曲國(guó)利， 吳 云， 徐改花， 陳 林

(1. 淄博市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，山東淄博 255000；2. 江蘇三希科技股份有限公司，江蘇南京 210002)

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嵌入式可編程單點(diǎn)多發(fā)智能型數(shù)據(jù)采集傳輸儀研究

曲國(guó)利1， 吳 云2*， 徐改花2， 陳 林2

(1. 淄博市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，山東淄博 255000；2. 江蘇三?？萍脊煞萦邢薰?，江蘇南京 210002)

摘要為了有效解決自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備通信規(guī)約不一致、數(shù)據(jù)采集傳輸、監(jiān)測(cè)設(shè)備反控受限等問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)了可編程單點(diǎn)多發(fā)智能型數(shù)據(jù)采集傳輸儀。從數(shù)據(jù)采集傳輸儀的硬件設(shè)計(jì)、軟件架構(gòu)及原理、主要功能和技術(shù)參數(shù)等方面進(jìn)行了深入闡述，提出了智能(自動(dòng))匹配多種環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備通訊協(xié)議、實(shí)現(xiàn)多協(xié)議多目標(biāo)并行數(shù)據(jù)發(fā)送、通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)注入控制指令、支持現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備DCS工況組態(tài)(流程)模擬等4大創(chuàng)新點(diǎn)。

關(guān)鍵詞可編程;單點(diǎn)多發(fā);智能匹配多協(xié)議;遠(yuǎn)程反控;組態(tài)模擬

一般環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位置分散，分布范圍廣，且大多設(shè)置在環(huán)境較惡劣的地區(qū)。非在線(xiàn)式監(jiān)測(cè)方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、在線(xiàn)測(cè)量和遠(yuǎn)程控制，對(duì)環(huán)境質(zhì)量的惡化以及污染源污染物的超標(biāo)排放等突發(fā)情況難以掌握，具有明顯的缺點(diǎn)[1]。數(shù)據(jù)采集傳輸儀是現(xiàn)場(chǎng)儀表與上位機(jī)系統(tǒng)的連接儀器，它可通過(guò)數(shù)字通道、模擬通道、開(kāi)關(guān)量通道采集監(jiān)測(cè)儀表的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息，然后通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)、狀態(tài)傳輸至上位機(jī)；同時(shí)也可以接收上位機(jī)通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的控制命令，控制監(jiān)測(cè)儀表的工作，在現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用[2-5]。

數(shù)據(jù)采集傳輸儀的開(kāi)發(fā)普遍存在2個(gè)問(wèn)題：一是監(jiān)測(cè)設(shè)備通訊規(guī)約不統(tǒng)一。自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備廠(chǎng)商較多，且沒(méi)有統(tǒng)一的通訊協(xié)議，導(dǎo)致在對(duì)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)時(shí)需要對(duì)多家不同通訊協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行開(kāi)發(fā)，增加開(kāi)發(fā)難度和系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。二是自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反控功能不完善?，F(xiàn)有自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作功能過(guò)于薄弱，自動(dòng)監(jiān)控儀器長(zhǎng)期處于無(wú)人值守狀態(tài)，僅能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸和簡(jiǎn)單的反控功能。

