遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案

摘要：該文研究遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，包括系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分以及數(shù)據(jù)如何存儲(chǔ)。之后，在給出系統(tǒng)信號(hào)處理流程圖的基礎(chǔ)上闡述硬件和軟件擬采用的設(shè)計(jì)方案。硬件設(shè)計(jì)部分包括電流監(jiān)測(cè)器（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)）、遠(yuǎn)程監(jiān)管終端和手持式采集設(shè)備；軟件設(shè)計(jì)部分包括數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)和監(jiān)管系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；GPRS；射頻

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)30-0731-02

Software and Hardware Design Project of Teledata Collection System

JIAN Lin-xiang

(Computer and Information College Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350002， China)

Abstract: This paper researches achieving method of teledata collection system，including data collection，data transmission and data memory of system.Then，it expounds design project planned to adopt in hardware and sofeware on the basis of giving flow chart of system signal disposal.Hardware design portion includes current monitor(network node)，long-distance monitoring terminal and handheld collection facility; software design portion includes data receiving system，data memory system and monitoring system.

Key words: teledata collection system; GPRS; radio

1 概述

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)有兩種類(lèi)型，一種是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)采集后直接送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；另一種是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控并存，一般采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將分布于各個(gè)設(shè)備的傳感器、監(jiān)控設(shè)備等連接起來(lái)，這樣就從分立單元階段進(jìn)入了集成單元階段，然后各個(gè)管理站點(diǎn)的服務(wù)器再用局域網(wǎng)連接起來(lái)，形成企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)(Intranet)[1]。其基本功能有：數(shù)據(jù)采集與處理、監(jiān)督功能、管理功能和控制功能。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控有以下一系列優(yōu)點(diǎn)：

1) 可以將企業(yè)內(nèi)部的信息網(wǎng)與控制網(wǎng)有效地連接起來(lái)，建立網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和網(wǎng)上知識(shí)資源庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)情況的隨時(shí)掌握，把生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)狀況同企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理策略緊密結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)的綜合自動(dòng)化。

2) 遠(yuǎn)程監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和快速集中，獲得現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.1 數(shù)據(jù)采集

電流信號(hào)的數(shù)據(jù)采集由監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)（一個(gè)電流檢測(cè)器成為一個(gè)電流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)）完成，電流監(jiān)測(cè)器連續(xù)安裝于輸電線路桿塔，能24小時(shí)全天候記錄保存桿塔在發(fā)生工頻接地短路時(shí)的接地電流值，當(dāng)輸電線路正常運(yùn)行時(shí)，桿塔上沒(méi)有任何電流，電流監(jiān)測(cè)器中的傳感器輸出信號(hào)為零或接近零。一旦發(fā)生故障，突發(fā)電流會(huì)經(jīng)桿塔流向大地，電流監(jiān)測(cè)器中的傳感器會(huì)檢測(cè)到流過(guò)桿塔的突發(fā)電流，并以無(wú)線接力通訊方式(射頻組網(wǎng)通信)在各桿塔之間傳輸故障電流信息和其它信息至遠(yuǎn)程監(jiān)管終端。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸?shù)目蛇x方案比較多，總的來(lái)說(shuō)有集中式傳輸和分布式傳輸兩種。對(duì)于不同的傳輸方案，其傳輸性能有較大的不同，下面將幾種傳輸方式做出對(duì)比分析，以為組網(wǎng)方案提出理論依據(jù)。

1.2.1 射頻+GPRS組網(wǎng)方案

電流監(jiān)測(cè)器內(nèi)置可編程的ID地址，遠(yuǎn)程監(jiān)管終端收集各電流監(jiān)測(cè)器的數(shù)據(jù)，通過(guò)識(shí)別ID地址，集中進(jìn)行處理，當(dāng)所有數(shù)據(jù)通過(guò)最后一跳傳到遠(yuǎn)程監(jiān)管終端后，遠(yuǎn)程監(jiān)管終端以GPRS方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩綦娔X的監(jiān)管軟件界面上。該解決方案在功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，可以節(jié)約運(yùn)維成本，具體來(lái)說(shuō)，只在遠(yuǎn)程監(jiān)管終端部分采用GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2]，而在塔桿與塔桿、塔桿與遠(yuǎn)程監(jiān)管終端、塔桿與手持機(jī)等3個(gè)數(shù)據(jù)傳輸接口處均采用免費(fèi)的ISM頻段射頻組網(wǎng)傳輸方案。

