一种基于安全短信的工控机监控方法及系统的制作方法
一种基于安全短信的工控机监控方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及安全技术领域，尤其涉及一种基于安全短信的工控机监控方法及系 统。
【背景技术】
[0002] 对于无人守护的用于监控的运行WINDOWS或者泛UNIX操作系统的工控机来说，工 控机上实际运行的是一个工控软件集合，即一个或多个运行在工控机上执行工控任务的应 用软件。任何一个工控软件故障都会影响工控任务的正常进行。
[0003] 因为应用软件缺陷、电磁干扰、过高或过低的环境温度以及运行温度，会出现工控 软件运行一段不确定时间后系统死机或者工控应用软件死循环的现象。尽管软硬件的充分 测试可以减轻这种现象，但是并不能够完全避免。实际调查表明，即使是非常仔细的开发 并测试后实现的软件，出现软件死循环或者设备死机等故障状况的频率也不低。而一旦无 人守护工控机死机，会造成事故或者经济损失。而解决问题的唯一办法就是派人去现场复 位，因此导致较长时间的监控空白，也耗费人力财力，增加系统的运行维护成本。工程实践 表明，通常出现问题时，只要重启系统就可以解决问题了。现有的方案是使用看门狗定时 器来解决问题，具体如下：设定一个固定的时间，当看门狗定时器计时到设定时间（溢出） 后就复位设备；在正常工作时候，能够定时复位看门狗定时器，使得看门狗定时器不能够溢 出；当设备工作异常时候，不能够或者来不及复位看门狗定时器，于是看门狗定时器溢出并 因而复位设备，使得设备或者软件重启。
[0004] 从理论上讲，这种方案在设备上运行的软件合理的布置了复位定时器指令的时机 时是没有问题的，然而实际工业实践表明这并不是容易的事情：首先，为了达到良好的效果 需要充分的试验和仔细的调试以确定复位代码（复位看门狗定时器的代码）在软件或系统 中的位置，这会导致软件开发难度加大，进度拉长；其次，布置在软件中的复位代码会破坏 软件的结构化，因而维护困难；最后，由于实际上运行环境的千差万别以及不可能彻底的完 全测试软件的各个细节，在某些情况下即使软件陷入死循环看门狗定时器也可能得到按时 复位，因此不能按照预期设想复位系统。因此，这种方案也有缺陷。
[0005] 此外，通常的看门狗定时器的电源同被监控系统为同一个电源，通常工控机就会 自带看门狗定时器。在某些电源的异常情况（如短时中断或突然大幅波动）导致故障的 情况下，看门狗本身的电源也会短时中断或波动，导致看门狗被复位，丢失预先配置的信息 (比如是否允许溢出复位、溢出时间、以及是否允许计时等），导致监控功能完全失效。最 后，当出现故障时，对于那些一日上报数次甚至几日上报一次数据的监控设备的用户，也只 有在设备故障发生一段时间后才能够通过上传数据中断现象发现问题，而不能及时发现问 题，导致监控空白以及因为不能及时解决问题导致的其他损失和事故。
【发明内容】
[0006] 本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种基于安全短信的工控机监控方 法，通过监控人员处理监控装置所监测的数据来控制工控机的工作状态来达到监控目的， 可以提高工控机可靠性，减少工控机故障时间，保障工控机正常运行。
[0007] 本发明另一目的在于提供一种基于安全短信的工控机监控系统，包括短信收发模 块、监控装置及带有监控软件的工控机，大大降低了工控机应用软件的开发成本和难度，同 时又保障了工控机正常运行。
[0008] 本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种基于安全短信的工控机监控方 法，包括如下步骤：
[0009] (1)监控装置连续查询工控机上的监控软件以获得工控软件集合工作状况及工控 机自身的工作状况；
[0010] (2)若发现存在异常状况，监控装置通过短信报告监控人员；
[0011] (3)监控人员收悉状况后再通过安全短信远程发送处理命令给监控装置，监控装 置同监控软件配合对工控机进行故障修复。
[0012] 作为优选，所述步骤（1)检测工控软件集合工作状况的方法包括如下步骤：
[0013] 1)预先对工控软件集合的每一个软件进行压力测试，获得每个软件的CPU占用率 及内存占用量的正常范围并提供给监控软件；
[0014] 2)在工控机软件集合工作时监控软件通过OSAPI获得工控软件集合内每一个软 件的CPU占用率及内存占用量；
[0015] 3)监控软件对比步骤1)与步骤2)的结果，得到工控软件集合内是否存在软件工 作异常。
[0016] 作为优选，所述步骤1)每个软件的的CPU占用率及内存占用量以配置文件形式提 供给监控软件，配置文件为ASCII码文本文件。
[0017] 作为优选，所述步骤（1)检测工控机工作状况的方法包括如下步骤：
[0018] i)监控装置主动定时与监控软件进行串口通讯，若连续三次没有回应则断定工控 机死机或故障；若全部得到回应则断定工控机正常；若得到部分回应则断定工控机异常；
[0019] ii)监控装置定时查询工控机电源状况，若电源电压低于设定阈值则断定工控机 电源异常。
[0020] 作为优选，所述的安全短信通讯协议格式分为命令短信格式与回复短信格式，形 式如下所示：
[0021] 命令短信格式：[命令信息字符串]#内部序列号#访问口令
[0022] 回复短信格式：[响应信息字符串]#内部序列号#。
[0023] 作为优选，所述步骤（3)对工控机进行故障修复包括查询操作及执行操作；查询 操作用于确定故障原因，执行操作用于修复故障。
[0024] 作为优选，所述执行操作步骤时需要先执行安全验证，安全验证需要监控人员提 供序列号、访问口令与短信验证。
[0025] 一种基于安全短信的工控机监控系统，包括：监控中心、短信收发模块、监控装置、 带有监控软件的工控机；监控中心与短信收发模块连接；短信收发模块与监控装置无线连 接；监控装置与带有监控软件的工控机通过串口连接。
[0026] 作为优选，所述监控装置包括：监控板、9针D型公插头、GSM模块、电源管理板、电 池、继电器、功率测量模块、电源输入插座、电源输出插座、底板、外壳；电源输入插座分别与 电源管理板、功率测量模块、电源输出插座、继电器连接；监控板分别与GSM模块、9针D型 公插头、继电器、功率测量模块连接；电源管理板与电池连接；电源管理板为监控板与GSM 模块供电；监控板、9针D型公插头、GSM模块、电源管理板、电池、继电器、功率测量模块、电 源输入插座、电源输出插座通过螺栓及螺帽固定在底板上；底板通过固定孔与螺栓、螺柱固 定在外壳内部。
[0027] 作为优选，所述监控板包括MCU电路、电源稳压电路、电源连接器、继电器驱动电 路、接线端子、LED、两个RS232电平转换电路、两个RS232插座、UART连接器、PCB板；MCU电 路分别与UART连接器、两个RS232电平转换电路、LED、继电器驱动电路、电源稳压电路连 接；两个RS232电平转换电路分别与两个RS232插座连接；电源稳压电路分别与电源连接 器、继电器驱动电路连接；继电器驱动电路与接线端子连接；MCU电路、电源稳压电路、电源 连接器、继电器驱动电路、接线端子、LED、两个RS232电平转换电路、两个RS232插座、UART 连接器固定在PCB板上。
[0028] 作为优选，所述电源管理板包括外电源输入插座、监控板电源连接器、短信模块 电源连接器、电源适配器、电池充电电路、电池连接器、自动切换电路、稳压分路电路及PCB 板；外电源输入插座与电源适配器连接；电源适配器分别与电池充电电路、自动切换电路 连接；电池充电电路、电池连接器、自动切换电路、稳压分路电路依次彼此连接；监控板电 源连接器分别与电池充电电路、自动切换电路、稳压分路电路连接；短信模块电源连接器与 稳压分路电路连接；外电源输入插座、监控板电源连接器、短信模块电源连接器、电源适配 器、电池充电电路、电池连接器、自动切换电路、稳压分路电路固定在PCB板上。
[0029] 作为优选，所述短信收发模块为手机或短信收发设备。
[0030] 本发明的有益效果在于：（1)本发明可以用于提高工控机的可靠性、减少工控机 的故障时间、及时发现工控机故障、远程启动、重启、关闭工控机或工控应用软件；（2)采用 本发明的监控系统，可以降低工控机应用系统开发维护费用，降低工控软件开发难度和监 控项目的风险。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明工控机监控系统总体原理示意图；
[0032] 图2是本发明监控装置及工控机同监控装置的连接原理示意图；
[0033] 图3是本发明监控装置结构图；
[0034] 图4是本发明监控板结构图；
[0035] 图5是本发明电源管理板结构图；
[0036] 图6是本发明监控装置嵌入式软件数据流图；
[0037] 图7是本发明监控软件数据流图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于 此：< br>[0039] 实施例：本发明通过对工控机电源、工控机是否死机以及工控机上的工控应用程 序集合工作状况进行远程监控来实现发明目的；对工控机电源的监控是通过定期采集电源 参数实现；而工控机是否死机通过定期发送查询命令给工控机上安装的专门设计的监控软 件来实现。判断工控机应用程序集合的工作状况的正常与否是基于如下原理：
