基于GPRS和Internet的远程控制系统设计
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控制系统
《ＰＬＣ技术应用２００例》
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基于ＧＰＲＳ和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的远程控制系统设计
ＤｅｓｉｇｎｏｆａＲｅｍｏｔｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＧＲＰＳａｎｄＩｎｔｅｒｎｅｔ
（邯郸学院）
何会民石磊娜张志刚
ＨＥＨＵＩＭＩＮＳＨＩＬＥＩＮＡＺＨＡＮＧＺＨＩＧＡＮＧ
摘要：应用无线通信技术、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术和标准智能传感器接口的控制系统可望形成下一代远程分布式控制系统的雏形。本文提出了构建以ＧＰＲＳ和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ为基础的远程控制系统。通过分析市场对控制系统的功能需求，定义了系统的功能目标，建立了控制系统的层次结构模型，确定了Ｃ／Ｓ结构与Ｂ／Ｓ结构相结合的软件结构和应用模式。关键字：远程控制；ＧＰＲＳ；Ｉｎｔｅｒｎｅｔ；微控制器中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｔｅｒｎｅｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅｓａｒｅｓｅｒｖｉｎｇｔｏｓｈａｐｅｔｈｅｎｅｘｔ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｌａｎｄｓｃａｐｅ．ＴｈｅｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓｏｒｉｇｉｎａｌｌｙｂｕｉｌｄｉｎｇｔｈｅＤＭＣＳｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｕｓｉｎｇＧＰＲＳａｎｄＩｎｔｅｒｎｅｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｕｎｃｔｉｏｎｄｅｍａｎｄｓｏｆｔｈｅｍａｒｋｅｔｆｏｒｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓ－ｔｅｍ，ｔｈｅｔｈｅｓｉｓｍａｋｅｓｓｕｒｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｇｏａｌｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｂｕｉｌｄｓｆｒａｍｅｗｏｒｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＣ／ＳｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＢ／Ｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲｅｍｏｔｅＣｏｎｔｒｏｌ，ＧＰＲＳ，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ
文章编号：１００８－０５７０（２００８）０３－１－００３７－０３
１引言
基于ＧＰＲＳ和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的远程分布式控制系统是一个全新的概念，在过去的几年里，这个概念已经成为工业控制领域研究的热点。这种新型的控制系统是标准化的控制系统，支持开放的ＩＥＥＥ１４５１标准。通用的智能变送器接口（ＳＴＩＭ）、开放的网络通信（ＴＣＰ／ＩＰ）、ＧＰＲＳ无线通信技术使这种控制系统可望成为下一代远程分布式控制系统的雏形。本文主要描述基于ＧＰＲＳ和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的远程分布式控制系统的总体方案设计。
２系统功能分析
通常，系统是指为达到一个共同的目标而相互关联的一系列组件的集合。对于控制系统而言，这个共同的目标则是对工业生产过程进行监测与控制，面对各种异常情况，使整个系统的输入与输出保持固有的关系。图１形象的表述了控制系统的目标。
图１系统目标
基于ＧＰＲＳ和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的远程分布式控制系统并不只是对传统的控制系统的简单替换，而是充分利用各种先进技术增强系统功能，推动控制系统的发展，以满足对控制系统不断提高的要求。这种新型的控制系统具备以下功能：
＊能够对工业过程的关键参数实现网络化的自动测量。
＊能够对被控对象进行网络化控制。
