基于以太網(wǎng)的智能庫(kù)房監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

高雪蓮, 張國(guó)平, 林光源, 蔡盼盼, 陳志文

(華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

基于以太網(wǎng)的智能庫(kù)房監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

高雪蓮, 張國(guó)平, 林光源, 蔡盼盼, 陳志文

(華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

針對(duì)目前庫(kù)房環(huán)境安全實(shí)時(shí)性差、傳輸距離短、傳輸效率低等問(wèn)題，提出了基于以太網(wǎng)的智能庫(kù)房監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)方案。運(yùn)用Socket套接字技術(shù)，通過(guò)以太網(wǎng)與下位機(jī)監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)通信，并以SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存與處理。系統(tǒng)能同時(shí)監(jiān)控多個(gè)庫(kù)房，實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)房的溫度、濕度、二氧化碳、臭氧、粉塵等參數(shù)和各設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。技術(shù)人員可通過(guò)實(shí)時(shí)顯示和歷史查詢界面，隨時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域的環(huán)境情況。通過(guò)控制界面，設(shè)置控制策略。當(dāng)庫(kù)房環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制，向下位機(jī)動(dòng)態(tài)發(fā)送控制指令，自動(dòng)開(kāi)啟執(zhí)行機(jī)構(gòu)解除警報(bào)。經(jīng)測(cè)試、系統(tǒng)穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性高、簡(jiǎn)單實(shí)用、實(shí)現(xiàn)了對(duì)庫(kù)房安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制的功能。

以太網(wǎng)；智能監(jiān)控；庫(kù)房安全；套接字；SQL Server

0 引 言

近年來(lái)，人們生活水平逐步提高，電子信息飛速發(fā)展，管理水平也穩(wěn)步提升?，F(xiàn)實(shí)生活中，例如高層建筑、庫(kù)房、檔案館、博物館等，當(dāng)環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常或遭遇非法入侵時(shí)，如果工作人員不能及時(shí)處理，會(huì)造成大量不可挽回的損失。特別像火災(zāi)等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，一些博物館、圖書館、檔案館的文物資料隨著環(huán)境的變化不能完好保存，縮短了文物的壽命[1-3]。因此，從安全保管防范角度考慮，設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。

目前大多數(shù)智能設(shè)備和儀器儀表都是采用傳統(tǒng)RS232/485 通訊方式，傳輸距離受限，傳輸速率較低，傳輸能力差，現(xiàn)場(chǎng)布控不方便，也不利于后期后續(xù)擴(kuò)展。而以太網(wǎng)通信作為一種穩(wěn)定低成本的通訊方式，傳輸速率高，可靠性高，實(shí)時(shí)性好，可以利用現(xiàn)有的豐富資源進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，而且利用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP通信協(xié)議，后期將其發(fā)布到WEB服務(wù)器，遠(yuǎn)程多用戶也可以進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問(wèn)，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能監(jiān)控[4-5]。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

本系統(tǒng)主要由PC上位機(jī)總體監(jiān)控終端模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、下位機(jī)區(qū)域監(jiān)控終端模塊構(gòu)成。上位機(jī)作為庫(kù)房保管智能管理監(jiān)控終端，通過(guò)以太網(wǎng)與下位機(jī)實(shí)時(shí)通信，執(zhí)行庫(kù)房的總體監(jiān)控，并通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域。下位機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控區(qū)域的采集終端，由庫(kù)房安全監(jiān)控器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)組成，執(zhí)行庫(kù)房的區(qū)域監(jiān)控。系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)設(shè)計(jì)是在Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)環(huán)境中，基于Windows Forms模塊控件庫(kù)，以.NetFramework4.0平臺(tái)下的C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的。系統(tǒng)使用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，利用以太網(wǎng)方式傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔、直觀、操作簡(jiǎn)單，可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并可隨時(shí)查詢歷史環(huán)境參數(shù)記錄，同時(shí)實(shí)現(xiàn)管理和控制功能。

功能模塊設(shè)計(jì)如圖2所示，具體執(zhí)行功能如下：

系統(tǒng)管理：用戶管理、用戶登錄、密碼修改；權(quán)限設(shè)置，根據(jù)用戶職能設(shè)置權(quán)限，分為系統(tǒng)管理員，庫(kù)房管理員，普通用戶，保證系統(tǒng)安全高效執(zhí)行，避免人為誤操作。

