基于ModBus-GRPS科研数据采集系统的开发与应用尝试

引 言

科研数据是科研的重要组成部分之一，科研过程中获得稳定、准确、完整、实时的科研数据是科研人员发布科研成果的主要依据。目前，常用的获取科研数据的方法有现场抄录现场仪器储存再导出等，这些方法均存在一定的缺陷或不足第一，每次采集数据前需要设备搭建、调试和运行管理，要投入较大的人力、物力，并花费较多的时间 ；第二，现场进行抄写、仪器导出，浪费了宝贵的科研时间和科研人力；第三多地点获取数据，需要多套设备和人员保证，增加科研成本第四，数据采集过程中科研人员在采集现场的活动会影响数据采集，导致数据质量降低，也对现场的布线造成一定破坏且不能及时发现采集过程中的掉线等异常问题 ；第五，多种设备分散采集，数据汇总和整理难度大，增加数据分析难度同时科研负责人也很难第一时间获得第一手资料，并对数据采集的过程无法实时把握

本文运用物联网技术和数字移动通信网络 [1] 搭建科研数据采集系统，实现远程实时采集，不受时间、地点和距离的限制，降低人为活动对现场的影响，提高数据质量。通过实时采集为科研人员提供时间和数据的保证，也使科研重点转向数据分析。平台系统试运行以来，在科研人员少、采集现场地域分散等现实条件下，提高了采集效率，实现了无人值守的科研数据采集过程。科研团队从 2013 年参与“基于太阳能炕的主被动复合采暖建筑的研究与示范（课题编号 ：2013-N- 544）”科技厅科研项目，该项目将太阳能空气集热器和太阳能炕有机结合起来运行，使农村室内热环境得到较大改善，为论证项目的效果和寻求最佳的运行模式，需对室内外温度及相应的设备运行参数、室外辐照等因子进行 24 小时实时数采集。为不影响农户正常的生活和降低人为活动对测试环境的影响，选择 ModBus-GRPS 搭建数据采集系统，实现数据实时采集、存储、浏览

1 科研数据采集系统构成

科研数据采集系统的运行结构，由软件和硬件两部分组成。硬件搭建系统运行环境，软件保证系统正常运行

1.1 结构图

系统依照物联网技术架构，由采集、传输和应用三部分组成，数据采集平台结构如图 1 所示。采集部分由传感器和采集器两部分组成，传感器包括热电偶、流量计、太阳能辐照仪、风速仪等，采集器包括温度采集和模拟量采集两种设备。系统使用了阿尔泰公司的 R3058 模拟量采集器和 R3038 温度采集器两种设备，传输部分的 GPRS 模块完成对采集器的信号指令下达及指令响应，并将数据利用 GPRS 模块传输至Internet 传输数据中心。数据中心由设备管理模块、数据服务中心及数据浏览模块，数据服务中心完成对采集器的信号指令下达。本系统主要采用成熟的硬件搭建，软件通过自主开发和二次开发结合。软件部分实现采集器的配置和管理、数据收集和浏览等，其中浏览数据采用 B/S 结构，方便数据查询硬件由数据中心服务器、上位机（具有 GPRS 功能的传输设备）采集器（RTU）和各种传感器及水表等四部分组成。数据中心是具备互联网服务功能的服务器，主要完成数据的接收、存储上位机通过 ModBus 协议与采集器通信，对数据包进行拆封通过 GPRS-Internet 传输数据到数据中心，上位机采用阿尔泰R8019DTU 设备，该设备有 1 个 485 接口，通过 GPRS 传输数据，可通过上位机软件对设备进行配置。如图所示。每个采集器（RTU）设备都有唯一地址，地址可通过上位机软件修改保证数据传输的正确性。采集器与传输设备之间连接如图 2 所示

1.2 通信

通信是数据采集系统正常工作的保证，设备之间的稳定通信决定了采集数据的质量。本系统中上位机与下位机之间的通信采用 ModBus 协议。ModBus 协议是一种标准的工业通信协议，ModBus 协议在一根通信线上使用主从应答式连接（半双工）可实现主从式的串行数据传输 [2]。主设备即上位机，可按照设定的时间间隔向从设备即下位机发送包含采集器地址和通信要求的命令格式，采集器接到主站的命令帧并通过CRC 检验后，先将命令帧包含的从站地址与本站地址进行比较，如果地址一致采集器对该指令进行解析，并按命令帧中的通信组织和装配响应向主站回传，实现主从站的通信上位机采用轮询方式与下位机通信，通信流程如图 3 和图 4 所示

1.3 应用

应用模块由项目管理、采集点管理、数据查询和用户管理组成，其结构如图 5 所示。项目管理由项目添加、项目修改、项目删除组成，数据查询由按节点和时间查询组成，用户管理由用户添加、用户修改和用户删除组成。

系统数据模块用 Microsoft Visual Studio 2008 开发，主要实现设备管理、数据存储功能。上位机主动通过 GPRSInternet 的传送方式将采集到的数据按设定时间间隔通过Internet 传达到数据中心，数据中心将数据包处理后，按数据格式要求储存到数据库中。为确保数据存储的量和数据库的性能，系统数据库采用微软公司的 SQL Server2008，其结构如图 6 所示。

图 5 数据模块功能结构图

图 6 系统 ky_data 数据库表

系统实现数据查询、数据导出等功能， 数据可通过Excel 软件进行分析。系统采用 B/S 结构，通过数据分析发现科研采集的问题，减少采集故障，提高科研效率

2 结 语

在地广人稀的青藏地区充分利用移动通信网络采用ModBus-GPRS 采集数据，成本低，效率高，是在科研人员相对较少的情况下一种有效的解决手段，并符合采集的实际需要。当然，系统仍存在诸多不足之处，尚没有实现采集数据异常警告等功能。团队成员思考如何通过软件技术、通信技术等技术手段结合物联网的思维搭建一个硬件可自由组合终端设备，软件参数可灵活使用，并通过数据挖掘技术使数据发挥更好的作用的科研数据采集平台，来推动科研向前发展，是本团队下一步的目标