為了解決目前數(shù)據(jù)采集傳輸儀存在的問(wèn)題，滿(mǎn)足現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集傳輸中的應(yīng)用需求，需要研究新一代智能型數(shù)據(jù)采集傳輸儀。針對(duì)目前已建污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備通訊協(xié)議不規(guī)范、通訊信息難以交互等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)集成多種類(lèi)在線(xiàn)監(jiān)控儀器通訊規(guī)約，并能將各類(lèi)規(guī)約自動(dòng)轉(zhuǎn)換為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所要求的信息格式，允許多種類(lèi)型環(huán)境要素監(jiān)測(cè)設(shè)備接入，支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式，支持多協(xié)議多目標(biāo)并行數(shù)據(jù)發(fā)送，支持設(shè)備反控，能顯示設(shè)備工況流程，支持?jǐn)?shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)，符合國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集傳輸儀，從而為節(jié)能、降耗、減排、總量控制等環(huán)境管理工作提供權(quán)威、科學(xué)、客觀(guān)的依據(jù)，協(xié)助企業(yè)及各級(jí)環(huán)保部門(mén)實(shí)現(xiàn)總量控制與減排管理的目標(biāo)，滿(mǎn)足各級(jí)環(huán)境管理及相關(guān)部門(mén)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量日益提高的要求。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括嵌入式處理器的設(shè)計(jì)選型，外圍存儲(chǔ)器擴(kuò)展設(shè)計(jì)，鍵盤(pán)、LED等人機(jī)交互接口的設(shè)計(jì)，以太網(wǎng)卡的接口設(shè)計(jì)，GPRS/CDMA模塊的設(shè)計(jì)選型[6]。主板采用核心板加底板的設(shè)計(jì)方式，核心板為6層高速PCB,它充分考慮接口的擴(kuò)展問(wèn)題，集成了電源、CPU、SDRAM、NandFlash、網(wǎng)口、復(fù)位電路、JTAG調(diào)試接口等。通過(guò)4條雙排68針的連接器引出了外部擴(kuò)展需要用到的全部數(shù)據(jù)、地址總線(xiàn)、各外設(shè)接口、IO信號(hào)等；通過(guò)2層PCB底板將CPU主要接口和產(chǎn)品中需要的接口外擴(kuò)引出，方便產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。硬件平臺(tái)整體框架見(jiàn)圖1。

對(duì)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，嵌入式硬件開(kāi)發(fā)首先要考慮的是嵌入式處理器的選型，從價(jià)格和穩(wěn)定性方面選用集成度高的芯片。ARM公司提供了一系列內(nèi)核、體系擴(kuò)展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案以及內(nèi)部功能配置組合，該研究選擇三星S3C2410AL工業(yè)級(jí)ARM9微處理器。它是一款基于A(yíng)RM920T內(nèi)核的32位RISC嵌入式微處理器，主要面向終端設(shè)備以及高性?xún)r(jià)比、低功耗的應(yīng)用，運(yùn)行頻率可以達(dá)到400 MHz。

外圍存儲(chǔ)器擴(kuò)展設(shè)計(jì)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是非常重要的，雖然現(xiàn)在部分處理器自帶存儲(chǔ)器，但容量過(guò)小，不能滿(mǎn)足當(dāng)前日益追求功能齊全的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。適當(dāng)?shù)娜萘窟x取是非常有必要的，容量選擇過(guò)大會(huì)造成存儲(chǔ)器成本的增加和資源的浪費(fèi)。該研究?jī)?nèi)存選用2個(gè)容量為32 M字節(jié)的內(nèi)存芯片組成32 bit寬64 M內(nèi)存，存儲(chǔ)芯片選用64 M NANDFLASH芯片。

串口設(shè)計(jì)有5個(gè)三線(xiàn)制異步串行口，波特率最高可達(dá)1.5 Mbps。由于CPU內(nèi)部有3個(gè)串口接口，不能滿(mǎn)足產(chǎn)品要求，因此設(shè)計(jì)時(shí)外擴(kuò)出5個(gè)串口進(jìn)行設(shè)備互連，ST16C554為4串口芯片，通過(guò)CPU總線(xiàn)進(jìn)行外擴(kuò)，總線(xiàn)寬度為16 bit，通過(guò)片選對(duì)每個(gè)串口進(jìn)行切換。產(chǎn)品設(shè)計(jì)有一個(gè)10 M網(wǎng)口，網(wǎng)絡(luò)芯片通過(guò)16 bit數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行外擴(kuò)，網(wǎng)絡(luò)接口帶有連接指示燈和傳輸指示燈，方便用戶(hù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓收吓挪椤Ｌ峁┮枣I盤(pán)和LED等為主的人機(jī)交互接口，更好地完成用戶(hù)與嵌入式系統(tǒng)之間的信息交互，便于用戶(hù)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的操作。該研究設(shè)計(jì)外接一個(gè)4 096×4 096分辨率觸摸屏，以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行各種數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的各種狀態(tài)，并可以控制觸摸屏背光以滿(mǎn)足低功耗需求。

2系統(tǒng)軟件架構(gòu)及原理

數(shù)據(jù)采集傳輸儀軟件系統(tǒng)采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，具有性能可靠、技術(shù)成熟、功能完善的特點(diǎn)，并且滿(mǎn)足工業(yè)級(jí)的設(shè)備運(yùn)行條件，具備自動(dòng)數(shù)據(jù)處理和分析、數(shù)據(jù)傳輸自動(dòng)化、遠(yuǎn)距離控制功能和異常處理能力。數(shù)據(jù)采集通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1　硬件平臺(tái)整體框架Fig. 1　Overall framework of hardware platform

