基于CORBA的局域網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
華北電力大學(xué) ?陳嬙嬙
【摘要】隨著工業(yè)的不斷發(fā)展,越來(lái)越多的自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用在控制局域網(wǎng)中,如何監(jiān)控這些工業(yè)設(shè)備是個(gè)需要研究的課題。本文結(jié)合CORBA原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程,設(shè)計(jì)了基于CORBA的局域網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的體系架構(gòu),并對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)做了詳細(xì)闡述。
【關(guān)鍵詞】監(jiān)控系統(tǒng);CORBA;系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分布式控制已成為日益重要的監(jiān)控途徑。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和其它內(nèi)部數(shù)據(jù),通過(guò)這些數(shù)據(jù)調(diào)度中心可以有效的監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況。然而,目前的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,存在著同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的不同操作平臺(tái)、不同通信協(xié)議以及不同的編程語(yǔ)言等問(wèn)題。同時(shí)如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可重用性、可移植性等問(wèn)題都是傳統(tǒng)方法所難以解決的。
CORBA(Common Object Request Broker Architecture簡(jiǎn)稱)是當(dāng)今國(guó)際產(chǎn)業(yè)界最令人關(guān)注的中間件技術(shù)規(guī)范,它的主要目標(biāo)就是在分布式異構(gòu)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)信息和資源的共享[1]。技術(shù)屏蔽了不同操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言以及通信協(xié)議之間的差異。采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄒ蕴峁┓植际綉?yīng)用軟件的可重用性和可移植性,實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)環(huán)境下的客戶端和服務(wù)器端的通信,這樣既大大簡(jiǎn)化了分布式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù),又便于異構(gòu)環(huán)境下的系統(tǒng)集成,從而可以滿足未來(lái)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)擴(kuò)展的需要。
本文結(jié)合已有的監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品,將CORBA技術(shù)應(yīng)用于局域網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,同時(shí)結(jié)合實(shí)際工程的需要,提出基于CORBA的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)解決了分布式系統(tǒng)中的對(duì)象引用的管理問(wèn)題,能夠準(zhǔn)確的定位到監(jiān)控系統(tǒng)中的各個(gè)對(duì)象機(jī)制。
2.監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工程師站和數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)組成。通過(guò)安放在現(xiàn)場(chǎng)的IO系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備的數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)將采集數(shù)據(jù)匯總、存儲(chǔ),并對(duì)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的數(shù)值運(yùn)算。工程師站負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),可以查詢每個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù);當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)及時(shí)發(fā)送故障設(shè)備,工程師站接收?qǐng)?bào)警信息后根據(jù)規(guī)程進(jìn)行操作,解決系統(tǒng)出現(xiàn)的故障。監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D
2.2 監(jiān)控系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,分布對(duì)象技術(shù)和多層體系結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合[2]。在分布式環(huán)境中,應(yīng)用程序不再以整體的形式提供給用戶,而是將程序分成N層,用戶程序可以訪問(wèn)運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)服務(wù)對(duì)象。根據(jù)以上思想,將CORBA中間件技術(shù)和監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)形成強(qiáng)大的服務(wù)平臺(tái)是可行的。本文設(shè)計(jì)了基于CORBA的監(jiān)控系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu),如圖2所示。
硬件、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)層:底層硬件、操作系統(tǒng)層,以及CORBA支持的任意網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
