（控制理论与控制工程专业论文）基于internet的嵌入式web服务器数据流的研究与实现.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 当今是一个构筑在网络基础之上的信息化时代。互联网上的业务范围也在不断扩 大，除了传统的信息检索、电子邮件、文件传输等业务外，各种新业务，如远程监控、 远程教学、远程医疗等都在蓬勃发展。随着对w e b 技术的深入研究，嵌入式w e b 服务 器技术在远程监控和生产过程控制中得到了广泛的应用。 本论文分析和介绍了嵌入式w e b 服务器技术以及嵌入式w e b 服务器的数据管理系 统，并结合开发项目自身的特点，给出了一个嵌入式w e b 服务器技术在远程工业现场 监控中的应用实例，并探讨了其在远程监控系统中的应用前景。本文首先介绍嵌入式 数据管理系统的概念、特点以及设计所面临的困难与挑战，然后结合论文所依托的开 发项目的任务要求，分析了该项目开发的基本思路与方案以及数据管理在项目中所处 的地位。在该项目中，最大的一个特点就是利用v i s u a lc + + 6 0 软件开发平台开发上 位机自生成组态软件监控界面，而不是通过网页的形式发布。 本论文还分析和介绍了在嵌入式w e b 服务器中需要存储的数据来源和存储形式， 以及这些数据与上位机监控界面的网络通信方式和与监控对象的串口通信方式。通过 对工业现场生产实际情况和远程客户监控的要求进行分橱与研究，本论文确定了在嵌 入式w e b 服务器中需要存储的数据类型分为三种，分别为：客户机监控界面信息、监 控对象配置信息、p l c 设备元件数据信息。其中客户机监控界面信息以文件的形式在 上位机组态软件监控界面生成环境中生成，主要包括客户端监控界面所需的相关信息， 供远程客户端下载以后还原监控界面所用；监控对象配置信息是从客户机监控界面信 息中提取出来的，主要是对远程监控对象信息的归纳与集中，协助服务器进行下一步 的数据缓冲区分配；p l c 设各元件数据信息存储在嵌入式w e b 服务器单独的数据缓冲 区中，这部分信息是根据具体的监控对象配置信息在嵌入式w e b 服务器中划分数据缓 冲区，然后存储从工业现场采集回来的监控对象的实时数据，以供客户端监控所用。 确定了数据的定义与存储方式，可以进行上位机监控界面与嵌入式w e b 服务器的网络 通信，以及嵌入式w e b 服务器与现场p l c 的串口通信。从而远程客户端就可以通过 i n t e m e t 网络实现对工业现场生产设备的监控任务。 关键字：嵌入式w e b 服务器，数据管理，组态软件，网络通信，串口通信协议 武汉理工大学硕：l 学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y si sa ni n f o r m a t i o na g et h a tc o n s t r u c t e do nn e t w o r k a c c o r d i n gt ot h es t a t ，t h e a r e ao ft h eo p e r a t i o n si nt h en e tj se n l a r g i n g d i v e r s i f i e dn e wo p e r a t i o n se x c e p tt r a d i t i o n a l i n f o r m a t i o ns e a r c h 、e _ m a i l ，s u c ha s l o n g - d i s t a n c es t a k e o u t 、l o n g _ d i s t a n c e t e a c ha n d l o n g - d i s t a n c e m e d i c a lt r e a t m e n ta n ds oo nh a v e d e v e l o p e df l o u r i s h l y a l o n g w i t ht h e t h o r o u g hr e s e a r c ho f t h ew e b t e c h n i c ，t h et e c h n i co ft h ee m b e d d e ds e r v e rw i l lh a sa na b r o a d a p p l i c a t i o ni nt h el o n g - d i s t a n c e s t a k e o u ta n dp r o d u c e p r o c e s s _ c o n t r o ls y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e da n di n t r o d u c e de m b e d d e dw e bs e r v e rt e c h n i ca n dd a t a m a n a g e m e n ts y s t e mi nt h ee m b e d d e dw e bs e r v e r , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee x p o l d e i n g a n dd e v e l o p i n gi t e m i tb r i n g