一個分布式監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

摘 要討論了一個分布式監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、冗余設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 分布式系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)通信ActiveX自動化

１ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，這是一個兩級分布式監(jiān)控系統(tǒng)。在現(xiàn)場級兩臺互為熱備的現(xiàn)場計(jì)算機(jī)通過現(xiàn)場總線與現(xiàn)場設(shè)備相連，實(shí)時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并向現(xiàn)場設(shè)備傳送監(jiān)控級發(fā)來的控制指令，同時把各種實(shí)時信息發(fā)送到監(jiān)控級。在監(jiān)控級，各監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過TCP/IP以太網(wǎng)與各現(xiàn)場計(jì)算機(jī)相連以獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并提供GUI以便操作人員監(jiān)視及控制現(xiàn)場設(shè)備。

2 冗余設(shè)計(jì)

對于可靠性要求較高的系統(tǒng)，常常采用冗余設(shè)計(jì)以提高可靠性。本系統(tǒng)的現(xiàn)場計(jì)算機(jī)為雙機(jī)熱備，監(jiān)控級計(jì)算機(jī)也可根據(jù)需要進(jìn)行雙機(jī)熱備。

雙機(jī)熱備必須解決故障識別和狀態(tài)鏡象兩個問題，但為實(shí)現(xiàn)快速切換，應(yīng)盡量簡化算法，同時盡量減少交換信息，因此如果狀態(tài)信息不是很重要，則不必隨主備信息一起傳送?；谏鲜鏊枷?，定義的主備機(jī)報文格式見圖2，各字段的含義如下：

（1）信息標(biāo)識：標(biāo)識報文類型，共定義了三種報文：

a）普通報文：由主備機(jī)正常進(jìn)行交互用的報文，稱主機(jī)發(fā)往備機(jī)的報文為請求報文，備機(jī)發(fā)往主機(jī)的報文為應(yīng)答報文。

b）切換報文：當(dāng)主機(jī)想轉(zhuǎn)為備機(jī)時，發(fā)送此報文。該報文是非常必要的，一種情況是當(dāng)現(xiàn)場計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場設(shè)備失去聯(lián)系時，就需要主動進(jìn)行切換。

c）退出報文：當(dāng)某一臺機(jī)器退出時，應(yīng)發(fā)送此報文，否則對方將認(rèn)為該機(jī)故障。

（2）主備標(biāo)志：指示本站是否為主機(jī)，“1”表示主機(jī)，“0”表示備機(jī)。

（3）判決標(biāo)志：當(dāng)主備機(jī)的主備標(biāo)志一致，即兩者同時為主機(jī)或同時為備機(jī)時，應(yīng)根據(jù)判決標(biāo)志進(jìn)行切換，該標(biāo)志可以預(yù)先設(shè)定為一個值，也可以取IP地址或啟動時間作為判決標(biāo)志。判決條件可以取大于或小于。

具體實(shí)現(xiàn)方法為：主機(jī)定時向備機(jī)發(fā)送請求報文，備機(jī)收到后就發(fā)一個應(yīng)答報文；同時另設(shè)一定時器，當(dāng)收到對方的一個報文就把該定時器清0，與此同時定時器定時加１。若定時器溢出，則表示對方故障，否則表示對方正常。程序包括定時發(fā)送、故障檢測及接收處理三部分，它們是并行工作的，流程圖見圖3。通過對發(fā)送定時器及檢測定時器定時間隔及檢測次數(shù)的設(shè)定，可以決定切換時間。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為現(xiàn)場級與監(jiān)控級兩部分，其中監(jiān)控級包括人機(jī)接口及監(jiān)控級自動化服務(wù)器兩部分，見圖4。下面討論一下軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸方式及通信可靠性

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為Windows NT，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議為TCP/IP，采用WindowsSocket進(jìn)行通信程序的設(shè)計(jì)。Windows Socket有流式與數(shù)據(jù)報兩種。前者為面向連接服務(wù)，后者為無連接服務(wù)。考慮到監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量較小，而對實(shí)時性要求較高，因此采用數(shù)據(jù)報方式。

