o w e rc r a n em a n u f a c t u r e r s ab e t t e rm a s t e ro ft h et o w e rc r a n eu s e r sr u n n i n gs t a t u sa n di m p l e m e n t a t i o no fr e m o t e m a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n g ，r e s e a r c hi nt h i s f i e l di sa l s ov e r yl i t t l e b ya n a l y z i n ga n d c o m p a r i n ge x i s t e dt o w e rc r a n em o n i t o r i n gs y s t e ms t a t u s ，c o n t r a p o s i n gt ot h ew e a k n e s sa n d s h o r t c o m i n g , t h i sp a p e rp r o p o s e sad e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ft h et o w e rc r a n e r e a l t i m er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p r s ，p r o v i d e san e wt h o u g h tf o rt h ew i d er a n g e t o w e rc r a n em o n i t o r i n g t h e s i sm a i n l ya i m sa tr e s e a r c ho nf o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 a f t e rd e t a i l e d a n a l y z a t i o nf o r t h e t o w e re r a n em o n i t o r i n gs y s t e m sr e q u i r e m e n t s ， p r o p o s e dak i n do fd e s i g ng o a l sa n ds o l u t i o nb a s e do nt h eg p r s u s e dt h ea v r a sat o w e rc r a n e m o n i t o r i n gt e r m i n a l s ，b ys e n d i n ga tc o m m a n d st oc o n t r o lg p r sm o d u l e ，t h e nt r a n s f e rt h e a c q u i s i t i o nd a t at ot h es e r v e r - s i d em o n i t o r i n gs o f t w a r ew h i c ha c c e s st ot h ei n t e r n e tt h r o u g ht h e s o c k e tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h es y s t e mi n c l u d e st h r e ep a r t s f i r s t ，a p p a r a t u sd e s i g n s e c o n d ，p o r t a b l ek e y b o a r dd e s i g na n dt h i r d ，m o n i t o r i n gs o f t w a r eo nt h es e r v e rs i d e 2 b a s e do nt h es o l u t i o n ，e x p l a i nt h ed e t e c t i o np r i n c i p l e sf o rw e i g h t ，t o r q u e ，a n g l e ，h e i g h t ， r a n g e ，w i n ds p e e da n dt h e nd e s i g nh a r d w a r ec i r c u i t so nt h et e r m i n a l ，i n c l u d i n gs i g n a la