sf o r w a r da l la p p l i e de x a m p l ew h i c hu s i n gt h ee m b e d d e dw e b s e r v e rl o n g _ d s t a n c es t a k e o u t st h el o c a li n d u s t r yp r o d u c ea n dd i s c u s ei t sa p p l i e df o r e g r o u n d j nt h el o n gn i sep、_distances t a k e o u ts y e t e mt e x ti n t r o d u c e st h ec o n e tc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e c h a l l e n g e i nf a c i n go ft h ed e s i g no ft h ee m b e d d e dd a t am a n a g e m e n t s y s t e ma tf i r s t a n dt h e n a n a l y s e st h eb a s i ci d e a la n d t h es t a t u so ft h ed a t as y s t e mi nt h ei t e mt h a tb a s e do nd e v e l o p i n g a n de x p o l d e r i n ga s s i g n m e n t i nt h i si t e m ，o n eo ft h em o s tc h a r a c t e r i c s e si se x p o l d e r i n gp c s t a k e o u ti n t e f a c ew i t ho u r s e l v e sc o n f i g u r a t i o ns o f e w a r ew h i c hu s i n gv c + + 6 0s o f e w a r e e x p o l d e r i n gf l a t ，b u tn o tu s h a g n e t w o r k t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e da n di n t r o d u c e dt h ed a t a ss o u r s e sa n dm e m o r yf 0 1 t n st h o s e s h o u l dm e m o r yi nt h ee m b e d d e dw e bs e r v e ra l s o ，a n dt h en e tc o m m u n i c a t i o n sf r o mt h e d a d a st ot h ep cs t a k e o u t si n t e r f a c e i ta l s oa n a l y s e da n di n t r o d u c e dt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n f r o mt h ed a d a st ot h es t a k e o u t so b j e c t s t h r o u 【g ha n a l y s i n ga n d r e s e a r c h i n g , t h e r ea r et h r e e d a t a t y p e ss h o u l dm e m o r yi nt h ee m b e d d e dw e bs e r v e lt h e s et y p e sa r eu s e rs t a k e o u t i n t e r f a c ei n f o r m a t i o n ，s t a k e o u t o b j e c ti n f o r m a t i o n ，a n d p l ce q u i p m e n te l e m e n td a t a i n f o r m a t i o n t h eu s e rs t a k e o u tj n t e r f a c ei n f o r m a t i o ni sc r e a t e di nt h ep cc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r es t a k e o u ti n t e r f a c ec r e a t ec i r c u m s t a n c ei nt h ef o r mo ff i l e ，w h i c hm a i n l yj n c l u d e s u s e rs t a k e o u ti n t e r f a c ec o r r e l a t i v ei n f o r r n a t i o n t h i si n f o r m a t i o ni su s e dt or e v e r tt h es t a k e o u t i n t e r f a c et h r o u g hd o w n l o a d i n g b yt h eu s c ln e s t a k e o u to b j e c ti n f o r m a t i o ni sd i s t i l l e df r o m t h eu s e rs t a k e o u ti n t e r f a c ei n f o r m a t i o n 。