基于Web的远程控制系统的研究执行部分和通信部分.docx
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基于Web的远程控制系统的研究执行部分和通信部分
摘要
Internet的迅速发展使社会经济结构和人们的生活方式发生了巨大的变化，如果把人类的动作行为转化为数字信号进行传输，互联网将成为人类动作行为的载体，从而可实现人类操作功能的延伸。
基于Web的远程控制（Web-based）是从遥控操作控制（Teleoperation）的基础上发展起来的，通过人机交互的协调操作，建立控制系统与InternetIntranet环境的开放性连接，在保证安全性和可靠性的基础上，通过Web对现场设备进行实时远程监控。
随着控制技术与计算机、网络、通信等技术的结合与渗透，基于Web的网络控制成为控制技术研究和开发的新方向。
本文研究了现有的单片机以太网解决方案，此种方案具有硬件接口简单、外围器件少、价格低廉、开发周期短等特点。
硬件方面主要涉及以太网网络接口的设计，单片机选用ATMEL公司AT89C51,采用单片机C51语言，在KEIL，uVision2软件开发环境下进行程序的编写和调试，本文研究与实现了8位单片机的以太网接入，说明基于8位单片机控制的小型设备联网是可行的，为将来实现远程数据采集、远程诊断、远程软件升级等提供了依据。
关键词：
远程控制；单片机；通信
ABSTRACT
Socio-economicstructureandpeople'swayoflifehasbeenchangeddramaticallybytherapiddevelopmentofinternet,Iftheactionofhumanbehaviorintoadigitalsignalfortransmission,Internetwillbecomeavectorofhumanaction,Thusrealizetheextensionofoperatingfunctions.Web-basedremotecontrol（Web-based）fromtheremotecontroloperation（Tele-operation）developedonthebasisof,human-computerinteractionthroughthecoordinationofoperations,theestablishmentofcontrolsystemsandInternet/Intranetenvironmentofopenaccess,toensureSafetyandreliabilityonthebasisofaWebsitetoconductreal-timeremotemonitoringequipment.Withthecontroloftechnologyandcomputers,networks,telecommunicationsandothertechnologywithacombinationofinfiltration,Web-basedcontrolofacontroltechnologyresearchanddevelopmentisanewdirection.
Inthispaper,theexistingSCMEthernetsolutions,suchprogrammeshavesimplehardwareinterface,peripheraldevicessmall,low-cost,shortdevelopmentcycleandsoon.HardwareEthernetnetworkinterfacemainlyinvolvethedesign,MCUselectionATMELCorporationAT89C51,usingSCMC51language,inKEIL,uVision2softwaredevelopmentenvironmentforwritinganddebuggingprocess,inthispaper,andimplementationofthe8-bitmicrocontrollersEthernetaccess,basedonthe8-bitmicrocontrollersthatcontrolofthesmallnetworkingequipmentisfeasibleforthefuturerealizationofremotedatacollection,remotediagnosis,remotesoftwareupgrades,suchasprovidingabasisfor.
Keywords:
