潘浩達(dá),鄭 鵬,鄭 梁,秦會(huì)斌,秦惠民
(1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.嘉善福尼電子有限公司,浙江 嘉善 314100)
基于Qt和Web的工業(yè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)
潘浩達(dá)1,鄭 鵬1,鄭 梁1,秦會(huì)斌1,秦惠民2
(1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.嘉善福尼電子有限公司,浙江 嘉善 314100)
為解決基于Web的工業(yè)遠(yuǎn)程控制中的無(wú)線傳輸短連接問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于Qt和Web的工業(yè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用Qt中的信號(hào)和槽機(jī)制及socket通信套接字,使Qt后臺(tái)軟件與工業(yè)主控制器的WiFi通信模塊建立長(zhǎng)連接數(shù)據(jù)收發(fā)功能;采用Web編程技術(shù)編寫網(wǎng)頁(yè),以Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)的動(dòng)態(tài)無(wú)刷新功能;將MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站,為Web網(wǎng)頁(yè)提供數(shù)據(jù)顯示和控制功能。經(jīng)測(cè)試,整個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)運(yùn)行正常,能夠在無(wú)線傳輸中適應(yīng)頻繁的數(shù)據(jù)收發(fā)操作并保持長(zhǎng)連接通信,實(shí)現(xiàn)了用戶通過(guò)瀏覽器對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程控制。
遠(yuǎn)程控制;Qt后臺(tái);長(zhǎng)連接;Web網(wǎng)頁(yè);MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)
隨著現(xiàn)代生產(chǎn)力的快速發(fā)展,企業(yè)規(guī)模不斷壯大,簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)控制已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工業(yè)自動(dòng)化控制,企業(yè)對(duì)信息數(shù)據(jù)的需求量越來(lái)越大。為了解決企業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的地域限制,方便企業(yè)管理控制和提高企業(yè)生產(chǎn)工藝水平,高效的遠(yuǎn)程控制技術(shù)[1,2]成為當(dāng)今企業(yè)的普遍要求。
基于Web的工業(yè)遠(yuǎn)程控制是較常用的遠(yuǎn)程控制技術(shù)。該遠(yuǎn)程控制中工業(yè)設(shè)備和服務(wù)器大部分是通過(guò)有線連接的方式來(lái)通信的[3]。但是,由于有線連接方式往往會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境限制,基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的Web遠(yuǎn)程控制越來(lái)越受到人們的關(guān)注。然而,當(dāng)前基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[4]的Web遠(yuǎn)程控制在穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性方面還面臨著一些問(wèn)題。因?yàn)椋趩渭兊腤eb網(wǎng)頁(yè)控制中,客戶端瀏覽器訪問(wèn)的服務(wù)器Web頁(yè)面只會(huì)執(zhí)行當(dāng)前頁(yè)面和其相關(guān)頁(yè)面程序,每個(gè)頁(yè)面執(zhí)行的是短連接過(guò)程,因此跳轉(zhuǎn)到其他頁(yè)面時(shí)都需重新連接無(wú)線通信模塊。此外,無(wú)線模塊的連接需要一定的時(shí)間,因此每次跳轉(zhuǎn)到其他Web頁(yè)面時(shí)都會(huì)產(chǎn)生連接延時(shí),影響實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的收發(fā)。
為了保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下Web遠(yuǎn)程控制的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性,本文在原有的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)下,在服務(wù)器端開發(fā)一個(gè)可以和工業(yè)設(shè)備保持長(zhǎng)連接的Qt后臺(tái)軟件,以實(shí)現(xiàn)其與工業(yè)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。再結(jié)合Web編程技術(shù)[5]編寫Web頁(yè)面,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端對(duì)工業(yè)設(shè)備的控制,設(shè)計(jì)一個(gè)基于Qt和Web的工業(yè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。
本系統(tǒng)采用LT232/485WiFi透?jìng)髂K[6]來(lái)代替有線傳輸方式。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
工業(yè)設(shè)備控制器經(jīng)WiFi透?jìng)髂K與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通信,用戶通過(guò)Internet訪問(wèn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),進(jìn)而控制工業(yè)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)生產(chǎn)。
為了使工業(yè)設(shè)備控制器和外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,適應(yīng)頻繁的數(shù)據(jù)收發(fā),本系統(tǒng)通過(guò)WiFi模塊和服務(wù)器后臺(tái)軟件建立TCP長(zhǎng)連接模式,以網(wǎng)絡(luò)通信套接字socket實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能[7]。并將后臺(tái)軟件接收過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)存入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù),方便網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)的讀取和顯示。客戶端瀏覽器將網(wǎng)頁(yè)的控制命令通過(guò)socket套接字寫入后臺(tái)軟件,經(jīng)后臺(tái)軟件將數(shù)據(jù)傳送到工業(yè)設(shè)備控制器,如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件模塊
本系統(tǒng)選擇能夠跨平臺(tái)、易升級(jí)、支持多系統(tǒng)下的Qt開發(fā)環(huán)境開發(fā)后臺(tái)軟件,Qt以其特有的信號(hào)和槽機(jī)制方便了函數(shù)的中斷調(diào)用,而且擁有大量的庫(kù)函數(shù),方便開發(fā)人員邏輯代碼編寫[8]。由于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件模塊和服務(wù)器都是安裝在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上,為了減輕服務(wù)器壓力,選擇功能強(qiáng)大的輕量級(jí)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)[9]。網(wǎng)頁(yè)部分采用html(超文本標(biāo)記語(yǔ)言)嵌入php開源腳本語(yǔ)言的方式編寫,以Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面的無(wú)刷新動(dòng)態(tài)顯示[10]。
2.1 Qt后臺(tái)軟件
該軟件主要包括客戶端通信模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)通信模塊、服務(wù)端通信模塊和自動(dòng)連接WiFi模塊[11]。客戶端模塊和工業(yè)設(shè)備控制器連接通信,兩者通過(guò)WiFi透?jìng)髂K接收和發(fā)送命令,控制設(shè)備的開機(jī)、關(guān)機(jī),讀取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)到后臺(tái)界面軟件,然后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù);數(shù)據(jù)庫(kù)通信模塊是接收設(shè)備的數(shù)據(jù)信息去改變數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù),為Web網(wǎng)頁(yè)提供數(shù)據(jù);服務(wù)端通信模塊是接收來(lái)自網(wǎng)頁(yè)的消息,接收來(lái)自網(wǎng)頁(yè)的命令:如設(shè)備的開機(jī)、關(guān)機(jī),連接、斷開網(wǎng)絡(luò),參數(shù)設(shè)置等,去控制現(xiàn)場(chǎng)工作;自動(dòng)連接WiFi模塊是用來(lái)保證無(wú)線信號(hào)的長(zhǎng)連接工作狀態(tài)。
2.1.1 客戶端通信模塊
作為WiFi模塊的客戶端,首先要和WiFi模塊建立TCP連接,利用Qt庫(kù)函數(shù)與WiFi連接后,使用tcpsocket與設(shè)備控制器進(jìn)行通信。
以顯示現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為例,函數(shù)執(zhí)行順序如圖3所示。

圖3 客戶端通信過(guò)程圖
①首先為客戶端套接字tcpsocket寫入成批讀出軟元件命令

其中,Read_Command(ReadType type,QString str,int n)是讀取寄存器數(shù)據(jù)函數(shù),參數(shù)分別表示讀取類型、寄存器名和讀取的個(gè)數(shù)。
②待寫入命令后,再執(zhí)行函數(shù)

將之前讀取的數(shù)據(jù)放到字符串str中,其中handleStr函數(shù)表示將寄存器讀取出來(lái)的數(shù)據(jù)去除幀頭和幀尾;
③通過(guò)函數(shù)display(QString str)將數(shù)據(jù)顯示在Qt界面上。
2.1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)通信模塊
在與數(shù)據(jù)庫(kù)通信之前,首先要和數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接,Qt中的連接函數(shù)如下:


代碼的主要意思依次為連接MySQL數(shù)據(jù)庫(kù),配置好主機(jī)名、數(shù)據(jù)庫(kù)名、用戶名和登錄密碼,最后打開數(shù)據(jù)庫(kù),就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。
2.1.3 服務(wù)器通信模塊
作為Web網(wǎng)頁(yè)的服務(wù)端,服務(wù)端對(duì)象tcpserver監(jiān)聽網(wǎng)頁(yè)連接,并接收網(wǎng)頁(yè)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),經(jīng)客戶端對(duì)象tcpsocket發(fā)送到設(shè)備控制器中,實(shí)現(xiàn)Web網(wǎng)頁(yè)控制工業(yè)設(shè)備。部分代碼如下:

以接收Web頁(yè)面控制命令為例,通信流程如圖4所示。

圖4 后臺(tái)軟件服務(wù)器模塊
當(dāng)接收到網(wǎng)頁(yè)的socket消息時(shí),Qt后臺(tái)軟件執(zhí)行tcpserver信號(hào)所綁定的receiveFromWeb函數(shù),進(jìn)而控制設(shè)備。
2.1.4 自動(dòng)連接WiFi模塊
由于現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境惡劣,大功率設(shè)備上電瞬間會(huì)產(chǎn)生電流干擾和磁場(chǎng)干擾,WiFi模塊可能因此和后臺(tái)軟件斷開連接。就以上原因,利用Qt中的信號(hào)和槽機(jī)制,將tcpsocket的斷開連接信號(hào)綁定到連接WiFi模塊函數(shù)上,主要代碼如下:

在tcpsocket和WiFi模塊斷開瞬間執(zhí)行l(wèi)ink()函數(shù),重新連接WiFi模塊。
2.2 MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)
根據(jù)所要設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)表字段名的不同類型來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表,不同數(shù)據(jù)類型所占的字節(jié)和空間是不同的,盡量以高效分配存儲(chǔ)空間的原則來(lái)設(shè)計(jì)[12]。由工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工作需求,在數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表,用來(lái)存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)。主要的數(shù)據(jù)表分別為:工藝曲線表(cruve)、溫度設(shè)定表(temset)、壓力設(shè)定表(preset)、開關(guān)表(switch)、控制表(onoff)和數(shù)據(jù)顯示表(display)。
例如對(duì)工藝曲線表(cruve)的創(chuàng)建如下:
create table cruve(date Time,microsecond Mediu-mint,data Float(M,D));//時(shí)間,毫秒數(shù),數(shù)據(jù)其中字段Time表示當(dāng)前時(shí)間,字段Mediumint表示存取的毫秒數(shù),字段Float(M,D)表示一共顯示M位整數(shù),D表示小數(shù)點(diǎn)后面的位數(shù)。這樣即保證了精確度,又節(jié)省了存儲(chǔ)空間,減輕服務(wù)器壓力。
2.3 Web網(wǎng)頁(yè)
2.3.1 安全登錄頁(yè)面
為了保證登錄數(shù)據(jù)信息的安全性,同時(shí)為防止用戶在沒(méi)有經(jīng)過(guò)登錄系統(tǒng)的情況下非法登錄系統(tǒng)而采用session技術(shù)[13]。
在每個(gè)網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面中加入session判斷語(yǔ)句,檢查服務(wù)器保存文件中有沒(méi)有客戶端相對(duì)應(yīng)的session記錄,若有則通過(guò)身份認(rèn)證,若沒(méi)有,則將網(wǎng)頁(yè)跳到登錄首頁(yè)面,需要客戶端重新登錄。部分代碼如下:

2.3.2 數(shù)據(jù)采集頁(yè)面
現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集頁(yè)面采用Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)頁(yè)面數(shù)據(jù)的無(wú)閃爍更新顯示,執(zhí)行代碼為:

其中,display()函數(shù)的執(zhí)行過(guò)程為:采用Ajax技術(shù)將數(shù)據(jù)命令以POST的形式提交到后臺(tái)處理頁(yè)面showprocess.php,該頁(yè)面從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出數(shù)據(jù),返回到顯示頁(yè)面show.php,實(shí)現(xiàn)無(wú)刷新顯示。其工作模式如圖5所示。

圖5 Ajax工作模式
用戶發(fā)送請(qǐng)求給Ajax引擎,Ajax引擎向服務(wù)器發(fā)送HTTP請(qǐng)求,此時(shí)Web服務(wù)器運(yùn)算操作Ajax引擎發(fā)送過(guò)來(lái)的請(qǐng)求。由于Ajax的異步操作特性,在此期間客戶端可以對(duì)其他邏輯事物進(jìn)行操作,等到服務(wù)器端運(yùn)算結(jié)束后,服務(wù)器將數(shù)據(jù)以Json格式響應(yīng)到Ajax引擎,Ajax引擎將響應(yīng)的結(jié)果返回給用戶。
2.3.3 控制頁(yè)面
控制頁(yè)面以下拉列表的方式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開和關(guān),在html代碼中嵌入onchange事件,當(dāng)下拉列表改變狀態(tài)時(shí)觸發(fā)onchange事件,執(zhí)行javascript代碼,將命令傳到Qt后臺(tái)軟件,同圖5。
2.3.4 工藝設(shè)定頁(yè)面
工藝設(shè)定頁(yè)面首先讀取設(shè)備控制器原始設(shè)定數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)顯示在表格中。若生產(chǎn)中需要更改參數(shù)設(shè)定,經(jīng)更改按回車后觸發(fā)onchange事件,跳轉(zhuǎn)到后臺(tái)process.php執(zhí)行代碼,經(jīng)socket將數(shù)據(jù)傳送到Qt后臺(tái)軟件為設(shè)備控制器提供數(shù)據(jù),如圖5所示。
在網(wǎng)頁(yè)短連接方式和Qt長(zhǎng)連接方式下操作網(wǎng)頁(yè),程序中分別以1 s、100 ms和10 ms的采樣周期采集時(shí)間,對(duì)采集時(shí)間的連續(xù)性作對(duì)比。圖6、圖7和圖8中的縱坐標(biāo)0代表無(wú)采集點(diǎn),1代表有采集點(diǎn),在不同的采樣周期下,可以表明采集點(diǎn)是否具有連續(xù)性。
采樣周期為1 s時(shí)得出的時(shí)間對(duì)比如圖6所示,從圖中看出短連接和長(zhǎng)連接得到的時(shí)間都具有良好的連續(xù)性。

圖6 采樣周期1s的采集對(duì)比圖
采樣周期為100 ms時(shí)得出的時(shí)間對(duì)比如圖7所示,從圖中看出長(zhǎng)連接得到的時(shí)間具有連續(xù)性,短連接下丟失了1個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù),并且丟失點(diǎn)后面的時(shí)間數(shù)據(jù)有一定的延時(shí)。

圖7 采樣周期100 ms的采集對(duì)比圖
采樣周期為10 ms時(shí)得出的時(shí)間對(duì)比如圖8所示,從圖中看出長(zhǎng)連接得到的時(shí)間具有連續(xù)性,短連接下丟失了7個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù),丟失點(diǎn)后面的時(shí)間數(shù)據(jù)有一定的延時(shí)。