1.2.2 GPRS組網(wǎng)方案

該方案的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)是每個(gè)桿塔都有一個(gè)GPRS模塊，可直接傳輸數(shù)據(jù)給用戶界面，這是較常見(jiàn)的一種模式[3]。該方案中各塔桿數(shù)據(jù)可直達(dá)用戶界面，各個(gè)塔桿的數(shù)據(jù)是單獨(dú)發(fā)送，其運(yùn)維成本相對(duì)于集中式傳輸方式偏高；并且用戶端由于某一時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)同時(shí)上報(bào)情況，當(dāng)線路塔桿數(shù)增多時(shí)，網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送性能會(huì)降低。

1.2.3 短信組網(wǎng)方案

該方案的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)是每個(gè)桿塔都以SMS(短消息)的形式將傳輸數(shù)據(jù)給用戶界面。該解決方案同樣也存在分布式GPRS傳輸方案的問(wèn)題（運(yùn)維成本過(guò)高、數(shù)據(jù)頻發(fā)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁塞），因?yàn)榻邮盏降臄?shù)據(jù)需要以短信的形式發(fā)送出去，并且每收到一個(gè)信號(hào)就要用一條短信，對(duì)話音不作要求，所以消息的接收方需要增加短信貓?jiān)O(shè)備用于接收由塔桿發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。短信貓嵌入至各桿塔采集節(jié)點(diǎn)中，實(shí)現(xiàn)按預(yù)定程序發(fā)送短信的功能。

1.2.4 各種方案比較

可以看出，不同的組網(wǎng)方案其側(cè)重點(diǎn)各有不同，應(yīng)在綜合考慮用戶需求和使用環(huán)境的基礎(chǔ)上進(jìn)行方案選擇，現(xiàn)將以上所提到的幾種方案的性能簡(jiǎn)要列于表1。

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

電流監(jiān)測(cè)器采集的數(shù)據(jù)和監(jiān)管終端產(chǎn)生的與告警相關(guān)的數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行存儲(chǔ)，系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程監(jiān)管終端的本地存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)兩種方式。遠(yuǎn)程監(jiān)管終端存儲(chǔ)器容量為16M，保證存儲(chǔ)2年以上的數(shù)據(jù)。前端信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)按預(yù)定程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行采集，并存儲(chǔ)起來(lái)，遠(yuǎn)端服務(wù)器定時(shí)對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀操作，將數(shù)據(jù)保存到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到故障信號(hào)時(shí)，此故障信號(hào)經(jīng)本地處理，將告警信息自動(dòng)上報(bào)給用戶監(jiān)管中心用于告知檢測(cè)人員，另外，此告警信號(hào)存入數(shù)據(jù)庫(kù)作為故障信號(hào)備份。

監(jiān)管中心通過(guò)GPRS和INTERNET網(wǎng)絡(luò)接受來(lái)自監(jiān)管終端的數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)的類(lèi)型先將接收到的數(shù)據(jù)以文件方式分類(lèi)保存，然后將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)文件并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)監(jiān)管中心對(duì)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)[4]。

監(jiān)管中心數(shù)據(jù)的傳輸對(duì)象主要是遠(yuǎn)程監(jiān)管終端，傳送的數(shù)據(jù)有：遠(yuǎn)程監(jiān)管終端基本信息和參數(shù)；電流監(jiān)測(cè)器基本信息；遠(yuǎn)程監(jiān)管終端查詢(xún)數(shù)據(jù)（如授權(quán)密碼等）；監(jiān)管中心控制指

令；遠(yuǎn)程監(jiān)管終端運(yùn)行程序文件（或程序升級(jí)文件）。監(jiān)管中心通過(guò)助連器向指定的一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)管終端同時(shí)發(fā)送指令請(qǐng)求連接，然后將要傳送的數(shù)據(jù)通過(guò)INTERNET和GPRS網(wǎng)絡(luò)同時(shí)發(fā)給指定的遠(yuǎn)程監(jiān)管終端。監(jiān)管終端和監(jiān)管中心之間可進(jìn)行雙向通信，這樣便可以在監(jiān)管中心對(duì)監(jiān)管終端進(jìn)行控制和軟件升級(jí)維護(hù)[5]。