采用數(shù)據(jù)報方式的另一點(diǎn)考慮是，它可以廣播。在本系統(tǒng)中，現(xiàn)場工控機(jī)采用定時廣播的方式傳輸數(shù)據(jù)，這種方式有如下優(yōu)點(diǎn)：

1） 解決了主備機(jī)之間的數(shù)據(jù)鏡像問題。

2） 不需設(shè)置IP地址。這有兩層含義，一方面發(fā)送方不需知道接收方的地址，因?yàn)镮P廣播地址是個固定地址；另一方面，各監(jiān)控計(jì)算機(jī)也不必知道各現(xiàn)場計(jì)算機(jī)的IP地址，因?yàn)楫?dāng)它收到廣播后，就可以獲得發(fā)送方的IP地址，然后把它存在一張地址表中，以后向該現(xiàn)場計(jì)算機(jī)發(fā)送指令時就可以直接從地址表中取出其IP地址。這種處理方法有點(diǎn)類似于TCP/IP協(xié)議地址解析中的動態(tài)聯(lián)編1。但數(shù)據(jù)報方式的可靠性不如流式高。對于現(xiàn)場計(jì)算機(jī)，因?yàn)閿?shù)據(jù)定時廣播，這種可靠性的差別并無大礙。但對監(jiān)控計(jì)算機(jī)而言，它發(fā)出一個請求，必須知道該請求是否被響應(yīng)。因此采用了異步確認(rèn)機(jī)制（見圖5），處理過程為：在發(fā)送端設(shè)一張表，當(dāng)發(fā)送一個請求時為該請求分配（或預(yù)先分配）一個標(biāo)識，然后把該標(biāo)識隨同請求一起發(fā)出去，同時啟動超時定時器；接收端響應(yīng)該請求后，發(fā)回一個含有請求標(biāo)識的應(yīng)答報文；若接收端收到該應(yīng)答報文，則刪除表中的請求標(biāo)識，同時定時器停止，否則將發(fā)生超時，表示請求未被響應(yīng)。

3.2 系統(tǒng)信息的處理

監(jiān)控系統(tǒng)中主要包括如下三種數(shù)據(jù)：

（1）現(xiàn)場數(shù)據(jù)：包括現(xiàn)場信號測量值、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、報警信息及其它由現(xiàn)場計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

（2）控制指令：如控制數(shù)字量輸出、模擬量輸出及現(xiàn)場設(shè)備等的控制字。

（3）系統(tǒng)信息：主要是一些系統(tǒng)管理信息，如控制權(quán)限，監(jiān)控計(jì)算機(jī)登錄狀態(tài)等。

這些信息要么由現(xiàn)場計(jì)算機(jī)采集或產(chǎn)生，要么由監(jiān)控計(jì)算機(jī)寫入現(xiàn)場計(jì)算機(jī)，但最終還是要存入現(xiàn)場計(jì)算機(jī)并向外定時廣播。前兩種信息由于直接產(chǎn)生于或作用于現(xiàn)場，因此存于各自的現(xiàn)場計(jì)算機(jī)。但系統(tǒng)信息是全局信息，是所有站共享的信息，這樣存在著如下問題：當(dāng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)寫入系統(tǒng)信息（如登錄）時，應(yīng)把它發(fā)向哪個現(xiàn)場計(jì)算機(jī)呢？如果向所有站廣播，就存在著一致性問題。正確的做法是：把一臺現(xiàn)場計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)服務(wù)器，系統(tǒng)信息都寫入該服務(wù)器中，然后由它向其它站廣播。那么應(yīng)選擇哪個現(xiàn)場計(jì)算機(jī)，并且使所有站（包括現(xiàn)場級與監(jiān)控級）都選擇同一個現(xiàn)場計(jì)算機(jī)？本系統(tǒng)采取一種動態(tài)算法實(shí)現(xiàn)了這種選擇，并且當(dāng)該現(xiàn)場計(jì)算機(jī)故障時自動轉(zhuǎn)移到另外的現(xiàn)場計(jì)算機(jī)。

