摘要：本文针对IP技术和控制技术相结合的 发展 趋势，提出了一种基于IP技术的智能监控系统构架的实现 方法 ，讨论了该系统的构架原则和特点，设计了相应的监控装置的硬件实现方案，并进行了实验 研究 ，对于开发一种具有较好开放性、灵活的扩展性和方便易用的 网络 监控技术作了有益的探索。
关键词：智能监控 TCP/IP协议 以太网 控制网
0引言
当前自动化领域内的一个新趋势是基于以太网/互联网的网络测控架构由于其优良的测控特性，正逐渐被广泛采用，并取代传统的串行通信而成为自动化系统网络通信的主流。 目前 该领域的开发和研究特点主要表现在：①传统的网络测控技术在适应性、开放性、复杂性和价格成本方面的局限性日益受到挑战，而以太网具有的高速、大容量、开放性和适应性强的优点与 现代 测控领域的要求相适应， 工业 以太网技术越来越广泛地 应用 于智能测控领域[1-2]；②基于IP的Internet网络技术已经很成熟，有完善的协议体系和丰富的应用层开发工具，采用基于IP的测控技术可以在很大程度上解决各种测控设备和 计算 机设备通过异种或同种网络互联的 问题 ，为构造开放式测控系统提供有力支持，大大增加系统通信的灵活性[3-6]；③基于TCP/IP的测量、控制和管理一体化技术发展非常迅速，测、控、管一体化技术不同于单纯的测控技术和信息管理技术，而是依托一个高效率、开放性的网络系统，将测量、控制和信息管理结合起来，通过系统各要素之间充分协调配合，使系统整体达到最优目标[7-8]。
可见，对以TCP/IP和以太网为代表的开放式网络技术进行研究，并将其应用于自动化测控系统，有助于开辟智能测控技术和IP技术相结合的新的研究领域，对其原理和应用进行研究具有较大的研究价值。
1基于IP技术的智能监控系统构建原则
系统体系结构构建的目的是为了实现远程化、智能化的测控目标，并在此前提下确定系统的工作原理和系统实现的硬件基础，完成上述任务的前提是确定系统的构建原则。
本文主要基于室内智能照明控制、室内环境调控的应用场合，将基于IP的测控技术结合以太网技术的特点来设计一种可行的系统构架及装置的实现方法，并进行实验研究。
基于以上所述，本文确定了以下基于IP的智能监控系统构架原则：
⑴系统应该具有较丰富的接口类型把软件和硬件两方面结合起来考虑，建立与应用相适合的接口和规范，接口的类别主要有串行数据接口（用于扩展流量计、电度表和温度湿度计等测量仪表）、开关量输出接口（扩展控制信号输出）、状态输入接口（用于扩展工作信号、报警信号和故障信号等状态传感器）、信号输入接口（直接扩展传感测量电路）、网络接口（用于扩展远程通信）等；
⑵系统的装置应具有网络直接接入功能监控装置内部嵌入以太网通信接口和驱动程序，不需要采用专门的计算机作代理服务器或网关，通过监控装置可以在任何可连接Internet的地方访问被控设备；
⑶系统的设计遵循模块化的思想在硬件结构和软件结构上采用模块化思想，不仅便于开发调试，而且增加了系统灵活性，为进一步的功能改变和系统扩充提供条件；
⑷具有比较 经济 的使用和维护成本产品成本经济易于在用户中快速普及，有机会被各种类型的用户使用，在性能上得到不断改进从而最终被用户接受；
⑸系统的安装、配置和操作简明简明的特性使得即使是非专业的计算机操作人员使用起来也没有较大困难，监控装置在设置好相关参数后能即插即用，终端操作和监视界面也应直观、简明、友好。
2系统构架模型设计
基于以上原则，设计了图1所示的基于IP的网络化智能监控系统的构架，图中描述了测量、控制设备与网络相互连接组成一个系统的关系，整个系统构架基本分为以下三个网络层次：
第一网络层次是各被控设备通过网络化智能监控装置连成一个监控网。各传感器送来的状态信号通过装置的输入端口输入，供单片机处理、传送；控制指令由输出端口输出到设备的执行控制机构；串行接口作为设备与监控装置进行数据交换的扩展接口和连接微机的虚拟控制台接口；
