物聯(lián)傳媒 旗下網(wǎng)站
登錄 注冊
RFID世界網(wǎng) >  技術文章  >  物流  >  正文

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的新型數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)設計

作者:廣州杰賽科技股份有限公司 傅仁軒 肖連風
來源:RFID世界網(wǎng)
日期:2011-09-23 11:43:44
摘要:文章根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三種應用架構(gòu)并結(jié)合數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),設計了一種新型數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)方案,該系統(tǒng)將有線通信與無線通信、無線傳感網(wǎng)絡短距離通信與GPRS/CDMA/3G遠距離通信有機地結(jié)合起來,提出了監(jiān)控中心應用軟件網(wǎng)絡功能的需求、遠程數(shù)據(jù)采集終端現(xiàn)場傳感器與終端之間無線組網(wǎng)的方式。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的實現(xiàn)方案相比,該方案的通信組網(wǎng)有明顯的優(yōu)勢。

  1 引言

  物聯(lián)網(wǎng)(TheInternetofthings),即通過射頻識別(RFID)、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備,按約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,進行信息交換和通訊,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡,通俗的說就是可實現(xiàn)“感知世界”的網(wǎng)絡。

  數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)即SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系統(tǒng),是以計算機為基礎的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能,也就是實現(xiàn)在具體應用領域的“感知”。

  物聯(lián)網(wǎng)技術對自動化工程師而言并不是一個陌生的概念。因為,無論工廠的現(xiàn)場設備,還是電網(wǎng)、自來水管網(wǎng)、燃氣管道、鐵路、橋梁、隧道、水文水利系統(tǒng),甚至我們的飛船、衛(wèi)星運行監(jiān)測,無不是通過將物物相聯(lián)的這個“物聯(lián)”網(wǎng)絡來實現(xiàn)的,只不過我們傳統(tǒng)上將這些專業(yè)領域的“物聯(lián)”應用稱之為SCADA系統(tǒng)。當然從定義上來看,物聯(lián)網(wǎng)是一個更廣泛意義上的“感知”網(wǎng)絡,通過物聯(lián)網(wǎng)我們可將“感知”擴展到每臺設備、每件商品,甚至每個人,實現(xiàn)對靜態(tài)物的監(jiān)控與管理、對動態(tài)物的定位與跟蹤、對商品的識別,以真正達到“感知中國”、“智慧地球”的目標。因此,從嚴格意義上說物聯(lián)網(wǎng)既是SCADA這一傳統(tǒng)“感知”技術在概念與應用的延伸,又是對SCADA技術發(fā)展的一個質(zhì)的提升。

  隨著網(wǎng)絡與通信技術的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術必將促進SCADA系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的變革與升級,使SCADA系統(tǒng)的應用領域越來越廣,除了在傳統(tǒng)的供水、供氣、環(huán)保、能源、軌道交通、機場、鐵路、電力、石油、石化等行業(yè)外,在大眾的日常工作生活及其它各種領域中也將得到廣泛應用,最終使SCADA這一物聯(lián)網(wǎng)的垂直具體應用系統(tǒng)真正發(fā)展成為“感知世界”的智慧網(wǎng)。

  2 物聯(lián)網(wǎng)的三種應用架構(gòu)

  物聯(lián)網(wǎng)把新一代IT技術充分運用于各行各業(yè)中,使物理世界與信息世界相聯(lián)結(jié)。物聯(lián)網(wǎng)應用有三種架構(gòu):

 ?。?)基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)應用架構(gòu)電子標簽可能是三類技術體系中能夠最靈活地把“物”改變成為智能物件的,其主要應用是把移動和非移動資產(chǎn)貼上標簽,實現(xiàn)各種跟蹤和管理。
 ?。?)基于傳感網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)應用架構(gòu)主要是指無線傳感網(wǎng)絡(WSN,WirelessSensorNetworks),WSN由分布在自由空間里的一組“自治的”無線傳感器組成,共同協(xié)作完成對特定周邊環(huán)境狀況,包括溫度、濕度、化學成分、壓力、聲音、位移、振動、污染顆粒等的監(jiān)控。WSN中的一個節(jié)點(或叫Mote)一般由一個無線收發(fā)器、一個微控制器和一個電源組成。WSN一般是自治重構(gòu)(Ad-Hoc或Self-Configuring)網(wǎng)絡,包括無線網(wǎng)狀網(wǎng)(MeshNetworks)和移動自重構(gòu)網(wǎng)(MANET)等。
 ?。?)基于M2M的物聯(lián)網(wǎng)應用架構(gòu)業(yè)界認同的M2M理念和技術架構(gòu)覆蓋的范圍應該是最廣泛的,包含有線和無線兩種通信方式。

  M2M覆蓋和拓展了工業(yè)信息化(兩化融合)中傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)。

  3 新型SCADA系統(tǒng)設計

  3.1 傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)

  一般SCADA系統(tǒng)由監(jiān)控中心、通訊網(wǎng)絡和遠程數(shù)據(jù)采集終端組成。監(jiān)控中心即數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng),也稱上位機HMI(HumanMachineInterface)——人機界面系統(tǒng)由軟件和硬件組成,其中硬件主要包括服務器、管理員站和操作員站,軟件采用專用的SCADA系統(tǒng)軟件。SCADA系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡大體可以分為兩類:

  有線和無線。遠程數(shù)據(jù)采集終端,即各種智能數(shù)據(jù)采集設備,也就是通常所說的下位機,如各種RTU、PLC及各種智能控制設備等。SCADA系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示:


圖1 SCADA系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖

  SCADA系統(tǒng)已經(jīng)從最初的主機控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng),發(fā)展到了今天的網(wǎng)絡化的控制系統(tǒng)。SCADA也從專有協(xié)議的封閉系統(tǒng)演變?yōu)橐砸蕴W(wǎng)和TCP/IP協(xié)議為主流的開放系統(tǒng)。

{$page$}


  3.2 新型SCADA系統(tǒng)設計

  根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三種應用架構(gòu),結(jié)合SCADA系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的今天,SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、通信網(wǎng)絡、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端都會發(fā)生新的變化。

 ?。?)監(jiān)控中心

  監(jiān)控中心由硬件設備和應用軟件組成。

  硬件設備:在滿足網(wǎng)絡功能要求的前提下,采用云計算概念,主要功能在服務器上完成,用云終端代替操作員站與管理員站的計算機,簡化操作員站與管理員站的硬件設備,提高系統(tǒng)的安全性、可靠性,便于系統(tǒng)功能與規(guī)模的擴充。

  應用系統(tǒng)軟件:在滿足一般使用要求的前提下,需要強大的網(wǎng)絡功能,由傳統(tǒng)點到點的SCADA系統(tǒng)發(fā)展為端到端的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)系統(tǒng)。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的今天,應設計以下功能:
  ◆支持PDA、智能手機作為操作終端
  SCADA系統(tǒng)軟件直接支持智能手機作為操作終端。
  這使得SCADA的使用范圍從監(jiān)控室擴大到任何手機網(wǎng)絡可以到達的區(qū)域。
  ◆遠程組態(tài)和維護技術:SCADA系統(tǒng)的組態(tài)采用B/S結(jié)構(gòu),B/S結(jié)構(gòu)即瀏覽器/服務器結(jié)構(gòu)的軟件,可提供很強的遠程維護支持,大大降低項目實施和維護的成本。
  ◆多種的權(quán)限管理:傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)的操作員是限定在很少的幾個人,而現(xiàn)在SCADA系統(tǒng)是面向全企業(yè)不同層面、不同部門的人員提供服務的網(wǎng)站發(fā)展,這就要求SCADA軟件具有多種權(quán)限支持。
  ◆視頻與工業(yè)數(shù)據(jù)一體化:將現(xiàn)場視頻與SCADA調(diào)度系統(tǒng)集成在一起,突出了調(diào)度決策的現(xiàn)場感知效果。

