大型仓库分布式监控管理系统的设计与实现

介绍了一种分布式的仓库监控管理系统的设计实现方法，对监控管理系统的组成和功能进行了详细描述，重点描述了监控管理软件的设计实现，并对系统的安全性和防雷击进行了说明。充分利用当前的计算机和网络技术，实现了监控管理的分布化和网络化是本系统最大的特点。
    关键词：监控系统，告警，分布，网络
　　

　　本文介绍了一种分布式的仓库监控管理系统的设计和实现方法，该系统利用当前计算机和网络技术，实现了仓库监控管理的智能化、分布化和网络化。网络上任何一台与监控主机相连的计算机都可作为监控工作站进行远程监控，同时，监控信息上网后可通过计算机网络进行远程发布。与传统的防盗报警系统不同的是，本系统将领交库房钥匙、出入库、卡机管理、报警处理、图像监控、值班管理、语音对讲、库房环境监控、数据查询统计有机地结合起来，充分利用了数据、语音、图像等多种媒体，使指挥人员迅速了解情况，在最短的时间内作出正确决定，最大程度地提高了库房的自动化管理和指挥水平。本系统综合运用计算机网络技术、数字图像处理技术、数据库技术，在监控系统的功能和性能、系统可扩展性、系统伸缩性、可维护性、以及系统的可靠性和稳定性等多方面取得了突破。

1　系统结构
　　本系统最大的特点是充分利用当前计算机和网络技术，实现了监控管理的分布化和网络化，系统结构如图1所示。
　　如图1所示，整个系统由两大部分构成，一部分是由WWW（万维网）服务器、DB（数据库）服务器、视频服务器、监控主机（工控机）、监控工作站和路由器构成的计算机网络监控子系统；另一部分是由现场控制单元、近端集线器、矩阵切换器等构成的现场测控、防盗报警、语音对讲和图像监控硬件子系统。监控主机和近端集线器通过串口将这两部分连接起来。近端集线器与现场监控单元之间采用RS－485进行连接，每台近端集线器可连接64台现场控制单元（即可连接64个监控现场），现场控制单元则与现场数据采集与控制设备相连接。由于仓库位于山区，现场情况复杂，485通信模块与电路中全部采用了光电隔离，在数据线、视频线、电源线上安装了避雷器，为所有设备电源加装了避雷器并做了接地，实现了系统防雷击的要求。
　　在计算机网络监控子系统中，监控工作站进行监控信息处理，其人机界面直观易用，使用非常方便。监控主机实现监控代理功能，一方面它代理局域网内监控工作站的监控管理请求，另一方面它还响应上级监控网管中心的查询和对设备的远程控制，同时，它将库房状态信息和设备故障信息上报监控工作站及上级监控网管中心。监控主机配声卡实现监控中心和监控现场的语音对讲，视频服务器配视频采集卡接收矩阵切换器的图像输出并向网上发布。网络服务器（WWW、DB）负责监控信息的存储和发布。
　　这种体系结构具有很好的扩展性，可以方便地根据实际情况对监控现场进行增加和删改。同时，系统具有灵活的网络控制管理功能，网络上任何一台计算机都可作为监控工作站进行远程监控，通过系统中设置的主从机机制，多个监控工作站间能够协调工作，同时通过路由器，多个监控管理中心又可连接成更大甚至覆盖全国的监控管理网络，实现了监控管理的层次化、网络化和分布化。
2　系统硬件组成及设计
　　系统硬件主要包括近端集线器，现场监控系统，卡机和语音对讲系统，图像传输系统等，下面分别加以介绍。

