智能设备协议转换器研究

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1、第一章绪论1 1 引言 1 1 1 产生背景随着国家社会、经济的飞速发展，对远程监控系统的要求骤然增加， 因此，远程环境监控系统在很多行业和领域都得到广泛应用，包括供水、 供电、供气、供热、石油、铁路、环保、矿山、交通、工厂等领域。这 些领域中大多设备投资高、对运行环境要求严格。并且由于恶劣的环境 可能对这些设备造成巨大的损害，因此必须实时监控这些要害部门的环 境参数。然而目前对这些要害部门的安全、环境的监测监控主要是依靠 人工值守，缺乏先进的监控手段，各级主管部门难以及时了解设备的运 行情况、环境参数等。并且一旦值班人员疏忽，极易造成事故，正常秩 序中断、系统瘫痪、设备损坏，甚至火灾、水淹、

2、盗警等重大灾害，造 成重大经济损失、甚至是不良的社会影响。远程监控系统主要是对机房或机站等部门的电源、空调、蓄电池组、 高低压配电等多种设备的运行参数及物理环境参量( 如：温度、湿度、火 警、盗警等) 进行遥测和遥控，实时监测其运行参数、诊断和处理故障、 记录和分析各种数据，从而实现机房或机站少人或无人值守，并由对设 备进行集中监控和集中维护的计算机系统控制。我国科技和经济的飞速 发展，对各部门的维护管理提出了更高的要求，传统方式的分散维护和 监控方式浪费人力物力，可靠性差，机房或机站设备的高质量管理和维 护人员的素质、数量之间的矛盾日益突出，因此“远程数据采集与环境 监控管理系统”( 本文以

3、下简称监控系统) 便应运而生“1 。 随着微电子技术和通信技术的发展，智能设备远程检测和远程控制 得到了广泛应用，例如： ( 1 ) 大型设备的故障远程诊断，典型的如席梦思床垫衍缝机远程故障诊断系统； ( 2 ) 无人职守设备的状态远程监测，典型的如移动通信基站电源的 电压、电流及环境温度等参数的远程监测系统； ( 3 ) 远程控制，如工业废水的集污及排污控制系统； ( 4 ) 远程智能家电，如具有远程控制能力的空调，可以通过电话或 因特网远程控制空调的开启与关闭、设定温度等。 远程监控系统通常采用上下位拓扑结构实现监控功能，对智能设备 的监控关键在于采集前置机与智能设备问如何实现有效通信。对

4、于智能 化设备进行组网监控，采用协议转换器，使各种不同协议的设备在经过 协议转换器后得到统一的数据通信格式。协议转换器与智能设备采取一 对一的方式，具有较大的灵活性，本课题所研究的智能设备协议转换器专门针对智能设备的远程监控进行通信接口和通信协议的转换。 1 1 2 监控系统的总体结构从管理结构上看，监控系统采用两级结构：监控主机( 也称为监控中 心) 、交换局或基站监控单元。监控中心( s c S u p e r v i s i o nC e n t e r ) ，一般设在一个本地网的网管 中心并受网管中心管理。 监控单元( S U - S u p e r v i s i o nU n i

5、t ) ，一般是一台完成数据采集功能 的台式计算机( 又名前置机或监控主机) ，位于监控端局，负责对各端局 内的各个监控模块进行管理。 监控模块( S M S u p e r v i s i o nM o d u l e ) ，它可以是远程数据采集与环 境监控管理系统中安装的采集器，也可以是该系统要监控的智能设备。L -：i ： 图1 1 监控系统总体结构 监控中心负责整个监控网络内所有的交换局或基站的智能设备和 机房环境等的监控和管理。监控单元只负责对某一具体移动交换局或基 站内的智能设备和机房环境设备进行数据采集和控制。监控中心与监控 单元之间通过数据通信网( D C N D a t aC