remotemonitoring;microcomputer;communication
1.绪论
在当今的信息社会，网络技术得到快速的发展，特别是因特网的发明，使得人类社会各个方面发生了巨大的变化。
在远程控制领域，因特网的影响更为深远、传统的远程控制往往以有线方式或者无线方式作为其传输的通道。
这些传输方式要么由于开发时间长、要么成本高、要么易受周围的环境影响等等其他的原因而不能得到大范围的推广，只用于一些特殊的场合。
而因特网由于分布范围广，技术成熟，并且是一项年轻的很有发展潜力的技术，所以如果将它作为一种远程控制的传输方式，将对远程控制的实施产生很大的影响。
因特网是一个庞大的计算机网络，它是由多个网络互连而成的网络集合体。
从通信角度来看，因特网是一个以统一标准协议TCP/IP（即传输控制协议/因特网协议）联合全球范围的多个国家、部门、机构的计算机网络。
采用因特网进行远程控制是因特网技术和远程控制技术发展的必然结果。
因特网从诞生那天起，就开始对社会的各个方面都产生了巨大的影响。
因特网几乎已经运用到社会的各个领域。
远程控制技术并不是一项新的技术，然而，由于因特网的介入，使之焕发出新的光辉。
总之，远程控制技术将随着因特网的发展而不断的发展，并对工业控制领域和人类生活产生巨大的影响。
因此，研究基于因特网的远程控制是一个新的课题，有着广阔地发展前景。
1.1基于web的远程控制的特点及研究意义
1.1.1传统的远程控制及其特点
传统的远程控制主要包括:
基于无线的远程控制、基于有线的远程控制（包括基于公用电话网远程控制、专用线路的远程控制）。
其中基于无线的远程控制和基于电话线的远程控制应用比较广泛，主要是因为这两者初期建设的时间短，而且在短时间应用中费用小，线路的维护费用也比较低。
但是由于其总要占用一条电话线路或者、定的无线带宽，所以也存在着一定的资源浪费。
无线方式在固定行业使用比较多，例如在航天技术上，卫星、飞船发射上面，采用的遥控、遥测技术。
然而在民用方面，由于无线电的带宽限制，因而无线远程控制推广起来比较困难。
一般都是在一定的频段采用码分复用（CDM）技术，因而受到了传输数据量和实时性不高的限制。
另外和其他远程控制一样，不宜大范围的推广。
因为由于其监控端需要专门的软硬件设备，成本较高。
再者，在传输的性能上比较差，也易受干扰，远距离需要中继站，更远的距离需要卫星。
目前，基于公用电话网的远程控制研究的比较多，这主要是因为电话网在因特网出现之前，是唯一的分布最广的网络，并且调制解调器的成本降低，通过电话线进行通信的成本也随之降低[1]。
下面分别叙述三种传统远程控制的特点
（1）.基于专线的远程控制:
成本高、需要为远程控制铺设专门的线路，铺设周期长，铺设线路受到地理环境的影响，两端（监控端和被控端的设备）不容易移动，资源浪费严重。
但是由于采用的是专门的线路，所以如果选择好的传输介质，传输的质量和效率都很高，实时性也能达到最好;安全性和保密性的问题也同时得到解决。
所以一些对实时性、安全性、保密性要求苛刻的远程控制，而成本又不是考虑的主要因素，专线无疑是最好的选择。
（2）.基于公用电话网的远程控制:
公用电话网采用的是电路交换技术，因而占用一条电话线，就相当于占用了一条专用通路。
由于没有线路的建设周期，所以整个建设周期必然缩短。
由于现在大部分电话网采用的是时分多路复用技术（TDM）。
传输速率受到一定的影响、误码率也比较高、线路可靠性差。
实时性也不好。
（3）.基于无线的远程控制:
建立时无需布线，节省了布线开支，受地理条件的影响小。
监控端可以随意移动。
无线传输适合于那些不便于布线或者需要移动的场合，能够发挥其无需布线的优势。
但容易受干扰，传输距离对环境的依耐性大。
总体成本也比较高.两端都需要无线发射和接受装备[2]。
1.1.2基于web的远程控制的特点
因特网是今天分布最广的网络之一，大多数企事业单位都已经和因特网互联，把它作为信息共享的一种主要手段。
因此，因特网的分布广泛使得建设因特网的远程控制系统成为一种可能。
基于因特网的远程控制的特点有以下几点:
（1）传输通道是因特网
使用的协议是TCP/IP协议。
所有使用TCP/IP协议的网络都可以使用现有的基于因特网开发的远程控制产品，作为使用TCP/IP协议而建立起来的INTRANET,也可以作远程控制的载体。
因此，对于采用因特网技术开发出来的远程控制技术，可以在采用TCP/IP协议的网络上使用。
（2）系统开发周期短、充分利用了现有的网络资源
大多数的企事业单位有自己的园区网，这些园区网也都基本上与因特网实现了互连。
可以以此为基础，开发基于因特网的远程控制技术，既减少了资金投入，又可以充分利用了现有资源。
（3）维护费用小，维护费用是考核一种产品或技术能够广泛推行的标志之一
