基于PSTN的远程监控技术的研究及应用

摘要
远程监控可以对多个监测站同时进行远距离的通信，公用电话网（PSTN）是目前应用比较广泛的一种通信网络，是实现远程监测的一种方便、实用的通信信道。论文分析了远程监控系统的一般结构和通过PSTN实现数据传送的原理，针对终端变电站的监测，设计了远程监测的硬件和软件部分。设计中采用调制解调器作为连接PSTN和监测计算机的硬件设备，实现数字信号和模拟信号间的转换；Access用于管理系统所使用的数据库，并使用VB软件开发应用程序。研究表明，利用PSTN实现变电所的远程监控具有易于实现、使用起来方便灵活、成本低的优点。对于提高变电所生产管理自动化水平具有很高的实用性。
关键词：远程监控 PSTN 变电所
1.引言
1.1 远程监控技术及应用
在自动化领域，人们总是希望用机器来代替人做某些事情，尤其是大量简单的重复性的操作，或是危险的工作。但是机器无论多先进，能帮人们多大的忙，它还是有可能会失控的，因此还是需要有相应的设备来监视这些机器的工作情况，这就是所谓的监控。在监测的范围较大，或监控点较多的情况下，就需要把监控工作分散进行，然后再进行集中管理，这就是所谓的分布式监控。[1]当要监测的站点较多，且分布不集中时，可以采用远程监控技术，即：将总控制中心设在其他地方，各监测站还是采用分布式监测技术，再采用一定的通信方式将总控制中心计算机和各监测站计算机联系起来。
远程监控技术主要应用于监测站分布广泛的情况。当一个系统包括若干个子系统，且各子系统分布不集中时，采用这种技术尤为广泛。若每个监测点都派有专人看守，或是配人到处查看，肯定要消耗大量的人力物力，倘若发生意外情况却又无法及时报告给主管人员，耽误了决策的最佳时间，那将会带来严重的后果，轻者影响生产的正常进行，重者可能造成人员伤亡。可见，对于这种监测站分布广泛的情况，有必要用监测器来代替人的工作，监视机器的工作情况，并将这些时时资料传送到控制中心的计算机上，人们只要坐在办公室里就可以查看各个监测点的工作情况，此外，再借助一定的通信手段，人们完全可以把办公室搬到远离厂区的地方，并且可以随时查看当前，甚至以前的关于系统工作情况的数据资料。
从上面对远程监控技术的简单介绍我们可以看出来，采用远程监控技术可以大大降低人们的工作量，节约了成本，还可以实现自动化的管理，使得我们可以把更多的精力放在需要的地方，不必为了监视机器的工作而浪费大量的人力物力。这对于生产的自动化和生产效率的提高有很大的作用。
1.2 远程监控技术的现状及发展
远程监控技术目前主要应用于石油、化工、水处理、工业锅炉等众多的工业场所。远程监控技术主要包括两部分：一是主控制中心计算机与监测站计算机的通信过程；二是各监测站和其监测点的通信。
监测站和其监测点的通信是把用传感器、转换器等芯片器件检测到的数据传到监测站。一般来说，是采用专用的通信线路或是总线将数据传送到监测站计算机的。当它们之间的距离较近时，通信线路可以选择比较便宜的，当它们之间的距离较远时，就要考虑选择价格稍微贵点，但是通信质量较好的通信线路。在具体的实现过程中，我们还要编写通信程序，进行软硬件设计，解决采取什么样的方法通信、发送数据的方式、接收数据的方式、如何管理这些数据等问题。
监测站和主控制中心计算机的通信方式可以分为命令式和轮询式。轮询式是指监测站1～监测站n按一定的算法轮流不停的向总控制中心计算机发送数据，总控制中心计算机负责接收和管理这些数据，但是它无法主动和各监测站联系，只能被动的接收。命令式可以实现总控制中心计算机和监测站计算机的相互通信，两者可以通过问答方式来实现通信，总控制中心计算机是发问方，可以任何时刻提出和任何一个监测站的通信，可以要求监测站提供其需要的数据，具有很强的灵活性。
无论是命令式还是轮询式的通信，在其具体的实现过程中，都要涉及到用软件编程来实现通信功能。