c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n gc i r c u i t s ，l c dd i s p l a yc i r c u i t s ，r e l a yc o n t r o lc i r c u i t sa n ds oo n 3 a c h i e v es o f t w a r ed e s i g nf o rt h et o w e rc r a n em o n i t o r i n gt e r m i n a l s m o n i t o r i n gh o s tu s e s d u a lc p ut oi m p l e m e n td a t aa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n g ，d i s p l a ya n dt r a n s m i s s i o nf u n c t i o n s t h e m a i nc p ut oc o m p l e t ed a t aa c c q u i t i o n ，p r o c e s s i n ga n dr e l a yo p e r a t i o n ，a n dt h es l a v ec p ut o 浙江工业人学硕士学位论文 c o m p l e t et h ed i s p l a ya n dg p r sd a t at r a n s m i s s i o n h a n d h e l dk e y b o a r df u l f i l l s t h es e r i a l c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh o s ta n dp o r t a b l ek e y b o a r da n dc o n t r a c t sh o s tp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o n t os e tu pd a t aa c q u i s i t i o nl i n e a rm o d e l 4 s e r v e r - s i d es o f t w a r ew a sb a s e do nt h ej a v at h r e a dp o o la n dm u l t i - t h r e a d i n gt e c h n o l o g y t h es o f t w a r ei sd i v i d e di n t ot h r e em o d u l e s ，u s e ri n t e r f a c em o d u l e ，d a t ac o m m u n i c a t i o nm o d d e a n dd a t a b a s em a n a g e m e n tm o d u l e t ou s ej a v as w i n gt or e a l i z eu s e ri n t e r f a c e ，a d o p t i n gt h r e a d p o o l ，m u l t i t h r e a d i n ga n dj a v as o c k e tt e c h n o l o g yt op r o c e s san u m b e ro fn e t w o r kc o n n e c t i o n s a n dc o m m u n i c a t i o nr e q u e s t sf o rt h et o w e rc r a n em o n i t o r i n gt e r m i n a lw h i c hi tc a ng e tb e t t e r s o f t w a r er e d u n d a n c ya n ds t a b i l i t y 5 c o n s t r u c t e dl i n e a rm o d e l i n ga n dl i n e a rf i t t i n gt r e a t m e n tf o rc o l l e c t e dd a t a c o r r e c t i o n f a c t o rw i l la d dt ot h em o n i t o r i n gt e r m i n a lp r o g r a mt oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n