基于环保物联网的数据采集系统研究与设计

潘洪志

摘要：随着工业化和城镇化进程的加速， 伴随环境问题的日益严峻，环保物联网逐渐成为发展战略性新型环保产业的重要手段。本文通过分析数据采集的OPC通信协议和数据传输的DDP通信协议，设计了一个基于OPC/DDP的环境数据可视化分析系统。该系统有效解决了复杂环境下的数据采集和传输以及数据可视化展示，同时提高了环境自动监控的数据传输效率和质量。此外通过远程控制来优化环保治理设计工艺，同时为环保管理提供可靠的决策支持。

关键词：物联网;OPC;DDP;环境监控

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）25-0263-03

1 引言

随着我国经济的飞速发展，企业超标排污、生态环境质量恶化问题开始凸显。当资源环境问题逐渐成为制约经济发展的瓶颈时，各种环保政策、治污标准陆续走到台前;各种污染控制设备也相继被安装。物联网作为新的信息技术对促进经济发展具有重大的意义。因此，近些年政府逐步加大对物联网应用的研究的投入。在环保领域，物联网的应用还处于起步阶段，可是物联网在环保领域的应用将会对我国环保事业的发展具有很深远的影响。

在环境保护监测中应用物联网技术已经成为发展趋势[1]。传统的环保物联网系统多是采用单一的数据采集模式，数据采集形式单一，无法实现可靠的数据采集和传输，还有无法对采集数据进行高效的可视化展示。本文设计基于OPC/DDP的物联网的环境自动监控，采用安全可靠的数据采集与传输系统，对各类环境自动检测设备产生的数据进行智能采集与传输，数据存储和可视化，完成环境感知、数据传输、数据中心、服务支付四个阶段，为环境监管提供可靠的决策支持。

2 环保物联网技术简介及现状

环保物联网是指在传统环保行业引入自动化和信息化的技术来实现环境保护科学化管理的系统网络，通过综合应用传感器、全球定位系统、视频监控、卫星遥感、红外探测、射频识别等装置与技术，实时采集污染源、环境质量、生态等信息，构建全方位、多层次、全覆盖的生态环境监测网络[1]。推动环境信息资源高效、精准的传递，通过构建海量数据资源中心和统一的服务支撑平台，支持污染源监控、环境质量监测、监督执法及管理决策等环保业务的全程智能，从而达到促进污染减排与环境风险防范、培育环保战略性新型产业、促进生态文明建设和环保事业科学发展的目的[2]。

目前，国内外物联网已经在污染防治、生态保护等环境保护领域发挥着巨大作用，截至 2015 年上半年已对全国 32 个省、自治区的9 567家重点污染源实施了自动监控，实现了集实时监控、数据采集、异常报警和信息传输为一体的监控网络。江苏省已建设完成苏州地区重金属监测，太湖的蓝藻、氨氮、总氮监测[3]。山西省在七百多家重点排污企业建立了既监又控的系统，建成废气、废水、环保设施工矿监控点等5 098个，实现了自动监测、监视、控制的三位一体[4]。内蒙古自治区也建成了基于物联网理念的环保监控平台，实现了基于移动设备的环境应急和执法应用[5]。浙江省嘉善县也先后完成了“环保决策综合信息系统”“智能污染物总量控制系統”“环境自动监控系统”等 8 套环保物联网系统[6]。

3 系统设计与实现

3.1 远程监控系统的组成

环保设备远程监控系统是硬件与软件相结合的设备。其必须要具备对自动监测设备产生的监测数据和运行参数的采集、实时在线通讯、告警管理、远程控制、数据存储、设备数据查询、系统日志、设置等功能。同时还需要具有抗干扰能力强、故障快速处理、数据续传等功能。

本系统由设备层、网络层、应用层三个层次组成。环保设备远程监控系统框架如图1所示。

3.2 基于OPC/DDP的数据采集与传输子系统的设计

3.2.1 基于OPC的数据采集客户端的功能设计

数据采集客户端基于OPC开发，结构如图2。

数据采集客户端主要由三个部分组成。负责数据采集的OPC客户端、负责数据实时处理的数据管理模块、以及负责数据发送的RS232代理。

数据采集客户端采用C#编程，实现OPC客户端的流程一般包括对象的声明、服务器的连接、添加组和数据项以及数据的读取等。

客户端实现步骤：

1）.OPC客户端初始化。在Visual Studio开发环境中点击“项目”后选择“添加引用”。

2）.OPC对象的声明与服务器的连接，对象的声明就是对所需要的数据项进行定义。连接远程服务器必须要有远程服务器的IP地址和远程服务器的名称，然后连接到OPC服务器。

