石津灌區(qū)水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

李得龍 張樂為 王 歡

（河北省石津灌區(qū)管理局 河北 石家莊 050000）

石津灌區(qū)水情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用是從各類傳感器處獲得數(shù)據(jù)，并將處理好的結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中，以便綜合展示系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的提取和使用。

1 主要功能

1.1 采集。從常用的幾種傳感器中采集實(shí)測數(shù)據(jù)。傳感器電氣接口為RS485或最終轉(zhuǎn)化為RS485，通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換模塊連接至中心服務(wù)器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行于中心服務(wù)器上，根據(jù)各傳感器的通訊協(xié)議與傳感器進(jìn)行通訊并獲取數(shù)據(jù)，協(xié)議具體內(nèi)容可以參考附件。通信方式應(yīng)包括串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信。應(yīng)用串口通信時(shí)，服務(wù)器上安裝虛擬串口軟件，相當(dāng)于所有傳感器在一條485總線上，運(yùn)行時(shí)通過串口進(jìn)行通信；應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，傳感器端為Client端，服務(wù)器為Server端，傳感器端通過公網(wǎng)IP地址連接至服務(wù)器，運(yùn)行時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

1.2 處理。首先應(yīng)從接收到的通信碼中提取有效數(shù)據(jù)，然后計(jì)算出傳感器實(shí)際測得的數(shù)值，再根據(jù)用戶的需求對數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。程序在采集到數(shù)據(jù)后，要同時(shí)記錄采集時(shí)間，還要從通信碼中提取設(shè)備的地址值。

1.3 存儲。數(shù)據(jù)處理完畢后，要將設(shè)備地址、設(shè)備所在站點(diǎn)名稱(通過設(shè)備表查得)、采集時(shí)間、最終數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)狀態(tài)等項(xiàng)目存進(jìn)數(shù)據(jù)庫。存儲前要將最終數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，看其是否在正常的數(shù)值范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)存儲頻率默認(rèn)為2 min/次。系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)會(huì)越來越多，為了避免綜合展示系統(tǒng)運(yùn)行緩慢，程序需要考慮數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和存儲方式的問題。10min都沒有從某個(gè)傳感器處獲得數(shù)據(jù)，則自動(dòng)填入1條數(shù)據(jù)，存儲監(jiān)測數(shù)值外的其他內(nèi)容，在數(shù)據(jù)狀態(tài)中填入“故障”。在重新獲得數(shù)據(jù)之前不再存入此傳感器的數(shù)據(jù)。為減少數(shù)據(jù)庫的體積，監(jiān)測值和之前重復(fù)的數(shù)據(jù)不重復(fù)記錄，但要能保證通信狀態(tài)的判斷和歷史數(shù)據(jù)的查詢。存儲時(shí)要具備同時(shí)寫入多個(gè)數(shù)據(jù)庫的功能。

1.4 用戶自定義項(xiàng)目。用戶應(yīng)可以對以下參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：①采集周期，即對1個(gè)設(shè)備多久采集1次。②采集的設(shè)備，即對哪些設(shè)備進(jìn)行輪詢。③增減設(shè)備，用戶可以登記新設(shè)備和刪除已有設(shè)備，增減設(shè)備時(shí)對設(shè)備表做相應(yīng)的調(diào)整。④增加通訊協(xié)議，用戶確定的內(nèi)容包括發(fā)碼規(guī)則、收碼中數(shù)據(jù)位及字節(jié)數(shù)、數(shù)值計(jì)算規(guī)則。⑤存儲周期、各設(shè)備數(shù)值的正常范圍、顯示故障的限制時(shí)間。參數(shù)設(shè)定模塊需要加密。

2 數(shù)據(jù)庫中的主要字段

2.1 數(shù)據(jù)表。ID值、設(shè)備編號、站點(diǎn)名稱、采集值、采集時(shí)間、時(shí)間戳、數(shù)據(jù)狀態(tài)。數(shù)據(jù)表包括水位表、流量表、閘位表、雨量表等等，插入數(shù)據(jù)時(shí)按照測點(diǎn)類型分別插入。

