基于物联网技术的新型数据采集与监控系统

基于物联网技术的新型数据采集与监控系统基于物联网技术的新型数据采集与监控系统 广州杰赛科技股份有限公司 傅仁轩 肖连风 摘要 摘要 根据物联网的三种应用架构 结合数据采集与监控系统的体系结构 设计了一种新型数据采集与监 控系统方案 该系统将有线通信与无线通信 无线传感网络短距离通信与 GPRS CDMA 3G 远距离通信有机 地结合起来 提出了监控中心应用软件网络功能的需求 提出了远程数据采集终端现场传感器与终端之间 无线组网的方式 该系统与传统的实现方案相比 该方案的通信组网有明显的优势 关键词 物联网 数据采集与监控 无线传感器网络 通信组网 1 1 引言引言 物联网 The Internet of things 即通过射频识别 RFID 传感器 全球定位系统 激光扫描器等信息传感设备 按约定的协议 把任何物品与互联网连接起来 进行信息交 换和通讯 以实现智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络 通俗地说就是可实 现 感知世界 的网络 数据采集与监控系统即 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition 系统是 以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统 它可以对现场的运行设备进行监视和 控制 以实现数据采集 设备控制 测量 参数调节以及各类信号报警等各项功能 也就 是实现在具体应用领域的 感知 因此可以说物联网技术对自动化工程师而言并不是一个陌生的概念 因为 无论工厂 的现场设备 还是电网 自来水管网 燃气管道 铁路 桥梁 隧道 水文水利系统 甚 至我们的飞船 卫星运行监测 无不是通过将物物相联的这个 物联 网络来实现的 只 不过我们传统上将这些专业领域的 物联 应用称之为 SCADA 系统 当然从定义上来看 物联网是一个更广泛意义上的 感知 网络 通过物联网我们可将 感知 扩展到每台设 备 每件商品 甚至每个人 实现对静态物的监控与管理 对动态物的定位与跟踪 对商 品的识别 以真正达到 感知中国 智慧地球 的目标 因此 严格意义上说物联网 既是 SCADA 这一传统 感知 技术在概念与应用的延伸 又是对 SCADA 技术发展的一个质 的提升 随着网络与通信技术的发展 物联网技术必将促进 SCADA 系统的体系结构的变革与升 级 使 SCADA 系统的应用领域越来越广 除了在传统的供水 供气 环保 能源 轨道交 通 机场 铁路 电力 石油 石化等行业外 在大众的日常工作生活及其它各种领域中 也将得到广泛应用 最终使 SCADA 这一物联网的垂直具体应用系统 真正发展成为 感知 世界 的智慧网 2 2 物联网的三种应用架构物联网的三种应用架构 物联网把新一代 IT 技术充分运用在各行各业之中 把物理世界与信息世界相联结 物 联网应用有三种架构 1 基于 RFID 的物联网应用架构 电子标签可能是三类技术体系中最灵活的能够把 物 改变成为智能物件的 它的主要应用是把移动和非移动资产贴上标签 实现各种跟 踪和管理 2 基于传感网络的物联网应用架构 主要是指无线传感网络 WSN Wireless Sensor Networks WSN 由分布在自由空间里的一组 自治的 无线传感器组成 共同协作完成对 特定周边环境状况 包括温度 湿度 化学成分 压力 声音 位移 振动 污染颗粒等 的监控 WSN 中的一个节点 或叫 Mote 一般由一个无线收发器 一个微控制器和一个电 源组成 WSN 一般是自治重构 Ad Hoc 或 Self Configuring 网络 包括无线网状网 Mesh Networks 和移动自重构网 MANET 等 3 基于 M2M 的物联网应用架构 业界认同的 M2M 理念和技术架构覆盖的范围应该是最 广泛的 包含有线和无线两种通信方式 M2M 覆盖和拓展了工业信息化 两化融合 中传统的 SCADA 系统 3 3 新型新型 SCADASCADA 系统设计系统设计 3 1 传统 SCADA 系统 一般 SCADA 系统由监控中心 通讯网络和远程数据采集终端组成 监控中心即数据处 理和显示系统 也称上位机 HMI Human Machine Interface 人机界面系统由软件和 硬件组成 其中硬件主要包括服务器 管理员站和操作员站 软件采用专用的 SCADA 系统 软件 SCADA 系统通讯网络大体可以分为两类 有线和无线 远程数据采集终端 即各种 智能数据采集设备 也就是通常所说的下位机 