嵌入式wince的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嵌入式wince的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0scda系統(tǒng)簡(jiǎn)介隨著電氣系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展，嵌入式技術(shù)廣泛應(yīng)用于電氣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)裝置、設(shè)備檢測(cè)、配送控制等領(lǐng)域，其中最典型的是數(shù)據(jù)采集和監(jiān)督系統(tǒng)，即scada（系統(tǒng)的客觀監(jiān)督和數(shù)據(jù)測(cè)量）。SCADA是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。在電力系統(tǒng)中,能夠提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)效益,減輕調(diào)度員的負(fù)擔(dān),實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度自動(dòng)化與現(xiàn)代化提高調(diào)度的效率和水平。本系統(tǒng)主要針對(duì)電力系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)監(jiān)控,系統(tǒng)向下將數(shù)據(jù)采集組件采集到的下位機(jī)數(shù)據(jù)存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件,向上通過(guò)界面組件顯示各類信息,或者通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)布組件響應(yīng)上位機(jī)的請(qǐng)求,返回上位機(jī)所需要的信息。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)的硬件環(huán)境本系統(tǒng)采用的是研華公司的和Broadwin公司聯(lián)合推出一種全新的監(jiān)控系統(tǒng)—UNO-2059+XPEmbedded+WebAccess組態(tài)軟件。UNO-2059它彌補(bǔ)了嵌入式系統(tǒng)和工控機(jī)監(jiān)控方案這兩種方案各自的不足,整合了這兩種方案的優(yōu)點(diǎn)。UNO-2059的硬件環(huán)境是:(1)CPU:GX1-300MHz,帶64MBRAM(2)串口:4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS-232,自動(dòng)數(shù)據(jù)流控制(3)2個(gè)USB端口和1個(gè)PC插槽(4)1個(gè)10/100Base-TRJ45端口(5)ADAMI/O和無(wú)線PCMCIA模塊(6)操作系統(tǒng):WindowsCE.NET(7)驅(qū)動(dòng)程序支持:Modbus/RTU與ModBus/TCPUNO-2059+XPEmbedded+WebAccess是一種全新的監(jiān)控解決方式,大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,其體積小的特點(diǎn)加上高速的圖形處理能力、完整的通訊方式、強(qiáng)大的組網(wǎng)功能及遠(yuǎn)程通訊能力、遠(yuǎn)程診斷維護(hù),以及出色的防塵抗震能力,使其不僅完全勝任工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域,而且在一些自然環(huán)境惡劣的地方具有不可替代的作用。尤其適合應(yīng)用于水情、智能小區(qū)等大型網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控項(xiàng)目的無(wú)人監(jiān)控站中。目前這套方案已經(jīng)成功應(yīng)用于水利、樓宇、城市管網(wǎng)等行業(yè)中。1.2過(guò)通信模塊監(jiān)控本系統(tǒng)主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測(cè)量以及各類信號(hào)報(bào)警等功能。該系統(tǒng)通過(guò)通信模塊向下采集下位機(jī)數(shù)據(jù)存人實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件中,向上與上位機(jī)交互,通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的電力設(shè)備,并通過(guò)指令操作控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,達(dá)到監(jiān)控的目的。同時(shí)該系統(tǒng)加入了雙機(jī)熱備的功能,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。是系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。1.3歷史和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控本系統(tǒng)采用基于組件的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)按照功能可以劃分為多個(gè)組件,組件按照組件分層體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成。本系統(tǒng)的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。結(jié)構(gòu)圖從上到下分為3層:表示層、數(shù)據(jù)層和通信層。各子系統(tǒng)的基本功能以及子系統(tǒng)間的交互關(guān)系描述如下。(1)C2000組件:完成編碼轉(zhuǎn)換公式以及程序的解釋執(zhí)行;(2)工程初始化組件:在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)初始化工程文件配置信息,供其他組件使用;(3)通信組件:通信組件是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源,它向下與各個(gè)子站通信,收發(fā)報(bào)文,完成四遙(遙控,遙調(diào),遙測(cè),遙信)功能;向上為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件提供變量的實(shí)時(shí)值,以及接收從其他組件發(fā)送過(guò)來(lái)的遙控和遙調(diào)指令;(4)數(shù)據(jù)發(fā)布組件:本組件通過(guò)使用各種協(xié)議適配器與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。對(duì)內(nèi),數(shù)據(jù)發(fā)布組件與通信組件交互,獲取外部系統(tǒng)請(qǐng)求的變量的報(bào)文值,或者向通信組件轉(zhuǎn)發(fā)外部系統(tǒng)的指令,由通信組件下發(fā)給各子站;(5)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)組件:歷史數(shù)據(jù)服務(wù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和分發(fā)各種歷史數(shù)據(jù),包括所有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上傳數(shù)據(jù)(遙測(cè)、遙信),報(bào)警記錄、用戶日志、系統(tǒng)日志、PDR數(shù)據(jù)、故障錄波數(shù)據(jù)等等。其它組件通過(guò)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)接口訪問(wèn)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù);(6)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)負(fù)責(zé)傳輸和分發(fā)各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),包括所有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上傳數(shù)據(jù)(遙測(cè)、遙信)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)使用歷史數(shù)據(jù)服務(wù)組件接口一方面定期將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中,另一方面將事件記錄等存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù);(7)數(shù)據(jù)字典:包括歷史數(shù)據(jù)字典和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)字典,完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查看功能。(8)子站狀態(tài)查看組件:查看子站狀態(tài),完成子站登陸卸載掛牌摘牌功能。(9)系統(tǒng)事件查看組件:完成系統(tǒng)日志,歷史報(bào)警等歷史數(shù)據(jù)的查看。(10)界面組件:主要提供監(jiān)控界面、四遙操作,通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件獲取要監(jiān)視的數(shù)據(jù)。(11)報(bào)警組件:報(bào)警組件用于處理各種報(bào)警(包括條件報(bào)警、故障錄波、PDR)并為報(bào)警提供窗口滾動(dòng)顯示報(bào)警等報(bào)警輸出方式;報(bào)警組件循環(huán)檢測(cè)報(bào)警條件判斷是否有警情發(fā)生;產(chǎn)生的各種報(bào)警由報(bào)警組件輸出給用戶;(12)雙機(jī)熱備組件:雙機(jī)熱備采用主從方式。需要同步的數(shù)據(jù)包括所有的歷史數(shù)據(jù)和整幀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同步。這里幀的概念是某時(shí)刻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中所有的數(shù)據(jù)。2軟件連接2.1做好報(bào)文的采集、解釋和轉(zhuǎn)發(fā)通信是本系統(tǒng)一個(gè)最基本也是最重要的功能,主要由通信組件來(lái)完成。通信組件是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),主要完成數(shù)據(jù)的采集、協(xié)議的解釋和轉(zhuǎn)發(fā)。它從不同協(xié)議的不同子站采集數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)協(xié)議解釋后將報(bào)文解讀,從中獲取變量的報(bào)文值,并將報(bào)文值存在本地緩存數(shù)據(jù)庫(kù)中,并和本地緩存數(shù)據(jù)庫(kù)中的最新的報(bào)文值比較,如果不相同,則將報(bào)文值轉(zhuǎn)化為實(shí)際值,上送到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件,否則不進(jìn)行轉(zhuǎn)化,不上送。該過(guò)程如圖3所示。2.2遙界面的實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面組件。界面的實(shí)現(xiàn)采用EmbeddedVisualC++4.0作為開(kāi)發(fā)環(huán)境,采用MFC圖形庫(kù)作為開(kāi)發(fā)界面的語(yǔ)言。在界面組件中,監(jiān)控界面由控件、圖元、儀表、圖標(biāo)、圖形等界面元素組成。各類界面元素被賦予相應(yīng)的功能,以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備變量實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。該組件主要完成四遙功能(遙控、遙調(diào)、遙測(cè)、遙信)。四遙界面中,主要是控件類元素,部分控件可以監(jiān)測(cè)變量,部分控件可以遙調(diào)和遙控,實(shí)現(xiàn)指令的下發(fā)。為了使監(jiān)控界面更美觀,更人性化,本系統(tǒng)還用到了圖元、圖標(biāo)、圖形等界面元素,圖標(biāo)、圖形可以動(dòng)態(tài)切換,因此可以形象地監(jiān)測(cè)某個(gè)變量的情況,圖元可以根據(jù)數(shù)據(jù)量的變化動(dòng)態(tài)填充,形象地顯示數(shù)據(jù)的變化情況。界面組件實(shí)現(xiàn)的界面元素圖元,圖標(biāo),圖形如圖4所示。界面元素是系統(tǒng)監(jiān)控功能和人機(jī)界面的一個(gè)較豐富和較集中體現(xiàn)。界面元素可以實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)并刷新數(shù)據(jù)。界面信息用文件存儲(chǔ)以便讀取。為了規(guī)范性和兼容性,界面文件(包含界面元素信息)用XML文檔格式存儲(chǔ)和讀取。界面元素類設(shè)計(jì)形式如下:界面組件分別提供初始化接口和銷毀接口Initialize()和Destroy()。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)后,當(dāng)用戶點(diǎn)擊窗口菜單欄中的某個(gè)菜單項(xiàng)時(shí),界面組件會(huì)解析相應(yīng)的記錄窗口信息的xml文件,然后將解析得到的界面元素顯示出來(lái),由界面元素完成對(duì)數(shù)據(jù)的顯示和刷新。此外,本系統(tǒng)還利用其他的方式顯示數(shù)據(jù)。如子站狀態(tài)查看組件,數(shù)據(jù)字典查看組件,系統(tǒng)事件查看組件,都是以EVC4.0作為開(kāi)發(fā)環(huán)境,以MFC庫(kù)作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言而實(shí)現(xiàn)特定功能的用戶界面。