基于嵌入式web的远程监控系统设计

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1、* 江苏省普通高校自然科学研究计划资助项目(02KJB520006)； 建设部建设领域信息技术科技项目(02-5-1.14)；苏州市社会发展项目（SSZ0241） 基于嵌入式 Web 的远程监控系统设计* 付保川 班建民 陆卫忠 刘文亮 （苏州科技学院电子与信息工程系，苏州，215011） 摘 要：本文结合机房环境设备的管理需要，分析了远程监控系统的特点，提出基于嵌入式 Web 服务器的远程监控系统设计思路、体系架构方法，并对基于 OPC 技术的互联与基于嵌入式 Web 服务器的互联作了简要对比。文章结合 CGI 程序的设计，着重探讨了嵌入式 Web 服务器的实现方法。 关键词：嵌入式平台，W

2、eb 服务器，远程监控，CGI 程序 Design of Remote Supervisory System Based on Embedded-Web Server Fu Baochuan， Ban Jianmin， Lu Weizhong， Liu Wenliang ( Electronics and Information Department, University of Science Web Server; Remote Supervisory; CGI Program 引言 随着计算机和网络技术的普及，计算机系统的数量与日俱增，计算机机房已成为各大型 单位的信息枢纽。机房中的环境

3、设备（如空调、UPS 电源、配电柜、消防设备等）为网络系 统的安全运行提供了环境保障。同时，环境设备自身的安全运行，也成为机房管理的重要内 容之一。一旦机房的环境设备出现故障，就会直接影响计算机系统的正常运行，严重的还会 造成机房内的相关设备损坏，甚至导致网络系统瘫痪1。因此，对机房环境设备的运行状态 进行实时监控，是保证机房设备安全运行的关键措施。 远程监控系统的需求分析 对机房环境设备的监控主要涉及以下几个方面的内容：对配电系统、UPS 系统、空调系 统工作状态的监视； 对机房的温湿度、 生活用水和供暖制冷系统漏水情况等进行监测、 报警， 以及对门禁系统、消防系统、保安系统等的管理。由于这

4、些环境设备是连续工作的，因此要 求监控系统也必须是长时间连续工作的。这样就对系统设计的可靠性、安全性、可维护性等 方面提出了更高的要求1，具体表现在以下几个方面： 高可靠性。要求监控系统可长时间不间断运行，无故障运行时间要长，且系统的维护 快速简便。 高安全性。系统应能够提供多种安全保护措施，对异常状态进行分析、记录、及时报 警，以便让管理人员能够尽快了解所发生的情况并及时处理。 较强的实时性。监控系统对信息的传输要及时，不能有过大的延时，否则难以及时跟 踪被监控对象的当前状况。 易用性和易维护性。机房环境设备监控系统，应以 GUI 的方式提供良好的人机界面， 便于人机交互。同时，监控系统要有

5、通用性和灵活性，即可以在对系统进行少量修改或扩充- 2 - 就可增加新的监控项目，扩充监测点数，以满足新的监控要求。 丰富的系统功能。要求监控系统不仅能够提供一般的报警功能，对采集的当前数据进 行记录且保存历史数据，并以图形方式对环境设备运行状态和参数进行直观显示。 实施监控的主要方法，即是在现场控制器的控制之下，实时地采集数据并与预设的值进 行比较，如果超出相应的阀值则给出报警，以提示有关人员进行相应处理。根据对环境设备 监控的位置不同， 可把监控系统分为本地监控和远程监控两大类。 本地监控方式往往需要派 人长期现场值守，管理成本较高；而借助于公共的 Internet 或企业内部的 Intr

6、anet 网络实施 远程监控则可做到无人值守，从而大幅度地节约管理成本、提高机房管理水平和效率，因此 成为监控系统发展的主流方向。 远程监控系统的设计 基于对远程监控系统的需求分析，进行系统设计时应重点考虑如下几种因素：首先，要 考虑现场总线与数据网的互联问题。 由于被监控对象的信号种类较多， 所采用的现场总线标 准各异， 因此不同总线标准之间的转换以及现场总线与数据网之间的互联是系统设计时需要 重点考虑的问题2。 其次， 实时性要求是远程监控网络系统区别于普通网络系统的基本特征。 如果监控系统的实时性得不到保障，现场监控就失去了实用价值。第三，为满足监控系统的 高可靠性要求，应分别对硬件系统

