基于互联网的嵌入式远程监控系统的研究
技术分类： 嵌入式系统 来源：微计算机信息 槐博超，王铮
0 引言
随着计算机技术和网络技术的发展，控制系统向网络化、开放性方向发展成为控制系统技术发展的潮流。对于大型的工业现场，由于被控对象、测控装置等设备的地域分散性，以及控制任务的实时性要求，基于Internet远程信息处理和控制是一个很好的解决方案。[1]
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统以其网络化、小型性、专用性、廉价性、可靠性高的特点，已经在工业控制领域得到了广泛的应用。
本文设计的基于Internet的嵌入式远程监控系统，充分发挥了嵌入式设备的特点，利用先进的软件技术（如OPC、ActiveX、ASP、网络安全技术、数据库技术等）实现了对嵌入式系统的远程监控，也为控制网络与信息网络的信息集成奠定了坚实的软硬件基础。
1 基于Internet的嵌入式远程监控系统体系结构
如图1所示，基于Internet的嵌入式远程监控系统(以下简称监控系统)可以分为三层：现场智能设备层、智能控制层和远程监控层。
1.1 现场智能设备层
智能设
备层是指安装在工业现场的PLC、智能仪表、采集器等数据采集和控制设备，它完成对现场设备的控制及现场数据的采集，并与监控层进行数据交互，是整个系统的基础，系统的控制逻辑都集中在此层，因此该层应具有较高的可靠性、稳定性及冗余度。现场智能设备层的核心是现场总线，现场设备以网络节点的形式挂接在总线上。
1.2 智能控制层
监控系统的第二层是智能控制层，这一层从现场设备中获取数据，完成各种控制策略、运行参数的监测、报警、分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下装，即实现本地监控功能。该层的核心设备是嵌入式控制器，嵌入式控制器通过以太网接口和总线接口与上层和下层相连，协调网络节点之间的数据通信，这种连接方式使系统配置更加灵活。
1.3 远程监控层
远程监控层的主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。该层采用B/S结构，将智能控制器的数据库中的信息转入上层服务器的关系数据库中，上层服务器通过Web服务器与通用Internet网络相连，这样远程用户就能随时通过浏览器查询网络运行状态以及现场设备的工作状况，在线修改控制参数，对生产过程进行实时监控。[2]
2 基于Internet的嵌入式远程监控系统的关键技术
2.1 嵌入式控制器
系统中的嵌入式控制器采用的是符合PC104标准的嵌入式工控机磐仪EmCORE-n513，嵌入式操作系统采用Microsoft公司的Windows CE、net、在此平台上，应用Microsoft公司专为嵌入式系统提供的应用程序开发工具eMbedded Visual Basic开发系统的监控程序和通信程序。图2为监控系统的主监控界面。监控程序运行时，单击“参数设置”按钮可以调用参数设置窗口进行控制参数的设置。针对中药滴丸生产的特点，监控程序提供数据的永久存储功能，用户可以将设置好的参数成组存放，通过组号可以调用已存储的数据配方，单击“查询与转存” 按钮将调用查询与转存窗口进行数据的查询与存储。此外，监控软件还实现了历史曲线功能，这为生产过程的分析和工艺水平的提高提供了有力的工具。
EmCORE-n513本身没有提供向下的现场总线接口。在此，自行设计了一个多路现场总线接口，可以提供与Profibus-DP、CAN等主流总线的连接。
图2 主监控界面
2.2 Web服务器
系统中开发的Web服务器是一个提供远程监控服务功能的网站服务器。在Web服务器中通过作为OPC客户端的ActiveX控件从OPC数据服务器实时获得现场数据。在Web服务器上建立了嵌入了人机交互ActiveX控件的ASP动态页面，用户使用该控件提交数据服务请求。Web服务器为远程用户提供嵌有数据监控ActiveX控件的监控页面，远程用户只需登录该监控页面，即可进行远程监控[3]。
Web服务器程序主要包括以下控件：服务器页RemoteMonitor、数据显示窗口DataDis play、客户端页Client、时钟类Ctimer、接口类IOPCDataCallBack和多种ActiveX控件如人机交互控件、实时数据视图控件CRDataView、实时数据控制控件CRDataControl、历史数据视图控件CHDataView、历史数据控制控件CHDataControl、历史数据模型控件CHData Model、数据库接口控件CAdoDC、OPC客户端控件COPCClient。
