魯娟娟， 陳 紅

(1. 正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息技術(shù)系， 南京 211106； 2. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京 210098)

0 引 言

河工模型廣泛應(yīng)用于模擬天然水沙運(yùn)動(dòng)，揭示水沙運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律，解決重大水利工程關(guān)鍵技術(shù)難題。為順利開展模型試驗(yàn)，評估工程前后水沙運(yùn)動(dòng)變化情況，需要精確采集流量、流速、水位、壓力等參數(shù)，并反饋控制邊界。因此，模型數(shù)據(jù)測控對河工模型試驗(yàn)順利開展至關(guān)重要，一直是河工模型試驗(yàn)領(lǐng)域內(nèi)的研究重點(diǎn)[1～3]。蔡守允等[4]研發(fā)了一套綜合水利實(shí)體模型試驗(yàn)測量與控制系統(tǒng)，應(yīng)用于長江航道整治實(shí)體模型研究；虞邦義等[5]研發(fā)了實(shí)體模型自動(dòng)測控系統(tǒng)，用于淮河干流模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和邊界控制；吳新生等[6]開發(fā)了潮汐模擬系統(tǒng)，用于深圳河口潮汐水流模型；魯娟娟等[7]基于ZigBee無線數(shù)據(jù)交互技術(shù)開發(fā)了河工模型智能流速采集系統(tǒng)，用于贛江南昌段河工模型流速測量。隨著計(jì)算機(jī)、電子、物聯(lián)網(wǎng)、通信等技術(shù)的快速發(fā)展，河工模型測控技術(shù)得到進(jìn)一步完善：① 測量數(shù)據(jù)同步性更高，蔡守允開發(fā)的系統(tǒng)可同步采集32路流速、水位等信號；② 控制策略更智能，陳紅[8]采用改進(jìn)PID控制器完善復(fù)雜水位跟蹤控制，減小了水位滯后或超調(diào)等控制偏差，提高了復(fù)雜水位模擬能力；③ 數(shù)據(jù)傳輸更簡便，陳紅[8]、楊楠等[9]運(yùn)用ZigBee技術(shù)組建無線網(wǎng)絡(luò)，通過改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升網(wǎng)絡(luò)容量，滿足大尺度河工模型多參數(shù)數(shù)據(jù)采集需求。

隨著新型技術(shù)的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了大量新型數(shù)字傳感器，促進(jìn)了河工模型水沙參量測量技術(shù)的發(fā)展。然而，不同廠家、不同型號通信協(xié)議之間協(xié)同性差，導(dǎo)致測控系統(tǒng)兼容性、擴(kuò)展性差，阻礙了測控系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。為了提高通信協(xié)議的通用性，解決不同設(shè)備的異構(gòu)系統(tǒng)，工業(yè)控制領(lǐng)域多采用(OLE for Process Control, OPC)技術(shù)[11-14]，硬件開發(fā)商和應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)均需要運(yùn)用OPC標(biāo)準(zhǔn)；而且OPC技術(shù)需要相應(yīng)服務(wù)平臺(tái)支持，增加了系統(tǒng)開發(fā)難度。因此，OPC技術(shù)無法適用于河工模型測控系統(tǒng)。為了提高河工測控模型測控系統(tǒng)通用性、靈活性，針對不同廠家、不同設(shè)備的通信協(xié)議差異性，本文提出了一種基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的協(xié)同通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)河工模型測控設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化。

1 協(xié)同通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

測控系統(tǒng)主要由上位機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和測控設(shè)備組成，具有啟動(dòng)采集、停止采集、讀取數(shù)據(jù)、查詢儀器狀態(tài)、設(shè)置地址、設(shè)置波特率等功能，其數(shù)據(jù)交互一般采用“一問一答”模式，即上位機(jī)發(fā)出命令，測控設(shè)備接收命令并根據(jù)命令獲取數(shù)據(jù)，再發(fā)送給上位機(jī)，如圖1所示。要完成上位機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和測控設(shè)備的協(xié)同工作，數(shù)據(jù)通信協(xié)議至關(guān)重要。

圖1 數(shù)據(jù)交互采集流程

1.1 通信協(xié)議數(shù)據(jù)庫

協(xié)同通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)依托ACCESS數(shù)據(jù)庫技術(shù)[15-16]，把相同功能、不同通信協(xié)議的功能映射為標(biāo)準(zhǔn)模式，映射過程如圖2所示。

圖2 命令幀管理

測控系統(tǒng)中，通信協(xié)議一般包括通信端口參數(shù)配置、命令碼格式設(shè)置、命令設(shè)置、數(shù)據(jù)格式設(shè)置、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等內(nèi)容。為此，設(shè)計(jì)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)(見表1)，主要包含通信協(xié)議編號、協(xié)議數(shù)目、命令碼、命令格式、數(shù)據(jù)格式、波特率、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、儀器返回值長度、返回值格式和操作地址等信息。測控系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)時(shí)，所有儀器的通信協(xié)議都以表1所示的形式存放在數(shù)據(jù)庫中，一臺(tái)儀器一個(gè)編號，一個(gè)編號對應(yīng)一臺(tái)儀器的所有協(xié)議。