dr e s o l u t i o nf o rt h e t o w e rc r a n em o n i t o r i n gs y s t e m o nt h i se x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，u s e rc o n f i g u r e sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o np a r a m e t e r s ，d a t a t r a n s m i s s i o ni sr e l i a b l ea n de f f i c i e n t l y t h es e r v e r - s i d em o n i t o r i n gs o f t w a r ei sa l s or u n n i n g s m o o t h l y t h i ss y s t e mc a nr e a c hp r a c t i c e sr e q u i r e m e n t sw h i c ht e s t i f i e st h ec o r r e c t n e s sa n d s u p e r i o r i t yo ft h i sd e s i g ns o l u t i o n w i t hf u t u r ed e v e l o p m e n to f3 ga n d4 gn e t w o r kt e c h n o l o g i e s ， t o w e rc r a n et e r m i n a lw i l lr e p l a c et h ec u r r e n ta v rc o n t r o l l e rw i t ha r m p r o c e s s o r , a n de m b e d l i n u xa n do t h e ro p e n s o u r c eo p e r a t i n gs y s t e mt oi m p l e m e n tt h et o w e rc r a n ei m a g ea n dv i d e o f o r m so fr e a l t i m em o n i t o r i n g t h es o f t w a r ec a na l s oi n t e g r a t ea d d i t i o n a lt h i r d - p a r t ys t a t i s t i c s s o f t w a r et op r o v i d em o r ea n a l y s e si no r d e rt or e a l t i m ed i s p l a yc o l l e c t e dd a t ab yg r a p ho rc u r v e k e yw o r d s ：t o w e rc r a n e ，r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，g p r s ，j a v as w i n g 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：询苷( j ) 勋 日期：口罗年岁月，2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密因 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：矽年 酣q j 年 岁月2 2 日 ，月砂堋 芡彳矿 ，r 小膨 瞥多一 诤舻 浙江工业大学硕十学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 塔式起重机是垂直运输货物的机械设备，是现代工业和民用建筑领域主要施工机械之 一。主要应用于城市超高层建筑施工、桥梁工程、港口工程、电力建设工程、水利工程等。 塔机在物料升降和搬运过程中存在的潜在危险比较多，事故发生几率较大【l 】，从查阅的文 献资料中可知导致事故发生的主因是驾驶员的超载和违规操作，从技术层面上来讲，在所 有的塔机事故中，塔机实时状态远程监控系统的缺失或者影响塔机安全的参数监控不足占 了事故发生中的很大一部分。 随着建筑业的蓬勃发展，使得对塔式起重机的需求也越来越大，事故发生率也逐步走 高。