第二网络层次是区域以太网（局域网）。在这一层次中，同属一个单位（或部门）的网络设备和管理系统的网络设备等连成一个局部区域内部的网络，有较高的安全性，网络的配置、管理及用户的设备都可以明确地加以管理，网络中用户的身份是确定的；
第三网络层次是Internet网络系统。这是一个全球范围的广域网，这个网络将全球其他连在其上的网络设备联成一个整体，联网的任何计算机终端设备可以通过Internet互相进行资源访问，是实现真正的远程监控必须依赖的媒介。在第二层次和第三层次之间设置局域网网关和防火墙，可对不必要的数据流量进行隔离。
采用上述体系结构具有如下特点：
⑴网络化智能监控装置成为一个监控信息汇集平台。 监控装置是第一层次和第二层次的衔接点，其对输入的普通模拟信号进行辩识并处理，然后进行编码并通过网络响应远方的请求，同时监控装置也可对接收自网络的有效数据指令进行解释，以决定在相应的端口输出操作信号。通过这个平台的处理和转换，普通的设备不需处理复杂的网络协议，就可实现网络测控；
⑵该体系结构能更高效地使用网络资源。 装置接入层与以太网连接，采用星形拓扑结构，既可以工作在竞争占用总线的工作状态下，也可以利用交换机取代集线器，采用专线连接来满足特定场合的实时性要求；
⑶该体系结构一定程度上解决了传统设备与网络互连的问题。 生产运行中控制设备种类多，通信标准不统一，传统设备不具备网络访问能力，利用本监控装置为平台对传统设备进行改造，使其具有基本的网络访问能力，很有现实意义；
⑷该体系结构体现了信息网和控制网相结合的特点。在很多测控场合中，测控的数据量不大，对控制没有非常严格的实时性要求，将信息网和控制网相结合可构成一种质优价廉、灵活性高的综合测控系统；
⑸系统具有良好的开放性和扩展性。 充分采用可扩展。灵活性好的硬件结构，例如内部总线普遍采用I2C通信总线，在此基础上可以扩展大量其它符合I2C总线标准的器件（例如扩展I2C总线标准的液晶显示屏，外部I/O接口和AD/DA转换器等）；系统具有的多种接口类型便于与其它硬件设备构成多层次的网络结构。在软件方面，系统采用C51实现了一个嵌入式Web服务器，采用XML语言封装监控状态页面数据，不仅可以被IE浏览器处理，也为拓展新的网络应用扩展提供了统一规范的数据接口。
关键词：智能监控 TCP/IP协议 以太网 控制网
0引言
当前自动化领域内的一个新趋势是基于以太网/互联网的网络测控架构由于其优良的测控特性，正逐渐被广泛采用，并取代传统的串行通信而成为自动化系统网络通信的主流。 目前 该领域的开发和研究特点主要表现在：①传统的网络测控技术在适应性、开放性、复杂性和价格成本方面的局限性日益受到挑战，而以太网具有的高速、大容量、开放性和适应性强的优点与 现代 测控领域的要求相适应， 工业 以太网技术越来越广泛地 应用 于智能测控领域[1-2]；②基于IP的Internet网络技术已经很成熟，有完善的协议体系和丰富的应用层开发工具，采用基于IP的测控技术可以在很大程度上解决各种测控设备和 计算 机设备通过异种或同种网络互联的 问题 ，为构造开放式测控系统提供有力支持，大大增加系统通信的灵活性[3-6]；③基于TCP/IP的测量、控制和管理一体化技术发展非常迅速，测、控、管一体化技术不同于单纯的测控技术和信息管理技术，而是依托一个高效率、开放性的网络系统，将测量、控制和信息管理结合起来，通过系统各要素之间充分协调配合，使系统整体达到最优目标[7-8]。
可见，对以TCP/IP和以太网为代表的开放式网络技术进行研究，并将其应用于自动化测控系统，有助于开辟智能测控技术和IP技术相结合的新的研究领域，对其原理和应用进行研究具有较大的研究价值。
1基于IP技术的智能监控系统构建原则
系统体系结构构建的目的是为了实现远程化、智能化的测控目标，并在此前提下确定系统的工作原理和系统实现的硬件基础，完成上述任务的前提是确定系统的构建原则。
本文主要基于室内智能照明控制、室内环境调控的应用场合，将基于IP的测控技术结合以太网技术的特点来设计一种可行的系统构架及装置的实现方法，并进行实验研究。