[0040] 一个应用软件正常工作时所消耗的CPU占用率及内存占用量分别在固定的范围 内波动，这是软件运行时各种处理执行的时间及耗费的内存量的不同以及应用软件不同功 能占用的CPU时间和内存量不同引起的正常现象。而当软件异常时，比如出现内存泄漏、软 件BUG导致的死循环或者外部强干扰导致的外设偶然出错、软件运行异常等问题，会导致 CPU占用率或者内存占用量出现异常，因而超出正常范围。对软件进行较长时间的极限测 试，即以极限条件运行，并且通过操作系统的任务管理器监视软件的CPU占用率及内存占 用量的变化，就可以获得其正常工作范围。
[0041] 基于上述说明，结合工控机应用的实际状况，本发明提出了监控方法和实现此方 法的系统：
[0042] 一种基于安全短信的工控机监控方法，包括如下步骤：
[0043] 1，监控装置不断的查询工控机上的监控软件，获得工控软件集工作状况及工控机 本身的工作状况。
[0044] 2,若发现有异常则监控装置通过安全短信报告监控人员。
[0045] 3,监控人员通过安全短信远程发送命令给监控装置，监控装置同监控软件配合进 行远程故障修复。
[0046] 在步骤1中，检测工控软件集合工作异常的方法：
[0047] 1，预先对工控软件集合的每一个软件进行压力测试，获得其CPU占用率及内存占 用量的正常范围，并以配置文件的形式提供给监控软件。
[0048] 2,在工控软件集合工作时监控软件通过OS API获得被监控工控软件集合内每一 个工控软件的CPU占用率及内存占用量。
[0049] 3,监控软件把步骤2获得的CPU占用率及内存占用量同配置文件中的正常范围进 行比较，从而得出工控软件集合中是否有软件工作异常。
[0050] 在步骤1中检测工控机异常的方法：
[0051] 1，监控装置主动定时同工控机上的监控软件通过串口通讯，其通讯内容就是查询 工控软件集合的工作状态。如果连续3次通讯没有得到监控软件的回应，就判断为工控机 死机或故障；若得到回应，但回应中只要有一个软件的工作状态异常，那么认为工控机异 常。
[0052] 2,定时查询工控机的电源状况，若电源电压低于设定的阈值，则认为工控机掉电， 判断为工控机电源异常。
[0053] 上述两种情况都作为工控机异常对待。
[0054] 步骤2中，发送报警信息时不使用安全措施。
[0055] 步骤3中，对工控机的远程故障修复包括查询操作和执行操作。
[0056] 步骤3中，查询操作用来确定故障原因。对于查询操作来说，不需要使用安全措 施。查询包括查询工控机某一个软件的工作状况或工控软件集合的工作状况。对于工控软 件集合的工作状况查询来说，只要一个软件运行异常，就认为整个工控软件集合工作异常。 查询还包括查询工控机的电源状况，电源状况包括电源电压、电源电流及功率因子；执行操 作用来修复故障。执行操作包括：启动一个或所有工控软件；停止一个或所有工控软件；重 启动一个或所有工控软件；工控机重启动。
[0057] 步骤3中，对于执行操作来说，为了防止工控机被不相干的人意外或者恶意操控， 采取了安全措施。安全措施如下：监控装置使用前，内部预先存储一个16位字母或数字的 ASCII码组成的内部ID表示该装置（不同于可从装置外观看到的产品序列号）、6位访问口 令、以及管理者手机号，他们都是加密后存储的，是非易失的；外部工具不能读取这些信息， 需要修改时只能擦除后再写入来修改。管理者执行的操作指令必须提供内部序列号、访问 口令并且短信来自所存储的手机号对应的手机，然后才可以为监控装置所认可；若不提供 或提供的内部序列号和口令同存储的不一致，监控装置就会忽略该短信命令；此外，在监控 装置收到操作命令且认可该命令后，会向预存的手机号码发送一个确认执行的短信，只有 这个确认执行的短信得到同意执行的回复（以短信的方式），执行操作才会真正得到监控 装置地执行。
[0058] 一种基于安全短信的工控机监控系统，如图1所示，由一个或多个工控机的拥有 者或管理员（监控中心）、短信收发装置、监控装置及工控机上运行的监控软件组成。
[0059] 一个或多个工控机的管理者（监控中心）负责保障工控机的正常运转及远程故障 排除。
[0060] 短信收发装置基于移动通讯技术，用于收发短信。管理者用短信收发装置接收报 警短信及发出故障修复操作指令。
[0061] 短信通讯协议格式规定如下：
[0062] 命令短信格式：[命令信息字符串]#内部序列号#访问口令
[0063] 回复短信格式：[响应信息字符串]#内部序列号#
[0064] 命令信息字符串及对应响应信息字符串如下表1所示：
[0065]
[0066]表 1
[0067] 上表说明：
[0068] 1){:软件名称}:同前述监控软件命令。
[0069] 2) {:电源状态}:若外部电源供电，则为"y"
[0070] 3) {结果}:格式为（外部电源状态）（电压值）（电流值）（功率因子）。若不是 外部电源供电，则只有（外部电源状态）字段，后边字段不存在。
[0071](外部电源状态）字段说明：若外部电源正常，为"Y"字符；否则为"N"字符。
[0072] (电压值）VSXXXX.XXAC[AC/DC]，如：V+0012. 51DC及V00231. 18AC分别表示直流 12. 51V或交流电压有效值为231. 18V.
[0073] (电流值）ISXXXX.XX[AC/DC],如：I+0002. 21DC及 100001. 13AC,分别表示直流 2. 21A或交流电流有效值为1. 13A.
[0074](功率因子）[FXX.XXXX]，如：RU.OOOO或R). 6521，表示功率因子为1(即直流负 载）或0.6521(交流负载）。
[0075] 直流电源完整的结果例子：SYV+0012. 51DCI+0002. 21DCF01. 0000,表示工控机当 前的电源状态为：外部电源供电，直流电压12. 51V，直流电流2. 21A，功率因子为1.0000。
[0076] 交流电源完整的结果例子：SYV00231. 18ACI00001. 13ACF00. 6521，表示工控机当 前的电源状态为：外部电源供电，交流电压231. 18V，交流电流1. 13A，功率因子为0. 6521。
[0077] 外部电源失效的结果例子：SN。
[0078] 4)对于上表中操作命令，需要确认，即：管理员收到响应后，必须回应"OK"，然后 监控装置才会执行命令；如果回应"NO"或者3分钟内无回应，则监控装置忽略该命令；对于 查询命令无确认要求。
[0079] 报警短信格式：[报警信息字符串]#内部序列号#
[0080] 报警信息字符串如下表2所示：
[0082]表 2
[0083] 所述的监控装置由监控板、9针D型公插头、GSM模块、电源管理板、电池、继电器、 单相功率测量模块、电源输入插座、电源输出插座、铝合金底板、硅钢外壳组成，如图2、图3 所示。图2为使用时与工控机的连接方式。
[0084] 9针D型公插头通过导线同监控板的一个RS232接口电路相连。当使用时，它通过 标准串口电缆连接到工控机的监控串口。监控板、GSM模块、电源管理板、电池、继电器、单 相功率测量模块、电源输入插座、电源输出插座都通过螺栓及螺帽固定在铝合金底板上，铝 合金底板再通过固定孔以及螺栓、螺柱固定在硅钢外壳内部。硅钢外壳具有非常良好的电 磁屏蔽效果，提高了监控装置的EMC能力。
[0085] 监控板如图4所示，包括MCU电路、2个RS232电平转换电路、2个3线RS232连接 器、1个三线UART连接器、1个红色LED、继电器驱动电路、继电器接线端子、电源连接器和电 源稳压电路以及安装这些组件的PCB。
[0086] 监控板上的MCU电路控制装置的工作；MCU的2个UART接口通过2个RS232电平 转换电路后连接到两个RS232插座：RS232插座-1和RS232插座-2,这两个插座都包括3根 信号引脚：分别为RS232电平的TXD、RXD及公共地信号；RS232电平转换电路由MAX232电 平转换芯片及外围电容组成；RS232插座-1用于连接到外壳上的9针D型公插头；RS232-2 插座用于连接到GSM模块；MCU另一个UART接口连接到3线UART连接器，此连接器用于连 接外部单相功率测量模块，以获得工控机的功耗参数，这个连接器包括3根信 号引脚：TXD、 RXD以及逻辑公共地。这些引脚电平为TTL兼容电平。
[0087] 红色LED连接到MCU的一个10口，在装置工作过程中以500毫秒的频率闪烁，指 示监控装置的运行状况。
[0088] 继电器驱动电路由双极性三极管9014D及限流电阻组成，连接到2端继电器接线 端子，这个接线端子用来连接继电器的线圈。继电器驱动电路连接到电源稳压电路，获得驱 动电源。
[0089] 电源连接器为3针，间距为2. 54mm的普通连接器，用于连接电源管理板。它的2 供电引脚在监控板上连接到电源稳压电路，后者对来自电源连接器的电源进行去耦、滤波、 稳压分路后分别提供给MCU电路和继电器驱动电路。