传统的起重机仅具有载荷和力矩限位【2 】的保护措施，这显然满足不了对高层和超高层 建筑塔机的需求，而对于塔机其他重要的运行状态参数和外部影响因素如起升速度，回转 角度及速度，幅度和风速等却没有加以监控，另外当前的塔机监控系统仅仅只在单台塔机 监控【3 1 和小范围塔机群控监控系统【4 1 中有所应用，对在不同区域大范围内的塔机在计算机 的统一管理下对诸多参数实施同步监测，协调处理和综合判断却无能为力，鉴于此，研究 与开发一种基于g p r s 的塔机智能监控系统，利用g p r s 远程高速数据传输【5 】功能实现塔 机的幅度、力矩、重力、风速、高度、及回转角度等工作参数的远程传输，从而实现了远 程监控中心对塔机的实时监控功能，对于提高塔机智能监控系统的可靠性、稳定性和安全 性是很有意义的。 而长期以来，国内具有实时远程监控系统的大型自升变幅起重机主要依赖进口，严重 影响了国内制造和施工业的发展。因此，我们与浙江省建设机械集团合作开发具有自主知 识产权的具有远程监控系统的大型自升塔式起重机，不仅能填补国内大型自升塔机的空 白，打破国外产品的垄断，还将对缩短与世界先进水平的差距，振兴我国装备制造业整体 水平有着显著的现实意义和深远的历史意义。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2国内外塔机监控系统的研究现状及发展趋势 1 2 1 国际研究概况 国际上塔机设计制造行业较发达的国家主要有西班牙、德国、法国、英国、意大利、 丹麦、俄罗斯、美国和日本。比较著名的厂家有德国的l i e b h e r r 公司、w o l f f 公司、法 国的p o t a i n 公司、意大利的s i m m a 等几十家制造商。其产品占据国际起重机市场的大部 分份额，也代表着塔机生产的最先进技术。他们大都根据自己的起重机产品研制有配套的 安全监控装置。这些制造商的产品，基本上反映了国外安全监控装置的发展历程、现状和 趋势。大型高效起重机的新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。主要由全 数字化控制驱动装置、可编程序控制器p l c 、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵给定 检测等设备组成。它赋予起重机信息功能，可进行信息传递、处理及动力控制，大大提高 了综合自动化水平。 德国的l i e b h e r r 起重机，采用激光装置查找起吊物的重心位置，依靠超声波传感器 引导取物装置抓取货物。大车和小车运行采用编码轨系统测定路径，起升高度采用恒定张 紧的测量索和角度发生器测定。综合液晶数字显示装置和电子监控系统，不仅可以显示塔 机工作过程各种参数的数字量，还可显示各参数变化的图形，使操作者准确判断塔机的工 作状态、及时掌握塔机的工作区域限制情况例如与高压线、与周围障碍物的距离。 法国的p o t a i n 在其m d 系列塔机中，装设了微机辅助保养系统以及微机辅助驾驶系 统。能够记录5 3 种参数，对2 0 种故障与易损件磨耗程度和使用寿命直接相关的信息进行储 存处理。还可对有关电源供电条件、制动器和其他部件的技术状况相关的2 3 项信息进行处 理【6 1 ，如检测参数超出极限值，系统会向驾驶员发出灯光警示信号，并在荧屏上显示应及 时检修的项目或部位。英国的起重机上安装了近场感应系统，可避免起重机之间的互相碰 撞。采用无线遥控时载荷称量也能在远控发射机上显示。起重机上还装有微机自诊断监控 系统，该系统能提供大部分常规维护检查内容，如钢丝绳状况、减速器油温油位、车轮轴 承温度、起重机载荷、应力和振动情况、制动器摩擦衬片的寿命及温度状况等。 从以上可知，国外的塔机监控系统监控参数比较全面，数字化和智能化程度都很高， 代表着国外塔机的发展趋势，占据着塔机监控技术的前沿。 1 2 2 国内研究概况 国内塔机的安全监控系统起步较晚，大致有以下二个发展阶段：首先是单机版的监控 2 浙江工业大学硕十学位论文 系统。此系统仅限于实时数据的记录或力矩限制器等功能。比如长沙浦沅电子安全信息技 术开发有限公司的起重力矩限制器，中国航天工业总公司三十一所北京三发高科技实业总 公司的l x 系列力矩限制器。主要完成数据记录功能、超载的安全保护功能、实时显示功能。 大多数功能单一，操作界面不够友好，普遍缺乏强有力的数据分析软件的配合。其次是小 范围的塔机群控监控系统。它主要是在一个较小的建筑工地内通过r s 2 3 2 4 8 5 总线将塔机 群的传感器采集信息传到上位机p c 端，另在p c 端配置塔机监控软件，实现对采集数据的分 析和处理，存储并显示处理结果。 1 3 塔机监控技术的发展趋势 从以上的国内外塔机监控系统的研究状况可知，无论是单机版的还是基于群控的塔机 监控系统都有个明显的缺憾，就是监控范围有限，对于在异地大范围的塔机监控却无能为 力，可见塔机监控系统的实时远程监控是未来的发展方向，而g p r s 的无线接入i n t e r n e t 的技术【7 】j 哈好解决了此问题。 1 4 论文组织 论文全文共分为七章： 第一章绪论。这一章主要介绍了基于g p r s 的塔机实时状态远程监控系统的开发背 景及研究现状，通过本系统设计与传统实现的对比，阐述了本系统开发的必要性和重要意 义。 第二章系统的设计目标和技术方案。这一章主要介绍系统的总体设计目标以及实现 的技术方案。首先阐述了系统的设计目标，根据设计目标我们确定了系统的体系结构和设 计方案。其次介绍了本系统的运行平台和开发环境。 第三章监控终端的硬件设计。在第二章总体技术方案的基础上进行各种信号处理电 路的详细设计。阐述对力矩、重量、角度、高度、幅度、风速等检测量的检测原理，最后 详细阐述了系统的各路信号处理电路的设计和处理方法。 第四章塔机监控终端软件设计。塔机监控终端主要由主机仪表、手持键盘和g p r s 模块组成。首先阐述了塔机监控终端系统软件的架构，然后在此基础上描述了主机仪表对 传感器信号的实时处理以及对塔机安全影响最大的塔机起重量特性曲线的算法实现，最后 讲述了手持键盘的接口实现以及对主机参数配置的实例。 浙江工业人学硕士学位论文 第五章服务器端监控软件设计。塔机监控软件【8 。1 0 】主要接收来自监控终端的采集数据 并存储到数据库。首先介绍了j a v as w i n g 图形界面框架和s w i n g 的事件机制，然后详细阐 述了系统的用户界面模块、通信模块和数据库模块的设计和实现。 第六章系统实验开发案例。这一章通过线性化建模对采集的数据在m a t l a b 中进行线 性拟合，对模型进行补偿处理，并通过软件加以校正，提高了主机仪表的设计精度和分辨 率。 第七章总结与展望。这一章对所做的设计与开发工作进行了总结，并阐述了将来进 一步的扩展与完善此系统需要做的设计与开发工作。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章系统的设计目标与技术方案 基于g p r s 的塔机实时状态远程监控系统的设计目标是开发具有友好易用的操作界 面、强大的远程数据传输功能、可靠性和稳定性良好的远程监控系统平台。本章首先讨论 了系统的设计目标，然后阐述了实现这个目标所采用的技术方案和开发工具。 2 1 系统的设计目标 基于g p r s 的塔机实时状态远程监控系统的设计目标如下： ( 1 ) 完成塔机工作状态的实时监测，如重量、力矩、回转角度、高度、幅度及风速 等。从上一章中我们知道造成塔机事故的因素中，塔机实时状态远程监控系统的缺失或者 影响塔机安全的参数监控不足占了事故发生中的很大一部分。因此系统的首要目标是要实 现对塔机工作时比较全面的六个参数进行实时监控【1 1 1 ，通过监控算法设置塔机监控系统的 监控域值，从而杜绝或减少塔机事故的发生。 ( 2 ) 实现数据的g p r s 传输，这是本系统设计与国内的塔机监控系统相比较最大的 一个亮点。国内现有的监控系统，从已查找的文献看，一种是实现了单机版的监控，即在 单个塔机上实现了对其工作参数的监控，但是监控参数有限，仅仅限于幅度和力矩的监测； 另一种在此基础上有所改进，实现了在小范围内塔机群的群控，对跨地域多个塔机的监控 却无能为力。而我们借助于g p r s 网络与i n t e r n e t 无缝连接的特点，通过塔机工作现场 的g p r s 模块便可将采集到的参数信息传输到远端置于i n t e r n e t 上的监控软件端，只要 g p r s 网络覆盖到的地方都在可监控的范围之下。 ( 3 ) 现场仪表声光报警功能的实现。此项目是与浙江省建设机械集团有限公司合作 开发的，主要是提高塔机的安全系数，实现远程大范围塔机监控和管理。因此在实际操作 中必须具有声光报警【1 2 】功能，以提醒驾驶员的操作。 ( 4 ) 服务器端监控软件的开发。整个监控系统采用无线g p r s 方式组成无线监控网 络【i3 1 ，监控中心为服务器端，而各个主机仪表为客户端，其中服务器采用开放网络端口的 方式监听主机仪表的接入请求，并采用数据库的方式存储各个主机仪表的状态信息及主机 的分布信息，所以整个服务器软件系统是基于网络和数据库的设计方式。作为一套监控软 浙江工业人学硕士学位论文 件，也有本身的一些设计目标，以下分别阐述： o 操作界面友好，使用简单，有完善的帮助文档，使企业员工或者研究人员能 够方便的操作。 系统具有良好的稳定性和跨平台性1 4 】，满足用户在各种操作系统和各种p c 机 上运行的要求。 对所得的数据能够直观的显示，并存入本地数据库进行管理查询。 