Компьютерная система сбора физических параметров через GSM сеть

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Черниговский государственный технологический университет

Кафедра информационных и компьютерных систем

Дипломный проект на тему:

Компьютерная система сбора физических параметров через GSM сеть

Квалификационная работа специалиста по специальности:

Специализированные компьютерные системы

Исполнитель:

О.Н. Турок.

Чернигов, 2013.

Содержание

Введение

1. Анализ задачи проектирования компьютерной системы сбора физических параметров через GSM сеть

1.1 Исследование предметной области

1.2 Обзор существующих систем

1.2.1 Индикаторы аварифных сигналов с функцией GSM-логгера

1.2.2 Контроллеры Actidata Netviewer

1.2.3 Контроллеры температуры и влажности Sensatronics

1.3 Сравнительный анализ существующих систем

1.4 Тебования к системе и ее функциональности

1.4.1 Требования к программной подсистеме

2. Разработка икс сбора физических параметров через GSM сеть

2.1 Выбор технических средств построения системы

2.2 Выбор языка реализации системы

2.2.1 Выбор технологии реализации

2.2.2 Выбор СУБД

2.2.2.1 Microsoft SQL Server

2.2.3 Выбор элементной базы ЛВС

2.3 Разработка архитетуры системы

2.4 Разработка програмной подсистемы

2.5 Программное обеспечение

2.6 Разработка карты сайта подсистемы «ИКС сбора физических параметров через GSM сеть»

2.7 Требования к аппаратной подсистеме

2.7.1 Анализ и выбор каналов передачи информации

2.7.2 Требования к микроконтроллеру

2.7.3 Коммуникационные интерфейсы

2.7.4 Параллельные интерфейсы

2.7.5 Персональный компьютер

2.7.6 Измерители аварийных сигналов

2.7.6.1 Режим "Работа"

2.7.6.2 Режим "Конфигурация с ПК"

2.7.6.3 Режим Режим «Программирование»

2.7.6.4 Индикация

2.7.6.5 Протокол работы

2.7.6.6 Эксплуатационное ограничение

3. Реализация икс сбора физических параметров через GSM сеть

3.1 Таблицы базы даннях

3.2 Схема классов сущностей

3.3 Описание процеса сборки и установки оборудования

Перечень источников

Введение

В настоящее время компьютеры получили широкое распространение во всех сферах деятельности человека. Применение вычислительной техники обусловлено тем, что она существенно облегчает работу человека, при этом ускоряется время выполнения задачи и повышается надежность результата. Так как вычислительная техника работает под программным управлением, то ее функциональность зависит от используемого программного обеспечения.

В современных клиент-серверных приложениях часть вычислительных операций и бизнес-логики была перенесена на сторону клиента, что и стало визитной карточкой этого подхода. Клиент не должен устанавливать все ПО у себя на рабочем столе для использования приложения с клиент-серверной архитектурой.

Internet сыграл решающую роль в развитии распределенных приложений. Сегодня он существенно расширяет возможности применения распределенных приложений, позволяя подключать удаленных пользователей.

Данная система удобна для использования, так как не нужно устанавливать ПО на рабочих местах пользователей, доступ к ПО осуществляется через обычный браузер. Удобный интерфейс - большинство людей в наше время уже привыкли к использованию веб-сервисов.

Пользователь заходит в систему и может отправлять серверу и принимать различные запросы, редактировать информацию, доступ к которой ограничивается правами доступа.

Сервер должен собирать информацию с GSM - логгера который находится на каком либо объекте и контролирует аварийную ситуацию. Он подключается по каналу на сервер и передаёт все свои данные на него и после этого вся информация записывается в базу данных. В случае аварии сохраняется аварийная ситуация в энергонезависимую память прибора. Отправляется смс в случае аварии на заданные номера телефонов. Встроенные цифровые часы реального времени, позволяют вести сохранение данных с привязкой к реальному времени.

Необходимо реализовать приложение «клиент» и приложение «сервер». Если сервер готов к работе, то он должен ожидать подключения к нему клиентов. Клиент делает запрос и принимает данные с сервера. Если сервер не готов, клиент извещается об этом.

Для выполнения вышеизложенных задач в наше время, время развития сетевых технологий, наиболее оптимальным выбором является наличие информационной компьютерной системы или систем. Создание подобной ИКС для выполнения изложенного выше спектра задач и является главной задачей этой работы.

Анализ Задачи проектирования компьютерной системы сбора физических параметров через GSM сеть.

1.1 Исследование предметной области

В наше время клиент - серверная технология стала очень популярной среди потребителей. С помощью этой технологии можно узнать много интересной информации не выходя из дома.

Сервер - в информационных технологиях - программный компонент вычислительной системы, выполняющий сервисные функции по запросу клиента, предоставляя ему доступ к определённым ресурсам. Процессы, реализующие некоторую службу, например службу файловой системы или базы данных, называются серверами. Процессы, запрашивающие службы у серверов путем посылки запроса и последующего ожидания ответа от сервера, называются клиентами.

В современных клиент-серверных приложениях часть вычислительных операций и бизнес-логики была перенесена на сторону клиента, что и стало визитной карточкой этого подхода. Клиент не должен устанавливать все ПО у себя на рабочем столе для использования приложения с клиент-серверной архитектурой. А если клиент использует приложение, реализованное в виде «тонкого клиента», то ему и вовсе не нужно дополнительное ПО.

Передача информации через Ethernet дала очень много различных возможностей для человека. С помощью передачи показаний через Ethernet можно следить за различными приборами и контролировать производство. Данная система реализована для передачи данных с GSM - логгера (аварийный сигнализатор). В случае аварии срабатывает сигнал «авария» и сохраняется текущее состояние.

Вся информация о приборах и о данных хранится в базе данных. Приборы подключаются к серверу по разным каналам. Когда происходит подключение, необходимо проверить прибор есть ли он в базе данных, если то подключение осуществляется. Если нет - необходимо внести его в базу.

В заданный интервал времени происходит «опрос устройств», чтобы контролировать состояние датчиков, это помогает избежать аварий.