2.2 設(shè)備表。設(shè)備順序號、設(shè)備編號、設(shè)備地址、設(shè)備類型、站點(diǎn)名稱、數(shù)據(jù)正常值范圍。

2.3 用戶表。ID值、用戶名、密碼、用戶姓名、所屬單位、權(quán)限、聯(lián)系方式等。

2.4 測點(diǎn)表。ID值、測點(diǎn)名稱、測點(diǎn)類型、測點(diǎn)位置、上級渠道、斷面參數(shù)、經(jīng)驗(yàn)公式。

3 底層設(shè)備接口協(xié)議

編寫程序時(shí)，必須根據(jù)底層設(shè)備的協(xié)議來進(jìn)行通訊和實(shí)現(xiàn)采集，系統(tǒng)中應(yīng)預(yù)先加入規(guī)范的接口協(xié)議，在添加設(shè)備時(shí)直接選擇與其對應(yīng)的協(xié)議即可。以最為常用的Modbus協(xié)議進(jìn)行說明。利用Modbus通訊協(xié)議的03功能碼，讀取儀表參數(shù)的數(shù)值。主機(jī)的命令格式為：從機(jī)地址、功能碼、起始地址、數(shù)據(jù)長度(1個(gè)數(shù)據(jù)長度為雙字節(jié)數(shù)即為16位)及CRC碼。從機(jī)響應(yīng)的命令格式為：從機(jī)地址、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)(讀N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)返回2N個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié))數(shù)據(jù)區(qū)及CRC碼。數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制碼，2個(gè)或4個(gè)字節(jié)，高位在前。CRC碼都是1個(gè)字節(jié)，低位在前。

3.1 信息幀格式(假設(shè)從機(jī)地址為01，均為十六進(jìn)制數(shù)據(jù))

3.1.1 主機(jī)發(fā)送。主機(jī)發(fā)送內(nèi)容見表1。T1表示每個(gè)幀頭和幀尾都要預(yù)留一定的總線靜止期，建議最少1 s，靜止期是保證儀表有時(shí)間對液位進(jìn)行測量。站號(地址)：1個(gè)字節(jié)“01”；功能碼：1個(gè)字節(jié)“03”，表示讀取指定寄存器的數(shù)據(jù)；起始地址：2個(gè)字節(jié)，其定義需要參考寄存器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表；讀取長度：2個(gè)字節(jié)，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)范圍，可取0001或0002，分別表示讀取2個(gè)字節(jié)和4個(gè)字節(jié)；CRC：循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，2個(gè)字節(jié)。

表1 主機(jī)發(fā)送內(nèi)容

3.1.2 從機(jī)應(yīng)答。從機(jī)應(yīng)答內(nèi)容見表2。定義與主機(jī)發(fā)送碼基本相同，真實(shí)數(shù)據(jù)值需要根據(jù)傳感器的定義進(jìn)行解析。

表2 從機(jī)應(yīng)答內(nèi)容

3.2 校驗(yàn)碼。校驗(yàn)碼在發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包中都會(huì)出現(xiàn)，其目的是檢測或校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸或者保存后可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，它是利用除法及余數(shù)的原理來做錯(cuò)誤偵測的。為盡量提高接收方收到數(shù)據(jù)的正確率，在接收方接收數(shù)據(jù)之前需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)檢測，當(dāng)且僅當(dāng)檢測的結(jié)果為正確時(shí)接收方才真正收下數(shù)據(jù)。檢測的方式有多種，常見的有奇偶校驗(yàn)、因特網(wǎng)校驗(yàn)和循環(huán)冗余校驗(yàn)等。

4 結(jié)語

采集系統(tǒng)的作用就是獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，供上層應(yīng)用系統(tǒng)使用。所以在編寫時(shí)，要深刻了解下層和上層接口的定義與邏輯，起到承上啟下的作用。