w h i c hc o n c l u d e sa n dc e n t r a l i z e st h el o n g d i s t a n c e s t a k e o u to b j e c t si n f o r m a t i o n t h ei n f o r m a t i o na s s i s t sd a t ab u f f e rd i s t r i b u t i n gi nt h es e r v e r , w h i c hi si nt h ef o r mo ff l i et o o t h ep l c e q u i p m e n t e l e m e n td a t ai n f o r m a t i o ni ss t o r a g e di n t h es e p a r a t ed a t ab u f i e ro ft h ee m b e d d e dw e bs e r v e r t h ee m b e d d e dw e bs r e v e rm a r k so f f d a t ab u f f e rb a s e do nt h em a t e r i a ls t a k e o u to b j e c t si n f o r m a t i o n a n dt h e ns t o r a g et h es t a k e o u t o b j e c t sr e a lt i m ed a t ag a t h e r e df r o mt h ei n d u s t r yl o c a l e t h eu s e ru s et h i si n f o r m a t i o nt o s t a k e o u tt h e o b j e c t s p c s t a k e o u ti n t e r f a c ea n de m b e d d e dw e bs e w e r m a ys o c k e t c o m m u n i c a t i o nt h r o u g hn e t ；e m b e d d e dw j bs e r v e ra n dp l c l o n g d i s t a n c es t a k e o u to b i e c t e q u i p m e n t e l e m e n t m a ys e r i a l c o m m u n i c a t i o n t h r o u g h s e r i a li fw ch a v et h em a t e r i a l d e f i n i t i o na n d m e m o r y m o d eo fd a t a si n f o r m a t i o n a l lt h i sh a sd o n e ，l o n g d i s t a n c eu s e rc a n s t a k e o u tt h ei n d u s t r yl o c a la u t o m a t i o n p r o c e s se q u i p m e n tt h r o u g hi n t e m e tn e t 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：e m b e d d e dw e bs e r v e rd a t am a n a g e m e n t c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e n e tc o m m u n i c a t i o ns e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 武汉理工大学硕士学茁l t 之 第1 章绪论 1 1 嵌入式数据库管理系统 随着科技的发展和社会的进步，嵌入式计算机系统获得了越来越广泛的应用。在 办公自动化领域，消费领域，通信领域，工业控制领域和军事领域等等领域中，都可 以见到嵌入式的影子。尤其在办公自动化，消费f l lf 和通信领域中，可以说嵌入式系 统应用得非常普遍，常见的例如用计算机外部设备( 如打印机，磁盘驱动器等) ，洗衣 机、微波炉等家用电器，手机、p d a ( 个人数字助圳) 、数码相机等都用到嵌入式系统。 随着嵌入式系统越来越广泛的应用，嵌入式着、统中的数据存储和数据管理已经成 为一个重要的课题摆在设计人员面前。在这许多的i 陡入式应用中，很多应用系统都存 在着对数据的管理问题。在系统需要处理的数据 l j j 不大的情况下，数据的管理还比较 容易。当系统数据量增大到一定规模，一般系统c i i 部将采用文件系统来进行管理。