嵌入式可编程单点多发智能型数据采集传输仪研究

曲国利， 吴 云， 徐改花， 陈 林

(1. 淄博市环境监测站，山东淄博 255000；2. 江苏三希科技股份有限公司，江苏南京 210002)



嵌入式可编程单点多发智能型数据采集传输仪研究

曲国利1， 吴 云2*， 徐改花2， 陈 林2

(1. 淄博市环境监测站，山东淄博 255000；2. 江苏三希科技股份有限公司，江苏南京 210002)

摘要为了有效解决自动监测设备通信规约不一致、数据采集传输、监测设备反控受限等问题，研究开发了可编程单点多发智能型数据采集传输仪。从数据采集传输仪的硬件设计、软件架构及原理、主要功能和技术参数等方面进行了深入阐述，提出了智能(自动)匹配多种环境监测设备通讯协议、实现多协议多目标并行数据发送、通过有线或无线网络实现远程动态注入控制指令、支持现场设备DCS工况组态(流程)模拟等4大创新点。

关键词可编程;单点多发;智能匹配多协议;远程反控;组态模拟

一般环境监测站点位置分散，分布范围广，且大多设置在环境较恶劣的地区。非在线式监测方式无法实现数据共享、在线测量和远程控制，对环境质量的恶化以及污染源污染物的超标排放等突发情况难以掌握，具有明显的缺点[1]。数据采集传输仪是现场仪表与上位机系统的连接仪器，它可通过数字通道、模拟通道、开关量通道采集监测仪表的监测数据、状态等信息，然后通过传输网络将数据、状态传输至上位机；同时也可以接收上位机通过传输网络发送的控制命令，控制监测仪表的工作，在现代环境监测系统中起着至关重要的作用[2-5]。

数据采集传输仪的开发普遍存在2个问题：一是监测设备通讯规约不统一。自动监测设备厂商较多，且没有统一的通讯协议，导致在对设备联网时需要对多家不同通讯协议的设备进行开发，增加开发难度和系统的不稳定性。二是自动监测系统反控功能不完善。现有自动监控系统远程操作功能过于薄弱，自动监控仪器长期处于无人值守状态，仅能实现监测数据传输和简单的反控功能。

为了解决目前数据采集传输仪存在的问题，满足现代自动化系统中数据采集传输中的应用需求，需要研究新一代智能型数据采集传输仪。针对目前已建污染源自动监测设备通讯协议不规范、通讯信息难以交互等问题，开发集成多种类在线监控仪器通讯规约，并能将各类规约自动转换为国家标准所要求的信息格式，允许多种类型环境要素监测设备接入，支持多种数据传输方式，支持多协议多目标并行数据发送，支持设备反控，能显示设备工况流程，支持数据补发，符合国家环保标准的数据采集传输仪，从而为节能、降耗、减排、总量控制等环境管理工作提供权威、科学、客观的依据，协助企业及各级环保部门实现总量控制与减排管理的目标，满足各级环境管理及相关部门对监测数据质量日益提高的要求。

1系统硬件设计

硬件设计包括嵌入式处理器的设计选型，外围存储器扩展设计，键盘、LED等人机交互接口的设计，以太网卡的接口设计，GPRS/CDMA模块的设计选型[6]。主板采用核心板加底板的设计方式，核心板为6层高速PCB,它充分考虑接口的扩展问题，集成了电源、CPU、SDRAM、NandFlash、网口、复位电路、JTAG调试接口等。通过4条双排68针的连接器引出了外部扩展需要用到的全部数据、地址总线、各外设接口、IO信号等；通过2层PCB底板将CPU主要接口和产品中需要的接口外扩引出，方便产品开发设计。硬件平台整体框架见图1。

对产品的开发，嵌入式硬件开发首先要考虑的是嵌入式处理器的选型，从价格和稳定性方面选用集成度高的芯片。ARM公司提供了一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案以及内部功能配置组合，该研究选择三星S3C2410AL工业级ARM9微处理器。它是一款基于ARM920T内核的32位RISC嵌入式微处理器，主要面向终端设备以及高性价比、低功耗的应用，运行频率可以达到400 MHz。

外围存储器扩展设计在嵌入式系统设计中是非常重要的，虽然现在部分处理器自带存储器，但容量过小，不能满足当前日益追求功能齐全的嵌入式系统设计。适当的容量选取是非常有必要的，容量选择过大会造成存储器成本的增加和资源的浪费。该研究内存选用2个容量为32 M字节的内存芯片组成32 bit宽64 M内存，存储芯片选用64 M NANDFLASH芯片。

