专利名称：基于网络互联协议的网络分布式高速公路监控系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种同时监控高速公路上各被监控点的装置，特别是一种基于网络互联协议网络分布式监控系统。
背景技术：
高速公路监控系统将人、车、路融为和谐的一体，实现其对车流引导、分流和调度。这是通过位于高速公路上的车辆检测器、气象检测器、遥控摄像机、可变情报板、可变限速标志等外场设备来实现的，这些沿路设置外场设备种类众多，数量可达上百个。
监控系统的目标是通过采集的各种交通信息，按照交通控制策略，合理地运用交通调度方案，引导、限制交通流，减少交通事故的发生率，缩短因事故中断交通的时间，以提高高速公路的快捷性和安全性。
该方式中，沿路的各个监控设备分别通过MODEM(调制解调器)经独立的低速信道，与位于监控中心的MODEM一一对应的相连，然后接入多串口卡，再由通信控制机进行不同层面的软件处理，最终与监控网络中的服务器相连。
该方式采用ONU-OLT接入网作为传输平台，可在SDH主干网上进行数据调用。而ONU具有多种接口方式的插板，易与多种外场设备相连。这与以往的PCM制式的PDH传输平台相比具有优势。但是现在看来，其不足之处也是明显的①层次不清晰，软件紧固性差。一台通信控制机面临各种的接口条件、不一的线路电平、各类的传输规约，通信软件既涉及高层，也顾及繁杂的底层接口编程，很难保证软件的监控性和可维护性。系统负担很重，容易死机。
②接线复杂，维护不便。所有的监控数据线都将一一接入监控中心的MODEM和多串口卡，达数百根，故需配线架，这又会影响传输质量而常不使用，故而使得接线更为复杂。
③硬件可靠性差，线路多，硬接插件也多，天长日久易出现故障，同时不易维护和调度检测。
④速度慢，实时性差。通信控制采用与监控设备所对应的几Kbps慢速率，而且只能分时与监控设备一一通信。
⑤以变更设备和主备切换，复杂的接线使得增添设备和主备切换极为困难。
发明内容
1、技术问题本发明的目的是提供一种接线简单、实时性好、维护方便、可靠性高的基于网络互联协议网络分布式高速公路监控系统。
2、技术方案本发明的基于网络互联协议的网络分布式高速公路监控系统，其特征在于该系统由各监控点设置的分布式监控数据单元以及监控计算机组成了总线型虚拟数据网，采用传输控制协议/网络互联协议网络协议簇和客户机/服务器模式，以光网络单元/光网络终端(ONU/OLT)接入网作为通信平台；其中，分布式监控数据单元由网卡、嵌入式工控机、并行处理板、通信控制板所组成，嵌入式工控机与网卡、具并行处理板以总线方式连接，并行处理板还分别与通信控制板相接。
通信控制板中，CPU单元与方式切换单元相接，方式切换单元(分别接电平转换单元、平衡转换单元、软件MODEM单元，电平转换单元通过“RS232”口接外部，平衡转换单元通过“RS485”口接外部，软件MODEM单元通过“MODEM”口接外部传输线。本发明中，通信控制板由0-15号组成。
该系统各通信终端的层次结构从上至下分别为①场外设备数据链路层、物理层；②DMDU应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层；③监控计算机应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。
分布式监控数据单元中，CPU单元中的CPU集成电路的“P11、12、15”端及“RXD、TXD”分别与方式切换单元中的切换电路相接，电平转换单元中的电平转换电路的“R1OUT、R2OUT”端分别接方式切换单元中切换电路；平衡转换单元中的集成电路的“RE、DE”端接切换电路的“Half”端，集成电路的“A、B”端接切换电路；平衡转换集成电路的“DE、RE”端接切换电路的“Full”端，平衡转换集成电路的“A、B”端分另接切换电路。
3、技术效果由于监控外场设备接口条件不一、传输方式不同、传输速率与传输距离不等，并具有不同的传输规约。与传统的集中式监控方式相比，基于网络互联协议网络分布式高速公路监控系统提出了一种新的解决方案，大大改善了高速公路监控系统的可靠性和实时性，同时具有可维护性能好，层次分明、实时性强等优点，属公路监控系统的一次重大变革。
其主要优点体现在以下几个方面①通信线路大为简化，可靠性大幅提高。监控设备通过MODEM与位于DMDU的数据采集卡一一对应并连接，而监控计算机只需一根网线接入ONU/OLT接入网来接收和发送数据。