目前的远程通信技术还存在着一些不足之处，比如，在通信方式上，无论是命令式还是轮询式都不能很好的实现总控制中心计算机和监测站的通信，如果能使它们实现互通式的通信，即：任何时刻两者都可以相互通信，不在存在必须有一方主动提出通信才可以进行通信，这样可以大大增强系统工作的灵活性，及时性。虽然说如果一直让主控制中心计算机和监测站计算机之间保持通信关系就可以使双方随时通信，但是这就会大量增加通信费用。所以如何实现双方智能化的通信，是今后的一个重要研究方向。在通信网络方面，目前的几种选择都存在着不足之处，有的传输距离有限，有的传输质量不好，有的通信费用太高等等。人们都在努力寻找更好的技术来使远程通信技术更加完善，最终可以实现低成本、高性能的远程监控系统。
1.3 课题的研究内容
下面以徐州铁路分局给水所变电所为例，把远程监控系统运用在变电所的运行管理中。由前面的介绍我们可以看出来，整个远程监控系统是很复杂的。因此，这里仅介绍一个监测站和主控制中心计算机间的点到点的连接通信问题，通过这个最简单的监控系统，来说明远程监控系统的工作情况。
如何将两个相距较远的计算机连接起来是实现远程通信的核心。通过借助一定的通信网络可以实现其连接，比如：PSTN网络，它可以实现远距离的通信，其实现简单成本低。我们使用VB软件和数据库编程技术可以设计出远程监控的通信软件。论文将在以下几方面进行设计研究：
⑴远程监控的一般结构
⑵PSTN网络通信的特点
⑶调制解调器的作用
⑷串行通信的过程
⑸数据的存储和管理技术
⑹远程通信过程
2.远程监控技术
2.1 远程监控的一般结构及关键技术
远程监控系统一般是由总控制中心计算机、监测站计算机、调制解调器、通信网络以及设备间的连接线路等组成的。图2.1就是一个简单的远程监控系统的结构图。
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从上图可以看到，要实现远程通信，我们应该考虑的问题有，主控制中心计算机和调制解调器之间的连接（监测站计算机和调制解调器的连接也是一样的方式）；调制解调器和通信网络的连接；调制解调器是怎样工作的；通信网络的选择；监测站计算机和主控制中心计算机如何实现通信（通信协议问题）；以及数据的管理问题，监测得到的数据应该采取相对的处理措施，作好保存工作，方便随时查看。[page]
远程监控技术涉及到的几个关键技术在前面对远程监控的介绍中已经有了初步的介绍，下面将具体的分析远程监控的过程，看看远程通信是怎样实现的。
下面以单监测站为例来介绍它和总控制中心的通信过程：
首先，各监测点把数据送到监测站，监测站应该先把数据进行保存，然后进行分析，若测得的数据超过了限度，要能够报警，由于监测的数据量较多，还有为了方便随时查看调用，应该把数据保存在数据库中，这样可以较好的管理数据。监测站的计算机可以查看数据、打印数据、进行报警处理、实现工作记录等常见的一些功能。监测站这里可以独立的工作，工作人员可以通过监测站的计算机监视和管理个监测点的工作情况。
主控制中心的作用主要作用在于，它可以在监测站以外的任何地方，随时和监测站的计算机取得联系，获得想要的数据资料，比如在家里也可以实现与监测站的连接。当主控制中心计算机想和监测站取得联系时，它可以通过调制解调器进行拨号，通过通信网络的传输连接到监测站，通过调制解调器再连接到监测站计算机，调制解调器可以实现数字信号和模拟信号的转换，通信网络中传输的是模拟信号，计算机中运行的都是数字信号，这个拨号过程是很重要的，因为我们要根据所拨的号码才能找到相应的监测站。每个监测站都应该有唯一的一个可以和其他监测站区分的号码，比如可以是电话号码，还可以是手机号码等等。调制解调器还负责拨号的工作。
然后，当主控制中心计算机和监测站计算机建立连接了，两者要进行通话，比如主控制中心计算机要求传送当天的数据，监测站要能够正确的接收到这个命令，并把当天的数据传回去，接收数据的主控制中心计算机也能正确的接受数据，并做出相应的数据处理。或者当监测站计算机主动发送数据给主控制中心计算机时，主控制中心计算机要能知道发送的是哪些参数的数据以及是什么时候的监测值，并且要能及时的存储数据。这里面就是一个通信协议的制定问题，要定义一个双方都能遵守和应用的通信协议，在通信过程中，双方都按照这个协议进行通信，这样才能实现有效的控制。
