基于智慧燃?xì)獍踩O(jiān)控云平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

伍孝雄 孔令聰

【摘 要】“綠水青山就是金山銀山”。隨著中國將生態(tài)文明建設(shè)與綠色發(fā)展作為“十三五”時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要理念，中國社會(huì)已經(jīng)越來越注重清潔能源的使用，天然氣作為一種清潔能源已經(jīng)越來越廣泛地被城市與鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民使用，但是天然氣是一種有毒、易燃易爆的氣體，國內(nèi)的燃?xì)馄髽I(yè)也注意到相關(guān)事件的危害，對(duì)此，各燃?xì)馄髽I(yè)與設(shè)備廠家也相應(yīng)地研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的可燃?xì)怏w泄露報(bào)警平臺(tái)。但是各廠家與平臺(tái)協(xié)議互不兼容，而使用廠家的燃?xì)馄脚_(tái)又不便于統(tǒng)一管理，因此燃?xì)馄髽I(yè)需要建立起自己的預(yù)警平臺(tái)，方便統(tǒng)一管理。文章針對(duì)各廠家平臺(tái)協(xié)議互不兼容的現(xiàn)象，制定平臺(tái)使用通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)論述燃?xì)馄髽I(yè)選用通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，解決智慧平臺(tái)通信并發(fā)、通信驅(qū)動(dòng)開發(fā)、通信數(shù)據(jù)與平臺(tái)數(shù)據(jù)庫對(duì)接等問題。

【關(guān)鍵詞】智慧燃?xì)獍踩O(jiān)控云平臺(tái);通信驅(qū)動(dòng)模塊;天燃?xì)?設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】TP273;TP309【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）05-0038-02

0 引言

隨著智慧城市建設(shè)的不斷深入，以及“互聯(lián)網(wǎng)+云平臺(tái)”的飛速發(fā)展，將居民燃?xì)庑孤稊?shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)采集到云平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、燃?xì)庑孤段ｋU(xiǎn)預(yù)警、泄露點(diǎn)定位、泄露點(diǎn)維護(hù)等各項(xiàng)工作，讓天然氣用戶安全使用燃?xì)?，防范人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，建設(shè)美麗和諧社會(huì)。

1 云平臺(tái)通信驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

智慧燃?xì)庠破脚_(tái)通信驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，民用探測(cè)器采集用戶端可燃?xì)怏w濃度，并通過集成的通信模塊和GSM、GPRS、3G、4G技術(shù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，云平臺(tái)基于COM等技術(shù)開發(fā)的通信驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，并通過DDE等技術(shù)開發(fā)與云平臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，最終通過云端平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、報(bào)警處理，并通過Web、手機(jī)App、短信等多種方式將濃度報(bào)警信息推送給用戶。

2 用戶采集層

用戶采集層主要是采集終端用戶燃?xì)庑孤肚闆r，由可燃?xì)怏w泄露探測(cè)器、切斷閥、報(bào)警器等設(shè)備組成，其中民用探測(cè)器中的氣敏傳感器探測(cè)周圍環(huán)境中的低濃度可燃?xì)怏w，通過電路將探測(cè)信息傳遞給控制器，濃度超標(biāo)時(shí)，控制器執(zhí)行報(bào)警信號(hào)或關(guān)閥操作，與此同時(shí)，將燃?xì)鉂舛刃孤稊?shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)桨踩O(jiān)控云平臺(tái)。但是，由于各設(shè)備廠家通信協(xié)議互不兼容，因此最關(guān)鍵的是民用探測(cè)器通信驅(qū)動(dòng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的確定，以方便統(tǒng)一開發(fā)通信驅(qū)動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及降低云平臺(tái)通信模塊的開發(fā)難度與費(fèi)用。