②件坚固，可维护性能好。基于传输控制协议/网络互联协议的光纤网的数据通信有成熟商业软件，数据纠错能力强，系统运行稳定可靠。
③层次分明，设备变更方便。监控数据首先进入DMDU进行处理，然后以统一格式通过光纤网传送至中心，对监控中心而言，每个监控设备只相当某一个DMDU的子地址。
④速度快，实时性高。监控数据在DMDU中被封于网络互联协议数据包中，在光纤网中以10Mbps速率传输至监控中心，并可采用并行处理算法。
⑤备监控计算机切换方便，其于传输控制协议/网络互联协议的局域网可方便地切换主备监控计算机，达到监控系统备份处理。
与DMDU网络型通信控制机配套了通信线路保护装置可以进一步提高对用户接入线路的保护，系统采用三级保护设计，对用户线路起到有效的保护作用。
四
图1是本发明的总体结构示意图；图2是本发明中分布式监控数据单元的结构框图其中有网卡1、嵌入式控机2、并行处理板、并行处理板3、通信控制板4。
图3是本发明系统层次结构图；图4是数据链路控制过程示意图；图5是并发的面向连接的服务器的进程结构示意图；图6是分布式监控数据单元(DMDU)的电原理图。
五具体实施例方式
本发明基于网络互联协议的网络分布式高速公路监控系统由各监控点设置的分布式监控数据单元DMDU以及监控计算机组成了总线型虚拟数据网，采用传输控制协议/网络互联协议网络协议簇和客户机/服务器模式，以ONU/OLT接入网作为通信平台；其中，分布式监控数据单元DMDU由网卡1、嵌入式工控机2、并行处理板3、通信控制板4所组成，嵌入式工控机2与网卡1、并行处理板3以总线方式连接，并行处理板3还分别与0-15号通信控制板4相接。每一个通信控制板中CPU单元41与方式切换单元42相接，方式切换单元42分别接电平转换单元43、平衡转换单元44、软件MODEM单元45，电平转换单元43通过“RS232”口接外部，平衡转换单元44通过“RS485”口接外部，软件MODEM单元45通过“MODEM”口接外部传输线。
该系统各通信终端的层次结构从上至下分别为①场外设备数据链路层、物理层；②DMDU应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层；
③监控计算机应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。
分布式监控数据单元DMDU中，CPU单元41中的CPU集成电路D1的“P11、12、15”端及“RXD、TXD”分别与方式切换单元42中的切换电路S1-2、S2-2、S5、S6相接，电平转换单元43中的电平转换电路D5的“R1OUT、R2OUT”端分别接方式切换单元42中切换电路S1-2、S2-2；平衡转换单元44中的集成电路D6的“RE、DE”端接切换电路S6的“Half”端，集成电路D6的“A、B”端接切换电路S4-1、S2-1； 平衡转换集成电路D7的“DE、RE”端接切换电路S6的“Full”端，平衡转换集成电路D7的“A、B”端分另接切换电路S1-1、S3-1。
在分布式监控数据单元DMDU中，PCU集成电路D1采用型号为“89C51”，切换电路S1、S2、S5、S6采用的型号为“485/422”，电平转换单元中的电平转换电路D5采用的型号为“MA202E”，平衡转换单元中的集成电路D6、D7的型号为“MAX1487E”，并长处理集成电路D1的型号为“82C55A”，DMDU网络通信控制机属监控计算机(HOST)与远程终端(RTU)进行数据通信的设备。上行接口采用标准10BaseT Ethernet网络接口，使用无屏蔽双绞线进行连接。下行接口为数字接口和模拟接口两种，供选择使用，与远程终端RTU相连，RTU数量不受限制。
任意一台主机可始终接收RTU的数据。而通过主机间的控制机制，可以控制只有一台主机在向RTU发送数据。而且每个通道可以使用不同的主机，方便新的RTU规约的调试。
DMDU单元由多至16块通信控制板、嵌入式工控机、HUB(数据分发汇)板，及网卡构成。通信控制板负责监控设备的数据采集与传输；工控机负责数据的整理和发送(下行与各监控设备匹配，上行满足网络互联协议网络协议)；HUB板保证了工控机能够并行处理来自各通信控制板的低速监控数据；网卡满足网络互联协议网络技术条件，场外监控数据通过网卡进入ONU/OLT光纤接入网传输到监控中心。该系统响应速度为秒数量级，MTBF优于1万小时。
通信控制板由一个单片机系统组成，该板具有同步/异步的通信模式。单片机进行串口扩充，完成了多种串口条件。其中RS232接口和RS422接口分别支持短距离和较长距离的基带传输，而MODEM支持远距离的频带传输。串口通信的速率为600/1200/4800/9600bps可调。插板地址由其插槽位置决定。
系统层次结构多个外场设备和DMDU完成多点与一点的异步、全双工通信；多个DMDU和监控计算机之间实现了客户机—服务器模型通信。各通信终端的层次结构如下
①场外设备数据链路层、物理层；②DMDU应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层；③监控计算机应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。
物理层针对不同的传输要求，串行接口以不同的电路方式实现，包括不平衡电路、半平衡电路和平衡电路等三种方式。
本系统中以软件方法为主实现了一种制式灵活的FSK MODEM(即软件MODEM)。它以运行程序的方式代替专用集成电路(ASIC)等硬件来实现数字信号的调制和解调工作。这种MODEM的调制部分，先采用直接调频法将数字信号转化成两种不同特征频率的信号，接着将此信号经“阶梯化”处理(以软件实现)，再进行滤波，以产生相应在的模拟信号。在解调部分，对所接收到的模拟信号放大、限幅、整形、取样，然后采用一种“分区判别”的方法(以软件实现)，把它正确地恢复成原数字信号。使用软件MODEM，可使得仪器体积小、重量轻、耗电量少、抗干扰能力强。另外软件MODEM还有一个硬件MODEM所无法比拟的优点，就是它可以支持多种制式，传输速率和载波频率可变，且这种变化是非常灵活的，只需对调制和解调程序中的相关参数作适当调整即可。
监控数据采用以上几种方式在外场设备DMDU之间传输；而在监控计算机和DMDU之间，监控数据通过网卡进入ONU/OLT光纤接入网进行传输。
数据链路层在DMDU和监控外场设备之间采用了异步、全双工的传输方式，使用了面向字符型传输控制规程。该规程实现较容易，目前仍得到大量使用。但是它也存在着效率低、透明性差等缺点。使用字符型传输控制规程的点对点的异步通信。
根据通用控制规程，设备生产商设定了具体设备的控制命令和传输命令，形成特定的传输规约。不同的外场设备根据各自的传输规约与DMDU形成特定的传输规约。不同的外场设备根据各自的传输规约与DMDU形成多点对一点的通信。通信控制板负责接受/发送透明的字符数据；而工控机则负责把命令转换成特定的控制字符，把控制字符解释为相应的命令。工控机从外场设备处获得监控数据，做出相应在的解释，进而将其交给应用层处理。
DMDU和监控计算机组成了以太网，以太网也是机器间的链路级连接，它把被传输的数据看作一帧(frame)。以太网帧是可变长度的。每个以太网帧都包含源和目的地址字段，它还有一个帧类型字段，用来识别此帧上所载数据的类型。
网络层和运输层
网络层和运输层采用了用于网际互连的两个主要协议网络互联协议和传输控制协议协议。网络互联协议协议具有不可靠的、无连接投递机制；传输控制协议协议定义了可靠的流投递服务。
应用协议封装在传输控制协议报文中的通信报文格式如下表所示
数据主要有以下几类传输流程(H＝监控计算机，D＝DMDU)(1)读取接受缓冲区step1读取请求(D-＞H)step2读取应答(H-＞D)step3读取确认(D-＞H)step4确认返回(H-＞D)(2)写入发送缓冲区step1写入请求(D-＞H)step2写入确认(H-＞D)本系统的通信应用采取了客户机—服务器模型，客户机—服务器模型用发起通信的方向来对应用程序分类。在本系统中DMDU使用网络服务时，调用客户机软件，发起对等通信。监控计算机中的服务器软件等待来自客户机的入呼叫通信请求。服务器接收某个客户机的请求，执行所需的计算，然后结果返回给客户机。尽管系统中的总线型虚拟数据网并不是复杂的互联网络，但考虑到传输控制协议协议本身提供了强大的可靠性；本系统使用了传输控制协议在客户机与服务器之间运输报文。由于系统中几种监控数据的数据量都不是很大，监控计算机采用了无状态的服务器。
在客户机—服务器模型分布式计算中，并发处理是基础，并且以多种形式出现。本系统中服务器软件采用多进程的方式来并发地处理多个客户入请求。