CORBA中間件:提供底層網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。通過(guò)對(duì)象請(qǐng)求代理,可以實(shí)現(xiàn)不同底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的數(shù)據(jù)通信。
服務(wù)層:基于CORBA中間件提供的命名服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、時(shí)間服務(wù)等,為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行提供服務(wù)支撐。向上為應(yīng)用層程序提供API接口服務(wù),保證程序間的獨(dú)立運(yùn)行,向下使用CORBA提供的基礎(chǔ)服務(wù)和通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)各個(gè)服務(wù)間的數(shù)據(jù)通信與共享。在基于CORBA通信服務(wù)的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算服務(wù)存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),為應(yīng)用層提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。
應(yīng)用層:基于服務(wù)層之上,在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)獨(dú)立CORBA對(duì)象存在。包括監(jiān)控系統(tǒng)、日志系統(tǒng)、圖形顯示系統(tǒng)等應(yīng)用系統(tǒng)。
2.3 監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
監(jiān)控系統(tǒng)功能可分為通信系統(tǒng)、人機(jī)界面系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)四部分,如圖3所示。
圖2 監(jiān)控系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖
圖3 監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖
通信系統(tǒng):負(fù)責(zé)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信,采用遠(yuǎn)程接口調(diào)用和數(shù)據(jù)推送兩種工作模式。用戶通過(guò)客戶端代理模塊遠(yuǎn)程請(qǐng)求服務(wù)器數(shù)據(jù),服務(wù)器模塊響應(yīng)并根據(jù)接口返回請(qǐng)求數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)推送模式是指用戶程序調(diào)用數(shù)據(jù)推送模塊并將信息發(fā)送到事件通道,其他模塊接收事件通道信息,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)主動(dòng)發(fā)送功能。
人機(jī)界面系統(tǒng):系統(tǒng)運(yùn)行在工程師站,主要包括用戶管理、數(shù)據(jù)顯示及查詢、日志報(bào)警以及報(bào)表等模塊,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況,并可查詢歷史數(shù)據(jù)信息、日志信息;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),界面會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息,提醒用戶處理故障。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):系統(tǒng)運(yùn)行在現(xiàn)場(chǎng)工作站中,主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器中;當(dāng)人機(jī)界面有操作IO設(shè)備指令時(shí),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)將指令下發(fā)到對(duì)應(yīng)的IO設(shè)備中,實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。
數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng):系統(tǒng)運(yùn)行在數(shù)據(jù)服務(wù)器中,分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)備份等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,為人機(jī)界面系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷的推送到事件通道,人機(jī)界面系統(tǒng)接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并顯示在界面中;系統(tǒng)定期備份現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),防止重要數(shù)據(jù)丟失。
3.監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制的復(fù)雜性、分散性以及較為惡劣的環(huán)境等問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于CORBA技術(shù)的局域網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng),具備跨操作系統(tǒng)、跨編程語(yǔ)言操作,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能,可減少工作人員不必要現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備巡視及操作,極大的方便了人工操作。
3.1 基于CORBA應(yīng)用程序開發(fā)的步驟
基于CORBA的分布式應(yīng)用程序開發(fā)要求客戶端和服務(wù)器端的通信必須經(jīng)過(guò)特殊的中間層來(lái)實(shí)現(xiàn)[3],其開發(fā)步驟如下:
(1)確定程序?qū)ο?,并定義它們?cè)贗DL文件的接口;
(2)編譯接口文件,系統(tǒng)自動(dòng)生成客戶端和服務(wù)器端代碼;
(3)在ORB調(diào)度請(qǐng)求前,實(shí)例化CORBA對(duì)象的伺服類;
(4)編寫客戶端代理請(qǐng)求程序,并鏈接成客戶實(shí)現(xiàn)文件;
(5)編寫服務(wù)器端接口實(shí)現(xiàn)程序,鏈接成服務(wù)器實(shí)現(xiàn)文件。
下面用IDL定義了系統(tǒng)常用數(shù)據(jù)類型:
//IDL
module SI
{
typedef char siChar;
typedef unsigned short ? ?siUChar;
typedef char siByte ;
typedef char siBool;
typedef char siInt8;
typedef char siUInt8;
typedef short ? ? ? ? siInt16;
typedef unsigned short ? ?siUInt16;
typedef long ? ? ? ? ? ? ?siInt32;
typedef unsigned long ? ? siUInt32;
struct siTime
{
siUInt32 ? Second;
siUInt16 ?Millisec;
};
struct siVariant
{
siUInt8 ? ?DataType;
siVal ? ? ?val;
};
struct siData
{
siTime ? ? ?time; ? ? ?siVariant ? value;
siChar ? ? quality;
};
struct siRealData
{
siUInt32 tagId;
siData ? rData;
};
//讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)接口函數(shù)
bool readData (........);
bool writeData (........);
}
3.2 服務(wù)器端功能實(shí)現(xiàn)
除了IDL接口定義和生成的Skeleton類,服務(wù)器端接口類實(shí)現(xiàn)接口函數(shù),接口類繼承框架文件伺服類。
服務(wù)器端程序?qū)崿F(xiàn)包括兩部分,一部分是接口定義的函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。
class si_i : public POA_SI::SI
{
public:
si_i ();
virtual ?~DB_i();
virtual ::SI::bool readData (........);
virtual ::SI::bool writeData (........);
};
服務(wù)器端定義類si_i,繼承了伺服類POA_SI,并實(shí)現(xiàn)伺服類中的數(shù)據(jù)接口函數(shù)。
另一部分包括對(duì)象程序,需調(diào)用對(duì)象接口來(lái)實(shí)現(xiàn)具體功能。在編寫服務(wù)器程序時(shí),需要初始化CORBA環(huán)境,首先要初始化ORB,本文通過(guò)命名服務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)象實(shí)例的綁定與查找。下面是初始化ORB代碼:
this->orb_ = CORBA::ORB_init(argc, argv);
CORBA::Object_ptr poa_object = this->orb_->resolve_initial_references ("RootPOA");
this->root_poa_ = PortableServer: :POA::_narrow(poa_object);
PortableServer::POAManager_var poa_manager = root_poa_->the_POAManager();
poa_manager->activate();
服務(wù)器將對(duì)象實(shí)例綁定到命名服務(wù),如下代碼所示:
CosNaming::Name objectName;
objectName.length(1);
objectName[0].id =”connname”;
objectName[0].kind = “connkind”;
try
{
naming_context_->bind(objectName, objref);
}
服務(wù)器端將對(duì)象名ID為“conname”,類型為”connkind”的實(shí)例綁定到命名服務(wù)中,等待客戶端通過(guò)對(duì)象名獲取對(duì)象實(shí)例。
3.3 客戶端功能實(shí)現(xiàn)
在本系統(tǒng)中,客戶端應(yīng)用程序主要是查詢和調(diào)控操作,通過(guò)ORB調(diào)用服務(wù)器端的具體方法來(lái)實(shí)現(xiàn)具體操作。ORB主要完成客戶對(duì)象的獲取請(qǐng)求,獲取服務(wù)端的返回值,并顯示在人機(jī)界面系統(tǒng)中。下面是客戶端ORB通過(guò)命名服務(wù),獲取服務(wù)器端的對(duì)象實(shí)例。
CosNaming::Name objectName;
objectName.length(1);
objectName[0].id = ”connname”;
objectName[0].kind = “connkind”;
try
{
return naming_context_->resolve(object Name);
}
客戶端獲取對(duì)象實(shí)例,并使用接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)通信,代碼如下:
Class Class_si * my_si = new Class_si();
my_si->SI_Ref_->readData(......);
4.總結(jié)
基于CORBA技術(shù)的局域網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)不用考慮通信協(xié)議和平臺(tái)差異,只要按照CORBA統(tǒng)一規(guī)范,根據(jù)各自的平臺(tái)進(jìn)行編譯即可;系統(tǒng)具有可移植性、可重用性和可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高,降低能耗、提高設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率、改善工人勞動(dòng)條件將是企業(yè)發(fā)展的方向,相信本系統(tǒng)會(huì)有很大的應(yīng)用前景。
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作者簡(jiǎn)介:陳嬙嬙(1985—),女,華北電力大學(xué)在讀碩士研究生,主要研究方向:局域網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。