庫(kù)房管理：管理更新監(jiān)控庫(kù)房的數(shù)目。

參數(shù)設(shè)置：設(shè)定環(huán)境參數(shù)閾值、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)間段等。

數(shù)據(jù)檢測(cè)：主要和下位機(jī)區(qū)域監(jiān)控終端實(shí)時(shí)通信，檢測(cè)下位機(jī)傳輸?shù)沫h(huán)境參數(shù)并存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)處理：管理環(huán)境參數(shù)，并作進(jìn)一步分析處理。曲線顯示包括三種曲線：年、月、日曲線；日曲線是該庫(kù)房的傳感器日檢測(cè)值的平均；月曲線是該庫(kù)房日檢測(cè)值的平均；年曲線是該庫(kù)房月檢測(cè)值的平均；檢測(cè)量坐標(biāo)軸不設(shè)上、下限。每個(gè)庫(kù)房的數(shù)據(jù)單獨(dú)制成一張表，進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

圖2 功能模塊設(shè)計(jì)圖

預(yù)警預(yù)報(bào)：根據(jù)各個(gè)庫(kù)房的現(xiàn)有監(jiān)控檢測(cè)值，對(duì)所有庫(kù)房的監(jiān)控安全指標(biāo)值變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)；當(dāng)庫(kù)房監(jiān)控安全出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)通知主界面和相應(yīng)的下位機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)處理，并將顯示報(bào)警的時(shí)間和解除報(bào)警的人員進(jìn)行記錄，方便后期進(jìn)一步分析和統(tǒng)一管理。

控制管理：對(duì)整個(gè)庫(kù)房的控制策略和動(dòng)作進(jìn)行管理，根據(jù)安全指標(biāo)值及庫(kù)房環(huán)境判斷結(jié)果進(jìn)行分析，按照一定的控制處理策略向相應(yīng)的下位機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制指令。

3 通信模塊的設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議的選擇

本系統(tǒng)是基于以太網(wǎng)環(huán)境的，由于客戶端和服務(wù)器端之間需要大量頻繁地交換數(shù)據(jù)，且主要是監(jiān)控庫(kù)房的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，因此從安全性和實(shí)時(shí)性的角度考慮，數(shù)據(jù)傳輸采用的是TCP而非UDP。與 TCP相比，UDP雖然占用系統(tǒng)資源較少、通信較快、傳輸速率較高，但存在丟包問(wèn)題，不能保證其可靠性，而 TCP可保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 通信模式的選擇

成千上萬(wàn)匹蒙古馬聚集在一起，呼嘯奔騰，那是一幅奔騰的美、力量的美交織在一起的奇異畫面。如今，經(jīng)過(guò)歷史的沉淀與實(shí)踐的熔鑄，“蒙古馬精神”已融入各族人民的血脈，成為各族群眾團(tuán)結(jié)奮斗、開(kāi)拓進(jìn)取的重要精神源泉與紐帶。隨著時(shí)代的發(fā)展，“蒙古馬精神”的內(nèi)在價(jià)值和重要性更加凸顯出來(lái)。弘揚(yáng)“蒙古馬精神”，已經(jīng)成為時(shí)代的需要。

上位機(jī)與下位機(jī)利用以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信。上位機(jī)運(yùn)用基于以太網(wǎng)下的Socket編程技術(shù)，在以太網(wǎng)應(yīng)用中，主要是客戶機(jī)/服務(wù)器模式(以下簡(jiǎn)稱C/S模式)。對(duì)于單一連接的C/S模式程序，阻塞模式可以正常工作，但對(duì)于連續(xù)處理其他事件的程序就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。實(shí)際運(yùn)用中PC機(jī)監(jiān)控的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止一個(gè)庫(kù)房，而是多個(gè)庫(kù)房，即“一對(duì)多”的通信[6]。因此執(zhí)行總體監(jiān)控的PC機(jī)作為服務(wù)器端，下位機(jī)作為客戶端。C/S模式通信過(guò)程如圖3所示。如果采用同步阻塞模式，則同一時(shí)間段內(nèi)只能對(duì)一個(gè)庫(kù)房進(jìn)行監(jiān)控操作，若此時(shí)需要監(jiān)控多個(gè)庫(kù)房，只能等待前一個(gè)任務(wù)處理完成才能繼續(xù)下一個(gè)任務(wù)，這樣執(zhí)行效率就會(huì)很低[7]。