最后，主控制中心计算机中也要有数据管理功能、分析数据、打印报表等功能。这个和监测站计算机的功能基本相似。
下面我们可以根据上面的简单介绍，来具体的分析一下远程监控的各关键技术。
2.2 PSTN通信网络
2.2.1 常见的通信网络
通信网络的选择实际上就是在现有的通信媒介中选择一种适合远程监控需求的媒介。目前常见的通信媒介主要有：有线方式和无线方式。有线传输又包括：光纤通信、电力线的载波传输、电话网PSTN传输、专线传输等。无线传输主要是指：卫星通信、移动通信等。
光纤通信的研究工作在我国的起步较早，在70年代初就已经开始了研究工作。光纤通信是利用光导纤维传送信息的光波通信技术。其载波位于电磁波谱的近红外区，频率非常高且范围宽，因而通信容量极大。一条光纤可以同时传送100亿对电话或1000万套电视，实际上已能作到的光纤系统通信容量是高频同轴电缆的1千倍。此外，光纤通信还具有不导电、耐高温、重量轻、纤细、低损耗等特点。但是铺设光缆的费用较高，对于远距离通信所花的成本较高，一般对于没有特殊通信质量要求的远程监控系统没有必要使用光纤通信。
电力线的载波传输技术可取性高、投资少、建设维护方便，是目前唯一不需要线路投资的有线通信方式。我国已经建成电力系统通信专用网，电力线载波（PLC）通信是电力通信网的基础之一，是传送电力系统继电保护和运动信息，组织电力调度指挥的重要手段之一。但目前就我国情况而言还需要花大力气开发相关产品并致力于提高可靠性和稳定性，且电力线载波通信在和其他通信方式结合中接口问题还存在很大问题，随着通信距离的增加通信质量会随之下降。
专线（Leased Line）在我国称为DDN，是一种点到点的连接方式，速度一般选择64kbps～2.048Mbps。专线的好处是数据传递有较好的保障，带宽恒定；专线传输意味着时时连接，长期可用，带宽固定，在应用速率低于1 kit/s 的范围内有广泛的市场，如银行的POS机、GPS系统、烟草销售、彩票销售、企业办公等等，但是这种通信方式成本很高，距离愈长价格也就愈贵，而且点到点的结构不够灵活。
卫星通信可以在地球上任意两点之间实现通信，既快捷又准确，不受通信两点地面自然条件恶劣程度的影响，且费用与通信距离无关，是未来进行远程通信的一个良好的传输媒介。除了低仰角地区外，卫星通信受地形、地物阻挡屏蔽作用的影响较小，适用于国内或国际大范围的海上、空中、及陆地综合通信网。尤其是对人烟稀少地区、受天灾待援助地区、远洋船只及对远航飞机等更能显示它的优越性。但是移动卫星通信也有不利的方面，首先，它不能随拥护密度的增加不断分裂窝蜂小区，即不能随用户密度的增加L频段的重复利用率；信道租用费较昂贵；接续路由有局限性，
移动通信即移动体与固定点、移动体之间的通信。这类通信受空间限制较少，时时性好，其主要代表为GSM技术。但GSM主要用语声音服务，其数据服务落后于声音服务，主要原因是数据服务的投资大，GSM网络若要处理数据和声音，就必须重新进行调整，这项工作的难度大。还有就是陆地蜂窝移动通信系统的基地站受天线高度限制，增设基地站需要较大投资，故迄今一些发达国家的陆地蜂窝移动通信系统的覆盖范围仅限于城市及主要公路沿线。
公用交换电话网(PSTN)作为目前最普及的传输网络之一，它以铜双绞线作为用户线路的传输介质，通常用于传送300一3400HZ频带内的模拟话音信号，并可使用调制解调器传送数字信号。PSTN公用电话网络传输技术应用的非常广泛。电话是非常普及的的通信方式，电话网的建设规模也很健全，利用电话网进行通信可以达到各个角落，不必在另外多花钱购买或维修通信设备。可以使用调制解调器并借助电话网将两台远距离的计算机系统相连，以传送数据。除了速度有些慢，通信的质量可以达到一般的通信要求的。
所以下面将以PSTN网络作为通信网络。