在 文件系统中，数据按其内容、结构和用途组合成一系列命名的文件，用户可以通过操 作系统对文件进行打开、读、写、定位和关闭等捌l l 乍12 1 。应该说嵌入式文件系统的应 用很大程度上方便了嵌入式系统中对数据的管理。f i i 文件系统也存在一些明显的缺点， 比如说： ( 1 ) 对应用程序编写者来说使用很不方便。应川程序的设计者必须对应用程序所使 用的文件的逻辑和物理结构有清楚的了解。嵌入式艾件系统只提供文件打开、关闭、 读、写等一些低级的文件操作命令，对文件的查训修改等数据处理都必须在应用程 序内解决。不仅如此，类似对数据库这一类操作，化应用程序中解决起来都非常麻烦。 ( 2 ) 应用程序的维护工作量很大，因为应用程席的工作是直接建立在文件的基础上 的，对文件过分依赖。所以文件结构的每一次修凶邮将导致应用程序的修改。我们知 道，修改程序是很费时费力的事情，如果修改者4 、是原始程序的设计者，则情况变锝 更加严峻。修改者不仅要花费很多的时间来熟悉厉i 阿的程序，而且还要保证修改后不 会引起不应该有的副作用。 ( 3 ) 数据管理不规范。由于数据缺少统一管理，韭数据的结构、编码、表示格式、 命名以及输出格式等方面不容易做到规范化、标训化；在数据的安全和保密方面，也 难以采取有效的措施m 。 针对直接使用嵌入式文件系统的上述缺点，参j f 1 个人计算机领域中数据库管理系统 ( d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，简称d b m s ) 的心功经验，人们希望在嵌入式领域的 数据管理中也能用上数据库管理系统“1 。由数据库竹理系统统一管理数据。应用程序不 必直接介入诸如打开、关闭、读、写文件等低级搠怍，用户也不必关心数据存储和其 武汉理工大学硕士学位论文 他实现的细节，可以在更高的抽象级别上观察和访问数据“。随着计算机硬件技术的迅 速发展，嵌入式计算机的系统处理速度和存储容量都得到很大提高，这无疑为嵌入式 数据库管理系统的应用奠定了良好的物质基础。 仅仅有了技术上的可行性还不够，还需要有现实的需求。随着应用向着分散化、小 型化的方向延伸，智能的网络设备( 交换机、路由器) 、p d a 、s m a r tp h o n e 、信息家电 等越来越多的走进我们的生活，我们也越来越离不开它们了。类似这些对信息量需求 不大，可以方便存取数据的环境中都需要一个小的数据库管理系统来管理本地的信息， 这就有了嵌入式数据库的需求”1 。毫无疑问，伴随着嵌入式市场的蓬勃发展，会有越来 越多的嵌入式设备希望得到嵌入式数据库管理系统的支持，进行数据的统一管理。在 强大的市场需求下，如果能开发出个优秀的嵌入式数据库管理系统软件，无疑具有 巨大的社会效益和经济效益。 1 2 嵌入式数据库管理系统的特点 要理解嵌入式数据库管理系统的特点，首先需要很好地理解嵌入式系统的特点：嵌 入式系统通常都是面向特定应用的；嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术 和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技 术密集、资金密集、高度应用分散、不断创新的知识集成系统8 1 ；嵌入式系统的硬件和 软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高 的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力；为了提高执行速度和 系统可靠性，嵌入式系统的软件一般都固化在存储器芯片或者单片机本身中，而不是 存储在磁盘等载体中“，。 从上述嵌入式系统的特点可以看出，作为嵌入式系统中一个软件中间件的嵌入式数 据库管理系统，也必然受到嵌入式系统速度、资源以及应用等各方面因素的制约“。 当然，嵌入式数据库管理系统本质上和通用型数据库管理系统在运行环境、应用领域 等许多方面都是不一样的，所以不能简单地把嵌入式数据库管理系统看成是通用数据 库管理系统在嵌入式设备上的缩微版“。概括地说，嵌入式数据库系统具有以下特点： ( 1 ) 系统可利用的资源紧缺，硬件速度慢 嵌入式软件的运行环境是比较差的，较慢的c p u 和总线速度，小容量的r a m 和r o m ， 都对嵌入式数据库管理系统的设计产生了很大的影响。要保证在有限的资源下，系统 能够正常运行，就必须对系统的资源使用进行认真的控制；要尽量提高系统的运行速 度，就必须对系统耗时多的操作所使用的算法进行精心的设计，尽量消除系统的性能 瓶颈。 ( 2 ) 可靠性、可管理性和安全性 武汉理工人学硕士学位论文 由于嵌入式数据库管理系统是运行在嵌入式设备上，所以它的运行基本上不需要人 的参与。这就对系统的可靠性和安全性提出了较高的要求，并且系统要能够实现零管 理。 ( 3 ) 平台预留 在嵌入式领域，硬件平台和嵌入式实时操作系统( e m b e d d e d r e a l 【lt i m eo p e r a t i n g s y s t e m ，e r t o s ) 可谓种类繁多。而每一种嵌入式应用都是运行在具体的硬、软件平台 上的。嵌入式数据库管理系统的设计必需做到和e r t o s 和底层的支撑软件之间的接口 尽量简单，这样才有利于系统的移植，做到平台预留1 。 