＊能够对采样数据进行信号分析，协作故障诊断。＊具有数据管理功能和多样化的数据显示形式。
＊能够通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ实现对传感器节点的在线编程和控制。＊
友好的人机交互界面。
３系统结构
系统在结构上分为两大部分，一部分是分布在工业现场的无线智能传感器网络，另一部分则是位于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ中的控制主机（运行控制管理软件ＤＲＭＣ）。位于控制系统最底层的变送器采集的数据，经过具有分布式智能的传感器节点的预处理，由
ＧＰＲＳ发送到Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上的主机，管理软件根据采样数据产生图
形化的显示，对数据进行信号分析（例如：滤波、包络检波等），协作
故障诊断。企业的管理层也可以通过浏览器访问工业现场的传感器节点，实时了解生产状态。图２所示为基于ＧＰＲＳ和Ｉｎｔｅｒ－ｎｅｔ的远程分布式控制系统结构。
图２系统总体结构
何会民：副教授
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技
术创新
中文核心期刊《微计算机信息》（测控自动化）２００８年第２４卷第３－１期
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《现场总线技术应用２００例》
控制系统
４应用模式与软件结构
如果说硬件设施是控制系统的“躯体”，那么软件模块则是控制系统的“思想”。软件强大的功能全面提升了控制系统的性能。依据软件的体系结构的不同，控制系统也有着不同的应用模式。软件的体系结构分为两种：Ｃ／Ｓ体系结构和Ｂ／Ｓ体系结构。
４．１Ｃ／Ｓ体系结构
Ｃ／Ｓ结构，即客户机／服务器结构，Ｃ／Ｓ结构的本质为“
分布式处理”，即将驻留在主机／终端结构中主机上的应用程序分割为两个部分：一部分是由多个用户共享的信息与功能，此部分称为服务器部分，服务器部分执行后台服务，如管理共享外设、控制对共享数据库的操纵、接受并应答客户机的请求等；另一部分是为每个用户所专用，称为客户机部分，客户机负责执行前台功能，
如管理用户接口、数据处理和报告请求等。这种体系结构将一个应用系统分为两大部分，由多台计算机分别执行，使它们有机的结合在一起，协同完成整个系统的应用，从而达到系统软、硬件资源最大限度的利用。
Ｃ／Ｓ应用系统基本运行关系体现为“请求／响应”的应答模式。每当用户需要访问服务器时就由客户机发出“请求”，服务器接受“请求”并“响应”，然后执行相应的服务，将执行结果送回给客户机，由它进一步处理后再提交给用户。Ｃ／Ｓ结构原则上分为两种：两层Ｃ／Ｓ结构与三层Ｃ／Ｓ结构。
４．１．１两层Ｃ／Ｓ结构
典型的两层Ｃ／Ｓ结构的运作方式如图３所示，前端客户机和后台服务器直接通信，客户端直接向服务器发出数据请求，服务器则运行本身数据处理机制处理数据请求，并将数据返回给客户机应用程序，客户机接收数据并经过本身的业务逻辑处理，然后显示给用户。
图３两层Ｃ／Ｓ结构
在这种模式中，由于数据捕获、业务规则以及应用接口均集中在客户端，客户机变得臃肿了，也就是所谓的胖客户机。随着应用程序复杂性的增加，这种模式的弊端也就显现出来，运行客户端应用程序的计算机的性能需要改善：更快的处理器、更大的硬盘、更多的内存。在业务规则发生改变时，对于两层模型来说，由于业务规则放在客户端应用程序中，对所有客户端中的应用程序的改动和升级都将比较麻烦。
４．１．２三层Ｃ／Ｓ结构
三层Ｃ／Ｓ结构是针对两层Ｃ／Ｓ结构的缺陷，在两层Ｃ／Ｓ结构的基础之上，在客户机和服务器之间引入了一个中间层，专门处理业务规则，从而将应用系统的业务逻辑、表示逻辑和数据分为三个不同的处理层，如图４所示。
图４三层Ｃ／Ｓ结构
在三层Ｃ／Ｓ结构中，客户机应用程序负责与用户进行交互，接受用户的输入并向中间层提交服务请求，然后向用户输出结果。客户端应用程序并不涉及具体的业务规则处理，与中间层的接口也相对比较固定，不需要经常改动。
中间层主要用来处理业务逻辑，它向所有的客户提供服务，在对用户的请求按照逻辑规则进行处理之后，向服务器提交查询或者存贮请求，并且对服务器返回的数据按照业务规则进行处理后，再返回给客户端应用程序。服务器只进行数据管理和存贮，不涉及数据处理，它负责处理来自中间层的数据查询和存贮请求。
４．２Ｂ／Ｓ体系结构
Ｂ／Ｓ结构，即Ｂｒｏｗｓｅｒ／Ｓｅｒｖｅｒ（浏览器／服务器）结构，是随着Ｉｎ－ｔｅｒｎｅｔ技术的发展，对Ｃ／Ｓ结构的一种改进。在这种结构下，用户界面完全通过浏览器实现，一部分事务逻辑（即业务规则）在客户端实现，但是主要事务逻辑在服务器端实现。Ｂ／Ｓ结构以Ｗｅｂ为中心，采用ＨＴＴＰ传输协议，结合多种脚本语言以及组件技术，用浏览器就实现了原来需要复杂专用软件才能实现的强大功能，并且操作简单统一，开发成本低，是一种全新的软件系统构造技术。在基于Ｗｅｂ的Ｂ／Ｓ结构下，可以从逻辑上划分成以下几层，如图５所示。
图５Ｂ／Ｓ体系结构