根據(jù)我國的工業(yè)總線實(shí)際應(yīng)用情況，選用MODBUS通訊協(xié)議作為云平臺(tái)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，MODBUS是一種串行通信協(xié)議，于1979年為使用PLC可編程控制器而研發(fā)，MODBUS通信協(xié)議已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信總線協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，MODBUS的廣泛應(yīng)用，使市場(chǎng)上大多的燃?xì)庠O(shè)備廠家都具有此項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)能力，并且有相關(guān)產(chǎn)品支持MODBUS協(xié)議，燃?xì)庠O(shè)備廠家只需根據(jù)平臺(tái)的要求做簡單的報(bào)文表頭協(xié)議處理，就可以設(shè)計(jì)生產(chǎn)出符合平臺(tái)通信標(biāo)準(zhǔn)的帶遠(yuǎn)傳功能的可燃?xì)怏w泄露探測(cè)器。

3 云平臺(tái)通信驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

云平臺(tái)的通信驅(qū)動(dòng)是整個(gè)云平臺(tái)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與用戶端民用可燃?xì)怏w探測(cè)器的數(shù)據(jù)交換及指令下發(fā)，要便于日后系統(tǒng)維護(hù)人員擴(kuò)展用戶接入，不需要專門的開發(fā)人員進(jìn)行接入，只需要對(duì)系統(tǒng)維護(hù)人員進(jìn)行簡單的培訓(xùn)，就可以完成通信接入，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

3.1 通信驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)要求

3.1.1 通用及可復(fù)用性

通信驅(qū)動(dòng)模塊組件需采用組件模型對(duì)象（COM）技術(shù)研發(fā)，組件對(duì)象模型是由微軟公司創(chuàng)建的一種二進(jìn)制和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，遵循這一標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的組件之間可以跨進(jìn)程、跟機(jī)器、跨語言甚至跨操作平臺(tái)進(jìn)行通信，組件的優(yōu)點(diǎn)在于可重用性好，具有標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用接口，“施耐德”為合作伙伴提供了現(xiàn)有的Modbus程序，可以將此程序用COM技術(shù)建成組件對(duì)象，將封裝有驅(qū)動(dòng)程序COM組件對(duì)象作為COM服務(wù)器，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)采集功能模塊作為COM的客戶端，利用COM標(biāo)準(zhǔn)的COM機(jī)制和可連接對(duì)象機(jī)制，通過COM客戶對(duì)服務(wù)器的相互調(diào)用完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和寫入，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的監(jiān)控。

3.1.2 可視化操作

通信模塊需實(shí)現(xiàn)可視化配置與操作，便于系統(tǒng)維護(hù)人員編程與開發(fā)，通過可視化配置就可以實(shí)現(xiàn)民用泄露探測(cè)器的數(shù)據(jù)接入，其可視化配置界面可以參考SCADA組態(tài)軟件的I/O驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1.3 可擴(kuò)展性

通信模塊需要有良好的擴(kuò)展性，支持通過標(biāo)準(zhǔn)接口（如DLL、DDE等）進(jìn)行對(duì)其他通信協(xié)議的擴(kuò)展開發(fā)，擴(kuò)大以后平臺(tái)的使用范圍。

3.1.4 多線程技術(shù)

通信模塊需要支持多線程技術(shù)，可以同步完成對(duì)多個(gè)民用探測(cè)器的數(shù)據(jù)采集，提高資源使用效率。

3.1.5 并發(fā)性要求

通信模塊設(shè)計(jì)需充分考慮民用泄露探測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)產(chǎn)生的大量線程并發(fā)導(dǎo)致平臺(tái)通信模塊崩潰的情況，因此通信模塊設(shè)計(jì)時(shí)需支持同步與異步等多種通信模式，并且可以對(duì)每個(gè)區(qū)域的民用泄露探測(cè)器的數(shù)據(jù)采集時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，從而錯(cuò)開采集時(shí)間，減少并發(fā)。

3.2 通信驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

考慮驅(qū)動(dòng)程序的可擴(kuò)展性及可復(fù)用性，驅(qū)動(dòng)程序基于組件模型對(duì)象的動(dòng)態(tài)連接庫（DLL）形式封裝，分為3個(gè)小模塊：設(shè)備配置，驅(qū)動(dòng)管理和數(shù)據(jù)I/O。系統(tǒng)維護(hù)管理員通過設(shè)備配置模塊創(chuàng)建設(shè)備，配置設(shè)備驅(qū)動(dòng)參數(shù)、設(shè)備通信參數(shù)及配置采集點(diǎn);驅(qū)動(dòng)管理模塊是核心模塊，其運(yùn)行主線程負(fù)責(zé)各類設(shè)備對(duì)應(yīng)的采集線程管理和從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫發(fā)來的采集控制命令的任務(wù)調(diào)度;數(shù)據(jù)I/O模塊是對(duì)具體設(shè)備的采集，通過設(shè)備的具體設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.2.1 設(shè)備配置模塊設(shè)計(jì)

