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

　　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)。

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　　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。