1 3 嵌入式数据库管理系统设计面临的挑战 嵌入式数据库管理系统已经越来越多地应用在各种嵌入式应用场合中，比如在手持 设备上的个人信息管理( p e r s o n a l i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，p i m ) 上就应用得比较 普遍。要设计出一个好的嵌入式数据库管理系统还是要面临许多的挑战。 通用型数据库管理系统的管理和配置历来都是比较复杂的，需要比较多的数据库领 域的专业知识。在嵌入式应用中，任务往往比较简单，操作系统、数据库管理系统以 及应用程序往往都是绑定在一起的，这样，在系统运行过程中采用通用的数据库管理 系统通常是不可行的。也就说，应该使数据库系统的运行和管理对于用户来说是透明 的”“。当然，系统在运行过程中，可能会由于各种异常原因，导致系统失去正常的运 行状态，比如说由于系统硬件复位导致的重启动，或者说意外的断电等等，在这些情 况下，数据库系统应该能够在没有管理员干预的情况下，自动恢复到一个一致的状态 rj4 】 o 除了易维护和健壮性之外，嵌入式数据库管理系统要求的小巧也是显而易见的。系 统资源的紧张决定了我们必须精心地设计软件的每一部分，使得在有限的系统条件下， 最后完成的系统既能满足功能的需求，又能满足性能的需求。”。 传统的数据库管理系统普遍支持o d b c 和s q l 界面，但这样会显著增加系统空间和 时间上的开销。在嵌入式数据库应用当中，其实很少会用到复杂的查询，能够针对具 体应用完成用户提出的任务比支持通用的查询界面更重要。这也是设计时需要考虑的 问题。此外，设计时系统的良好体系结构的建立，系统可剪裁、可配置，系统的实时 性，以及系统如何实现对多任务的支持，都是需要重点考虑的问题。 1 4 当前国内外发展状况 嵌入式数据库在移动计算机平台( 如h p c 、p d a ) 、家庭信息环境( 如机顶盒和数字 武汉理工大学硕士学往论空 电视) 、通讯计算平台、电子商务平台( 如智能卡应用) 等领域得到广泛的应用。正是 基于这一事实，各国研究机构纷纷展开了对嵌入式移动数据库的研究，各人数据库厂 商也将开发相应主打数据库系统的嵌入式移动数据库系统作为一个重要的发展方向。 在国外，i b m 公司在d b 2 通用数据库中推出了i b md b 2s a t e i i i t e 和e v e r y p l a c e 版本，它所提供的移动计算功能使移动办公用户获得了与企业数据保持同步的能力。 员工能够随时进入企业的系统查询最新的产品清单或客户信息，并可完成下定单或销 售等交易“。o r a c l e 的o r a c l el i n e 版本现在也可运行在低端及w i n c e 、p a l m 等平台 上，提供了一整套开发、提交和中央化管理的工具，并可以和o r a c l e 的桌面数据库保 持同步，可以满足移动和嵌入式的应用的需求。微软的s q ls e r v e r7 0 也可以为用户 提供包括业务运营、移动计算、电子商务在内的可伸缩的商业解决方案。同时i n f o r m i x 公司也由麾下的c l o u d s c a p e 公司推出了其移动解决方案旗舰产品的最新版本 c l o u d s c a p e3 0 ，可以对包括从服务器到笔记本电脑，甚至到轻型信息设备，进行数 据管理而作为移动计算的市场领先者s y b a s e 公司多年前就敏锐地预见到计算设备小型 化的发展趋势，投入了大量的人员和资金对小型数据库进行研究与开发工作，并且在 全球最早推出了移动与嵌入数据库产品包一s y b a s es q la n y w h e r es t u d i o 。s y b a s e 在移 动数据库市场连续多年占据行业的领先地位。它的重要特点之一就是实现了多种客户 端系统( 包括p c 、便携机、手持和智能设备) 到标准的后台企业数据库系统的数据双 向同步。它通过u l t r a l i t e ，利用提交选项和m o b i l i n k 同步技术把企业数据扩展到p o s 终端、手持设备、智能应用和嵌入式系统中。根据u l t r a l i t e 提交选项为客户端系统 定制数据库应用，使得最小应用可小至5 0 k i t t l 。 在国内，面对着嵌入式数据管理领域新的市场需求，东北大学软件中心凭借着多年 积累的数据库系统和嵌入式系统的开发经验，在大型数据库管理系统o p e nb a s e 的基 础上，研制开发了嵌入式数据库管理系统o p e nb a s em in i 。北京人大金仓信息技术有 限公司也凭借其强大的研发实力，推出了具有自主知识版权的小金灵嵌入式移动关系 数据库k i n g b a s el i t e 。还有国内其他一些研究机构和公司已经推出了自己的嵌入式数 据库系统或者正在进行着这方面的研究工作。 以上这些嵌入式数据库系统在功能和性能上具有一定的共性，比如说一般对资源要 求低，占用空间内存较小，从几十k 到几百k 不等；支持c 编程接口和标准s o l 子集 底开发接口：支持o d b c 或j d b c ，能与支持其标准的任意数据库交换数据；支持双向数 据交换能力；实现了中央数据库与嵌入式数据库间的数据双向流动等。但这些数据库 系统也有各自不同的特点，鉴于嵌入式领域的特点，对嵌入式数据库产品还很难形成 统一的标准，对嵌入式数据库管理系统的研究，也还有很多工作要做“。 武汉理t 大学硕士学位论文 1 5 本课题来源和论文内容安排 本课题来自黄石科威自控有限责任公司与我校合作研发项目基于i n t e r n e t 工业 应用嵌入式网络服务器中的数据管理部分的内容。