CN111026091B - 分布式望远镜设备远程控制和观测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式望远镜设备远程控制和观测系统，包括：系统库，基础框架，设备组件与服务组件；系统库包括：日志记录件、中间消息件、消息序列化组件以及基于事件驱动的IO库；基础框架是在系统库的基础上，架构的整个系统的基础类库；设备组件与服务组件均在基础框架的基础上实现，所述设备组件中包含多个组件，每一组件用于控制分布式望远镜设备中的相关设备；服务组件中包含多个组件，用来实现观测所需的功能；不同组件之间通过中间消息件与消息序列化组件实现通信与通信内容的序列化。该系统是一种轻量级的远程控制和观测框架，可以适用各种望远镜，整个开发方便容易，可以用在天文观测，近地目标观测等场合。
Description
技术领域
本发明涉及大型设备控制领域，尤其涉及一种分布式望远镜设备远程控制和观测系统。
背景技术
为了更好的观测数据质量，越来越多的天文望远镜需要被部署在生活条件恶劣地区，如山区、高原甚至南极地区，因此更有必要实现设备远程控制与观测调度的自动化，对望远镜控制系统的稳定性也有极高的要求。同时天文望远镜系统涉及多个子设备模块调度，操作复杂，需要多台工控机或嵌入式控制器组成局域网，每个控制器负责一个或若干个子设备，软件必须有效地统筹管理这些模块。
望远镜控制系统软件的开发一般涉及到硬件版本适配及设备单点控制、观测流程业务逻辑实现、数据采集与存储、可视化与用户接入等，会拆分不同层次不同软件模块，尤其是子设备固有地运行于局域网下不同机器上。因此望远镜系统具有分布式控制的特点，并且需要支持负责不同领域的开发人员高效集成，比如能支持多种开发语言、多种硬件接口。
对于大型望远镜来说，设备的数量和系统控制的复杂需求，使得单台计算机早已无法满足要求。目前许多大型望远镜和全自动望远镜都采用了分布式组件结构，每个组件都是一个单独的程序，运行在同一局域网内的多台计算机或嵌入式设备上。组件之间采用分布式的中间消息件技术，实现互联和各种消息通信模式，如广播和发布/订阅模式，如采用CORBA(Common ObjectRequest Broker Architecture，公共对象请求代理体系结构)技术，DDS技术，基于套接字的自定义协议等。
对于CORBA技术与DDS技术过于复杂，且运行资源需求大。
对于基于套接字的自定义协议如RTS2，是一种可用于望远镜远程控制以及自动化观测的分布式控制开源框架，但是它有如下缺点：1)系统中每个模块需要通过额外的组件注册服务来连接彼此，对注册服务依赖强，会产生单点故障。2)模块间交互过程复杂，业务逻辑分散在不同模块内，开发学习门槛高。3)通信协议是自定义的文本格式，性能以及扩展性都较差，难以用C++以外的编程语言进行开发。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式望远镜设备远程控制和观测系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种分布式望远镜设备远程控制和观测系统，包括：系统库，基础框架，设备组件与服务组件；
系统库包括：日志记录件、中间消息件、消息序列化组件以及基于事件驱动的IO库；
基础框架是在系统库的基础上，架构的整个系统的基础类库；
设备组件与服务组件均在基础框架的基础上实现，所述设备组件中包含多个组件，每一组件用于远程控制分布式望远镜设备中的相关设备；服务组件中包含多个组件，用来实现远程观测所需的功能；不同组件之间通过中间消息件与消息序列化组件实现通信与通信内容的序列化。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，它是一种轻量级的远程控制和观测框架，可以适用各种望远镜，特别是小型望远镜，使得整个开发方便容易，能很快完成一个望远镜远程控制观测系统，可以用在天文观测，近地目标观测等场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种分布式望远镜设备远程控制和观测系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的组件初始化连接的