以图形的形式动态显示塔机的运行状态，以便直观的展示塔机的工况。 系统的扩展性良好，若将来监控软件版本有更新，其他的组件能够方便的加 入进来。 o 应用程序发布应该简单。 2 2 系统实现的总体技术方案 上节讨论了系统实现的技术目标，由系统需求可知，本系统适于采用基于嵌入式 m c u e l 5 1 的开发方式，整个系统框图如图2 1 所示，主要由仪表主机、小型化键盘及服务器 组成。 l 仪表主机 l 仪表丰机 g p r s 网络 ： 洲o o oi d 图2 - 1 系统原理框图 仪表主机主要完成传感器输入信号的实时处理及将处理结果显示到界面上( 数码管或 液晶模块) 的功能。 小型化键盘通过串口与主机连接，完成主机信息配置功能及读取主机中测量数据功 能。 服务器系统是监控中心，支持两种方式收集各个主机终端的测量数据，一种是g p r s 6 浙江工业人学硕士学位论文 传输【1 6 】方式，另外一种是小型化键盘将数据通过串口传给服务器的方式。 2 3 子系统设计方案 子系统主要包括主机仪表、小型化键盘和服务器软件系统等三部分。下面依次讨论： 2 3 1主机仪表 仪表的输入电源电压为d c 2 4 v ，主机仪表处理6 个传感器信号，风速传感器( 电流值 4 - 2 0 m a ) 、力矩传感器( 电压值0 - 2 0 m v ) 、重量传感器( 电压值0 - 2 0 m y ) 、幅度传感器( 电阻 值o 5 k ) 、高度传感器( 电阻值0 - 5 k ) ) 及回转角度传感器( 电阻值0 - 5 k ) ，这是影响塔机安全 的六个关键参数。输入信号经电源模块的处理后输出d c 5 v 和d c l 0 v 的电压给传感器供 电。以下为主机仪表的原理框图： 传痘器控制量 图2 - 2 主机仪表的原理框图 为支持数码管和l c d 液晶两种界面显示，主机仪表的核心m c u 选择a v r 系列的高 档m p ua t m e g a l 2 8 单片机，其外设资源丰富，速度快，能达到1 6 m i p s ，内部带4 k 的 e e p r o m ，可保存测量数据，所以采用很少外围芯片就可实现数据的采集、处理、传输等 功能。 主机仪表采用多块子电路板拼接的方式，不仅有利于避免电路板间的信号干扰、有利 于调试，而且也利于主机仪器的扩展。主要分成五个子板，一部分是传感器信号拾取及开 浙江工业大学硕士学位论文 关量输出部分，如图2 2 中的a 部分；第二部分是信号的处理部分，如图2 2 的b 部分所 示，数据接口串口也在第二部分实现；第三部分c 就是信号的显示，支持数码管和l c d 两种：第四部分就是g p r s 模块d ，实现数据的远程传输，与主板采用串口连接；最后一 部分就是电源板e ；为支持“黑匣子 。刀( 异常数据保护) 功能，b 板可考虑提供外接e e p r o m 存储卡的功能如图2 2 的f 部分所示，存储卡具有防高压静电、高温等特性，存储卡是防 止a v r 单片机损害后数据丢失。 主机仪表对外主要支持两个数字接口，一是与小型化键盘的串口连接，完成主机的配 置及数据传输功能；另外就是与塔机控制器p l c 的串口连接，输出一些控制命令。 2 3 2手持键盘 仪表键盘拟采用小型化便携式设计方式，主要完成仪表信息配置功能、数据临时存储 功能。通过按键输入信息，电源采用电池供电方式或采用串口取电方式。小型化键盘电路 主要是键盘按键逻辑【1 8 】的设计、串口设计及小液晶屏的控制设计，原理框图如图2 3 所示： 图2 - 3 键盘原理框图 键盘的数字接口是两个串口，串口1 与主机连接，完成对主机参数的设置，串口2 与 p c 机连接。 2 , 3 3 服务器软件系统 整个系统采用c s 模式【1 9 1 架构，监控中心为服务器端，而各个主机仪表为客户端，其 中服务器采用开放网络端口的方式监听主机仪表的接入请求，即客户机和服务器之间的通 信以“请求一响应”的方式进行。客户机先向服务器发起请求，服务器再响应这个请求，如 浙江工业大学硕+ 学位论文 图2 _ 4 所示。并采用数据库的方式存储各个主机仪表的状态信息及主机的分布信息，所以 整个服务器软件系统是基于网络和数据库【2 伽的设计方式。软件总体架构图如图2 5 所示： 客户机服务器 图2 4 客户机服务器通信方式 图2 - 5 软件总体架构图 从图中我们知道整个监控软件系统共分为三个模块：用户界面模块、数据通信模块和 数据库管理模块。用户模块是应用程序的主框架，整个监控软件的主界面。数据通信模块 是本软件的核心，采用j a v as o c k e t 技术【2 l 】来与各个现场主机仪表通信，由于在g p r s 通信系统中，现场数据采集终端的i p 是由g p r s 网关支持节点g g s n 2 2 】动态分配的，而上 位机服务器端具有静态的i p ，所以现场终端作为主呼叫方与上位机建立点对点的连接。