[0090] 电源连接器中的另外一个引脚连接提供电平信号，指示装置是否由备用电池供 电，该引脚直接连接到MCU电路中MCU芯片的一个10 口。
[0091] MCU电路由MCU及复位电路、振荡器电路组成，其中运行一个嵌入式软件，控制整 个装置的工作。MCU可选用带有3个或以上UART接口、看门狗电路、不少于32KFLASH及2K RAM的MCU。优选NXP生产的LPC2365芯片，该芯片的CPU为ARM7TDMI-S32位处理器，具 有256KBFLSH以及32KBSRAM，有DMA、VIC、4个UART、看门狗定时器、RTC及电池备份RAM、 10/100M以太网MAC、多个定时器、PWM模块、SPI、I2S、IIC、SSP、10 位ADC、10 位DAC、高速 GPI0等丰富的外设，有充足资源实现本发明需要的功能，且可以根据需要升级。
[0092]MCU内部FLASH中加密存储有控制此装置的嵌入式软件，加密嵌入式软件可以通 过FLASH编程工具实现，为本领域技术人员所周知。
[0093]MCU内部FLASH存储有预置管理员手机或监控中心短信模块手机号、预置管理员 口令、唯一的ID(标示编码）。这些信息采用通用的FLASH编程工具加密写入MCU内部FLASH 的固定地址。
[0094] GSM模块用来收发短信，为一个支持三线RS232接口访问的工业级移动通信模块。
[0095] 单相功率测量模块测量工控机的功耗参数：电压、电流、功率因子。优选电子式单 相功率测量模块，且需带有3线UART接口用于输出测量结果。
[0096] 继电器电路优选为常闭继电器。继电器的线圈端子链接到控制板的2个继电器驱 动输出端子，因此受控制而导通或断开。
[0097] 输入插座根据具体情况，可以为通用直流BNC插座或交流插座；它通过电源电缆 连接到外部直流或交流电力网络。输出插座根据工控机电源电缆插头对应的插座配备，因 此可以使得工控机的供电电缆直接插入。
[0098] 输入插座和输出插座的电源正极或者交流火线端子分别连接到继电器的两个触 点，其他两根线，即电源负极或者交流中线以及保护地线端子直接通过"飞线"互连。
[0099] 当继电器断开时，电源正极或交流火线同电源断开，因此工控机失去电源；继电器 闭合时，电源正极或交流火线同电源接通，工控机得到电源。通过先关掉电源，延时1分钟 再接通电源，就可以完成复位工控机的动作。这样设计的好处是：1，方便使用和集成，因为 工控机可以不做任何变动（不用打开工控机并引出其复位引脚）；2,先掉电再重新上电的 冷启动方式会更彻底的复位工控机，比热启动的效果更好。3,即使监控装置损坏，也非常容 易维护：维护人员可以简单地直接把工控机插到电源插座继续工作，然后再修理或更换监 控装置。
[0100] 因为采用的是常闭继电器，所以监控装置和工控机共用的电源掉电恢复后，工控 机能够自动继续工作，而不需用户干预；更重要的是，即使因为长时间停电导致监控装置电 池耗尽电量，也不会出现电源正常后工控机不能自动启动的问题。
[0101] 电池选用容量为1700mAH、4. 2V输出或类似规格的锂电池。电池为此装置提供备 用电源，防止突然掉电失去同远程管理者的联络并因而不能发送报警信息；由于电池可以 支持监控装置在电源失去后继续工作一段时间，所以在工控机掉电后一段时间内可以继续 监视工控机的电源情况以及响应短信查询。电池通过导线连接到电源管理板的电池连接 器。
[0102] 电源管理板包括外电源输入插座、监控板电源连接器、短信模块电源连接器、电源 适配模块、电池充电电路、电池连接器、自动切换电路、稳压分路电路以及安装这些部件的 PCB，如图5所示。
[0103] 外电源输入插座用于连接到电源适配模块，后者把外电源变换为直流5V;电源适 配模块连接到电池充电电路以及自动切换电路；电池充电电路用于对电池充电，连接到电 池连接器；电池连接器用于连接锂离子电池，同时连接到自动切换电路；自动切换电路把 输入的两路电压更大的一个自动切换到稳压分路电路；稳压分路电路对切换进来的电压进 行稳压后分为2路，分别送到监控电源连接器和短信模块电源连接器；自动切换电路输出 一个状态信号，指示是否电源适配模块的输出电压大于电池电压，这个信号一方面连接到 电池充电电路，控制是否对电池充电：若电源适配模块的输出电压大于电池电压则对电池 充电，否则禁止电池充电电路对电池充电；另一方面，这个信号送到监控电源连接器，并进 而送到监控板，指示是否外电路电压存在：若电源适配模块的输出电压大于电池电压，则外 电源存在，否则不存在。
[0104] 短信模块电源连接器为2针2. 54mm引脚间距的普通连接器，用来连接短信模块的 电源输入端子，为短信模块提供电源。
[0105] 监控电源连接器为为3针2. 54mm引脚间距的普通连接器，其中2个为电压输出 针，另一个为电平信号，指示是否外电源存在；此连接器用于监控板，为其提供工作电源及 外电源是否存在的信息。
[0106] 电源适配模块优选输出5V直流电压的工业级AC-DC或DC-DC模块。若工控机由 直流电压供电，则采用DC-DC模块；如果工控机直接使用市电网络供电，则采用AC-DC模块。
[0107] 充电电路1C优选以LTC4059A芯片及外围元件组成的充电器电路，而自动切换电 路优选LTC4413芯片及外围元件组成的切换电路。
[0108] 继电器电路由常闭继电器、驱动电路组成。驱动电路驱动继电器线圈，使得继电器 的2个触点导通或断开。MCU的一个10 口，连接到继电器驱动电路，因此能够控制继电器的 2个触点导通或断开。考虑到复位后MCU10 口默认为高电平，所以设计继电器驱动电路为 低电平动作，即：若10 口为高电平，常闭继电器继续闭合，同没上电时同样状态；若10 口为 低电平，则继电器触点断开。这样即使监控装置意外复位也不会导致继电器动作，影响工控 机。
[0109] 图6为监控装置嵌入式软件逻辑功能的数据流图。该软件通过MCU的一个UART 接口每隔一分钟发送命令（这些命令如前监控软件部分所述）给工控机上的监控软件来查 询被监控的工控应用软件的工作状态，如果有异常就通过短信发送相关的信息给监控者预 置的手机号码；如果连续3次发送给工控机上监控软件的命令没有收到响应，则判断工控 机死机，于是发送报警信息给监控者预置的手机号码。该软件同时监听连接在MCU另外一 个UART接口上的GSM模块，并根据接收到到短信命令执行对应动作。此外，该软件设置MCU 内部的看门狗定时器超时时间为2分钟，然后在适当的地方清零看门狗保证正常运行。因 为此嵌入式软件代码量小，逻辑简单，看门狗的定时复位指令的加入不会影响软件的开发 难度。最后，该软件通过每隔1分钟读取来自电源管理板的外部电源状态引脚电平，在检测 到外部电源掉电后自动发送报警信息给管理员或监控服务器。
[0110] 监控软件安装在工控机上，作为工控机的一个进程运行。有二个功能：1，用于获得 工控应用软件的工作状况并且反馈给监控装置；2,启动或停止工控机应用软件。每个被监 控的工控机都需要安装一套监控软件，并且提供同被监控的软件相对应的配置文件。配置 文件规定了工控软件集合的每一个软件的CPU占用率及内存占用量的正常范围以及串口 通讯参数配置。监控软件运行在工控机操作系统的最高运行优先级，在工控机启动后自动 运行，并且持续监听一个连接着监控装置的串口，当收到串口来的命令时就执行并通过串 口反馈结果给监控装置。
[0111] 图7为监控软件数据流图，它通过调用OS进程相关的API获得被监控软件所耗费 的CPU占用率、内存占用量，并同软件正常运行时的CPU占用率和内存占用量范围相对照， 因此能够判断应用软件是否发生异常；它也可通过调用OS进程相关API控制软件的启、停、 或重启。
[0112] 监控软件按照其配置文件规定的波特率、校验位、数据位、及端口号等串口设置配 置好该串口，这个串口连接有监控装置。监控软件然后监听该串口，从而可以及时接收到监 控装置发给它的命令，并对其进行解析执行
[0113] 监控软件必须工作在最高运行优先级，这保证它可以立即响应来自监控装置的命 令。
[0114] 监控软件的配置文件是一个ASCII码文本文件，规定了如下项目 ，通过简单的文 本编辑器就可以编辑。包括以下内容：
[0115] 1)连接监控装置的串口号、波特率、数据位、校验位、停止位。
[0116] 2)被监控软件的名称、CPU占用率最大值、CPU占用率最小值、内存占用量最大值、 内存占用率最小值。这个可以有多条，即可以监控多个软件。
[0117] 监控软件支持的命令包括：查询、启动、关闭、重启命令，命令及其响应都为ASCII 码字符串。监控软件命令如表3:
[0118]
[0120] 表 3
[0121] 表3的监控软件命令说明：
[0122] 1) {:软件名称}:为要查询或启停的软件的名字字符串，为ASCII编码字符串。软 件名称可为某一具体软件，或"ALL"。若为"ALL"则指对配置文件规定的所有软件进行操 作。
[0123] 2) {状态}:该字段为软件的工作是否正常的信息。为ASCII字符"Y"或"N".