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种分布式望远镜设备远程控制和观测系统的架构图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种分布式望远镜设备远程控制和观测系统，从底层到上层，解耦各部分功能组件之间的关系，包括最底层的系统库，在此之上上涉及了控制的基础框架，完成组件管理，日志管理，成像管理，基础类定义，配置管理，多语言接口，以及和第三方实时框架EPICS的桥接等；在基础框架上完成望远镜各个设备的控制组件，在设备控制的基础上完成观测所需的相应组件，包括观测计划，观测执行，日志服务，状态服务，紧急情况处理，远程用户接口等。
下面结合图1对本发明提供的系统做详细的介绍，如图1所示，从软件框架解耦、面向对象设计的角度，该系统主要包括：系统库，基础框架，设备组件与服务组件。其中：
1、系统库。
系统库为整个软件框架提供了最底层的基础功能，是基础框架的依赖和核心库。
系统库主要包括：日志记录件(spdlog)、中间消息件(ZeroMQ)、消息序列化组件(ProtoBuf)以及基于事件驱动的IO库(libuv)。
日志记录件主要用于记录系统日志，基于事件驱动的IO库主要实现信息读取与写入，中间消息件与消息序列化组件主要用于定义组件之间的通信模型以及消息格式，将在后文进行介绍。
2、基础框架。
基础框架是在系统库的基础上，架构的整个系统的基础类库；
基础框架基于C++11开发，构建了组件通用的公共基类，定义了设备组件和服务组件的原型，包括组件通信接口、组件间的通信模式等。基础框架还实现了通用服务模块如日志、配置功能。主要包括：网络管理部分(Network Manager)，日志处理部分(LoggingHandler)，图像处理部分(Image Constructor)，组件进程管理部分(Daemon Abstract)，客户端基类部分(Client Abstract)，配置管理部分(Config Manager)，Python语言绑定部分(Python Bindings)，以及实时控制框架EPICS的桥接部分(EPICS Bridge)。具体而言：
网络管理部分：对系统库的中间消息件以及消息序列化组件进一步封装，具体实现了组件之间的通信过程。对于每个设备或服务组件，都包含网络管理模块来完成组件之间的通信，并存储别的组件的地址映射。
日志处理部分：在系统库的日志记录组件基础上，将日志消息进行分类和序列化，并且可以发送给别的组件。
图像处理部分：针对望远镜图像数据进行处理的模块，将图像信息以及观测相关的元信息进行汇总并存储，并定义了图像处理接口用于服务组件的调用；
组件进程管理部分：用于管理组件进程本身的启动，将组件以系统守护进程的形式运行。
客户端基类部分：用于实现客户端相关的组件，通过客户端(也就是后文提到的用户服务层)使得用户可以实现远镜设备远程控制和观测；
配置管理部分：实现了每个组件对应配置文件的查找、载入、更新；
Python语言绑定部分：通过pybind11，实现了框架的Python接口，从而支持使用Python开发设备或服务组件；
EPICS桥接部分：是针对EPICS接口设备程序的适配，可以将EPICS开发的设备控制映射成本框架中的设备组件。
3、设备组件。
设备组件在基础框架的基础上实现，设备组件中包含多个组件，每一组件用于远程控制分布式望远镜设备中的相关设备；至少包括：用于控制相机(Cameras)的组件、用于控制望远镜本体(Telescope)的组件、用于控制圆顶(Dome)的组件、以及控制其他辅助设备(AuxiliaryDevices)的组件(例如，调焦结构等)。每一组件为一个独立进程，负责单一设备控制，运行于相同或者不同的计算机上，组件间通过消息总线模型进行通信。
4、服务组件。
服务组件同样在基础框架的基础上实现，服务组件中包含多个组件，用来实现远程观测所需的功能。至少包括：用于观测计划安排的组件(Scheduler)、用于观测计划执行的组件(Executor)、用于日志服务的组件(LoggingService)、用于紧急情况通知的组件(EmergencyNotifier)、以及用于远程用户接口的组件(WebInterface)；每一组件为一个独立进程，负责单一设备控制，运行于相同或者不同的计算机上。