3）.创建组和添加数据项。首先创建组，然后设置组属性，包括组活动状态、组的更新时间等。最后添加数据项。

4）.OPC数据的读取。

3.2.2 DDP协议设计

DDP（DTU&DSC Communication Protocol）通信协议是DTU（Data Transfer Unit）和DSC（Data Serveice Center）之间的通信协议。DTU（Data Transfer Unit）， 将串口数据与IP数据进行转换的无线终端设备。DTU广泛应用于气象、水文水利、地质、环境监控等行业。其核心功能有2.TCP/IP协议栈、4.串口数据双向转换功能、.支持保持永久在线、.支持参数配置，永久保存。DSC（Data Serveice Center）是用于管理DTU与DTU进行数据收发的服务软件，它需要通过开发包中的动态库来完成和DTU之间的通讯。动态库包括了和DTU通讯所需要的全部API函数。

3.3 基于反向代理的跨域和会话保持的功能实现

3.3.1 反向代理概述

反向代理（Reverse Proxy）方式是通过代理服务器接收网络上的连接请求，然后将请求转发给网络中发送请求的客户端，此时该客户端就是一个代理服务器。

一般情况下代理服务器只用于代理内部网络对网络上的连接请求，客户端必须指定一个代理服务器。当一个代理服务器能够代理外部网络上的主机，访问内部网络时，这种代理服务的方式称为反向代理服务。

3.3.2 基于反向代理的跨域的功能

3.3.3 基于反向代理的会话保持功能

客户端与服务器经常需要通过多次的交互才能完成一次交互。因为交互行为与用户的身份是紧密相关的，所以，当客户端进行应用请求的时候，需要通过转发数据到另外一台服务器中，然而不能被负载均衡器转发至不同的服务器上进行处理。所以我们需要在负载均衡上配置会话保持（Session Persistence）机制。

3.4 远程监控系统的实现

远程监控系统实现了对环保数据的远程监控的功能，它分别完成了对现场数据的实时采集、数据的安全传输、数据存储、数据处理、数据管理等功能。在数据采集过程中，使用OPC架构完成数据的实时采集;通过DDP的通信协议，为客户终端设备和数据中心搭建一条无线通信链路，将数据发送到Kafka中，保证数据安全发送到数据中心。

在管理功能的实现中，采用B/S架构，利用bootstrap前端框架对设备、DTU、OPC采集客户端、数据的可视化等进行管理。利用反向代理技术解决了会话保持难题，同时加入身份验证。服务端在用户登录的时候设置一个经过AES加密的cookie信息，同时将这个值存储在Redis中，当用户再次请求时，会把这个带回来的cookie 信息进行解析，如果服务端能够正确解析，取出用户信息，则用户身份验证通过，然后查询用户的角色，通過角色查询用户的菜单列表和接口权限，验证用户当前请求的接口是否有权限。管理平台如图3所示，管理平台管理界面包含设备管理、协议管理、DTU管理、项目监控、系统管理等。在主界面里展示了DTU状态信息，所有的环保监测点的数据统计，异常情况的实时告警等信息。

4 结语

本文设计并实现了一个基于OPC/DDP的环保物联网远程监控系统。该系统不仅具有“跨域管理、会话保持、WEB发布”等特点，还具有远程控制、权限管理、预警处理、可视化展示等功能。实现了监控业务的信息化、网络化、一体化和规范化。然而，数据通过DDP协议是采用透传的模式，数据的完整性和安全性受到一定的限制，今后的工作将进一步改善协议规范，提高安全性。

参考文献：

[1] 汪先锋. 基于物联网的环境自动监控数据采集与传输系统架构设计与功能实现[J]. 中国环境管理， 2013（4）： 53-57.

[2] 张思兰，熊德明，梅绪东，何敏，张春.环保物联网在涪陵页岩气开发环境监管中的应用研究.环境科学与管理，2016，41（3）：15-18.

[3] 黄君，张虎军，江岚，等.太湖蓝藻水华预警监测综合系统的构建[J].中国环境监测，2015，31（1）：139-145.

[4] 李振，杜斌，彭林，等. 山西省污染源自动监控系统的设计与实现[J].中国环境监测，2012，28（3）：130-135.

[5] 康佳文，杨培林.内蒙古自治区环境信息化总体规划的战略构想研究[J].环境科学与管理，2015，40（6）：178-181.

[6] 邹霞芳，陆励群.嘉善县环境监控系统集成实现环保“精工细作”- 浙江省企业参与排污权交易意愿调查[J].环境保护，2010（9）：53-55.

【通联编辑：李雅琪】