Подобная реализация требует как минимум три сущности: гость, сервер, администратор. Сервер содержит n устройств. Каждый клиент видит нужные ему датчики. Администратор контролирует и редактирует информацию на сервере.

Как следствие из выше сказанного, очевидно, что необходимо предусмотреть различные права доступа для системы и ряд дополнительных проверок для некоторой функциональности основанных на правах доступа и принадлежности к различным структурным единицам. Клиентам доступна информация которая соответствует его правам доступа. Полные права имеет только администратор, который может удалять, редактировать информацию и вводить новую. В случае не зарегистрированного прибора или клиента, подается заявка на регистрацию.

Проанализируем, какая информация должна храниться в таблице базы данных. Необходимо чтобы были дата и время когда заявка клиент или прибор зарегистрировался в системе.

1.2 Обзор существующих систем

При подготовке этого раздела не было найдено ни одной системы которая покрывала бы весь указанный функционал, поэтому далее приведены наиболее удачные реализации того или иного планируемого функционала.

1.2.1 Индикаторы аварифных сигналов с функцией GSM-логгера

GSM-логгеры (аварийные сигнализаторы) предназначены для получения текущих данных с приборов «РегМик», сохранения их в энергонезависимой памяти и дистанционной передачи на персональный компьютер сервисного или диспетчерского центра через канал сотовой связи GSM или через интернет с помощью FTP-сервера. В составе системы у потребителя устанавливается GSM-логгер и сеть приборов «РегМик». В диспетчерском центре на ПЭВМ устанавливается специализированное программное обеспечение или GSM-модем позволяющие компьютеру произвести опрос системы в заданный интервал времени. Кроме того, через GSM-логгер можно изменять режимы, параметры регуляторов «РегМик», которые подключены к логгеру (опция).

- Максимальное количество записей: 60 000.

- Максимальное количество приборов в сети: 64.

GSM-логгер позволяют выполнить следующие функции:

- индикацию измеренных параметров на жидкокристаллическом индикаторе (16х2);

- формирование сигнала «Авария» при выходе контролируемого параметра за заданные аварийные значения;

- формирование сигнала «Авария» в случае срабатывания дискретных входов;

- сохранение аварийных ситуаций в энергонезависимую память прибора;

- отправка SМS на заданные номера телефонов (до пяти номеров) при аварийных ситуациях;

- вызов номера одного из пяти абонентов при аварийных ситуациях;

- сохранение в энергонезависимую память прибора значений измеряемых параметров с заданным интервалом времени;

- встроенные цифровые часы реального времени, позволяют вести сохранение данных с привязкой к реальному времени;

- автоматическая коррекция часов в сутки на заданное время;

- обмен данными с персональным компьютером (настройка внутренних параметров) по интерфейсу USB (протокол ModBus RTU);

- передача сохраненных данных на FTP-сервер с помощью GPRS соединения;

- включение выходных устройств при аварии;

- управление выходными устройствами по SМS-запросу;

- отправка статусных SМS по SМS-запросу;

- программное изменение параметров характеристики входных датчиков.

1.2.2 Контроллеры Actidata Netviewer

«Actidata NV» - это контроллер, передающий показания о температуре, относительной влажности, утечке воды, срабатывании датчиков проникновения, движения и задымления по интерфейсу Ethernet, с возможностью отправки электронных писем о нештатной ситуации через Интернет на почтовый ящик пользователя с помощью сервера сети.
По своим функциям превосходит существующие аналоги.

Основные преимущества:

Установив «Actidata NV», Вы всегда будете в курсе
показаний температуры, относительной влажности и безопасности Ваших офисов, серверных, необслуживаемых помещений (базовых станций, генераторных), складских помещений, хранилищ медикаментов, пищевых продуктов и произведений искусства. Простота установки и настройки - достаточно подвести к контроллеру «Actidata NV» кабель Ethernet.

Контроллер Actidata NV не требует дополнительной линии электропитания, обслуживания, проверки и регулировки.

Контроллер «Actidata NV» поможет существенно сэкономить на стоимости поддержания температурно-влажностного режима и содержании персонала дежурных смен.

Области применения контроллера «Actidata NV»:

Складские комплексы:

Контроллер «Actidata NV» постоянно информирует Вас о температуре, относительной влажности и безопасности складских помещений, а прилагаемое программное обеспечение SNMPGuard 3.0 отправит оповещение, сохранит и выдаст отчеты по измеренным параметрам;

Серверные и необслуживаемые помещения (базовые станции, генераторные).

Контроллер «Actidata NV» проследит за серверным и телекоммуникационным оборудованием в шкафах и монтажных стойках:

- контроль температурно-влажностного режима внутри и вне шкафов и монтажных стоек. Оповещение по электронной почте при опасном повышении/снижении температуры;

- контроль открывания шкафов и стоек или проникновения в серверное помещения, задымления в указанных помещениях.

Хранилища музеев.

Контроль температурно-влажностного режима и режима доступа внутри хранилищ произведений искусства.

Хранение медикаментов и пищевых продуктов
Контроллер «Actidata NV» проконтролирует оптимальные условия хранения медикаментов и пищевых продуктов. В программном обеспечении SNMPGuard 3.0, входящем в комплект поставки, есть возможность ведения журнала температурно-влажностного режима хранения и отправки оповещений о выходе измеряемых параметров из установленных допусков. Системы отопления и кондиционирования. Дистанционный контроль систем отопления и кондиционирования, контроль доступа в помещения бойлерных и технологических помещений, оповещение по электронной почте при выходе температуры и относительной влажности из допусков, задымлении в бойлерной (с помощью датчика задымления) или несанкционированном проникновении.

Загородные дома и квартиры.

Контроллер «Actidata NV» у Вас дома - экономичный и эффективный способ обеспечить:

- информирование о несанкционированном проникновении;

- информирование и контроль температурно-влажностного режима;

- информирование о возгораниях и задымлении вашей квартиры или дома.

1.2.3 Контроллеры температуры и влажности Sensatronics

В Контроллеры (мониторы) окружающей среды «Sensatronics», осуществляющие мониторинг с последующей передачей измеренных данных по локальной сети.