本发明实施例中，通过中间消息件(ZeroMQ)与消息序列化组件(Protobuf)来定义组件之间的通信模型以及消息格式。
其中：组件之间通过局域网内广播(UDP/IP广播)来实现互相自动发现，并通过中间消息件来实现一对一或者一对多通信；每个组件包含3种接口：属性接口、命令接口和状态接口；组件通过3种接口来控制和获取其他组件的属性信息、命令信息与状态信息，通信内容上则采用消息序列化组件实现二进制消息内容的序列化。
如图2所示，为组件初始化连接示意图，这个过程对设备组件或者服务组件都是适用的，设备和服务组件之间也是可以互联的。一个组件在运行时会不断发送广播消息，当另一个组件刚启动时，两个组件通过互相的广播消息发现对方，之后会进一步发送自身的网络地址和组件信息，两个组件之间会根据接收的网络地址互相建立连接，并交换属性信息、命令信息与状态信息。
组件之间的通信从内容上可分为两种，第一种是Protobuf通信，第二种是图像传输。两种通信都采用两帧ZMsg格式封装，第一帧表示消息类型，如命令消息、状态变化、图像消息等；第二帧是Protobuf消息内容或图像数据，用Protobuf首先需要用proto语法定义数据格式，然后通过Protobuf自带工具将proto文件生成各种语言的数据模型。Protobuf消息包含：Info、PropertyChange、Log、Command等。
消息发送使用一对一通信方式，或者广播消息的方式。广播实际上是实现为分组广播，如果选择广播消息的方式，则组件选择加入一个或多个组，不同的组用于广播不同类型的消息；同时，所有组件都加入了同一个组，用于相关组件广播状态切换消息。通过这种分组的设计，显著地降低了组件之间的网络流量，并且实现了同一局域网内同时运行多套控制系统，方便迭代开发与测试。
本发明实施例中，可以采用C++语言面向对象设计，提供C++接口，并通过Pybind11将C++接口转换成Python接口，使得组件既可以用C++编写，也可以用Python编写。命令执行器组件用于实现自动化观测控制，基于Python子集设计了一种自动控制脚本语法用于描述观测控制流程。在设备控制层，提供EPICS转换器，将EPICS程序自动转换成控制系统组件，并将EPICS程序的各个Record分别映射为组件的属性、命令和状态，从而实现EPICS设备控制程序的适配。
如图3所述，为从望远镜控制的业务层次角度定义的系统架构，考虑到模块的输入输出、是面向用户还是面向硬件底层，主要分为3层，自底向上分别是设备控制层、观测控制层、用户服务层。对应到如图1所示框架的软件模块，设备控制层以实时控制框架的设备组件形式进行实现，观测控制层以服务组件形式实现，用户服务层是特殊的服务组件(WebInterface)，会与web服务相结合。
1、设备控制层将设备属性进行抽象映射，支持基本的控制操作，满足独立地工程调试的需求，一般设备厂家会提供SDK进行二次开发。设备控制层对于每一个设备，都有对应设备组件，将设备的属性、指令、状态进行映射。进一步地，可以通过EPICS对不同设备接口进行适配，每个EPICS控制器对应一个设备，并通过本框架的EPICS桥接模块以统一化地属性接入控制系统。
2、观测控制层主要包括日志监控、命令执行器、任务调度器。日志监控组件负责监控和记录设备控制组件的属性和状态变化，以及各组件发送的消息日志，在必要的时候向执行器发送停止命令并通知用户。日志监控组件将数据存入InfluxDB时间序列数据库，并通过Grafana实现数据可视化。命令执行器组件负责执行自动观测脚本，根据脚本向各个设备控制组件发送命令，并等待组件状态变化。脚本语言采用Python语言的子集，可以实现复杂灵活的观测流程，如循环多次拍照，批量依次指向多个目标，以及多相机同时拍照等功能。脚本支持参数传入，如望远镜指向目标、相机曝光时间等。一个典型的观测流程为：
1)检查各组件状态是否为空闲，是否工作正常。
2)向望远镜发送指向并跟踪命令。
3)等待望远镜指向完成。
4)向相机发送曝光命令。
5)接收并存储相机图像。
任务调度器从数据库提取观测计划，并发送给命令执行器执行观测任务。当命令执行器执行完观测任务后，任务调度器会更新观测计划的状态为已观测。一条观测计划包含观测时间、观测脚本、脚本参数、观测状态。
