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：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 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 新型SCADA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SCADA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。

3.2.1监控中心
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，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。

3.2.2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。

3.2.3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WSN组网的现场数据采集终端拓扑图如下图所示：
数据采集终端
传感器节点
路由
现场监测区域
4 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结论
设备互联的物联网，将是自动化企业的又一巨大潜在市场。

本文紧紧围绕物联网技术应
用架构，设计了新型的SCADA系统，突出了由传统点到点的SCADA系统发展为端到端的互联网协议架构系统的特点。

现场数据采集终端采用无线传感器组网模式，体现了物联网的优势。

随着物联网应用的推进，该系统在企业管理中会发挥越来越重要的作用。