基于Web服务器的在线监控系统研究

摘要：随着网络技术的发展和企业信息化的推进，基于Web的远程监控正成为工业监控系统的一种发展趋势。文章提出一种基于B/S模式的监控系统架构，采用Web服务器实现用户与服务器间数据的动态交互，通过Web页面在线监控。根据监控系统中数据传输的特点，介绍Socket工作原理，并对系统运行产生的数据作存储分析。

关键词：在线监控 Web服务器 数据传输 Socket

中图分类号：TP393.07 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）08-0036-02

1 引言

随着计算机技术及自动化系统的普及，许多工厂、企业都配置了各种各样的监视与控制系统，但多数监控系统采用传统的监控模式，监控只是简单的数据查询，或不能实现Web监控，或实时数据不能动态交互等，在实时性和可靠性方面不能更好的达到工业监控的要求[1～2]。因此，本文采用三层B/S结构，设计独立的Web服务器和流媒体服务器，采用文件的分布式存储和访问方式，提高系统的可靠性和可扩展性。

2 系统架构功能分析

在线监管系统由现场监控站点系统，监控数据支撑系统，在线监管系统组成，具体层次架构如下。

（1）现场层：在监控现场部署数据采集设备，视频监控设备，将采集到的模拟量信号（如电机运行时的电流值）和开关量信号（如电机运行状态）通过信号转换模块转换成统一的基于标准电气接口RS485、RS232或者Modbus通信协议数据，通过数据采集传输仪将转换后的数据进行就地运算、存储和上传到监管中心机房服务器中同步存储。

（2）数据传输层：有线传输：通过专用网络、VPN；无线传输：通过GPRS、CDMA等无线通信网络。

（3）数据支撑层：数据来源有两大类：一类是设备运行监控数据（数据存储为ASCII文件，格式为.csv），一类是视频监控图像数据。

监测数据可分为实测值（The acturl measured value，av）和有效值（The effective value，ev）。其中，ev=av*K+B，系数K和B针对不同的监控设备和不同的监控项目进行定义。视频信号采集、传输、存储采用D1格式，前端视频数据采用本地存储，报警视频图像采用中心存储。

（4）业务层：在桌面操作系统中，IE浏览器成了标准配置，基于B/S架构的应用管理软件只需安装在服务器端，用户界面主要事务逻辑在服务器端完全通过WWW浏览器实现，极少部分事务逻辑在前端（Browser）实现，所以客户端只需安装一个浏览器，通过Web Server就可同数据库进行数据交互，使后期维护和升级方式极为简单。

通过在线监控应用服务器，部署定制开发的相关应用软件，如Web系统，对所有应用和数据进行实时，授权用户登录浏览器进行相关信息的查询等操作。系统总体架构如下图1所示。

3 数据传输分析

系统采用独立的Web服务器+流媒体服务器设计，Web服务器主要负责接收客户端的http请求，记录客户端的IP地址，接收视频的端口号、视频的分辨率等，并将这些信息转发给流媒体服务器；流媒体服务器一方面监听Web服务器发送的信息，解析并提取客户的IP地址及端口号，将其存入用户信息链表中，另一方面向现场侧设备发送视频请求同时接收响应视频数据流，流媒体服务器使用多线程和Socket通信等技术来实现上述功能[3]。

视频传输需要传输的视频信息具有更好的连续性和实时性而不能以突发方式传输，它可以容忍一定程度的数据错误和丢失。因此，对于MPEG-4压缩后的视频数据，由于数据量较大，实时性要求较高，将采用传输效率高的UDP协议。对于客户端发送的控制指令，为保证其可靠性，将采用TCP/IP的数据流方式传输。

3.1 Socket通信

Socket，即“套接字”由IP地址和端口号来描述。Socket接口位于TCP/IP四层模型中的传输层之上，是应用程序员可操作的最低层网络数据通信手段。目前，套接字的使用主要是采用TCP协议的流套接字和UDP协议的数据报套接字，两者区别如下：（1）流式套接字，用于面向连接、可靠的数据服务。该服务将保证数据能够实现无差错、无重复发送，并按顺序接收。（2）数据报套接字，提供了一种无连接的服务。该服务不能保证数据传输的可靠性，也无法保证顺序地接收到数据[4～5]。

