發(fā)布時間：2023-04-11 17:18:51
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的遠(yuǎn)程控制系論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
隨著我國信息事業(yè)的持續(xù)、快速發(fā)展,通信基礎(chǔ)設(shè)施日臻完善,固定電話、移動電話用戶總數(shù)接近兩億.利用現(xiàn)有的個人通信終端,實現(xiàn)基于PLMN(陸基移動通信網(wǎng))和PSTN(公用電話交換網(wǎng))的電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),既可以節(jié)約投資,又便于推廣.電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)(ITRCS),以CCITT及我國標(biāo)準(zhǔn)共同規(guī)定的部分標(biāo)準(zhǔn)程控交換信令(DTMF雙音多頻信號,振鈴信號,回鈴音信號等)作為系統(tǒng)控制命令,以PLMN與PSTN通信網(wǎng)作為傳輸介質(zhì),使用戶可以在遠(yuǎn)端利用固定電話或移動電話發(fā)送DTMF雙音多頻信號,實現(xiàn)對近端電器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制.信令傳輸示意圖如圖1所示.
2電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)接收遠(yuǎn)端發(fā)送來的DTMF信號,并對其進(jìn)行解碼,解碼后的信號再由中央處理單元采集處理;為了方便用戶使用,系統(tǒng)設(shè)計了語音提示界面;電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)一般工作在元人值守環(huán)境,所以應(yīng)具有自動離線、上線、復(fù)位功能;為了符合智能化要求,系統(tǒng)采用80日作為中央處理器.同時,電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)正常工作還需電源供電電路、驅(qū)動電路等輔助電路.智能電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示.
可以看出,系統(tǒng)主要由DTMF音頻解碼電路、語音提示電路、離線/上線/復(fù)位電路、中央處理單元、驅(qū)動電路、電源電路等組成.
3各部分電路及工作原理
3.1中央控制電路
中央控制電路的主要功能是接收鈴流檢測電路和DTMF解碼電路的中斷信號,發(fā)送對上線/離線/復(fù)位電路和受控設(shè)備的控制信號,對語音錄放電路進(jìn)行尋址操作,接收DTMF解碼電路的四位二進(jìn)制數(shù)據(jù)(見圖2).
3.2DTMF音頻解碼電路
DTMF(DualToneMultiFrequency)雙音多頻信號解碼電路是目前在按鍵電話(固定電話、移動電話)、程控交換機及無線通信設(shè)備中廣泛應(yīng)用的集成電路.它包括DTMF發(fā)送器與DTMF接受器,前者主要應(yīng)用于按鍵電話作雙音頻信號發(fā)送器,發(fā)送一組雙音多頻信號,從而實現(xiàn)音頻撥號.雙音多頻信號是一組由高頻信號與低頻信號疊加而成的組合信號,CCITT和我國國家標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了電話鍵盤按鍵與雙音多頻信號的對應(yīng)關(guān)系如表所示.
表電話撥號數(shù)字對應(yīng)的高低頻率組合關(guān)系
電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用MITEL公司生產(chǎn)的MT8870DTMF接受器作為DTMF信號的解碼核心器件.MT8870主要用于程控交換機、遙控、無線通信及通播系統(tǒng),實現(xiàn)DTMF信號的分離濾波和譯碼功能,輸出相應(yīng)16種頻率組合的四位并行二進(jìn)制碼.MT8870具有撥號音抑制和模擬信號輸入可調(diào)功能,所以在設(shè)計MT8870DTMF解碼電路時,只需外加一些阻容元件即可.DTMF解碼電路如圖3所示.
遠(yuǎn)端用戶發(fā)送的DTMF信號,經(jīng)搞合電容的隔直流作用后,由MT8870接收并進(jìn)行譯碼,輸出的四位并行二進(jìn)制數(shù)據(jù)直接與8051單片機的P0.0～P0.3連接,MT8870在DTMF信號碼變換完成后,由CID端發(fā)送中斷信號INT1,通知8051數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好.
3.3語音提示電路
電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)利用語音提示電路實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)的交流.語音提示電路預(yù)先存儲若干段系統(tǒng)提示音,8051中央處理單元電路判斷用戶發(fā)送的DTMF信號后,對語音提示電路進(jìn)行尋址,播放相應(yīng)的提示音,從而向用戶反饋信息提示下一步該如何操作.
本系統(tǒng)選用美國ISD公司的ISD2590單片語音錄放集成電路作為語音提示電路的核心部分.ISD2590采用E2PROM存儲器,信息可永久保存,零功能存儲;它還采用了DA盯直接模擬量存儲技術(shù),因而能較好地保留語音信息中的有效成分,提高錄放音的清晰度.ISD2590可以存儲長達(dá)90s的語音,能夠?qū)崿F(xiàn)1～600段語音分段,每段錄放音均有一個起始端,該起始端地址選擇由A0～A9確定.ISD2590的電路也非常簡單,只需少許阻容元件即可,并且它易與單片機接口,實現(xiàn)分段尋址功能.ISD2590的內(nèi)部功能如圖4所示.
系統(tǒng)在接收遠(yuǎn)端用戶發(fā)送的DTMF信號以后,根據(jù)軟件設(shè)定,對語音電路進(jìn)行尋址放音.例如系統(tǒng)收到用戶發(fā)出的"1234'''',用戶密碼信號時,若密碼正確,則尋址播放語音提示"密碼正確",否則,尋址播放語音提示"密碼錯誤".需要提出的是,ISD2590".只有A0～A910根地址線,顯然不能對480K模擬存儲陣列直接尋址,從圖4可以知道,ISD2590的地址線是先經(jīng)過解碼器解碼后再對480K模擬存儲陣列進(jìn)行尋址的.
3.4系統(tǒng)上線／離線/復(fù)位電路
當(dāng)DTMF信號解碼電路及語音提示電路與用戶電話線連通時,我們稱系統(tǒng)處于上線(Odine)狀態(tài);反之,當(dāng)DTMF信號解碼電路及語音提示電路與用戶電話線斷開時,我們稱系統(tǒng)處于離線(Offline)狀態(tài).只有在電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工作時,系統(tǒng)才應(yīng)處于上線狀態(tài).這樣做的目的是避免用戶呼叫系統(tǒng)時的高壓振鈴信號(可達(dá)120VMS)及線路上其他高壓噪聲對DTMF信號解碼電路及語音提示電路產(chǎn)生危害.上線/離線/復(fù)位功能的實現(xiàn),也是由系統(tǒng)硬件電路和軟件共同實現(xiàn)的.
3.4.1系統(tǒng)上線電路
系統(tǒng)上線電路的功能是檢測程控交換機發(fā)送的振鈴鈴流信號,然后通過中斷方式通知8051單片機,根據(jù)軟件設(shè)定,閉合系統(tǒng)上線/離線/復(fù)位開關(guān)電路,開啟UrMF信號解碼電路和語音提示電路與電話用戶線的連接.上線電路的主要部分是鈴流檢測電路.鈴流信號是當(dāng)遠(yuǎn)端用戶呼叫電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)時,由程控交換機向電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)發(fā)送的控制信令.系統(tǒng)采用TCA3385芯片作為鈴流檢測電路的核心部件.TCA3385是一種性能穩(wěn)定的振鈴信號轉(zhuǎn)換、檢測器件,常用于電話機、應(yīng)答器等儀器儀表.它的PDO端(如圖5)是振鈴檢測輸出端,在振鈴信號穩(wěn)定后,此端會變?yōu)楦唠娖捷敵?RDO端可直接與8051單片機相連,作為8051的中斷信號INT0.TCA3385的內(nèi)部功能及外部電路如圖5所示.
當(dāng)電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)處于離線狀態(tài)時,只有鈴流檢測電路與用戶電話線相連,而TCA3385能承受較高電壓的沖擊,保證了系統(tǒng)的完全穩(wěn)定性.
3.4.2離線/復(fù)位電路
用戶對電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)操作完成后,發(fā)出結(jié)束命令,8051單片機斷開系統(tǒng)上線/離線/復(fù)位開關(guān)電路,系統(tǒng)離線.如果用戶出現(xiàn)誤操作或忘記發(fā)送結(jié)束命令時,系統(tǒng)根據(jù)軟件設(shè)定,斷開系統(tǒng)上線/離線/復(fù)位開關(guān)電路,使系統(tǒng)離線,并初始化軟件設(shè)定.
3.5驅(qū)動電路
電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對受控設(shè)備的控制,要通過8051單片機對繼電器的閉合才能實現(xiàn),因此,在8051單片機與繼電器之間必須設(shè)置一個繼電器驅(qū)動電路.本系統(tǒng)采用摩托羅拉公司的MC1413,來關(guān)閉與開啟繼電器開關(guān)(圖6).
4系統(tǒng)軟件
如何利用有限的16種DTMF信號實現(xiàn)多樣的系統(tǒng)控制功能,是系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵,借助于軟件編程,系統(tǒng)可以對16種DTMF信號的任意組合進(jìn)行解釋,從而大大豐富了系統(tǒng)功能.系統(tǒng)軟件的流程結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜,這里只介紹系統(tǒng)軟件主要功能要求:
(1)系統(tǒng)身份認(rèn)證功能為了保證只有合法用戶才能操作系統(tǒng),電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)上線以后,用戶必須輸入密碼,待系統(tǒng)確認(rèn)后才具有對系統(tǒng)的操作權(quán)限.
(2)用戶信令解釋功能對收到的用戶信號,系統(tǒng)按照軟件設(shè)定加以解釋,并決定對語音提示電路尋址,播放相應(yīng)的系統(tǒng)提示音,實現(xiàn)用戶和電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)間的交互操作,或者對外部受控設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動信號.
(3)軟件定時功能系統(tǒng)軟件設(shè)定系統(tǒng)自動復(fù)位的軟件定時器,定時器的設(shè)置值規(guī)定了系統(tǒng)一次上線工作的最大時間.若一次工作超時,系統(tǒng)自動離線,進(jìn)入待機狀態(tài).