圖8 采樣周期10 ms的采集對(duì)比圖
經(jīng)Comm View測(cè)試,本系統(tǒng)服務(wù)器與WiFi模塊連接的平均時(shí)間為70 ms。在短連接情況下,從圖7和圖8可以看出,跳轉(zhuǎn)到其他頁(yè)面時(shí),需重新連接WiFi通信模塊(即經(jīng)過(guò)70 ms)后才能取得數(shù)據(jù),而且取得的數(shù)據(jù)有一定的延時(shí),采樣周期為10 ms時(shí)丟失的數(shù)據(jù)多于100 ms下丟失的數(shù)據(jù);在長(zhǎng)連接情況下,從圖6、圖7和圖8可以看出,服務(wù)器端的Qt后臺(tái)軟件與WiFi模塊處于長(zhǎng)時(shí)間連接狀態(tài),操作其他頁(yè)面時(shí)沒(méi)有數(shù)據(jù)丟失。從中可以看出,當(dāng)采樣周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于WiFi模塊的連接時(shí)間時(shí),在相同情況下短連接和長(zhǎng)連接得到的數(shù)據(jù)都具有良好的連續(xù)性,采樣周期會(huì)忽略WiFi模塊的毫秒級(jí)連接時(shí)間,不會(huì)影響數(shù)據(jù)的采集。
當(dāng)采樣周期與WiFi模塊連接時(shí)間在同一數(shù)量級(jí)時(shí),短連接情況下會(huì)丟失采集點(diǎn),并且會(huì)隨著采樣周期的減小而丟失更多數(shù)據(jù),而長(zhǎng)連接情況下不會(huì)丟失采集點(diǎn)。因此Qt長(zhǎng)連接方式不會(huì)因?yàn)椴杉芷诘拈L(zhǎng)短而失去采集點(diǎn),能使服務(wù)器和工業(yè)設(shè)備建立長(zhǎng)連接數(shù)據(jù)收發(fā)功能。
基于Qt和Web的工業(yè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的Qt后臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)了與工業(yè)設(shè)備的頻繁數(shù)據(jù)收發(fā)功能,并與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)協(xié)同操作,為網(wǎng)頁(yè)模塊提供數(shù)據(jù)顯示功能,最后通過(guò)網(wǎng)頁(yè)模塊與Qt后臺(tái)軟件通信,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)人機(jī)交互功能。總體來(lái)說(shuō),該系統(tǒng)解決了基于Web的工業(yè)遠(yuǎn)程控制中服務(wù)器與工業(yè)設(shè)備短連接的問(wèn)題,測(cè)試數(shù)據(jù)體現(xiàn)了良好的數(shù)據(jù)連續(xù)性和長(zhǎng)連接功能,表明Qt后臺(tái)長(zhǎng)連接數(shù)據(jù)收發(fā)和Web網(wǎng)頁(yè)操作的可行性。
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Industrial Remote Control System Based on Qt and Web
PAN Hao-da1,ZHENG Peng1,ZHENG Liang1,QIN Hui-bin1,QIN Hui-min2
(1.School of Electronic&Information,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang 310018,China;2.Jiashan Funi Electronics Co.,Ltd.,Jiashan Zhejiang 314100,China)
In order to solve the problem of short connection of wireless transmission in industrial remote control based on Web,an industrial remote control system based on Qt and Web is designed.The system uses the mechanism of signal and slot in Qt and socket communication to make the Qt software and the WiFi module of the main controller establish a long connection of data transmitting and receiving;the system uses Web programming to write the Web page and uses Ajax to achieve the dynamic function without refreshing;It uses MySQL database as the data transfer station for the function of data display and control in Web page.It is indicated by test that the remote control system is in normal operation.It can adapt to the frequent operations of data transfer and maintain long connection communication in wireless transmission,and it allows users to control the industrial site by a browser.
remote control;Qt backstage;long connection;Web page;MySQL database
TN108.4
A
1003-3114(2015)06-88-4
10.3969/j.issn.1003-3114.2015.06.23
潘浩達(dá),鄭 鵬,鄭 梁,等.基于Qt和Web的工業(yè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2015,41(6):88-91,96.
2015-06-04
浙江省科技計(jì)劃公益性項(xiàng)目(2013C31064)
潘浩達(dá)(1988—),男,碩士研究生,主要研究方向:網(wǎng)絡(luò)通信。秦會(huì)斌(1961—),男,教授,主要研究方向:新型電子器件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)應(yīng)用。