?

文章根據物聯網的三種應用架構并結合數據采集與監控系統的體系結構,設計了一種新型數據采集與監控系統方案。該系統與傳統的實現方案相比,該方案的通信組網有明顯的優勢。

　　1 引言

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

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

　　隨著網絡與通信技術的發展，物聯網技術必將促進SCADA系統體系結構的變革與升級，使SCADA系統的應用領域越來越廣，除了在傳統的供水、供氣、環保、能源、軌道交通、機場、鐵路、電力、石油、石化等行業外，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這一物聯網的垂直具體應用系統真正發展成為“感知世界”的智慧網。

　　2 物聯網的三種應用架構

　　物聯網把新一代IT技術充分運用于各行各業中，使物理世界與信息世界相聯結。物聯網應用有三種架構：

　　(1)基于RFID的物聯網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，實現各種跟蹤和管理。

　　(2)基于傳感網絡的物聯網應用架構主要是指無線傳感網絡(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，共同協作完成對特定周邊環境狀況，包括溫度、濕度、化學成分、壓力、聲音、位移、振動、污染顆粒等的監控。WSN中的一個節點(或叫Mote)一般由一個無線收發器、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)網絡，包括無線網狀網(MeshNetworks)和移動自重構網(MANET)等。

　　(3)基于M2M的物聯網應用架構業界認同的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覆蓋和拓展了工業信息化(兩化融合)中傳統的SCADA系統。

　　3 新型SCADA系統設計

　　3.1 傳統SCADA系統

　　一般SCADA系統由監控中心、通訊網絡和遠程數據采集終端組成。監控中心即數據處理和顯示系統，也稱上位機HMI(HumanMachineInterface)——人機界面系統由軟件和硬件組成，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系統軟件。SCADA系統通訊網絡大體可以分為兩類：

　　有線和無線。遠程數據采集終端，即各種智能數據采集設備，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系統的網絡拓撲結構如圖1所示：

?

　　SCADA系統已經從最初的主機控制系統、分布式控制系統，發展到了今天的網絡化的控制系統。SCADA也從專有協議的封閉系統演變為以以太網和TCP/IP協議為主流的開放系統。

　 ? ?3.2 新型SCADA系統設計

　　根據物聯網的三種應用架構，結合SCADA系統的體系結構，在物聯網發展的今天，SCADA系統的結構、通信網絡、現場數據采集終端都會發生新的變化。

　　(1)監控中心

　　監控中心由硬件設備和應用軟件組成。

　　硬件設備：在滿足網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，提高系統的安全性、可靠性，便于系統功能與規模的擴充。

　　應用系統軟件：在滿足一般使用要求的前提下，需要強大的網絡功能，由傳統點到點的SCADA系統發展為端到端的互聯網協議架構系統。在物聯網發展的今天，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的使用范圍從監控室擴大到任何手機網絡可以到達的區域。

　　◆遠程組態和維護技術：SCADA系統的組態采用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SCADA系統的操作員是限定在很少的幾個人，而現在SCADA系統是面向全企業不同層面、不同部門的人員提供服務的網站發展，這就要求SCADA軟件具有多種權限支持。

　　◆視頻與工業數據一體化：將現場視頻與SCADA調度系統集成在一起，突出了調度決策的現場感知效果。

　　(2)通訊網絡

　　兼容多種通信模式，如將無線專網、GPRS/CDMA/3G、光纖網及衛星網等，通過物聯網通信技術，實現各種應用網絡的互聯互通，真正組成一個可連接各種感知終端的有機通信網絡平臺。

　　(3)遠程數據采集終端

　　根據需要選用WSN/Wi-Fi等無線組網方式，增加現場組網的靈活性。

　　應具有很強的通訊能力，自帶以太網接口，在監控現場根據不同的采集對象選擇不同的組網方式：對于數據采集，利用WSN無線傳感器網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。無論采用哪種無線組網方式均能減少布線、施工的工作量。

　　WSN無線傳感器網絡具有以下優點：

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

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

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

　　◆多跳(Multi-hop)路由：WSN節點通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十米到幾百米，節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點進行通信，則需要通過中間節點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網絡節點完成的。

　　利用WSN組網的現場數據采集終端拓撲圖如圖2所示：

?

　　4系統功能

　　根據物聯網技術的應用發展，SCADA系統的主要功能為：

　　(1)數據采集：采集遠程端站的數據。

　　(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/公網等。

　　(5)數據處理：根據需要做數據分析、統計等。

　　(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、監測。

　　(10)事件日志。

　　(11)圖表分析。

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

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

　　(14)查詢功能：以數據庫為核心，提供數據處理、查詢、備份等功能。

　　5結語

　　本文設計了新型的SCADA系統，突出了由傳統點到點的SCADA系統發展為端到端的互聯網協議架構系統的特點。現場數據采集終端采用無線傳感器組網模式，體現了物聯網的優勢。

?