基于Ｗｅｂ的Ｂ／Ｓ结构是由Ｃ／Ｓ结构转化而来的，因此，也可
以将Ｂ／Ｓ结构看作是传统Ｃ／Ｓ结构的一个子集。
４．３Ｃ／Ｓ结构与Ｂ／Ｓ结构相结合的工作模式
从上面的分析中可以看出Ｃ／Ｓ和Ｂ／Ｓ结构各自具有自己的优点和缺点：Ｃ／Ｓ结构具有强大的数据控制和事务处理能力，以及数据的安全性和完整性约束，但是Ｃ／Ｓ结构的移植性差、维护困难、升级复杂、客户程序的分发麻烦。而Ｂ／Ｓ结构具有良好的开放性，可以适应各种不同的平台，客户程序不需要维护，只需要进行服务器端的开发，易于实现集中控制，但是Ｂ／Ｓ结构客户端与服务器端的交互能力有限，并且在安全控制、界面显示、数据处理等方面上不如Ｃ／Ｓ结构灵活，因为要受到浏览器本身的约束。
因此，我们可以结合Ｃ／Ｓ结构和Ｂ／Ｓ结构的优点，摒弃其缺点，将Ｃ／Ｓ结构和Ｂ／Ｓ结构结合起来实现控制系统的多模式应用。
４．３．１Ｃ／Ｓ结构的应用模式
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控制系统
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对于企业的工程技术人员，需要利用控制系统对工业自动化生产过程实施监测与控制，需要掌握生产过程的每一个细节，对采样数据进行信号处理以协作故障诊断，这需要客户端应用程序具有强大的功能，而Ｃ／Ｓ结构正好可以满足这种需求。我们运用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋开发了Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下的客户端管理软件
ＤＲＭＣ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＲｅｍｏｔｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ），具有
数据显示、数据管理、信号处理等完善的功能。
４．３．２Ｂ／Ｓ结构的应用模式
对于企业的管理层，并不需要掌握工业过程的每一个细节，
而只是希望能够随时随地的对企业生产的整个状态有一个全局的认识，因此对客户端应用程序的功能要求较低，而Ｉｎｔｅｒｎｅｔ是企业的主导信息网络，那么Ｂ／Ｓ结构则可以充分发挥Ｉｎｔｅｒｎｅｔ所具有的优势。工业现场的传感器节点是无线网络化的智能节点，在ＷＮＣＡＰ模块中内嵌Ｗｅｂ服务器，企业管理层通过浏览器便可以随时随地的访问传感器节点，了解工业现场的状态。
本文作者创新点：本文提出了构建以ＧＰＲＳ和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ为基础的远程控制系统。通过对控制系统的功能分析，提出了整个系统结构，一部分是分布在工业现场的无线智能传感器网络，另一部分则是位于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ中的控制主机。我们着重介绍了软件的体系结构：Ｃ／Ｓ体系结构和Ｂ／Ｓ体系结构，并采用Ｃ／Ｓ结构和
Ｂ／Ｓ结构结合的方式实现控制系统的多模式应用。
参考文献：
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［５］周凯，郭黎利，基于ＭＡＸ４８５实现ＰＣ机与单片机通信的程序设计［Ｊ］信息技术，２００５．４：１０－１２
作者简介：何会民（１９６７．３－），男，汉族，河北永年人，副教授，主要
从事计算机体系结构与嵌入式的教学与研究。
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＨＥＨｕｉｍｉｎ（１９６７．３－），Ｍａｌｅ，ＨａｎＮａｔｉｏｎａｌｉｔｙ，ＢｏｒｎｉｎＨｅｂｅｉＹｏｎｇｎｉａｎ，ＡｓｓｏｃｉａｔｅＰｒｏｆｅｓｓｏｒ，ａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＦｉｅｌｄｓ：ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＥｍｂｅｄｄｅｄＳｙｓｔｅｍ．
（０５６００５河北邯郸邯郸学院计算机系）何会民石磊娜
张志刚
（ＨａｎｄａｎＣｏｌｌｅｇｅ，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ，ＨｅｂｅｉＨａｎｄａｎ
０５６００５）ＨｅＨｕｉｍｉｎＳｈｉＬｅｉｎａＺｈａｎｇＺｈｉｇａｎｇ
通讯地址：（０５６００５河北省邯郸市学院北路５３０号邯郸学院计算机系）何会民
（收稿日期：２００８．１．３）（修稿日期：２００８．２．５）
（上接第８３页）
［３］苏大图．光学测量与像质鉴定．北京工业大学出版社，２００２。［４］Ｐ．Ｗ克罗塞编．洪怀瑞译．红外技术基础．上海科学技术出版社，２００３。
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Ｓｈａｎｏｎ