[0124] 对于单一软件，若正常，为"Y"字符；否则为"N"字符，若该软件在配置文件中不存 在，则为"N"。正常与否是这样获得的：监控软件调用操作系统API获得某一个或者多个被 监控应用软件的CPU占用率和内存占用量，然后同配置文件的对应信息互相比较获得的。 对于"ALL"即所有配置文件规定的软件，只要监控软件发现有一个软件运行异常，即为"N" 字符；只有所有软件都正常运行才为"Y"字符。
[0125] 3) {CRC}:为16位CRC校验，用来确保通讯数据无误。为命令或响应字符串中除去 CRC字段外其他所有字节按照多项式xl6+xl2+x5+l计算得到的二进制数--2字节16进 制数转换成的4字节ASCII码字符串。发送顺序，先发送高位字节对应的ASCII码，再发送 低位字节对应的二个ASCII码。
[0126] 使用时，按照图1所示的接线方法连接此装置，就可以手机或者带有GSM模块的PC 机发送短信来远程重启工控机以及查询其工作状况。
[0127] 1)连接监控装置到一个PC，打开电源，使用专用FLASH编程工具，以加密方式写入 管理员手机或监控中心短信模块手机号、预置管理员口令、唯一的ID(标示编码）到监控装 置内部的MCU的FLASH.
[0128] 2)监控装置的RS232连接器通过标准232电缆连接到工控机的一个串口。
[0129] 3)电源连接器连接到工控机电源输入。
[0130] 4)外部电源连接到监控装置。
[0131] 5)安装监控软件到工控机，修改监控配置文件，以符合用户的监控要求。
[0132] 6)启动工控软件
[0133] 这样就可以通过手机短信来远程查询工控软件工作信息、关闭工控软件、运行工 控软件、重启工控软件、以及重启工控机了。
[0134] 对多个工控机进行监控时，对所有需要远程监控的工控机重复对单个工控机的监 控设定方法。
[0135] 以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所 作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的 保护范围。
【主权项】
1. 一种基于安全短信的工控机监控方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 监控装置连续查询工控机上的监控软件集合以检测获得工控软件集合工作状况及 工控机自身的工作状况； (2) 若发现存在异常状况，监控装置通过安全短信报告监控人员； (3) 监控人员收悉状况后再通过安全短信远程发送处理命令给监控装置，监控装置同 监控软件配合对工控机进行故障修复。2. 根据权利要求1所述的一种基于安全短信的工控机监控方法，其特征在于：所述步 骤（1)检测工控软件集合工作状况的方法包括如下步骤： 1) 预先对工控软件集合的每一个软件进行压力测试，获得每个软件的CPU占用率及内 存占用量的正常范围并提供给监控软件； 2) 在工控机软件集合工作时监控软件通过OSAPI获得工控软件集合内每一个软件的 CPU占用率及内存占用量； 3) 监控软件对比步骤1)与步骤2)的结果，得到工控软件集合内是否存在软件工作异 常。3. 根据权利要求2所述的一种基于安全短信的工控机监控方法，其特征在于：所述步 骤1)每个软件的的CPU占用率及内存占用量以配置文件形式提供给监控软件，配置文件为 ASCII码文本文件。4. 根据权利要求1所述的一种基于安全短信的工控机监控方法，其特征在于：所述步 骤（1)检测工控机工作状况的方法包括如下步骤： i) 监控装置主动定时与监控软件进行串口通讯，若连续三次没有回应则断定工控机死 机或故障；若全部得到回应则断定工控机正常；若得到部分回应则断定工控机异常； ii) 监控装置定时查询工控机电源状况，若电源电压低于设定阈值则断定工控机电源 异常。5. 根据权利要求1所述的一种基于安全短信的工控机监控方法，其特征在于：所述的 安全短信通讯协议格式分为命令短信格式与回复短信格式，形式如下所示： 命令短信格式：[命令信息字符串]#内部序列号#访问口令 回复短信格式：[响应信息字符串]#内部序列号#。6. 根据权利要求1所述的一种基于安全短信的工控机监控方法，其特征在于：所述步 骤（3)对工控机进行故障修复包括查询操作及执行操作；查询操作用于确定故障原因，执 行操作用于修复故障。7. 根据权利要求1或6所述的一种基于安全短信的工控机监控方法，其特征在于：所 述执行操作步骤时需要先执行安全验证，安全验证需要监控人员提供序列号、访问口令与 短信验证。8. -种应用如权利要求1所述的基于安全短信的工控机监控方法的监控系统，其特征 在于包括：监控中心、短信收发模块、监控装置、带有监控软件的工控机；监控中心与短信 收发模块连接；短信收发模块与监控装置无线连接；监控装置与带有监控软件的工控机通 过串口连接。9. 根据权利要求8所述的监控系统，其特征在于：所述监控装置包括：监控板、9针D型 公插头、GSM模块、电源管理板、电池、继电器、功率测量模块、电源输入插座、电源输出插座、 底板、外壳；电源输入插座分别与电源管理板、功率测量模块、电源输出插座、继电器连接； 监控板分别与GSM模块、9针D型公插头、继电器、功率测量模块连接；电源管理板与电池连 接；电源管理板为监控板与GSM模块供电；监控板、9针D型公插头、GSM模块、电源管理板、 电池、继电器、功率测量模块、电源输入插座、电源输出插座通过螺栓及螺帽固定在底板上； 底板通过固定孔与螺栓、螺柱固定在外壳内部。10. 根据权利要求9所述的监控系统，其特征在于：所述监控板包括MCU电路、电源 稳压电路、电源连接器、继电器驱动电路、接线端子、LED、两个RS232电平转换电路、两个 RS232插座、UART连接器、PCB板；MCU电路分别与UART连接器、两个RS232电平转换电路、 LED、继电器驱动电路、电源稳压电路连接；两个RS232电平转换电路分别与两个RS232插座 连接；电源稳压电路分别与电源连接器、继电器驱动电路连接；继电器驱动电路与接线端 子连接；MCU电路、电源稳压电路、电源连接器、继电器驱动电路、接线端子、LED、两个RS232 电平转换电路、两个RS232插座、UART连接器固定在PCB板上。11. 根据权利要求9所述的监控系统，其特征在于：所述电源管理板包括外电源输入插 座、监控板电源连接器、短信模块电源连接器、电源适配器、电池充电电路、电池连接器、自 动切换电路、稳压分路电路及PCB板；外电源输入插座与电源适配器连接；电源适配器分别 与电池充电电路、自动切换电路连接；电池充电电路、电池连接器、自动切换电路、稳压分路 电路依次彼此连接；监控板电源连接器分别与电池充电电路、自动切换电路、稳压分路电路 连接；短信模块电源连接器与稳压分路电路连接；外电源输入插座、监控板电源连接器、短 信模块电源连接器、电源适配器、电池充电电路、电池连接器、自动切换电路、稳压分路电路 固定在PCB板上。12. 根据权利要求8所述的监控系统，其特征在于：所述短信收发模块为手机或短信收 发设备。
【专利摘要】本发明涉及一种基于安全短信的工控机监控方法及系统，系统由监控装置、工控机上运行的监控软件、远程监控中心以及短信收发模块组成；监控方法包括：1)监控装置连续查询工控机上的监控软件集合以检测获得工控软件集合工作状况及工控机自身的工作状况；2)若发现存在异常状况，监控装置通过安全短信报告监控人员；3)监控人员收悉状况后再通过安全短信远程发送处理命令给监控装置，监控装置同监控软件配合对工控机进行故障修复。本发明可以用于提高工控机的可靠性、减少工控机的故障时间、及时发现工控机故障、远程启动、重启、关闭工控机或工控应用软件；可以降低工控机应用系统开发维护费用，降低工控软件开发难度和监控项目的风险。
【IPC分类】G05B19/042
【公开号】CN104898509
【申请号】CN201510218744
【发明人】薛宏, 张标标
【申请人】杭州谱谐特科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月30日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及安全技术领域，尤其涉及一种基于安全短信的工控机监控方法及系 统。
【背景技术】
[0002] 对于无人守护的用于监控的运行WINDOWS或者泛UNIX操作系统的工控机来说，工 控机上实际运行的是一个工控软件集合，即一个或多个运行在工控机上执行工控任务的应 用软件。任何一个工控软件故障都会影响工控任务的正常进行。