串口设计有5个三线制异步串行口，波特率最高可达1.5 Mbps。由于CPU内部有3个串口接口，不能满足产品要求，因此设计时外扩出5个串口进行设备互连，ST16C554为4串口芯片，通过CPU总线进行外扩，总线宽度为16 bit，通过片选对每个串口进行切换。产品设计有一个10 M网口，网络芯片通过16 bit数据总线进行外扩，网络接口带有连接指示灯和传输指示灯，方便用户进行网络数据传输的故障排查。提供以键盘和LED等为主的人机交互接口，更好地完成用户与嵌入式系统之间的信息交互，便于用户对嵌入式系统的操作。该研究设计外接一个4 096×4 096分辨率触摸屏，以实时显示系统运行各种数据和系统的各种状态，并可以控制触摸屏背光以满足低功耗需求。

2系统软件架构及原理

数据采集传输仪软件系统采用先进的计算机、网络通信、数据库和数据处理技术，具有性能可靠、技术成熟、功能完善的特点，并且满足工业级的设备运行条件，具备自动数据处理和分析、数据传输自动化、远距离控制功能和异常处理能力。数据采集通信网络结构见图2。

图1　硬件平台整体框架Fig. 1　Overall framework of hardware platform

图2　数据采集通信网络结构示意Fig. 2　Structure of data acquisition and transmission system

2.1分布式数据库，保证数据一致性构建了一个统一的分布式自动监测数据库，同企业的监测数据库形成一个自动监测系统的分布式数据库体系，采用相同的数据库管理系统，从而保持数据的一致性。用一套完整、规范、统一的环境自动监测数据传输、处理、分析软件和规范统一的环境自动监测数据采集传输体系，保证数据的一致性。

2.2安全可靠的数据传输在目前环境监控系统的数据传输网络体系中，大多数监测站点数据通信方式支持CDMA/GPRS无线网络技术。

传输的数据经过加密并有校验机制。数据采集传输仪存储12个月的现场数据,同时具有数据自动补发机制、上位机数据召唤机制和人工数据补调机制，不受控制中心断电或意外故障的影响。以环保业务数据规则约束策略为指导对无效数据和异常数据进行自动鉴别和分别存储，以备维护和查询。

2.3通信协议的开发数据采集传输仪的规约驱动程序开发采用开放式设计，支持目前市场上大多数自动在线监控系统通信协议。数据采集传输仪中所采用的通信规约在ISO/OSI 7层协议架构中的层次结构见图3。

图3　数据采集系统通信协议层次结构Fig. 3　Hierarchical structure of communication protocol of data acquisition and transmission system

该研究的数据采集传输仪具有可编程功能，因此可以支持任意监测设备的通信规约，每个通信规约的程序实现都以动态链接库的形式存在，系统根据实际选择的规约，调用相应的动态链接库。一旦有新的监测设备和新的规约，只要实现新的规约动态链接库，在数据采集传输仪软件系统主程序不作任何改变的前提下就可实现与新的监测设备通信。

2.4监测设备反控的实现对设备进行反控的方式分为本地控制和远程控制，能够对监测设备和监控系统的各类参数进行本地或远程设置，实现数据的召唤采集以及校验。

本地控制能够在本地实现对监测设备的校准、清洗、停机、等比例采样等操作。在监控中心实现对监测设备的远程控制，可异地进行仪器校准、清洗、停机、等比例采样等操作。

对在线监测设备的数据采集，能实现定时采样、实时直接采样、事件触发采样等功能。数据采集设备能控制自动采样仪进行事件采样，能实现对监测站房环境参数的监控和上报，包括门禁、室温、空调、电源等，以提供人工对比测试或其他详细分析。能实现系统时钟同步，具备自检及完善的断电自保护和死机自动恢复功能，故障前数据能保全存储并可方便地读取。

2.5数据通信传输数据采集传输仪的数据通信系统以无线网络方式(CDMA/GPRS)为主，在需要连续图像监控的点位，配备ADSL和光纤宽带接入方式，环境监控中心的监控系统能同时兼容这些通信方式，并可在不同的通信方式之间进行平滑过渡。数据通信系统满足以下要求。

2.5.1数据传输安全性。为了保证监测数据在公共无线数据网上传输的安全性，在数据采集传输仪和数据传输软件系统中进行了如下处理：自定义数据帧格式，保证数据传输按照国家环保总局颁布实施《污染源在线自动监控(监测)系统数据传输和接口标准技术规范》的要求进行；在数据帧中采用循环冗余校验，协议的循环校验码采用标准的CRC16，即16位冗余循环码校验模式,确保接收数据的正确性；在数据帧发送前采用DES(Data Encryption Standard)加密算法对数据加密，控制中心的通信服务器加防火墙隔离，防止他人恶意干扰。