ａｎｄＪ．Ｃ．Ｗｙａｔｔ（ｅｄｓ．），ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓａｎｄＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｃａｄ．ＰｒｅｓｓＮｅｗＹｏｒｋ，ｐ．１９１。
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大学北京校区，２００４。
作者简介：阿不来提?吉力力，男，１９６４，籍贯新疆，副教授，研究方向：嵌入式系统应用。Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：Ａｂｕｌａｉｔｉ?ｊｉｌｉｌｉ，ｂｏｒｎｉｎ１９６４，ｉｎＸｉｎｊｉａｎｇ，ａｎｄｗｏｒｋａｔｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ，ＨｏｔａｎＴｅａｃｈｅｒｓＣｏｌｌｅｇｅ．Ｔｈｅｔｉｔｌｅｉｓｖｉｃｅ－ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍｉｓｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄ．（８４８０００新疆和田师范专科学校计算机系）阿不来提?吉力力（１０００３７首都师范大学信息工程学院）阿不来提?吉力力李志
平刘羽
通讯地址：（１０００３７北京市西三环北路５６号首都师范大学信息工程学院）阿不来提?吉力力
（收稿日期：２００７．１１．０６）（修稿日期：２００８．２．０４）
（上接第９６页）
作者简介：严涛松（１９７８－），男，江苏人，汉，硕士，主要研究方向为无线传感器网络、嵌入式系统，中国矿业大学；王潜平（１９６４－），
男，江苏人，汉，博士，教授，主要研究方向为无线传感器网络、人工智能，中国矿业大学，
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＹＡＮＴａｏ－ｓｏｎｇ（１９７８－），ｍａｌｅ，Ｊｉａｎｇｓｕ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａｓｔｅｒ，ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，Ｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ：ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓａｎｄＥｍｂｅｄｄｅｄＳｙｓｔｅｍ．ＷＡＮＧＱｉａｎ－ｐｉｎｇ（１９６４－），ｍａｌｅ，Ｊｉａｎｇｓｕ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＰＨＤ，Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，Ｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ：ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓａｎｄＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ．（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）
（２２１００８江苏徐州中国矿业大学计算机学院）严涛松王潜平
通讯地址：（２２１００８江苏省徐州市中国矿业大学计算机学院硕０４）严涛松
（收稿日期：２００７．１１．０６）（修稿日期：２００８．２．０４）
《现场总线技术应用２００例》
现场总线技术是现代工厂、商业设施、楼宇、公共设施运行、生产过程中的现场设备、仪表、执行机构与控制室的监测、控制装置及管理与控制系统之间的数字式、多点通信互连的，数据总线式智能底层控制网络。
现场总线技术保证了现代工厂、商业设施、智能楼宇、公共设施（自来水、污水处理、输变供电、燃气管道、自动抄表、交通管理等），高可靠、低成本、安全绿色生产运行，同时易于改变生产工艺，多品种生产过程。
本书２００个应用案例，介绍了ｐｒｏｆｉｂｕｓ、ＦＦ、ＣＡＮｂｕｓ、Ｄｅ－
ｖｉｃｅＮＥＴ、ＷｏｒｌｄＦＩＰ、ＩＮＴＥＲｂｕｓ、ＣＣ－Ｌｉｎｋ、Ｌｏ－ｎＷｏｒｋｓ及ＯＰＣ、
工业以太网、ＴＣＰ／ＩＰ在石油、化工、电力、冶金、铁路、制烟、造酒、制药、水泥、电力传动、机械、交通、设备管理、消防、自来水厂、电解铜、电解铝、继电保护、粮仓及储运、汽车检测、油库管理、造纸、气象、远程抄表、电缆生产、暖通空调、电梯、楼宇自动化及安防、……，各方面的应用。
本书是工程设计人员、设备维护人员、设备采购人员、技术领导干部、大、中专学校教员的案头参考书，同时也是大专院校本科生、研究生做课题、搞毕业设计的必备参考书。有志向有兴趣的高中以上文化水平的人均为本书读者。
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