课题目标是开发出工业应用嵌入 式网络服务器，在客户端使用v c + + 6 0 开发工具白研制网页生成工具生成网页，以供 远端客户浏览远程p l c 网络数据并远程监控工业现场p l c 可编程控制器，实现数据交 互。对于第三方客户而言，他们可以通过调用我们开发的自编组态软件生成的监控对 象的人机界面，调用数据缓冲区的实时数据，产生实时画面，以达到监控、维护远程 工业现场的目的。本文的重点就在于开发上位机组态监控软件，分析嵌入式w e b 服务 器中需要存储的数据类型和每一种数据的存储方式，以及数据的组织和与上位机监控 界面的网络通信，与监控对象的串口通信。 本文内容安排如下： 第一章是绪论，主要讨论了在嵌入式设备中应用嵌入式数据库系统来存储和管理 数据的必要性；嵌入式数据库管理系统的特点；并概要介绍了目前国内外在嵌入式数 据库领域的研究与发展的现状 第二章是项目开发背景介绍，主要内容包括项目的总体需要，运行环境，开发环 境，本系统模块在整个大的软件系统环境中所处的位置以及系统的开发过程。 第三章介绍了嵌入式设备的数据来源，主要内容为上位机自研制组态软件的开发， 其中包括上位机组态软件的研究方法、技术路线和实验方案；嵌入式设备管理的数据 的分类以及数据在在嵌入式设备中的存储方案。 第四章介绍上位机与嵌入式w e b 服务器通信。内容主要包括t c p i p 协议族简介； s o c k e t 网络编程接口的概念、编程原理和编程模型：以及白定义的s o c k e t 编程协议格 式。 - 第五章介绍嵌入式w e b 服务器与p l c 通信。内容主要包括嵌入式设备与p l c 通信 协议的基本格式和通信协议帧格式的定义。 第六章是全文总结。总结了嵌入式w e b 服务器数据管理的现状、特色，并指出了 今后该系统有待进一步发展的地方。 文章最后给出了与系统有关的一些有意义的附录。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章项目开发背景介绍 本论文是基于i n t e r n e t 工业应用嵌入式网络服务器项目的背景条件下完成的。 现在简要介绍一下该项目的开发方案。 2 1 项目开发任务 在工业控制系统的设计中，通常用一些专用的控制网络来完成现场设备的控制， 目前广泛使用的控制设备可经由r s 2 3 2 r s 4 8 5 ( 如p l c 网络) ，c a n 总线组网，然后 再用p c 机和h m i 软件做监控，但是r s 2 3 2 r s - 4 8 5 和c a n 总线传输有其限制，譬如 长距离的资料传输便有困难，若需要将现场的设备状态反映在企业的管理级网络中， 则须将上位机连入企业网内。异地查看设备运行状态也必须通过i n t e r n e t 连到企业 网，再到与现场控制器紧密相连的控制系统的i o 服务器取数据。国外厂家生产的高档 p l c 有能够支持e t h e r n e t 的p l c 模块，但其通信协议一般不公开而且必须使用专用的 上位机软件 2 0 l 。 基于以上情况的考虑，本项目开发的嵌入式网络监控服务器就是为了能使工业现 场的设备通过设计的嵌入式网络服务器由远程客户机监控，无论是客户通过e t h e m e t ( t c p i p ) 发送信息到指定的r s 2 3 2 r s 4 8 5 或是r s 一2 3 z 瓜s 4 8 5 发送到连接在e t h e m e t 指定客户机的信息，都可以通过该设备轻易且正确地传送，这样可以使工业现场现有 r s 2 3 2 r s 4 8 5 或c a n 通讯的设备很方便的接入以太网由远程管理，组成一个前端智 能i o 系统，对外界提供以太网通讯接口，可以直接挂在i n t r a n e t 或i n t e r n i s t 网 上，将现场数据提交到企业的本地或异地的监控网络 2 1 1 0 企业通过嵌入式w e b 服务器对工业现场设备远程管理监控示意图见图2 一l 。 图2 - 1嵌入式w e b 服务器对工业现场设备远程监控示意图 武汉理工大学硕士学位论文 该嵌入式w e b 服务器与系统的连接示意图见图2 2 。 田 豆 图2 2 w e bs e r v e r 与系统的连接 图2 2 中，嵌入式w e b 服务器与i n t e r n e t 的连接有两种接口：以太网接口和用m o d e m 通过电话线连接。 工业现场可能是各种p l c 控制的对象，因而嵌入式w e b 服务器内的数据将标准化， 编程将以三菱f x 。系列p l c 为例，嵌入式w e b 服务器与p l c 通信采用计算机通信协议 ( c o m p u t e r l i n kp r o t o c 0 1 ) 。在客户端将以网页形式监控工业现场，自研制网页生成工 具生成界面。 系统功能如下： ( 1 ) 以动态网页形式发布p l c 网络的状态信息。 ( 2 ) 对p l c 网络进行参数设置和控制。 ( 3 ) 有权限认证功能。 ( 4 ) 有网页生成工具以方便用户应用。 ( 5 ) 针对三菱f 系列p l c ，但对其他型号的p l c 有扩展功能 2 2 项目开发基本思路以及数据管理所处地位 该项目以3 2 位c p u 为核心构建硬件平台，移植适当的操作系统，并编制应用 程序，组成嵌入式w e b 服务器。