2.3 监控系统容错性设计
中药生产线监控系统要求较高的可靠性，从两个方面提高监控系统的可靠性：提高设备硬件的可靠性与提高软件的稳定性及容错性。监控系统的稳定性与可靠性在很大程度上依赖于嵌入式智能控制站。鉴于此，本系统采用网络冗余和智能控制层服务器故障切换技术以提高系统的稳定性与可靠性。
网络冗余就是在客户端和智能控制层服务器间建立两个物理网络，给相同的过程数据提供两个网络路径，当在一个网络路径连接中断时，控制软件自动切换到另一个网络路径。
使用智能控制层服务器故障切换就是使用两个不同的监控操作站，通过设置可以实现一个监视设备为主设备，另外一个为从设备。正常时，主机和从机都从网络上采集数据，从机采集的数据与主机采集的数据相同，从机监视主机运行，只是从机I/0 Server不启动，若从机发现主机工作不正常，从机I/0 Server启动，从机成为主机。
同时使用服务器故障切换和网络冗余，当软件出现故障时，智能控制层服务器故障切换优先网络冗余。也就是说，控制软件首先试图切换到备用节点，如果备用节点不能用，故障切换再试图切换到备用网络路径。
2.4 监控系统网络安全设计[4]
由于应用于具体的工业生产过程，必须考虑监控系统的安全性问题。
中药滴丸生产线的监控
系统可以分为内网和外网，内网是指本地监控站和远程客户端，外网是指Internet网。采用如下几种措施来加强网络安全。
第一，系统采用网络隔离（网关隔离）的办法将内部控制网络与外部网络系统分开，另外还采用二级防火墙系统，即除在内/外边界处设立防火墙之外，仍需在内部网络设置防火墙，进一步实现对内部控制网络的访问进行限制，防止非授权用户得到网络的访问权等。
第二，监控系统在内网的访问中，不论是在远程客户端还是在本地服务器端都是使用内部IP，以保证内部信息资源的安全。
第三，必须加强监控软件访问控制，对用户名、口令及用户权限进行严格验证。系统对用户的权限划分为两个级别：系统管理员和普通用户。系统管理员不但可以对现场设备状态进行监测，还可以对各控制设备进行控制；普通用户对现场设备状态进行监测。
最后，在系统中，一个系统管理员是不能下达远程控制指令的，要执行远程控制命令，必须还要有一个监护人，以防止出现误操作。另外无论完成什么操作，系统都将记录在案，并且存储在数据库中，以备查询。
3 结论
随着嵌入式技术、网络技术和监控技术的发展，基于嵌入式的远程监控系统在工控领域将得到越来越广泛的应用。嵌入式技术、工业以太网技术和Internet技术的紧密结合，使得通过Internet对嵌入式工业控制系统进行远程监控成为自动化系统一种新的实现方法。本文介绍的基于Internet的嵌入式远程监控系统，为用户提供了动态监测现场数据、查询、下载、历史数据浏览和报表输出等功能，在嵌入式控制器、网络服务器、控制系统与信息系统的信息集成方面提出了一些实现的技巧。
本文作者创新点：
结合最新的嵌入式技术、网络技术与控制技术，提出了一种以嵌入式工控机为中介的网络控制系统的设计方案并予以具体实现，为远程监控系统的设计与实现及其管－控一体化的实现提供了参考依据。
参考文献
[1]. 万家富,张文斐,张占松.网络监控系统原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2003.4
[2]. Min-Hsiung Hung ,Kuan-Yii Chen ,Shih-Sung Lin. Development of a Web-Services-based remote monitoring and control architecture[C]. Robotics and Automation, 2004. Proceedings. ICRA '04. 2004 IEEE International Conference
[3].康军,戴冠中.基于Internet的工业以太网远程监控系统设计[J].控制工程,2004(7)
[4]. 张坤,段宝霞. 企业网络系统的安全策略[J].微计算机信息,2003(1),61-62页
0 引言
