當今，工業(yè)控制系統(tǒng)的網絡化、標準化一直是業(yè)界比較關注的課題，對于大型的工業(yè)現場，由于被控對象、測控裝置等設備的地域分散性，以及控制任務的實時性要求，大多數控制設備還停留在單點本地通信，其作用距離短，無法實現與企業(yè)信息網絡的相互融合。隨著計算機、網絡通信和Internet技術的飛速發(fā)展和不斷進步，嵌入式系統(tǒng)在家庭和工業(yè)等多個領域得到越來越廣泛的應用，而如何將嵌入式系統(tǒng)和基于嵌入式的現場總線工業(yè)控制系統(tǒng)接入Internet，利用嵌入式系統(tǒng)作為中間件實現對FCS群控系統(tǒng)的遠程管理和控制，已成為人們越來越關注的研究課題。

基于Web的B/S模式的遠程監(jiān)控技術具有非常重要的特點：即只要是有Internet接入的地方，用戶就可以通過Internet登錄服務器，對現場設備群進行遠程監(jiān)控和管理。這里從監(jiān)控設備的網絡化出發(fā)，利用現場總線、嵌入式系統(tǒng)和Internet技術的優(yōu)勢，設計一種基于B/S模式、具有高可靠性和高安全性的嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)架構。

l 嵌入式系統(tǒng)與現場總線

1.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。一般，嵌入式系統(tǒng)由處理器、存儲器、輸入/輸出設備和軟件(包括操作系統(tǒng)和應用程序)4部分組成。由于Internet技術的滲透，嵌入式系統(tǒng)正變得越來越智能化并具有越來越多的網絡友好特性。Internet技術的飛速發(fā)展，給嵌入式系統(tǒng)進入工業(yè)控制提供了絕佳的途徑。在現場儀表和工業(yè)設備層之間應用嵌入式技術是工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，而把嵌入式技術和Internet技術結合起來用于現場測控系統(tǒng)中，使得整個工控網絡易于和信息網絡實現無縫連接。

1.2 現場總線技術

現場總線技術是將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使之數字化、智能化，采用可進行簡單連接的雙絞線等介質將位于現場的各種智能設備及各種控制設備連接成網絡系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協議進行數據傳輸與信息交換。它突破了DCS相對封閉的限制，將測控任務分散到現場設備中，上位計算機只負責監(jiān)控以及一些復雜的優(yōu)化和先進控制的功能。它依靠具有數據采集、運算、控制、通信能力的微處理芯片，通過現場數字化儀表對工業(yè)生產裝置實現徹底的分散控制。它以現場分散的測量點，控制儀表的單個點作為網絡節(jié)點，將這些點以總線形式連接起來，形成現場總線控制系統(tǒng)。

現場總線屬于最底層的網絡系統(tǒng)，是網絡集成式全分布控制系統(tǒng)，它將原來集散型的DCS系統(tǒng)現場控制機的基本功能，分散在各個網絡節(jié)點處。為此，可以將原來封閉、專用的系統(tǒng)變成開放、標準的系統(tǒng)，使得不同制造商的產品可以互連，是DCS系統(tǒng)的更新換代產品。FCS簡化了系統(tǒng)結構，降低了成本，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

2 系統(tǒng)結構簡介

2.1 系統(tǒng)設計方案

系統(tǒng)的整個結構框圖如圖1所示。在生產車間將整個設備通過FCS系統(tǒng)連接組網，形成統(tǒng)一的設備層，其組網方式是RS 485工業(yè)總線。中間件為嵌入式系統(tǒng)，通過驅動ARM板上的RS 485接口，實現與下層設備的相互通信。同時，在嵌入式系統(tǒng)中嵌入小型Web服務器用以實現對下層數據的接收與讀取。