2.5.2数据传输可靠性。为了保证监测数据在公共有线或无线数据网上传输的可靠性，在数据采集传输仪和数据传输软件系统中进行了如下处理。

(1)数据采集传输仪断电时，保证供电恢复后能自动复位，自动与通信服务器建立通信链路；在数据传输过程中，通信链路如发生意外通信中断，在通信恢复正常时，自动与通信服务器建立通信链路，自动重传通信中断时收到的数据，确保数据不丢失。

(2)在协议上，发送方发送出数据，接收方接收到后发给发送方一个确认报文，告诉发送方数据已正确收到，这时接收方就给已发送的数据打上“已发送”标记，否则发送方在超时一定时间后，还未收到确认报文，将自动重新发送数据，从而确保了数据被可靠传输。

(3)在数据采集传输仪与监控中心通信服务器之间设置“心跳”联系，在协议上存在“心跳”报文，当通信链路上常时间无数据传输时，发送方就定时发送“心跳”报文，以主动监测通信链路是否掉线；接收方收到“心跳”报文时，就回答“心跳”确认报文，确保发送方确认通信链路的连接状况。

(4)监控中心数据终端通过IP检查终端设备是否在线，从而判定掉线故障出自哪一侧；还可检查出终端设备的连接时点、断线时点，统计出在线时间、断线时间，最终可判定通信网络通信状况的好坏，以便用户确定问题。

(5)在通信软件上，通过循环校验码检验数据判断是否准确。协议的循环校验码采用标准的CRC16，即16位冗余循环码校验模式。发送方依据发送的数据生成CRC16校验码，并将其置于数据包最末2字节；接收方则对整个数据包做相同运算，若传输正常则得出一致结果；不一致的结果表明传输出错，整个数据报将被忽略，接收方将要求发送方重新发送数据。

2.5.3数据传输适应性。数据传输采用的规约为国家环保总局颁布实施《污染源在线自动监控(监测)系统数据传输和接口标准技术规范》，整个应用层的协议和具体的传输网络无关。规范体现通信介质无关性，实现了适应多种通信(数据传输)方式，包括多种无线、有线和有线宽带方式，做到通信软件与硬件和介质无关。

3主要功能和技术参数

3.1具有标准化多通道输入端C&M数据采集传输仪支持标准的RS-232信号和RS-485信号输入，能够实现与多台采用不同通信协议的现场监测设备的数据通信；具有常用工业信号采集功能。在不做任何改动的情况下，可随时增加监测仪器或监测项目的采集，能与现场所有要连接的仪器、仪表、PLC、工控机等设备连接。每个输入通道可以采用不同的通信协议与监测设备相连，具有良好的可扩展性能。

3.2具有输出端标准化多通道C&M数据采集传输仪支持标准的RS-232信号和RS-485信号输出，支持CDMA/GPRS无线通讯方式，宽带/ADSL/光纤等有线通讯方式，同时支持上述任意一种无线与任意一种有线通讯方式的组合，有线无线互为备用，提高数据上传率。

3.3具有模拟/开关信号采集和设置功能C&M数据采集传输仪支持模拟信号(AI)和开关信号(DI)采集模块，对模拟信号的A/D转换精度为16位，可以实现对模拟/开关信号的采集和设置。

3.4基本接口和无线传输模块配置C&M数据采集传输仪的接口配置如下：6～8路RS232/485标准串口用于连接各类监测设备；8路模拟量接口用于连接8路4～20 MA或0～5V模拟量；8路开关量输入(带光电隔离)测量设备状态；8路开关量输出用于设备控制；1个100 M网络口用于连接以太网；1个CONSOLE调试口用于现场调试；2个USB接口。

C&M数据采集传输仪支持CDMA和GPRS 2种无线通信模块。设备内含CDMA或GPRS无线通信模块(根据用户要求选择配置)，用户可以通过简单更换CDMA或GPRS模块和数据通信卡而实现采用任意一种无线通信传输，而不需要更改电路和软件。在不改变用户现有传输方式和不影响数据采集传输质量的前提下，能够实现监测设备数据输出端数字信号两路以上分配模式，以保证用户现有传输方式和数据采集传输仪同时上传数据。