2.2.2 PSTN网络的通信
PSTN(公用电话网)是公用通信网络中的基础网，通信区域覆盖全国，利用电话网进行远程通信是投资少、见效快、实现大范围数字通信最便捷的方法。利用现有的电话网，只要在PC或终端设备进入电话网的前端装入Md(Modem，调制解调器)，将数字数据信号变换成模拟信号进入电话交换网即可公用电话网一般由本地电话网和长途电话网组成。本地电话网是指一个城市或一个地区的电话网，由端局和汇接局组成，端局主要与长途电话网进行交换，汇接局主要是进行本地区的电话交换，与端局构成一个交换网络。长途电话网由一、二、三级长途交换中心与五级交换中心(端局)构成网状与汇接相结合的复合型网络结构。在同一交换区内相邻等级交换中心之间的电路群称作基干路由，任意两个长途交换中心之间的低呼损电路群称作低呼损直达路由，高效电路群称作高效直达路由。在长途电话网五级交换中心服务范围内可组织开放长途数据业务，也可经国际出口局开放国际数据业务。电话网主要由长途传输介质和交换设备组成，长途传输介质主要采用铜缆，中继线路也有采用光缆及微波通信系统，交换设备有长途电话交换机、国际自动电话交换设备以及市内自动电路交换设备等。电话的记费是按从摘机开始直到挂机所花费的时间计算的，只有当两个电话间建立连接时采用占用到电话线路，当通话结束时，会自动释放线路的使用权。这样就大大提高了线路的使用效率，从而降低了使用PSTN作为远程监控系统通信网络时的成本。[2][page]
当PSTN网络作为语音的传输媒介时，它的工作过程如下：首先打电话的一方摘机；看有无拨号音，无则等待拨号音，等不到拨号音就挂断电话重新摘机，有则拨号；拨完号等待有无应答音，无则挂断重新摘机，有则等待对方应答；当对方接听电话，则整个拨号过程结束，进入通话过程。通过过程中双方进行信息的交流，双方轮流说话，接受彼此的信息。通话过程结束，则应该挂断电话，当一方首先挂断后，另一方也应该把电话挂断，这样才能保证下次通话的正常进行。否则电话总处于占线状态，其他人就打不进来。这其实就是我们日常生活中打电话的过程。当PSTN网络用于远程监控的通信时，通信的双方也是按照相似的过程进行通信的。
2.3 串行通信技术
2.3.1 数据传送
通信的主要目的是将数据从一端传送到另一端，实现数据的变换。一个完整的通信系统包括发送端、接受端、转换数据的接口及传送数据的实际信道或媒介。一般说来，发送与接受的节点称为数据终端设备（Data Teriminal Equipment ,DTE），如个人计算机工作站。数据在到达正确的目的地之间，可能需要经过一系列中间节点，这些中间节点负责数据的转送工作，以送达目的地。这些中间节点称为数据交换设备（Data Switching Equipment,DSE）。如电信局的交换机等。终端设备发送数据时，必须先将数据转换成电气信号，以便在线路上传输，而负责数据与电气信号转换的设备称为数据通信设备（Data Communication Equipment,DCE），如调制解调器。因此，计算机等DTE设备要通信时，须先经过调制解调器将外界的电气信号进行转换，数据才能进入计算机。DTE与DCE间的数据传输线路通常使用RS-232，而DCE与DSE间的媒介则包括了双绞线、同轴电缆、光纤或无线电等。[1]
2.3.2 通信的种类
通信方式通常可以分为两种：并行通信（Parallel Commucation）和串行通信(Serial Communication)。并行通信一次的传输量为8个位（1个字节）；而串行通信则是一次只传输1个位（也就是一个标准电位的状态）。两者之间的数据传输速度相差了7倍之多。但是并行通信有其缺陷：在数据电压传输的过程中，容易因线路的因素而使标准电位发生变化，（最常见的是电压衰减问题，以及信号间相互干扰问题（CrossTalk）），因而使传输数据发生错误。如果传输线比较长的话，电话衰减效应及相互干扰问题就会更加明显，数据的错误也就会比较容易发生。[1]