圖2　數(shù)據(jù)采集通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意Fig. 2　Structure of data acquisition and transmission system

2.1分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，保證數(shù)據(jù)一致性構(gòu)建了一個(gè)統(tǒng)一的分布式自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，同企業(yè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)形成一個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)體系，采用相同的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，從而保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。用一套完整、規(guī)范、統(tǒng)一的環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸、處理、分析軟件和規(guī)范統(tǒng)一的環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集傳輸體系，保證數(shù)據(jù)的一致性。

2.2安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸在目前環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系中，大多數(shù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)通信方式支持CDMA/GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加密并有校驗(yàn)機(jī)制。數(shù)據(jù)采集傳輸儀存儲(chǔ)12個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),同時(shí)具有數(shù)據(jù)自動(dòng)補(bǔ)發(fā)機(jī)制、上位機(jī)數(shù)據(jù)召喚機(jī)制和人工數(shù)據(jù)補(bǔ)調(diào)機(jī)制，不受控制中心斷電或意外故障的影響。以環(huán)保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)規(guī)則約束策略為指導(dǎo)對(duì)無(wú)效數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)鑒別和分別存儲(chǔ)，以備維護(hù)和查詢(xún)。

2.3通信協(xié)議的開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集傳輸儀的規(guī)約驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)采用開(kāi)放式設(shè)計(jì)，支持目前市場(chǎng)上大多數(shù)自動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議。數(shù)據(jù)采集傳輸儀中所采用的通信規(guī)約在ISO/OSI 7層協(xié)議架構(gòu)中的層次結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信協(xié)議層次結(jié)構(gòu)Fig. 3　Hierarchical structure of communication protocol of data acquisition and transmission system

該研究的數(shù)據(jù)采集傳輸儀具有可編程功能，因此可以支持任意監(jiān)測(cè)設(shè)備的通信規(guī)約，每個(gè)通信規(guī)約的程序?qū)崿F(xiàn)都以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式存在，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際選擇的規(guī)約，調(diào)用相應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。一旦有新的監(jiān)測(cè)設(shè)備和新的規(guī)約，只要實(shí)現(xiàn)新的規(guī)約動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，在數(shù)據(jù)采集傳輸儀軟件系統(tǒng)主程序不作任何改變的前提下就可實(shí)現(xiàn)與新的監(jiān)測(cè)設(shè)備通信。

2.4監(jiān)測(cè)設(shè)備反控的實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行反控的方式分為本地控制和遠(yuǎn)程控制，能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)的各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程設(shè)置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的召喚采集以及校驗(yàn)。

本地控制能夠在本地實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的校準(zhǔn)、清洗、停機(jī)、等比例采樣等操作。在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，可異地進(jìn)行儀器校準(zhǔn)、清洗、停機(jī)、等比例采樣等操作。

對(duì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，能實(shí)現(xiàn)定時(shí)采樣、實(shí)時(shí)直接采樣、事件觸發(fā)采樣等功能。數(shù)據(jù)采集設(shè)備能控制自動(dòng)采樣儀進(jìn)行事件采樣，能實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)站房環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控和上報(bào)，包括門(mén)禁、室溫、空調(diào)、電源等，以提供人工對(duì)比測(cè)試或其他詳細(xì)分析。能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘同步，具備自檢及完善的斷電自保護(hù)和死機(jī)自動(dòng)恢復(fù)功能，故障前數(shù)據(jù)能保全存儲(chǔ)并可方便地讀取。

2.5數(shù)據(jù)通信傳輸數(shù)據(jù)采集傳輸儀的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)方式(CDMA/GPRS)為主，在需要連續(xù)圖像監(jiān)控的點(diǎn)位，配備ADSL和光纖寬帶接入方式，環(huán)境監(jiān)控中心的監(jiān)控系統(tǒng)能同時(shí)兼容這些通信方式，并可在不同的通信方式之間進(jìn)行平滑過(guò)渡。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)滿(mǎn)足以下要求。