因此本系統(tǒng)采用異步非阻塞套接字，雖然編程流程復(fù)雜，但能夠很好地適應(yīng)多客戶機(jī)/服務(wù)器的場(chǎng)合。這種方法僅出現(xiàn)于C#編程環(huán)境中，屬于比較新穎的工作方式。它利用異步回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)具體響應(yīng)，綜合多線程方法，將通信線程和數(shù)據(jù)處理線程分開(kāi)，前臺(tái)實(shí)時(shí)通信，后臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)并處理，執(zhí)行效率更高[8]。

圖3 C/S模式通信過(guò)程圖

4 數(shù)據(jù)模塊的設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)核心功能模塊在數(shù)據(jù)庫(kù)的操作上，因此采取了當(dāng)前比較流行通用的三層架構(gòu)模式，并采用ADO.NET實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)[9]。三層架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于：(1)結(jié)構(gòu)清晰、耦合度低；(2)可維護(hù)性高，可擴(kuò)展性高；(3)利于開(kāi)發(fā)任務(wù)同步進(jìn)行；(4)容易適應(yīng)需求變化。

相比傳統(tǒng)的兩層架構(gòu)模式，三層模式的最大的好處是每一層都各負(fù)其責(zé)，各層看似彼此獨(dú)立但協(xié)調(diào)合作，層層遞進(jìn)，逐級(jí)訪問(wèn)，也便于后期軟件功能的拓展。表示層(UI)負(fù)責(zé)界面的顯示；業(yè)務(wù)邏輯層(BLL)運(yùn)用驗(yàn)證、計(jì)算、業(yè)務(wù)規(guī)則等來(lái)實(shí)現(xiàn)各模塊的功能；數(shù)據(jù)訪問(wèn)層(DAL)負(fù)責(zé)與底層數(shù)據(jù)庫(kù)打交道；實(shí)體類(Model)貫穿于整個(gè)應(yīng)用架構(gòu)中，靈活使用[10]。

4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)詳細(xì)設(shè)計(jì)

為方便系統(tǒng)的管理，本系統(tǒng)中將用戶的登錄信息、庫(kù)房的環(huán)境參數(shù)、傳感器的狀態(tài)、各設(shè)備的執(zhí)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。在處理數(shù)據(jù)前，事先在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)好各模塊所需的表及屬性。如用戶表、環(huán)境參數(shù)表、傳感器狀態(tài)表、報(bào)警記錄表等，并依照數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)原則設(shè)置好主鍵、外鍵、相互表之間表的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用數(shù)據(jù)庫(kù)的強(qiáng)大功能來(lái)處理數(shù)據(jù)[11]。其中環(huán)境參數(shù)表的設(shè)計(jì)如表1所示。

4.3 數(shù)據(jù)檢測(cè)流程及實(shí)時(shí)顯示模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

表1 環(huán)境參數(shù)表

自動(dòng)存儲(chǔ)通過(guò)在C#編程代碼中嵌入SQL語(yǔ)句，一旦接收到下位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)Create Table 命令自動(dòng)創(chuàng)建用來(lái)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的表，數(shù)據(jù)表名以接收到的庫(kù)房號(hào)進(jìn)行命名，并創(chuàng)建好檢測(cè)時(shí)間和環(huán)境參數(shù)字段，用來(lái)存儲(chǔ)下位機(jī)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域傳送來(lái)的環(huán)境參數(shù)和檢測(cè)時(shí)間，便于后期進(jìn)一步處理。

圖4 數(shù)據(jù)檢測(cè)流程圖

對(duì)于采集頻率的設(shè)置，根據(jù)下位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集的頻率要求，溫度、濕度、臭氧濃度、二氧化碳濃度、粉塵濃度這5個(gè)參數(shù)下位機(jī)采集頻率設(shè)置為2小時(shí)，所以上位機(jī)采集頻率也設(shè)置為2小時(shí)。用Insert命令和觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的環(huán)境參數(shù)按采集頻率實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)表中。數(shù)據(jù)檢測(cè)流程如圖4所示，主界面及實(shí)時(shí)顯示如圖5所示。