3、Web远程控制服务(用户服务层)使用户可以通过浏览器远程控制望远镜。用户通过远程网页控制界面可以编辑上传观测任务、修改观测脚本、查看监控日志、向命令执行器发送临时观测任务、和直接控制设备。
本发明实施例上述方案，针对望远镜设备的实时控制和远程观测的需求，采用简洁的层状结构，基于中间消息件(ZeroMQ)和二进制消息定制组件(Protobuf)，以及相应的Web技术，构架了一种轻量级的远程控制和观测框架，可以适用各种望远镜，特别是小型望远镜，使得整个开发方便容易，能很快完成一个望远镜远程控制观测系统，可以用在天文观测，近地目标观测等场合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种分布式望远镜设备远程控制和观测系统，其特征在于，包括：系统库，基础框架，设备组件与服务组件；
系统库包括：日志记录件、中间消息件、消息序列化组件以及基于事件驱动的IO库；
基础框架是在系统库的基础上，架构的整个系统的基础类库；
设备组件与服务组件均在基础框架的基础上实现，所述设备组件中包含多个组件，每一组件用于远程控制分布式望远镜设备中的相关设备；服务组件中包含多个组件，用来实现远程观测所需的功能；不同组件之间通过中间消息件与消息序列化组件实现通信与通信内容的序列化；
通过中间消息件与消息序列化组件来定义组件之间的通信模型以及消息格式；其中：设备组件内的组件之间、服务组件内的组件之间、以及设备组件与服务组件内的组件之间通过局域网内广播来实现互相自动发现，并通过中间消息件来实现一对一或者一对多通信；每个组件包含3种接口：属性接口、命令接口和状态接口；组件通过3种接口来控制和获取其他组件的属性信息、命令信息与状态信息，通信内容上则采用消息序列化组件实现二进制消息内容的序列化。
2.根据权利要求1所述的一种分布式望远镜设备远程控制和观测系统，其特征在于，所述基础框架包括：
网络管理部分，日志处理部分，图像处理部分，组件进程管理部分，客户端基类部分，配置管理部分，Python语言绑定部分，以及实时控制框架EPICS的桥接部分；其中：
网络管理部分：对系统库的中间消息件以及消息序列化组件进一步封装，实现组件之间的通信过程；
日志处理部分：在系统库的日志记录件基础上，将日志消息进行分类和序列化；
图像处理部分：针对望远镜图像数据进行处理，将图像数据以及观测相关的元信息进行汇总并存储，并定义了图像处理接口用于服务组件的调用；
组件进程管理部分：用于管理组件进程本身的启动，将组件以系统守护进程的形式运行；
客户端基类部分：用于实现客户端相关的组件；
配置管理部分：实现了每个组件对应配置文件的查找、载入与更新；
Python语言绑定部分：通过pybind11实现Python接口，从而支持使用Python开发设备或服务组件；
EPICS桥接部分：是针对EPICS接口设备程序的适配，能够将EPICS开发的设备控制映射成本系统中的设备组件。
3.根据权利要求1所述的一种分布式望远镜设备远程控制和观测系统，其特征在于，所述设备组件至少包括：用于控制相机的组件、用于控制望远镜本体的组件、用于控制圆顶的组件、以及控制其他辅助设备的组件；每一组件为一个独立进程，负责单一设备控制，运行于相同或者不同的计算机上。
4.根据权利要求1所述的一种分布式望远镜设备远程控制和观测系统，其特征在于，所述服务组件至少包括：用于观测计划安排的组件、用于观测计划执行的组件、用于日志服务的组件、用于紧急情况通知的组件、以及用于远程用户接口的组件；每一组件为一个独立进程，负责单一设备控制，运行于相同或者不同的计算机上。
5.根据权利要求1所述的一种分布式望远镜设备远程控制和观测系统，其特征在于，
一个组件在运行时会不断发送广播消息，当另一个组件刚启动时，两个组件通过互相的广播消息发现对方，之后会进一步发送自身的网络地址和组件信息，两个组件之间会根据接收的网络地址互相建立连接，并交换属性信息、命令信息与状态信息；
消息发送使用一对一通信方式，或者广播消息的方式；如果选择广播消息的方式，则组件选择加入一个或多个组，不同的组用于广播不同类型的消息；同时，所有组件都加入了同一个组，用于相关组件广播状态切换消息。
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