基于移動通信的微監控平臺設計

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(許昌許繼風電科技有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著IT技術和通信技術的發展，遠程監控系統也得到了飛躍式的發展。目前遠程監控已經滲透到各行各業，并且市場需求劇增。在此，所介紹的微監控平臺功能靈活、支持二次工程開發、便于部署。除了具備常規監控系統的功能外，在如下場景具有更高的優越性。

a.特別針對受限于基礎網絡建設而無法接入以太網的設備(如偏遠的、孤立的及其他特殊環境)，提供基于移動網絡接入的解決方案及技術手段。

b.精巧的原型及便捷的二次開發接口，使其部署的經濟成本和人工成本及技術要求遠低于大型的集控系統，尤其在試驗研究、分布式光伏監控[1]等環境應用廣泛。

1 微監控系統拓撲結構

首先通過微監控系統的拓撲結構對該系統有個感性的認知。微監控系統拓撲結構如圖1所示，可以看出，整個系統的數據流如下：

a.終端設備通過串口和DTU[2]設備通訊。

b.DTU設備通過移動網絡基于透傳[3]功能和具備靜態IP的網關進行連接。

c.網關上配置NAT把DTU連接請求映射到監控主機偵聽端口。

d.監控主機監聽預配置的端口，通過接收透傳的連接請求實現和終端設備建立通信信道。

e.通信信道建立后，監控主機通過DTU設備向終端設備發送指令、接收終端上送的報文、繼而進行數據解析、實時數據處理、實時數據監視、數據存儲、報表服務等一系列應用業務的處理。

圖1 微監控系統拓撲結構

2 系統程序模塊設計

程序架構設計如圖2所示。

圖2 程序架構

由圖2可以看出，該系統提供了基于計算機的操作人員應用接口；提供了基于計算機、平板電腦、移動終端的其他相關人員的應用接口。整個系統自下而上分為通訊鏈路、配置庫、內存庫、組態模塊、數據轉存、歷史庫、監控界面、Web服務器8大部分。

2.1 通信鏈路的方案及設計

介紹的通訊鏈路要實現終端設備和監控主機之間的通訊，傳統模式和4G透傳模式鏈路差異如圖3所示。

圖3 傳統模式和4G模式通信鏈路

由圖3可以看出，傳統模式的通訊鏈路一般采用協議轉換[4]模塊，實現串口通信和以太網通信的鏈路轉換，該模式下程序設計時監控后臺設計為以太網鏈路的主站(客戶端)，協議轉換模塊設計為以太網鏈路的從站(服務端)；協議轉換模塊設計為串行鏈路的主站(客戶端)，終端設備設計為串行鏈路的從站(服務端)。

4G透傳模式使用DTU模塊實現串口通信和4G網絡之間的鏈路轉換，該模式下程序設計時監控后臺設計為4G鏈路的從站(服務端)，監聽DTU模塊的連接請求，DTU模塊則設計為主站(客戶端)，向監控后臺發起連接；4G模塊設計為串行鏈路的主站(客戶端)，終端設備設計為從站(服務端)。

DTU模塊通過配置透傳參數，發起向目的IP的連接請求，監控后臺在鏈路設計的時候設計為socket監聽模式，在監聽到DTU模塊的連接請求后建立對應的連接對象，并基于該連接發送終端設備可識別的指令(數據召喚或者參數設置等)，DTU模塊會把指令報文原封不動的通過串口下達給終端設備，接收終端設備反饋的數據并傳遞給監控后臺，從而實現監控系統和終端設備的數據交互。

2.2 配置庫及內存庫程序設計

配置庫主要實現2大功能：應用配置和數據建模[5]配置，如圖4所示。

圖4 配置庫功能

應用配置主要用來配置應用程序運行所需要的信息，比如通訊參數相關信息(監聽端口等)、界面參數相關信息(標題、背景、風格、logo等)等。

數據建模配置主要用來根據被監控的終端設備的特性，建立終端設備的數據對象模型，實現現實世界到虛擬世界的映射，并根據此模型動態的初始化內存庫和歷史庫數據結構。數據建模配置主要在項目部署前有系統分析人員確定對象模型，然后根據對象模型進行數據模型構建并實施。本方案配置庫基于SQLite[6]數據庫開發，SQLite數據庫是輕量級數據庫，具有無需安裝和管理配置、沒有額外依賴、提供便捷的API開發接口、體積小響應速度快等優勢。配置庫的數據模型為內存庫的構建和數據庫服務器數據結構設計提供支撐。

內存庫是受控終端設備在內存的映像，用來結構化存儲終端設備的信息，作為監控界面和終端設備之間通訊的中轉站。同時內存庫為歷史庫數據儲備提供數據源。

如圖5所示，監控界面下達給終端設備的指令先進入內存庫對應的對象結構，然后再由內存庫映像對應下達給終端設備；同樣，終端設備上送的采樣數據也需要經過內存庫映像后傳遞到監控界面。另外歷史庫里面存儲的終端設備相關的歷史數據也通過內存庫獲取。