在客户端以自研制网页生成工具生成网页，借助 1 n t e i n e t 实现对工业现场的远程监控。 系统组成如图2 3 所示。 呈 武汉理工人学硕士学位论文 图2 - 3 中 ( 1 ) 系统以m o t o r o l ac o l df i r e5 3 0 7 为c u p 构建嵌入式硬件平台。 ( 2 ) 操作系统选用u c l i n u x ，并根据实际情况予以裁剪。 ( 3 ) 对网络协议t c p i p 协议进行定制与裁剪。 ( 4 ) 对嵌入式系统的数据以标准化形式存储，动态分配内存，并留有扩展余地。 ( 5 ) 客户机上的用户界面用v c + + 6 0 开发平台编制网页生成工具。 ( 6 ) 自定义协议用s o c k e t 通信实现客户机与服务器的远程交互的分析与设计。 ( 7 ) 利用p l c 串行通信协议实现服务器与监控对象的数据交互的分析与设计。 在项目开发过程中，嵌入式数据流始终是很关键的一步。客户机通过网络远程监控 企业的工业现场设备，考虑到网络实现的实时性问题。首先必须在嵌入式w e b 服务器 中开辟一块数据缓冲区，用来存储监控界面对象信息所需数据。但是嵌入式设备内存 是很有限的，为了有效地利用嵌入式内存，我们采用动态分配内存的方式来存储工业 现场p l c 元件数据。自动化工程设计人员只需要发送给监控的任意p l c 元件信息给远 程嵌入式w e b 服务器，嵌入式w e b 服务器识别后，将消息发送至工业现场p l c 设备， p l c 设备回复的元件信息就存储在动态分配的内存中，同时嵌入式w e b 服务器从内存中 将客户机需要的数据回送至远程客户机界面。只要客户机界面不改变，嵌入式w e b 服 务器的内存分配形式就不会改变，但是该服务器会定时扫描工业现场p l c 设备，以采 集最新数据以供远程客户机的不断刷新。另外在嵌入式w e b 服务器中还存储了以供客 户机下载的用来监控企业远程工业现场p l c 设备的监控界面信息文件数据和? l c 监控 对象配置信息数据，该监控界面信息数据和p l c 监控对象配置信息以文件的形式保存 在嵌入式w e b 服务器中，其中监控界面信息数据保存了监控界面的所有信息，对于该 武汉理工大学硕士学位论文 数据结构的定义十分重要，在客户机端通过下载该文件用以再现远程监控的工业现场 画面，同时进行监控与维护。p l c 监控对象配置信息就是从该数据结构中提取的部分信 息，以方便嵌入式w e b 服务器识别需要从远程工业现场p l c 设备采集的数据。 2 3 本章小结 本章介绍了这篇论文所依托的开发项目的背景条件以及开发的基本思路和研制方 案，其中强调了数据管理在项目开发中的重要作用。因为考虑到远程工业现场生产的 实际情况以及i n t e m e t 网络通信的传输实现问题，并且必须尽可能地满足客户的多种需 求，所以我们将需要管理的数据进行了深入的分析，初步拟定嵌入式w e b 服务器如何 对数据进行有效地管理的方案。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章嵌入式设备的数据来源 在上一章中已经介绍了嵌入式设备的数据管理在整体项目开发中的地位，在这一章 中将具体介绍本项目研制开发的嵌入式设备中的每一种数据来源，以及数据的定义和 存储形式。 3 1 上位机自生成组态软件介绍 在介绍嵌入式设备的数据来源之前，先简要介绍一下工业控制组态软件的相关情 况。随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动 化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统 的工业控制软件已经无法满足用户的各种需要。在开发传统的工业控制软件时，当工业 被控对象一旦有变动，就必须修改其监控系统的源程序，导致其开发周期长；己开发成 功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常 昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须 同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。工业自动化组态软件的出现 为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控 制软件存在的种种问题，使用户能够根据自己的控制对象和控制目的任意组态，完成最 终的自动化控制工程1 2 2 1 组态( c o n f i g u r a t i o n ) 为模块化任意组合。监控组态软件是用于工业自动化和过程 监视与控制的应用软件，它具有友好直观的用户界面，灵活多样的组态方式。其主要 特点： 1 ) 延续性和可扩充性：用组态软件开发的应用程序，当现场( 包括硬件设备或系统结 构) 或用户需求发生改变时，不需要作很多的修改而方便地完成软件的更新和升级： 2 ) 封装性( 易学易用) ：组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装 起来，对于用户，不需要掌握太多的编程语言技术( 甚至不需要编程技术) ，就能很好地 完成个复杂工程所要求的所以功能： 3 ) 通用性：每个用户根据工程的实际情况，利用组态软件提供的底层设备( p l c 、智能 仪表、智能模块、板卡、变频器等) 的i od r i v e r 、开放式的数据和画面制作工具，就 能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和 网络功能的工程，不受行业的限制“”。 