2．1　近端集线器
　　近端集线器是以单片机为核心的智能处理设备，它是连接监控主机和现场控制单元的桥梁，监控工作站的各种命令经近端集线器的处理被发送到指定的现场控制单元，而现场控制单元的各种消息经近端集线器上报到监控主机。近端集线器采用查询方式检查各个现场监控单元是否有事件上报，在空闲时它向上发送设备诊断信息。近端集线器和现场监控单元以及监控主机之间通信速率均为9．6kbps。
　　除了一个串口上联监控主机外，近端集线器还设计有5个RS－485口，其中一个485口用来给现场监控单元分配编号（每一个现场监控单元在使用前必须分配有一个唯一的编号，我们称之为设备号，并在系统中登记，实际上，近端集线器自己也有设备号，同样由系统软件分配），其余4个485口用来连接现场监控单元，每个485口最多可联16个现场监控单元（总线连接），最远传输距离可达1．2km，这样，一个近端集线器最多可联64个现场监控单元。通过使用近端集线器，系统的扩展性变得非常好。
2．2　现场监控设备
　　现场监控系统由现场监控单元和现场数据采集与控制设备如卡机、门磁、双检、温湿度传感器、语音告警器等组成，主要完成对各种信号的变换、采集、控制等功能。现场监控单元也是以单片机为核心的智能控制设备，它接收近端集线器发来的控制命令并进行控制，如控制电控锁馈电、打开告警器等，同时可上报各种事件，如告警、碰卡、设备诊断事件（如卡机不工作）等。
2．3　卡　机
　　卡机是一种智能IC卡读写设备，它有上下两个触点，连接在现场监控单元的一个485口上。除了能进行IC卡读写控制外，卡机内部还内置耳机、麦克风等语音电路，可进行语音对讲。系统中对卡机上下两个触点功能作了不同定义，用卡碰上触点可进行开库、值班、报火警等，碰下触点可进行对讲、报盗警等。卡机工作时不停地循环检测上下两个触点，如果有碰卡则将相应的事件上报与其相连的现场监控单元，同时，卡机可接收现场监控单元发来的命令，如对卡写编号、打开语音电路等。
2．4　图像传输设备
　　我们在重点部位和库房配置了摄像头，现场采集的图像经调制发送至监控中心，在监控中心解调后送入矩阵切换器，图像经矩阵切换器输出后上计算机网络和电视墙。在监控工作站上可启动图像控制软件进行图像切换（至电视墙各个监视器、视频服务器）和图像控制（云台和镜头控制）。
3　监控管理软件组成及设计
　　监控管理软件采用面向对象和模块化相结合的设计思想，主要分为以下几个部分：监控工作站软件，监控代理，网上钥匙审批，监控图像，语音对讲，查询统计，远程发布。其中，前5个部分大多采用C／S（客户／服务器）结构，每一个均为独立的可执行程序，采用VC＋＋6．0开发；后面2个部分采用B／S（浏览器／服务器）结构，采用DHTML（动态HTML）和ASP（动态服务器页面）开发。WWW服务器采用的是Win2000Server IIS（Internet信息服务器）5．0，数据库系统采用使用广泛且稳定可靠的MS SQLSERVER2000，数据库接口采用ODBC（开放式数据库互连）和ADO（高级数据对象），ODBC是一个在Windows环境下应用程序访问数据库的统一接口标准，ADO则是Windows平台下新的数据库访问接口，使用上更加简单，效率更高。整个软件系统运行平台为Win2000和Win98。监控管理软件结构见图2。

    下面我们逐一介绍监控管理软件的各组成部分。
    （1）监控工作站软件
　　由上可知，监控工作站软件是整个监控系统的核心，它主要由系统参数设置、出入库管理、库房环境监测、报警联动、值班管理、巡更管理、领交库房钥匙、IC卡管理、系统诊断等模块组成，同时，可手工或告警联动时启动监控图像、语音对讲及查询统计等模块，该软件采用事件驱动的软件设计方法，其控制流程如图3所示。
    监控工作站软件具有以下主要功能：
    ·报警联动实时处理。当系统接收到报警信息后，监控工作站软件执行告警联动功能，报警器响，报警地点灯、图像、对讲联动，值班室显示屏报警并显示告警内容和部位，监控工作站软件界面上相应库房图标颜色将变为报警状态，并以声音作提示，监控图像自动切换到报警地点并打开库房声音。操作人员能第一时间发现警报，查看核实，当确定为告警，可向应急小分队发出警报进行处理。　