基于因特网的远程控制技术是以现有的因特网为载体，而因特网是一项成熟的技术，并广泛的应用到商业企业中。
对于企事业单位的园区网，基本都有专业的维护人员。
所以不需要另外的专门人员来维护，减少了维护的费用。
（4）可靠性高，很少因为线路传输问题而使得通信中断。
（5）具有很高的灵活性，实现了真正的无处不在的远程控制。
监控端的用户可以不受地理条件的限制，只要可以能找到一个与因特网的互联的口，就可以控制远端的设备，从而实现远程控制。
（6）基于因特网的远程控制技术是不断发展的技术
随着因特网技术的发展，基于因特网的远程控制技术也在不断的发展。
所以基于因特网的远程控制技术也将不断的完善，并深入到其他的领域。
现今由于因特网在传输控制信息上还存在速度、传输效率以及安全性的问题，所以，因特网的应用领域还受到这些问题的限制。
而随着因特网的发展，这些问题也可以随之解决。
（7）监控端和现场控制部分都是以计算机为基础，传输系统的开发主要是软件的开发。
不受一些硬件关键技术的影响。
（8）存在不确定的时延问题。
由于网络有限带宽和不确定路由造成的大且变化的网络时延，网络阻塞也可能造成的数据包丢失[3]。
1.1.3基于web的远程控制技术的研究意义
基于web的远程控制技术的研究有很大意义。
基于因特网技术的远程控制技术的研究，不仅充分利用了现有资源，拓宽了因特网的利用范围，而且也使远程控制能够减少成本、扩大远程化距离、实现任意节点的访问机制，并进入一般应用的领域。
比如，进入家庭，人们通过因特网控制家用电器。
采用因特网作为远程控制平台，是一项很有前途和潜力的技术。
另外它可以应用到设备远程诊断、远程监测、遥控等领域。
因特网的出现及其发展推动了科学技术的各个方面，并使之取得了巨大的进步。
利用因特网可以使远程控制技术得到大范围的应用，从而方便人们的生活[4]。
1.2国内外研究现状及需要解决的问题
1.2.1国内外的研究现状
目前，基于因特网的远程控制国内外都有不同程度的研究。
相对来说，由于西方国家在信息技术和计算机控制技术的发展上的优势，他们在研究基于因特网的远程控制方面相对早一些，而且有些公司有相关的初级产品问世。
国内由于因特网的飞速发展，近几年也开始积极的研究。
国内外在基于因特网的远程机器人控制方面的研究相对其它领域要多一些。
例如美国伯克立大学研制的是一个通过因特网远程控制的种植花草的工业机器人手臂。
用户通过机器人手杆上的摄像机所传输的图像，对这个花园内进行简单的操作，如种植花草、浇水等。
国内的哈尔滨工业大学也在研制基于因特网控制的机器人。
这些基于因特网的机器人控制系统普遍都采用了客户/服务器网络模型，现场采用摄像机来监视，并通过网络发出控制命令。
当前，由于网络基础设施还不完善，所以监视图像由于数据量大，其传输时间过长。
即使是采用了数据压缩技术，也仍然有很大的数据量需要传输，因而由此产生的远程控制时间延迟也必然很大。
此外，这类系统普遍采用客户端/服务器的网络模型，监控端的控制操作功能过于简单，都只是发一些简单的指令，而不能实现一些复杂的必需的逻辑处理功能。
第三，这类系统在处理上由于时间延迟影响现场控制系统不稳定时，仍然采用的执行--等待--执行--等待的单步执行流程，现场设备运行效率相当低下。
第四，大量的采用以图像监视为主的方式，虽然可以使得监控人员能直观的感受到现场情况，便于监控人员的控制；但是我们应该注意到，有些设备的被监控状态是难以用图像方式表示出来的，比如温度、速度、压力这类精确的数值量:
此外有些采用图像传输的数据量也可以采用通过传输关键数据以便在监控端进行实况模拟图，这样就会减少数据量，而是数据传输速度大大提高[5]。
1.2.2基于web的远程控制中需要解决的问题
当前困扰研究因特网的远程控制的问题一般要有三个:
一是安个性问题；二是传输速度即实时性的问题；三是传输效率的问题。
由于因特网的本身的特点，即完全开放性的，所以容易受到不法“黑客”的恶意攻击，对于一些关键的控制设备来说，安全性和保密性都很重要。
任何对所传输控制信息的篡改和破坏都可能对控制设备产生毁灭性的后果。
对于因特网安全问题的解决不是本文研究的重点，所以在此不欲多说。
第二个问题，是传输速度即实时性问题。
利用现有的因特网技术进行远程控制，不同于传统的远程控制系统。
它涉及到现代网络技术和控制本身的理论问题。
如何有机地将两者结合起来。
这其中还存在着许多尚未解决的问题。
网络技术已经取得了较大的进展，传输声音、图像不再是难事，但用在工业控制上却面临着许多问题，因为工业控制系统需要稳定的信号传输率。
而在目前的网络环境，特别是因特网上，传输速率却由于传输数据量的大小和网络负载的原因而波动很大。