具體方法參見圖6：設(shè)一張表及一個定時器組，當(dāng)收到一個站的信息時就把該站的IP地址存入該表中，同時把相應(yīng)的定時器清0；若定時器溢出，則將該站的IP地址置為無效值。當(dāng)各計(jì)算機(jī)尋找系統(tǒng)服務(wù)器時，就順序搜索該表，找到第一個有效IP地址，就把它作為系統(tǒng)服務(wù)器。

3.3 監(jiān)控級自動化服務(wù)器的設(shè)計(jì)

監(jiān)控級軟件主要是為操作人員提供人機(jī)界面，但它同時還要與現(xiàn)場計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，為把界面設(shè)計(jì)分離開來，我們采用了MicrosoftActivX自動化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一設(shè)計(jì)思想。這樣，界面設(shè)計(jì)人員可以采用目前流行的各種可視化開發(fā)工具集中精力進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，而且可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)不同的界面，在我們的系統(tǒng)中就有兩種界面。

自動化技術(shù)是Microsoft ActivX組件技術(shù)中的一種，它包括自動化服務(wù)器和自動化控制器兩種，其中自動化控制器是指使用和操縱自動化服務(wù)器的應(yīng)用程序（如VBA），自動化技術(shù)通常是指自動化服務(wù)器。另一種最為常用的組件技術(shù)是ActiveX控件，但一個ActiveX控件只能提供一個lDispatch接口，而一個自動化服務(wù)器可以提供多個lDispatch接口。通過lDispatch接口，客戶程序可以訪問該接口的屬性和方法。對于VBA客戶程序來說，訪問lDispatch接口的語法與訪問VBA對象的語法是一樣的，因此，對于VBA客戶程序而言，一個lDispatch接口就相當(dāng)于一個對象。

自動化服務(wù)器通常采用層次結(jié)構(gòu)來組織對象，Microsoft的許多自動化服務(wù)器都是這樣組織的，如數(shù)據(jù)訪問對象DAO。本系統(tǒng)的自動化服務(wù)器也采用了這樣一種結(jié)構(gòu)，見圖7， 其中Workstation是指監(jiān)控級各站，Station是指現(xiàn)場級各站，這只是個示意圖。這種結(jié)構(gòu)一方面體現(xiàn)了對象間的層次及包含關(guān)系，另一方面對象的創(chuàng)建、刪除及組織也比較方便，整個服務(wù)器只需一個ProgID來標(biāo)識。

客戶程序創(chuàng)建服務(wù)器的過程為：首先利用ProgID創(chuàng)建頂層對象（Application），然后利用該頂層對象提供的方法創(chuàng)建各集合并向其中添加元素，對集合的操作類似于VBA中的Collection對象，主要有Count()，ltem()，Add()等幾種。應(yīng)當(dāng)指出，上面所討論的對象層次結(jié)構(gòu)及集合的概念只是一種設(shè)計(jì)思想，并非有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)工具，我們采用VC＋＋6.0設(shè)計(jì)了自己的集合類及自動化服務(wù)器，客戶端采用VB6.0

本系統(tǒng)是按照分布式的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)的。分布式的特點(diǎn)就在于各節(jié)點(diǎn)是平等的，在數(shù)據(jù)傳輸方式、冗余設(shè)計(jì)及系統(tǒng)服務(wù)器的選擇等處理上都體現(xiàn)了這一思想。本文給出的冗余設(shè)計(jì)，是基于網(wǎng)絡(luò)的一種方法，其實(shí)現(xiàn)不依賴于操作系統(tǒng)、編程語言，是一種比較通用的方法。組件技術(shù)是軟件發(fā)展的方向，本系統(tǒng)利用自動化技術(shù)將界面設(shè)計(jì)與底層設(shè)計(jì)分離開來，各自進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)了組件技術(shù)的優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)

１ 周明天，汪文勇． TCP/IP網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)．北京：清華大學(xué)出版社

２ (美)Jerry Anderson． visual C＋＋5 ActiveX編程指南．北京：清華大學(xué)出版社

３ (美)Peter Norton, Rob McGregor．MFC開發(fā)windows95/NT4應(yīng)用程序．北京：清華大學(xué)出版社

（收稿日期：1999-06-16）