7、和软件系统进行抗干扰设计。第四，根据远程连接方式不 同，应采用不同的安全措施以保证信息的安全传输。 3.1 监控系统的功能设计 监控系统的基本功能主要包括：现场数据的实时采集、发送和显示；对采集到的数据进 行处理和存储；对数据处理的结果进行分析、判断和报警；提供多种业务支持功能。 3.1.1 实时数据采集3.1.1 实时数据采集 实时数据采集是实施系统监控的基础。在环境设备的监控系统中，需要实时采集的数据 主要包括高低压配电系统及 UPS 电源的电压、电流、电源开关状态等参数，空调机的冷热 水温度、流量、送风量、送风温度、新风量等状态参数，以及机房内部的环境参数（如温度、 湿度、 水浸、 烟感

8、、 门禁等） 。 不同的参数采用的总线标准不同 （如 RS232/485 总线、 Lonworks 总线） ，只有把它们统一到 TCP/IP 协议上，才能实现真正意义上的远程监控。 3.1.2 报警功能 3.1.2 报警功能 报警是监控系统的基本功能之一。监控系统对采集到的数据进行分析、处理，如果发现 相关数据超限、数据异常，则说明环境设备出现异常情况，此时应发出相应报警。设计报警 功能时， 需要考虑被监控对象的自身特性、 优先级别等因素， 对多个报警信号进行加权处理， 以保证系统的所有重要报警都能被及时处理。 3.1.3 多种业务支持功能 3.1.3 多种业务支持功能 灵活的查询和丰富的报表

9、功能是对监控系统基本功能的扩展。通过对设备运行状态的实 时数据、历史数据进行对比分析，从不同角度向管理者提供设备运行和维护信息，为设备的 维护、大修、更新、改造等质量管理提供可靠依据。 3.2 监控系统的结构设计 远程监控系统由现场数据采集设备（可以为多个设备） 、本地 Web 服务器和远端监控主 机三部分构成3。Web 服务器通过现场总线与本地数据采集设备直接相连，并负责把本地传 感器采集到的数据进行简单处理， 通过网络发送到远端的监控主机上， 从而为实现无人值守 的管理方式创造条件。 远程监控系统在设计时需要解决的关键问题，就是将不同类型的现场总线或控制网络与 以太网进行互联互通，从而实现

10、监控信息的远程实时传输。目前，实施远程监控主要有如下 几种方法：基于 PSTN 的传统方法，即通过 Modem 连接异地的现场设备；基于 OPC 技- 3 - 术。采用支持多种现场总线规范的 OPC Server，通过 OPC 接口实现现场总线到 Internet 或 Intranet 网络的无缝连接；基于嵌入式平台实现远程监控。在嵌入式平台上完成对现场数 据的实时采集，通过现场总线与数据网的互连，将 Server 端的数据通过 TCP/IP 协议提供给 远端的监控主机（即 Client 端） ；采用其它自定义方法实施远程监控。 3.2.1 基于 OPC 的监控系统3.2.1 基于 OPC 的

11、监控系统 OPC 是以 OLE/COM/DCOM 机制作为应用程序级的通信标准，采用客户/服务器模式， 把开发访问接口的任务放在硬件生产厂家或第三方厂家，以 OPC 服务器的形式向用户提供 通用的接口，解决了软、硬件厂商之间的矛盾，提高了系统的开放性和互操作性4。基于 OPC 架构的监控系统结构如图 1 所示。其中，OPC DA Server 为数据采集服务器，OPC AE Server 为报警服务器。OPC Server 提供多种接口规范，应用程序和 Web 浏览器（即 OPC Client）可以通过这些接口取得与 OPC Server 相连的硬件设备信息，从而实现 OPC Client 通

