多媒体教室设备监测与控制系统仿真演示软件设计.docx
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多媒体教室设备监测与控制系统仿真演示软件设计
多媒体教室设备监测与控制系统仿真演示软件设计
摘要
随着电子技术，通信技术，计算机及信息处理技术和多媒体技术的高度发展，越来越多的多媒体设备进入教室，使用计算机监控系统（SCADA）软件对多媒体设备进行统一的管理，减少了设备的使用难度，也提高了设备的可维护性。
计算机监控系统系统的开发方式通常有两种，第一种是利用组态软件进行开发，而另一种是利用高级语言进行开发。
对于第一种方式，可以充分利用组态软件良好的HMI以及其自身提供的主流硬件驱动。
使得开发人员能够轻易的开发出一个满足用户需求的监控系统。
而对于第二种方式，则可以充分的发挥高级语言的灵活性以及强大的数据处理能力，开发出任何需要的监控系统。
然而两种方式都各有自身的优缺点。
高级语言和组态软件联合开发模式，结合了两种开发模式的优点，很大程度上弥补了缺点，使计算机监控系统设计更为简单易行。
本课题通过对两种开发模式的关键技术讨论，和多媒体教室设备监测与控制系统仿真演示软件设计的具体实现，证实了高级语言和组态软件联合开发模式的可行性。
关键词：
多媒体教室，监测与控制系统，组态软件，高级语言
TheSimulationSoftwareDesignofMonitoringandControlSystemfortheMultimediaEquipmentinClassroom
ABSTRACT
Withthedevelopmentofelectronictechnology,communicationtechnology,computerandmultimediatechnology,moreandmoremultimediadevicescomeintotheclassroom.TheunifiedmanagementofmultimediadevicesusingtheComputerMonitoringSystem（SCADA）systemsoftwarereducetheuseofequipmentdifficulties,andimprovethemaintainabilityoftheequipment.
ThedevelopmentofSCADAsystemhastwoways,thefirstistheuseofconfigurationsoftware,andthesecondistheuseofvarioushigh-levellanguage,buttwowayshavetheirownadvantagesanddisadvantages.ThedevelopmentmodelcombiningHigh-levelLanguageandConfigurationSoftwareintegratetheadvantagesofbothmethods,andthedesignofSCADAsystemismoreSimpleandconvenient.
ThistopicdiscussesthedevelopmentofmodelsoftwokeytechnologytorealizeTheSimulationSoftwareDesignofMonitoringandControlSystemforTheMultimediaEquipmentinClassroom,confirmedthefeasibilityofjointdevelopmentmodelbythedevelopmentmodelcombiningHigh-levellanguageandConfigurationSoftware.
KEYWORDS：
TheMultimediaClassroom,MonitoringandControlSystem,High-levelLanguage,configurationsoftware
1绪论
1.1选题背景
随着电子技术，通信技术，计算机及信息处理技术和多媒体技术的高度发展，出现了大量的电子媒体，如幻灯，投影仪，录音，电影等。
这些现代教学和会议媒体在其承载信息的种类和能力，使用的方便程度上都有很大的发展，并己被广泛应用在教学和会议领域中。
多媒体教室，常由投影机，计算机控制台，音响系统，电动屏幕等多媒体设备组成。
但是对这些设备的使用操作却不是很简单，各种设备都有不少的控制按键和遥控器按键，并且各个设备放置位置分散，设备间的切换复杂。
而且目前高校多媒体教室的数量和使用次数越来越多，管理和维护的工作量成倍增加。
因此必须借助计算机监控（SCADA）系统软件对多媒体设备进行统一的管理。
