基于三重网络的远程测控系统设计

杜向党，张 宇，巩静静，石秀华

（西北工业大学航海学院，陕西 西安 710072）

0 引言

随着通信技术、网络技术和控制技术的发展，远程测控技术得到迅猛提高。远程测控的核心之一就是远程通信，实现远程通信的数据传输方式多种多样，而且随着通信技术、计算机技术的发展，新的传输方式也陆续出现[1-4]。在此，将长距离无线通信方式、短距离无线通信方式和有线通信方式结合起来，利用LabVIEW建立测控中心人机界面，对自来水厂各个点的数据进行显示处理，同时存入数据库，并由技术人员做出响应，实现对水厂各分站的远程测控。

1 系统总体设计

1.1 现场地理条件

系统是基于某山区集中供水系统的实际需要进行设计的。该集中供水系统位于山区，整个系统包含深井泵房、供水厂、1＃供水点、2＃供水点、1＃高位水池和2＃高位水池6个监控现场。其中1＃高位水池和2＃高位水池位于山上，远离居民区。6个测控现场分别位于不同的地点，水厂与测控中心间直线距离200m，1＃供水点与测控中心间直线距离2.4km，1＃供水点与1＃高位水池间直线距离1 km，深井泵房与测控中心间直线距离3.5km，2＃供水点与监控中心间直线距离4.2km，2＃供水点与2＃高位水池间直线距离1.1km。其中深井泵房主要设备为深井泵；供水厂、1＃加压泵房、2＃加压泵房3个分站均包含1对泵（一用一备）和1个蓄水池；1＃高位水池和2＃高位水池基本设备为1个蓄水池[5]。

1.2 系统功能分析

测控中心需根据测控数据对泵进行自动控制，实现供水系统的自动化，并将各个蓄水池液位、水泵电流、出水流量、出水压力、泵的运行状态、是否有故障以及软启动故障等数据传给测控中心，以便工作人员能够对整个系统进行监控。当系统出现故障时，要发出警报，提醒工作人员检修，保证整个集中供水系统安全运行，给用户提供用水保障。同时，完成测控界面的网络发布，省市县级水利部门、技术人员和维修人员等用户，只需在通用浏览器中输入测控界面网址，就可以实现对测控界面的远程访问。

1.3 总体设计

系统主要实现的功能有：供水数据与设备状态的实时采集；系统运行状态的实时监测与自动控制；错误报警提示；数据库管理；系统工作日志的邮件发送；对系统测控界面的远程访问。整个系统可以分为现场测控子系统、基于多重网络的远程通讯子系统和上位机监控软件3部分。

2 现场测控子系统设计

2.1 数据采集系统

数据采集系统用于采集现场设备的相关数据。根据需求分析，要采集的数据分为2类。一类是泵的相关信息，主要有泵的运行状态、水泵电流、是否有故障和是否有软启动故障，这4组数据直接由泵的控制主回路接入；另一类是传感器测得的数据，主要有蓄水池液位、出水流量和出水压力。因此，数据采集系统只需选用合适的传感器，来完成对蓄水池液位、泵的出水流量和出水压力的采集。

高位水池处于郊外，需要太阳能蓄电池供电。太阳能电池要同时为液位传感器和ZigBee模块供电，而液位传感器和ZigBee模块都是全天用电工作，需要的功耗比较大。然而这种方案所需的太阳能供电系统成本太高。为了解决上述问题，降低造价，系统降低了对高位水池蓄水池液位信息采集装置的要求。变采集模拟量为采集开关量，把液位信号的模拟量采集装置改成机械式的浮球开关，太阳能电池不需要为信号采集装置供电。浮球开关的开／关信号转换时，无线发射器才需要工作，其他时间处于待机状态。经过计算，这种方案所需的太阳能供电系统成本比较低。所以，系统选用UHC磁性液位传感器采集蓄水池液位；选用AO-100系列的标准壁挂外夹式超声波流量计；选用HBY201小型压力变送器作为压力传感器。

2.2 现场PLC控制器

现场PLC控制器主要用于实现对现场设备的自动控制。其主要功能为：将数据采集系统采集到的数据发送给上位机测控软件；执行上位机测控软件发来的控制命令，实现对现场设备的自动控制。自动控制系统的设计任务主要包括控制器的硬件选型和控制软件的开发[6]。