[0003] 因为应用软件缺陷、电磁干扰、过高或过低的环境温度以及运行温度，会出现工控 软件运行一段不确定时间后系统死机或者工控应用软件死循环的现象。尽管软硬件的充分 测试可以减轻这种现象，但是并不能够完全避免。实际调查表明，即使是非常仔细的开发 并测试后实现的软件，出现软件死循环或者设备死机等故障状况的频率也不低。而一旦无 人守护工控机死机，会造成事故或者经济损失。而解决问题的唯一办法就是派人去现场复 位，因此导致较长时间的监控空白，也耗费人力财力，增加系统的运行维护成本。工程实践 表明，通常出现问题时，只要重启系统就可以解决问题了。现有的方案是使用看门狗定时 器来解决问题，具体如下：设定一个固定的时间，当看门狗定时器计时到设定时间（溢出） 后就复位设备；在正常工作时候，能够定时复位看门狗定时器，使得看门狗定时器不能够溢 出；当设备工作异常时候，不能够或者来不及复位看门狗定时器，于是看门狗定时器溢出并 因而复位设备，使得设备或者软件重启。
[0004] 从理论上讲，这种方案在设备上运行的软件合理的布置了复位定时器指令的时机 时是没有问题的，然而实际工业实践表明这并不是容易的事情：首先，为了达到良好的效果 需要充分的试验和仔细的调试以确定复位代码（复位看门狗定时器的代码）在软件或系统 中的位置，这会导致软件开发难度加大，进度拉长；其次，布置在软件中的复位代码会破坏 软件的结构化，因而维护困难；最后，由于实际上运行环境的千差万别以及不可能彻底的完 全测试软件的各个细节，在某些情况下即使软件陷入死循环看门狗定时器也可能得到按时 复位，因此不能按照预期设想复位系统。因此，这种方案也有缺陷。
[0005] 此外，通常的看门狗定时器的电源同被监控系统为同一个电源，通常工控机就会 自带看门狗定时器。在某些电源的异常情况（如短时中断或突然大幅波动）导致故障的 情况下，看门狗本身的电源也会短时中断或波动，导致看门狗被复位，丢失预先配置的信息 (比如是否允许溢出复位、溢出时间、以及是否允许计时等），导致监控功能完全失效。最 后，当出现故障时，对于那些一日上报数次甚至几日上报一次数据的监控设备的用户，也只 有在设备故障发生一段时间后才能够通过上传数据中断现象发现问题，而不能及时发现问 题，导致监控空白以及因为不能及时解决问题导致的其他损失和事故。
【发明内容】
[0006] 本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种基于安全短信的工控机监控方 法，通过监控人员处理监控装置所监测的数据来控制工控机的工作状态来达到监控目的， 可以提高工控机可靠性，减少工控机故障时间，保障工控机正常运行。
[0007] 本发明另一目的在于提供一种基于安全短信的工控机监控系统，包括短信收发模 块、监控装置及带有监控软件的工控机，大大降低了工控机应用软件的开发成本和难度，同 时又保障了工控机正常运行。
[0008] 本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种基于安全短信的工控机监控方 法，包括如下步骤：
[0009] (1)监控装置连续查询工控机上的监控软件以获得工控软件集合工作状况及工控 机自身的工作状况；
[0010] (2)若发现存在异常状况，监控装置通过短信报告监控人员；
[0011] (3)监控人员收悉状况后再通过安全短信远程发送处理命令给监控装置，监控装 置同监控软件配合对工控机进行故障修复。
[0012] 作为优选，所述步骤（1)检测工控软件集合工作状况的方法包括如下步骤：
[0013] 1)预先对工控软件集合的每一个软件进行压力测试，获得每个软件的CPU占用率 及内存占用量的正常范围并提供给监控软件；
[0014] 2)在工控机软件集合工作时监控软件通过OSAPI获得工控软件集合内每一个软 件的CPU占用率及内存占用量；
[0015] 3)监控软件对比步骤1)与步骤2)的结果，得到工控软件集合内是否存在软件工 作异常。
[0016] 作为优选，所述步骤1)每个软件的的CPU占用率及内存占用量以配置文件形式提 供给监控软件，配置文件为ASCII码文本文件。
[0017] 作为优选，所述步骤（1)检测工控机工作状况的方法包括如下步骤：
[0018] i)监控装置主动定时与监控软件进行串口通讯，若连续三次没有回应则断定工控 机死机或故障；若全部得到回应则断定工控机正常；若得到部分回应则断定工控机异常；
[0019] ii)监控装置定时查询工控机电源状况，若电源电压低于设定阈值则断定工控机 电源异常。
[0020] 作为优选，所述的安全短信通讯协议格式分为命令短信格式与回复短信格式，形 式如下所示：
[0021] 命令短信格式：[命令信息字符串]#内部序列号#访问口令
[0022] 回复短信格式：[响应信息字符串]#内部序列号#。
[0023] 作为优选，所述步骤（3)对工控机进行故障修复包括查询操作及执行操作；查询 操作用于确定故障原因，执行操作用于修复故障。
[0024] 作为优选，所述执行操作步骤时需要先执行安全验证，安全验证需要监控人员提 供序列号、访问口令与短信验证。
[0025] 一种基于安全短信的工控机监控系统，包括：监控中心、短信收发模块、监控装置、 带有监控软件的工控机；监控中心与短信收发模块连接；短信收发模块与监控装置无线连 接；监控装置与带有监控软件的工控机通过串口连接。
[0026] 作为优选，所述监控装置包括：监控板、9针D型公插头、GSM模块、电源管理板、电 池、继电器、功率测量模块、电源输入插座、电源输出插座、底板、外壳；电源输入插座分别与 电源管理板、功率测量模块、电源输出插座、继电器连接；监控板分别与GSM模块、9针D型 公插头、继电器、功率测量模块连接；电源管理板与电池连接；电源管理板为监控板与GSM 模块供电；监控板、9针D型公插头、GSM模块、电源管理板、电池、继电器、功率测量模块、电 源输入插座、电源输出插座通过螺栓及螺帽固定在底板上；底板通过固定孔与螺栓、螺柱固 定在外壳内部。
[0027] 作为优选，所述监控板包括MCU电路、电源稳压电路、电源连接器、继电器驱动电 路、接线端子、LED、两个RS232电平转换电路、两个RS232插座、UART连接器、PCB板；MCU电 路分别与UART连接器、两个RS232电平转换电路、LED、继电器驱动电路、电源稳压电路连 接；两个RS232电平转换电路分别与两个RS232插座连接；电源稳压电路分别与电源连接 器、继电器驱动电路连接；继电器驱动电路与接线端子连接；MCU电路、电源稳压电路、电源 连接器、继电器驱动电路、接线端子、LED、两个RS232电平转换电路、两个RS232插座、UART 连接器固定在PCB板上。
[0028] 作为优选，所述电源管理板包括外电源输入插座、监控板电源连接器、短信模块 电源连接器、电源适配器、电池充电电路、电池连接器、自动切换电路、稳压分路电路及PCB 板；外电源输入插座与电源适配器连接；电源适配器分别与电池充电电路、自动切换电路 连接；电池充电电路、电池连接器、自动切换电路、稳压分路电路依次彼此连接；监控板电 源连接器分别与电池充电电路、自动切换电路、稳压分路电路连接；短信模块电源连接器与 稳压分路电路连接；外电源输入插座、监控板电源连接器、短信模块电源连接器、电源适配 器、电池充电电路、电池连接器、自动切换电路、稳压分路电路固定在PCB板上。
[0029] 作为优选，所述短信收发模块为手机或短信收发设备。
[0030] 本发明的有益效果在于：（1)本发明可以用于提高工控机的可靠性、减少工控机 的故障时间、及时发现工控机故障、远程启动、重启、关闭工控机或工控应用软件；（2)采用 本发明的监控系统，可以降低工控机应用系统开发维护费用，降低工控软件开发难度和监 控项目的风险。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明工控机监控系统总体原理示意图；
[0032] 图2是本发明监控装置及工控机同监控装置的连接原理示意图；
[0033] 图3是本发明监控装置结构图；
[0034] 图4是本发明监控板结构图；
[0035] 图5是本发明电源管理板结构图；
[0036] 图6是本发明监控装置嵌入式软件数据流图；
[0037] 图7是本发明监控软件数据流图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于 此：< br>[0039] 实施例：本发明通过对工控机电源、工控机是否死机以及工控机上的工控应用程 序集合工作状况进行远程监控来实现发明目的；对工控机电源的监控是通过定期采集电源 参数实现；而工控机是否死机通过定期发送查询命令给工控机上安装的专门设计的监控软 件来实现。判断工控机应用程序集合的工作状况的正常与否是基于如下原理：