相比较之下，串行通信一次只传1位，处理数据的电压只有一个标准电位，因此不太容易把数据漏失，再加上一些防范措施，要漏失就更不容易了。
2.3.3 串行通信
常用的串行通信有两种，即RS-232串行通信，RS-485串行通信，此外还包括近年来流行的USB及IEEE-1394。下面主要分析一下RS-232和RS-485的串行通信。
RS-232是经常与计算机相连接的，且是最简单的通信接口，它不仅实现简单，而且价格上也便宜很多，通常含有COM1与COM2两个端口，有9个引脚的接头区。工业领域大量使用串行通信来进行数据传输，但是工业环境会有噪声干扰传输线路，在用RS-232进行传输时，就经常回受到外界的电气干扰而使得信号发生错误。图2.3和图2.4将分别表示RS-232信号的传输方式和它受到干扰时的情况。[1]
RS-485的通信方式解决了这个难题。RS-485信号将被发送出去时会分成正负的两台线路，当到达接收端后，再将信号相减，就可以把干扰的影响抵消掉。
从上面的介绍可以看出来，RS485更适合于监测站和各监测点的通信，它可以保证通信的质量，传输距离远，且还具有多点通信的方式，即一个监测站计算机可以和多个监测点联系通信。而RS-232更适合于短距离的简单通信用，如：连接计算机和调制解调器用。
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2.4 数据的存储与管理技术
少量的数据出现在我们的面前，我们还能分清楚它们各自代表的含义，但当大量的数据出现时，很少还能有人分清楚它们，那这些数据就失去了原有的含义，也就是说它们变的毫无价值了。为了解决这个问题，就需要使每个数据都始终保持着它所代表的含义。最初，我们可以通过记录在纸上来解决，每项内容都很清楚，但是当我们需要查看记录中的每一项记录值时，就要从开始的记录纸找到末尾的记录纸，这太麻烦了，又容易产生错误。随之而来的数据库系统的产生完全的解决了上述的问题，采用数据库管理数据，可以方便的调出记录中的任何数据，查找起来非常方便，且速度很快。
数据库系统是用来对数据进行存储、处理、管理及传送的系统，它具有大量、持久、可靠、共享的特点。其中，大量是指数据的数量；持久是指数据的保持时间；可靠是指数据的安全性；共享是指数据对不同人的使用权。
数据库是指一系列排列成易于处理或读取的相关信息记录，它是由一个或多个对象组成的集合。表（Table）是一种数据库对象，它包含一种具有相同属性集合的记录(Record)行(Row)。与表属性相关的值出现在字段（Field）列（Column）中。
目前最常使用的是关系数据库，它能更有效的使用数据。现在常用的关系型数据管理系统有：ORACIE、SYBASE SQL SERVER、MS SQL SERVER 、IBM DB2 UDB 、 Informix等；常用的小型数据库有Access 、Pradox 、 Foxpro等，个人用户比较常用的主要是基于中小型数据库的MS SQL SERVER和Access。
ORACIE数据库是ORACIE公司的产品，ORACIE几乎可以在目前所有的平台上面运行，是目前世界第一大数据库产品。ORACIE产品具有优越的性能，其价格也比较昂贵。
SYBASE SQL SERVER是SYBASE公司推出的关系数据库产品，SYBASE公司是第一个在数据库产品上实现CLINET/SERVER计算的公司，目前已经推出了11版，同时SYBASE公司的全系列数据库产品可以运行在各种平台上，包括UNIX 、WindowsNT、 Windows95/98/2000、 Windows Xp等。
Microsoft SQL SERVER最初是微软公司和SYBASE公司的合作产品，后来由微软独立开发。目前已经推出SQL SERVER 2000版，能在Windows NT或Windows 98/2000环境下运行，该数据库和微软的BACK OFFICE系统配合紧密，性能优越，是在Windows NT环境下值得考虑的数据库。[page]