該模塊主要是界面配置，為用戶提供要定義配置的輸入界面。用戶分別對(duì)設(shè)備信息、通信方式和采集點(diǎn)3個(gè)部分內(nèi)容進(jìn)行定義。生成設(shè)備配置主要涉及3個(gè)對(duì)話框：CDevAddDlg（構(gòu)建添加設(shè)備設(shè)置對(duì)話框），CComsetDlg（構(gòu)建設(shè)備通信參數(shù)的設(shè)置對(duì)話框），CTagConDlg（構(gòu)建采集點(diǎn)組態(tài)參數(shù)對(duì)話框）。通過這幾個(gè)類的定義與實(shí)現(xiàn)，并將相應(yīng)參數(shù)以鏈表的形式保存在驅(qū)動(dòng)管理模塊建立的類中，便于后臺(tái)程序的運(yùn)行。

3.2.2 驅(qū)動(dòng)管理模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)管理模塊是整個(gè)云平臺(tái)通信驅(qū)動(dòng)開發(fā)的核心，管理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，包括加載、卸載、配置驅(qū)動(dòng)，提供其他客戶程序訪問用戶民用燃?xì)庑孤短筋^接口及與其他模塊的交互。該模塊主要定義了以下幾個(gè)類：CDriverMgr，CDevice，CTag，CDriver，CComm，CThread，CCommandBuf。驅(qū)動(dòng)管理類CDriverMgr 是該模塊的核心。根據(jù)各種設(shè)備通信方式的多樣性，在設(shè)備驅(qū)動(dòng)運(yùn)行中采用多線程技術(shù)處理不同類型設(shè)備。每一類設(shè)備對(duì)應(yīng)于一個(gè)驅(qū)動(dòng)，也對(duì)應(yīng)于運(yùn)行系統(tǒng)的一個(gè)線程，利用驅(qū)動(dòng)管理類管理各驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的采集線程。

3.2.3 數(shù)據(jù)I/O模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)I/O模塊是提供給驅(qū)動(dòng)管理模塊關(guān)于底層設(shè)備通信的信息，并負(fù)責(zé)設(shè)備的底層操作。針對(duì)不同類型的設(shè)備，分別采用動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式導(dǎo)出操作函數(shù)，便于驅(qū)動(dòng)管理模塊的調(diào)用。該模塊是以“施耐德”提供的MODBUS底層通信協(xié)議編寫的DLL（以后也需支持其他設(shè)備與廠家提供的DLL）。

4 結(jié)論

本文主要討論智慧燃?xì)獍踩O(jiān)控云平臺(tái)通信驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)，確定了云平臺(tái)通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)通信驅(qū)動(dòng)模塊明確了技術(shù)要求及設(shè)計(jì)通信驅(qū)動(dòng)模塊的架構(gòu)，為通信模塊的具體開發(fā)提出了性能與功能指標(biāo)。本文的創(chuàng)新點(diǎn)是在智慧燃?xì)獍踩O(jiān)控云平臺(tái)環(huán)境中建立設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)模塊，為實(shí)現(xiàn)民用燃?xì)庑孤短筋^數(shù)據(jù)與云平臺(tái)數(shù)據(jù)交換確定了技術(shù)方法與研發(fā)方向。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]文本穎，談順濤，袁榮湘，等.基于COM技術(shù)的SC-ADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004（7）.

[2]李艷，方康玲，方紅萍.嵌入式組態(tài)軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)[EB/OL].http：//www.paper.edu.cn/releas-epaper/content/200806-184，2008-06-10.

[3]李賀斌.監(jiān)控組態(tài)軟件中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].燕山：燕山大學(xué)，2006.