　　·库房和重点部位状态、钥匙柜等实时监控。在监控工作站软件界面上库房和重点部位、钥匙柜等以不同颜色的图标实时显示状态（钥匙已领、开库、关库、钥匙已还、设备告警、环境告警），点击相应位置上的图标就可控制在那里的设备，告警时相应位置上的图标闪烁，不同的告警以不同的颜色区分，使用户能迅速定位告警地点和类型，极大地方便了用户的使用。
　　·IC卡管理。本系统以IC卡管理为核心实现了综合监控管理，出入库、报警、值班、巡逻等都要碰卡才能实现。我们采用的是美国钮扣信息卡，其大小和一枚一角硬币差不多，非常小巧，易于携带和保存，其内置电池可使用10年以上。每个卡在使用前必须通过监控中心卡机进行授权，系统中可授权的卡分为多种类型，如钥匙卡、值班卡、仓库卡、临时卡等，不同的卡分配不同的权限（如入库必须使用仓库卡，使用其它卡会告警）。钥匙卡是系统预先生成的一种卡，其它类型的卡必须通过钥匙卡才能生成。不同人员携带相应类型的卡，如仓库管理员使用仓库卡在卡机上碰卡可领库房钥匙、出入库（解除库房报警、打开库房报警）、请求通话、报警（火警、盗警）等。
　　·数据库管理功能。系统数据库可对告警、领交钥匙、出入库、库房环境状态、值班、巡逻等进行记录，同时，系统数据库中设计了多种配置表，如设备编号表、设备配置表、图像切换表等，通过各种配置表，软件运行完全基于数据库，因此，系统扩容或现有系统某些设备增加、改变，只需修改数据库配置，完全不用修改程序，极大地方便了系统的维护管理。
　　·主从机切换功能。监控工作站软件提供了主从机两种操作模式，整个系统中只有一个主机，从机个数不限。主机平时运行在监控中心，拥有系统一切控制权，从机一般安装在库领导以及上级监控中心，从机拥有系统部分控制权，经过主机授权，从机也可升级为主机，当主机不工作（退出）时，所有从机会收到主机丢失告警，主机恢复工作后告警解除。
　　·系统自检、自恢复功能。近端集线器、现场监控单元、卡机、监控工作站、监控主机以及网络连接等资源设备不工作或断电后系统自动报警并反应到系统界面上，一旦设备恢复工作，系统自动解除报警。同时，用户也可手工实时查看各个设备工作状态。
    （2）监控代理
　　监控代理软件实现两方面的功能，一方面，它代理局域网内监控工作站的监控管理请求，另一方面，它还响应上级监控网管中心的查询和对设备的远程控制，同时，它将库房状态信息和设备故障信息上报监控工作站及上级监控网管中心。它和监控工作站及上级监控网管中心采用网络协议TCP／IP（传输控制协议／网际协议）进行通信，和监控硬件系统采用串口通信。该软件设计充分利用了Windows系统多线程和消息通信机制，一个串口工作线程负责实时监视串口事件及向串口发送命令，主线程则负责网络发送和接收，两个线程之间通过消息和事件命令队列通信。
    （3）监控图像和语音对讲
　　监控图像软件包括服务器端和客户端两部分，服务器端软件运行在视频服务器上，它通过视频采集卡将监控现场图像引入计算机并压缩，然后向网络发送；客户端软件运行在监控工作站上，它从网上接收服务器端软件发送的图像信息并解压显示，客户端软件可以控制矩阵切换器进行图像切换，也可控制监控现场摄像机镜头和云台的动作。图像压缩采用MPEG4，网络传输采用多播方式，因此，非常节省网络带宽，同时，客户端数量不受限制，网络视频播放流畅、实时。
　　语音对讲软件运行在监控工作站上，可手工启动也可由监控工作站软件在告警联动时启动，它的主要功能是打开库房卡机声音，以实现库房和监控中心通话。这两部分软件均从数据库读取配置信息，同时，与监控工作站软件采用自定义的Windows消息进行通信。
    （4）网上钥匙审批
　　网上钥匙审批软件是一个相对独立的软件模块，它运行在保管队计算机上，保管队计算机与监控中心通过网络连接。保管员要进库房作业须经授权批准，否则，系统报警。保管队长通过该软件可授权保管员领哪些钥匙，领钥匙记录自动记录在系统数据库中。
　　（5）查询统计和远程发布
    查询统计软件提供监控信息的查询统计和打印，用户可根据时间、地点、人员等条件对报警记录、IC卡登记记录、领钥匙记录、进出库记录、值班记录、库房温湿度记录进行查询统计和打印。远程发布软件主要是为广域网（例如Internet）等窄带用户设计的，我们为广域网用户提供了和监控工作站软件一致的用户界面，广域网用户经过认证为合法用户后就可打开监控界面，可查看库房状态、告警、温湿度、监控图像等信息。这两部分均采用Brower／WWW／DB这种先进的3层架构模式。由于基于浏览器，因此免安装，可在任何一台联网机器上运行。
　　B／S结构程序的打印目前在技术上还是一个难点，还没有成熟通用的解决方案，我们这里采用的是和Word相结合的打印方式，这种方法的特点是实现较为简单，可充分利用Word强大灵活的打印机制，其缺点是客户端需要安装Word。
4　系统的安全性
　　系统设计时充分考虑了安全性，在IC卡的管理上，只有凭钥匙卡才可生成其它类型的卡（钥匙卡由库领导持有，也就是说，要生成新卡必须得到领导的授权）；保管员在领库房钥匙时必须得到队长的批准，同时，保管队长只能批准他被授权管理的库房钥匙；
保管员在开库时也只能打开他被授权开的库房。入库时，两名保管员必须各持一个授权开此库的卡分别碰卡机，库房才能解除报警，离开库房时单人碰卡设置报警。一切未经授权的行为都将触发系统报警，同时，记录在系统数据库中。另外，远程发布的信息只有经过认证的用户才可观看。
5　结束语
　　经过实际运行，本系统稳定可靠，使用方便，功能齐全，满足了仓库监控管理的要求。该系统的使用为库房物资的安全管理提供了科学的监控手段，提高了仓库应付突发事件的快速反应和处理能力；同时，也为库存物资的质量监测，指导库房通风降湿，提供了准确的依据。

　　参考文献

1　Anthony Jones．Windows网络编程技术．北京：机械工业出版社，2000
2　徐孝凯．数据结构实用教程（C／C＋＋描述）．北京：清华大学出版社，2001
3　桥　林，杨志刚．VISUALC＋＋高级编程技术（MFC与多线程篇）．北京：中国铁道出版社，2000