[0040] 一个应用软件正常工作时所消耗的CPU占用率及内存占用量分别在固定的范围 内波动，这是软件运行时各种处理执行的时间及耗费的内存量的不同以及应用软件不同功 能占用的CPU时间和内存量不同引起的正常现象。而当软件异常时，比如出现内存泄漏、软 件BUG导致的死循环或者外部强干扰导致的外设偶然出错、软件运行异常等问题，会导致 CPU占用率或者内存占用量出现异常，因而超出正常范围。对软件进行较长时间的极限测 试，即以极限条件运行，并且通过操作系统的任务管理器监视软件的CPU占用率及内存占 用量的变化，就可以获得其正常工作范围。
[0041] 基于上述说明，结合工控机应用的实际状况，本发明提出了监控方法和实现此方 法的系统：
[0042] 一种基于安全短信的工控机监控方法，包括如下步骤：
[0043] 1，监控装置不断的查询工控机上的监控软件，获得工控软件集工作状况及工控机 本身的工作状况。
[0044] 2,若发现有异常则监控装置通过安全短信报告监控人员。
[0045] 3,监控人员通过安全短信远程发送命令给监控装置，监控装置同监控软件配合进 行远程故障修复。
[0046] 在步骤1中，检测工控软件集合工作异常的方法：
[0047] 1，预先对工控软件集合的每一个软件进行压力测试，获得其CPU占用率及内存占 用量的正常范围，并以配置文件的形式提供给监控软件。
[0048] 2,在工控软件集合工作时监控软件通过OS API获得被监控工控软件集合内每一 个工控软件的CPU占用率及内存占用量。
[0049] 3,监控软件把步骤2获得的CPU占用率及内存占用量同配置文件中的正常范围进 行比较，从而得出工控软件集合中是否有软件工作异常。
[0050] 在步骤1中检测工控机异常的方法：
[0051] 1，监控装置主动定时同工控机上的监控软件通过串口通讯，其通讯内容就是查询 工控软件集合的工作状态。如果连续3次通讯没有得到监控软件的回应，就判断为工控机 死机或故障；若得到回应，但回应中只要有一个软件的工作状态异常，那么认为工控机异 常。
[0052] 2,定时查询工控机的电源状况，若电源电压低于设定的阈值，则认为工控机掉电， 判断为工控机电源异常。
[0053] 上述两种情况都作为工控机异常对待。
[0054] 步骤2中，发送报警信息时不使用安全措施。
[0055] 步骤3中，对工控机的远程故障修复包括查询操作和执行操作。
[0056] 步骤3中，查询操作用来确定故障原因。对于查询操作来说，不需要使用安全措 施。查询包括查询工控机某一个软件的工作状况或工控软件集合的工作状况。对于工控软 件集合的工作状况查询来说，只要一个软件运行异常，就认为整个工控软件集合工作异常。 查询还包括查询工控机的电源状况，电源状况包括电源电压、电源电流及功率因子；执行操 作用来修复故障。执行操作包括：启动一个或所有工控软件；停止一个或所有工控软件；重 启动一个或所有工控软件；工控机重启动。
[0057] 步骤3中，对于执行操作来说，为了防止工控机被不相干的人意外或者恶意操控， 采取了安全措施。安全措施如下：监控装置使用前，内部预先存储一个16位字母或数字的 ASCII码组成的内部ID表示该装置（不同于可从装置外观看到的产品序列号）、6位访问口 令、以及管理者手机号，他们都是加密后存储的，是非易失的；外部工具不能读取这些信息， 需要修改时只能擦除后再写入来修改。管理者执行的操作指令必须提供内部序列号、访问 口令并且短信来自所存储的手机号对应的手机，然后才可以为监控装置所认可；若不提供 或提供的内部序列号和口令同存储的不一致，监控装置就会忽略该短信命令；此外，在监控 装置收到操作命令且认可该命令后，会向预存的手机号码发送一个确认执行的短信，只有 这个确认执行的短信得到同意执行的回复（以短信的方式），执行操作才会真正得到监控 装置地执行。
[0058] 一种基于安全短信的工控机监控系统，如图1所示，由一个或多个工控机的拥有 者或管理员（监控中心）、短信收发装置、监控装置及工控机上运行的监控软件组成。
[0059] 一个或多个工控机的管理者（监控中心）负责保障工控机的正常运转及远程故障 排除。
[0060] 短信收发装置基于移动通讯技术，用于收发短信。管理者用短信收发装置接收报 警短信及发出故障修复操作指令。
[0061] 短信通讯协议格式规定如下：
[0062] 命令短信格式：[命令信息字符串]#内部序列号#访问口令
[0063] 回复短信格式：[响应信息字符串]#内部序列号#
[0064] 命令信息字符串及对应响应信息字符串如下表1所示：
[0065]
[0066]表 1
[0067] 上表说明：
[0068] 1){:软件名称}:同前述监控软件命令。
[0069] 2) {:电源状态}:若外部电源供电，则为"y"
[0070] 3) {结果}:格式为（外部电源状态）（电压值）（电流值）（功率因子）。若不是 外部电源供电，则只有（外部电源状态）字段，后边字段不存在。
[0071](外部电源状态）字段说明：若外部电源正常，为"Y"字符；否则为"N"字符。
[0072] (电压值）VSXXXX.XXAC[AC/DC]，如：V+0012. 51DC及V00231. 18AC分别表示直流 12. 51V或交流电压有效值为231. 18V.
[0073] (电流值）ISXXXX.XX[AC/DC],如：I+0002. 21DC及 100001. 13AC,分别表示直流 2. 21A或交流电流有效值为1. 13A.
[0074](功率因子）[FXX.XXXX]，如：RU.OOOO或R). 6521，表示功率因子为1(即直流负 载）或0.6521(交流负载）。
[0075] 直流电源完整的结果例子：SYV+0012. 51DCI+0002. 21DCF01. 0000,表示工控机当 前的电源状态为：外部电源供电，直流电压12. 51V，直流电流2. 21A，功率因子为1.0000。
[0076] 交流电源完整的结果例子：SYV00231. 18ACI00001. 13ACF00. 6521，表示工控机当 前的电源状态为：外部电源供电，交流电压231. 18V，交流电流1. 13A，功率因子为0. 6521。
[0077] 外部电源失效的结果例子：SN。
[0078] 4)对于上表中操作命令，需要确认，即：管理员收到响应后，必须回应"OK"，然后 监控装置才会执行命令；如果回应"NO"或者3分钟内无回应，则监控装置忽略该命令；对于 查询命令无确认要求。
[0079] 报警短信格式：[报警信息字符串]#内部序列号#
[0080] 报警信息字符串如下表2所示：
[0082]表 2
[0083] 所述的监控装置由监控板、9针D型公插头、GSM模块、电源管理板、电池、继电器、 单相功率测量模块、电源输入插座、电源输出插座、铝合金底板、硅钢外壳组成，如图2、图3 所示。图2为使用时与工控机的连接方式。
[0084] 9针D型公插头通过导线同监控板的一个RS232接口电路相连。当使用时，它通过 标准串口电缆连接到工控机的监控串口。监控板、GSM模块、电源管理板、电池、继电器、单 相功率测量模块、电源输入插座、电源输出插座都通过螺栓及螺帽固定在铝合金底板上，铝 合金底板再通过固定孔以及螺栓、螺柱固定在硅钢外壳内部。硅钢外壳具有非常良好的电 磁屏蔽效果，提高了监控装置的EMC能力。
[0085] 监控板如图4所示，包括MCU电路、2个RS232电平转换电路、2个3线RS232连接 器、1个三线UART连接器、1个红色LED、继电器驱动电路、继电器接线端子、电源连接器和电 源稳压电路以及安装这些组件的PCB。
[0086] 监控板上的MCU电路控制装置的工作；MCU的2个UART接口通过2个RS232电平 转换电路后连接到两个RS232插座：RS232插座-1和RS232插座-2,这两个插座都包括3根 信号引脚：分别为RS232电平的TXD、RXD及公共地信号；RS232电平转换电路由MAX232电 平转换芯片及外围电容组成；RS232插座-1用于连接到外壳上的9针D型公插头；RS232-2 插座用于连接到GSM模块；MCU另一个UART接口连接到3线UART连接器，此连接器用于连 接外部单相功率测量模块，以获得工控机的功耗参数，这个连接器包括3根信 号引脚：TXD、 RXD以及逻辑公共地。这些引脚电平为TTL兼容电平。
[0087] 红色LED连接到MCU的一个10口，在装置工作过程中以500毫秒的频率闪烁，指 示监控装置的运行状况。
[0088] 继电器驱动电路由双极性三极管9014D及限流电阻组成，连接到2端继电器接线 端子，这个接线端子用来连接继电器的线圈。继电器驱动电路连接到电源稳压电路，获得驱 动电源。
[0089] 电源连接器为3针，间距为2. 54mm的普通连接器，用于连接电源管理板。它的2 供电引脚在监控板上连接到电源稳压电路，后者对来自电源连接器的电源进行去耦、滤波、 稳压分路后分别提供给MCU电路和继电器驱动电路。
[0090] 电源连接器中的另外一个引脚连接提供电平信号，指示装置是否由备用电池供 电，该引脚直接连接到MCU电路中MCU芯片的一个10 口。