使用已开发成功的SCADA系统软件可以很大程度上解决这些问题，但是仍然不能满足用户的一些特别需求。
例如，有新的多媒体设备引入，则要修改软件的源程序，费时费力；又或者原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须由其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。
通用工业组态软件的出现为解决上述实际问题提供了一种崭新的方法，使用户能根据自己的需求任意组态，完成软件设计。
通常在软件系统设计时，一般采用高级语言进行系统的开发。
高级语言拥有强大的数据处理能力，可以方便的使用控件实现串行通信技术，有极高的灵活性。
然而高级语言在处理图像和动画效果，需要代码来实现，对于一般的用户来说很难实现。
工业组态软件提供了主流的通信设备的驱动支持，可以很方便的做出带有动画效果的界面。
而且由于它们内部提供了很多硬件驱动，不要求开发人员自己开发通信程序，大大降低了对开发人的编程功底要求。
但是在数据处理等方面却不尽人意。
虽然工业组态软件多用于工业控制系统，但是我们仍然可以借助它在图像和动画处理方面的优势，结合高级语言强大的数据处理、数据采集与传输功能，按照我们自己的需求，完成软件系统的设计。
1.2研究内容
在本课题中，主要工作和目标是设计一个教学楼群中各个教室环境参数的采集系统，采集的参数包括每一个教室的日光灯是否打开、投影仪开机状态、电风扇开关状态，将采集的参数借助计算机远程通信技术传送至中心计算机，中心计算机实行可视化监视和控制，可以根据需要“看见”每一个教室的环境参数，并可以根据需要下达指令要求现场数据采集单元执行相应的动作，完成对于教室设备的启停操作。
利用集成组态软件和高级程序设计语言，对于实现该功能的监控系统实行全部的软件仿真，完全模拟实际的监控系统每一个主要过程。
在本课题中，要求设计一个多媒体教室设备监测与控制仿真系统，即SCADA仿真系统。
该系统包括以下几个模块：
a）模拟数据产生模块。
该模块用于模拟下位机产生实际教室多媒体数据。
b）数据采集模块。
该模块用于采集由模拟数据产生模块模拟的整个教学楼的监控状态，及各个教室的设备运行状态。
c）通信控制模块。
该模块包含与数据采集模块的通信，以及与教室设备仿真模块的通信，并通过数据的处理来进行仿真控制。
d）教室设备仿真模块。
该模块用于仿真教室的多媒体设备，包括日光灯、电风扇、控制台、投影仪，及其各个设备的状态，并可以进行仿真控制。
本课题针对这些模块的实现首先研究SCADA系统的组成和主要功能。
接着研究SCADA两种开发模式以及优缺点，并提出了联合开发模式。
然后研究这两种开发模式下设计SCADA系统的所涉及的关键技术。
最后介绍了运用这些技术，完成多媒体教室设备监测与控制系统仿真设计的具体实现过程。
2SCADA系统概述
2.1SCADA系统的一般组成
SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）系统，即数据采集与监视控制系统。
SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。
SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。
它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。
由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。
SCADA系统作为生产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之一，它包含两个层次的含义：
一是分步式的数据采集系统，即智能数据采集系统，也就是通常所说的下位机；另一个是数据处理和显示系统，即上位机HMI（HumanMachineInterface）系统。
下位机一般意义上通常指硬件层上的，即各种数据采集设备，如各种RTU、FTU、PLC及各种智能控制设备，等等。
这些智能采集设备与生产过程和事物管理的设备或仪表相结合，实时感知设备各种参数的状态，并将这些状态信号转换成数字信号，并通过特定数字通信或数字网络传递到HMI系统中；在必要的时候，这些智能系统也可以向设备发送控制信号。
上位机HMI系统在接受这些信息后，以适当的形式如声音、图形、图象等方式显示给用户，以达到监视的目的，同时数据经过处理后，告知用户设备各种参数的状态（报警、正常或报警恢复），这些处理后的数据可能会保存到数据库中，也可能通过网络系统传输到不同的监控平台上，还可能与别的系统（如MIS，GIS）结合形成功能更加强大的系统；HMI还可以接受操作人员的指示，将控制信号发送到下位机中，以达到控制的目的。