2 信號(hào)處理流程

電流監(jiān)測(cè)器模塊探測(cè)到信號(hào)隨即送入MCU微處理器單元，經(jīng)信號(hào)識(shí)別，判斷是否應(yīng)該進(jìn)行處理，如是故障信號(hào)則將此信號(hào)送至射頻模塊發(fā)送出去。當(dāng)有手持設(shè)備發(fā)送抄收指令時(shí)該信號(hào)被手持設(shè)備接收。經(jīng)過(guò)逐跳傳輸后故障信號(hào)送到區(qū)域匯聚節(jié)點(diǎn)，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)管終端發(fā)送至監(jiān)管中心。

3 硬件設(shè)計(jì)方案

輸電線路桿塔突發(fā)電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要由電流監(jiān)測(cè)器、遠(yuǎn)程監(jiān)管終端、手持機(jī)等組成。

3.1 電流監(jiān)測(cè)器

電流監(jiān)測(cè)器是指將桿塔出現(xiàn)的突發(fā)電流，通過(guò)電流傳感器，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，然后MCU將它處理后通過(guò)無(wú)線射頻模塊傳輸給數(shù)據(jù)監(jiān)管終端或者手持機(jī)的電流監(jiān)測(cè)設(shè)備。電流檢測(cè)器之間可以相互通信。圖1所示的是單個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能框圖，包括電流傳感器模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、MCU處理模塊、串行接口模塊和射頻發(fā)射模塊。當(dāng)有突發(fā)電流被電流傳感器檢測(cè)到后送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)便可由微處理器來(lái)進(jìn)行處理，將需要傳送信號(hào)送往射頻模塊。

電流監(jiān)測(cè)器內(nèi)置可編程的ID地址，可用手持機(jī)設(shè)置故障電流監(jiān)測(cè)器的ID地址。電流監(jiān)測(cè)器設(shè)有電流傳感器，在自身檢查到有突發(fā)故障電流后，將以無(wú)線接力通訊方式傳到通訊管理機(jī)，如果某一個(gè)電流監(jiān)測(cè)器出現(xiàn)通訊故障，支持跨塔數(shù)據(jù)傳遞。

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)管終端

遠(yuǎn)程監(jiān)管終端是指收集各電流監(jiān)測(cè)器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理儲(chǔ)存，同時(shí)能與數(shù)據(jù)監(jiān)管中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的設(shè)備。遠(yuǎn)程監(jiān)管終端系統(tǒng)中，嵌入式控制模塊是整個(gè)終端的控制核心，負(fù)責(zé)調(diào)度各通信模塊間信息通信，嵌入式系統(tǒng)的輸入設(shè)備有4×4鍵盤(pán)，輸出是128×64液晶顯示屏；固態(tài)存儲(chǔ)器選用16M的DOC（片上存儲(chǔ)器）電子盤(pán)，存儲(chǔ)相關(guān)信息；通信模塊包括以太網(wǎng)通信、GSM射頻通信、RS232串口通信。

遠(yuǎn)程監(jiān)管終端由市電作為主電源，蓄電池作為備用電源。市電工作時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)蓄電池充電；當(dāng)市電停電后，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)備用電源。

3.3 手持機(jī)

手持機(jī)主要負(fù)責(zé)采集電流監(jiān)測(cè)器傳輸過(guò)來(lái)的監(jiān)測(cè)突發(fā)電流的數(shù)據(jù)，它通過(guò)無(wú)線通訊的方式與監(jiān)測(cè)器組成的系統(tǒng)相連，并通過(guò)RS－232接口與遠(yuǎn)程監(jiān)管終端進(jìn)行通信，也可直接與遠(yuǎn)程監(jiān)管中心通信。通過(guò)查詢(xún)電流監(jiān)測(cè)器當(dāng)前的工作狀況（故障電流、線路參數(shù)等），來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障桿塔的準(zhǔn)確定位，還可以接收、存儲(chǔ)所管理線路的通信參數(shù)信息作為電流監(jiān)測(cè)器ID地址等參數(shù)設(shè)置的數(shù)據(jù)源。最多可存儲(chǔ)8條線路的數(shù)據(jù)。

4 軟件設(shè)計(jì)方案

目前使用和發(fā)展的信息管理系統(tǒng)平臺(tái)模式大體上分為兩種：客戶機(jī)/服務(wù)器模式（簡(jiǎn)稱(chēng)C/S）和Web瀏覽器/服務(wù)器模式（簡(jiǎn)稱(chēng)B/S）[6]。

