某雷達(dá)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

張敏芳 劉 峰 閻 俊 賴 飛 張花妮

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

目前，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)日常生活領(lǐng)域，例如鐵路系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)等，現(xiàn)在也逐步進(jìn)入到各國(guó)防軍事領(lǐng)域。而在生產(chǎn)任務(wù)異常繁重的形勢(shì)下，某型號(hào)雷達(dá)作為我國(guó)“×××工程”重點(diǎn)項(xiàng)目，集團(tuán)自上而下都予以了高度的重視。在該型號(hào)雷達(dá)使用和維護(hù)過(guò)程中，我們創(chuàng)造性地提出了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的結(jié)合，利用發(fā)展成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)去獲得處于遠(yuǎn)距離雷達(dá)上的工作狀態(tài)，及時(shí)了解雷達(dá)可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題。

雷達(dá)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要完成遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程故障報(bào)警、遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)機(jī)等功能， 前提是雷達(dá)內(nèi)部分系統(tǒng)能夠?qū)⒆约旱母鱾€(gè)工作狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，是處于正常狀態(tài)還是故障狀態(tài)，并將該狀態(tài)上報(bào)給雷達(dá)的監(jiān)控中心。這一部分雷達(dá)分系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集工作在文獻(xiàn)[1-2]中都有所提及，通過(guò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活且可擴(kuò)展的通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)各個(gè)參數(shù)的監(jiān)視。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)

根據(jù)對(duì)雷達(dá)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的需要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分析，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器、以太網(wǎng)采集模塊以及上位工控機(jī)組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

圖1中的各個(gè)數(shù)據(jù)采集器分別對(duì)雷達(dá)各個(gè)分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行采集、處理并發(fā)送，以太網(wǎng)選擇合適的協(xié)議將所有數(shù)據(jù)信息傳遞給上位工控機(jī)，上位工控機(jī)將該通信數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)分析，并對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置門(mén)限值，超過(guò)門(mén)限值后報(bào)警，提示操作者進(jìn)行查詢、維護(hù)、處理。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

整個(gè)雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)功能可以分為三層：

1)感知層：由各個(gè)數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)各個(gè)分系統(tǒng)參數(shù)的收集，將獲得的信息傳送給網(wǎng)關(guān)設(shè)備，并將從網(wǎng)關(guān)設(shè)備處獲得的控制信息轉(zhuǎn)發(fā)至終端的傳感器。

2)傳輸層：由網(wǎng)關(guān)和以太網(wǎng)組成，主要負(fù)責(zé)將從感知層傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)可靠安全的發(fā)送至用戶處理中心。

3)應(yīng)用層：主要指上位工控機(jī)，它負(fù)責(zé)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)分析， 并設(shè)置各參數(shù)門(mén)限值，超過(guò)門(mén)限值后報(bào)警，提示操作者進(jìn)行查詢、維護(hù)、處理。

2.1 感知層

這里的數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)是利用LABVIEW將各分系統(tǒng)的儀器儀表匯編為一個(gè)小系統(tǒng)，將各分系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行顯示提取、顯示[3]。

2.2 傳輸層

傳輸層連接感知層和應(yīng)用層，是整個(gè)系統(tǒng)很關(guān)鍵的一個(gè)部分，負(fù)責(zé)將目前的各種通信網(wǎng)(例如互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等等)與感知層的數(shù)據(jù)采集器相融合。Modbus協(xié)議是一種通用型的通信協(xié)議，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于如今的工業(yè)控制領(lǐng)域。通過(guò)該協(xié)議，控制器可以經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)與其他設(shè)備之間進(jìn)行通信，它可以支持多種接口，如RS232、RS485等，還可以通過(guò)雙絞線、光纖、無(wú)線等各種介質(zhì)上進(jìn)行傳輸。TCP/IP協(xié)議能為不同的硬件體系結(jié)構(gòu)和不同的操作系統(tǒng)組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供通信能力，在網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議，在傳輸層使用TCP協(xié)議，具有廣泛的通用性。Modbus TCP協(xié)議結(jié)合了這兩種協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大數(shù)據(jù)量、高實(shí)時(shí)性的傳輸特性[4]。