  (2)通訊網(wǎng)絡

  兼容多種通信模式,如將無線專網(wǎng)、GPRS/CDMA/3G、光纖網(wǎng)及衛(wèi)星網(wǎng)等,通過物聯(lián)網(wǎng)通信技術,實現(xiàn)各種應用網(wǎng)絡的互聯(lián)互通,真正組成一個可連接各種感知終端的有機通信網(wǎng)絡平臺。

 ?。?)遠程數(shù)據(jù)采集終端

  根據(jù)需要選用WSN/Wi-Fi等無線組網(wǎng)方式,增加現(xiàn)場組網(wǎng)的靈活性。

  應具有很強的通訊能力,自帶以太網(wǎng)接口,在監(jiān)控現(xiàn)場根據(jù)不同的采集對象選擇不同的組網(wǎng)方式:對于數(shù)據(jù)采集,利用WSN無線傳感器網(wǎng)絡采集比較分散的傳感器;對于視頻采集,利用Wi-Fi無線組網(wǎng)。無論采用哪種無線組網(wǎng)方式均能減少布線、施工的工作量。

  WSN無線傳感器網(wǎng)絡具有以下優(yōu)點:

  ◆成本低:WSN節(jié)點采用嵌入式處理器和存儲器,就單個節(jié)點而言,硬件成本是較低的。WSN采用開放的簡化ZigBee協(xié)議棧,工作在2.4GHz免執(zhí)照的ISM頻段。
  ◆對等網(wǎng)絡多冗余、高可靠性:WSN沒有嚴格的控制中心,所有節(jié)點地位平等,是一個對等式網(wǎng)絡。節(jié)點可以隨時加入或離開網(wǎng)絡,任何節(jié)點的故障不會影響到整個網(wǎng)絡的運行,具有很強的抗毀性。
  ◆組網(wǎng)能力強:支持樹狀、星狀、網(wǎng)狀等多種組網(wǎng)方式,網(wǎng)絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網(wǎng)絡設施,節(jié)點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為,節(jié)點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡。
  ◆多跳(Multi-hop)路由:WSN節(jié)點通信能力有限,覆蓋范圍只有幾十米到幾百米,節(jié)點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信,則需要通過中間節(jié)點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡節(jié)點完成的。

  利用WSN組網(wǎng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端拓撲圖如圖2所示:


圖2 WSN組網(wǎng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端拓撲圖

  4系統(tǒng)功能

  根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術的應用發(fā)展,SCADA系統(tǒng)的主要功能為:

 ?。?)數(shù)據(jù)采集:采集遠程端站的數(shù)據(jù)。
  (2)報表功能:具有年、月、周、日報表及打印。
  (3)GIS功能:地圖功能。
 ?。?)具有多種通信方式:有線/無線,專網(wǎng)/公網(wǎng)等。
  (5)數(shù)據(jù)處理:根據(jù)需要做數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計等。
 ?。?)報警處理:報警信息的處理。
 ?。?)信息預測分析:一些消耗量的預測分析。
 ?。?)設備管理:端站設備的安裝時間、位置、故障日期等信息。
 ?。?)設備控制、監(jiān)測。
 ?。?0)事件日志。
 ?。?1)圖表分析。
 ?。?2)參數(shù)查看:查看實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),用戶可以查看所有端站每時每分采集的各項數(shù)據(jù),并具有查詢此企業(yè)某時間點或時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)。
 ?。?3)組態(tài)功能:任意增加、刪除某一終端的信息;任意增加、刪除AI、DI、PI等參數(shù)的信息。
 ?。?4)查詢功能:以數(shù)據(jù)庫為核心,提供數(shù)據(jù)處理、查詢、備份等功能。

  5結(jié)語

  設備互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng),將是自動化企業(yè)的又一巨大潛在市場。本文緊緊圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術應用架構(gòu),設計了新型的SCADA系統(tǒng),突出了由傳統(tǒng)點到點的SCADA系統(tǒng)發(fā)展為端到端的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)系統(tǒng)的特點。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端采用無線傳感器組網(wǎng)模式,體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢。隨著物聯(lián)網(wǎng)應用的推進,該系統(tǒng)在企業(yè)管理中將會發(fā)揮越來越重要的作用。