最早开发的组态软件是d o s 环境下的组态软件，其特点是具有简单的人机界面 ( m m i ) 、图库、绘图工具等基本功能。随着w i n d o w 的广泛应用，w i n d o w s 环境下的组 1 0 武汉理工大学硕上学位论文 态软件成为主流。与d o s 环境下的组态软件相比，其最突出的特点是图形功能有了很 大的增强。国外许多优秀的组态软件是在英文形态下开发的，它具有应用时间长、用 户界面不理想、不支持或不免费支持国内普遍使用的硬件设备、组态软件本身费用和 组态软件培训费用高昂等因素，这些也正是国内组态软件不能广泛应用的原因。随着 国内计算机水平和工业自动化程度的不断提高，组态软件的市场需求l 日益增大。近年 来，一些技术力量雄厚的高科技公司相继开发出了适合国内使用的通用组态软件。 组态软件最突出的特点是实时多任务。例如数据采集与输出、数据处理与算法实现、 图形显示以及人机对话、实时数据的存储器、检索管理、实时通信等多个任务要在同 一台计算机上同时运行1 2 4 1 o 组态软件的使用者是自动化工程设计人员。组态软件包的主要目的是使使用者在生 成适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码，因此在设计组态软件时 应充分了解自动化工程设计人员的基本要求，并加以总结提炼，重点集中解决公共性 问题，下面是组态软件主要解决的问题。 a ) 如何与采集控制设备间进行数据交换； b ) 使来自设备的数据与计算机画面上的元素并联起来； c ) 处理数据报警及系统报警； d ) 存储历史数据并支持历史数据的查询； e ) 各类报表的生成和打印输出； f ) 为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求： g ) 最终生成的应用系统运行稳定可靠； h ) 具有与第三方程序的接口，方便数据共享。 自动化工程设计人员在组态软件中只需要填入一些事先设计的表格，利用图形功能 把被控对象，如反应罐温度计，锅炉趋势曲线。报表等形象地画出来，通过内部数据 连接把被控对象的属性与i o 设备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成的应 用系统投入运行后，与被控对象连接的i o 设备数据发生变化直接带动被控对象的属 性变化。若要对应用系统进行修改，也十分方便，这就是组态软件的方便性。组态软 件具有实时多任务，接口开放，使用灵活，功能多样，运行可靠的特点“”。 这个项目最大的特点之一就是利用v i s u a lc + + 6 0 软件开发平台开发上位机自生成 组态软件监控界面。之所以采用自生成组态软件来生成远程工业现场的监控界面，而不 是采用网页生成方式，主要是考虑到对于自动化工程应用人员而言，要掌握h t m l 以及 c g i 等相关编程语言相对比较复杂和麻烦，而使用自研制的组态软件则无需掌握任何编 程语言，直接在我们开发的白研制组态软件开发平台上对监控的远程工业现场进行组 态即可，这样就为自动化工程技术人员提供了一种采用搭积木的方式制作现场控制 过程和控制界面的工具，不需要编写用户程序，只需调用相应的模块，通过填表、 武汉理工大学颈士学位论文 连线的方式生成应用程序。这样就可以省去很多不必要的麻烦，而且对于将来进一步 开发也极具可扩展性。 通过对本课题的深入研究以及对所依托项目的要求的分析，我们设计完成的组态 软件要能根据不同用户的要求，灵活的设计相应的人机界面( 即组态) 。由于工业控制 对象的属性较多，要设置的参数繁杂，故对这些属性的归类、抽象是一项很重要的工 作，对控制对象的特性的了解程度，能直接的影响到组态软件设计中元件的设置。而 且，由于用到众多的属性设置，对开发工具v i s u a lc + + 6 0 必须有全面的掌握。再者， 针对工业现场对象所处理数据的多样性，如何将它们转换成统一的格式存储在数据缓 冲区，将是本课题的关键问题之一。另外，实现人机界面与监控对象之间的通信也是 本课题中较关键的一处。通过客户端的w i n s o c k 编程、服务器端的l i n u xs o c k 编程和 自定义协议，就能很好的实现此处的通信。 3 2 上位机组态软件研究方法、技术路线、实验方案 该组态软件的研究方法由系统开发环境和系统运行环境两大部分构成。系统开发 环境，它是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态软件的支持下进行应用 程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最 终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行时使用。系统开发环境由若干个组态程 序组成，如图形界面组态程序、实时数据库组态程序等。系统运行环境，目标应用程 序被装入计算机内存并投入实时运行。系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形 界面运行程序、实时数据运行程序等1 。 ( 1 ) 系统开发环境 在系统