另一方面，由于因特网是基于文件传输和资源共享的目的而建立的网络，所以，传输的准确性是它考虑的首要因素，对干传输速度的要求，则几乎完全依赖底层网络的建设。
，而对远程控制来说，实时性是一个很重要的方面。
问题就是传输效率的问题，我们需要传输的远程控制信息一般都是一些短小的控制命令和设备状态信息，比如开关量。
而因特网是传输大数据量的网络，传输以数据包的形式传输。
为了传输准确，传输的数据包上包括了对传输过程进行控制的各种其他信息，比如校验位、目地址、源地址等。
通常情况下，这些控制信息被称为数据包的包头。
在因特网上，包头一般包括了物理层、链路层、网络层和传输层的控制信息，而且都比较大。
而一个远程控制命令的数据也就几个字节。
如果在一个数据包中来传输这几个字节，传输效率必然很低。
就像“大马拉小车”，为了传输几个字节，而附带的传输了几十个字节甚至几百个字节的数据，严重的影响了传输效率。
虽然诸多问题的存在，但是我们应该认识到，因特网是发展的技术，今天的存在的问题并不能阻碍基于因特网的远程控制技术的研究。
目前，在家用电器领域，远程控制也研究的比较多，甚至有些产品已经问世。
究其原因，就是因为上面几个问题对于家用电器来说，并不能产生很大的影响。
相对于家用电器的远程控制，工业远程控制从功能上说，更复杂些;从实时性的要求上，更严格些；从安全角度考虑上，要求出现错误可能性更小。
这就决定了工业远程控制的设计上更复杂，需要综合考虑各方面的因素[6]。
1.3主要研究内容
远程控制是一个具有重要的研究价位的课题，它在工业、国防等各方面都有广泛需求。
然而，使用传统的方式，由于成本、技术、维护、传输距离等方面的问题，远程控制并没有很好的推广和利用。
现今由于因特网的出现，使得成本低廉的远距离通信轻易的变成了现实。
于是采用因特网作为远程控制的通信媒介也就随之提出来。
基于因特网的远程控制就是以因特网作为远程控制平台，将远程控制的状态、命令等控制数据和信息通过因特网传输。
既减少了开发成本、也增加远程控制的灵活性。
人们也不必再为了实现一个临时的远程控制，而需要重建一套远程控制系统。
本课题的研究主要内容包括以下几个方面:
（1）基于web的远程控制系统分析。
（2）基于web的远程控制的理论研究。
（3）web的远程控制的编程实现通信协议实现。
2.基于web的远程控制系统分析
2.1远程控制系统概述
远程控制系统是以通信技术为基础的一门先进技术。
正是由于通信技术的发展使得远程控制技术得到快速的发展。
所有的远程控制系统几乎都可以无一例外的划分为:
由现场监控（或称被控方、主要负责控制过程的实施）、网络（距离数据传输）、监控远程方（或称施控方，借助远程数据访问控制过程，进行监视、指导和控制）、三个子系统构成。
各部分分工协作，共同实现对设备的远程控制，如图1-1所示远程控制：
图1-1基于web远程控制系统结构图
2.1.1监控远程方系统
监控远程方系统（以下简称监控终端或监控端）是用户与现场设备的进行交互的界面。
从功能角度来看，主要包括远程设备状态的终端显示，控制命令及参数的输入，对命令参数和状态数据进行必要的处理，以及其他操作，由于微机的广泛应用和价格越来越低廉，并且用于远程监控的微机远离工业现场，所以基于微机的远程控制终端软件技术发展迅速，微机成为远程监控终端系统的主要操作平台。
2.1.2距离数据传输系统
远距离数据传输系统作为远程控制的信息的传输通道，进行各类控制数据的传输。
传输系统的目的就是将现场的设备状态信息尽快的传输到监控端，使操作人员通过对现场设备状态的了解，决定下一步的措施（比如通过传输系统发出控制命令等）;另外还需要将监控端的控制信息传输到现场的控制主机，以便对设备进行控制。
当然，视频图像在某些远程监控应用中起很重要的作用，而图像信息量特别大、传输的质量要求高、不出现间断，对通信线路有一定的要求。
目前，一般采用将视频音频信号和数据信号分开传递，使它们占用不同的通道、波段或频段。
例如，在采用ISDN方式时，ISDN的2B通道用来传递视频和音频信号，D通道用来传输数据信息。
将来随着因特网的带宽和可靠性的增加，基于因特网的远程控制更具有前景。
一个通信系统通常由通信介质、通信协议、通信软件硬件系统等组成[7]。
2.1.3现场监控系统
现场设备监测与控制系统简称为现场监控系统。
是直接对现场设备进行监测控制的系统。
主要任务是根据监控终端的控制数据对设备进行控制，同时监测设备的状态，并作必要的分析，再将这些状态通过传输通道反馈到监控端。
现场监控系统实际是一个计算机控制系统，是以计算机为中心的现场控制、管理、数据采集为一体的控制系统。
2.2远程控制系统的控制方式
虽然我们认为一个远程控制系统属于计算机控制系统，但是应该看到远程控制系统也有着自身的一些特点。
下面我们从控制方式上对远程控制系统加以分析。
从控制方式上来说，远程控制可以分为四种控制方式:
保持型的远程监控方式，完成型的远程监控方式、完全型的远程监控方式、人机交互远程监控方式。
2.2.1保持型的远程监控方式
在不断的提高设备本身智能化水平、提高设备对突发事件的应对能力，远程监控端仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自主的完成这个命令，监控设备只对设备进行监视，在必要时对设备进行干预。
这样就要求设备不断向远程监控系统发送设备运行信息，远程监控系统保持对设备的监控能力。
这样远程监控系统必须维持和设备建立起来的通讯连接，信息的传输允许有一定的滞后。
因为现场设备有一定的智能，有能力处理现场的意外事件，防止事故和故障的进一步扩展。
在事故发生时可及时处理，或暂停任务，等待远程监控系统的解决方法。
这种模式可实现远程设备的无人控制，可应用于危险环境和人力不能到达的地方等。
2.2.2完成型的远程监控方式
远程监控系统仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自主的完成这个命令，远程监控系统不对设备的具体实现过程进行监控，设备完成任务后向远程监控系统报告。
设备的操作控制完全由本地进行，设备在本地操作人员的监控下完成任务。
2.2.3完全型的远程监控方式
设备的本地控制系统仅仅控制设备的执行机构，全部的操作控制由远程监控系统完成。
这种方式设备的控制系统和设备是分离的，而在设备控制系统内信号的传递速度要求很高，控制系统能够立刻对现场进行反应，要求通讯线路高速可靠。
这种控制方式用在一些特殊的行业。
2.2.4人机交互远程监控方式
设备在本地操作人员和远程监控系统的协同控制下工作，往往在远程监控系统的指挥下工作，由本地操作人员对设备进行控制和维护工作。
在任务的执行过程中，可随时建立连接，进行设备之间和人员之间的交互，设备的状态信息可随时在远程监控端采集。
根据实际的控制情况，基于因特网的远程控制方式可以采取上面1,2,4三种方式来解决问题。
而对于完全型的远程监控方式，由于因特网的传输时间的不确定性，所以实现起来相对比较困难[13]。
2.3影响远程控制正常运行的一些因素分析
一个远程控制系统必须快速、准确、稳定、可靠的运行。
影响一个远程控制系统正常运行的因素主要的有时间因素、可靠性因素、系统稳定性因素。
2.3.1时间因素分析
（1）实时性分析
实时性是远程控制系统的一个比较重要的性能指标。
如果由于各种原因，使得监控用户发送的控制命令不能立即使设备产生作用，造成了设备动作的不连续，影响控制系统的正常工作。
同时，设备的一些状态信息不能及时反馈给用户，必然导致用户在判断现场设备运行时出现偏差。
这些都可以导致远程控制系统的性能不可靠。
一个系统的实时性通常采用“响应时间”来定量描述。
响应时间是指某一系统对输入做出响应所需的时间。
以ms,min,h做为计量单位，响应时间越短，就标志着系统的实时性越好。
对干远程控制来说，响应时间包括了名方面的因素，在这里我们对影响远程控制的响应时间的因素进行分析。
这样的分析对基于因特网的远程控制意义尤其重要。
在远程控制系统中，需要传输的数据有多种，但主要是反馈的设备状态数据和用户的控制命令这两种数据的传输对实时性产生影响。
（2）可靠性因素的分析：
一个远程控制系统的可靠性主要的是指远程监控终端系统、传输系统的传输可靠性和现场监控系统的可靠性。
可靠性是一个控制系统的基本要求之一。
对于远程控制来说，传输系统的可靠性是最为重要的一个方面。
而传输系统的可靠性在于传输的介质与传输方式等因素。
2.3.3稳定性因素
稳定性因素是指现场监控系统在监控终端的监控下，能够稳定运行，不产生震动、中断、跳变等不正常现象。
一方面，由于时延的影响，现场监控系统在上一步命令执行完成，而没有接收到下一步执行的控制命令时，必然产生一定控制过程中断。
如果现场监控系统没有对该中断做出一定的弥补修改措施，必然导致不可预测的结果。
另外现场控制系统控制产生了异常错误，要求监控终端给予快速修正。
但是，由于传输时延影响，到达了监控终端需要一定的时间，从而使得异常错误在现场没有得到有效的终止，有可能导致不可预测的结果。
第三方面数据传输的错误有可能导致系统出现不稳定状况，传输系统可能由于外界干扰等原因使得数据传输错误，导致了对设备控制出现不可预测的结果，从而影响系统的控制稳定性。
当然，根据实际情况，可能还有许多其它因素影响着远程控制系统的稳
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