基于嵌入式Web的远程监控系统设计.doc

基于嵌入式Web的远程监控系统设计摘 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，Web服务器，远程监控，CGI程序引言 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，监控系统要有通用性和灵活性，即可以在对系统进行少量修改或扩充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Intranet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 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、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 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 灵活的查询和丰富的报表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 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LE/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 实时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。图2 远程监控系统结构图嵌入式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号进行采集；另一方面负责协议转换，把现场总线来的数据转换成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，编写数据采集、数据处理应用子程序；第三，编写远程通信子程序；第四，报警处理子程序；第五，数据查询和报表生成子程序。这些功能应先在上述的开发环境中进行初步实现之后，再移植到自定义的环境中。 由于嵌入式系统的资源有限，因此对上述功能的实现应尽量简洁，例如对HTTP协议的移植，只需要保留基本的Get和Post方法即可，而Options、Head、Put、Delete和Trace方法在此可不考虑实现，因为对RAM（或EEPROM）中的数据存储可以采用循环覆盖的方式。 在此方案中，嵌入式Web服务器与Web浏览器及其他应用程序之间的交互，可以通过调用CGI（Common Gateway Interface）程序来实现。CGI规定了Web服务器与浏览器及其他可执行程序的接口协议标准。当Web浏览器将请求信息发送给Web服务器时，Web服务器触发一个可执行的CGI程序，该程序根据用户请求的内容做出相应的处理，并将处理结果以Web服务器可识别的方式输出，Web服务器再将该结果回送给Web浏览器5。 CGI程序中的信息传递是通过标准输入设备stdin和标准输出设备stdout来完成的。Web服务器在调用CGI程序之前，需要预先设置好所有的环境变量，以便把客户的请求转化为参数后存入环境变量，然后就可以调用CGI程序了。CGI程序根据不同的请求方法确定如何获取客户的请求内容，而Web服务器则通过标准输入设备stdin获得客户请求；对于CGI程序的输出结果，Web服务器则是通过标准输出设备stdout来获得，Web服务器对其进行语法分析之后，再传送给客户浏览器。至于CGI程序的实现，本方案选用C语言，以保证CGI程序的快速、高效和安全。结语 基于嵌入式平台的监控系统，以其体积小、可连续工作时间长、性能稳定等特点，得到人们的广泛认可，成为网络化远程监控系统的主流方向。在本设计中，借助于相对稳定和成熟的软硬件开发环境，设计了一套较为完整和实用化的远程监控方案并加以实现。经使用证明，该设计方案是成功的并取得了较为理想的效果。参考文献1关光富，计算机机房环境设备监控系统与设计分析，电工技术杂志，2004.22周祖德编著，基于网络环境的智能控制，国防工业出版社，2004.1,第1版3宋广军，张敬，王睿，基于web的温湿度远程监控系统，微计算机信息，2004.14孙敏，顾德英，汪晋宽，基于OPC技术的监控组态程序的开发，仪器仪表学报(增刊)，2003.85汤碧玉，曾楠，郑灵翔等，嵌入式系统中基于Web的远程监控设计与实现，厦门大学学报（自然科学版），vol.43(5),2004.9