一、引言
當今市場競爭日益加劇，制造商在不斷地尋求新的方法和工具以求做到事半功倍，立足、發(fā)展市場。機電設(shè)備朝著體積大型化，控制系統(tǒng)復(fù)雜化，客戶分散化的方向發(fā)展，這就給制造商的售后服務(wù)帶來了極大的不方便，要求有遠程監(jiān)控系統(tǒng)來降低售后成本。通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，使得遠程監(jiān)控成為了可能。
當前，嵌入式技術(shù)正呈現(xiàn)百花齊放的態(tài)勢。嵌入式系統(tǒng)以其價格低廉，體積小，可在惡劣的工作環(huán)境下工作等優(yōu)勢而被廣泛的應(yīng)用于航海、石油、軍事等領(lǐng)域，用于數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等方面。嵌入式技術(shù)和Internet技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了嵌入式Internet技術(shù)，使得設(shè)備可以輕而易舉的接入Internet網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)設(shè)備上網(wǎng)。人們也將嵌入式Internet技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備的遠程監(jiān)控，取得了一定的效益。當前的嵌入式遠程監(jiān)控主要有以下兩種：
1．嵌入WEB單一式監(jiān)控方式：在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)TCP/IP大多數(shù)協(xié)議包括HTTP/TCP/IP等協(xié)議，系統(tǒng)既充當WEB Server角色，又要起到數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和故障診斷等作用。這種方式主要存在以下不足：
（1）由于嵌入式系統(tǒng)要實現(xiàn)WEB Server，功能過多，要求高性能的微控制器或者嵌入式的計算機來滿足系統(tǒng)功能要求。高性能意味著高成本。在每一臺設(shè)備上附加一個高成本的嵌入式系統(tǒng)是不符合制造商的低附加成本的要求的。
（2）每一嵌入式系統(tǒng)都是一個監(jiān)控系統(tǒng)，一個WEB Server，這就要求每臺設(shè)備都要有一個全球獨立IP地址。一是現(xiàn)有的IP地址資源有限，二是監(jiān)控人員要記住許多IP地址或域名，這也是很不利于遠程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮作用的。
2．傳統(tǒng)的PC機集中式監(jiān)控方式：PC充當WEB Server，起到監(jiān)控與故障診斷作用（監(jiān)控與診斷中心）。嵌入式系統(tǒng)只是起到采集現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到診斷中心的作用。診斷中心可以同時監(jiān)控多臺設(shè)備。這種方式有利于節(jié)約IP資源和降低附加成本。但也存在不足Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸是不穩(wěn)定的，監(jiān)控中心傳輸?shù)目刂茢?shù)據(jù)有可能不能及時地到達設(shè)備的控制系統(tǒng)，而設(shè)備有時候會發(fā)生嚴重的故障。從生產(chǎn)和市場的角度來看，特意停機幾小時，甚至幾天來對大型機電設(shè)備進行檢修，不符合用戶快速應(yīng)對市場需求的需要。大型機電設(shè)備出現(xiàn)故障后，會造成停工損失，嚴重的會使得機器徹底毀壞甚至危及人身安全。這就要求遠程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視到嚴重故障參數(shù)異常后立即進行停機等保護性控制操作，以避免嚴重事故的發(fā)生。根據(jù)以上分析，文章提出了基于嵌入式控制的機電設(shè)備遠程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠提供實時監(jiān)控和預(yù)報、預(yù)防嚴重故障產(chǎn)生的售后服務(wù)，以降低生產(chǎn)成本。
二、系統(tǒng)的總體設(shè)計與實現(xiàn)
目前，遠程監(jiān)控系統(tǒng)較為流行的系統(tǒng)架構(gòu)有客戶機/服務(wù)器（C/S）模式和瀏覽器/服務(wù)器（B/S）模式。C/S模式需要同時開發(fā)客戶端和服務(wù)器端的應(yīng)用程序，維護困難，并且在客戶機上必須安裝客戶機軟件，否則系統(tǒng)就不能工作了。B/S只需要開發(fā)服務(wù)器端的Web應(yīng)用程序就可以了，可以在任何安裝了瀏覽器的客戶機上進行監(jiān)控，真正做到了隨時隨地地遠程監(jiān)控。故系統(tǒng)采用B/S模式進行集中監(jiān)控。系統(tǒng)主要由監(jiān)控與故障診斷中心和嵌入式控制裝置兩部分組成。圖1為系統(tǒng)的總體設(shè)計拓撲結(jié)構(gòu)圖。
圖1 系統(tǒng)總體拓撲結(jié)構(gòu)