[0091] MCU电路由MCU及复位电路、振荡器电路组成，其中运行一个嵌入式软件，控制整 个装置的工作。MCU可选用带有3个或以上UART接口、看门狗电路、不少于32KFLASH及2K RAM的MCU。优选NXP生产的LPC2365芯片，该芯片的CPU为ARM7TDMI-S32位处理器，具 有256KBFLSH以及32KBSRAM，有DMA、VIC、4个UART、看门狗定时器、RTC及电池备份RAM、 10/100M以太网MAC、多个定时器、PWM模块、SPI、I2S、IIC、SSP、10 位ADC、10 位DAC、高速 GPI0等丰富的外设，有充足资源实现本发明需要的功能，且可以根据需要升级。
[0092]MCU内部FLASH中加密存储有控制此装置的嵌入式软件，加密嵌入式软件可以通 过FLASH编程工具实现，为本领域技术人员所周知。
[0093]MCU内部FLASH存储有预置管理员手机或监控中心短信模块手机号、预置管理员 口令、唯一的ID(标示编码）。这些信息采用通用的FLASH编程工具加密写入MCU内部FLASH 的固定地址。
[0094] GSM模块用来收发短信，为一个支持三线RS232接口访问的工业级移动通信模块。
[0095] 单相功率测量模块测量工控机的功耗参数：电压、电流、功率因子。优选电子式单 相功率测量模块，且需带有3线UART接口用于输出测量结果。
[0096] 继电器电路优选为常闭继电器。继电器的线圈端子链接到控制板的2个继电器驱 动输出端子，因此受控制而导通或断开。
[0097] 输入插座根据具体情况，可以为通用直流BNC插座或交流插座；它通过电源电缆 连接到外部直流或交流电力网络。输出插座根据工控机电源电缆插头对应的插座配备，因 此可以使得工控机的供电电缆直接插入。
[0098] 输入插座和输出插座的电源正极或者交流火线端子分别连接到继电器的两个触 点，其他两根线，即电源负极或者交流中线以及保护地线端子直接通过"飞线"互连。
[0099] 当继电器断开时，电源正极或交流火线同电源断开，因此工控机失去电源；继电器 闭合时，电源正极或交流火线同电源接通，工控机得到电源。通过先关掉电源，延时1分钟 再接通电源，就可以完成复位工控机的动作。这样设计的好处是：1，方便使用和集成，因为 工控机可以不做任何变动（不用打开工控机并引出其复位引脚）；2,先掉电再重新上电的 冷启动方式会更彻底的复位工控机，比热启动的效果更好。3,即使监控装置损坏，也非常容 易维护：维护人员可以简单地直接把工控机插到电源插座继续工作，然后再修理或更换监 控装置。
[0100] 因为采用的是常闭继电器，所以监控装置和工控机共用的电源掉电恢复后，工控 机能够自动继续工作，而不需用户干预；更重要的是，即使因为长时间停电导致监控装置电 池耗尽电量，也不会出现电源正常后工控机不能自动启动的问题。
[0101] 电池选用容量为1700mAH、4. 2V输出或类似规格的锂电池。电池为此装置提供备 用电源，防止突然掉电失去同远程管理者的联络并因而不能发送报警信息；由于电池可以 支持监控装置在电源失去后继续工作一段时间，所以在工控机掉电后一段时间内可以继续 监视工控机的电源情况以及响应短信查询。电池通过导线连接到电源管理板的电池连接 器。
[0102] 电源管理板包括外电源输入插座、监控板电源连接器、短信模块电源连接器、电源 适配模块、电池充电电路、电池连接器、自动切换电路、稳压分路电路以及安装这些部件的 PCB，如图5所示。
[0103] 外电源输入插座用于连接到电源适配模块，后者把外电源变换为直流5V;电源适 配模块连接到电池充电电路以及自动切换电路；电池充电电路用于对电池充电，连接到电 池连接器；电池连接器用于连接锂离子电池，同时连接到自动切换电路；自动切换电路把 输入的两路电压更大的一个自动切换到稳压分路电路；稳压分路电路对切换进来的电压进 行稳压后分为2路，分别送到监控电源连接器和短信模块电源连接器；自动切换电路输出 一个状态信号，指示是否电源适配模块的输出电压大于电池电压，这个信号一方面连接到 电池充电电路，控制是否对电池充电：若电源适配模块的输出电压大于电池电压则对电池 充电，否则禁止电池充电电路对电池充电；另一方面，这个信号送到监控电源连接器，并进 而送到监控板，指示是否外电路电压存在：若电源适配模块的输出电压大于电池电压，则外 电源存在，否则不存在。
[0104] 短信模块电源连接器为2针2. 54mm引脚间距的普通连接器，用来连接短信模块的 电源输入端子，为短信模块提供电源。
[0105] 监控电源连接器为为3针2. 54mm引脚间距的普通连接器，其中2个为电压输出 针，另一个为电平信号，指示是否外电源存在；此连接器用于监控板，为其提供工作电源及 外电源是否存在的信息。
[0106] 电源适配模块优选输出5V直流电压的工业级AC-DC或DC-DC模块。若工控机由 直流电压供电，则采用DC-DC模块；如果工控机直接使用市电网络供电，则采用AC-DC模块。
[0107] 充电电路1C优选以LTC4059A芯片及外围元件组成的充电器电路，而自动切换电 路优选LTC4413芯片及外围元件组成的切换电路。
[0108] 继电器电路由常闭继电器、驱动电路组成。驱动电路驱动继电器线圈，使得继电器 的2个触点导通或断开。MCU的一个10 口，连接到继电器驱动电路，因此能够控制继电器的 2个触点导通或断开。考虑到复位后MCU10 口默认为高电平，所以设计继电器驱动电路为 低电平动作，即：若10 口为高电平，常闭继电器继续闭合，同没上电时同样状态；若10 口为 低电平，则继电器触点断开。这样即使监控装置意外复位也不会导致继电器动作，影响工控 机。
[0109] 图6为监控装置嵌入式软件逻辑功能的数据流图。该软件通过MCU的一个UART 接口每隔一分钟发送命令（这些命令如前监控软件部分所述）给工控机上的监控软件来查 询被监控的工控应用软件的工作状态，如果有异常就通过短信发送相关的信息给监控者预 置的手机号码；如果连续3次发送给工控机上监控软件的命令没有收到响应，则判断工控 机死机，于是发送报警信息给监控者预置的手机号码。该软件同时监听连接在MCU另外一 个UART接口上的GSM模块，并根据接收到到短信命令执行对应动作。此外，该软件设置MCU 内部的看门狗定时器超时时间为2分钟，然后在适当的地方清零看门狗保证正常运行。因 为此嵌入式软件代码量小，逻辑简单，看门狗的定时复位指令的加入不会影响软件的开发 难度。最后，该软件通过每隔1分钟读取来自电源管理板的外部电源状态引脚电平，在检测 到外部电源掉电后自动发送报警信息给管理员或监控服务器。
[0110] 监控软件安装在工控机上，作为工控机的一个进程运行。有二个功能：1，用于获得 工控应用软件的工作状况并且反馈给监控装置；2,启动或停止工控机应用软件。每个被监 控的工控机都需要安装一套监控软件，并且提供同被监控的软件相对应的配置文件。配置 文件规定了工控软件集合的每一个软件的CPU占用率及内存占用量的正常范围以及串口 通讯参数配置。监控软件运行在工控机操作系统的最高运行优先级，在工控机启动后自动 运行，并且持续监听一个连接着监控装置的串口，当收到串口来的命令时就执行并通过串 口反馈结果给监控装置。
[0111] 图7为监控软件数据流图，它通过调用OS进程相关的API获得被监控软件所耗费 的CPU占用率、内存占用量，并同软件正常运行时的CPU占用率和内存占用量范围相对照， 因此能够判断应用软件是否发生异常；它也可通过调用OS进程相关API控制软件的启、停、 或重启。
[0112] 监控软件按照其配置文件规定的波特率、校验位、数据位、及端口号等串口设置配 置好该串口，这个串口连接有监控装置。监控软件然后监听该串口，从而可以及时接收到监 控装置发给它的命令，并对其进行解析执行
[0113] 监控软件必须工作在最高运行优先级，这保证它可以立即响应来自监控装置的命 令。
[0114] 监控软件的配置文件是一个ASCII码文本文件，规定了如下项目 ，通过简单的文 本编辑器就可以编辑。包括以下内容：
[0115] 1)连接监控装置的串口号、波特率、数据位、校验位、停止位。
[0116] 2)被监控软件的名称、CPU占用率最大值、CPU占用率最小值、内存占用量最大值、 内存占用率最小值。这个可以有多条，即可以监控多个软件。
[0117] 监控软件支持的命令包括：查询、启动、关闭、重启命令，命令及其响应都为ASCII 码字符串。监控软件命令如表3:
[0118]
[0120] 表 3
[0121] 表3的监控软件命令说明：
[0122] 1) {:软件名称}:为要查询或启停的软件的名字字符串，为ASCII编码字符串。软 件名称可为某一具体软件，或"ALL"。若为"ALL"则指对配置文件规定的所有软件进行操 作。
[0123] 2) {状态}:该字段为软件的工作是否正常的信息。为ASCII字符"Y"或"N".