基于以上所述，本文确定了以下基于IP的智能监控系统构架原则：
⑴系统应该具有较丰富的接口类型把软件和硬件两方面结合起来考虑，建立与应用相适合的接口和规范，接口的类别主要有串行数据接口（用于扩展流量计、电度表和温度湿度计等测量仪表）、开关量输出接口（扩展控制信号输出）、状态输入接口（用于扩展工作信号、报警信号和故障信号等状态传感器）、信号输入接口（直接扩展传感测量电路）、网络接口（用于扩展远程通信）等；
⑵系统的装置应具有网络直接接入功能监控装置内部嵌入以太网通信接口和驱动程序，不需要采用专门的计算机作代理服务器或网关，通过监控装置可以在任何可连接Internet的地方访问被控设备；
⑶系统的设计遵循模块化的思想在硬件结构和软件结构上采用模块化思想，不仅便于开发调试，而且增加了系统灵活性，为进一步的功能改变和系统扩充提供条件；
⑷具有比较 经济 的使用和维护成本产品成本经济易于在用户中快速普及，有机会被各种类型的用户使用，在性能上得到不断改进从而最终被用户接受；
⑸系统的安装、配置和操作简明简明的特性使得即使是非专业的计算机操作人员使用起来也没有较大困难，监控装置在设置好相关参数后能即插即用，终端操作和监视界面也应直观、简明、友好。
2系统构架模型设计
基于以上原则，设计了图1所示的基于IP的网络化智能监控系统的构架，图中描述了测量、控制设备与网络相互连接组成一个系统的关系，整个系统构架基本分为以下三个网络层次：
第一网络层次是各被控设备通过网络化智能监控装置连成一个监控网。各传感器送来的状态信号通过装置的输入端口输入，供单片机处理、传送；控制指令由输出端口输出到设备的执行控制机构；串行接口作为设备与监控装置进行数据交换的扩展接口和连接微机的虚拟控制台接口；
第二网络层次是区域以太网（局域网）。在这一层次中，同属一个单位（或部门）的网络设备和管理系统的网络设备等连成一个局部区域内部的网络，有较高的安全性，网络的配置、管理及用户的设备都可以明确地加以管理，网络中用户的身份是确定的；
第三网络层次是Internet网络系统。这是一个全球范围的广域网，这个网络将全球其他连在其上的网络设备联成一个整体，联网的任何计算机终端设备可以通过Internet互相进行资源访问，是实现真正的远程监控必须依赖的媒介。在第二层次和第三层次之间设置局域网网关和防火墙，可对不必要的数据流量进行隔离。
采用上述体系结构具有如下特点：
⑴网络化智能监控装置成为一个监控信息汇集平台。 监控装置是第一层次和第二层次的衔接点，其对输入的普通模拟信号进行辩识并处理，然后进行编码并通过网络响应远方的请求，同时监控装置也可对接收自网络的有效数据指令进行解释，以决定在相应的端口输出操作信号。通过这个平台的处理和转换，普通的设备不需处理复杂的网络协议，就可实现网络测控；
⑵该体系结构能更高效地使用网络资源。 装置接入层与以太网连接，采用星形拓扑结构，既可以工作在竞争占用总线的工作状态下，也可以利用交换机取代集线器，采用专线连接来满足特定场合的实时性要求；
⑶该体系结构一定程度上解决了传统设备与网络互连的问题。 生产运行中控制设备种类多，通信标准不统一，传统设备不具备网络访问能力，利用本监控装置为平台对传统设备进行改造，使其具有基本的网络访问能力，很有现实意义；
⑷该体系结构体现了信息网和控制网相结合的特点。在很多测控场合中，测控的数据量不大，对控制没有非常严格的实时性要求，将信息网和控制网相结合可构成一种质优价廉、灵活性高的综合测控系统；
⑸系统具有良好的开放性和扩展性。 充分采用可扩展。灵活性好的硬件结构，例如内部总线普遍采用I2C通信总线，在此基础上可以扩展大量其它符合I2C总线标准的器件（例如扩展I2C总线标准的液晶显示屏，外部I/O接口和AD/DA转换器等）；系统具有的多种接口类型便于与其它硬件设备构成多层次的网络结构。在软件方面，系统采用C51实现了一个嵌入式Web服务器，采用XML语言封装监控状态页面数据，不仅可以被IE浏览器处理，也为拓展新的网络应用扩展提供了统一规范的数据接口。
收藏