2.5.1數(shù)據(jù)傳輸安全性。為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在公共無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳輸?shù)陌踩?，在?shù)據(jù)采集傳輸儀和數(shù)據(jù)傳輸軟件系統(tǒng)中進(jìn)行了如下處理：自定義數(shù)據(jù)幀格式，保證數(shù)據(jù)傳輸按照國(guó)家環(huán)?？偩诸C布實(shí)施《污染源在線(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控(監(jiān)測(cè))系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和接口標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范》的要求進(jìn)行；在數(shù)據(jù)幀中采用循環(huán)冗余校驗(yàn)，協(xié)議的循環(huán)校驗(yàn)碼采用標(biāo)準(zhǔn)的CRC16，即16位冗余循環(huán)碼校驗(yàn)?zāi)Ｊ?確保接收數(shù)據(jù)的正確性；在數(shù)據(jù)幀發(fā)送前采用DES(Data Encryption Standard)加密算法對(duì)數(shù)據(jù)加密，控制中心的通信服務(wù)器加防火墻隔離，防止他人惡意干擾。

2.5.2數(shù)據(jù)傳輸可靠性。為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在公共有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳輸?shù)目煽啃?，在?shù)據(jù)采集傳輸儀和數(shù)據(jù)傳輸軟件系統(tǒng)中進(jìn)行了如下處理。

(1)數(shù)據(jù)采集傳輸儀斷電時(shí)，保證供電恢復(fù)后能自動(dòng)復(fù)位，自動(dòng)與通信服務(wù)器建立通信鏈路；在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，通信鏈路如發(fā)生意外通信中斷，在通信恢復(fù)正常時(shí)，自動(dòng)與通信服務(wù)器建立通信鏈路，自動(dòng)重傳通信中斷時(shí)收到的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)不丟失。

(2)在協(xié)議上，發(fā)送方發(fā)送出數(shù)據(jù)，接收方接收到后發(fā)給發(fā)送方一個(gè)確認(rèn)報(bào)文，告訴發(fā)送方數(shù)據(jù)已正確收到，這時(shí)接收方就給已發(fā)送的數(shù)據(jù)打上“已發(fā)送”標(biāo)記，否則發(fā)送方在超時(shí)一定時(shí)間后，還未收到確認(rèn)報(bào)文，將自動(dòng)重新發(fā)送數(shù)據(jù)，從而確保了數(shù)據(jù)被可靠傳輸。

(3)在數(shù)據(jù)采集傳輸儀與監(jiān)控中心通信服務(wù)器之間設(shè)置“心跳”聯(lián)系，在協(xié)議上存在“心跳”報(bào)文，當(dāng)通信鏈路上常時(shí)間無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，發(fā)送方就定時(shí)發(fā)送“心跳”報(bào)文，以主動(dòng)監(jiān)測(cè)通信鏈路是否掉線(xiàn)；接收方收到“心跳”報(bào)文時(shí)，就回答“心跳”確認(rèn)報(bào)文，確保發(fā)送方確認(rèn)通信鏈路的連接狀況。

(4)監(jiān)控中心數(shù)據(jù)終端通過(guò)IP檢查終端設(shè)備是否在線(xiàn)，從而判定掉線(xiàn)故障出自哪一側(cè)；還可檢查出終端設(shè)備的連接時(shí)點(diǎn)、斷線(xiàn)時(shí)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)出在線(xiàn)時(shí)間、斷線(xiàn)時(shí)間，最終可判定通信網(wǎng)絡(luò)通信狀況的好壞，以便用戶(hù)確定問(wèn)題。

(5)在通信軟件上，通過(guò)循環(huán)校驗(yàn)碼檢驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷是否準(zhǔn)確。協(xié)議的循環(huán)校驗(yàn)碼采用標(biāo)準(zhǔn)的CRC16，即16位冗余循環(huán)碼校驗(yàn)?zāi)Ｊ?。發(fā)送方依據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)生成CRC16校驗(yàn)碼，并將其置于數(shù)據(jù)包最末2字節(jié)；接收方則對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)包做相同運(yùn)算，若傳輸正常則得出一致結(jié)果；不一致的結(jié)果表明傳輸出錯(cuò)，整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)將被忽略，接收方將要求發(fā)送方重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.5.3數(shù)據(jù)傳輸適應(yīng)性。數(shù)據(jù)傳輸采用的規(guī)約為國(guó)家環(huán)?？偩诸C布實(shí)施《污染源在線(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控(監(jiān)測(cè))系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和接口標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范》，整個(gè)應(yīng)用層的協(xié)議和具體的傳輸網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)。規(guī)范體現(xiàn)通信介質(zhì)無(wú)關(guān)性，實(shí)現(xiàn)了適應(yīng)多種通信(數(shù)據(jù)傳輸)方式，包括多種無(wú)線(xiàn)、有線(xiàn)和有線(xiàn)寬帶方式，做到通信軟件與硬件和介質(zhì)無(wú)關(guān)。