IBM DB2 ODE是IBM公司推出的数据库产品，DB2原先的主要应用领域是大型机环境，由于小型化的潮流，才使得它逐渐适应各种中小型应用环境，DB2能够支撑多种数据类型，是支持数据类型最丰富的数据库系统之一。IBM数据库具有经过考验的高质量和高可靠性；其技术领先，产品具有灵活性，可升级性，可管理性并有服务的支持。
ACCESS是一种关系型的桌面数据库系统，是Microsoft Office套件产品之一，从20世纪90年代初期Access1.0的诞生到目前Access2000的广泛使用，Access历经多次生计改版，其功能越来越强大，但操作反而更加简单。尤其是Access与Office的高度集成，熟悉的界面似的初学者更容易上手。[7]
对于远程监测系统，需要测量的参数是一定的，因此并不需要太大的数据库，选用Access即可。在建立数据库时，应该分好类，以单监测站和主控制中心为例，需要建立两个数据库，监测站和主控制中心各一个，若存在多个监测站，则需要建立同样数量的数据库，不同的是在主控制中心的数据库应该把各监测站的数据保存到相应的记录表中去，不能混淆。假设有A、B两个监测站，主控制中心为C，A监测站主要测量：电压、电流、温度等量。B监测站主要测量电压、电流、水位等量，那么它们之间正确的数据存放关系可以用图2.4来表示

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对于数据的管理应该简单、明确、方便人们的操作，因为不可能人人都对数据库很精通，大多数人只能了解简单的应用，所以在对数据的管理系统设计时应该注意其简单易学易懂性。
2.5 编程技术
程序是系统的灵魂，没有程序做基础，那么前面所做的分析都是空洞的，没有说服力的，只有把程序编写出来，并且实现了前面所说的功能，才算是真正的成功。通过编程，还可以检验前面所做的分析，设计工作是否合理，且它直观的反映了理论上的东西，使我们加深了对所做系统的认识。
目前，经常使用的编程语言有：C++、VC和Visual Basic。C++和VC在访问计算机低层硬件的能力上较强，但开发时间开销大；Visual Basic除了在访问计算机低层硬件的能力上比较弱外，有许多优点：
面象对象的编程—--使用面象程序的设计方法OOP
可视化的程序设计语言—--仅需编写相关对象要实现的程序功能的用户部分代码
结构化的程序设计语言—--简单易学，功能独特
充分利用Windowes资源—--提供动态数据交换（DDE）编程技术
此外，VB的核心是全面支持Windows系统的OLE（对象链接与嵌入）技术，它是访问所有对象的一种方法。利用OLE技术，将其他应用软件视为一个对象嵌入VB应用程序中，进行各种操作，可在不同的应用程序之间快递数据，以及自动利用其他应用程序所支持的各种功能。[12]
在编程之前，通常应该进行系统分析设计，了解一下完成的系统主要有几部分功能，每部分功能的作用，哪些地方是靠硬件实现的，哪些地方是由软件编程实现的。由软件编程实现的功能确定下来后，应该画出软件流程图，然后根据软件流程图来编程。当编程工作量小时，可以进行整体直接编程，即编程从开始到结束，是整体的。当编程工作量大时，则可以先分块然后按不同的功能块进行编程，最后再把它们串接起来形成一个整体。
远程监控系统的软件实现主要是用Visual Basic来编程实现的，其中要用到数据库，还有通信协议的制定，以及实现通信的拨号连接过程。
首先，可以把整个监测系统分为三大部分：用数据库存、取、修改数据，通信协议的编写、通信过程的建立，然后，针对着三块写出对应的软件流程图，最后，编写出相应的程序，待各部分都编写好后，把它们连接到一起，形成一个整体。
远程监控系统应该分成监测站和主控制中心两套程序。它们大体上是差不多的，只有有些功能上的不同。

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