套接字主要负责连个进程之间的通信，客户进程向套接字里写入连接请求和服务请求，服务器连接请求并处理这个请求，最后把处理结果写入套接字送回客户程序。在连接过程中，客户被分配一个本地端口号，通过该端口与Socket连接，客户端通过读写Socket与服务器交换数据信息。同样，服务器利用本地端口连接一个Socket，监听客户端发来的连接请求，当收到连接请求后建立连接，之后进行数据的发送接收，数据交换完毕后关闭连接。整个流程如下图2所示。

3.2 数据库设计

数据库设计遵循3个原则：数据库的安全机制、数据整体的合理性及规范性。

在线监控系统的数据主要有以下三类：系统用户的资料信息，被监控电器和传感器的产品信息和运行信号，视频监控图像数据。在这三类数据中，前两类信息主要在系统初始化，用户登录注册时使用，第三类数据更新频繁，并且提供给报表功能模块使用。采用主流的SQL Server关系数据模型，搭载基于JSP的开发环境，用户的登录验证信息放在LoginAction中实现；引入CatList类，通过setCatList和getCatList方法读取被监控电器和传感器的类别列表，将信息放入相应的表文件中；对于视频图像文件则存储到磁带库中，数据库中存放视频的路径，由路径指引。

4 数据量存储分析

存储数据分为两大类，一类是设备运行监控数据，另一类是视频监控图像数据。这两类数据都来至于现场数采仪和视频监控服务器。

4.1 设备运行数据

通过现场数采仪采集实时数据、综合分析数据、关联报警数据等，单个站点平均按30个数据类（设备运行状态和待监控数据因子）上传中心，平均每天上传数据总大小约1M，预算按平均每天300家企业的同时上传到中心存储，总存储时间按1年计算。

所以，中心端单站点一年的设备运行监控数据量为107G。

4.2 视频监控数据

以2M信道带宽为例，传输单路视频图像码流2.048Mbps，采用PAL制式，视频图像分辨率为D1格式（720*576，匹配现场视频服务器），场景变化运动率保持在视频图像70%左右，计算图像存储容量。

时间以每秒计3600s，码流速率以MB计0.244MBps；则：单路视频每小时容量878.9MB

所以，单点录像每天容量2421G

中心端存储：当现场报警时，需对设备状况及环境进行录像，录像时间直至故障恢复。单个企业按2路视频监控点的故障率发生一次，从事发到故障恢复时间设置为24小时计算。因此，单个企业所需存储空间为：41G。每月按3家企业出现故障，整个系统存储时间初步设计存储1年，每月存储空间123G。

所以，中心端一年总存储量1.476T。

为了提供更好的网络可用性、数据访问性和系统管理性，系统采用FC-SAN存储网络，包含磁盘存储系统和存储交换机系统。另外需要在监管中心机房部署一套一体化备份存储磁盘柜系统，利用备份软件将相应服务器上的关键业务数据及操作系统定期备份到备份磁盘存储系统中。

5 结语

基于Web的远程监控技术是新兴的研究领域，工业需求尤其是一些特定领域对监管系统的综合化、智能化、自动化要求也越来越高，综合计算机、通信和自动化领域的新技术来设计一套在线监控系统，对完善监督管理体系和应急处理机制有着重要的意义。

参考文献

[1]刘媛，张伟，王知学.基于B/S和C/S架构的嵌入式远程监控系统[J].仪表技术与传感器，2008（10）：39-41.

[2]H.Lin，Y.Ma，C.Bao.Research on Remote Monitoring System of Petrochemical Farm Tanks Based on web and CAN[C].2009 Chinese Control and Decision Conference，Guilin， 2009：1282-1286.

[3]张营凯，侯俊，雷蕾，陆燕.基于Web的远程视频监控系统的设计[J].微计算机信息，2012，28（6）：34-36.

[4]Kranz M.Embedded interaction： interaction with the Internet of Things[J].IEEE internet computing， 2011， 14（2）： 46-53.

[5]宋素荣.基于TCP的Java Socket通信技术[J].科技创新导报，2012（13）：54-55.