当 建立连接后现场终端和上位机之间由t c p 封装【2 3 】的数据包就可以进行双向通信了。 主站采用流式套接字实现主站和终端的通信。服务器端和监控终端都必须建立通信套 接字，而且服务器端应先进入监听状态，如果客户端套接字发出连接请求，服务器收到请 求后，建立一个套接字进行通信，原来负责监听的套接字仍进行监听，如果有其他客户发 来连接请求，则再建立一个套接字，理论上可接收多个终端请求，但是也会出现多个终端 9 浙江工业大学硕士学位论文 同时和主站连接可能会有数据上的冲突问题，所以在这里采用线程池【2 4 】技术，即在线程池 中预先建立一定数量的线程，当新的网络任务到达时，由线程池中的一个空闲线程来执行 此任务，任务完成后，此线程并不马上销毁，而是重新回到线程池中并等待新的任务到达。 以上阐述的系统总体设计和各子系统的架构是在进行可行性分析后提出的，系统设计 完成后基本可实现开发前期提出的系统设计目标，达到客户需求。这种基于g p r s 的塔机 实时状态远程监控系统是对传统的单机监控系统的一种新的尝试，我们将在第三章、第四 章和第五章详细阐述系统的实现。 2 4 系统开发工具 系统分析、设计、开发和发布主要使用到以下的编程语言以及相应的开发工具和软件 包。如i c c a v r 6 3 1 a 、v i o l e t u m l e d i t o r 0 2 1 1 、e c l i p s e 3 3 、j d k l 6 1 、j r e l 6 1 等开发工 具包以及j g r a p h 、s w i n g 、j a v a n e t 等软件包。 2 4 1i c c a v r 6 3 1 a i c c a v r 是一种使用a n s i 标准c 语言来开发微控制器( m c u ) 程序的一个工具，在此 用于开发下位机程序的编译环境，它有以下几个主要特点： 1 i c c a v r 2 5 1 是一个综合了编辑器和工程管理器的集成开发环境( i d e ) ，是一个纯3 2 位的 程序，可在w i n d o w s9 5 w i n d o w s9 8 w i n d o w sm e w i n d o w sn t w i n d o w s2 0 0 0 w i n d o w sx p 下运行。 2 源文件全部被组织到工程中，文件的编辑和工程的构筑也在i d e 的环境中完成，编译错 误在状态窗口中显示，用鼠标单击编译错误时，光标会自动跳转到编辑窗口中引起错误的 那一行。这个工程管理器还能直接产生i n t e l h e x 格式文件的烧写文件和符合a v rs t u d i o 的调试文件( c o f f 格式) 。 3 i c c a v r 是一个3 2 位的程序，支持长文件名。 4 i c c a v r 提供了全部的库源代码及一些简单的应用实例供初学者参考，特别是提供了库 源码，对于用户理解库函数的参数及返回值等是非常有益的，并且用户能够根据库源码对 i c c a v r 提供的库函数进行裁剪和扩充。 从上可知i c c a v r 是一款能方便快捷的丌发嵌入式单片机的集成开发环境，深受开发 人员的好评。 浙江工业人学硕士学位论文 2 4 2 e c l i p s e3 3 e c l i p s e 是一个开放源代码的软件开发项目，专注于为高度集成的工具开发提供一个全 功能的、具有商业品质的工业平台。它由e c l i p s e 项目、e c l i p s e 工具项目和e c l i p s e 技术项 目三个项目组成，每一个项目由其自身的子项目组成，并且使用c o m m o np u b l i cl i c e n s e ( c p l ) 版本1 0 许可协议【2 6 1 。我们在此把它作为开发服务器端监控软件的集成开发环境。 e c l i p s e 工具项目为不同的工具建造者提供一个焦点，以保证为e c l i p s ep l a t f o r m 创建最 好的工具。e c l i p s e 工具项目的任务是为e c l i p s ep l a t f o r l t l 培育广泛的工具创建。工具项目提 供单一的联系点以调和开放源代码工具建造者，从而使得覆盖和重复最小化，并保证共享 的最大化和共同组件的创建，促进不同类型工具的无缝互操作。工具项目由工具开发者委 员会和工具项目的项目管理委员会提议、选择和开发的子项目组成【2 6 1 。 e c l i p s ep l a t f o r m 是一个开放的可扩展的i d e 。e c l i p s ep l a t f o r m 提供建造块和构造并运 行集成软件开发工具的基础。