系统选用西门子S7-200系列的CPU 224XP，模拟量扩展模块选用EM231模拟量扩展模块，在确保能完成指定功能的同时也为后续的开发留足余量[7]。控制软件的主要功能有：采集现场数据；根据通讯协议将数据发送给上位机测控软件；接收上位机发来的控制命令，并完成相应的操作。

2.3 太阳能供电系统设计

系统中由于1＃高位水池和2＃高位水池位于远离居住区的山顶，至今未通市电。如果专门为系统架设输电线，成本过高，并且1＃高位水池和2＃高位水池的用电设备较少。综合考虑以上因素，系统采用太阳能蓄电池，为1＃高位水池和2＃高位水池的用电设备供电。

系统蓄电池采用FP12140（胶体）电池。其输出电压为12V，容量为14Ah；充电电压为14.60～14.80V；充电时间为8～12h；最大充电电流为3.5 A。根据当地太阳辐射强度计算，即使从11月起连续6个月光照不足，蓄电池未充满，最少容量仍有69.4%，即放电深度最大只有30.6%。同时，采用输出功率为10W的太阳能电池方阵，也能确保无线发射端在极端天气情况，以及电路损耗时正常工作。控制器采用SDRC型太阳能电源控制器。

3 基于多重网络远程通信子系统设计

通信系统主要用于上位机监控软件与下位机数据采集和自动控制系统之间的数据传输。具体结构如图1所示。为了方便技术人员及管理者能够随时随地对整个系统进行监控，系统提供网络访问功能，此为基于Internet的第1重网络。

图1 基于多重网络的远程通信系统

由于测控现场位于地形复杂的山区，布线费用较高，考虑到经济性问题，故采用无线通讯方式。各测控现场距离控制中心较远，宜采用长距离的无线数据传输方案，PLC通过DTU，使用GPRS实现与水厂监控系统的双向通讯，此为基于GPRS的第2重网络。

在系统较大、测控现场较多的情况下，如果每个测控现场都同时与监控中心直接通信，则可能会造成监控中心繁忙，容易出现错误，并且每路都需要按月支付GPRS网络使用费，使用成本较高，因此应考虑简化系统[8]。系统中1＃高位水池和2＃高位水池只需采集蓄水池的液位信息，只监不控，要实现的功能较简单，且蓄水池与高位水池距离较近，因此可在只监不控的非测控点与相邻的测控点间建立基于ZigBee的第3重网络，将采集到的液位信息就近传到相邻的测控现场控制器中，再与相邻监控现场中的数据一起传给测控中心。这样一来，就减少了三分之一的通讯链路，简化了系统、降低了成本。

3.1 基于Internet的远程通信系统设计

基于Internet的远程监控模块用于实现测控界面的远程访问。要实现这一功能，首先要实现对上位机服务器的远程访问。在Internet上，每台电脑或网络设备的IP地址是全世界惟一的，要想登陆一台网络设备，只要通过其IP地址进行登陆即可。大部分Internet用户分配的IP地址都是动态的，通过动态域名解析，可以使用固定的域名访问IP地址不断变化的服务器。系统选用“花生壳动态域名”来完成动态域名解析，首先申请域名，并激活花生壳服务，然后在服务器上运行花生壳软件，申请的域名就会指向花生壳软件所在的服务器。

解决了服务器的Internet远程访问的问题后，用LabVIEW Web Server将测控界面发布到网络中去。完成后，用户只需在通用浏览器中输入监控界面网址，就可以实现对测控界面的远程访问[9]。

3.2 基于GPRS的远程通信系统设计

GPRS无线通讯系统，主要用于完成上位机测控软件和测控点下位机控制器间的数据传输。系统主要分为硬件和软件2部分。硬件由DTU（数据传输单元）、天线以及串口线组成，软件部分由数据中心软件和虚拟串口软件组成。DTU支持数据中心为固定IP方式或动态IP加域名解析方式，因此只要将数据中心的固定IP地址或者域名通过其设置程序写入DTU中，并将DTU设置好后，给DTU卡槽中装入已开通GPRS无线上网业务的SIM卡，同时在监控中心运行DTU采集中心软件，DTU即可自动登录数据采集中心软件。数据中心软件分配给每个DTU一个端口号，然后用虚拟串口软件创建虚拟串口，并与此端口号一一对应，此时，上位机测控软件通过与虚拟串口的通信，就实现了与下位机间的通信。