5結(jié)束語
關(guān)鍵詞： 自動化監(jiān)控；閘門控制；數(shù)據(jù)采集；GPRS傳輸
中圖分類號：U495 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671－7597（2012）0310024－02
1 GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)研究的理論意義及應(yīng)用價值
水閘是水利系統(tǒng)最基礎(chǔ)的工程，在防洪排澇搶險過程中扮演著重要角色，對保護(hù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全以及環(huán)境保護(hù)等諸多方面都發(fā)揮著巨大的積極作用，但是我國的水利自動化技術(shù)比較落后，每年會由于洪澇災(zāi)害造成巨大的經(jīng)濟損失[1]，因此閘門的即時合理控制問題，是關(guān)系到水利工程的安全，關(guān)系到保護(hù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全，以及綜合利用水資源的問題，因此GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)具有極高的應(yīng)用價值。
2 系統(tǒng)構(gòu)成及功能描述
GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)主要功能為：水閘現(xiàn)場監(jiān)控平臺是基于產(chǎn)品化、模塊化、通用化思想而研制開發(fā)出來的新一代水閘遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于水庫、灌區(qū)、河道、供水渠的閘門現(xiàn)地控制和遠(yuǎn)程控制，可在現(xiàn)地單控、群控，也可在異地遠(yuǎn)程遙控。
GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)由水利系統(tǒng)的流域管理中心、各縣市設(shè)立的分中心監(jiān)測站、以及水閘現(xiàn)場的水文遙測單元構(gòu)成的三級網(wǎng)絡(luò)組成。通過建立GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)，將可以改善水文信息的采集、傳送和信息處理的手段，縮短數(shù)據(jù)采集和信息處理所需的時間，還可以提高信息采集和傳輸?shù)目煽啃裕岣吡饔蚋鞣N監(jiān)測信息的處理能力。
3 總體設(shè)計方案
3.1 閘位控制原理
1）GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)原理：GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)主要工作原理將各種傳感器的流量、水位、雨量模擬量和閘門、水泵的開關(guān)量數(shù)據(jù)傳送到各監(jiān)測站，通過 WLB-268型遠(yuǎn)程測控終端機完成數(shù)據(jù)的采集，并把采集的數(shù)據(jù)通過 GPRS網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)傳輸方式主動傳輸至調(diào)度中心，調(diào)度中心控制機能夠?qū)崟r監(jiān)測水閘泵站現(xiàn)場的情況，并可以遠(yuǎn)程控制閘門、水泵的開關(guān)，實現(xiàn)監(jiān)測點的自動化控制。
2）GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)特點：
① 技術(shù)先進(jìn)：系統(tǒng)采用了當(dāng)今最先進(jìn)的無線高速數(shù)據(jù)分組傳輸技術(shù)，在數(shù)據(jù)采集和傳輸方面具有無可比擬的先進(jìn)性，可以實時在線運行任意查詢、加報、自動傳送信號。
② 安全可靠：系統(tǒng)采用了多級管理和權(quán)限控制，強大的系統(tǒng)安全管理和數(shù)據(jù)保護(hù)措施，對水利設(shè)施的日常監(jiān)控提供了安全保障。
③ 實用耐久：GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)適應(yīng)性極強，功能完善，性能穩(wěn)定可靠。
④ 管理方便：系統(tǒng)采用C++語言開發(fā)的大型檢測軟件，操作界面充滿人性化；可用于現(xiàn)地顯示與控制，還可以異地遠(yuǎn)程集中顯示，測量準(zhǔn)確，操作簡單，工作可靠，維修方便。
3.2 組成原理
GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)主要由傳感器檢測模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控通信模塊等部分組成，各部分具體原理分析如下：
3.2.1 傳感器檢測模塊
1）傳感器檢測的要求
GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)的控制對象為水位，由于水位參數(shù)的特性，使它受環(huán)境影響比較大，如果采用一般方法測量水位流量等，將無法達(dá)到精度要求；而且由于水閘現(xiàn)場工作環(huán)境較為復(fù)雜，單個傳感器獨立使用的場合很少，更多的是有多個傳感器同時應(yīng)用，來實現(xiàn)多參數(shù)的測量和多對象的控制。
因此，在GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)中，傳感器檢測模塊采用了多組多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為了防止采集的數(shù)據(jù)信號出現(xiàn)失真，由多個傳感器組成的檢測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足以下要求：① 能夠協(xié)作地實時監(jiān)控、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對信息進(jìn)行處理，獲得詳盡準(zhǔn)確的信息，并傳送這些信息到控制中心。② 為了增強操作性，傳感器網(wǎng)絡(luò)建立了開放的、分層的體系結(jié)構(gòu)。
2）數(shù)據(jù)采集PLC
① 可編程序控制器PLC的功能
數(shù)據(jù)采集的核心為PLC，由PLC進(jìn)行所有采集數(shù)據(jù)的處理，由傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)送入PLC輸入單元，經(jīng)過轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[4]；PLC按照設(shè)置的程序完成對水位流量的自動測量控制，實現(xiàn)水閘的自動控制、數(shù)據(jù)信息的傳送；系統(tǒng)能實時記錄數(shù)據(jù)。
② 可編程序控制器PLC的優(yōu)勢
采用PLC裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，操作簡單，系統(tǒng)運行安全、可靠、穩(wěn)定；通過可編程控制器為核心組成的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，自動化程度高、功能齊全，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、自動保護(hù)及信息傳遞等功能，能可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)自身故障診斷，判斷設(shè)備故障的狀況，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息；數(shù)據(jù)顯示功能為檢查和分析設(shè)備的運行情況提供依據(jù)，從而提高了綜合管理水平。
3）傳感器檢測模塊的組成
主要由浮子式水位計、壓力式水位計、雨量計、水位差計、XZK-3型無線閘門開度檢測儀、XHZ-3型閘門開度荷重測控儀、閘門開度傳感器、閘門荷重傳感器、閘門數(shù)據(jù)采集終端等組成，數(shù)據(jù)采集方面使用三菱PLC可編程控制器。
3.2.2 控制模塊
1）控制原理
GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)閘門控制的是水位和流量，由于水位流量值是具有較大滯后時間常數(shù)的控制對象，以往采用的位式或者連續(xù)控制等技術(shù)，控制質(zhì)量不高，存在很多問題，如超調(diào)量 大、穩(wěn)定時間 長等。為避免控制質(zhì)量不高的問題，在GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)中，采用了PID控制器來加強對水閘的控制。
PID控制器具有穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，當(dāng)水位流量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確時，即其它控制技術(shù)難以應(yīng)用時，水位流量數(shù)據(jù)參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定時，采用PID控制技術(shù)最為方便，PID控制器中比例項的主要作用是糾正偏差；積分項用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度；微分項的作用是減小系統(tǒng)的超調(diào)量，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2）PID控制器的參數(shù)整定
① 利用臨界比例法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定，步驟如下：
首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；
僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；
在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。
在實際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個經(jīng)驗值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改：
對于液位系統(tǒng)： （%）20-80， （分）15；
對于流量系統(tǒng)： （%）40-100， （分）0.11；
對于壓力系統(tǒng)： （%）30-70， （分）0.4-3。
② GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)PID控制器主要是由研華工控機WLB-268型遠(yuǎn)程測控終端機來實現(xiàn)的，主要包括AT89S51單片機、1片RAM6264、1片EEPROM2861A、用于8位LED顯示和鍵盤接口的可編程I/O接口芯片8255A，以及其他的必要的邏輯器件組成。
3.2.3 執(zhí)行模塊
1）執(zhí)行模塊工作原理
GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)的執(zhí)行模塊主要是控制連接水閘的電動機，當(dāng)控制系統(tǒng)的運行指令發(fā)出后，執(zhí)行模塊根據(jù)指令操作，完成水閘的啟閉控制，執(zhí)行模塊的好壞是直接影響整個系統(tǒng)的質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
① 閘門控制采用閉環(huán)控制方式，是應(yīng)用最為廣泛的控制方式，這種控制方式的控制精度較高，只要被控量偏離了給定值，系統(tǒng)就會自行糾偏，具有抑制內(nèi)外干擾對被控量的影響的能力，因此，閘門控制采用了閉環(huán)控制方式。
② GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)的執(zhí)行模塊工作原理：采用單片機作為智能控制器件，利用其精確定時能力，根據(jù)水閘行程 等于速度 與時間 的乘積關(guān)系，在預(yù)先設(shè)定控制高度 條件下，根據(jù)上升、下降、定位、鎖定等信息，計算出定時時間，自動完成水閘升降定位控制。
2）執(zhí)行模塊的組成
執(zhí)行模塊主要由一個12位的 轉(zhuǎn)換器、功率放大電路和電機組成。 轉(zhuǎn)換器接收來自單片機的控制信號，并轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)放大控制電動機的運行，從而達(dá)到控制水閘的目的。為提高轉(zhuǎn)換精度，采用分辨率為12的DAC1230，其輸出電流穩(wěn)定時間為 ，非線性誤差為0.018%FSR，功耗為20mW。
3.2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控通信模塊
監(jiān)控中心通過移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，采集的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)主動傳輸至水利調(diào)度中心，調(diào)度中心的控制機可以監(jiān)測現(xiàn)場的實時情況，并可以遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場水閘的開關(guān)，如果通信線路出現(xiàn)故障，能夠自動發(fā)出報警提示，采用GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵎绞?，很好地解決了制約水利控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸問題。通過GPRS遠(yuǎn)程設(shè)置和短信息設(shè)置功能，可以方便地對水情要素如水位、雨量、流量等環(huán)境數(shù)據(jù)的采集讀取，真正實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測和數(shù)據(jù)共享的功能。
GPRS模塊主要用于數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收以及短消息的接收；ARM模塊完成傳感器數(shù)據(jù)的編碼和TCP/IP封裝，控制GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，并接收和執(zhí)行監(jiān)控中心發(fā)送的控制命令；監(jiān)控中心為通過以太網(wǎng)卡連入Internet中的一臺具有固定IP的計算機，采用開發(fā)工具調(diào)用Winsock控件編寫監(jiān)控軟件，用于接收、處理和顯示各個監(jiān)控點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對監(jiān)控點發(fā)送控制命令。
GPRS模塊采用MC35，MC35模塊主要由射頻天線、內(nèi)部Flash、SRAM、GSM基帶處理器、匹配電源和一個40腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送AT指令。射頻天線實現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào)，以及外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換[5]。
4 結(jié)論
本文通過對GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)總體框架的研究和分析，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了系統(tǒng)的軟硬件的設(shè)計，包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳感器模塊，邏輯控制模塊，以及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)等，通過研究，實現(xiàn)了一個完整的水閘監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，減輕了運行人員的現(xiàn)場監(jiān)控量，提高了泵站自動化水平，GPRS閘位聯(lián)控系統(tǒng)系統(tǒng)將發(fā)揮其更加積極的社會經(jīng)濟效益。
參考文獻(xiàn)：
[1]黃寬、徐建政，VPN專網(wǎng)在GPRS配變監(jiān)測系統(tǒng)通信中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信，2004.08.
[2]王科峰，淺談GPRS時代的無線互聯(lián)[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2004，20.
[3]劉從新、袁建偉、曾維魯、龔國強，基于GPRS的分布式監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].電力系統(tǒng)通信，2004.08.
[4]張宇、楊彬、張遠(yuǎn)、肖文棟、許勇軍，GPRS移動通信網(wǎng)管系統(tǒng)研究[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報，2005.02.
[5]李建華、徐國章、李宏海，GPRS在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[A].中國自動化學(xué)會全國第九屆自動化新技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集[C].2004.