6、 o m m u n i c a t i o nN e t ，一般有W A N 、 D D N 、拨号电话线、专线、X 2 5 、帧中继等) 交换监控信息。通过监控单 元，监控中心可获取所有交换局或基站的智能设备和机房环境的运行数 据，并可对监控单元所属设备进行遥控、遥调。监控中心的另一任务就 是对这些数据进行归纳总结，以获取所有被监控设备的宏观运行数据， 并运行分析，为维护、管理及决策提供依据，并可通过接口向省监控中 心传送相应监控信息乜1 。 1 1 3 监控系统的基本组成 监控系统从逻辑上可划分为采集子系统、传输子系统和软件子系统 三部分啪。21 采集子系统 监控单元和监控模块一起构成采

7、集子系统。本文所述监控系统的监 控单元由前置机承担，他是数据采集、处理和分发的中心，包括监控命 令的上承下达、监控数据( 告警数据、实时监测数据等) 的分析、处理等。 监控模块包括采集器和智能设备，主要承担数据的采集、预处理与上位 机( 即前置机) 通信的任务，同时具备接受控制命令并按照控制命令实施 控制操作的能力。 本文设计的智能设备协议转换器是监控系统中采集子系统的重要 组成部分，这一点在下一小节将着重介绍。 2 传输子系统 监控系统计算机按广域网进行连接。常采用的传输资源有：公共电 话网( P S T N ) 、数字数据网( D D N ) 、数字公务信道或其他透明通信串口等。 监控系统

8、以采集前置机为界线，前置机以下为计算机间的直接通信，或 专用总线方式通信；以上部分是基于T C P I P 协议的广域网。 3 软件子系统 软件系统包括系统软件和应用软件。系统软件主要指支撑应用软件 运行的平台环境，主要有操作系统、数据库管理系统。应用软件包括前 置机软件、配置软件、数据管理软件、系统调测软件以及智能设备协议 转换软件等。1 1 4 采集子系统结构分析 1 监控对象 ( 1 ) 被监控信号 被监控信号有非电量信号和电量信号。对于非电量信号( 例如：温 度、湿度等) ，应通过传感器把非电量信号变成电量信号后接入数据采 集设备；对于各类不能直接测量的电量信号( 例如电流、电压) 则

9、通过变 送器将其变换成适合采集器采集的输入信号后再接入数据采集设备。 电量信号有模拟量，也有数字量。模拟量是指那些随时间连续变换 的量，需采用模数( A D ) 转换设备转换为数字量后才适合计算机采集； 数字量是指具有确定的几种状态的量，最典型的是仅有“0 ”和“1 ”两种状态的开关量，这样的量计算机一般可直接测量。 ( 2 ) 被监控设备被监控设备按本身的特性可分为智能设备和非智能设备。 智能设备多种多样，在通信企业使用越来越多，如智能空调、智能 油机、智能U P S 、智能电度表、智能高频开关电源、智能风机等都是智 能设备“1 。智能设备的基本特征是：本身能采集信号，例如采集工作电压、电源

10、、熔丝状态等； 能对信号进行处理，例如可根据信号产生告警信息、智能开关电源测得电池电压下降到一定值后自动断开非重要电路等； 具有智能接口，一般都是串行接口，能与计算机直接通信。 根据智能设备的协议，就可以开发出设备的驱动程序，因此，如果 在监控系统中接入某种智能设备，一定需要智能设备的厂家提供完整的 协议文本。非智能设备，本身不具备数据采集和处理能力，无智能接口。因此， 对于非智能设备，必须经过专门的信号采集器使其智能化再接入监控系统。 2 处理设备 ( 1 ) 采集器监控系统经过多年的发展，采集器也由通用采集器P M C 一2 和P M C 一3 、电池测量仪B I d S 一1 、基站采集

11、器B M c P E c 等发展到一体化采集器I D A ， 种类繁多，需根据具体的应用场合选择。 ( 2 ) 智能设备的协议转换器智能设备的接入是监控系统中非常重要的方面，不同智能设备的接 口方式、通信协议各不相同，他们往往不能接在同一串行总线上，协议 转换器的设计就是为了解决这一难题而设计的。 协议转换器一般位于智能设备和采集前置机之间，它要与智能设备 和采集前置机两者连接，其通信接E l 要与两者相匹配。即通信协议转换 器至少要有两个通信接口，一个与智能设备的接口相同，另一个与局站 中心监控主机的接口相同。本文所要研究的正是应用于监控各类智能设 备的协议转换器。 1 2 智能设备协议转换