3.3 基于ZigBee网络的近距离通信系统设计

基于ZigBee网络的近距离无线通信系统为第3重网络，用于将高位水池液位信息传给供水点控制器。其目的是在部分距离较近的分站之间建立ZigBee网络，测控中心只与控制分站交换数据，集中控制，有效地简化了网络。

ZigBee模块选用Digi公司的XBee-PRO DigiMesh 2.4嵌入式无线射频模块。高位水池与供水点间距离不超过1.2km，而此模块的户外传输距离为1.6km，完全满足系统要求。此模块采用DigiMesh网络协议，该协议为对等通信网络协议，提供大容量网络，支持路由器休眠，可延长电池供电网络的供电时间。

4 上位机远程监控软件开发

服务器上装载的程序主要有主测控程序、Web服务器、邮件服务器及数据库服务器。主测控程序用图形化编程软件LabVIEW编制，根据其功能将它分为4大部分。

4.1 通讯模块

VISA是NI公司与许多大公司成立的VXIplug＆play系统联盟开发的，通过它可与大多数机器总线连接，且稳定可靠。系统即通过它与串口进行通讯。进行串口通讯时需要初始化、发送／接收和关闭串口3个步骤。初始化时设置好串口号、波特率、数据位和停止位等值[10]。

4.2 数据库模块

数据库模块用于将采集到的数据及发出的命令实时地存入数据库，同时提供数据查询功能，利用LabSQL工具包可以很方便地完成这些功能。首先要建立一个数据源与已经建好的数据库连接起来，然后就可以通过LabSQL工具包对此数据库进行读写。读写过程分为建立连接、打开连接、读／写和关闭连接4个步骤[11]。

4.3 发邮件模块

工作日志以附件的形式定时发送。通过调用SMTP Email可以设置邮件服务器、收件人列表、邮件主题和邮件内容，同时还可以发送附件。收件人列表存入Excel表格中，通过调用“读取电子表格文件”来获取。当有外网邮箱时，只能在本机发送也就是IP地址必须是localhost。如果只有内网邮箱，服务器在本机时可以用localhost也可以用IP地址，服务器不在本机时只能用IP地址。

4.4 Web发布模块

Web发布模块用LabVIEW自带的Web服务器，将测控界面以网页的形式发布，工作人员只需知道服务器的IP地址，就可通过通用浏览器访问服务器上的监控界面。

5 结束语

介绍了一种基于B／S模式，将ZigBee无线通讯网络、GPRS和Internet网络结合起来的远程测控系统。针对测控点“整体分散、局部密集”的现象，构建三重通讯网络，扬长避短，最大化的发挥了3种通讯方式的优点。客户端只需安装通用浏览器即可访问服务器上的测控界面，方便实用。系统施工简单，便于维护、管理，成本较低。同时，对于一些地形复杂的偏远地区，供电架线难度大且成本高，可采用太阳能电池为能耗较低的ZigBee模块供电，节约能源，具有一定的推广意义。

[1]辛艳辉，袁合才.远程监控技术的应用研究进展[J].华北水利水电学院学报，2009，30（4）：78-79.

[2]马 涛.基于Internet的远程监控系统[D].北京：北京邮电大学，2009.

[3]郑红强.基于B／S结构的远程监控平台的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2010.

[4]蔡 型，张思全.短距离无线通信技术综述[J].现代电子技术，2004，（3）：65-67.

[5]巩静静.基于多重网络的远程监控系统设计[J].西安：西北工业大学，2012.

[6]西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[7]西门子（中国）优先公司.西门子s7-200用户使用手册[Z].

[8]杜向党，巩静静，赵喜锋，等.基于 GPRS和LabVIEW的山区水厂远程监控系统设计[J].测控技术，2012，31（2）：64-67.

[9]苏武荣，刘育琳.自己动手架设个人服务器[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[10]田 亚.基于ZigBee无线传感器网络系统设计与实现[D].上海：同济大学，2007.

[11]高守传.精通SQL—— 结构化查询语言详解[M].北京：人民邮电出版社，2007.