關(guān)鍵詞：AMR，CAN，總線，電力集中抄表系統(tǒng)，ARM，LPC2294
引言
隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，將眾多的計量點數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、處理已經(jīng)成為現(xiàn)實。自動抄表（the Automatic Meter Reading）技術(shù)，簡稱AMR，得益于八十年代的計算機技術(shù)，正成為抄表技術(shù)的發(fā)展趨勢。
1 電力集中抄表系統(tǒng)的構(gòu)成
本文提出的電力集中抄表系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：第一層是主站服務(wù)器，其主要作用是負(fù)責(zé)存儲多功能電表的數(shù)據(jù)、實現(xiàn)對儀表的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等功能。服務(wù)器安裝在客戶服務(wù)中心的抄表主站通過GPRS/GSM來查收各個多功能電表的相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)。第二層是集中器，集中器通過GPRS/GSM與主站服務(wù)器相連，通過CAN總線與第三層的采集終端相連。主要有兩項任務(wù)：一是完成與采集器的數(shù)據(jù)通信工作，向采集器下達(dá)電量數(shù)據(jù)凍結(jié)命令，定時循環(huán)接收采集器的電量數(shù)據(jù)，或根據(jù)系統(tǒng)要求接收某個電表或某組電表的數(shù)據(jù)。另外的任務(wù)就是根據(jù)系統(tǒng)要求完成與主站服務(wù)器的通信，將用戶用電數(shù)據(jù)等主站需要的信息傳送到主站數(shù)據(jù)庫中。第三層是采集器。在采集器中嵌入了各種標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約，可實現(xiàn)對各種各樣電表的采集。采集器可同時采集、存儲64塊電表的數(shù)據(jù)，采集器除了完成電表的電量數(shù)據(jù)采集工作以外，還要根據(jù)系統(tǒng)的要求完成與集中器之間的數(shù)據(jù)通信，將需要傳送的電量數(shù)據(jù)送到集中器中。系統(tǒng)信道包括GPRS/GSM 無線通信、CAN 總線。主站服務(wù)器與集中器之間的GPRS/GSM 無線通信，集中器與采集器之間采用CAN 總線通信。通過GPRS/GSM無線通信，能夠及時、方便地進(jìn)行系統(tǒng)的遠(yuǎn)程信息傳輸，與主站服務(wù)器實現(xiàn)信息交換；每臺集中器通過CAN總線，可以管理最多110 個采集器(CAN 節(jié)點)。
圖1 基于ARM 的CAN 總線的電力集中抄表系統(tǒng)示意圖
2 CAN 總線通信系統(tǒng)設(shè)計
2.1 CAN 總線簡介
CAN(ControllerArea Network)即控制器局域網(wǎng)，CAN總線是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。它最早是由德國Bosch公司推出的，CAN通信協(xié)議是一種用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，CAN總線已被廣泛應(yīng)用于各個自動化控制系統(tǒng)中。論文參考網(wǎng)。例如，在汽車電子、自動控制、智能大廈、電子系統(tǒng)、安防監(jiān)控等各領(lǐng)域中，CAN總線具有不可比擬的優(yōu)越性。本設(shè)計給出CAN總線節(jié)點方案。它采用內(nèi)置多路CAN總線控制器LPC2294作為主控制器，使得該節(jié)點體積小、功耗低、抗干擾性好，因而特別適用于汽車、工業(yè)控制以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯維護(hù)總線中。
2.2 CAN節(jié)點硬件電路組成
CAN節(jié)點硬件電路如圖2所示，由ARM微控制器LPC2294、CAN總線收發(fā)器TJA1050T、高速光耦6N137和電源隔離模塊B0505S等組成。
圖2 CAN節(jié)點硬件電路原理框圖
(1)控制器特點
本設(shè)計選用的LPC2294是PHILIPS公司新推出的一款功能強大的超低功耗的具有ARM7TDMI內(nèi)核的32位微控制器。論文參考網(wǎng)。論文參考網(wǎng)。144腳封裝、兩個32位定時器、八路10位ADC、四路CAN通道和PWM通道以及多達(dá)九個的外部中斷，內(nèi)部嵌入256K字節(jié)高速Flash存儲器和16K字節(jié)靜態(tài)RAM，包含76（使用了外部存儲器）～112（單片）個GPIO口。如此豐富的片上資源完全可以滿足一般的工業(yè)控制的需要，同時還可以減少系統(tǒng)硬件設(shè)計的復(fù)雜度。另外，LPC2294支持JTAG實時仿真和跟蹤、128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)，使32位代碼能夠在高達(dá)60MHz的操作頻率下運行。LPC2294內(nèi)部集成有四路CAN控制器：符合CAN規(guī)范CAN2.0B,ISO 11989-1標(biāo)準(zhǔn)：總線數(shù)據(jù)波特度均可達(dá)1Mbps；可訪問32位的寄存器和RAM；全局驗收過濾器可識別幾乎所有總線的11位和29位Rx標(biāo)識符；驗收過濾器為選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符提供了FullCAN-style自動接收功能。作為本設(shè)計的核心部件，LPC2294不僅擔(dān)起主控制器的作用，同時還作為CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點控制器，與網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與交換。
(2)收發(fā)器特點
收發(fā)器TJA1050T是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，它與“ISO 11898”標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。CANH和CANL理想配合，可使電磁輻射減到更低。除此之外，TJA1050T不上電時，總線呈現(xiàn)無源特性，這使得TJA1050T在性能上大大優(yōu)于以前的CAN總線收發(fā)器。TJA1050T有兩種工作模式：高速模式和靜音模式（它們由引腳“S”來控制）。在高速模式中，總線輸出信號有固定的斜率，并且以盡量快的速度切換。高速模式適用于最大位速度和最大總線長度的情況，而且此時其收發(fā)器循環(huán)延遲最小。靜音模式時發(fā)送器是禁能的。它不管TxD的輸入信號。靜音模式可以防止CAN控制器不受控制時對網(wǎng)絡(luò)通訊造成堵塞。
3 CAN 總線通信系統(tǒng)軟件設(shè)計
對于LPC2294微處理器來說，CAN控制器完全是基于事件觸發(fā)的，即在本身狀態(tài)發(fā)生改變時，CAN控制器會把狀態(tài)變化的結(jié)果告訴微處理器。因此中心微處理器可以采用中斷的方式或者輪詢的方式對CAN控制器做出相應(yīng)的處理。各CAN節(jié)點按規(guī)定格式和周期發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，同時根據(jù)需要各取所需報文。對于接收數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用中斷的方式實現(xiàn)，一旦中斷發(fā)生，即將接收的數(shù)據(jù)裝載到相應(yīng)的報文寄存器中。此時利用屏蔽濾波寄存器對接收報文的標(biāo)識符和預(yù)先在接收緩沖器初始化時設(shè)定的標(biāo)識符進(jìn)行有選擇地逐位比較，只有標(biāo)識符匹配的報文才能進(jìn)入接收緩沖器，那些不符合要求的報文將被屏蔽于接收緩沖器外，從而減輕CPU處理報文的負(fù)擔(dān)。
3.1 CAN 控制器初始化
初始化CAN控制器的操作包括：硬件使能、軟件復(fù)位、設(shè)置報警界限、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置驗收濾波器工作方式、設(shè)置工作模式并啟動CAN等。初始化程序如下：
HwEnCAN(CanNum)；//硬件使能，CanNum=0～3，指四路CAN控制器
SofiRstCAN(CanNum)；//軟件復(fù)位寄存器
CANEWL(CanNum).Bits.EWL_BIT=USE_EWL_CAN[CanNum]；//設(shè)錯誤警告界限
CANBTR(CanNum).Word=USE_BTR CAN[CanNum]；//初始化波特率
VICDefVectAddr=(UINT32)CANIntPrg；//初始化中斷為非向量中斷
VICIntEnable |=(1<<19)|(1<<(20+CanNum))|(1<<(26+CanNum))；
CANIER(CanNum)．Word= USE_INT_CAN[CanNum]；
CANAFMR.Bits.AccBP_ BIT=1；//配置驗收濾波器(旁路狀態(tài)，即屏蔽驗收濾波器)
CANMOD(CanNum).Bits.TPM_BIT=USE_TPMCAN[CanNum]；//初始化工作模式
CANMOD(CanNum).Bits.LOM_BIT=USE_MOD_CAN[CanNum];
SoftEnCAN(CanNum)；//啟動CAN
3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送
將待發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成符合CAN協(xié)議的幀格式后，便可寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動發(fā)送。在寫發(fā)送緩沖區(qū)前必須查詢其狀態(tài)。LPC2294中的每個CAN控制器有三個發(fā)送緩沖區(qū)，它們的狀態(tài)可通過查詢CANSR得知。只有當(dāng)其中有空閑的發(fā)送緩沖區(qū)時才可將數(shù)據(jù)寫入。在發(fā)送大量數(shù)據(jù)時，這一步顯得尤其重要，否則發(fā)送可靠性將不能保證。啟動發(fā)送成功后，只能通過查詢CANGSR的TCS位或配合發(fā)送成功中斷來判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。
3.3 數(shù)據(jù)接收
接收數(shù)據(jù)可采用查詢方式或中斷方式。在某一段時間內(nèi)，CAN總線并不總是在活動，為了提高效率，可采用中斷方式。在初始化程序中必須使能接收中斷。在中斷服務(wù)子程序中，讀取CANICR，判斷是否有接收中斷標(biāo)志，有則讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。為了防止接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)溢出，可開辟一個循環(huán)接收數(shù)據(jù)隊列來暫時存儲數(shù)據(jù)，主程序則通過查詢該隊列來獲得總線數(shù)據(jù)。
4 總結(jié)
基于ARM 的CAN 總線的電力集中抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信具有很強的實時性、可靠性和抗干擾性，該系統(tǒng)的樣機正在進(jìn)行掛網(wǎng)測試，以期通過研究和改進(jìn)，進(jìn)一步提高程序的通信處理、糾錯和容錯能力。
參考文獻(xiàn)
[1]栗玉霞,徐建政,劉愛兵.GPRS技術(shù)在自動抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備, 2003 (12): 52-54.
[2]李駒光等.ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)詳解。北京：清華大學(xué)出版社，2003..
[3]吳明輝.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，2004.
[4]周立功.ARM 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2005.
[5]CAN Specification Version 2.0, Part A and B, Philips Semiconductors,1992.
伴隨社會經(jīng)濟的全面進(jìn)程，新建成的樓宇設(shè)施也大量融合的科技元素，近年來集成化的樓宇設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)也被逐漸重視。例如電梯系統(tǒng)、配電系統(tǒng)與照明、供暖、制冷系統(tǒng)，上述集成化設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)在樓宇中具有非常重要的作用，經(jīng)對樓宇內(nèi)電氣設(shè)施的全面管理，能夠從根本深化電氣設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，同時為節(jié)約型社會的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：
集成化；樓宇電氣設(shè)備；監(jiān)控系統(tǒng)
1集成化的樓宇電氣設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀
自上世紀(jì)八十年代，樓宇電氣設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。此系統(tǒng)的構(gòu)建機制是依附于差異化功能系統(tǒng)予以區(qū)分，也就是電氣設(shè)備的構(gòu)建及管理分為兩個體系，同時設(shè)計以及施工直到完成所有過程，即經(jīng)差異化的施工單位所完成。這就導(dǎo)致了下述問題：（1）因為生產(chǎn)商存在差異，造成設(shè)備間出現(xiàn)不兼容現(xiàn)象，因此造成系統(tǒng)交互過程出現(xiàn)問題；（2）因為子系統(tǒng)的功能存在差異，同時系統(tǒng)之間存在獨立特性，造成資源在予以互換時出現(xiàn)問題。此類構(gòu)建舉措致使樓宇的電氣設(shè)備在使用環(huán)節(jié)存在隱患。所以集成化的樓宇電氣設(shè)備需要每一個子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)互同，協(xié)議與接口也要有統(tǒng)一的指標(biāo)，因此規(guī)避子系統(tǒng)互聯(lián)與硬件設(shè)施互操作所存在的弊病，達(dá)到資源與信息共享的目的。
2集成化的樓宇電氣設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
集成化的樓宇電氣設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的功能室能夠控制管理樓宇中的給排水、空調(diào)以及照明等電氣設(shè)施。為確保樓宇的電氣設(shè)備可靠運行，我們要深化軟硬件的穩(wěn)定性。舉例說明，為樓宇實施最簡單的供電及配電過程中，我們要保障電路與電流的穩(wěn)定。同時對升降壓設(shè)施溫度指標(biāo)，電流的穩(wěn)定性等因素都要予以實時的管理及檢測。為匹配于可持續(xù)發(fā)展的相關(guān)需要，樓宇要側(cè)重于節(jié)能減排，樓宇能耗主要來源于空調(diào)、照明以及供暖等電氣設(shè)施，為控制資源浪費，對集成化的樓宇電氣系統(tǒng)控制的研究勢在必行。舉例說明在樓宇內(nèi)，我們要對衛(wèi)生間、走廊以及停車場等地予以電路設(shè)計，可以擇取聲控傳感設(shè)備；同時擬定相匹配的電路監(jiān)測，予以各水位及壓力的控制，達(dá)到節(jié)能控制的基本要求；針對空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)計完善的啟動與停止控制系統(tǒng)，不但可以減少樓宇的負(fù)荷，同時可以達(dá)到節(jié)能減排的要求。
3集成化的樓宇電氣設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
集成化樓宇電氣設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，是把電氣監(jiān)控系統(tǒng)與智能化控制進(jìn)行有機的結(jié)合，自動檢測樓宇的基礎(chǔ)電氣設(shè)施，同時予以控制及保護(hù)，舉例說明，供配電系統(tǒng)的監(jiān)測，檢測過程可以利用通信系統(tǒng)的綜合性以及自動性，為信息與資源的共享奠定良好的基礎(chǔ)；而且，通過互聯(lián)網(wǎng)，對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的資源與予以全面利用，因此達(dá)到自動化與集成化的要求，可以很好的為信息集成提供依據(jù)；經(jīng)上述舉措，能夠?qū)崿F(xiàn)電氣設(shè)施的集成化管理，而且最大化的節(jié)能。在監(jiān)督合控制功能的基礎(chǔ)上，達(dá)到全面監(jiān)視樓宇內(nèi)電氣設(shè)備的工作情況，我們要予以參數(shù)采集。因為在實施參數(shù)收集與監(jiān)控要經(jīng)通信對參數(shù)予以傳輸，此措施不但有遠(yuǎn)程通信的優(yōu)勢，同時還具有一定的廣度。在此環(huán)節(jié)，要予以大量的參數(shù)處理。因為具有一定的監(jiān)控廣度，參數(shù)存在繁瑣的特性，所以不能只追求響應(yīng)速度，在求得響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上要確保全硬件的監(jiān)控有效性，而且，要保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
4集成化的樓宇電氣設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的一些建議
站在行業(yè)角度來分析，全面利用現(xiàn)前沿的技術(shù)，對常規(guī)技術(shù)實施改造。舉例說明，把信息技術(shù)與集成化技術(shù)進(jìn)行有機結(jié)合，對常規(guī)的電氣產(chǎn)業(yè)予以智能化的改造?？照{(diào)與配電設(shè)施經(jīng)改進(jìn)后會有自動監(jiān)測及控制功能；綜合建筑內(nèi)，把一些設(shè)備予以聯(lián)網(wǎng)改造，能夠達(dá)到集成化管理的要求。為匹配于科技的發(fā)展，一些生產(chǎn)廠房在予以樓宇電氣設(shè)備的生產(chǎn)過程中，進(jìn)行了一系列功能完善，其中包括空調(diào)的生產(chǎn)。在配電設(shè)施的智能化功能方面，能夠在常規(guī)的基礎(chǔ)上，深化智能化的檢測控制系統(tǒng)，這樣不但能夠具備基礎(chǔ)功能，還可以傳輸相關(guān)電量參數(shù)，同時予以遠(yuǎn)程控制設(shè)備。常規(guī)的空調(diào)設(shè)施以及配電設(shè)施等加裝智能化系統(tǒng)，所生產(chǎn)的產(chǎn)品本身具備智能化的監(jiān)控功能，在樓宇應(yīng)用過程，無需設(shè)置BA系統(tǒng)，僅將設(shè)備予以聯(lián)網(wǎng)，就能夠?qū)崿F(xiàn)集中管理的電氣設(shè)備自控系統(tǒng)?，F(xiàn)階段一些大型的樓宇電氣設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)以此為側(cè)重點予以研究，比如空調(diào)冷機廠商，目前的產(chǎn)品大部分均為具有智能化控制系統(tǒng)的設(shè)施，其控制設(shè)施能夠?qū)λ性O(shè)備予以整體的監(jiān)控，所控制的設(shè)備其中涵蓋冷水出口溫度、壓縮機、冷卻水出口溫度、冷水入口溫度、閥門開度、冷卻水入口溫度與冷凍泵等設(shè)施，經(jīng)整體開、?？刂?，達(dá)到啟動速度快與停機時間縮減的目的，可以解決耗能，深化了中央空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而且實施各機組間設(shè)備的啟、停具有連鎖及時間順序控制、相關(guān)機組運行時間自動調(diào)節(jié)，同時可以確保機組的穩(wěn)定運行，對相關(guān)數(shù)據(jù)予以了保護(hù)。對相關(guān)參數(shù)予以長久的在線儲存，構(gòu)建歷史報表以及歷史趨勢指標(biāo)。重要的參數(shù)能夠經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心，在控制中心予以遙控等操作，具有智能化特點，具備BA系統(tǒng)所有的監(jiān)控及管理功能，同時較之常規(guī)的樓控系統(tǒng)對設(shè)備的管理更為全面。舉例說明，智能化的開關(guān)配電設(shè)施，是在常規(guī)的開關(guān)柜上，予以智能化系統(tǒng)的完善，在常規(guī)配電柜的先決條件上架設(shè)了智能化的監(jiān)控模式，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)BA系統(tǒng)的電量參數(shù)傳輸以及交流接觸設(shè)備遠(yuǎn)程控制等功能，同時還具備常規(guī)BA系統(tǒng)所沒有的管理功能，其中包括故障錄波等，使設(shè)施趨于全智能化，同時使配電柜本身具備遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，這樣就能夠在中心控制室內(nèi)對配電設(shè)施予以整體性管理。在柜電柜、冷凍機以及電梯等設(shè)備上，現(xiàn)階段很多產(chǎn)品都已具有一定程度的智能化控制，不過在相關(guān)動力以及組合式空調(diào)機控制等，自身具備智能化系統(tǒng)的設(shè)施現(xiàn)階段還較少，如一臺組合式的中央空調(diào)機組，其予以室內(nèi)溫度以及濕度收集，同時和設(shè)定的溫度與濕度進(jìn)行對比，依附于公式，對相關(guān)加熱器、調(diào)節(jié)閥以及加濕器等設(shè)施予以控制，調(diào)節(jié)溫度、濕度，以達(dá)到相關(guān)需要，上述功能已然要利用加裝的BA系統(tǒng)完成。而很多空調(diào)及電氣設(shè)施在一幢大廈內(nèi)，具有分布零散的特性，所以，需要加裝安裝的BA系統(tǒng)對其予以整體的管理?？照{(diào)以及電氣設(shè)施制造企業(yè)在此類產(chǎn)品中，已然有一定的開發(fā)空間，所以要深化智能化系統(tǒng)在上述設(shè)備中的應(yīng)用價值。目前各廠商所開發(fā)具有智能化控制系統(tǒng)的樓宇電氣設(shè)備，在應(yīng)用環(huán)節(jié)，怎樣將相關(guān)電氣系統(tǒng)集中至一個建筑設(shè)施監(jiān)控體系的平臺中，是亟待解決的一個內(nèi)容。要達(dá)到相關(guān)電氣設(shè)備的集成，那么就要在研發(fā)智能樓宇電氣設(shè)備過程中，全面顧及到設(shè)備要具備一個指標(biāo)化的終端接口。例如產(chǎn)品接口支持微軟OPC功能，這是一類相對理想的解決措施。OPC功能能夠經(jīng)軟件在中央控制系統(tǒng)上對下屬系統(tǒng)OPC接口予以參數(shù)交互，僅需向集成用戶出示接口技術(shù)的相關(guān)規(guī)格以及說明即可，在此基礎(chǔ)上用戶經(jīng)接口軟件通過監(jiān)控系統(tǒng)對系統(tǒng)予以網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。只要在產(chǎn)品研發(fā)過程中顧及到此類接口功能，那各廠家的設(shè)施就可以十分方便的集成到一起，進(jìn)而達(dá)到建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)需要。擇取指標(biāo)化的現(xiàn)場總線技術(shù)實施樓宇電氣設(shè)備及集成，這也是未來發(fā)展的大趨勢。在研發(fā)樓宇電氣設(shè)備過程中，各電氣系統(tǒng)全部依附于指標(biāo)的現(xiàn)場總線技術(shù)予以設(shè)計，這樣能夠便捷各廠商的設(shè)備的集成。如通過LONWORKS技術(shù)的智能樓宇電氣設(shè)備，只要匹配于LONMARK認(rèn)證指標(biāo)，則相關(guān)系統(tǒng)就能夠很便捷的集成至一個平臺，進(jìn)而達(dá)到建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)需要。近年來有一些產(chǎn)品匹配于LONMAR論證，空調(diào)設(shè)備與配電系統(tǒng)等廠商在研發(fā)產(chǎn)品的過程，要盡可以應(yīng)用此技術(shù)。
5總結(jié)
綜上所述，為確保樓宇的電氣設(shè)備可靠運行，我們要深化軟硬件的穩(wěn)定性。舉例說明，為樓宇實施最簡單的供電及配電過程中，我們要保障電路與電流的穩(wěn)定。同時對升降壓設(shè)施溫度指標(biāo)，電流的穩(wěn)定性等因素都要予以實時的管理及檢測。為達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的相關(guān)需要，樓宇要側(cè)重于節(jié)能減排，樓宇能耗主要來源于空調(diào)、照明以及供暖等電氣設(shè)施，為控制資源浪費，對集成化的樓宇電氣系統(tǒng)控制的研究勢在必行。把電氣監(jiān)控系統(tǒng)與智能化控制進(jìn)行有機的結(jié)合，自動檢測樓宇的基礎(chǔ)電氣設(shè)施，同時予以控制及保護(hù)，舉例說明，供配電系統(tǒng)的監(jiān)測，檢測過程可以利用通信系統(tǒng)的綜合性以及自動性，為信息與資源的共享奠定良好的基礎(chǔ)；而且，通過互聯(lián)網(wǎng)，對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的資源與予以全面利用，因此達(dá)到自動化與集成化的要求，可以很好的為信息集成提供依據(jù)；經(jīng)上述舉措，能夠?qū)崿F(xiàn)電氣設(shè)施的集成化管理。因為在實施參數(shù)收集與監(jiān)控要經(jīng)通信對參數(shù)予以傳輸，此措施不但有遠(yuǎn)程通信的優(yōu)勢，同時還具有一定的廣度。在此環(huán)節(jié)，要予以大量的參數(shù)處理。因為具有一定的監(jiān)控廣度，參數(shù)存在繁瑣的特性，所以不能只追求響應(yīng)速度，在求得響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上要確保全硬件的監(jiān)控有效性?，F(xiàn)階段很多產(chǎn)品都已具有一定程度的智能化控制，不過在相關(guān)動力以及組合式空調(diào)機控制等，自身具備智能化系統(tǒng)的設(shè)施現(xiàn)階段還較少，如一臺組合式的中央空調(diào)機組，其予以室內(nèi)溫度以及濕度收集，同時和設(shè)定的溫度與濕度進(jìn)行對比，依附于公式，對相關(guān)加熱器、調(diào)節(jié)閥以及加濕器等設(shè)施予以控制，調(diào)節(jié)溫度、濕度，以達(dá)到相關(guān)需要，上述功能已然要利用加裝的BA系統(tǒng)完成?？照{(diào)與配電設(shè)施經(jīng)改進(jìn)后會有自動監(jiān)測及控制功能；綜合建筑內(nèi)，把一些設(shè)備予以聯(lián)網(wǎng)改造，能夠達(dá)到集成化管理的要求。為匹配于科技的發(fā)展，一些生產(chǎn)廠房在予以樓宇電氣設(shè)備的生產(chǎn)過程中，進(jìn)行了一系列功能完善，其中包括空調(diào)的生產(chǎn)。而很多空調(diào)及電氣設(shè)施在一幢大廈內(nèi)，具有分布零散的特性，所以，需要加裝安裝的BA系統(tǒng)對其予以整體的管理。在柜電柜、冷凍機以及電梯等設(shè)備上，現(xiàn)階段很多產(chǎn)品都已具有一定程度的智能化控制，不過在相關(guān)動力以及組合式空調(diào)機控制等，自身具備智能化系統(tǒng)的設(shè)施現(xiàn)階段還較少。要達(dá)到相關(guān)電氣設(shè)備的集成，那么就要在研發(fā)智能樓宇電氣設(shè)備過程中，全面顧及到設(shè)備要具備一個指標(biāo)化的終端接口。