3.5具有多种数据发送方式C&M数据采集传输仪支持下列4种方式向监控中心发送数据。

3.5.1定时传输。当达到规定时间，转发模块将在发送点之前采集到的数据全部发送到服务器控制中心。

3.5.2采样传输。数据处理模块将数据处理完后，发送到发送数据列表中，转发送模块将数据第一时间发送到服务器控制中心。

3.5.3召唤传输。转发程序等待服务器召唤命令，当接收到召唤命令后，将召唤的数据发送到服务器控制中心。

3.5.4透明传输。通过透明传输模块将设备仪器和服务器控制中心连接起来，数据直接传递。

3.6具有多端点发送数据的功能C&M型数据采集传输仪能主动发现目标端，支持与监控中心之间的“一对一、一对多”通信方式，即可支持多个中心端IP地址，最多可同时与8个采用不同通信规约的监控中心系统进行通信。

3.7具有历史数据存储功能C&M数据采集传输仪自带大容量的内存和闪存Flash，可存储不少于12个月的历史监测数据，存储的时间间隔可自由设置为1～24 h，历史数据调用传输可以采用无损压缩形式。

3.8具有数据补发的功能C&M数据采集传输仪内存有数据采集传输仪与各监控中心间发送数据的记录，当数据采集传输仪与某个监控中心通信中断而造成漏发数据时，数据采集传输仪会在通信恢复后，自动向漏发数据的监控中心补发遗漏数据。另外操作员也可以在监控中心通过反控命令，人工请求数据采集传输仪补发某时间段的数据。

3.9具有远程维护的功能C&M数据采集传输仪具有远程维护功能，支持Telnet远程登陆功能，维护人员在能通过无线或有线方式远程进行下列操作：对数据采集传输仪的参数进行设置；对数据采集传输仪的运行状态进行查看；对数据采集传输仪的存储数据进行查看；对数据采集传输仪的通信协议或程序进行更换、升级；对数据采集传输仪进行启动、停止操作。

3.10显示功能C&M数据采集传输仪内置7＂TFT彩色液晶触摸显示屏，外置标准VGA接口，可接电脑显示器。显示分辨率 800×480，显示背光源 LED，显示背光亮度 200 cd/mm，可显示监测数据列表、折线图、棒图、饼图、报警信息、工艺流程图等监测信息，并可用大小变化、颜色改变、明暗闪烁、移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果。

3.11强大的远程控制功能C&M数据采集传输仪可接受监控中心软件下发指令,对所连接的自动监测设备实现远程控制。对于协议支持反控的现场监测设备具有以下反控功能：接受监控中心软件下达的指令,远程控制所连自动监测设备的启停；远程进行时间同步校准，使监控中心与数据采集传输仪，数据采集传输仪与自动监测设备之间的上、下行时间同步；设置和修改自动监测设备的采样时刻与周期；设定数据采集频率和上传数据时间间隔。

3.12具有短信功能C&M数据采集传输仪具有短信报警功能、短信查询数据功能、短信查询设备运行状态功能和短信控制设备功能。

3.13具有Web发布功能C&M 数据采集传输仪，内嵌服务器程序(BOA)，具有IP地址设置功能，可以作为一个Web网站服务器对外实现Web发布功能，用户在通过权限认证后可通过IE浏览器直接查看数据采集传输仪中的数据和参数，对数采仪的实时采样数据、分钟平均数据、小时平均数据、LOG信息等进行查询。

3.14具有密码安全验证的功能C&M数据采集传输仪具有密码验证机制支持密码认证功能，只有通过了密码认证，用户才能远程登陆数采仪。

3.15具有支持现场工作人员上网功能C&M数据采集传输仪具有支持现场工作人员上网功能，授权人员可以通过无线网口上网：查看远方平台数据；获得相关技术支持；及时反馈现场问题；判断当前无线信号强度。

3.16具有组态功能C&M 数据采集传输仪内置对象元件库，组态工作简单方便。对象元件库，实际上是分类存储各种组态对象的图库。组态时，可把制作完好的对象(包括图形对象、窗口对象、策略对象以至位图文件等)以元件的形式存入图库中，也可把元件库中的各种对象取出，直接为当前的工程所用。随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和丰富，解决了组态结果的积累和重新利用问题。

3.17运行流程控制C&M数据采集传输仪允许用户通过自行编程实现对现场监测设备运行流程的控制。用户可以选用系统提供的各种条件和功能的策略构件，用图形化的方法和简单的控制语言构造多分支的应用程序，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据库进行数据交换，实现自由、精确地控制运行流程。

3.18外壳防护等级适合于环境恶劣的工作场所，达到工业级应用要求。C&M数据采集传输仪外壳设计达到IP55特殊防护等级，不仅具备防尘、防潮、防水、抗震等性能，而且还可以有效屏蔽电磁辐射，防快速瞬变电脉冲群干扰、防静电、防浪涌干扰、防电压暂降、短时中断和电压变化干扰等。