2.2SCADA系统的基本功能
对于一个SCADA系统，计算机直接参与生产过程的检测（monitor）、监督（supervise）和控制的，所以通常一个SCADA系统应该具备一下三方面的功能：
a）采集与处理能力：
主要是对生产过程的参数进行检测、采样和必要的预处理，并以一定的形式输出（如打印机），为生产人员提供详细的数据，以便于他们分析、了解生产情况，监视生产过程的进行。
b）监督功能：
将检测的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并制成实时和历史数据加以存储。
根据实际生产过程的需要及生产进程的情况，进行工况分析、故障诊断、险情预测，并以图形、文字、声音等多种形式及时作出报道，以进行操作知道、事故报警。
监督系统的输出一般都不直接作用于生产过程，而是经过生产人员的判断后，再由操作人员对生产过程进行干预。
c）控制功能：
在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于生产过程。
完整的计算机监测控制系统是上述三种功能的综合集成，它利用计算机高速、大容量和智能化的特点，可以把一个复杂的生产过程组织管理成为一个综合、完整、搞笑的自动化整体。
当然，在实际使用中，可以根据实际对象的需求情况，系统只具有上述一项或两项功能；或是以某一项功能为主，而以其他功能为辅。
这样可以更加针对实际应用的需要，以降低成本，减少复杂性，增强可维护性。
2.3SCADA系统设计的基本要求
对于不同的应用对象有不同的具体要求，但对于大多数监控系统的设计来说，运行上可靠、技术上先进、使用上方便、应用上灵活、时间上节省是共同的基本要求。
a）运行上可靠，这是最基本也是最重要的要求。
这首先是由于SCADA系统的运行环境一般都相对恶劣，能否适应这种环境是系统不可避免要米纳林的考研；其次，SCADA系统往往负担着重要的任务，它一旦出现故障，将造成整个被监控过程的混乱，引起严重的后果，由此造成的经济损失往往远远非SCADA系统本省的造价所能比拟的。
所以，能否正确保证长期可靠的运行成为SCADA系统设计中首要考虑的问题。
特别是对一些影响面大的重要应用系统。
b）技术上先进，SCADA系统是一个综合性、交叉性强的技术领域，它综合计算机技术、自动控制、信息处理和通信、检测技术和仪表以及生产过程和管理方面的只是，其技术上先进性概括来说体现在硬件设备、软件平台和工具、信息处理和控制策略这三方面。
c）使用上方便，这包括三方面的含义：
其一，是操作上方便。
尽可能降低对操作人员的专业技术只是的要求，是他们在较短的时间内或通过说明书能掌握和熟悉操作使用，操作的内容尽可能简单明了，操作的顺序清晰简明，便于记忆。
其二，是排错上方便。
硬件的排列和安装合理，配有明显的只是或信号显示，并配有查错、诊断、故障报警程序，在故障出现时能及时对它定位和排除。
其三，是维护上方便。
d）应用上灵活，一个优良的SCADA系统应当适用于不同的设备和不同的监控对象，即应具有良好的通用性，能灵活的扩充、修改和升级。
当应用对象不同时，只需在基本系统中作适当的改动，增减某些硬软件模块，便可满足对象的要求。
e）时间上节省，这里主要是指设计的饿时间应尽量断。
一个方面可以以更快的湿度满足用户的要求，更快的产生经济效益，这在市场竞争的环境下尤为还总要；另一方方面，计算机硬软件技术发展十分迅速，因此时间是一个重要的因素。
最后，尽量缩短设计周期可以降低整个系统的开发费用。
2.4SCADA系统设计的主要步骤
开发一个SCADA系统大体包括设计、生产制造、调试运行这三个内容。
在设计阶段主要包括以下步骤：
a）制定系统目标
确立项目：
项目的确立或处于市场的需求，或由于用户的提出、或基于有关部门的计划。
对于项目的来源和要求基本了解后，进一步研究已明确建立该SCADA系统的目的，系统适应的对象，设计开发的周期等。
产品调研：
当前市场上是否有类似的系统，它们的水平、特点、问题；与本系统有关的硬件及阮籍的性能、价格、供销等信息资料。
工艺调研：
结合具体应用对象，到有关的生产企业和应用部门详细了解控制对象的工作过程和工艺流程、设备情况、工艺参数的范围，明确各项监控要求，定量的的确定有关的指标。
b）确定总体方案
在这一步中，应根据设计说明书，参照过去工程的经验和现有系统的资料，考虑当前技术主流并估计今后的发展趋势，确定系统中关键的技术内容。
这些内容还是总体性的、原则行的。
c）制定性能规范
系统的性能规范是从应用该系统的角度，从外部对该系统的描述，说明该系统是什么样的，它具有什么性能，应该完成什么工作等等。
对于一般的系统，主要包括下述几个方面：
1）功能描述：
主要有信号处理功能、监督功能、控制功能、显示功能、打印功能、操作功能、管理功能、通信功能、保护功能以及维护功能。
2）配置描述：
包括系统物理结构；系统各个部分（子系统）的划分、各部分的分工和关系；系统个部分的布置、安放点、连线方式。
3）环境描述：
主要描述下位机的工作环境。
性能规范以系统性能说明书的形式表达出来，其中应有尽可能全的定量数据。
它是进行具体设计的重要技术依据，淫荡在设计工作组内充分讨论；它也是提交给用户的设备总体说明，应与用户讨论认可。
d）具体设计
具体的设计工作包括硬件和软件两部分，在具体设计中通常应该注意以下几点：
尽量选用标准模块：
对于通用的计算机和标准的总线，目前市场上已经有丰富的标准模块，特别是对于各种输入输出接口已相当成熟。
这些模块往往提供各种语言的驱动程序和调试程序，使用起来十分方便。
处理好硬件和软件的关系：
这包含两个方面的含义，第一，软件和硬件合理分工。
有事系统中的某些功能中的某些功能可以用硬件来实现，也可以用软件来实现，具体使用哪种方式实现要根据实际情况而定。
一般的原则是，在保证性能相近的前提下用软件来实现。
只有软件实现达不到要求时采用硬件来实现。
第二，硬件和软件紧密配合。
软件和硬件相互间是不可分割的，在实际开发过程中应该处理好软件和硬件的这种关系。
2.5基于高级语言的SCADA系统的开发
2.5.1高级语言的SCADA系统的开发模式
由前面的讨论知道，在监控与数据采集系统中。
监控系统要不断与下位机通信，采集下位机数据以及根据用户的操作向下位机发送相应的控制信息。
从而达到监控和数据采集的目的。
在利用高级语言开发监控与数据采集系统的时候，一般方式如下：
a）构建系统架构
根据实际的监控系统的需要，首先需要对系统整体架构进行设计。
一般可以将监控系统分为一下几个模块：
监控系统界面（HMI）：
监控系统界面主要是向用户提供一个操作界面，显示下位机工作情况。
同时给用户提供操作的接口，从而使用户能够通过操作界面达到控制下位机的目的。
为了形象生动的向用户展示下位机的工作过程、状态等，通常要求监控系统具有易操作性、界面友好等特点。
通信模块：
通信模块通常需要根据实际所采用的通信策略而采用不同的通信方式，一般在监控与数据采集系统中，用到的是串口通信；有时监控系统是基于web的，这是变用到了网络通信。
数据存储模块：
由于用户通常需要查询下位机工作的历史数据，制作历史报表，查看历史趋势曲线等，这就要求开发的监控系统能将采集回来的信息就行存盘。
而一般情况下是通过数据库进行存盘数据管理的。
实时数据显示模块：
为了生动形象的向用户展示下位机的工作情况、相应的变量变化情况、状态信息等，通常监控系统应该能够将采集回来的数据进行曲线绘制，以曲线的形式显示给用户。
另外，在设备工作异常的情况下还需要能够通知用户异常发生，提示用户对异常进行处理。
历史数据查询分析显示模块：
一般用户都有制作查询历史数据，以了解下位机在过去的某个时间段的工作情况，这便要求监控系统具有历史数据的查询功能。
并且，历史数据经常是以图形或报表的形式显示给用户。
当然，以上只是监控系统所应该具有的一般模块，具体的模块划分应该视具体情况而定。
b）系统的实现
在构建好了系统的整体架构之后，就需要通过高级语言就行代码的编写工作，实现每一个预先划分好的功能模块。
c）系统的调试
在代码编写工作完成后，需要将系统与实际的下位机进行通信，让整个系统运行起来。
发现系统的漏洞，适当的修改程序，使得监控系统能够完整的运行起来。
2.5.2高级语言开发监控系统的优缺点
（1）高级语言开发监控系统的优点
a）高级语言的种类很多，并且每种开发语言都有自己不同的优点，都有自己最适合的不同领域。
在选择开发语言时我们将有很大的选择空间，开发人员可以选择一种自己最熟悉的语言进行开发，甚至是选择多种语言进行联合开发，从而发挥各种语言的各自优点；
b）由于高级语言的功能很完善，我们可以通过高级语言编程实现各种我们需要的效果，比如以动画的方式向用户显示下位机工作情况时，我们可以利用编程给用户提供各种不同的效果，使得界面更加生动、更见人性化；在绘制实时或者历史曲线时，我们能够通过编程实现对曲线的绘制过程实现完全的控制；另外还可以轻易的通过编程实现邮件的收发功能，可以轻易的实现图像处理等等；有了这些功能，我们便可以在需要时很好的扩展监控系统的功能；
c）在通信方面，高级语言在通信方面的支持，使得不管实际的项目所采用的通信方式是什么，通信协议是什么，我们都能编写出合适的通信程序，使得通信方式更加灵活，监控效果达到最佳。
并且可以根据实际的情况，更加精确的控制下位机工作。
e）在数据存储方面，高级语言提供了与数据库的接口，我们可以根据实际的情况选用不同的数据库来存储数据。
从而是数据存储管理方面更加的自如。
f）在数据处理方面，由于高级语言能够对数据具有强大的处理功能，在需要对下位机返回的信息数据进行复杂的处理时，高级语言便能很好的满足用户的需求。
（2）高级语言开发监控系统的缺点
虽然高级语言在开发监控系统有那么多的优点，但是同时它存在一些不容忽视的缺点：
a）虽然高级语言的功能很完善，但是并不是所有的开发人员都能很好的利用他们编写结构合理，功能完善的程序，因此这种方式不适合大部分的开发人员；
b）虽然通过高级语言编写程序能够实现各种动画效果，使得监控系统界面形象生动。
但是在通过编程实现这种效果时，要求开发人员具有很好的相关专业知识（如图像处理）同时还要求开发人员熟练的掌握一门编程语言，具有很强的编程能力。
但是对于大多数开发人员来说，这个要求都很难达到；
2.6基于组态软件的SCADA系统的开发
2.6.1组态软件系统构成
组态软件的结构划分有多种标准，这里以使用软件的工作阶段和软件体系的成员构成两种标准讨论其体系结构。
a）以使用软件的工作阶段划分
也可以说是按照系统环境划分，从总体上讲，组态软件是由两大部分构成的：
系统开发环境：
是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。
通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统,供系统运行环境运行时使用。
系统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序、实时数据库组态程序等。
系统运行环境：
在系统运行环境下，目标应用程序被装入计算机内存并投入实时运行。
系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、实时数据库运行程序等。
组态软件支持在线组态技术，即在不退出系统运行环境的情况下可以直接进入组态环境并修改组态，使修改后的组态直接生效。
自动化工程设计工程师最先接触的一定是系统开发环境，通过一定工作量的系统组态和调试，最终将目标应用程序在系统运行环境投入实时运行，完成一个工程项目。
b）按照成员构成划分
组态软件因为其功能强大，而每个功能相对来说又具有一定的独立性，因此其组成形式是一个集成软件平台，由若干程序组件构成。
其中必备的典型组件包括：
应用程序管理器：
应用程序管理器是提供应用程序的搜索、备份、解压缩、建立新应用等功能的专用管理工具。
在自动化工程设计工程师应用组态软件进行工程设计时，经常会遇到下面一些烦恼：
经常要进行组态数据的备份；经常需要引用以往成功应用项目中的部分组态成果（如画面）；经常需要迅速了解计算机中保存了哪些应用项目。
虽然这些要求可以用手工方式实现，但效率低下，极易出错。
有了应用程序管理器的支持，这些操作将变得非常简单。
图形界面开发程序：
是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在图形编辑工具的支持下进行图形系统生成工作所依赖的开发环境。
通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统,供图形运行环境运行时使用。
图形界面运行程序：
在系统运行环境下，图形目标应用系统被图形界面运行程序装入计算机内存并投入实时运行。
实时数据库系统组态程序：
有的组态软件只在图形开发环境中增加了简单的数据管理功能，因而不具备完整的实时数据库系统。
目前比较先进的组态软件都有独立的实时数据库组件，以提高系统的实时性，增强处理能力。
实时数据库系统组态程序是建立实时数据库的组态工具，可以定义实时数据库的结构、数据来源、数据连接、数据类型及相关的各种参数。
实时数据库系统运行程序：
在系统运行环境下，目标实时数据库及其应用系统被实时数据库系统运行程序装入计算机内存并执行预定的各种数据计算、数据处理任务。
历史数据的查询、检索、报警的管理都是在实时数据库系统运行程序中完成的。
I/O驱动程序：
是组态软件中必不可少的组成部分，用于和I/O设备通讯，互相交换数据，DDE和OPCClient是两个通用的标准I/O驱动程序，用来和支持DDE标准和OPC标准的I/O设备通讯。
多数组态软件的DDE驱动程序被整合在实时数据库系统或图形系统中，而OPCClient则多数单独存在。
通用数据库接口（ODBC接口）组态程序：
通用数据库接口组件用来完成组态软件的实时数据库与通用数据库（如Oracle、Sybase、Foxpro、DB2、Infomix、SQLServer等）的互联，实现双向数据交换，通用数据库既可以读取实时数据，也可以读取历史数据；实时数据库也可以从通用数据库实时地读入数据。
通用数据库接口（ODBC接口）组态环境用于指定要交换的通用数据库的数据库结构、字段名
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