如各种 RTU PLC 及各种智能控制设备等 SCADA 系统的网络拓扑结构如下图所示 SCADA 系统已经从最初的主机控制系统 分布式控制系统 发展到了今天的网络化的 控制系统 SCADA 也从专有协议的封闭系统演变为以以太网和 TCP IP 协议为主流的开放系 统 3 2 新型新型 SCADASCADA 系统设计系统设计 根据物联网的三种应用架构 结合 SCADA 系统的体系结构 在物联网发展的今天 SCADA 系统的结构 通信网络 现场数据采集终端都会发生新的变化 3 2 13 2 1 监控监控中心中心 由硬件设备和应用软件组成 监控中心硬件设备 在满足网络功能要求的前提下 采用云计算概念 主要功能在服务 器上完成 用云终端代替操作员站与管理员站的计算机 简化操作员站与管理员站的硬件 设备 提高系统的安全性 可靠性 便于系统功能与规模的扩充 监控中心应用系统软件监控中心应用系统软件 在满足一般使用要求的前提下 需要强大的网络功能 由传 统点到点的 SCADA 系统发展为端到端的互联网协议架构系统 支持 PDA 手机作为操作终端 SCADA 系统软件直接支持手机作为操作终端 这使得 SCADA 的使用范围从监控室扩大到任何手机网络可以到达的区域 远程组态和维护技术 SCADA 系统的组态采用 B S 结构 B S 结构即浏览器 服务器结 构的软件 提供很强的远程维护支持 大大降低项目实施和维护的成本 多种的权限管理 传统 SCADA 系统的操作员是限定在很少的几个人 现在 SCADA 系统 面向全企业不同层面 不同部门的人员提供服务的网站发展 这就要求 SCADA 软件具有多 种权限支持 视频与工业数据一体化 将视频与 SCADA 系统集成在一起的要求越来越普遍 3 2 23 2 2 通讯网络通讯网络 兼容多种通信模式 如将无线专网 GPRS CDMA 3G 光纤网及卫星网等等 通过物联 网通信技术 实现各种应用网络的互联互通 真正组成一个可连接各种感知终端的有机通 信网络平台 3 2 33 2 3 远程数据采集终端远程数据采集终端 根据需要选用 WSN WiFi 等无线组网方式 增加现场组网的灵活性 应具有很强的通讯能力 自带以太网接口 在监控现场根据不同的采集对象选择不同 的组网方式 对于数据采集利用 WSN 无线传感器网络采集比较分散的传感器 对于视频采 集利用 WiFi 无线组网 无论采用那种无线组网方式能减少布线 施工的工作量 WSN 无线 传感器网络具有以下优点 1 成本低 WSN 节点采用嵌入式处理器和存储器 就单个节点而言 硬件成本是较低的 WSN 采用开放的简化 ZigBee 协议栈 工作在 2 4GHz 免执照的 ISM 频段 2 对等网络多冗余 高可靠性 WSN 没有严格的控制中心 所有节点地位平等 是一个对等式网络 节点可以 随时加入或离开网络 任何节点的故障不会影响整个网络的运行 具有很强的抗毁 性 3 组网能力强 支持树状 星状 网状等多种组网方式 网络的布设和展开无需依赖于任何 预设的网络设施 节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为 节点开机后就 可以快速 自动地组成一个独立的网络 4 多跳 Multi hop 路由 WSN 节点通信能力有限 覆盖范围只有几十米到几百米 节点只能与它的邻居直接通 信 如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信 则需要通过中间节点进行路由 WSN 中的多跳路由是由普通网络节点完成的 利用利用 WSNWSN 组网的现场数据采集终端拓扑图如下图所示 组网的现场数据采集终端拓扑图如下图所示 4 4 系统功能系统功能 根据物联网技术的应用发展 SCADA 系统的主要功能 1 数据采集 采集远程端站的数据 2 报表功能 具有年 月 周 日报表及打印 3 GIS 功能 地图功能 4 具有多种通信方式 有线 无线 专网 公网等 5 数据处理 根据需要做数据分析 统计等 6 报警处理 报警信息的处理 7 信息预测分析 一些消耗量的预测分析 8 设备管理 端站设备的安装时间 位置 故障日期等信息 9 设备控制 监测 10 事件日志 11 图表分析 12 参数查看 查看实时数据和历史数据 用户可以查看所有端站每时每分采集 的各项数据 并具有查询此企业某时间点或时间段内的数据 13 组态功能 任意增加 删除某一终端的信息 任意增加 删除 AI DI PI 等 参数的信息 14 查询功能 以数据库为核心 提供数据处理 查询 备份等功能 5 5 结论结论 设备互联的物