Контроллеры и датчики «Sensatronics» современное, эргономичное и малобюджетное решение, обеспечивающее полный контроль над состоянием окружающей среды (температура, относительная влажность, протечки воды, скачки напряжений) на Ваших объектах, там, где такой контроль особенно важен.

Наибольшим спросом пользуются датчики контроля температуры, датчики относительной влажности и контроллеры «Sensatronics», они показали высокую надежность и большое время наработки на отказ.

Естественными потребителями оборудования «Sensatronics» являются компании, обладающие серверными и технологическими помещениями с высокоточным оборудованием. Оборудованием, которому требуется особый температурный режим и которое может вывести из строя попадание либо конденсация влаги. Контроллеры «Sensatronics» незаменимы на предприятиях, производящих продукты питания, ведь постоянный, точный и надежный мониторинг состояния окружающей среды критичен для технологического процесса.

Промышленные холодильники и морозильники, оборудованные контроллерами и датчиками «Sensatronics» - это новая ступень качества и контроля в сфере глубокой заморозки продуктов питания - ведь контроллеры «Sensatronics» могут быть оборудованы датчиками сверхнизких температур.

Контроллеры «Sensatronics» являются также лучшим из возможных решений для сетей супермаркетов, продуктовых магазинов, складов, ресторанов и кафе. Так же оборудование мониторинга окружающей среды «Sensatronics» не заменимо для автоматизированного контроля температуры и влажности на подземных стоянках автотранспорта и тоннелях.

Преимущества данного оборудования:

Отправка оповещений по SNMP протоколу, в отличие от других решений мониторинга, использующих интерфейсы RS 232, RS 485 с дальнейшем конвертированием, ведущим как к удорожанию так и к техническим усложнениям и вследствие этого, к понижению отказоустойчивости системы.

Невысокая стоимость.

Простота инсталляции и настройки.

Наличие контроллеров под различные задачи.

Многообразие датчиков под любого клиента и объект (девять видов датчиков температуры , два вида датчиков относительной влажности, два вида датчиков протечек, датчики контроля напряжений , задымлений , проникновения и т.д.).

Легкая масштабируемость: по мере роста Вашего бизнеса и роста сети мониторинга, достаточно докупить требуемое количество контроллеров и датчиков и подключить их в сеть.

Легкая интеграция с любым корпоративным программным оповещений, предоставление MIB файлов производителя

1.3 Сравнительный анализ существующих систем

Для того, чтобы провести сравнительный анализ, необходимо выделить базовые требования к разрабатываемой системе - критерии, по которым собственно и будет проводиться сравнение таких систем. Базовые требования:

- наличие СУБД;

- работа по сети;

- фильтрация данных при поиске;

- удобный интерфейс;

- опрос системы;

- связность прибор-сервер;

- оповещение клиентов через мобильный терминал;

- многопользовательский режим;

- программное изменение параметров характеристики входных датчиков.

Наличие или отсутствие этих требований в каждой из рассмотренных систем проанализировано в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Таблица оценки существующих систем:

Критерии оценки	Индикаторы аварийных сигналов с функцией GSM-логгера»	Контроллеры Actidata NV	Контроллер Sensatronics	Мониторинг автотранспорта	Разрабат. система
Наличие СУБД	+	+	+	+	+
Работа по сети	+	+	+	-	+
Формирование отчетности	+	+	+	+	+
Фильтрация данных при поиске	-	+	+	+	+
Удобный интерфейс	+	+	+	-	+
Опрос системы	+	-	+	+	+
Связность прибор-сервер	+	+	-	+	+
Оповещение клиентов через мобильный терминал	+	-	+	+	+
Многопользовательский режим	+	+	-	-	+
Программное изменение параметров характеристики входных датчиков	+	-	+	_	+

Примечания:

«-» означает отсутствие реализации данного требования у рассматриваемой системы.

«+» означает наличие реализации данного требования у рассматриваемой системы.

1.4 Тебования к системе и ее функциональности

1.4.1 Требования к программной подсистеме

Рассмотрим основные требования к разрабатываемой системе и ее функциональности:

- система должна обеспечивать наличие центральной СУБД;

- система должна работать как локально так и по сети;

- система должна сохранять текущее состояние приборов;

- система должна оповещать клиента об сигнале «Авария» при выходе контролируемого параметра за заданные аварийные значения;

- система должна обеспечить возможность связки прибор - сервер;

- система должна обеспечить оповещения клиентов о предстоящих изменениях;

- система должна иметь удобный, функциональный интерфейс, интуитивно понятный, не требующий для освоения специального обучения;

- система должна разграничивать доступ к информации и сервисам системы, в зависимости от «роли» пользователя (клиент, администратор);

Система сбора информации должна обеспечивать контроль над приборами. Иметь базу данных для хранения информации, а так же простоту инсталляции и настройки. Как показало изучение существующих приложений, на данный момент существует много подобных систем, но у каждой есть свои недостатки. Тем не менее ряд рассмотренных решений может быть применен при построении проектируемой системы.

Данная система должна предоставить доступ к функционалу необходимому для работы инженеров, а так же клиентов. Электронная форма хранения данных и работы с ними позволит всем пользователям иметь доступ к максимально актуальной информации, которая хранится на сервере и клиенту не нужно устанавливать ПО у себя на компьютере.

Значительное внимание требуется уделить проектированию интерфейса программы для упрощения и ускорения восприятия информации.

2. Разработка икс сбора физических параметров через GSM сеть

2.1 Выбор технических средств построения системы

В данном разделе будет изложен процесс выбора технологий и языков реализации системы.

А именно будет произведен выбор конкретного языка web-программирования, выбор способа объектно-реляционного отображения. Будет произведен обзор выбранных технологий.