圖5 內存庫功能

2.3 組態模塊程序設計

組態是監控系統應該具備的一個重要功能，用來提供給工程人員進行監控界面的工程開發。通過組態，把內存庫的數據和監控界面對象元素關聯起來。監控界面的風格、要顯示的數據信息以及數據的展現方式基本都通過組態提供的二次開發功能實現。本方案基于“運行時設計”的理念，采用智能窗體結合數據源與界面分離的技術實現組態模塊的設計。為了更好地支撐二次開發，在設計中引入腳本解釋器[7]，提供簡單程序控制，以便更靈活地操控界面對象，實現組態功能。

2.4 數據轉存模塊設計

根據數據轉存模塊后臺工作的特性，為了安全，設計為無界面運行模式。

如圖6所示，數據轉存模塊從配置庫讀取存儲規則及存儲原型等信息，然后按照存儲規則從內存庫定期讀取特定的數據存入歷史庫。這里的存儲規則主要定義為特定數據存儲分辨率等情況。比如根據數據的特性和重要性，分為1 min到1天等不同的存儲分辨率。

圖6 數據轉存功能

為了實現長周期(十年甚至更多)存儲，數據轉存模塊設計了歷史數據梳理功能，可以根據配置策略對歷史數據記錄進行篩選，根據時間軸進行調整已經存儲的數據的存儲分辨率，比如1 min分辨率的數據一旦超過一年整理為5 min分辨率存儲；超過10年整理為60 min分辨率存儲。

2.5 數據庫服務器設計

數據庫服務器采用MySQL數據庫[8]。MySQL是一種關系型數據庫管理系統。關系數據庫將數據保存在不同的表中，而不是將所有數據放在一個大倉庫內，這樣就增加了速度并提高了靈活性。MySQL所使用的 SQL 語言是用于訪問數據庫的最常用標準化語言、加上體積小、速度快、總體擁有成本低，開放源碼、可移植等特點，故該數據庫作為本方案的首選數據庫。

數據庫結構的設計基于SQLite庫中的配置模型，數據來源于監控主程序的數據存儲模塊。數據庫服務器主要為基于Web的報表系統提供數據支撐。

2.6 監控界面設計

監控界面設計的目的都是為了提供應用操作的人機接口。

監控界面通過配置庫的特性配置，結合組態模塊二次開發構建。軟件技術上設計為客戶端模式，通過安裝進行部署，運行環境為桌面PC。它根據權限規則提供給站級操作人員使用，用來實時監視和控制終端設備，及時發現設備異常，保障設備的正常運行。

2.7 報表系統設計

報表系統設計的目的也是為了提供人機接口，它可以把數據信息以安全可靠格式化的方式，有針對性的呈現給各級管理者和運行人員。

報表系統的數據基于歷史庫提供的數據。系統程序設計采用微軟MVC[9]架構開發。MVC架構通過控制業務邏輯，把數據和界面顯示分離。這樣在改進和個性化定制界面及用戶交互改變的時候，不需要重新編寫業務邏輯。比如一旦確定數據集，就可以分別用柱狀圖、線狀圖、列表等各種方式顯示而不需要修改業務邏輯代碼，增強程序擴展性，提高系統維護效率。

為了便于報表的分發，方便各級人員查看，本方案報表系統設計為基于.Net的Web服務，采用Bootstrap[10]前端架構，流式響應布局，使其報表系統可以運行在計算機、平板電腦、手機等多種終端設備上，滿足隨時隨地辦公需求。

3 結束語

闡述了基于4G透傳的微監控平臺，整個開發過程經過嚴格的測試，包括單元測試、集成測試、系統測試和用戶測試，滿足安全穩定可靠要求。便捷的部署方式、低廉的運行成本，使其在多個戶用型新能源電站得到推廣，為設備的安全經濟運行提供保障。

[1] 鄭鵬. 分布式光伏發電智能遠程監控系統的設計與實現[D].青島：中國海洋大學,2015.

[2] 賈超. 基于3G DTU的外輻射源雷達數據傳輸方案設計與實現[D].西安：西安電子科技大學,2016.

[3] 于洪濤,吳迪,朱齊山,等. 一種基于無線透傳傳感網絡的分布式環境監測系統的設計[J]. 現代電子技術,2015,38(18):128-132.

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[5] 申曉留,張廣月. 配電GIS數據建模的應用和研究[J]. 電網技術,2006(增刊2):575-578.

[6] 唐敏,宋杰. 嵌入式數據庫SQLite的原理與應用[J]. 電腦知識與技術,2008(4):600-603.

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[10] 謝建華. 基于Bootstrap技術的企業網站設計與實現[J]. 計算機時代,2017(8):17-19.