e c l i p s ep l a t f o r m 允许工具建造者独立开发与他人工具无缝集 成的工具。你无须分辨一个工具功能在哪里结束，而另一个工具功能在哪里开始。 e c l i p s es d k ( 软件开发者包) 是3 个e c l i p s e 项目的子项目( p l a t f o r m 、j d t 、p d e ) 所生产的组件合并，它们可以一次下载。这些部分在一起提供了一个具有丰富特性的丌发 环境，允许开发者有效地建造可以无缝集成到e c l i p s ep l a t f o r i l l 中的工具。e c l i p s es d k 由 e c l i p s e 项目生产的工具和来自其它开放源代码的第三方软件组合而成。e c l i p s e 项目生产的 软件以c p l 发布，第三方组件有各自自身的许可协议。 综上，e c l i p s e 是一款优秀的i d e ，本系统监控软件基于e c l i p s e 3 3j d t 开发。 2 4 3u m l 与v i o l e tu m le d i t o r u m l ( 统一建模语言，u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 是一个通用的可视化建模语言，用于 对软件进行描述、可视化处理、构造和建立软件系统制品的文档【2 7 】。它记录了对必须构造 的系统的决定和理解，可用于对系统的理解、设计、浏览、配置、维护和信息控制。u m l 适用于各种软件开发方法、软件生命周期的各个阶段、各种应用领域以及各种开发工具， 是一种总结了以往建模技术的经验并吸收当今优秀成果的标准建模方法。u m l 的语义，表 示法和说明，提供了静态、动态、系统环境及组织结构的模型。它可被交互的可视化建模 工具所支持。u m l 描述了一个系统的静态结构和动态行为，还包括可将模型分解成包的结 构组件【2 8 】。以便于软件小组将大的系统分解成易于处理的块结构，并理解和控制各个包之 间的依赖关系，在复杂的开发环境中管理模型单元，它还包括用于显示系统实现和组织运 11 浙江工业大学硕士学位论文 行的组件。因而它是程序员和终端用户之间的一种有效沟通方式，同样它具有非常精确的 元模型定义，避免了开发者在定义系统时的模糊性。 如何用u m l 进行上位机监控软件的架构，需要先描述u m l 的基础知识。基于u m l 图表可分为两个主要视图：静态视图和动态视图【2 9 1 ，另外也可添加一个可选的第三种视图， 称之为物理视图。在互联网上我们也可看到其它的对u m l 图表的分类方法：结构视图、 行为视图和交互视图。实际上结构视图和静态视图相对应，行为视图和交互视图与动态视 图相对应。据我看来，用静态视图和动态视图的尺度来描述系统更容易被人理解。以下分 别描述静态视图、动态视图和物理视图。 ( 1 ) 静态视图 静态视图包括显示系统所有实体和行为的图表。如图2 - 6 所示。对象是由它的行为和 状态来定义的，考虑到对象是个实体，因此图表会展示所有系统的实体，确定它们的规则 及它们是如何互动的。类图显示了类和接口这样的实体，并描述它们的内容和关系，是最 流行的视图。包图可以帮助我们组织在包中的类，表明各包中的联系。对象图显示的是类 的一个特定状态。组合结构图代表了一个复杂对象在运行时的内部结构，显示了它和系统 是如何互动的。组件图显示了软件构件问的依赖关系，构件可以通过另一个构件的接口使 用该构件的服务。部署图则描述了系统硬件的物理拓扑结构以及在此结构上执行的软件。 图2 - 6 静态视图 ( 2 ) 动态视图 动态视图显示了各个场景的图表，这让我们不仅可看到各个实体是如何组成的，还能 看到它们是如何工作的。以下分别阐述： 用例图代表了所开发的系统必须得完成的一系列动作。是开始开发项目时的第一个图 1 2 浙江_ t 业大学硕士学位论文 表。有助于澄清系统特征和执行者( 如终端用户、外部系统等等) 。 活动图用来描述类的方法行为，也可描述用例和对象内部的操作过程。是带有条件和 分支的流程图，是最重要的u m l 图表之一。 顺序图用来描述对象之间动态的交互关系，强调对象间消息传递的时间顺序。它很好 的描述了系统的工作。 通信图是对序列图的另一种表示。而互动概况图是活动图的一种形式，它的每个节点 代表一张子图( 比如活动图) ，它局部缩小了系统。 时间图表显示了状态随时间的改变，有利于描述实时系统。 图2 - 7 动态视图 ( 3 ) 物理视图 物理视图由组件图和部署图组成。这两种图都是定位于系统工程的，因此应该同时交 付给系统工程师。 v i o l e tu m le d t o r