B/S模式是一種以Web技術(shù)為基礎(chǔ)的信息管理系統(tǒng)平臺(tái)模式，它把C/S模式中的服務(wù)器部分分解為一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器與一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用服務(wù)器（Web服務(wù)器），從而構(gòu)成一個(gè)三層結(jié)構(gòu)的客戶服務(wù)器體系，它簡(jiǎn)化了客戶端系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)。相對(duì)于C/S，B/S的維護(hù)和操作具有更大的靈活性。

C/S模式主要由客戶應(yīng)用程序、服務(wù)器管理程序和中間件三個(gè)部分組成。具有處理數(shù)據(jù)量大、交互性強(qiáng)和存取安全等特點(diǎn)。

結(jié)合以上C/S與B/S各自的特點(diǎn)，輸電線路桿塔突發(fā)電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)管軟件總體上采用C/S與B/S交叉并用的體系結(jié)構(gòu)。

在監(jiān)控中心局域網(wǎng)覆蓋的范圍內(nèi)，提供給廣大用戶的信息查詢(xún)服務(wù)系統(tǒng)采用B/S模式，用戶只需要瀏覽器軟件，就可訪問(wèn)信息查詢(xún)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)站。面向少數(shù)技術(shù)人員的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)察管理系統(tǒng)等采用C/S模式，以方便于復(fù)雜的應(yīng)用和計(jì)算。

4.1 數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)

數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收遠(yuǎn)程采集的電流監(jiān)測(cè)器的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以對(duì)系統(tǒng)配置（如系統(tǒng)時(shí)間、傳輸模式等）和現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)（如數(shù)據(jù)發(fā)送條件、告警參數(shù)等）進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于接收的各種數(shù)據(jù)，首先將其顯示于監(jiān)控計(jì)算機(jī)上，同時(shí)把數(shù)據(jù)保存在本地文件中，同時(shí)也可將數(shù)據(jù)文件提供給其它應(yīng)用系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)功能如表2所示。

4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)主要是對(duì)數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織，提取合理數(shù)據(jù)并自動(dòng)轉(zhuǎn)存到原始信息數(shù)據(jù)庫(kù)中。提取轉(zhuǎn)存過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)不合理數(shù)據(jù)，能通過(guò)明顯的告警信息（語(yǔ)音、文字等）提醒管理人員進(jìn)行校核。原始數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)可供其它應(yīng)用系統(tǒng)查詢(xún)和調(diào)用。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)功能如表3所示。

4.3 監(jiān)察管理系統(tǒng)

監(jiān)察管理系統(tǒng)主要功能包括設(shè)備管理功能、單位管理功能、運(yùn)行狀態(tài)查詢(xún)功能。其中設(shè)備管理功能完成電流監(jiān)測(cè)器基本信息的登記、變更、注銷(xiāo)、查詢(xún)等管理；單位管理功能管理各單位；運(yùn)行狀態(tài)查詢(xún)功能完成報(bào)警信息的查詢(xún)，以及對(duì)各電流監(jiān)測(cè)器的當(dāng)前狀態(tài)和歷史狀態(tài)的查詢(xún)。

5 結(jié)束語(yǔ)

給出了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體框圖，在此基礎(chǔ)上簡(jiǎn)要描述了數(shù)據(jù)采集部分、傳輸部分、存儲(chǔ)部分、電源管理等基本功能。在介紹了整體框圖的基礎(chǔ)上，討論了系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)方案及各部分的工作流程及相互間的關(guān)系。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要難點(diǎn)如下：

1) 射頻傳輸?shù)慕M網(wǎng)和管理，射頻傳輸是整個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵的一部分，由于高壓線路一般都比較長(zhǎng)，桿塔的數(shù)量則相應(yīng)較多，每個(gè)桿塔上的數(shù)據(jù)是逐跳傳輸，就存在組網(wǎng)和管理的問(wèn)題。

2) 設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的GPRS傳輸，要搭建一個(gè)GPRS傳輸平臺(tái)，能主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)和接受監(jiān)管中心的主動(dòng)查詢(xún)。

3) IPSP技術(shù)，解決無(wú)公網(wǎng)IP狀況下端到端通信自主開(kāi)發(fā)的通用網(wǎng)絡(luò)交換平臺(tái)。

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