随着计算机技术和网络技术的发展，控制系统向网络化、开放性方向发展成为控制系统技术发展的潮流。对于大型的工业现场，由于被控对象、测控装置等设备的地域分散性，以及控制任务的实时性要求，基于Internet远程信息处理和控制是一个很好的解决方案。[1]
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统以其网络化、小型性、专用性、廉价性、可靠性高的特点，已经在工业控制领域得到了广泛的应用。
本文设计的基于Internet的嵌入式远程监控系统，充分发挥了嵌入式设备的特点，利用先进的软件技术（如OPC、ActiveX、ASP、网络安全技术、数据库技术等）实现了对嵌入式系统的远程监控，也为控制网络与信息网络的信息集成奠定了坚实的软硬件基础。
1 基于Internet的嵌入式远程监控系统体系结构
如图1所示，基于Internet的嵌入式远程监控系统(以下简称监控系统)可以分为三层：现场智能设备层、智能控制层和远程监控层。
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1.1 现场智能设备层
智能设
备层是指安装在工业现场的PLC、智能仪表、采集器等数据采集和控制设备，它完成对现场设备的控制及现场数据的采集，并与监控层进行数据交互，是整个系统的基础，系统的控制逻辑都集中在此层，因此该层应具有较高的可靠性、稳定性及冗余度。现场智能设备层的核心是现场总线，现场设备以网络节点的形式挂接在总线上。
1.2 智能控制层
监控系统的第二层是智能控制层，这一层从现场设备中获取数据，完成各种控制策略、运行参数的监测、报警、分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下装，即实现本地监控功能。该层的核心设备是嵌入式控制器，嵌入式控制器通过以太网接口和总线接口与上层和下层相连，协调网络节点之间的数据通信，这种连接方式使系统配置更加灵活。
1.3 远程监控层
远程监控层的主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。该层采用B/S结构，将智能控制器的数据库中的信息转入上层服务器的关系数据库中，上层服务器通过Web服务器与通用Internet网络相连，这样远程用户就能随时通过浏览器查询网络运行状态以及现场设备的工作状况，在线修改控制参数，对生产过程进行实时监控。[2]
2 基于Internet的嵌入式远程监控系统的关键技术
2.1 嵌入式控制器
系统中的嵌入式控制器采用的是符合PC104标准的嵌入式工控机磐仪EmCORE-n513，嵌入式操作系统采用Microsoft公司的Windows CE、net、在此平台上，应用Microsoft公司专为嵌入式系统提供的应用程序开发工具eMbedded Visual Basic开发系统的监控程序和通信程序。图2为监控系统的主监控界面。监控程序运行时，单击“参数设置”按钮可以调用参数设置窗口进行控制参数的设置。针对中药滴丸生产的特点，监控程序提供数据的永久存储功能，用户可以将设置好的参数成组存放，通过组号可以调用已存储的数据配方，单击“查询与转存” 按钮将调用查询与转存窗口进行数据的查询与存储。此外，监控软件还实现了历史曲线功能，这为生产过程的分析和工艺水平的提高提供了有力的工具。
EmCORE-n513本身没有提供向下的现场总线接口。在此，自行设计了一个多路现场总线接口，可以提供与Profibus-DP、CAN等主流总线的连接。
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图2 主监控界面
2.2 Web服务器
系统中开发的Web服务器是一个提供远程监控服务功能的网站服务器。在Web服务器中通过作为OPC客户端的ActiveX控件从OPC数据服务器实时获得现场数据。在Web服务器上建立了嵌入了人机交互ActiveX控件的ASP动态页面，用户使用该控件提交数据服务请求。Web服务器为远程用户提供嵌有数据监控ActiveX控件的监控页面，远程用户只需登录该监控页面，即可进行远程监控[3]。