3.19备用电源配备可选的UPS备用电源，保证交流电源断电后仍可连续工作8 h以上。

3.20其他技术参数工作电压：AC220V±10%，50 Hz。CPU：ARM9 ≥200 MHz。存储器: 内置64 M，可外接SD卡存储设备。电磁兼容：满足IEC三级标准。额定功耗：<10 W。工作温度：-20～+65 ℃。工作湿度：5%～95%，无结露。平均无故障时间：10 000 h以上。

4设备创新点

4.1智能(自动)匹配多种环境监测设备通讯协议产品采用基于协议管理内核的多协议智能匹配技术，集成环保行业环境监测设备200种以上的通讯规约，使产品接入环境监测设备时能智能匹配通信协议，无需人工干预，达到即插即用的效果，并能将各类规约自动转换为国家标准所要求的信息格式。解决了目前已建污染源自动监测设备通讯协议不规范，通讯信息难以交互等问题。

4.2实现多协议多目标并行数据发送建立数据传输通信协议栈机制和规约转换机制，可实现采用不同的数据通信规约同时向8个目标IP地址(监控中心)发送数据的功能，为不同地点、不同级别的监控中心提供同步但形式不同的实时和历史数据。这种数据发送方式保证了现场企业端的监控数据同时发送到县、市、省、国家级平台，避免了数据在中间平台的造假，保证了数据的真实可靠性。

4.3通过有线或无线网络实现远程动态注入控制指令产品支持CDMA/GPRS/光纤宽带/ADSL/VPN/串口等无线和有线通讯方式，不仅能充分满足不同领域、不同环境、不同监测设备、不同通信接口和数据格式下的数据采集和传输，而且能够通过有线无线通讯方式动态注入指令远程控制现场监测设备，监控人员不在企业现场也能实现对现场设备的远程反向控制。

4.4支持现场设备DCS工况组态(流程)模拟数据采集传输仪内置了组态模拟功能，能通过自带7＂TFT彩色液晶触摸显示屏，直接模拟企业DCS工况组态图，并将监测数据在组态图上实时显示、实时更新，同时支持监测数据的走势曲线模拟，增强了数采仪的应用效果。

5结语

在国内外数据采集传输装置的许多产品存在各方面缺陷的背景下，结合各级环保部门对环境管理要求、业务要求以及宏观控制要求，研究了一种新型数据采集传输仪。该产品解决了目前已建污染源自动监测设备通讯协议不规范、通讯信息难以交互等问题，开发了集成多种类在线监测仪器通讯规约，并能将各类规约自动转换为国家标准所要求的信息格式，允许多种类型环境要素监测设备接入，支持多种数据传输方式，支持多协议多目标并行数据发送，支持设备反控，能显示设备工况流程，支持数据补发，符合国家环保标准。

该研究成果为环保自动监测设备的数据采集和监控提供高性能的智能化数据采集传输设备，对准确、可靠掌握各种监测参数有很大作用，可大大降低监控系统的成本，协助企业及各级环保部门实现了总量控制与减排管理的目标，满足各级环境管理及相关部门对监测数据日益提高的要求，对构建节约、环保型和谐社会具有极大的推动作用。

参考文献

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作者简介曲国利(1971- )，男，山东牟平人，硕士，从事环境监控与信息化研究。*通讯作者。

收稿日期2016-04-15

中图分类号S 126

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)16-256-05

Research on Data Acquisition and Transmission System with Embedded Programmable Single Point Multiple Intelligent

QU Guo-li1, WU Yun2*，XU Gai-hua2et al

(1. Environment Monitoring Station, Zibo, Shandong 255000; 2. Jiangsu 3C Technology Inc, Nanjing, Jiangsu 210002)

AbstractIn order to effectively solve the problem of inconsistent communication protocols of automatic monitoring equipment, limited data acquisition and transmission and monitoring equipment remote control, we researched on data acquisition and transmission system of embedded programmable single point multiple intelligent. Hardware design, software architecture and principles, main functions and technical parameters were described in depth. Four major innovation points were proposed, which were automatically matching communication protocols of a variety of environmental monitoring equipments, achieving transmission of multi protocols and multi objects parallel data, realizing remote dynamic injection control through wired or wireless network, and supporting field equipment DCS condition configuration simulation.

Key wordsProgrammable; Single point and multiple; Intelligent matching multi protocols; Remote control; Configuration simulation