2.2 Выбор языка реализации системы

Для реализации подобной системы нужен высокоэффективный, высокопроизводительный, язык программирования. Таким требованиям отвечают такие языки программирования, как C, C++, или же Go (Google language). C - самый популярный язык для создания системного программного обеспечения. Изначально С был создан для использования в операционной системе UNIX, но позже был перенесен на другие операционные системы и стал одним из самых используемых языков программирования. Его также часто используют для создания прикладных программ. Для языка Си характерны лаконичность, стандартный набор конструкций управления потоком выполнения, структур данных и обширный набор операций. Си предлагает следующие важные особенности:

- простую языковую базу, из которой вынесены в библиотеки многие существенные возможности, вроде математических функций или функций управления файлами;

- ориентацию на процедурное программирование, обеспечивающую удобство применения структурного стиля программирования;

- использование препроцессора для, например, определения макросов и включения файлов с исходным кодом;

- непосредственный доступ к памяти компьютера через использование указателей;

- минимальное число ключевых слов;

- передачу параметров в функцию по значению, а не по ссылке (при этом передача по ссылке эмулируется с помощью указателей);

- указатели на функции и статические переменные;

- области действия имён;

- структуры и объединения, определяемые пользователем собирательные типы данных, которыми можно манипулировать как одним целым;

Некоторые особенности других языков программирования, которые отсутствуют в Си:

- автоматическое управление памятью;

- поддержка объектно-ориентированного программирования;

- замыкание;

- вложенные функции;

- полиморфизм функций и операторов;

- поддержка многозадачности и сетевые функции;

- функции высшего порядка;

- сопрограммы;

- карринг.

Еще одним недостатком С является то, что он не является объектно-ориентированным языком.

C++ - компилируемый статически типизированный язык программирования общего назначения.

Поддерживает такие парадигмы программирования как процедурное программирование, объектно-ориентированное программирование, обобщенное программирование, обеспечивает модульность, раздельную компиляцию, обработку исключений, абстракцию данных, объявление типов (классов) объектов, виртуальные функции. Стандартная библиотека включает, в том числе, общеупотребительные контейнеры и алгоритмы. C++ сочетает свойства как высокоуровневых, так и низкоуровневых языков. В сравнении с его предшественником - языком C, - наибольшее внимание уделено поддержке объектно-ориентированного и обобщённого программирования.

Являясь одним из самых популярных языков программирования, C++ широко используется для разработки программного обеспечения. Область его применения включает создание операционных систем, разнообразных прикладных программ, драйверов устройств, приложений для встраиваемых систем, высокопроизводительных серверов, а также развлекательных приложений (игр). Существует множество реализаций языка C++, как бесплатных, так и коммерческих и для различных платформ. Например, на платформе x86 это GCC, Visual C++, Intel C++ Compiler, Embarcadero (Borland) C++ Builder и другие.

Go - компилируемый, многопоточный язык программирования, разработанный компанией Google. Первоначальная разработка Go началась в сентябре 2007 года, а его непосредственным проектированием занимались Роберт Гризмер, Роб Пайк и Кен Томпсон занимавшиеся до этого проектом разработки операционной системы Inferno. Официально язык был представлен в ноябре 2009 года. На данный момент его поддержка осуществляется для операционных систем FreeBSD, OpenBSD, Linux, Mac OS X, Windows.

В Go отсутствуют такие возможности как:

- наследование типов (для похожей, но не идентичной, конструкции используется анонимное вложение типов),

- обобщённое программирование,

- использование утверждений,

- переопределение методов.

Однако разработчики языка обдумывают возможность расширения языка средствами обобщённого программирования, в то время как в часто задаваемых вопросах по языку приводятся аргументы против использования утверждений, а наследование без указания типа, наоборот, отстаивается. Модель много поточности Go была создана на основе CSP (англ.) Тони Хоара по типу предыдущих распараллеливаемых языков программирования Occam и Limbo, но также присутствуют такие особенности Пи-исчисления, как канальная передача.

Go дает возможность создать новый поток выполнения программы (go-процедуру) с помощью ключевого слова go, которое запускает анонимную или именованную функцию в заново созданной go-процедуре (аналог сопрограмм).

Все go-процедуры в рамках одного процесса используют общее адресное пространство, выполняясь над ОС-потоками, но без жёсткой привязки к последним, что позволяет выполняющейся go-процедуре покидать поток с заблокированной go-процедурой (ждущей, например, отправки или приема сообщения из канала) и продолжать работу далее.

На данный момент существуют два компилятора Go:

- 6g (и сопутствующие ему инструменты, вместе известные под названием gc) написан на Си с применением yacc/Bison для парсера,

- Gccgo - ещё один компилятор Go с клиентской частью, написанной на C++, и рекурсивным парсером, совмещённым со стандартным бэк-эндом GCC. Поддержка Go доступна в GCC начиная с версии 4.6.

Наиболее подходящим языком для реализации поставленной задачи является C++, так как он является бесплатным кроссплатформенным языком программирования, для которого существует множество различных бесплатных фреймворков и технологий для программирования.

2.2.1 Выбор технологии реализации

Для реализации данного проекта была выбрана библиотека C++ Builder. C++ Builder - программный продукт, инструмент быстрой разработки приложений (RAD), интегрированная среда программирования (IDE), система, используемая программистами для разработки программного обеспечения на языке программирования C++.

C++ Builder позволяет запускать написанное с его помощью ПО в большинстве современных операционных систем путём простой компиляции программы для каждой ОС без изменения исходного кода. Включает в себя все основные классы, которые могут потребоваться при разработке прикладного программного обеспечения, начиная от элементов графического интерфейса и заканчивая классами для работы с сетью, базами данных и XML. C++ Builder является полностью объектно-ориентированным, легко расширяемым и поддерживающим технику компонентного программирования.

2.2.2 Выбор СУБД

В данном разделе осуществляется выбор системы управления базами данных. Выбор СУБД представляет собой сложную многопараметрическую задачу и является одним из важных этапов при разработке приложений баз данных. Выбранный программный продукт должен удовлетворять как текущим, так и будущим потребностям пользователей, при этом следует учитывать финансовые затраты на приобретение необходимого оборудования, самой системы, разработку необходимого программного обеспечения на ее основе.