3主要功能和技術(shù)參數(shù)

3.1具有標(biāo)準(zhǔn)化多通道輸入端C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀支持標(biāo)準(zhǔn)的RS-232信號(hào)和RS-485信號(hào)輸入，能夠?qū)崿F(xiàn)與多臺(tái)采用不同通信協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信；具有常用工業(yè)信號(hào)采集功能。在不做任何改動(dòng)的情況下，可隨時(shí)增加監(jiān)測(cè)儀器或監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的采集，能與現(xiàn)場(chǎng)所有要連接的儀器、儀表、PLC、工控機(jī)等設(shè)備連接。每個(gè)輸入通道可以采用不同的通信協(xié)議與監(jiān)測(cè)設(shè)備相連，具有良好的可擴(kuò)展性能。

3.2具有輸出端標(biāo)準(zhǔn)化多通道C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀支持標(biāo)準(zhǔn)的RS-232信號(hào)和RS-485信號(hào)輸出，支持CDMA/GPRS無(wú)線(xiàn)通訊方式，寬帶/ADSL/光纖等有線(xiàn)通訊方式，同時(shí)支持上述任意一種無(wú)線(xiàn)與任意一種有線(xiàn)通訊方式的組合，有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)互為備用，提高數(shù)據(jù)上傳率。

3.3具有模擬/開(kāi)關(guān)信號(hào)采集和設(shè)置功能C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀支持模擬信號(hào)(AI)和開(kāi)關(guān)信號(hào)(DI)采集模塊，對(duì)模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換精度為16位，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬/開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集和設(shè)置。

3.4基本接口和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊配置C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀的接口配置如下：6～8路RS232/485標(biāo)準(zhǔn)串口用于連接各類(lèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備；8路模擬量接口用于連接8路4～20 MA或0～5V模擬量；8路開(kāi)關(guān)量輸入(帶光電隔離)測(cè)量設(shè)備狀態(tài)；8路開(kāi)關(guān)量輸出用于設(shè)備控制；1個(gè)100 M網(wǎng)絡(luò)口用于連接以太網(wǎng)；1個(gè)CONSOLE調(diào)試口用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試；2個(gè)USB接口。

C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀支持CDMA和GPRS 2種無(wú)線(xiàn)通信模塊。設(shè)備內(nèi)含CDMA或GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊(根據(jù)用戶(hù)要求選擇配置)，用戶(hù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單更換CDMA或GPRS模塊和數(shù)據(jù)通信卡而實(shí)現(xiàn)采用任意一種無(wú)線(xiàn)通信傳輸，而不需要更改電路和軟件。在不改變用戶(hù)現(xiàn)有傳輸方式和不影響數(shù)據(jù)采集傳輸質(zhì)量的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)輸出端數(shù)字信號(hào)兩路以上分配模式，以保證用戶(hù)現(xiàn)有傳輸方式和數(shù)據(jù)采集傳輸儀同時(shí)上傳數(shù)據(jù)。

3.5具有多種數(shù)據(jù)發(fā)送方式C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀支持下列4種方式向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.5.1定時(shí)傳輸。當(dāng)達(dá)到規(guī)定時(shí)間，轉(zhuǎn)發(fā)模塊將在發(fā)送點(diǎn)之前采集到的數(shù)據(jù)全部發(fā)送到服務(wù)器控制中心。

3.5.2采樣傳輸。數(shù)據(jù)處理模塊將數(shù)據(jù)處理完后，發(fā)送到發(fā)送數(shù)據(jù)列表中，轉(zhuǎn)發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)第一時(shí)間發(fā)送到服務(wù)器控制中心。

3.5.3召喚傳輸。轉(zhuǎn)發(fā)程序等待服務(wù)器召喚命令，當(dāng)接收到召喚命令后，將召喚的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器控制中心。

3.5.4透明傳輸。通過(guò)透明傳輸模塊將設(shè)備儀器和服務(wù)器控制中心連接起來(lái)，數(shù)據(jù)直接傳遞。

3.6具有多端點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的功能C&M型數(shù)據(jù)采集傳輸儀能主動(dòng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)端，支持與監(jiān)控中心之間的“一對(duì)一、一對(duì)多”通信方式，即可支持多個(gè)中心端IP地址，最多可同時(shí)與8個(gè)采用不同通信規(guī)約的監(jiān)控中心系統(tǒng)進(jìn)行通信。

3.7具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀自帶大容量的內(nèi)存和閃存Flash，可存儲(chǔ)不少于12個(gè)月的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)的時(shí)間間隔可自由設(shè)置為1～24 h，歷史數(shù)據(jù)調(diào)用傳輸可以采用無(wú)損壓縮形式。

3.8具有數(shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)的功能C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀內(nèi)存有數(shù)據(jù)采集傳輸儀與各監(jiān)控中心間發(fā)送數(shù)據(jù)的記錄，當(dāng)數(shù)據(jù)采集傳輸儀與某個(gè)監(jiān)控中心通信中斷而造成漏發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)采集傳輸儀會(huì)在通信恢復(fù)后，自動(dòng)向漏發(fā)數(shù)據(jù)的監(jiān)控中心補(bǔ)發(fā)遺漏數(shù)據(jù)。另外操作員也可以在監(jiān)控中心通過(guò)反控命令，人工請(qǐng)求數(shù)據(jù)采集傳輸儀補(bǔ)發(fā)某時(shí)間段的數(shù)據(jù)。

3.9具有遠(yuǎn)程維護(hù)的功能C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀具有遠(yuǎn)程維護(hù)功能，支持Telnet遠(yuǎn)程登陸功能，維護(hù)人員在能通過(guò)無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)方式遠(yuǎn)程進(jìn)行下列操作：對(duì)數(shù)據(jù)采集傳輸儀的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；對(duì)數(shù)據(jù)采集傳輸儀的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查看；對(duì)數(shù)據(jù)采集傳輸儀的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看；對(duì)數(shù)據(jù)采集傳輸儀的通信協(xié)議或程序進(jìn)行更換、升級(jí)；對(duì)數(shù)據(jù)采集傳輸儀進(jìn)行啟動(dòng)、停止操作。

3.10顯示功能C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀內(nèi)置7＂TFT彩色液晶觸摸顯示屏，外置標(biāo)準(zhǔn)VGA接口，可接電腦顯示器。顯示分辨率 800×480，顯示背光源 LED，顯示背光亮度 200 cd/mm，可顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列表、折線(xiàn)圖、棒圖、餅圖、報(bào)警信息、工藝流程圖等監(jiān)測(cè)信息，并可用大小變化、顏色改變、明暗閃爍、移動(dòng)翻轉(zhuǎn)等多種手段，增強(qiáng)畫(huà)面的動(dòng)態(tài)顯示效果。

3.11強(qiáng)大的遠(yuǎn)程控制功能C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀可接受監(jiān)控中心軟件下發(fā)指令,對(duì)所連接的自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。對(duì)于協(xié)議支持反控的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備具有以下反控功能：接受監(jiān)控中心軟件下達(dá)的指令,遠(yuǎn)程控制所連自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的啟停；遠(yuǎn)程進(jìn)行時(shí)間同步校準(zhǔn)，使監(jiān)控中心與數(shù)據(jù)采集傳輸儀，數(shù)據(jù)采集傳輸儀與自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備之間的上、下行時(shí)間同步；設(shè)置和修改自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的采樣時(shí)刻與周期；設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率和上傳數(shù)據(jù)時(shí)間間隔。

3.12具有短信功能C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀具有短信報(bào)警功能、短信查詢(xún)數(shù)據(jù)功能、短信查詢(xún)?cè)O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)功能和短信控制設(shè)備功能。

3.13具有Web發(fā)布功能C&M 數(shù)據(jù)采集傳輸儀，內(nèi)嵌服務(wù)器程序(BOA)，具有IP地址設(shè)置功能，可以作為一個(gè)Web網(wǎng)站服務(wù)器對(duì)外實(shí)現(xiàn)Web發(fā)布功能，用戶(hù)在通過(guò)權(quán)限認(rèn)證后可通過(guò)IE瀏覽器直接查看數(shù)據(jù)采集傳輸儀中的數(shù)據(jù)和參數(shù)，對(duì)數(shù)采儀的實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)、分鐘平均數(shù)據(jù)、小時(shí)平均數(shù)據(jù)、LOG信息等進(jìn)行查詢(xún)。

3.14具有密碼安全驗(yàn)證的功能C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀具有密碼驗(yàn)證機(jī)制支持密碼認(rèn)證功能，只有通過(guò)了密碼認(rèn)證，用戶(hù)才能遠(yuǎn)程登陸數(shù)采儀。

3.15具有支持現(xiàn)場(chǎng)工作人員上網(wǎng)功能C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀具有支持現(xiàn)場(chǎng)工作人員上網(wǎng)功能，授權(quán)人員可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)口上網(wǎng)：查看遠(yuǎn)方平臺(tái)數(shù)據(jù)；獲得相關(guān)技術(shù)支持；及時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題；判斷當(dāng)前無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度。

3.16具有組態(tài)功能C&M 數(shù)據(jù)采集傳輸儀內(nèi)置對(duì)象元件庫(kù)，組態(tài)工作簡(jiǎn)單方便。對(duì)象元件庫(kù)，實(shí)際上是分類(lèi)存儲(chǔ)各種組態(tài)對(duì)象的圖庫(kù)。組態(tài)時(shí)，可把制作完好的對(duì)象(包括圖形對(duì)象、窗口對(duì)象、策略對(duì)象以至位圖文件等)以元件的形式存入圖庫(kù)中，也可把元件庫(kù)中的各種對(duì)象取出，直接為當(dāng)前的工程所用。隨著工作的積累，對(duì)象元件庫(kù)將日益擴(kuò)大和豐富，解決了組態(tài)結(jié)果的積累和重新利用問(wèn)題。

3.17運(yùn)行流程控制C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀允許用戶(hù)通過(guò)自行編程實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行流程的控制。用戶(hù)可以選用系統(tǒng)提供的各種條件和功能的策略構(gòu)件，用圖形化的方法和簡(jiǎn)單的控制語(yǔ)言構(gòu)造多分支的應(yīng)用程序，按照設(shè)定的條件和順序，操作外部設(shè)備，控制窗口的打開(kāi)或關(guān)閉，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)自由、精確地控制運(yùn)行流程。

3.18外殼防護(hù)等級(jí)適合于環(huán)境惡劣的工作場(chǎng)所，達(dá)到工業(yè)級(jí)應(yīng)用要求。C&M數(shù)據(jù)采集傳輸儀外殼設(shè)計(jì)達(dá)到IP55特殊防護(hù)等級(jí)，不僅具備防塵、防潮、防水、抗震等性能，而且還可以有效屏蔽電磁輻射，防快速瞬變電脈沖群干擾、防靜電、防浪涌干擾、防電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化干擾等。

3.19備用電源配備可選的UPS備用電源，保證交流電源斷電后仍可連續(xù)工作8 h以上。

3.20其他技術(shù)參數(shù)工作電壓：AC220V±10%，50 Hz。CPU：ARM9 ≥200 MHz。存儲(chǔ)器: 內(nèi)置64 M，可外接SD卡存儲(chǔ)設(shè)備。電磁兼容：滿(mǎn)足IEC三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。額定功耗：<10 W。工作溫度：-20～+65 ℃。工作濕度：5%～95%，無(wú)結(jié)露。平均無(wú)故障時(shí)間：10 000 h以上。

4設(shè)備創(chuàng)新點(diǎn)

4.1智能(自動(dòng))匹配多種環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備通訊協(xié)議產(chǎn)品采用基于協(xié)議管理內(nèi)核的多協(xié)議智能匹配技術(shù)，集成環(huán)保行業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備200種以上的通訊規(guī)約，使產(chǎn)品接入環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)能智能匹配通信協(xié)議，無(wú)需人工干預(yù)，達(dá)到即插即用的效果，并能將各類(lèi)規(guī)約自動(dòng)轉(zhuǎn)換為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所要求的信息格式。解決了目前已建污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備通訊協(xié)議不規(guī)范，通訊信息難以交互等問(wèn)題。

4.2實(shí)現(xiàn)多協(xié)議多目標(biāo)并行數(shù)據(jù)發(fā)送建立數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議棧機(jī)制和規(guī)約轉(zhuǎn)換機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)采用不同的數(shù)據(jù)通信規(guī)約同時(shí)向8個(gè)目標(biāo)IP地址(監(jiān)控中心)發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，為不同地點(diǎn)、不同級(jí)別的監(jiān)控中心提供同步但形式不同的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)發(fā)送方式保證了現(xiàn)場(chǎng)企業(yè)端的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送到縣、市、省、國(guó)家級(jí)平臺(tái)，避免了數(shù)據(jù)在中間平臺(tái)的造假，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性。

4.3通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)注入控制指令產(chǎn)品支持CDMA/GPRS/光纖寬帶/ADSL/VPN/串口等無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)通訊方式，不僅能充分滿(mǎn)足不同領(lǐng)域、不同環(huán)境、不同監(jiān)測(cè)設(shè)備、不同通信接口和數(shù)據(jù)格式下的數(shù)據(jù)采集和傳輸，而且能夠通過(guò)有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通訊方式動(dòng)態(tài)注入指令遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)控人員不在企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)也能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程反向控制。

4.4支持現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備DCS工況組態(tài)(流程)模擬數(shù)據(jù)采集傳輸儀內(nèi)置了組態(tài)模擬功能，能通過(guò)自帶7＂TFT彩色液晶觸摸顯示屏，直接模擬企業(yè)DCS工況組態(tài)圖，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在組態(tài)圖上實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)更新，同時(shí)支持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的走勢(shì)曲線(xiàn)模擬，增強(qiáng)了數(shù)采儀的應(yīng)用效果。

5結(jié)語(yǔ)

在國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)采集傳輸裝置的許多產(chǎn)品存在各方面缺陷的背景下，結(jié)合各級(jí)環(huán)保部門(mén)對(duì)環(huán)境管理要求、業(yè)務(wù)要求以及宏觀(guān)控制要求，研究了一種新型數(shù)據(jù)采集傳輸儀。該產(chǎn)品解決了目前已建污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備通訊協(xié)議不規(guī)范、通訊信息難以交互等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了集成多種類(lèi)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器通訊規(guī)約，并能將各類(lèi)規(guī)約自動(dòng)轉(zhuǎn)換為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所要求的信息格式，允許多種類(lèi)型環(huán)境要素監(jiān)測(cè)設(shè)備接入，支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式，支持多協(xié)議多目標(biāo)并行數(shù)據(jù)發(fā)送，支持設(shè)備反控，能顯示設(shè)備工況流程，支持?jǐn)?shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)，符合國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

該研究成果為環(huán)保自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控提供高性能的智能化數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備，對(duì)準(zhǔn)確、可靠掌握各種監(jiān)測(cè)參數(shù)有很大作用，可大大降低監(jiān)控系統(tǒng)的成本，協(xié)助企業(yè)及各級(jí)環(huán)保部門(mén)實(shí)現(xiàn)了總量控制與減排管理的目標(biāo)，滿(mǎn)足各級(jí)環(huán)境管理及相關(guān)部門(mén)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)日益提高的要求，對(duì)構(gòu)建節(jié)約、環(huán)保型和諧社會(huì)具有極大的推動(dòng)作用。

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作者簡(jiǎn)介曲國(guó)利(1971- )，男，山東牟平人，碩士，從事環(huán)境監(jiān)控與信息化研究。*通訊作者。

收稿日期2016-04-15

中圖分類(lèi)號(hào)S 126

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)16-256-05

Research on Data Acquisition and Transmission System with Embedded Programmable Single Point Multiple Intelligent

QU Guo-li1, WU Yun2*，XU Gai-hua2et al

(1. Environment Monitoring Station, Zibo, Shandong 255000; 2. Jiangsu 3C Technology Inc, Nanjing, Jiangsu 210002)

AbstractIn order to effectively solve the problem of inconsistent communication protocols of automatic monitoring equipment, limited data acquisition and transmission and monitoring equipment remote control, we researched on data acquisition and transmission system of embedded programmable single point multiple intelligent. Hardware design, software architecture and principles, main functions and technical parameters were described in depth. Four major innovation points were proposed, which were automatically matching communication protocols of a variety of environmental monitoring equipments, achieving transmission of multi protocols and multi objects parallel data, realizing remote dynamic injection control through wired or wireless network, and supporting field equipment DCS condition configuration simulation.

Key wordsProgrammable; Single point and multiple; Intelligent matching multi protocols; Remote control; Configuration simulation