4.4 歷史查詢模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

為了方便管理人員和技術(shù)人員對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)隨時(shí)進(jìn)行查詢，設(shè)計(jì)了歷史環(huán)境參數(shù)查詢模塊，由庫(kù)房號(hào)、時(shí)間區(qū)段、保存、打印、繪圖等功能組成。設(shè)計(jì)模塊主要使用組合框控件、按鈕控件、日期控件、DataGridview數(shù)據(jù)控件等，通過(guò)調(diào)用相關(guān)屬性和方法，來(lái)完成系統(tǒng)的不同要求。另外，以生成 Excel 表格形式進(jìn)行保存及打印。在 C# 中生成 Excel 表格時(shí)，引入 System.IO 和 Microsoft.Office.Interop.Excel 這兩個(gè)命名空間，同時(shí)添加Microsoft Excel 12.0 Object Library COM 庫(kù)引用[12]。

為了增強(qiáng)直觀性，方便工作人員后期直觀查看數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化情況，除了將數(shù)據(jù)源綁定到DataGridview控件上實(shí)現(xiàn)歷史查詢，還可將數(shù)字轉(zhuǎn)換圖形用Chart控件顯示。該控件可與指定的一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)格相關(guān)聯(lián)，在建立窗體后，添加Chart控件，設(shè)置集合相關(guān)屬性并綁定數(shù)據(jù)源即可。以時(shí)間為橫軸，溫濕度等環(huán)境參數(shù)為縱軸，動(dòng)態(tài)綁定數(shù)據(jù)源后，并采用相應(yīng)的算法，繪出相應(yīng)的日曲線、月曲線、年曲線。對(duì)于多個(gè)同類傳感器情況，計(jì)算并顯示平均值。溫濕度歷史日曲線如圖6所示。

圖5 主界面及實(shí)時(shí)顯示圖

圖6 溫濕度歷史日曲線圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本上位機(jī)軟件以Windows網(wǎng)絡(luò)編程為核心，采用C#編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，利用以太網(wǎng)環(huán)境下的Socket編程，設(shè)計(jì)了基于C/S模式結(jié)構(gòu)的庫(kù)房安全實(shí)時(shí)智能監(jiān)控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的RS232/485 通訊方式相比，該系統(tǒng)利用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性高，速度快，效率高，可擴(kuò)展性強(qiáng)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好。設(shè)計(jì)了可視化的人機(jī)界面，界面簡(jiǎn)潔，合理布局，便于操作，使用靈活，同時(shí)保證各功能模塊彼此獨(dú)立運(yùn)行，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前視頻監(jiān)控技術(shù)已趨于成熟，后期會(huì)將它加入該系統(tǒng)，并將管理軟件發(fā)布到WEB服務(wù)器，通過(guò)廣域網(wǎng)，采用B/S和C/S相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多用戶的訪問(wèn)，從而使本系統(tǒng)更安全、高效、通用性更強(qiáng)。

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Design of an Upper Computer for the Intelligent Warehouse Monitoring System Based on Ethernet

Gao Xuelian, Zhang Guoping, Lin Guangyuan, Cai Panpan, Chen Zhiwen

(College of Physics and Technology, Central China Normal University, Wuhan Hubei 430079, China)

In view of problems with warehouse environment security such as poor real-time performance, short transmission distance and low transmission efficiency, this paper puts forwards a design scheme for the upper computer in the intelligent warehouse monitoring system based on Ethernet. The socket technology is used so that the Ethernet can communicate with the monitoring module of the lower computer on a real-time basis, and the SQL Server database is used as storage medium for data storage and processing. The system can simultaneously monitor several warehouses to achieve real-time survey of warehouse parameters, such as temperature, humidity, carbon dioxide, ozone and dust as well as equipment status. Technical personnel can monitor environmental conditions in the field at any time through real-time display and history inquiry interface. The control strategy is set via the control interface. In case of abnormal environmental parameters of the warehouses, the system will automatically start the alarm mechanism, send control commands dynamically to the lower computer, and automatically start the implementation mechanism to cancel the alarm. Test results show that this system is stable, highly real-time, simple and practical, and can perform the function of real-time monitoring and control over warehouse security.

Ethernet; intelligent control; warehouse safety; socket;SQL server

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.027

TP274.5

A

1000-3886(2017)01-0092-03

高雪蓮(1990-)，女，湖北人，碩士生，通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，主要研究領(lǐng)域?yàn)檐浖_(kāi)發(fā)技術(shù)及應(yīng)用。 張國(guó)平(1969-)，男，湖北人，博士，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)楣怆娦畔⒓夹g(shù)，信號(hào)與信息處理等。

定稿日期: 2016-06-28