（一）監(jiān)控與故障診斷中心（Web服務(wù)器，簡稱中心）
監(jiān)控與故障診斷中心平臺由Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（0racle 8i）和數(shù)據(jù)接收與發(fā)送程序（后臺運行程序，簡稱后臺程序）組成，置于制造商方。中心接收嵌入式控制裝置發(fā)送的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)和故障預(yù)報信息，對多臺機電設(shè)備的運行狀態(tài)進行遠程監(jiān)控和故障診斷，并通過Web發(fā)布監(jiān)視信息和故障診斷結(jié)果及其維修方法等信息。設(shè)備用戶在現(xiàn)場可以通過瀏覽器獲取中心發(fā)布的故障診斷信息和維修方法等。設(shè)備用戶或制造商技術(shù)員按照不同的安全訪問權(quán)限進入系統(tǒng)后，還可以通過嵌入式控制裝置遠程地向設(shè)備控制系統(tǒng)（比如PLC）中寫入信息參數(shù)、控制代碼等，從而實現(xiàn)遠程控制。
當前開發(fā)Web Server網(wǎng)頁編譯程序比較流行的有Asp和Jsp。Asp在每次客戶請求時都須重新編譯，而且編譯時間一樣，而Jsp編譯第一次請求編譯后無需再編譯，工作效率高，因此Web服務(wù)器采用Jsp進行開發(fā)。后臺程序采用Java語言開發(fā)，置于WEB服務(wù)器所在PC機上，PC機開機后就自動啟動，監(jiān)聽嵌入式控制裝置連接請求，建立連接，進行遠程通信，將接收到的數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫中；同時定時查看數(shù)據(jù)庫是否有新控制代碼或者控制指令，如果有則發(fā)送到嵌人式控制裝置，從而實現(xiàn)遠程控制。監(jiān)視界面中嵌入一個JavaBean．界面通過JavaBean定時的查詢數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備運行數(shù)據(jù)并顯示出來�？刂平缑嬷幸睬度肓艘粋�對數(shù)據(jù)庫操作的JavaBean，技術(shù)人員在瀏覽器的表單中提交控制指令或代碼后，就可以寫入數(shù)據(jù)庫的控制字段中。中心工作模式如圖2聽示。
圖2 遠程監(jiān)控中心工作模式圖
（二）嵌入式控制裝置
嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，欽件硬件可剪裁，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它主要由嵌人式處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用軟件等部分組成，通常嵌入到設(shè)備在中以實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視和管理等功能。嵌入式開發(fā)包括硬件設(shè)計、操作系統(tǒng)選擇和用戶應(yīng)用軟件的開發(fā)。北京碩人科技有限公司的STEC2000型控制器支持標準串口RS232/RS485；支持TCP/IP協(xié)議，可以以電話撥入方式和以太網(wǎng)直聯(lián)方式接人Internet；具有8-32M的歷史數(shù)據(jù)存儲空間；可以液晶顯示；內(nèi)嵌剪裁的LINUX操作系統(tǒng)，適合嵌入式和實時控制的要求；自帶支持Socket、串口等開發(fā)的應(yīng)用程序接口（API）。本系統(tǒng)對控制的要求較高，故可選用STEC2000作為嵌入式控制裝置的開發(fā)平臺，直接在其上利用自帶的API進行用戶應(yīng)用程序開發(fā)，而不需再去進行硬件設(shè)計，節(jié)約開發(fā)成本。
嵌人式控制裝置（圖3）主要包括遠程通信模塊、數(shù)據(jù)采集與存儲模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、嚴重故障參數(shù)監(jiān)視模塊、嚴重故障報警模塊和控制模塊（包括停機等保護性控制）。遠程通信模塊負責嵌入式控制裝置與中心的遠程通信，即設(shè)備上網(wǎng)。數(shù)據(jù)采集與存儲模塊通過RS232串口通信方式采集PLC中的數(shù)據(jù)或接收A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的油溫液壓等狀態(tài)量。SREC2000具有8M～32M的歷史數(shù)據(jù)存儲空間，可本地存儲監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)，掉電后也不會丟失�？刂蒲b置可每隔一段時間(這里為1.5分鐘)，保留一定的數(shù)據(jù)，作為故障發(fā)生后遠程專家進行故障診斷與排除的數(shù)據(jù)依據(jù)。監(jiān)視嚴重參數(shù)模塊監(jiān)視會引起嚴重故障的參數(shù)，預(yù)防嚴重故障的產(chǎn)生，避免不必要的損失。當該模塊監(jiān)視到了嚴重參數(shù)異常現(xiàn)象的時候，則推動控制模塊進行停機等保護性控制。并同時啟動嚴重故障報警模塊，在顯示器上顯示異常參數(shù)值，向中心發(fā)送故障警報消息。系統(tǒng)不僅在現(xiàn)場監(jiān)控嚴重參數(shù)，而且將所有數(shù)據(jù)都送往中心進行監(jiān)視。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊則負責將采集到的所有數(shù)據(jù)發(fā)送到中心，作為遠程監(jiān)視的數(shù)據(jù)依據(jù)；在故障發(fā)生后，還可以根據(jù)專家發(fā)送數(shù)據(jù)指令請求，將本地存儲的歷史數(shù)據(jù)發(fā)往中心作為故障診斷分析的依據(jù)。這樣，不僅現(xiàn)場的操作員可以看到故障顯示，異地的專家也可以在任何地方通過瀏覽器監(jiān)視到現(xiàn)場設(shè)備的工作狀況，進行遠程監(jiān)控和故障診斷。