2.3 應(yīng)用層

上位工控機(jī)是整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的中心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的操作、處理和記錄。根據(jù)它的功能要求，設(shè)計(jì)主界面為操作者提供遠(yuǎn)程雷達(dá)的工作狀態(tài)以及各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，用來(lái)判斷該雷達(dá)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。

該工控機(jī)顯示軟件在初始化的過(guò)程中，要先讀取傳輸層發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息。如圖2所示，該軟件由以下部分組成。

圖2 工控機(jī)軟件組成框圖

1)網(wǎng)絡(luò)接口：能夠完成網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的收發(fā)功能。

2)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文處理：將網(wǎng)絡(luò)接口收到的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，將解析后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)管理模塊。

3)數(shù)據(jù)管理模塊：存儲(chǔ)雷達(dá)各個(gè)分系統(tǒng)的狀態(tài)信息、各種參數(shù)信息等。

4)數(shù)據(jù)庫(kù)接口模塊：將數(shù)據(jù)管理模塊的中的重要信息進(jìn)行提取，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

5)監(jiān)控顯示主窗口：是整個(gè)軟件的人機(jī)交互界面，負(fù)責(zé)創(chuàng)建并管理所有的監(jiān)控界面。

6)各分系統(tǒng)的監(jiān)控界面：從數(shù)據(jù)管理模塊中讀取雷達(dá)的狀態(tài)信息、各種參數(shù)等進(jìn)行各分系統(tǒng)狀態(tài)的顯示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)使用C++編譯，用面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法，將整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分解，將各個(gè)功能模塊化，劃分為幾個(gè)軟件模塊，如圖3所示。

圖3 軟件模塊劃分圖

3.1 用戶管理模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)完成用戶的管理功能。具體實(shí)現(xiàn)如圖4：

圖4 管理功能圖

3.2 消息解析模塊

該模塊是為用戶界面模塊服務(wù)的，可以為其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包并發(fā)送，也可以對(duì)其所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并分發(fā)處理。具體實(shí)現(xiàn)如圖5：

圖5 消息解析模塊

3.3 數(shù)據(jù)包傳送模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)消息解析模塊處理生成的數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送。具體實(shí)現(xiàn)如圖6：

圖6 傳送模塊

3.4 雷達(dá)監(jiān)視模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)從雷達(dá)系統(tǒng)中獲得各種狀態(tài)參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)傳送至用戶界面模塊。具體實(shí)現(xiàn)如圖7：

圖7 雷達(dá)監(jiān)視模塊

3.5 雷達(dá)控制模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)將用戶界面產(chǎn)生的控制指令發(fā)送至雷達(dá)各硬件設(shè)備中。具體實(shí)現(xiàn)如圖8：

圖8 控制模塊

3.6 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，以便數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的隨時(shí)調(diào)用。具體實(shí)現(xiàn)如圖9：

圖9 傳輸模塊

3.7 文件讀取模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)文件的創(chuàng)建、讀寫(xiě)等操作。具體實(shí)現(xiàn)如圖10：

圖10 讀取模塊

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著雷達(dá)系統(tǒng)性能的提升、功能的完善，其控制參數(shù)也越來(lái)越多，系統(tǒng)復(fù)雜性也隨之提高，帶來(lái)的后果就是可靠性下降。這就對(duì)現(xiàn)有的雷達(dá)提出了進(jìn)一步的要求：及時(shí)了解雷達(dá)各個(gè)分系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)其中存在的故障進(jìn)行定位、解決，提高雷達(dá)的可用度、可靠性，也是用戶的要求。本文提出的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)硬件和軟件的相互融合，可以及時(shí)了解遠(yuǎn)距離外的雷達(dá)狀況，對(duì)雷達(dá)各分系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在有故障發(fā)生時(shí)，能快速對(duì)故障進(jìn)行定位，隨著數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷完善，更是可以快速對(duì)故障進(jìn)行排除。下一步的工作是對(duì)該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行完善，以期達(dá)到無(wú)人或者少人值守的雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)，在有突發(fā)情況時(shí)，可以做出準(zhǔn)確的自動(dòng)應(yīng)急和報(bào)警等智能措施[5]。