12、器概述1 2 1 智能设备协议转换器的基本概念 智能设备指的是具有独立的C P U 和监控电路，具有一定的自我监控 能力，并能够通过通信口输入输出监控命令和运行数据的设备。智能 设备可以无需采集器而直接接入监控系统，主要依据的是智能设备通信协议嘲。 通信协议是指计算机通信的发送方和接收方共同遵守的一系列约 定，任何可以进行计算机远程监控的设备其自身的通信约定，都可以叫 做通信协议。通信协议不但包括设备的各种数据和状态信息，亦含有厂 家为对其产品进行保护等而在协议上所附加的信息。对于智能设备，即 使同一种类的设备，不同厂家的协议也各不相同，加上各种设备供货的 厂家繁多，协议种类也就更多，在监控系

13、统的实施过程中，只有设计出 通用的协议转换器才能方便的对各种智能设备进行监控捌。 在通用的现场监控系统中，一般以P c 机作为主控机，而由多个单 片机构成现场监控系统，单片机组成的各个节点采集终端智能设备的状4态信息，主控机轮询各个节点获得这些信息，并根据其内容进行相关操作”1 。然而不同的厂商生产的智能设备千差万别，其通信协议和数据格 式各不相同，这就给同一监控系统对多种智能设备的监控带来困难。为 了在同一监控场合实现对不同设备的监控并在上位机上实现对这些设 备的操控，需要设计智能设备协议转换器，统一上层的编程接口，简化 工程设计和施工的难度，并能在一定程度上完善和加强原设备的智能性。图1

14、2 协议转换器的使用 在设计实际监控系统时，协议转换器( P c M ) 放置在智能设备和采 集前置机之间。实际应用中，P c M 与采集前置机( P C 机) 遵守通信电 源设备、机房空调等设备的通信协议，P C M 与智能设备的通信采用厂 家提供的协议。P C M 在实际应用中的作用表现为：P C M 将读取智能设备 的数据并整理成电总协议要求的格式，在采集前置机取数据的时候发给 采集前置机。如果采集前置机发送设置命令，那么I ： C M 将此命令代码按 智能设备协议的格式发送给智能设备。由此可见，P C M 是智能设备与采 集前置机通信的桥梁。1 2 2 智能设备协议转换器的关键技术 对

15、通信协议转换器的要求包括通信接口和通信协议两个方面。通信 接口指串行通信接口，如R S 一2 3 2 、R S 一4 8 5 、R S 一4 2 2 等。通信协议是指 管理实体之问交换数据的一组规则，主要是关于交换数据的格式。因此 协议转换器应有程序存储和数据存储以及数据处理的功能，其基本硬件 构成应包括c P U 、R A M 、E P R O b i 和两个以上串行通信口，其软件主要有通 信软件、协议转换软件等。1 ) 通信接口的转换因为通信协议转换器位于智能设备和局( 站) 中心监控主机之间， 它要与智能设备和局( 站) 中心监控主机两者连接，其通信接口要与两者 匹配。即通信协议转换器要

16、有两个通信接口，其中一个与智能设备的接 口相同，另一个与局( 站) 中心监控主机的接口相同。 2 ) 通信协议的转换协议转换器进行通信格式转换时，实际上是按智能设备的通信协议 接收智能设备的数据，再按局( 站) 中心监控主机的通信协议转发给局 ( 站) 中心监控主机；或者按照局( 站) 中心监控主机的通信协议接收 局( 站) 中心监控主机下达给智能设备的命令，再按智能设备的通信协议 转发给智能设备【7 1 。1 2 3 智能设备协议转换器的结构 智能设备协议转换器( P C M ) 自带的串行口通过R S 4 8 5 或R S 2 3 2 与 系统总线相连，按设定的波特率及协议与上位机通信。并通过异步通信 单元( U A R T ) 扩展出一个串口与智能设备通信。智能设备协议转换器的 基本结构如图1 3 所示。图1 3 智能设备协议转换器的结构 1 。3 智能设备协议转换器的发展状况 近年来，随着计算机集中监控技术的不断发展，国内外许多大的设 备制造公司都有与自己的设