圖3 基于遠程監(jiān)控的嵌入式控制裝置
三、關(guān)鍵技術(shù)
（一）數(shù)據(jù)通信技術(shù)
嵌入式控制裝置和中心之間通信采用TCP/IP協(xié)議。TCP/IP是一個協(xié)議族，分為四層。數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂蓚鬏攲觼肀ＷC。在傳輸層中包括傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（uDP）。TCP提供面向連接的、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)，它按照數(shù)據(jù)發(fā)送的先后進行傳輸數(shù)據(jù)，如果接收方?jīng)]有接收到數(shù)據(jù)則重發(fā)。UDP提供一種無連接的、不穩(wěn)定的傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)包發(fā)送是無序的，不保證數(shù)據(jù)一定被接收。為了保證遠程監(jiān)控的實時性，遠程通信使用TCP協(xié)議來保證數(shù)據(jù)能夠及時的被傳輸。套接字（Socket）是支持TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊的基本操作單元，系統(tǒng)中遠程通信采用Socket技術(shù)編程．．
（二）多線程技術(shù)
系統(tǒng)中每一臺設(shè)備都要通過控制裝置與中心后臺程序進行遠程通信，則后臺數(shù)據(jù)接收程序要進行多任務(wù)處理，是多線程的。，Java的多線程建立于Thread類或接口Runnable基礎(chǔ)上的。為了創(chuàng)建一個新的線程，程序必須擴展Thread或?qū)崿F(xiàn)Runnable接口。兩種方法都需要重載run方法，效果一樣，本文采用實現(xiàn)Runnable接口的方法。
（三）數(shù)據(jù)安全技術(shù)
Internet是一個開放式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，不對接人的系統(tǒng)提供安全保障。在Internet上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很有呵能遭受數(shù)據(jù)篡改等惡意攻擊。大型機電設(shè)備接人Intemet，必須采取有效的數(shù)據(jù)安全措施來保證其安全性，尤其是數(shù)據(jù)的完整性。系統(tǒng)監(jiān)控過程中，控制裝置將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)通過|nternet發(fā)送到中心，中心也需要發(fā)送控制指令（包括PLC程序代碼）給控制裝置進行遠程監(jiān)控。文章采用數(shù)字簽名方法來保證數(shù)據(jù)的完整性。目前較流行的數(shù)據(jù)簽名有Hash簽名、DSS簽名和RSA簽名。Hash簽名不屬于強計算密集型算法，算法較快，應(yīng)用廣泛，其主要缺陷是通信雙方密鑰相同，比較容易攻破�？刂蒲b置采集到的數(shù)據(jù)需要不斷的發(fā)送到遠程監(jiān)控中心進行實時監(jiān)控，因此可以采用算法較快的Hash簽名。DSS簽名和RSA簽名采用了公鑰算法，和Hash簽名相比，計算相對較慢，但在公鑰系統(tǒng)中，由于生成簽名的密鑰只存儲于用戶的計算機中，安全系數(shù)大。與DSS不同，RSA既可以用來加密數(shù)據(jù)，也可以用于身份認證。監(jiān)控中心向控制裝置發(fā)送的控制指令尤其是PLC程序既要保密，不能被敵人截獲，更需要保證其完整性，確保指令是中心所發(fā)送。因此對控制指令應(yīng)用RSA簽名，以確保數(shù)據(jù)的完整性和真實性．．
四、結(jié)論
文章提出了一種切實可行的基于嵌入式控制的遠程監(jiān)控方案，論述了系統(tǒng)的工作原理及其關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)可以實時的監(jiān)控現(xiàn)場沒備運行狀況，預(yù)防故障發(fā)生，從而降低生產(chǎn)成本。建立起了原型系統(tǒng)，通過了調(diào)試，在試用階段取得了較好的效果。遠程監(jiān)控技術(shù)方興未艾，隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和嵌入式控制技術(shù)的毪速發(fā)展，它必然會在網(wǎng)絡(luò)制造領(lǐng)域中發(fā)揮巨大作用。