服务器进程并不与客户机直接通信。它只是在某个固定的端口上等待下一个连接请求。一旦有某一个连接请求到达，系统就返回用于该连接的新的插口描述符。服务器主进程创建一个从进程来处理该连接，并允许从进程并发操作。为避免等待连接时使用CPU资源，服务器主进程使用accept(接受连接的函数)的阻塞调用从固定端口上获得下一个连接。服务器主进程的大部分时间处于accept调用阻塞状态。当一具连接请求到达时，accept调用便返回，使得主进程继续运行。主进程创建一个从进程来处理请求，并重新调用accept。该调用在另一个连接请求到达前，将使服务器主进程再次阻塞。
权利要求
1.一种基于网络互联协议的网络分布式高速公路监控系统，其特征在于该系统由各监控点设置的分布式监控数据单元(DMDU)以及监控计算机组成了总线型数据专用网，其采用了传输控制协议/网络互联协议簇和客户机/服务器模式，以接入网作为通信平台；其中，分布式监控数据单元(DMDU)由网卡(1)、嵌入式工控机(2)、并行处理板(3)、通信控制板4所组成，嵌入式工控机(2)与网卡(1)、并行处理板(3)以总线方式连接，处理板(3)与通信控制板4相接。
2.根据权利要求1所述的基于网络互联协议的网络分布式高速公路监控系统，其特征在于通信控制板中，CPU单元(41)与方式切换单元(42)相接，方式切换单元(42)分别接电平转换单元(43)、平衡转换单元(44)、软件MODEM单元(45)，电平转换单元(43)通过“RS232”口接外部，平衡转换单元(44)通过“RS485”口接外部，软件MODEM单元(45)通过“MODEM”口接外部。
3.根据权利要求1或2所述的基于网络互联协议的网络分布高速公路监控系统，其特征在于通信控制板(4)由0-15号组成。
4.根据权利要求1或2所述的基于网络互联协议的网络分布式高速公路监控系统，其特征在于该系统各通信终端的层次结构从上至下分别为①场外设备数据链路层、物理层；②DMDU应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层；③监控计算机应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。
5.根据权利要求1或2所述的基于网络互联协议的网络分布高速公路监控系统，其特征在于通信控制板中，CPU单元(41)中的CPU集成电路(D1)的“P11、12、15”端及“RXD、TXD”分别与方式切换单元(42)中的切换电路(S1-2、S2-2、S5、S6)相接，电平转换单元(43)中的电平转换电路(D5)的“R1OUT、R2OUT”端分别接方式切换单元(42)中切换电路(S1-2、S2-2)；平衡转换单元(44)中的集成电路(D6)的“RE、DE”端接切换电路(S6)的“Half”端，集成电路(D6)的“A、B”端接切换电路(S4-1、S2-1)；平衡转换集成电路(D7)的“DE、RE”端接切换电路(S6)的“Full”端，平衡转换集成电路(D7)的“A、B”端分另接切换电路(S1-1、S3-1)。
6.根据权利要求1所述的基于网络互联协议的网络分布高速公路监控系统，其特征在于以光网络单元/光网络终端(ONU/OLT)作为接入网。
全文摘要
基于网络互联协议的网络分布式高速公路监控系统是一种同时监控高速公路上各被监控点的装置，该系统由各监控点设置的分布式监控数据单元以及监控计算机组成了总线型虚拟专用数据网，采用传输控制协议/网络互联协议网络协议簇和客户机/服务器模式，以接入网作为通信平台；其中，分布式监控数据单元由网卡1、嵌入式工控机2、并行处理板3、通信控制板4所组成，嵌入式工控机与网卡、车并行处理板串联连接，并行处理板还分别与通信控制板相接。每一个通信控制板中CPU单元41与方式切换单元42相接，方式切换单元分别接电平转换单元43、平衡转换单元44、软件MODEM单元45，电平转换单元通过“RS232”口接外部，平衡转换单元通过“RS485”口接外部，软件MODEM单元通过“MODEM”口接外部。
文档编号G06F13/38GK1477533SQ0313214
公开日2004年2月25日 申请日期2003年7月1日 优先权日2003年7月1日
发明者顾德军, 叶遇春, 陈启美, 王颖健, 王俊, 陈锁柱 申请人:江苏省高速公路经营管理中心