[0124] 对于单一软件，若正常，为"Y"字符；否则为"N"字符，若该软件在配置文件中不存 在，则为"N"。正常与否是这样获得的：监控软件调用操作系统API获得某一个或者多个被 监控应用软件的CPU占用率和内存占用量，然后同配置文件的对应信息互相比较获得的。 对于"ALL"即所有配置文件规定的软件，只要监控软件发现有一个软件运行异常，即为"N" 字符；只有所有软件都正常运行才为"Y"字符。
[0125] 3) {CRC}:为16位CRC校验，用来确保通讯数据无误。为命令或响应字符串中除去 CRC字段外其他所有字节按照多项式xl6+xl2+x5+l计算得到的二进制数--2字节16进 制数转换成的4字节ASCII码字符串。发送顺序，先发送高位字节对应的ASCII码，再发送 低位字节对应的二个ASCII码。
[0126] 使用时，按照图1所示的接线方法连接此装置，就可以手机或者带有GSM模块的PC 机发送短信来远程重启工控机以及查询其工作状况。
[0127] 1)连接监控装置到一个PC，打开电源，使用专用FLASH编程工具，以加密方式写入 管理员手机或监控中心短信模块手机号、预置管理员口令、唯一的ID(标示编码）到监控装 置内部的MCU的FLASH.
[0128] 2)监控装置的RS232连接器通过标准232电缆连接到工控机的一个串口。
[0129] 3)电源连接器连接到工控机电源输入。
[0130] 4)外部电源连接到监控装置。
[0131] 5)安装监控软件到工控机，修改监控配置文件，以符合用户的监控要求。
[0132] 6)启动工控软件
[0133] 这样就可以通过手机短信来远程查询工控软件工作信息、关闭工控软件、运行工 控软件、重启工控软件、以及重启工控机了。
[0134] 对多个工控机进行监控时，对所有需要远程监控的工控机重复对单个工控机的监 控设定方法。
[0135] 以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所 作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的 保护范围。
【主权项】
1. 一种基于安全短信的工控机监控方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 监控装置连续查询工控机上的监控软件集合以检测获得工控软件集合工作状况及 工控机自身的工作状况； (2) 若发现存在异常状况，监控装置通过安全短信报告监控人员； (3) 监控人员收悉状况后再通过安全短信远程发送处理命令给监控装置，监控装置同 监控软件配合对工控机进行故障修复。2. 根据权利要求1所述的一种基于安全短信的工控机监控方法，其特征在于：所述步 骤（1)检测工控软件集合工作状况的方法包括如下步骤： 1) 预先对工控软件集合的每一个软件进行压力测试，获得每个软件的CPU占用率及内 存占用量的正常范围并提供给监控软件； 2) 在工控机软件集合工作时监控软件通过OSAPI获得工控软件集合内每一个软件的 CPU占用率及内存占用量； 3) 监控软件对比步骤1)与步骤2)的结果，得到工控软件集合内是否存在软件工作异 常。3. 根据权利要求2所述的一种基于安全短信的工控机监控方法，其特征在于：所述步 骤1)每个软件的的CPU占用率及内存占用量以配置文件形式提供给监控软件，配置文件为 ASCII码文本文件。4. 根据权利要求1所述的一种基于安全短信的工控机监控方法，其特征在于：所述步 骤（1)检测工控机工作状况的方法包括如下步骤： i) 监控装置主动定时与监控软件进行串口通讯，若连续三次没有回应则断定工控机死 机或故障；若全部得到回应则断定工控机正常；若得到部分回应则断定工控机异常； ii) 监控装置定时查询工控机电源状况，若电源电压低于设定阈值则断定工控机电源 异常。5. 根据权利要求1所述的一种基于安全短信的工控机监控方法，其特征在于：所述的 安全短信通讯协议格式分为命令短信格式与回复短信格式，形式如下所示： 命令短信格式：[命令信息字符串]#内部序列号#访问口令 回复短信格式：[响应信息字符串]#内部序列号#。6. 根据权利要求1所述的一种基于安全短信的工控机监控方法，其特征在于：所述步 骤（3)对工控机进行故障修复包括查询操作及执行操作；查询操作用于确定故障原因，执 行操作用于修复故障。7. 根据权利要求1或6所述的一种基于安全短信的工控机监控方法，其特征在于：所 述执行操作步骤时需要先执行安全验证，安全验证需要监控人员提供序列号、访问口令与 短信验证。8. -种应用如权利要求1所述的基于安全短信的工控机监控方法的监控系统，其特征 在于包括：监控中心、短信收发模块、监控装置、带有监控软件的工控机；监控中心与短信 收发模块连接；短信收发模块与监控装置无线连接；监控装置与带有监控软件的工控机通 过串口连接。9. 根据权利要求8所述的监控系统，其特征在于：所述监控装置包括：监控板、9针D型 公插头、GSM模块、电源管理板、电池、继电器、功率测量模块、电源输入插座、电源输出插座、 底板、外壳；电源输入插座分别与电源管理板、功率测量模块、电源输出插座、继电器连接； 监控板分别与GSM模块、9针D型公插头、继电器、功率测量模块连接；电源管理板与电池连 接；电源管理板为监控板与GSM模块供电；监控板、9针D型公插头、GSM模块、电源管理板、 电池、继电器、功率测量模块、电源输入插座、电源输出插座通过螺栓及螺帽固定在底板上； 底板通过固定孔与螺栓、螺柱固定在外壳内部。10. 根据权利要求9所述的监控系统，其特征在于：所述监控板包括MCU电路、电源 稳压电路、电源连接器、继电器驱动电路、接线端子、LED、两个RS232电平转换电路、两个 RS232插座、UART连接器、PCB板；MCU电路分别与UART连接器、两个RS232电平转换电路、 LED、继电器驱动电路、电源稳压电路连接；两个RS232电平转换电路分别与两个RS232插座 连接；电源稳压电路分别与电源连接器、继电器驱动电路连接；继电器驱动电路与接线端 子连接；MCU电路、电源稳压电路、电源连接器、继电器驱动电路、接线端子、LED、两个RS232 电平转换电路、两个RS232插座、UART连接器固定在PCB板上。11. 根据权利要求9所述的监控系统，其特征在于：所述电源管理板包括外电源输入插 座、监控板电源连接器、短信模块电源连接器、电源适配器、电池充电电路、电池连接器、自 动切换电路、稳压分路电路及PCB板；外电源输入插座与电源适配器连接；电源适配器分别 与电池充电电路、自动切换电路连接；电池充电电路、电池连接器、自动切换电路、稳压分路 电路依次彼此连接；监控板电源连接器分别与电池充电电路、自动切换电路、稳压分路电路 连接；短信模块电源连接器与稳压分路电路连接；外电源输入插座、监控板电源连接器、短 信模块电源连接器、电源适配器、电池充电电路、电池连接器、自动切换电路、稳压分路电路 固定在PCB板上。12. 根据权利要求8所述的监控系统，其特征在于：所述短信收发模块为手机或短信收 发设备。
【专利摘要】本发明涉及一种基于安全短信的工控机监控方法及系统，系统由监控装置、工控机上运行的监控软件、远程监控中心以及短信收发模块组成；监控方法包括：1)监控装置连续查询工控机上的监控软件集合以检测获得工控软件集合工作状况及工控机自身的工作状况；2)若发现存在异常状况，监控装置通过安全短信报告监控人员；3)监控人员收悉状况后再通过安全短信远程发送处理命令给监控装置，监控装置同监控软件配合对工控机进行故障修复。本发明可以用于提高工控机的可靠性、减少工控机的故障时间、及时发现工控机故障、远程启动、重启、关闭工控机或工控应用软件；可以降低工控机应用系统开发维护费用，降低工控软件开发难度和监控项目的风险。
【IPC分类】G05B19/042
【公开号】CN104898509
【申请号】CN201510218744
【发明人】薛宏, 张标标
【申请人】杭州谱谐特科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月30日
最新回复(0)