2.3高效數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)本系統(tǒng)使用了歷史數(shù)據(jù)服務(wù)組件和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件來(lái)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能。在系統(tǒng)初始化的時(shí)候,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件初始化xml格式的配置文件,在內(nèi)存中建立好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件操作的是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的只是某個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù),不方便用戶日后查看數(shù)據(jù)。因此,本系統(tǒng)使用了歷史數(shù)據(jù)服務(wù)組件。歷史數(shù)據(jù)服務(wù)組件以嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite3.0作為數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)。在系統(tǒng)初始化階段,歷時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立存儲(chǔ)設(shè)備的各類變量的數(shù)據(jù)表,在系統(tǒng)啟動(dòng)后,定時(shí)的轉(zhuǎn)存來(lái)自實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件的數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)服務(wù)組件的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的持久化功能,為用戶以后進(jìn)行數(shù)據(jù)查看及趨勢(shì)分析提供了極大的方便。2.4通信組件的發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)布組件完成PC(上位機(jī))機(jī)與通信組件交互,獲取外部系統(tǒng)請(qǐng)求的變量的報(bào)文值,或者向通信組件轉(zhuǎn)發(fā)外部系統(tǒng)的指令,由通信組件下發(fā)給各子站。數(shù)據(jù)發(fā)布組件使用的通信協(xié)議是MODBUS(包括RTU和TCP)協(xié)議,MODBUS/TCPServer使得用戶可以通過(guò)以太網(wǎng)和下位機(jī)進(jìn)行通信。圖5是數(shù)據(jù)發(fā)布組件的交互圖。2.5系統(tǒng)執(zhí)行功能Web發(fā)布組件的功能是使用戶能夠通過(guò)Internet在瀏覽器中查看電力系統(tǒng)的工程窗口的內(nèi)容和數(shù)據(jù)刷新、四遙操作;查看歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)事件、報(bào)警和狀態(tài)信息。Web發(fā)布組件的對(duì)象分析模型如圖6所示。Web發(fā)布組件的實(shí)現(xiàn)機(jī)制是利用進(jìn)程間通信和共享內(nèi)存的方法。Web發(fā)布進(jìn)程通過(guò)訪問(wèn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)組件的數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)顯示在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)字典和歷史數(shù)據(jù)字典界面上。2.6雙機(jī)熱備組件從廣義上講,雙機(jī)熱備(雙機(jī)容錯(cuò))就是對(duì)于重要的服務(wù)使用兩臺(tái)服務(wù)器,互相備份,共同執(zhí)行同一服務(wù)。當(dāng)一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí),可以由另一臺(tái)服務(wù)器承擔(dān)服務(wù)任務(wù),從而在不需要人工干預(yù)的情況下,自動(dòng)保證系統(tǒng)能持續(xù)提供服務(wù)。雙機(jī)熱備由備用的服務(wù)器解決了在主服務(wù)器故障時(shí)服務(wù)不中斷的問(wèn)題。將雙機(jī)熱備用于嵌入式應(yīng)用程序是本系統(tǒng)的一個(gè)擴(kuò)展和創(chuàng)新。本系統(tǒng)的雙機(jī)熱備組件有如下特點(diǎn)。(1)組件支持主從方式的雙機(jī)冗余,而且兩機(jī)的身份是對(duì)等的,即在某一時(shí)刻系統(tǒng)中只存在一個(gè)是主機(jī)和另一個(gè)是備份機(jī)。(2)在正常運(yùn)行時(shí),主機(jī)正常工作,備份機(jī)則只檢測(cè)主機(jī)的心跳,檢測(cè)心跳的方式有兩種:通過(guò)以太網(wǎng)(雙網(wǎng))或者通過(guò)串口;(3)如果備份機(jī)發(fā)現(xiàn)主機(jī)沒(méi)有了心跳,則立即轉(zhuǎn)換為正常工作狀態(tài),變成主機(jī),保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行;(4)此時(shí),原來(lái)的主機(jī)再次啟動(dòng)后則變成備份機(jī)。主備之間的切換是自動(dòng)的和實(shí)時(shí)的;備份機(jī)不與設(shè)備通信。當(dāng)備份機(jī)變?yōu)橹鳈C(jī)時(shí),會(huì)執(zhí)行如下操作:備份機(jī)通知實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件,本地備份機(jī)轉(zhuǎn)成主機(jī)(記錄歷史數(shù)據(jù)庫(kù));開(kāi)始向設(shè)備發(fā)送報(bào)文,接收設(shè)備返回報(bào)文;通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件向其他子系統(tǒng)傳送變量的最新值。3遙監(jiān)控界面為了更好地適應(yīng)用戶的需求,本系統(tǒng)與以往的嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)相比,主要在以下幾個(gè)方面作了改進(jìn)。(1)多樣化、人性化的監(jiān)控界面。為了方便用戶更好地操作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,設(shè)計(jì)了多樣化的監(jiān)控界面。四遙監(jiān)控界面如圖7所示。(2)將Web發(fā)布用于嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)也是本系統(tǒng)的一大特色。該功能使得用戶能夠通過(guò)Internet在瀏覽器中查看電力系統(tǒng)的工程窗口的內(nèi)容和數(shù)據(jù)刷新、四遙操