表1 標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議映射數(shù)據(jù)表

在河工模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)交互過程中，不同儀器或者同一儀器不同命令反饋數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式有時(shí)不同，不利于對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和識別。數(shù)據(jù)類型一般有字符串和16進(jìn)制，數(shù)據(jù)格式一般包含起始位、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)位。為了有效管理數(shù)據(jù)，采用了數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)態(tài)管理，數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)如表2所示，包括數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)格式表的主鍵等。儀器接收命令后，將對應(yīng)數(shù)據(jù)返回至上位機(jī)，上位機(jī)再根據(jù)識別相應(yīng)儀器的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行解析獲取測量數(shù)據(jù)，然后存入數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式。這種通用的數(shù)據(jù)解析方法具有兩個(gè)優(yōu)勢：① 數(shù)據(jù)按統(tǒng)一格式進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)儀器增加更換時(shí)，僅需更新數(shù)據(jù)庫，不需要改變數(shù)據(jù)處理程序，易于程序維護(hù)；② 數(shù)據(jù)調(diào)用方便 ，便于后期數(shù)據(jù)處理、分析等。

表2 數(shù)據(jù)格式表

1.2 智能識別

采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，不同于特定通信協(xié)議?；跀?shù)據(jù)庫的通信協(xié)議識別過程如圖3所示。系統(tǒng)獲取通信協(xié)議編號，識別不同儀器；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)通信碼格式，識別命令用途；根據(jù)通信協(xié)議編號和命令用途調(diào)用命令碼，根據(jù)命令格式轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制或文本格式；系統(tǒng)發(fā)出命令，儀器返回對應(yīng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)再對照數(shù)據(jù)庫相應(yīng)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行解析，獲取測量數(shù)據(jù)。

圖3 智能識別流程

2 綜合應(yīng)用

以贛江南昌段河工模型為例，模型范圍為東新贛江特大橋上游約2 km，下游分別至西河磚瓦廠附近、東河南支的豫章大橋上游、中支自礁磯頭向下游約3 km處，模擬河長約25 km。模型水平比尺400，垂直比尺100。根據(jù)研究內(nèi)容，模型需要布置水位、流速等儀器，流量采用三角堰測量，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測水位計(jì)算流量。

為采集16路水位、64路流速數(shù)據(jù)，運(yùn)用智能化識別方法，通過ACCESS數(shù)據(jù)庫管理儀器通信協(xié)議，將水位、流速儀器通信協(xié)議編號設(shè)置為“1001”和“1002”，依據(jù)表1和表2完成數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)，儀器功能碼表名稱為Intdatars，數(shù)據(jù)碼表名稱Datatypers。采用VB程序編制相應(yīng)程序，數(shù)據(jù)庫管理代碼如下：

strcnn = "Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;Data Source= " & App.Path & "Intdata.mdb"

Set m_totaldatabase = New ADODB.Connection

m_totaldatabase.Open strcnn

Set rs = New ADODB.Recordset

打開數(shù)據(jù)庫，調(diào)用水位儀器通信協(xié)議采集數(shù)據(jù)：

rs.Open opencon, m_Intdatars where Cmd_Protocalflag=1001

Dim m_command as string

m_command=rs(“Cmd_gatherstart”)

mscomm.Output=m_command

rs.close

接收串口數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為字符串格式m_getdata。根據(jù)水位儀對應(yīng)數(shù)據(jù)格式，提取對應(yīng)水位數(shù)據(jù)：

rs.Open opencon, m_Datatypers where Cmd_Protocalflag=1001

m_stnum=rs(“Cmd_Datafor_infS”)

m_datalong=rs(“Datafor_infL”)

Waterleveldata=mid(m_getdata,m_stnum,m_datalong)

其中Waterleveldata為水位數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)即為水位數(shù)據(jù)。同樣處理方法完成流速數(shù)據(jù)。

圖4、5為水位和流速測量數(shù)據(jù)模型與原型對比圖，試驗(yàn)結(jié)果表明智能化識別方法可調(diào)用不同儀器通信協(xié)議，解析儀器返回?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同儀器數(shù)據(jù)采集，而不需要重復(fù)開發(fā)數(shù)據(jù)交互程序。

圖4 水位測量數(shù)據(jù)對比

圖5 流速測量數(shù)據(jù)對比

3 結(jié) 語

測控系統(tǒng)是河工模型試驗(yàn)的重要組成部分，隨著計(jì)算機(jī)、通信和電子技術(shù)的快速發(fā)展，河工模型測控系統(tǒng)逐步沿著系統(tǒng)化、智能化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。然而，大量數(shù)字傳感器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互協(xié)議差異阻礙了測控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。為此，采用ACCESS數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)了一套通信協(xié)議智能識別方法，將儀器功能碼及數(shù)據(jù)碼存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)交互時(shí)，通過索引數(shù)據(jù)庫調(diào)用相應(yīng)儀器功能碼，發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)庫解析儀器返回?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同儀器的數(shù)據(jù)交互。將數(shù)據(jù)通訊協(xié)議智能化識別方法應(yīng)用到贛江南昌段河工模型試驗(yàn)，解決了水位儀、流速儀的數(shù)據(jù)采集及自動(dòng)識別難題，提升了河工模型試驗(yàn)效率。

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