系統(tǒng)的上層設計了可以與Internet直接相連的網絡接口，能夠將系統(tǒng)直接掛接入Internet信息網。只要給嵌入式操作系統(tǒng)分配一個IP地址，不用為每個生產設備在接入網絡之后都分配一個IP地址，整個底層設備統(tǒng)一由CGI編程采用自己設定的地址識別各個硬件設備，這樣就大大節(jié)約了IP地址的使用。
遠程客戶端，只要能夠上網，就可以授權用戶通過IP地址登錄到該系統(tǒng)，監(jiān)控整個生產過程和設備的相關信息。同時該系統(tǒng)還提供了一個接口，用以生產現場的監(jiān)控，可讓一線員工在現場直觀地了解和記錄有關的生產信息。

2.2 系統(tǒng)方案分析

該方案的遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構是采用B/S模式，相對于傳統(tǒng)的C/S模式結構而言，三層的B/S體系結構是把原來在客戶機一側的應用程序模塊與顯示功能分開，將它放到Web服務器上單獨組成一層，客戶機上只需通過單一的瀏覽器，這樣就可以把負荷均衡的分配給Web服務器，客戶機上的壓力大大減輕。B/S結構主要是利用不斷成熟的Web瀏覽器技術，結合瀏覽器的多種編程語言和Web技術，用通用的瀏覽器就實現了原來需要復雜專用軟件才能實現的強大功能，并節(jié)約了開發(fā)成本。

整個系統(tǒng)是在嵌入式系統(tǒng)中移植入實時的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，并安裝了Web服務器，充當中間件的功能。底層控制網絡通過RS 485總線組網后，以RS 485總線接入系統(tǒng)的硬件端，將所采集的數據和相關信息放入到Linux Web服務器中，使得嵌入式設備與底層設備能互相通信。由于在一些環(huán)境惡劣的工業(yè)生產現場，并不適合用PC機作服務器，采用ARM等系列嵌入式系統(tǒng)具有功耗低，穩(wěn)定性好，可靠性高等特點。

3 系統(tǒng)的硬件平臺

該系統(tǒng)對車間浸油罐進行數據采集和遠程監(jiān)控，所選擇的嵌入式微處理器必須能夠在所生產的環(huán)境中進行可靠的工作。這里所討論的嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)所選擇的CPU是S3C2410處理器。S3C2410是韓國Sa—mstmg公司出產的一款基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器，主要面向高性價比、低功耗的手持式設備的應用。其整個硬件框圖如圖2所示。

其中的核心模塊包括CS8900，RS 485總線接口，FLASH SDRAM，復位和時鐘電路等;主要功能是工業(yè)現場信息采集和與遠程客戶機的通信。由于Linux操作系統(tǒng)中直接包含有TCP/IP等各個網絡協議，因此直接在平臺上進行Linux操作系統(tǒng)的移植，就免去了開發(fā)網絡協議的難度。系統(tǒng)提供了一個RJ45以太網接口，直接可以與Internet進行通信。該系統(tǒng)重點用以解決與Internet的通信問題和信息發(fā)布問題。

4 系統(tǒng)軟件平臺的設計與分析

4.1 軟件平臺設計

該系統(tǒng)是構建在Linux平臺上的，為了對下層數據進行采集，在Linux操作系統(tǒng)下安裝一個小型的嵌入式Web服務器Boa。通過對Boa服務器的Makefile文件進行配置來設定相應的網頁和CGI程序所在路徑?？紤]到代碼的可移植性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)中的CGI程序都來用C語言書寫的。其中包括：用戶登錄驗證模塊、信息的讀取模塊、遠端控制模塊等。只要通過點擊瀏覽器進行訪問就可以激活主頁，從而實現瀏覽器和服務器的交互功能。瀏覽器與服務器的CGI程序交互流程如圖3所示。

用戶在遠程客戶端瀏覽器輸入系統(tǒng)所設定的IP地址后，就可以登錄到系統(tǒng)主頁，此時需要登錄用戶名和密碼的驗證，當得到服務器的確認后，就會進入到整個系統(tǒng)的監(jiān)控主頁面。頁面上有生產車間儀表的實時數據顯示、串口數據傳輸等相關信息。在該頁面上還設有技術人員的操作密碼驗證。在登錄到Boa服務器以后，授權用戶如果想要對生產設備進行相應的參數設定，必須要有一位技術人員進行口令確認，即要有技術人員在場，遠程操作才能實現，這樣可以避免高級用戶在對生產情況不了解的情況下誤操作而給生產帶來的不良后果。同樣也是系統(tǒng)安全性的另一種體現。即使有非法用戶進入到了該系統(tǒng)的主頁后，沒有技術人員的口令也是無法對設備進行遠程控制，頂多只能看到一些生產設備的信息，再次對系統(tǒng)進行保護而不受外來干擾操作，防止災難性操作的發(fā)生，起到雙重保護的作用。高級管理人員只有遠程登錄口令，技術人員只有操作允許口令，只有兩人同時確認以后才能實現遠程端的操作，管理人員才能通過該頁面對系統(tǒng)的生產參數進行相應的設定。通過網頁的形式來顯示監(jiān)控界面，不僅利用了現有的IT技術，節(jié)省了購買和開發(fā)監(jiān)控軟件的費用，而且使用戶不再受地域的限制。為實現企業(yè)現代化的集成制造打下了有效的基礎。

4.2 安全性能分析

該嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)，替換了工控機加數據采集卡的傳統(tǒng)數據采集模式以及本地監(jiān)控模式，大大節(jié)約了成本。由于采用的是系統(tǒng)開發(fā)者定制的Linux操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)的軟件平臺核心，而Linux操作系統(tǒng)中對文件、目錄、進程等對象的訪問控制，都采用強制訪問控制(Mandatory Access Control，MAC)實現，它使不同的用戶只能訪問到與其有關的、指定范圍的對象信息，從根本上防止信息的丟失泄密和訪問混亂的現象。同時，Linux操作系統(tǒng)啟用了系統(tǒng)審計功能以便記錄系統(tǒng)發(fā)生的安全事件，對各種系統(tǒng)日志文件，包括一般信息日志、網絡連接日志、文件傳輸日志及用戶登錄日志等進行審核，可發(fā)現各種潛在的安全問題。基于Linux的Open Source策略，目前流行的計算機病毒多數是針對Windows操作系統(tǒng)和MS—DOS的，針對Linux系統(tǒng)的病毒較少，同時再加上Linux系統(tǒng)自帶的防火墻，基本上就杜絕了病毒侵襲的可能性，提高了整套系統(tǒng)的安全一性能。Linux操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性是大家公認的，這樣可以保證整個系統(tǒng)連續(xù)長時間的運行。在對系統(tǒng)的維護上，該系統(tǒng)也有它的較大優(yōu)勢：之前維護一個系統(tǒng)必須由開發(fā)人員或者專門培訓過的員工專人維護，現在這套嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)任何有維護權限的人無需做任何培訓就可以維護。當系統(tǒng)出現故障或掉電重啟時，只要重新開啟嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)ARM板電源，系統(tǒng)就會自動從FLASH中加載程序并啟動到Linux操作系統(tǒng)。由于在Linux系統(tǒng)的啟動文件/etc/rc.loal中添加了自動運行Web服務器的命令，這樣系統(tǒng)就會自動開啟Web服務器，恢復數據采集和傳輸工作。因為系統(tǒng)是在測試過后，固化在嵌入式系統(tǒng)的FLASH中，用戶只能對系統(tǒng)進行讀取的功能，無法實現修改系統(tǒng)，這樣，就算出現類Windows的病毒以后，病毒也無法修改所書寫的應用程序，保證了系統(tǒng)的高安全性，因此系統(tǒng)出現故障的可能性已經降到最低。

5 結 語

嵌入式技術和Internet技術的緊密結合，將會在工控領域得到越來越廣泛的應用，是新一代控制網絡發(fā)展的新趨勢?；诂F場總線的嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)還可應用于其他的工業(yè)監(jiān)測與調試系統(tǒng)以及一些智能小區(qū)的樓宇化監(jiān)視系統(tǒng)。系統(tǒng)具有可移植性高、結構簡單、使用方便、功耗低、可靠性強等特點，具有廣闊的應用前景。