文章根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三種應用架構并結合數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的體系結構,設計了一種新型數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的實現(xiàn)方案相比,該方案的通信組網(wǎng)有明顯的優(yōu)勢。

　　1 引言
 

　　物聯(lián)網(wǎng)(TheInternetofthings)，即通過射頻識別(RFID)、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡，通俗的說就是可實現(xiàn)“感知世界”的網(wǎng)絡。

　　數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)即SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系統(tǒng)，是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調節(jié)以及各類信號報警等各項功能，也就是實現(xiàn)在具體應用領域的“感知”。

　　隨著網(wǎng)絡與通信技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術必將促進SCADA系統(tǒng)體系結構的變革與升級，使SCADA系統(tǒng)的應用領域越來越廣，除了在傳統(tǒng)的供水、供氣、環(huán)保、能源、軌道交通、機場、鐵路、電力、石油、石化等行業(yè)外，在大眾的日常工作生活及其它各種領域中也將得到廣泛應用，最終使SCADA這一物聯(lián)網(wǎng)的垂直具體應用系統(tǒng)真正發(fā)展成為“感知世界”的智慧網(wǎng)。

　　2 物聯(lián)網(wǎng)的三種應用架構

　　物聯(lián)網(wǎng)把新一代IT技術充分運用于各行各業(yè)中，使物理世界與信息世界相聯(lián)結。物聯(lián)網(wǎng)應用有三種架構：

　　(1)基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)應用架構電子標簽可能是三類技術體系中能夠最靈活地把“物”改變成為智能物件的，其主要應用是把移動和非移動資產貼上標簽，實現(xiàn)各種跟蹤和管理。

　　(2)基于傳感網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)應用架構主要是指無線傳感網(wǎng)絡(WSN,WirelessSensorNetworks)，WSN由分布在自由空間里的一組“自治的”無線傳感器組成，共同協(xié)作完成對特定周邊環(huán)境狀況，包括溫度、濕度、化學成分、壓力、聲音、位移、振動、污染顆粒等的監(jiān)控。WSN中的一個節(jié)點(或叫Mote)一般由一個無線收發(fā)器、一個微控制器和一個電源組成。WSN一般是自治重構(Ad-Hoc或Self-Configuring)網(wǎng)絡，包括無線網(wǎng)狀網(wǎng)(MeshNetworks)和移動自重構網(wǎng)(MANET)等。

　　(3)基于M2M的物聯(lián)網(wǎng)應用架構業(yè)界認同的M2M理念和技術架構覆蓋的范圍應該是最廣泛的，包含有線和無線兩種通信方式。

　　M2M覆蓋和拓展了工業(yè)信息化(兩化融合)中傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)。

　　3 新型SCADA系統(tǒng)設計

　　3.1 傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)

　　一般SCADA系統(tǒng)由監(jiān)控中心、通訊網(wǎng)絡和遠程數(shù)據(jù)采集終端組成。監(jiān)控中心即數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)，也稱上位機HMI(HumanMachineInterface)——人機界面系統(tǒng)由軟件和硬件組成，其中硬件主要包括服務器、管理員站和操作員站，軟件采用專用的SCADA系統(tǒng)軟件。SCADA系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡大體可以分為兩類：

　　有線和無線。遠程數(shù)據(jù)采集終端，即各種智能數(shù)據(jù)采集設備，也就是通常所說的下位機，如各種RTU、PLC及各種智能控制設備等。SCADA系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示：

　　SCADA系統(tǒng)已經(jīng)從最初的主機控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)，發(fā)展到了今天的網(wǎng)絡化的控制系統(tǒng)。SCADA也從專有協(xié)議的封閉系統(tǒng)演變?yōu)橐砸蕴W(wǎng)和TCP/IP協(xié)議為主流的開放系統(tǒng)。3.2 新型SCADA系統(tǒng)設計

　　根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三種應用架構，結合SCADA系統(tǒng)的體系結構，在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的今天，SCADA系統(tǒng)的結構、通信網(wǎng)絡、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端都會發(fā)生新的變化。

　　(1)監(jiān)控中心

　　監(jiān)控中心由硬件設備和應用軟件組成。

　　硬件設備：在滿足網(wǎng)絡功能要求的前提下，采用云計算概念，主要功能在服務器上完成，用云終端代替操作員站與管理員站的計算機，簡化操作員站與管理員站的硬件設備，提高系統(tǒng)的安全性、可靠性，便于系統(tǒng)功能與規(guī)模的擴充。

　　應用系統(tǒng)軟件：在滿足一般使用要求的前提下，需要強大的網(wǎng)絡功能，由傳統(tǒng)點到點的SCADA系統(tǒng)發(fā)展為端到端的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議架構系統(tǒng)。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的今天，應設計以下功能：