參考文獻(xiàn)：
[1]宏文;消防電子產(chǎn)品和通信技術(shù)的研究基地——科研所研究成果介紹之二[J];消防科學(xué)與技術(shù);2015年04期
[2]河南金融管理干部學(xué)院計算機教研室陳學(xué)軍河南省華興建設(shè)監(jiān)理公司孫向陽;從模擬到數(shù)字[N];網(wǎng)絡(luò)世界;2013年
[3]馮玉萍;由天津萬麗賓館施工圖設(shè)計引發(fā)——對建筑施工圖設(shè)計細(xì)節(jié)問題的思考[J];工程建設(shè)與設(shè)計;2014年S1期
[4]吳成富;楊雪玲;李炳林;陳紹偉;當(dāng)前民用建筑施工圖設(shè)計中的常見問題與思考[J];廣東建材;2011年05期
[5]趙起升,朱靜孫,王平;智能建筑中的樓宇自動化設(shè)計及其應(yīng)用[J];華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版);2013年03期
[6]吳國松;周水興;顧安邦;立交橋異形塊集成CAD系統(tǒng)的開發(fā)思路和技術(shù)關(guān)鍵[A];中國土木工程學(xué)會橋梁及結(jié)構(gòu)工程學(xué)會第十三屆年會論文集（下冊）[C];2015年
[7]敖清;石洞;童頫;CAD專家系統(tǒng)工具ESTEA的初建——圖形功能與系統(tǒng)集成環(huán)境的實現(xiàn)[A];中國土木工程學(xué)會橋梁及結(jié)構(gòu)工程學(xué)會第十二屆年會論文集（下冊）[C];2012年
[8]齊笑;爭做一流的樓宇自控產(chǎn)品生產(chǎn)廠商——訪北京信和瑞豐科技有限公司總經(jīng)理姜永東[J];智能建筑;2013年02期
早在1988年，Peter Drucker就在《即將到來的新組織》一書中預(yù)言，“對一個組織來說，最重要的是該組織所擁有的知識資源，對其加以有效管理是組織成功的最關(guān)鍵因素。”[1]學(xué)術(shù)機構(gòu)是人才和知識的集中地，收集、管理、利用其成員在學(xué)術(shù)科研等多方面的高質(zhì)量數(shù)字信息資源，對增強機構(gòu)實力、贏取競爭優(yōu)勢等都具有重要意義。時至今日，各學(xué)術(shù)機構(gòu)成員可在互聯(lián)網(wǎng)上以各種方式發(fā)表、傳播和交流學(xué)術(shù)信息，這給組織、管理這部分信息帶來了相當(dāng)大的困難的同時，傳統(tǒng)出版模式的局限性也日趨明顯，不利于學(xué)術(shù)交流的開展。有鑒于此，2001年，俄亥俄州立大學(xué)的高級行政官員和該館館長布蘭寧(Joseph J.Branin)在探討開開發(fā)遠(yuǎn)程教育體系時，提出并著手建立俄亥俄州立大學(xué)知識庫(Ohio State University Knowledge Bank)，以保存該校師生員工的數(shù)字知識資源，這也成為機構(gòu)庫（Institutional Repository，以下簡稱IR）最初的雛形。2002年，麻省理工大學(xué)(Massachusetts Institute of Technology，MIT)和惠普公司(Hewlett-Packard Corporation)合作推出DSpace，宣告IR的正式誕生。同年，在“第六屆歐洲數(shù)字圖書館先進(jìn)技術(shù)研討會”上，MacKenzie Smith做了《DSpace：來自MIT圖書館和惠普實驗室的機構(gòu)庫》的學(xué)術(shù)報告，詳細(xì)介紹了DSpace的構(gòu)建原理、運行情況及在開放學(xué)術(shù)交流和數(shù)字資源長期保存中的重要作用[2]，這一報告引起了各國學(xué)者的關(guān)注，也促成了世界范圍內(nèi)關(guān)于IR的大規(guī)模理論與實踐研究。
2 機構(gòu)庫的定義
關(guān)于IR，目前尚無統(tǒng)一的定義，比較有代表性的兩種觀點是：
(1)美國網(wǎng)絡(luò)信息聯(lián)盟(Coalition for Networked Information)的常務(wù)董事Clifford Lynch認(rèn)為，IR是指大學(xué)為方便其共同體組織、整理、存儲和利用師生員工相關(guān)的數(shù)字知識資源而提供的一系列服務(wù)[3]。此定義強調(diào)IR的目的是為用戶提供一系列服務(wù)，但服務(wù)對象局限于IR所屬的機構(gòu)成員，服務(wù)的目的是協(xié)助大學(xué)共同體組織、利用其師生員工的數(shù)字知識資源。
(2)加拿大研究圖書館協(xié)會(Canadian Association of Research Libraries，CARL)則提出，所謂IR就是指搜集、存儲學(xué)術(shù)機構(gòu)成員的知識資源，并提供檢索的數(shù)字知識庫，同時認(rèn)為IR可以作為一個全球知識庫的子庫，為世界范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)用戶服務(wù)[4]。此定義認(rèn)為IR是一個聚集數(shù)字信息資源的知識庫，其資源對任何國家的所有網(wǎng)絡(luò)用戶開放，但該定義遺漏了一個重要的內(nèi)容，即IR中的絕大部分資源可免費獲取。
據(jù)此，筆者認(rèn)為：所謂IR，就是以搜集、組織、存儲學(xué)術(shù)機構(gòu)（大學(xué)、大學(xué)共同體等）相關(guān)數(shù)字知識資源為主要任務(wù)，并將其中絕大部分資源對任何網(wǎng)絡(luò)用戶免費開放的知識庫。
3 機構(gòu)庫產(chǎn)生的原因及其主要特點
2.1 機構(gòu)庫產(chǎn)生的原因
IR之所以在人類剛跨進(jìn)21世紀(jì)的時候興起，原因是多方面的，但最為根本的原因在于：
(1)網(wǎng)絡(luò)給信息組織帶來的困難。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，學(xué)術(shù)機構(gòu)成員可以通過各種方式（如個人網(wǎng)站、blog等）在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)表、傳遞各種學(xué)術(shù)信息資源，據(jù)MIT的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表示，43%的學(xué)者會把預(yù)印本(preprint)上載到個人網(wǎng)站上，60%的人則通過e-mail傳遞預(yù)印本文獻(xiàn)[5]。發(fā)表、傳遞方式的多樣性雖然在一定程度上促進(jìn)了學(xué)術(shù)交流，但由于這些方式的隨意性太強，使得搜集、組織、存儲、利用某一學(xué)術(shù)機構(gòu)的知識資源就相當(dāng)困難，給相關(guān)機構(gòu)造成難以估量的損失。這也是建立IR最根本的原因。
(2)傳統(tǒng)的期刊出版模式帶來了學(xué)術(shù)交流障礙。近年來，隨著出版機構(gòu)的兼并和商業(yè)化，期刊價格大幅度攀升，大大超過了圖書館經(jīng)費所能承受的范圍。美國研究圖書館協(xié)會(Association of Research Libraries，ARL)的統(tǒng)計表明，在1986-2000年之間，科學(xué)、技術(shù)和醫(yī)學(xué)方面的學(xué)術(shù)期刊價格增長了226%，同期商品零售價格指數(shù)增長幅度為57%，在此期間，圖書館購買期刊的經(jīng)費增長了192%，但購買的期刊品種卻下降了7%[6]。雖然圖書館也嘗試通過館際互借、加大數(shù)據(jù)庫的購買力度、遠(yuǎn)程文獻(xiàn)傳遞等措施來緩解經(jīng)費短缺的壓力，但效果并不理想，也沒有從根本上解決學(xué)術(shù)交流的問題，從而促使人們思考傳統(tǒng)的期刊出版模式之不足，并探討新的方式以促進(jìn)學(xué)術(shù)交流。
(3)網(wǎng)格技術(shù)和開放源代碼的推動。網(wǎng)格計算源于元計算(Metacomputing)，其初衷是將分布的多臺超級計算機連接成為一個可遠(yuǎn)程控制和訪問的元計算系統(tǒng)，網(wǎng)格體系根據(jù)高速和共享兩大特征，正在不斷向基于更大的網(wǎng)、共享更多的資源、構(gòu)建更大的計算能力的目標(biāo)邁進(jìn)。網(wǎng)格技術(shù)將有助于解決大并發(fā)量訪問、海量信息檢索以及資源共享等方面的技術(shù)問題。而開放源代碼的意義則在于將人類大量寶貴的創(chuàng)造力從“重復(fù)創(chuàng)造”中解放出來。近年來，開放源代碼在數(shù)字圖書館領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍。美國的OCLC，英國的UKOLN，以及新西蘭的DL項目都是圖情領(lǐng)域推動開放源代碼應(yīng)用的代表[7]。網(wǎng)格技術(shù)和開放源代碼為IR的建立奠定了關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)，使IR思想的實現(xiàn)和快速發(fā)展成為可能。
3.2 機構(gòu)庫的特點
(1)綜合性。IR不僅包括常見的研究性學(xué)術(shù)資源，如期刊論文、電子預(yù)印文本、技術(shù)報告、會議論文、學(xué)位論文、數(shù)據(jù)庫及數(shù)字圖書館資源，還包括部分學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)庫所不收錄但又具有較高價值的資源，如工作文件、圖像、音頻和視頻文件、學(xué)習(xí)資料等[8]。這樣IR即可全面系統(tǒng)地反映所屬學(xué)術(shù)機構(gòu)的教學(xué)和科研成果，不僅有利于分析自身教學(xué)、科研的優(yōu)勢與不足，衡量現(xiàn)有的研究水平和明確今后的發(fā)展方向，還可作為對外展示其綜合實力的窗口，以提高該學(xué)術(shù)機構(gòu)的知名度和影響力。
關(guān)鍵詞：強化培訓(xùn)；光學(xué)工程；虛擬儀器
中圖分類號：G642.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671―1580（2014）01―0046―03
一、引言
碩士研究生教育是我國教育體系中培養(yǎng)高層次人才的重要環(huán)節(jié)，肩負(fù)著培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新性人才的重任，對于提高我國綜合實力和實現(xiàn)民族復(fù)興有著至關(guān)重要的影響。我國碩士研究生教育經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在教學(xué)觀念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等方面有了長足進(jìn)步，取得了斐然的成績，培養(yǎng)了大批優(yōu)秀專業(yè)人才。碩士研究生教育是由基礎(chǔ)課程教學(xué)、課程考核、社會實踐和學(xué)位論文等諸多環(huán)節(jié)組成的一個縝密、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹R架構(gòu)和體系，它直接服務(wù)于研究生培養(yǎng)目標(biāo)。為了提升碩士研究生培養(yǎng)質(zhì)量，各研究生培養(yǎng)單位采取優(yōu)化頂層設(shè)計、深化教學(xué)內(nèi)容改革、豐富教學(xué)方法和強化學(xué)位論文研究等多種手段。
國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)為推進(jìn)研究生培育機制創(chuàng)新，深化教學(xué)模式改革，促進(jìn)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)啟動了“碩士研究生強化培訓(xùn)計劃”。計劃以滿足“拔尖創(chuàng)新人才成長需求，以夯實數(shù)理基礎(chǔ)，培養(yǎng)實踐技能，提升外語水平，拓展學(xué)術(shù)視野，強化創(chuàng)新能力”為主要著眼點，進(jìn)行專題性強化培養(yǎng)，為拔尖創(chuàng)新人才脫穎而出奠定基礎(chǔ)。本論文以主要面向光學(xué)工程專業(yè)碩士研究生的《虛擬光電儀器與綜合實驗》強化培訓(xùn)課程建設(shè)實踐為例，從碩士研究生強化培訓(xùn)課程設(shè)立的必要性、教學(xué)內(nèi)容選擇和教學(xué)過程應(yīng)注意問題等幾個方面探索碩士研究生強化培訓(xùn)課程建設(shè)。
二、碩士研究生強化培訓(xùn)課程設(shè)立的必要性
多年來，國內(nèi)研究生培養(yǎng)單位對碩士研究生課程教育進(jìn)行了有益的創(chuàng)新和改革，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式方面取得了巨大的進(jìn)步，但是仍然存在一些不足。首先，碩士研究生課程學(xué)習(xí)中知識性課程仍偏多，實踐性課程偏少。我校光學(xué)工程一級學(xué)科碩士研究生培養(yǎng)方案中課程學(xué)習(xí)要求24個學(xué)分，其中實驗課程僅3個學(xué)分，可選的課程也只有2門。這導(dǎo)致一般碩士研究生在專業(yè)實踐能力上培訓(xùn)不足，在進(jìn)入課題研究時，對專業(yè)研究所需的重要手段、實驗儀器和實驗技術(shù)掌握不夠，致使部分研究生課題開展前期進(jìn)展緩慢。其次，課程設(shè)置普遍性較強，針對性不夠。近年來，國內(nèi)研究生培養(yǎng)單位鼓勵跨學(xué)科人才培養(yǎng)，碩士研究生的來源比本科生和博士生都要復(fù)雜，學(xué)生經(jīng)歷也千差萬別。有些學(xué)生在本科階段即經(jīng)過了創(chuàng)新實踐訓(xùn)練，動手能力較強，而有些學(xué)生則完全沒有基礎(chǔ)?？鐚I(yè)報考學(xué)員對本專業(yè)知識了解較少，部分導(dǎo)師會要求學(xué)生選修部分本科生課程來彌補專業(yè)知識的缺失。面對不同知識結(jié)構(gòu)和能力層次的生源，我們?nèi)狈σ虿氖┙痰慕虒W(xué)內(nèi)容和方案設(shè)計。第三，教學(xué)內(nèi)容與前沿技術(shù)脫節(jié)。碩士研究生課程內(nèi)容以基礎(chǔ)專業(yè)知識為主，雖然有部分涉及學(xué)科前沿的800級課程，但多為介紹性質(zhì)，而相應(yīng)的研究手段、測試技術(shù)以及實驗方法幾乎沒有涉及。碩士研究生了解和掌握的學(xué)科研究技術(shù)與實驗室實際使用的技術(shù)存在較大差別。
產(chǎn)生以上不足的主要原因是：現(xiàn)有課程體系靈活性不足，培養(yǎng)方案與教學(xué)內(nèi)容改革通常要求一定的穩(wěn)定性，改革還具有一定的周期性，因此最新的學(xué)科發(fā)展成果不可能及時在教學(xué)中得到體現(xiàn)；其次，研究生進(jìn)入課題后的研究方向比較分散，不是所有學(xué)員都對某方面技術(shù)感興趣，組織開課比較困難；另外，最新的科學(xué)儀器和實驗技術(shù)通常價格昂貴、數(shù)量有限，科研工作安排也非常繁重，科研人員一般不愿將其投入到教學(xué)中去。
但是我校碩士研究生的研究課題通常以教研室當(dāng)前項目為依托，一般要應(yīng)用到最新的實驗儀器、測試手段和研究方法。而這些學(xué)員又沒有得到培訓(xùn)，這就造成了課程學(xué)習(xí)與課題研究之間的脫節(jié)。學(xué)員需要較長時間，通過邊干邊學(xué)的形式逐步掌握。但是這種方法的不足是培訓(xùn)效率低，學(xué)員進(jìn)入角色慢，加之碩士研究生課題研究時間有限，在掌握專門技術(shù)后用于真正課題研究的時間就不足了。我們調(diào)研了英國南安普頓大學(xué)的光電研究中心和加拿大渥太華大學(xué)的物理系對研究生的培養(yǎng)情況，發(fā)現(xiàn)他們研究生跨學(xué)科的現(xiàn)象較為普遍，但是不少跨學(xué)科研究生可以在較短的時間內(nèi)進(jìn)行獨立研究，并取得較好的成績，這與他們在研究生入學(xué)后的專題技術(shù)培訓(xùn)有關(guān)。他們采取的措施是針對研究生課題研究中可能用到的實驗技術(shù)和科學(xué)儀器，結(jié)合前沿研究內(nèi)容開展集中培訓(xùn)。該培訓(xùn)既可以讓學(xué)員在短時間內(nèi)對研究室的研究內(nèi)容有一個深入了解，又可掌握最新的實驗技術(shù)和科學(xué)儀器。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不僅可以對以往知識進(jìn)行復(fù)習(xí)整理，更重要的是可以學(xué)習(xí)如何將所學(xué)知識應(yīng)用到實踐中去解決問題，同時對知識的了解更加深刻，因此學(xué)生學(xué)習(xí)積極性很高。
三、碩士研究生強化培訓(xùn)課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計及案例分析
1.基礎(chǔ)性
強化培訓(xùn)課程雖然是一種專題培訓(xùn)，但目標(biāo)是針對特定學(xué)生群體的能力培養(yǎng)，而不僅僅是教一些具體的技巧。同時為了擴大收益面，應(yīng)盡量選擇適合面更廣的教學(xué)內(nèi)容。我們在《虛擬光電儀器與綜合實驗》碩士研究生強化培訓(xùn)課程內(nèi)容選擇過程中，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雖然我們光學(xué)工程的學(xué)員在本科階段都學(xué)習(xí)過c、fortran等編程語言，但不少學(xué)員從來沒有利用這些語言解決一個實踐問題。究其原因是因為這些語言與硬件結(jié)合困難，例如在實際工作中學(xué)員往往會選用單片機、DSP或FPGA來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，完成這一任務(wù)需經(jīng)歷硬件知識學(xué)習(xí)、電路制作及軟件編程等幾個階段，同時要開發(fā)硬件，導(dǎo)致開發(fā)周期長，甚至?xí)尣糠謱W(xué)員望而卻步。虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。LabVIEW是集成高效軟件和模塊化硬件的開發(fā)平臺，可以充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴展性強和開發(fā)時間短的優(yōu)勢。碩士研究生如果掌握了基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)，配合必要的硬件模塊，對于完成課題研究將會有很大幫助。因此，我們選擇基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)作為強化培訓(xùn)課程的基礎(chǔ)內(nèi)容，并以此為基礎(chǔ)開展專業(yè)實驗儀器和測量技術(shù)的教學(xué)工作。
2.實踐性
在目前，我國研究生教育的教學(xué)方式主要以課堂授課為主，多認(rèn)同性而缺乏創(chuàng)造性。分析原因，除了長期“單向灌輸式”教育方式的慣性外，硬件制約也是非常重要的因素。一方面研究生專業(yè)方向多，實驗儀器要求多樣，使得配備實驗設(shè)備困難。加之儀器設(shè)備更新速度較快，易使實驗設(shè)備過時。另一方面，這些年碩士研究生招生規(guī)模不斷擴大，使得實驗條件更難滿足需求，最終導(dǎo)致碩士研究生教學(xué)的實踐性較差?！短摂M光電儀器與綜合實驗》強化培訓(xùn)課程的目的就是要培養(yǎng)碩士研究生的創(chuàng)新實踐能力，為開展研究生課題研究奠定技術(shù)基礎(chǔ)，因此非常重視實踐性，要求每次課都有操作或練習(xí)內(nèi)容。利用虛擬儀器技術(shù)的模塊化硬件可以大大降低學(xué)生實踐操作所需的成本，縮短實驗的時間。在講授數(shù)據(jù)采集技術(shù)時，我們購置了一批NI公司的MyDAQ多功能數(shù)據(jù)采集卡，并結(jié)合實驗室已有數(shù)據(jù)采集設(shè)備，保證上課的學(xué)生都可以動手操作，甚至可以把設(shè)備帶回去繼續(xù)練習(xí)。在儀器控制與遠(yuǎn)程通訊教學(xué)過程中，我們?yōu)閷W(xué)員筆記本電腦配備了USB轉(zhuǎn)RS232數(shù)據(jù)線，使學(xué)員不僅可以相互之間進(jìn)行串口通訊，還可以帶回實驗室對光電儀器進(jìn)行通訊和遠(yuǎn)程控制練習(xí)。
3.針對性
針對性是強化培訓(xùn)課程的重要指標(biāo)。強化培訓(xùn)課程教授的內(nèi)容應(yīng)該是針對傳統(tǒng)課題教學(xué)的薄弱環(huán)節(jié)、研究生創(chuàng)新實踐能力方面的短板進(jìn)行有益的加強。我校光學(xué)工程碩士研究生在計算機測試應(yīng)用能力方面存在不足，一般學(xué)員只能利用計算機進(jìn)行數(shù)值模擬或數(shù)據(jù)處理，但是不會用計算機進(jìn)行信號采集、信號處理和設(shè)備控制?！短摂M光電儀器與綜合實驗》強化培訓(xùn)課程主要針對碩士研究生計算機測試應(yīng)用能力不足，利用虛擬儀器技術(shù)，并結(jié)合典型光電測試系統(tǒng)開展信號采集、數(shù)據(jù)處理和儀器遠(yuǎn)程控制方面的培訓(xùn)。
4.前沿性
我國研究生教育非常注重前沿性，一方面要求課堂教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上與時俱進(jìn)，另外開設(shè)專門課程介紹學(xué)科前沿技術(shù)。但是，一般課程教學(xué)以前沿技術(shù)理論介紹為主，對最新的實驗儀器、測試手段和研究方法涉及較少。不少碩士研究生會感覺當(dāng)前科技很先進(jìn)，但是自己掌握的手段很落后，很難完成課題研究。其實，我校光學(xué)工程學(xué)科通過985和211項目的支持，已經(jīng)建成了非?，F(xiàn)代化的實驗室，各種先進(jìn)實驗儀器已頻繁地在科研中得以應(yīng)用，《虛擬光電儀器與綜合實驗》強化培訓(xùn)課程的一項重要任務(wù)就是向?qū)W員介紹一些常用先進(jìn)光電儀器的操作和應(yīng)用。
四、《虛擬光電儀器與綜合實驗》研究生強化培訓(xùn)課程實施
1.招收確實需要的學(xué)員
強化培訓(xùn)課程是面向各個學(xué)科方向的有特定需求的學(xué)員開設(shè)的專題選修課，目的是提升他們的創(chuàng)新實踐能力，尤其是在課題研究中所需的能力的提升。比如，生物學(xué)方面的學(xué)生希望采用光學(xué)的方法進(jìn)行相關(guān)課題研究，這種強化培訓(xùn)課程對他們是十分有益的。因此，我們采取廣泛宣傳和導(dǎo)師推薦相結(jié)合的方式進(jìn)行招生。我們通過宣傳讓學(xué)員和導(dǎo)師準(zhǔn)確地知道本強化培訓(xùn)課程的定位和教學(xué)內(nèi)容，學(xué)員根據(jù)自己能力提升或課題研究需要，并經(jīng)導(dǎo)師同意后申請報名。通過這種形式，基本保證學(xué)員都是帶著目的來學(xué)的，不要浪費學(xué)員自己的時間和寶貴的教學(xué)資源。
2.實踐環(huán)節(jié)成為課程主題
強化培訓(xùn)課程是針對碩士研究生某方向能力的專題培訓(xùn)，目的是要在有限的時間內(nèi)使學(xué)員的實踐能力得以提升，并具備在后續(xù)課題研究中應(yīng)用的能力，因此實踐性尤為重要?！短摂M光電儀器與綜合實驗》課程的主要目的是使學(xué)員掌握光學(xué)工程相關(guān)研究中的數(shù)據(jù)采集、儀器控制、基本信號處理和簡單控制反饋方法，因此每次課我們都安排了課堂練習(xí)。比如在數(shù)據(jù)采集教學(xué)過程中，我們配備了數(shù)據(jù)采集卡給學(xué)員，讓他們在課堂上對實際信號進(jìn)行采集；在儀器控制教學(xué)過程中，我們利用USB轉(zhuǎn)RS232數(shù)據(jù)線，讓學(xué)員實現(xiàn)相互之間的計算機通訊和與多種光電儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。最后我們還設(shè)計了光纖邁克爾遜干涉儀，要求學(xué)員利用學(xué)習(xí)的知識實現(xiàn)信號調(diào)制、數(shù)據(jù)采集、信號處理和報告生成完整過程，充分體驗科研實踐的全過程。
3.解決學(xué)員的實際問題，提高學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性
虛擬儀器技術(shù)不僅具有強大的功能，而且具有巨大的靈活性，可以解決碩士研究生課題研究中的絕大部分問題。如果一門課程可以解決學(xué)員在實際工作中遇到的問題，將極大地提高學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性，并能引發(fā)學(xué)員探索鉆研的興趣。因此，我們在開課初期就對學(xué)員征集科研過程中的工程問題，通過對問題的整理，我們提煉出典型案例，并給出初步解決方案，在課堂上進(jìn)行分析，讓學(xué)員知道哪些課程內(nèi)容可以解決相應(yīng)問題。比如，有學(xué)員提出多光路大功率激光泵浦的安全監(jiān)測問題，我們設(shè)計了用NI6251對32路溫度傳感器進(jìn)行同步采樣，通過LabVIEW平臺進(jìn)行信號處理，并用電腦內(nèi)部音頻輸出設(shè)備發(fā)出報警信號的方案。還有同學(xué)提出如何對飛秒激光器相位補償單元進(jìn)行控制的問題，結(jié)合系統(tǒng)的硬件條件我們提出了利用LabVIEW圖像處理插件進(jìn)行誤差量解算，再通過多功能卡輸出控制電平調(diào)整相位補償單元的方案，學(xué)員對整個工作豁然開朗，明白了自己的核心工作應(yīng)該在誤差信號的解算上，其他問題通過虛擬儀器技術(shù)就可以完全解決。學(xué)員帶著問題來學(xué)習(xí)，主動性會大幅增強，問題得到解決后成就感也較高，教學(xué)效果明顯好于灌輸式教學(xué)方法。
五、結(jié)束語
碩士研究生強化培訓(xùn)課程是研究生培養(yǎng)體系改革的重要創(chuàng)新探索，通過專題培訓(xùn)的方式可以對碩士研究生能力薄弱方面進(jìn)行針對性訓(xùn)練，使研究生的創(chuàng)新實踐能力得到全面提升。本文以《虛擬光電儀器與綜合實驗》碩士研究生強化培訓(xùn)課程的建設(shè)為例，探討了碩士研究生強化培訓(xùn)課程建設(shè)應(yīng)該重視的特點及在課程教學(xué)過程中應(yīng)該把握的重點，為碩士研究生強化培訓(xùn)課程建設(shè)提供一定的參考。
[參考文獻(xiàn)]
[1]陳述，龍云飛.本科生與研究生儀器分析實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)[J].當(dāng)代教育理論與實踐，2011（03）.
[2]王慶，蔣小滿，張斌榮.地方綜合性大學(xué)碩士研究生課程體系構(gòu)建的思考與探索[J].當(dāng)代教育論壇，2010（03）.
[3]林軍，鄧艷，王昆.對全日制專業(yè)學(xué)位研究生課程體系設(shè)置的思考[J].吉林省教育學(xué)院學(xué)報，2012（05）.
論文摘要：機電一體化是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。此簡述機電一體化技術(shù)的基本情況和發(fā)展背景，綜述國內(nèi)外機電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀，分析機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢。
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，工程領(lǐng)域的技術(shù)改造與革命。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入以“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。
1機電一體化概述
機電一體化是指在機構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。
機電一體化發(fā)展至今已經(jīng)成為一門有著自身體系的新型學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。但其基本特征可概括為：機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)及電力電子技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)要求，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)，則成為一個機電一體化系統(tǒng)或機電一體化產(chǎn)品。因此，“機電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面。機電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機融合的一種綜合技術(shù)，而不是機械技術(shù)、微電子技術(shù)及其它新技術(shù)的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機械工程技術(shù)由純技術(shù)發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機械，其主要功能依然是代替和放大的體系。但是，發(fā)展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還被賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調(diào)節(jié)與控制、自動診斷與保護(hù)等。也就是說，機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸，智能化特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別。
2 機電一體化的發(fā)展?fàn)顩r
機電一體化的發(fā)展大體可以分為三個階段：（1）20世紀(jì)60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這一時期，人們自覺不自覺地利用電子技術(shù)的初步成果來完善機械產(chǎn)品的性能。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，這些機電結(jié)合的軍用技術(shù)，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復(fù)起到了積極的作用。那時，研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當(dāng)時電子技術(shù)的發(fā)展尚未達(dá)到一定水平，機械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不可能廣泛和深入發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣。（2）20世紀(jì)70-80年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時期，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機的出現(xiàn)，為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。這個時期的特點是：mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)；機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；各國均開始對機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給予很大的關(guān)注和支持。（3）20世紀(jì)90年代后期，開始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段，機電一體化進(jìn)入深入發(fā)展時期。一方面，光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入機電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支。
我國是從20世紀(jì)80年代初才開始進(jìn)行這方面的研究和應(yīng)用。國務(wù)院成立了機電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組，并將該技術(shù)列入“863計劃”中。在制定“九五”規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關(guān)于機電一體化技術(shù)的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構(gòu)及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用做了大量的工作，取得了一定成果。但與日本等先進(jìn)國家相比，仍有相當(dāng)差距。
3 機電一體化的發(fā)展趨勢
機電一體化是集機械、電子、光學(xué)、控制、計算機、信息等多學(xué)科的交叉綜合，它的發(fā)展和進(jìn)步依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。機電一體化的主要發(fā)展方向大致有以下幾個方面：
3．1 智能化
智能化是21世紀(jì)機電一體化技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機電一體化的研究中日益得到重視，機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應(yīng)用之一。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運籌學(xué)、計算機科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)等新思想、新方法，使它具有判斷推理、邏輯思維及自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。誠然，使機電一體化產(chǎn)品具有與人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速度的微處理器使機電一體化產(chǎn)品賦有低級智能或者人的部分智能，則是完全可能而且必要的。 轉(zhuǎn)貼于
3．2 模塊化
模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機械接口、電氣接口、動力接口和環(huán)境接口等的機電一體化產(chǎn)品單元是一項十分復(fù)雜但又非常重要的事情。如研制集減速、智能調(diào)速、電機于一體的動力單元，具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的控制單元，以及各種能完成典型操作的機械裝置等。有了這些標(biāo)準(zhǔn)單元就可迅速開發(fā)出新產(chǎn)品，同時也可以擴大生產(chǎn)規(guī)模。為了達(dá)到以上目的，還需要制定各項標(biāo)準(zhǔn)，以便于各部件、單元的匹配。
3．3 網(wǎng)絡(luò)化
由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機電一體化產(chǎn)品?，F(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢，利用家庭網(wǎng)絡(luò)(home net)將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(tǒng)(computer integrated appliance system，CIAS)，能使人們呆在家里就可分享各種高技術(shù)帶來的便利與快樂。因此，機電一體化產(chǎn)品無疑將朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
3．4 微型化
微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積小，耗能少，運動靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有無可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術(shù)。微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。
3．5 環(huán)?；?/p>
工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來巨大變化。一方面，物質(zhì)豐富，生活舒適；另一方面，資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。于是，人們呼吁保護(hù)環(huán)境資源，回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運而生，綠色化是時代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類健康的要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，資源利用率極高。設(shè)計綠色的機電一體化產(chǎn)品，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景。機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指，使用時不污染生態(tài)環(huán)境，報廢后能回收利用。
3．6 系統(tǒng)化
未來的機電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，機電一體化的人格化有兩層含義：一層是如何賦予機電一體化產(chǎn)品人的智能、情感、人性等等，顯得越來越重要，特別是對家用機器人，其高層境界就是人機一體化；另一層是模仿生物機理，研制出各種機電一體化產(chǎn)品。事實上，許多機電一體化產(chǎn)品都是受動物的啟發(fā)而研制出來的。
綜上所述，機電一體化的出現(xiàn)不是孤立的，它是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求和產(chǎn)物。當(dāng)然，與機電一體化相關(guān)的技術(shù)還有很多，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)相互融合的趨勢將越來越明顯，機電一體化技術(shù)的發(fā)展前景也將越來越光明。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：會話初始化協(xié)議；私網(wǎng)；公網(wǎng)；應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)
中圖分類號：TP393.08文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
DISCUSSING AND DESIGN OF SIP ALG
ZHENG Chang-bo1, ZHANG Han-jie1, CHEN Xiao-liang1, LIU Cui-fang1
(1.Guangzhou University SonTan College, Guangzhou, China 511370)
Abstract: It’s hard for the network based on SIP like digtal home network to pass NAT/FireWall, this paper has analyze the characteristic of SIP, it’s give the method “Application Layer Gateway (ALG)” based on SIP to pass NAT/Firewall. This paper discussing and analyzing the ALG, and accomplish it at last.
Key words: SIP; private network; public network; ALG
引言
SIP (Session Initiation Protocol)稱為會話初始協(xié)議[1][4]，是一個與HTTP和SMTP類似的、基于文本的協(xié)議，SIP獨立于傳輸層協(xié)議和其它會話控制協(xié)議，可以與其他協(xié)議（如RSVP，RTSP等）一起構(gòu)建多媒體通信系統(tǒng)如智能家居網(wǎng)絡(luò)、視頻會議[2]等。
NAT/防火墻（FW）為私網(wǎng)提供統(tǒng)一的對外出口，從而隱藏內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高了私網(wǎng)的安全性[3]。但這也給私網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制應(yīng)用帶來很大的麻煩。對于NAT，其功能是在公網(wǎng)IP地址及端口和私網(wǎng)IP地址及端口間進(jìn)行映射，工作在傳輸層，它只對TCP/UDP包頭中的地址、端口進(jìn)行修改，而SIP協(xié)議需要在信令消息中內(nèi)嵌IP地址和端口號[5]，這些地址、端口在應(yīng)用層上才可見，因此NAT不會對其中的地址信息進(jìn)行修改，導(dǎo)致信令消息中的IP地址和端口不能指向正確的地址，因而通信也不能正常進(jìn)行；對于FW，對公網(wǎng)打開的端口通常是固定的(Fw不會在運行過程中動態(tài)的打開或者關(guān)閉這些端口)，且數(shù)目有限。而基于SIP構(gòu)建的私網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制應(yīng)用要求FW不但能夠提供對信令協(xié)議的功能，而且要求FW能夠在通信過程中動態(tài)的打開一些端口進(jìn)行媒體流數(shù)據(jù)的交流，現(xiàn)有的FW難以滿足這個要求。
鑒于上述原因，本文提出了“SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)”技術(shù)，并將其應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信中來建立相對合理、完善的SIP網(wǎng)絡(luò)，以解決SIP私網(wǎng)遠(yuǎn)程控制中穿越NAT/FireWall的難題。
SIP私網(wǎng)穿越NAT/防火墻方法分析
由于所有NAT和Firewall都是對于TCP/IP層以下進(jìn)行處理和過濾的，而SIP是應(yīng)用層控制信令協(xié)議，SIP與下面的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議無關(guān)。所以必須采用其他的途徑來解決基于SIP的私網(wǎng)穿越NAT/防火墻這一問題，主要有以下不同的解決方案：1.UpnP（通用即插即用）；2.TURN(Traversal Using Relay NAT)；3.STUN(Simple Traversal of UDP Through network Address Translators)；4.ALG(Application Layer Gateway，應(yīng)用層網(wǎng)關(guān))。
其中前3種都是由SIP Client(包括UA和Proxy)通過某種手段或協(xié)議在INVITE之前獲取自己的公網(wǎng)地址和端口。需要SIP Client提供額外支持，并且也不適應(yīng)所有的NAT方式。ALG(Application Layer Gateway)[2]適應(yīng)所有NAT方式，并不需要SIP Client做任何額外的支持。它對Application層的SIP信令進(jìn)行處理和修改，從而做到透明轉(zhuǎn)換地址。該思想的基本思路是通過在NAT/FW中加入?yún)f(xié)議認(rèn)知(Protocol Awareness)能力，使NAT/FW能夠在SIP信令消息通過時修改其內(nèi)容中的地址信息，ALG修改SIP消息里面的SIP地址和端口，并為分配給呼叫雙方的地址和端口進(jìn)行綁定，這樣，以后的媒體流數(shù)據(jù)能夠通過NAT/FW指定的端口穿過。本文主要討論的是基于SIP的應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)方法。
SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)原理分析
“SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)”是為解決基于SIP的私網(wǎng)控制應(yīng)用穿越NAT/FW的問題，實現(xiàn)私網(wǎng)內(nèi)的SIP用戶與公網(wǎng)上的SIP用戶之間的互連而提出的解決方案，從功能上來說，SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)是一種為私網(wǎng)內(nèi)的SIP終端提供連接到公網(wǎng)的功能的SIP設(shè)備或軟件。下文中提及的“應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)”和ALG(Application Level Gateway)都是指SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)。
為了實現(xiàn)SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)的功能，同時保持與已有SIP應(yīng)用的兼容性，必須把ALG設(shè)計成一個SIP兼容的應(yīng)用。但是對于私網(wǎng)上和公網(wǎng)上的SIP應(yīng)用而言，ALG提供的功能并不完全相同：對于私網(wǎng)的SIP終端，SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)的角色是一個SIP意義上的服務(wù)器(Proxy)，它不但需要為通往公網(wǎng)上的呼叫提供，同時還需要為私網(wǎng)內(nèi)部不同SIP終端之間的呼叫提供；另一方面ALG必須允許私網(wǎng)內(nèi)部SIP終端進(jìn)行注冊，因為只有通過注冊才能使SIP終端明白ALG是它們的服務(wù)器，因此，SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)同時也是私網(wǎng)上的SIP注冊服務(wù)器。而對于公網(wǎng)上的SIP終端而言，私網(wǎng)內(nèi)部是不可見的，唯一可見的是處于公網(wǎng)上的SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)，因此對它而言，ALG只是一個SIP終端，公網(wǎng)上的SIP設(shè)備就能夠直接對它進(jìn)行呼叫或者接收它的呼叫。
綜上所述，SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)功能在私網(wǎng)和公網(wǎng)上是非對稱的，可劃分為：1.對內(nèi)功能：SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)是私網(wǎng)上的SIP注冊服務(wù)器和服務(wù)器，同時，對于跨網(wǎng)呼叫的情況，SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)除需為私網(wǎng)終端提供SIP消息的，還須提供媒體流數(shù)據(jù)的，這種媒體數(shù)據(jù)的功能對通信雙方是透明的；對外功能：在公網(wǎng)上，SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)作為一個普通的SIP終端而存在，它能夠與公網(wǎng)上的其它SIP應(yīng)用建立互連關(guān)系，并隱藏ALG與私網(wǎng)內(nèi)部SIP應(yīng)用之間的關(guān)系。
SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)
本節(jié)前面部分詳細(xì)的介紹了SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)的理論基礎(chǔ)，本節(jié)介紹ALG的軟件實現(xiàn)方式，軟件開發(fā)平臺是Windows2000，開發(fā)工具是Visua1C++ 6.0，采用的是OSIP協(xié)議棧，開發(fā)的語言主要是C。
結(jié)構(gòu)及工作流程
圖1: SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖
圖1是SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖，從圖中可以看到，按照各部分功能上的差異，可以將ALG劃分成“信息數(shù)據(jù)庫接口”、“基于SOCKET的消息接收與應(yīng)答”、“媒體會話”、“信息管理”和“SIP消息處理及對話維護(hù)”五個模塊。
這里ALG被分成兩個部分：ALG主體部分和SIP URI信息管理系統(tǒng)部分，這兩部分被設(shè)計成是兩個相互獨立的程序。ALG主體部分的功能是處理各種流向上的SIP消息、管理呼叫環(huán)境以及跨網(wǎng)絡(luò)呼叫時，在通信雙方之間進(jìn)行RTP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)；SIP URI信息管理系統(tǒng)部分的功能是負(fù)責(zé)私網(wǎng)內(nèi)部SIP URI及其綁定信息的管理和維護(hù)，該系統(tǒng)及其維護(hù)的數(shù)據(jù)庫放置在私網(wǎng)內(nèi)部的其它主機上運行。兩部分之間通過UDP/TCP進(jìn)行通信，這樣可以減小來自外網(wǎng)上攻擊的風(fēng)險，從而提高數(shù)據(jù)信息的安全性。 由于ALG主體無法直接對SIPURI的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行訪問，因此必須在這兩部分之間提供訪問的接口，“信息數(shù)據(jù)庫接口”模塊就是為 ALG訪問SIP URI信息管理系統(tǒng)的接口。
SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)的主要工作由一個SIP消息的監(jiān)聽線程、一個與SIP URI信息管理系統(tǒng)進(jìn)行通信的線程、一個SIP消息處理線程(包括對話的管理和維護(hù))和數(shù)量不定的RTP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)線程完成。RTP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)線程能夠根據(jù)需要而動態(tài)的生成和釋放，因此數(shù)量不定。
SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)的基本工作流程如下：
應(yīng)用程序初始化完畢以后，啟動SIP消息監(jiān)聽線程、URI信息數(shù)據(jù)庫訪問線程和SIP消息處理線程。SIP消息監(jiān)聽線程對ALG的所有SIP端口(包括私網(wǎng)和公網(wǎng))進(jìn)行監(jiān)聽，如果收到SIP消息，它把消息連同其源IP地址和端口以及消息本身的長度封裝成一個簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)放入一個先入先出的隊列(FIFO)當(dāng)中，然后繼續(xù)監(jiān)聽，它不對消息進(jìn)行進(jìn)一步的處理。
一旦FIFO中有了SIP消息，SIP消息處理線程就被喚醒，并投入運行，它從FIFO中取走消息，然后開始對這個消息進(jìn)行處理：首先它對消息進(jìn)行解析以及例行的語法檢查，然后根據(jù)SIP消息的源地址和目的地址將其分成四類：
（1）內(nèi)部消息，其源地址和目的地址都在私網(wǎng)內(nèi)部。
（2）對外消息，其源地址是私網(wǎng)地址，目的地址是公網(wǎng)地址。
（3）對內(nèi)消息，其源地址是公網(wǎng)地址，目的地址是ALG的公網(wǎng)地址。
（4）外部消息，其源地址和目的地址都是公網(wǎng)地址。
SIP消息被分成以上四類后，ALG對它們進(jìn)行不同的處理。第(1)類消息稱為“內(nèi)部消息”，第(2)類和第(3)類消息統(tǒng)稱為“跨網(wǎng)絡(luò)消息”；第(4)類消息稱為“外部消息”，它會被無條件丟棄，ALG不對其作進(jìn)一步的處理。SIP消息處理線程在對“跨網(wǎng)絡(luò)消息”消息進(jìn)行處理的同時，對呼叫的上下文環(huán)境進(jìn)行管理和維護(hù)，并在必要的時候，啟動新的RTP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)線程，使其完成對跨網(wǎng)絡(luò)通信的RTP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)工作。
基于SOCKET消息接收與應(yīng)答功能模塊
由于UDP包的接收是異步的，ALG無法預(yù)測何時會有SIP消息到來，因此在SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)的設(shè)計中，用單獨的線程對SIP端口進(jìn)行監(jiān)聽。由于SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)處在兩個網(wǎng)絡(luò)的邊界上，并在兩網(wǎng)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此ALG的SIP端口也相應(yīng)的分為私網(wǎng)和公網(wǎng)兩部分，在任何一邊的網(wǎng)絡(luò)上，都可以打開一個或者多個與套節(jié)字(SOCKET)相聯(lián)系的SIP端口。并且每隔一定時間試圖從所有監(jiān)聽的SIP端口相關(guān)聯(lián)的SOCKET上讀取數(shù)據(jù)，如果讀到了數(shù)據(jù)，就對數(shù)據(jù)做簡單的封裝，然后把它放入應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)的SIP消息FIFO當(dāng)中。
信息數(shù)據(jù)庫接口模塊
出于安全性的考慮，SIP URI信息管理系統(tǒng)從SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)中分離出去，這個系統(tǒng)的功能并不復(fù)雜，一方面它接受來自ALG的訪問；另一方面，它必須對自身的信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行維護(hù)。ALG本身必須通過信息數(shù)據(jù)庫接口模塊對其進(jìn)行訪問。
ALG需要從SIP URI信息管理系統(tǒng)得到的信息有兩類：一類是用戶信息，包括用戶名和密碼；另一類是SIP URI綁定信息，這一類信息的交互是雙向的，不同的REGISTER請求會要求ALG添加、修改、刪除或者僅僅是獲取SIP URI的綁定信息。本文用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示這兩類信息，這樣只需要一次訪問就能夠獲取所需全部信息，可以縮短ALG處理SIP消息所需的時間。
信息管理模塊
SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)需要很多信息才能完成工作，有些信息是動態(tài)的，例如SIP URI的綁定信息，不同用戶不同時間的綁定信息是不同的，因此只有在需要的時候應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)才從數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行動態(tài)的訪問；而另外一些信息則是相對穩(wěn)定的，如ALG本身的域名、IP地址等等。這些信息很多，但并不復(fù)雜，大多是字符串、數(shù)值或者布爾型的變量，信息管理模塊的功能就是維護(hù)和管理它們。
“媒體會話”模塊
當(dāng)SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)為跨網(wǎng)絡(luò)呼叫的終端之間建立起媒體會話(視頻、音頻)的連接后，雙方之間主要的交互將是RTP數(shù)據(jù)流(媒體數(shù)據(jù)被打包成RTP數(shù)據(jù)包)的交互，“媒體會話”模塊的功能主要就是在通信雙方之間進(jìn)行RTP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)工作，每一個RTP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器能夠為多路RTP連接提供數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。
當(dāng)ALG需要為一路RTP連接提供數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)時，它試圖從轉(zhuǎn)發(fā)器環(huán)境中得到一個空閑的RTP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器，如果環(huán)境中的轉(zhuǎn)發(fā)器都已經(jīng)被占用，環(huán)境會試圖創(chuàng)建一個新的RTP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器，并把它加入到環(huán)境當(dāng)中，并將它返回給ALG使用。另一方面，當(dāng)一個轉(zhuǎn)發(fā)器不再為任何RTP連接提供轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)時，環(huán)境會把它刪除，并釋放相應(yīng)的資源。
“消息處理及對話維護(hù)”模塊
這是SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)的核心模塊，它的功能是對收到的SIP消息進(jìn)行解析和處理，完成對SIP消息的，對跨網(wǎng)絡(luò)呼叫的上下文環(huán)境進(jìn)行維護(hù)以及在必要時啟動對話的RTP。這些功能之間是相互關(guān)聯(lián)的，統(tǒng)一由SIP消息處理及對話的維護(hù)線程完成。圖2是SIP消息處理線程的工作流程圖。
圖2: SIP消息處理線程的工作流程圖
本文小節(jié)
SIP協(xié)議憑借其簡單、易于擴展、便于實現(xiàn)等諸多優(yōu)點越來越得到業(yè)界的青睞，越來越多的基于SIP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)如VOIP、視頻會議、智能家居系統(tǒng)被開發(fā)實現(xiàn)，本文實現(xiàn)的SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)正是SIP網(wǎng)絡(luò)對NAT/Firewall的穿越的關(guān)鍵技術(shù)，但這一方案仍存在著不足之處，由于SIP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)必須對跨網(wǎng)絡(luò)的所有SIP消息進(jìn)行解析，導(dǎo)致這些消息須以明碼的形式傳輸，降低了SIP應(yīng)用的安全性，進(jìn)一步研究表明：這要求我們對SIP協(xié)議進(jìn)行適當(dāng)擴展來實現(xiàn)信息的加密。
本文創(chuàng)新點：綜合分析了基于SIP的網(wǎng)絡(luò)如何穿越公網(wǎng)私網(wǎng)技術(shù)，提出并實現(xiàn)了基于SIP協(xié)議的ALG方法。
參考文獻(xiàn)
[1] 儲泰山，基于SIP的服務(wù)器的研究與實現(xiàn)[D]，浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.3。
[2] 葉德謙，基于SIP集中式多媒體視頻會議系統(tǒng)中對私下會議問題的研究[J]，微計算機信息 2006.1-3 P78-79、P268。
[3] William R.Cheswick,Steven M.Bellovin 著, 羅萬伯譯. 防火墻與因特網(wǎng)安全[M],戴宗坤. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.31-39。
[4] Garcia-Martin M, Henrikson E, Mills D. Private header (P-Header) extensions to the session initiation protocol (SIP) for the 3rd-generation partnership project (3GPP)[S]. Internet RFC3455, 2003.
[5] Arkko J, Torvinen V, Camarillo G, Niemi A, Haukka T. Security mechanism agreement for the session initiation protocol (SIP)[S]. Internet RFC 3329, 2003.
作者簡介：鄭昌波（1977－），男，湖北松滋人，廣州市廣州大學(xué)松田學(xué)院講師，碩士（畢業(yè)于武漢大學(xué)），主要研究方向：多媒體通信與傳輸技術(shù)。