Таким образом, для разрабатываемой системы необходимо выбрать СУБД, которая наиболее бы подходила выдвинутым требованиям и была бесплатной.

2.2.2.1 Microsoft SQL Server

Microsoft SQL Server - система управления реляционными базами данных (СУБД), разработанная корпорацией Microsoft. Основной используемый язык запросов - Transact-SQL, создан совместно Microsoft и Sybase. Transact-SQL является реализацией стандарта ANSI/ISO по структурированному языку запросов (SQL) с расширениями. Используется для небольших и средних по размеру баз данных, и в последние 5 лет - для крупных баз данных масштаба предприятия, конкурирует с другими СУБД в этом сегменте рынка.

Microsoft SQL Server в качестве языка запросов использует версию SQL, получившую название Transact-SQL (сокращённо T-SQL), являющуюся реализацией SQL-92 (стандарт ISO для SQL) с множественными расширениями. T-SQL позволяет использовать дополнительный синтаксис для хранимых процедур и обеспечивает поддержку транзакций (взаимодействие базы данных с управляющим приложением). Microsoft SQL Server и Sybase ASE для взаимодействия с сетью используют протокол уровня приложения под названием Tabular Data Stream (TDS, протокол передачи табличных данных). Протокол TDS также был реализован в проекте FreeTDS с целью обеспечить различным приложениям возможность взаимодействия с базами данных Microsoft SQL Server и Sybase.

Microsoft SQL Server также поддерживает Open Database Connectivity (ODBC) - интерфейс взаимодействия приложений с СУБД. Версия SQL Server 2005 обеспечивает возможность подключения пользователей через веб-сервисы, использующие протокол SOAP. Это позволяет клиентским программам, не предназначенным для Windows, кроссплатформенно соединяться с SQL Server. Microsoft также выпустила сертифицированный драйвер JDBC, позволяющий приложениям под управлением Java (таким как BEA и IBM WebSphere) соединяться с Microsoft SQL Server 2000 и 2005.

MySQL.

MySQL - свободная система управления базами данных (СУБД). MySQL является собственностью компании Sun Microsystems, осуществляющей разработку и поддержку приложения. Распространяется под GNU General Public License и под собственной коммерческой лицензией, на выбор. Помимо этого компания MySQL AB разрабатывает функциональность по заказу лицензионных пользователей, именно благодаря такому заказу почти в самых ранних версиях появился механизм репликации. MySQL является решением для малых и средних приложений. Входит в LAMP. Обычно MySQL используется в качестве сервера, к которому обращаются локальные или удалённые клиенты, однако в дистрибутив входит библиотека внутреннего сервера, позволяющая включать MySQL в автономные программы.

Гибкость СУБД MySQL обеспечивается поддержкой большого количества типов таблиц: пользователи могут выбрать как таблицы типа MyISAM, поддерживающие полнотекстовый поиск, так и таблицы InnoDB, поддерживающие транзакции на уровне отдельных записей. Более того, СУБД MySQL поставляется со специальным типом таблиц EXAMPLE, демонстрирующим принципы создания новых типов таблиц. Благодаря открытой архитектуре и GPL-лицензированию, в СУБД MySQL постоянно появляются новые типы таблиц.

MySQL имеет API для языков Delphi, C, C++, Эйфель, Java, Лисп, Perl, PHP, Python, Ruby, Smalltalk и Tcl, библиотеки для языков платформы .NET, а также обеспечивает поддержку для ODBC посредством ODBC-драйвера MyODBC.

2.2.3 Выбор элементной базы ЛВС

Для соединения компьютеров друг с другом - создания инфраструктуры локальной сети - применяется наиболее простой и дешевый вариант локальной сети с использованием кабеля с витыми парами. В качестве коммутирующих устройств устанавливаются концентраторы - хабы (hub) и коммутаторы (swith).

Хаб - наиболее простое устройство для соединения группы компьютеров в локальную сеть. Небольшая коробочка или печатная плата, вставляемая в слот компьютера, снабжена розетками - портами - для подключения сетевых кабелей. Наиболее популярны варианты, когда количество розеток составляет 8 и 16 для внешних хабов и 5 - для внутренних. Внутри хаба находятся усилители, которые связывают все сетевые розетки друг с другом. Отличительная черта хаба - все входные сигналы транслируются на все выходные линии без всяких преобразований (что поступило, то и вышло). Некоторая аналогия хаба - это электрический удлинитель, к которому можно подключить столько устройств, сколько нужно, но каждое получает одинаковое напряжение. Отсюда и некоторое неудобство хаба -подключать можно только такие сетевые платы, которые могут дружно работать на скорости 10 или 100 Мбит/с. А вариант, когда одна плата использует стандарт 10, а остальные более совершенный стандарт 100 Мбит/с, невозможен. Для согласования скоростей в различных частях сети используют либо двухскоростные хабы, либо коммутаторы.

Коммутатор - это усовершенствованная версия хаба, у которого есть некоторый «интеллект». В отличие от хаба, коммутатор может определить маршрут, по которому должны пересылаться данные. То есть пакеты, поступившие на какой-либо порт, отправляются по нужному адресу. Кроме того, коммутатор преобразовывает входные сигналы, обеспечивая согласование работы всех сетевых плат, подключенных к нему, поэтому с помощью коммутатора можно соединить две сетевые платы, работающие в разных стандартах 10 и 100 Мбит/с. Для этого используется функция Auto MDI/MDIX.

В более сложных сетях устанавливают маршрутизаторы, которые не только обеспечивают согласование между компьютерами в локальной сети, но и, например, преобразуют IP-адреса пакетов, отправляя их только по нужному адресу. В отличие от хабов и коммутаторов, маршрутизатор разбирается в адресах компьютеров и может добавлять к пакетам служебную информацию. Маршрутизаторы обычно применяются для соединения нескольких сетей. Например, сеть Интернет создана на основе маршрутизаторов.

Концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы для сети Ethernet всегда снабжаются большим количеством светодиодных индикаторов - от 1 до 3 на каждый сетевой порт. Причем цвет светодиода и режим работы - горит постоянно или мигает - зависит от состояния сетевого канала, подключенного к тому или иному порту.

Понятие коммутации третьего уровня охватывает несколько методов поиска кратчайшего пути, объединяющих преимущества (впрочем и недостатки тоже) раздельных ранних технологий. Главной идеей является объединение скорости передачи данных, присущей коммутаторам и масштабируемости (функциональности), характерной для маршрутизаторов. Различают две реализации коммутации третьего уровня:

- с использованием маршрутизирующих коммутаторов (routing switches);

- c использованием коммутирующих маршрутизаторов (switching routers).

Первыми устройствами, реализовавшими коммутацию третьего уровня, были маршрутизирующие коммутаторы.

Основа работы маршрутизирующего коммутатора это нахождение кратчайшего пути (путей) через сердцевину сети используя аппаратное обеспечение в обход традиционных программных маршрутизаторов. Т. е. суть работы устройства видна из его названия: сам процесс обработки (передачи) данных осуществляется на 2-м (канальном) уровне, предварительный же поиск оптимального маршрута осуществляется при помощи 3-го уровня. Обычно задействуется внешний маршрутизатор или плата маршрутизации которую коммутатор воспринимает как отдельное (внешнее) устройство. Исходя из вышесказанного, можно утверждать следующее: маршрутизируемые протоколы (3-го уровня), ни как не связаны с маршрутизирующими коммутаторами (в отличии от маршрутизаторов), т. е. это протокольно-независимые устройства; маршрутизирующие коммутаторы не могут использовать в своей работе протоколы маршрутизации, такие как RIP, OSPF, EIGRP, вместо этого в них применяются различные методы обнаружения, создания или кэширования (cache) информации о кратчайшем маршруте.В качестве примера можно привести мультипротокольную передачу данных по сетям ATM (Multiprotocol over ATM - MPOA). Такая стандартизированная технология позволяет присоединенным к ATM-сети устройствам создавать виртуальный канал, который дает маршрутизаторам возможность избегать перегрузок. Cisco разработала другую методику поиска кратчайшего пути, не требующую наличия ATM-магистрали, - многоуровневая коммутация (Multilayer Switching - MLS) или LAN-коммутация NetFlow (NetFlow LAN Switching - NFLS). Последним комплексным «проявлением» маршрутизирующей коммутации является технология Мультипротокольной Коммутации Меток (MultiProtocol Label Switching - MPLS), которая пытается сразу решить как задачи непосредственно быстрой передачи данных (Switching), так и качества обслуживания и приоритезации трафика (QoS) плюс изоляции и безопасности (VLAN). Собственно VLAN и является основой MPLS, чей алгоритм работы похож на MPOA, только вместо создания виртуального канала.

Коммутирующие маршрутизаторы появились на рынке позже своих «кузенов». В них, как и в традиционных маршрутизаторах, обработка пакетов осуществляется с помощью процессора общего назначения. Однако в отличии от традиционных маршрутизаторов, коммутирующие маршрутизаторы используют процессор общего назначения только для управления (control-plane). Передача же данных (data plane) осуществляется при помощи высокоскоростных специализированных интегральных микросхем (application specific integrated circuit - ASIC). Так как процессор не участвует в передаче данных, достигается производительность, сравнимая с максимальной физической скоростью среды передачи данных (wire speed perfomance).

Проведя выбор среди языков программирования было рассмотрено несколько различных языков и технологий, однако, для выполнения поставленной был выбран язык C++, так как он является кросcплатформенным, высокоэффективным, объектно-ориентированным языком программирования и для которого существует множество фреймворков.

Для реализации приложения была выбрана библиотека Qt. Данная библиотека является свободной, кроссплатформенной и простой в использовании. Так же дання библиотека помогает решить широкий круг задач.

В качестве системы управления базами данных была выбрана MySQL так как эта СУБД соответствует практически всем поставленным требованиям, является кроссплатформенной, поддерживает множество языков программирования, в том числе и C++, и что самое главное - является свободно распространяемой СУБД с открытым исходным текстом.

Для ЛВС были выбраны коммутаторы уровня 3 с возможной скоростью до 1000 Мбит/c.

2.3 Разработка архитетуры системы

Разработка архитектуры является неотъемлемой частью этапа разработки системы. Разрабатываемая система представляет собой набор программных и аппаратных средств.

Программная подсистема включает в себя программное обеспечение устройства управления, а также устройства сбора и преобразования информации, веб-интерфейс для администрирования компьютерной системы.

Программное обеспечение компьютерной системы мониторинга представляет собой ОС на базе Windows 7, которое будет обеспечивать функционирование компьютерной системы. Для управления периферией необходимо использовать те программные модули и драйвера которые поставляются вместе с устройством, либо создавать собственные.

Программа администратора системы должна иметь удобный, простой, а также функциональный интерфейс.

Аппаратная часть системы включает в себя разрабатываемое устройство управление, а также устройство сбора и преобразования информации, персональный компьютера или мобильный клиент для доступа к системе.

Компьютерная система должна иметь возможность в критических случаях извещать сотрудников посредством отправки смс-сообщений. Аппаратная часть системы должна включать в себя GSM-модуль, Ethernet-модуль, Wi-Fi-модуль, ЖКИ-модуль, ZigBee-модуль, управляющий элемент (микроконтроллер), а также дополнительные элементы, без которых невозможно осуществить правильное функционирование системы.

На персональном компьютере администратора либо на мобильном клиенте должен быть установлен веб-браузер.

Для обеспечения стабильной и бесперебойной работы системы, необходимо все аппаратные средства подключить к источнику бесперебойного питания.

Основные требования к разрабатываемой архитектуре.

Для реализации поставленной задачи дипломного проектирования, а именно для создания компьютерной системы мониторинга, необходимо разработать архитектуру соответствующей системы.

Архитектура компьютерной системы сбора физических параметров через GSM сеть состоит из двух подсистем - программной и аппаратной.

Программное обеспечение должно включать в себя системное и прикладное ПО.

Аппаратное обеспечение представлено в виде разработанного устройства управления элементами сбора и преобразования информации, а также элементов сбора и преобразования информации.

На основании выделенных программных и аппаратных составляющих виртуального измерительного прибора можно сформировать его конечную архитектуру.

Рисунок 2.1-Архитектура системы:

Полученную архитектуру прибора можно разделить на две выполненные конструктивно отдельно части.

Ими являются персональный компьютер и специализированный контроллер.

Для работы измерительного прибора на персональном компьютере должна быть запущена программа, представляющая собой визуальный аналог передней панели одного из существующих измерительных приборов. Программа разбита на несколько модулей, а именно модули, отвечающие: за индикацию, за прием данных, за отправку управляющих слов и за хранение результатов измерений.

Отправка управляющих команд специализированному контроллеру и прием результатов измерений осуществляется с помощью системного программного обеспечения, а именно драйвера последовательного интерфейса RS-232.

Специализированный контроллер имеет несколько аналоговых входов, которые подключены к аналоговому мультиплексору, но не все напрямую. Нулевой вход предназначен для измерения напряжения на нем, поэтому он подключен к аналоговому мультиплексору напрямую.

Первый вход предназначен для измерения силы тока на нем, поэтому присутствует преобразователь ток-напряжение.

Второй вход предназначен для измерения сопротивления, поэтому в этой цепи присутствует преобразователь сопротивление-напряжение. Четвертый аналоговый вход предназначен для измерения частоты сигнала на нем.

Он, через аналоговый компаратор, который на своем выходе выставляет либо «1» либо «0», в зависимости от значения амплитуды поступающего сигнала, подключен к управляющему устройству.

Аналоговый мультиплексор, коммутирует сигналы с трех аналоговых входов на вход аналого-цифрового преобразователя.

2.4 Разработка програмной подсистемы

Определение и описание ролей пользователей:

В результате анализа ИКС службы видеонаблюдения были выделены внешние сущности (актеры), с которыми взаимодействует проектируемая система, и сервисы, которые данная система предоставляет актерам.

В системе были выделены следующие актеры:

- «Администратор» - авторизованный пользователь системы, имеющий неограниченные права доступа для выполнения всего спектра действий по управлению структурой видеоархива, информацией о наблюдаемых объектах, пользователями;

- «Клиент» - это зарегистрированный пользователь, которому система предоставляет возможность просмотра информации на сайте о приборах.

- «Сервер» - это «программа», которая обрабатывает запросы и отправляет ответы.

Варианты использования системы для сущности «Администратор»:

- Администратору предоставляются все операции в системе. Он может регистрировать и удалять клиентов.

- Администратор системы имеет возможность добавлять, удалять и редактировать новости нужные клиентам.

- Администратор системы имеет возможность добавлять, удалять и редактировать информацию о приборах, а также проверять из на исправность.

Выполнение активации и деактивации учетных записей пользователей системы. Администратор системы имеет возможность активировать пользователя после регистрации, а также деактивировать учетную запись.

Выполнение CRUD операций над учетными записями пользователей. Администратор системы имеет возможность добавлять, удалять и редактировать учетные записи пользователей системы. Выполнение CRUD операций над настройками декодирования видео потоков. Так как администратор системы имеет возможность добавлять новые наблюдательные пункты, необходимо задавать настройки кодека.

Варианты использования системы для сущности «Клиент»:

- У клиента и у администратора разные права доступа, поэтому клиент имеет ограниченный доступ к информации.

- Клиент так же может войти в систему, но в том случае, если он зарегистрирован, если нет, то он отправляет заявку на регистрацию.

Также клиент может просматривать новости и изменения на сайте:

- Он может смотреть информацию о приборах и если ему что-то не понятно, может задавать вопросы.

- Варианты использования системы для сущности «Сервер».

Важной составляющей системы является сервер, который выполняет много функций, чтобы облегчить работу администратора и других сотрудников.

Сервер принимает запросы от клиентов и отправляет ответ. Так же принимает информацию с приборов и вносит их в базу данных. Прежде чем принять информацию он проверяет, есть ли такой прибор в базе данных, если нет, то он вносит его в базу.

Структура программной подсистемы:

В данном подразделе проводится разработка подсистемы компьютерной системы сбора физических параметров через GSM сеть на основании анализа существующих систем, выделенных требований к разрабатываемой системе и результатов разработки архитектуры системы.

Разработка базы данных:

C помощью технологий Spring, Hibernate и утилит mysqldump и Mysql WorkBench были сформированы следующие таблицы: «Users», «ACL», «Events», «Archive», «Scripts», «CarNumbers», «Cars», «Owners», «CarList», «Message», «Channels», «Settings». Рассмотрим подробнее все созданные таблицы. Первичный ключ автоматически добавляется в каждую таблицу, так как все объекты сущности наследуют класс DomainObject.

Для всех таблиц базы дынных поля служащие первичными или внешними ключами имеют тип данных «BIGINT».

Таблица «Users» предназначена для хранения информации о пользователях системы. В ней храниться информация для авторизации в системе. Она состоит из таких колонок:

- id - первичный ключ;

- login - логин пользователя для авторизации;

- password - пароль пользователя для авторизации;

- ACL_id - внешний ключ для связи с таблицей «ACL»;

Поскольку логин пользователя не будет длиннее чем 15 символов, а пароль не длиннее чем 10 символов, то типы данных для этих полей будут varchar (15) и varchar (10) соответственно. Колонка ACL_id предназначена для связи с таблицей «ACL», в которой будут храниться права доступа пользователя.

Таблица «ACL» предназначена для хранения информации о правах доступа пользователей. Она состоит из таких колонок:

- id - первичный ключ;

- login - логин пользователя для авторизации;

- password - пароль пользователя для авторизации;

- can_use_gsm - флаг, используется для разрешения или запрета пользователю управлять системой;

- can_config_core - флаг, используется для разрешения или запрета пользователю конфигурировать сервер;

- can_config_client - флаг, используется для разрешения или запрета пользователю конфигурировать клиент;

- can_control_users - флаг, используется для разрешения или запрета пользователю создавать, удалять, или же менять права других пользователей;

Все флаги в данной таблице должны иметь тип bool. Но, поскольку данный тип данных поддерживается не во всех версиях СУБД MySQL, то вместо типа bool флаги будут использовать тип данных BIT, который в MySQL фактически является синонимом типа bool. Значение 0 будет означать ложь. Любое другое значение - истину.