Web服务器程序主要包括以下控件：服务器页RemoteMonitor、数据显示窗口DataDis play、客户端页Client、时钟类Ctimer、接口类IOPCDataCallBack和多种ActiveX控件如人机交互控件、实时数据视图控件CRDataView、实时数据控制控件CRDataControl、历史数据视图控件CHDataView、历史数据控制控件CHDataControl、历史数据模型控件CHData Model、数据库接口控件CAdoDC、OPC客户端控件COPCClient。
2.3 监控系统容错性设计
中药生产线监控系统要求较高的可靠性，从两个方面提高监控系统的可靠性：提高设备硬件的可靠性与提高软件的稳定性及容错性。监控系统的稳定性与可靠性在很大程度上依赖于嵌入式智能控制站。鉴于此，本系统采用网络冗余和智能控制层服务器故障切换技术以提高系统的稳定性与可靠性。
网络冗余就是在客户端和智能控制层服务器间建立两个物理网络，给相同的过程数据提供两个网络路径，当在一个网络路径连接中断时，控制软件自动切换到另一个网络路径。
使用智能控制层服务器故障切换就是使用两个不同的监控操作站，通过设置可以实现一个监视设备为主设备，另外一个为从设备。正常时，主机和从机都从网络上采集数据，从机采集的数据与主机采集的数据相同，从机监视主机运行，只是从机I/0 Server不启动，若从机发现主机工作不正常，从机I/0 Server启动，从机成为主机。
同时使用服务器故障切换和网络冗余，当软件出现故障时，智能控制层服务器故障切换优先网络冗余。也就是说，控制软件首先试图切换到备用节点，如果备用节点不能用，故障切换再试图切换到备用网络路径。
2.4 监控系统网络安全设计[4]
由于应用于具体的工业生产过程，必须考虑监控系统的安全性问题。
中药滴丸生产线的监控
系统可以分为内网和外网，内网是指本地监控站和远程客户端，外网是指Internet网。采用如下几种措施来加强网络安全。
第一，系统采用网络隔离（网关隔离）的办法将内部控制网络与外部网络系统分开，另外还采用二级防火墙系统，即除在内/外边界处设立防火墙之外，仍需在内部网络设置防火墙，进一步实现对内部控制网络的访问进行限制，防止非授权用户得到网络的访问权等。
第二，监控系统在内网的访问中，不论是在远程客户端还是在本地服务器端都是使用内部IP，以保证内部信息资源的安全。
第三，必须加强监控软件访问控制，对用户名、口令及用户权限进行严格验证。系统对用户的权限划分为两个级别：系统管理员和普通用户。系统管理员不但可以对现场设备状态进行监测，还可以对各控制设备进行控制；普通用户对现场设备状态进行监测。
最后，在系统中，一个系统管理员是不能下达远程控制指令的，要执行远程控制命令，必须还要有一个监护人，以防止出现误操作。另外无论完成什么操作，系统都将记录在案，并且存储在数据库中，以备查询。
3 结论
随着嵌入式技术、网络技术和监控技术的发展，基于嵌入式的远程监控系统在工控领域将得到越来越广泛的应用。嵌入式技术、工业以太网技术和Internet技术的紧密结合，使得通过Internet对嵌入式工业控制系统进行远程监控成为自动化系统一种新的实现方法。本文介绍的基于Internet的嵌入式远程监控系统，为用户提供了动态监测现场数据、查询、下载、历史数据浏览和报表输出等功能，在嵌入式控制器、网络服务器、控制系统与信息系统的信息集成方面提出了一些实现的技巧。
本文作者创新点：
结合最新的嵌入式技术、网络技术与控制技术，提出了一种以嵌入式工控机为中介的网络控制系统的设计方案并予以具体实现，为远程监控系统的设计与实现及其管－控一体化的实现提供了参考依据。
参考文献
[1]. 万家富,张文斐,张占松.网络监控系统原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2003.4
[2]. Min-Hsiung Hung ,Kuan-Yii Chen ,Shih-Sung Lin. Development of a Web-Services-based remote monitoring and control architecture[C]. Robotics and Automation, 2004. Proceedings. ICRA '04. 2004 IEEE International Conference
[3].康军,戴冠中.基于Internet的工业以太网远程监控系统设计[J].控制工程,2004(7)
[4]. 张坤,段宝霞. 企业网络系统的安全策略[J].微计算机信息,2003(1),61-62页