使用物联网建立新型数据采集与监控系统

　1 引言

　　物联网（TheInternetofthings），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，通俗的说就是可实现“感知世界”的网络。

　　数据采集与监控系统即SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）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”。

　　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，从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技术充分运用于各行各业中，使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能够最灵活地把“物”改变成为智能物件的，其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,WirelessSensorNetworks），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（MeshNetworks）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（HumanMachineInterface）——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图1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。

　　（1）监控中心

　　监控中心由硬件设备和应用软件组成。

　　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。

　　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。在物联网发展的今天，应设计以下功能：

　　◆支持PDA、智能手机作为操作终端

　　SCADA系统软件直接支持智能手机作为操作终端。

　　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，可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，而现在SCADA系统是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

　　将现场视频与SCADA调度系统集成在一起，突出了调度决策的现场感知效果。

　　（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，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）远程数据采集终端

　　根据需要选用WSN/Wi-Fi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Wi-Fi无线组网。无论采用哪种无线组网方式均能减少布线、施工的工作量。

　　WSN无线传感器网络具有以下优点：

　　◆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。

　　◆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到整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

◆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。

　　◆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图2所示：

　　4　系统功能

　　根据物联网技术的应用发展，SCADA系统的主要功能为：

　　（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　结语

　　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将会发挥越来越重要的作用。