Таблица «Events» предназначена для хранения информации о событиях, произошедших в системе. Она состоит из таких колонок:

- id - первичный ключ;

- timestamp_ms - временной штамп, с помощью которого можно определить время, когда произошло событие;

- event_type - тип события;

- event_text - текстовое описание события;

Временной штамп должен иметь тип BIGINT. Тип события - короткое текстовое поле, его длина не будет превышать 20 символов, поэтому для данного поля будет использован тип varchar(20). Описание события может быть довольно большим, поэтому для этого поля будет использован тип данных varchar. Данная таблица будет иметь индекс по временному штампу.

Таблица «Archive» хранит в себе архивные записи. Она будет состоять из таких полей:

- id - первичный ключ;

- timestamp_ms - временной штамп;

- channel_number - номер канала;

- frame_type - тип кадра (фрейма);

- frame_data - текстовое описание события.

Поле frame_type будет иметь тип BYTE. Таким образом в системе можно будет объявить 255 типов видео либо аудио фреймов. Поле frame_data будет иметь тип MEDIUMBLOB.

Таблица «Scripts» предназначена для хранения скриптов, которые выполняются в системе.

Она будет состоять из таких полей:

- id - первичный ключ;

- text - текст скрипта;

- type - тип скрипта.

Текст скрипта может быть довольно большим, поэтому для него будет использован тип данных varchar. Для поля типа будет использован тип varchar.

Таблица «Message» хранит в себе сообщения, которые будут отправляться пользователям по определенным событиям. Она будет состоять из таких полей:

- id - первичный ключ;

- recipient - получатель;

- type - тип сообщения;

- event_type - тип вызывающего его события;

- users_id - внешний ключ для связи с таблицей «Users».

Поле получателя не будет превышать 25 символов, поэтому для него будет использован тип varchar. На тип сообщения будет выделено 5 символов, соответственно - varchar. Тип события будет состоять из 20 символов - varchar.

Таблица «Channels» предназначена для хранения информации о каналах присутствующих в системе. Она будет состоять из таких полей:

- id - первичный ключ;

- port - порт;

- device _model - модель прибора;

- channel - номер канала.

Поле port будет иметь тип INTEGER.Номер канала будет иметь тип BYTE. Таким образом в системе можно будет записать 255 каналов.

Таблица «Settings» предназначена для хранения настроек сервера. Она будет состоять из таких полей:

- id - первичный ключ;

- network_ip - ip-адрес сервера;

- network_dns - dns сервера;

- network_mask - маска сети сервера;

- network_gateway - шлюз сервера.

Таблица «Device» предназначена для хранения приборов. Она будет состоять из таких полей:

- id - первичный ключ;

- login - логин прибора для авторизации;

- password - пароль прибора для авторизации;

- can_config_server - разрешить подключение к серверу.

2.5 Программное обеспечение

Важной составляющей TCP - сервера является программное обеспечение. С помощью современных средств разработки программного обеспечения, инженеры получают возможность создания приложений и пользовательского интерфейса, наилучшим образом ориентированных на выполнение какой-либо определенной задачи. Теперь именно инженер определяет алгоритм осуществления сбора данных, их обработку, представление и сохранение результатов.

Для разработки и функционирования измерительного прибора необходимо следующее программное обеспечение:

Системное ПО:

- операционная система (ОС);

- драйверы устройств.

Инструментальное ПО:

- система разработки программ для микроконтроллеров MSP430;

- система для разработки прикладного ПО.

Прикладное ПО:

- программа индикации результатов измерения и управлением специализированного контроллера, а также программные средства хранения информации.

Системное программное обеспечение включает в себя операционную систему, утилиты для работы с файловой системой, драйвера внешних (периферийных) устройств, системные библиотеки. Файловая система - совокупность программных средств и структур, обеспечивающая для пользователя независимость хранения данных по отношению к используемому процессору и внешним физическим устройствам. Файловая система обеспечивает целостность информации, а также безопасность от неправомочного доступа. Кроме того, файловая система организует экономное распределение внешней памяти под файлы, а также предоставляет эффективные команды для работы с ними. Наконец, файловая система предоставляет пользователю простые средства взаимодействия с файлами.

Системные утилиты - набор отдельных программ, выполняющих такие операции, как транслирование и ассемблирование программ, связывание, внесение изменений, перемещение, отладка.

Взаимодействие программ с аппаратными устройствами в системе Windows, происходит не напрямую, а посредством драйверов, обычно поставляемых вместе с операционной системой, либо производителем аппаратного устройства. Драйверы внешних устройств выполняют функции управления и обмена информацией между системными программами и периферийными устройствами, обеспечивают унифицированный интерфейс для взаимодействия с периферийными устройствами на уровне системных запросов.

Системные программы, входящие в состав программного обеспечения компьютерной системы контроля движения транспорта, могут обеспечивать разнообразные функции, не реализованные в рамках операционной системы, но необходимые для реализации конкретной задачи. Это могут быть дополнительные динамические библиотеки, пакеты сетевой взаимосвязи, специализированные утилиты.

В архитектуре виртуального измерительного прибора предусмотрено использование операционной системы Windows XP. Целесообразность использования ОС Windows заключается в прозрачном взаимодействии разного уровня программного обеспечения и аппаратного уровня компьютерной системы. Операционная система обеспечивает доступ к библиотекам специализированных программ и утилит, надежное функционирование периферийных устройств. Посредством операционной системы происходит взаимодействие между собой прикладных и инструментальных программ. Обычно прикладная программа для обращения к аппаратному устройству вызывает либо функцию API Windows, либо функцию API описанную в отдельной библиотеке DLL, в теле этой функции идет обращение к драйверу аппаратного устройства.

...