12、过以太网对 OPC Server 的访问。同时 OPC Server 也可以将采集到的数据或报警信息通过 网络发送到客户端或 Web 浏览器端。 在 基 于OPC的 体 系 架 构 中 ， 由 于 COM/DCOM 已被视为网络功能的具体实现方 法，使得 Client 对 OPC Server 的远程访问成为 标准的网络访问方式。但是 OPC 技术的缺点也 是非常明显的，由于 OLE/COM/DCOM 机制是 一个纯软件的架构，对系统资源配置的要求高。 当系统规模较大或监控点数较多时， 系统的实时 性将会明显下降。 3.2.2 基于嵌入式平台的监控系统3.2.2 基于嵌入式平台的监控系统 实时

13、监控系统需要长时间不间断地工作，对 系统的可靠性和实时性均有较高要求。 为此必须 从系统功能、体系架构、软硬件系统的稳定性、设备功耗等方面进行综合考虑（例如选用工 控级的产品） ，设计小型化的智能型监控系统。而建立在 RTOS 之上的嵌入式系统为控制系 统的网络化、 小型化提供了有效途径， 嵌入式网络控制已成为监控系统未来发展的重点方向 之一。 基于嵌入式平台的远程监控系统结构如图 2 所示。 其中， 嵌入式 Web 服务器既是远程监 控系统的中心节点，也是控制网络与数据网络进行互联的网关，通过 TCP/IP 协议将其连接 到以太网上，监控主机则通过以太网 （或 Internet）在远程实时地

14、监视现场 信号的动态变化，从而实现远程监控 的目标。 对于能够直接支持 TCP/IP 协 议的现场检测设备，则可以将其直接 连接到以太网上，图中的液体泄漏检 测仪即是如此；对于采用其他总线标 准的现场设备，则需要通过嵌入式 Web 服务器进行信号转换之后把现场 总线连接到以太网上。 嵌入式 Web 服务器的设计 在基于嵌入式平台的远程监控系统中，监控系统的中心节点主要承担两方面的任务：一 方面负责对现场数据的采集，即 Web 服务器以定时巡检的方式通过现场总线对传感器的信图 2 远程监控系统结构图 图 1 基于 OPC 技术的监控系统结构 - 4 - 号进行采集；另一方面负责协议转换，把现场总

15、线来的数据转换成 TCP/IP 协议的格式，通 过以太网将其发送到远端的监控主机上。在本设计中实现了从 RS232、RS485 到 TCP/IP 协 议之间的相互转换。 4.1 开发环境简介 考虑到系统开发的简便性，本方案选用 uCLinux 操作系统平台作为系统的 OS 环境，辅 助开发工具选用 MiceTek 公司的 HiTool。嵌入式 Web 服务器的硬件环境选用 MiceTek 公司 的 Samsung44B0X 开发板，利用其丰富的接口功能，可实现嵌入式 Web 服务器与传感器的 直接连接。 4.2 嵌入式 Web 服务器的硬件设计 嵌入式 Web 服务器硬件环境的自定义， 是根据

16、监控系统的需要， 重新制作嵌入式系统的 主板。该主板的 CPU 仍选用 Samsung 的 S3C44B0X，1M 的 BootFlash，8M 的 SDRAM，并 提供 10M/100M 的以太网端口，2 个 RS232 接口和 6 个 RS485 接口。如果待检测的参数较 少，则选用一块嵌入式 Web 服务器主板即可；如果待检测的参数较多，则可选用多个同样 的 Web 服务器主板，并对每个 Web 服务器进行参数配置（设置不同的 IP 地址） ，构成分布 式的 Web 服务器。如果监控系统要求存储的数据量很大，则可以采取以下两种方法加以解 决：一是嵌入式 Web 服务器外接硬盘；另一种方法是外加一台由工业控制级的服务器，对 多台嵌入式 Web 服务器进行统一管理。 4.3 嵌入式 Web 服务器的软件实现 嵌入式 Web 服务器的软件开发主要包括以下几项内容： 首先， 完成嵌入式操作系统的移 植和 TCP/IP 协议的剪裁；第二，编写