　　◆支持PDA、智能手機作為操作終端

　　SCADA系統(tǒng)軟件直接支持智能手機作為操作終端。

　　這使得SCADA的使用范圍從監(jiān)控室擴大到任何手機網(wǎng)絡可以到達的區(qū)域。

　　◆遠程組態(tài)和維護技術：SCADA系統(tǒng)的組態(tài)采用B/S結構，B/S結構即瀏覽器/服務器結構的軟件，可提供很強的遠程維護支持，大大降低項目實施和維護的成本。

　　◆多種的權限管理：傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)的操作員是限定在很少的幾個人，而現(xiàn)在SCADA系統(tǒng)是面向全企業(yè)不同層面、不同部門的人員提供服務的網(wǎng)站發(fā)展，這就要求SCADA軟件具有多種權限支持。

　　◆視頻與工業(yè)數(shù)據(jù)一體化：將現(xiàn)場視頻與SCADA調度系統(tǒng)集成在一起，突出了調度決策的現(xiàn)場感知效果。

　　(2)通訊網(wǎng)絡

　　兼容多種通信模式，如將無線專網(wǎng)、GPRS/CDMA/3G、光纖網(wǎng)及衛(wèi)星網(wǎng)等，通過物聯(lián)網(wǎng)通信技術，實現(xiàn)各種應用網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，真正組成一個可連接各種感知終端的有機通信網(wǎng)絡平臺。

　　(3)遠程數(shù)據(jù)采集終端

　　根據(jù)需要選用WSN/Wi-Fi等無線組網(wǎng)方式，增加現(xiàn)場組網(wǎng)的靈活性。

　　應具有很強的通訊能力，自帶以太網(wǎng)接口，在監(jiān)控現(xiàn)場根據(jù)不同的采集對象選擇不同的組網(wǎng)方式：對于數(shù)據(jù)采集，利用WSN無線傳感器網(wǎng)絡采集比較分散的傳感器;對于視頻采集，利用Wi-Fi無線組網(wǎng)。無論采用哪種無線組網(wǎng)方式均能減少布線、施工的工作量。

　　WSN無線傳感器網(wǎng)絡具有以下優(yōu)點：

　　◆成本低：WSN節(jié)點采用嵌入式處理器和存儲器，就單個節(jié)點而言，硬件成本是較低的。WSN采用開放的簡化ZigBee協(xié)議棧，工作在2.4GHz免執(zhí)照的ISM頻段。

　　◆對等網(wǎng)絡多冗余、高可靠性：WSN沒有嚴格的控制中心，所有節(jié)點地位平等，是一個對等式網(wǎng)絡。節(jié)點可以隨時加入或離開網(wǎng)絡，任何節(jié)點的故障不會影響到整個網(wǎng)絡的運行，具有很強的抗毀性。

　　◆組網(wǎng)能力強：支持樹狀、星狀、網(wǎng)狀等多種組網(wǎng)方式，網(wǎng)絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網(wǎng)絡設施，節(jié)點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調各自的行為，節(jié)點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡。

　　◆多跳(Multi-hop)路由：WSN節(jié)點通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十米到幾百米，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡節(jié)點完成的。利用WSN組網(wǎng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端拓撲圖如圖2所示：

　　4系統(tǒng)功能

　　根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術的應用發(fā)展，SCADA系統(tǒng)的主要功能為：

　　(1)數(shù)據(jù)采集：采集遠程端站的數(shù)據(jù)。

　　(2)報表功能：具有年、月、周、日報表及打印。

　　(3)GIS功能：地圖功能。

　　(4)具有多種通信方式：有線/無線，專網(wǎng)/公網(wǎng)等。

　　(5)數(shù)據(jù)處理：根據(jù)需要做數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計等。

　　(6)報警處理：報警信息的處理。

　　(7)信息預測分析：一些消耗量的預測分析。

　　(8)設備管理：端站設備的安裝時間、位置、故障日期等信息。

　　(9)設備控制、監(jiān)測。

　　(10)事件日志。

　　(11)圖表分析。

　　(12)參數(shù)查看：查看實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，用戶可以查看所有端站每時每分采集的各項數(shù)據(jù)，并具有查詢此企業(yè)某時間點或時間段內的數(shù)據(jù)。

　　(13)組態(tài)功能：任意增加、刪除某一終端的信息;任意增加、刪除AI、DI、PI等參數(shù)的信息。

　　(14)查詢功能：以數(shù)據(jù)庫為核心，提供數(shù)據(jù)處理、查詢、備份等功能。

　　5結語

　　本文設計了新型的SCADA系統(tǒng)，突出了由傳統(tǒng)點到點的SCADA系統(tǒng)發(fā)展為端到端的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議架構系統(tǒng)的特點?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端采用無線傳感器組網(wǎng)模式，體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢。