嵌入式wince的数据采集与监控系统的设计与实现

嵌入式wince的数据采集与监控系统的设计与实现

0scda系统简介随着电气系统自动化的发展，嵌入式技术广泛应用于电气系统的数据采集、自动装置、设备检测、配送控制等领域，其中最典型的是数据采集和监督系统，即scada（系统的客观监督和数据测量）。SCADA是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制,以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。在电力系统中,能够提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益,减轻调度员的负担,实现电力调度自动化与现代化提高调度的效率和水平。本系统主要针对电力系统中的现场设备进行数据采集与实时监控,系统向下将数据采集组件采集到的下位机数据存入实时数据服务组件,向上通过界面组件显示各类信息,或者通过数据发布组件响应上位机的请求,返回上位机所需要的信息。1系统设计1.1系统的硬件环境本系统采用的是研华公司的和Broadwin公司联合推出一种全新的监控系统—UNO-2059+XPEmbedded+WebAccess组态软件。UNO-2059它弥补了嵌入式系统和工控机监控方案这两种方案各自的不足,整合了这两种方案的优点。UNO-2059的硬件环境是:(1)CPU:GX1-300MHz,带64MBRAM(2)串口:4个标准RS-232,自动数据流控制(3)2个USB端口和1个PC插槽(4)1个10/100Base-TRJ45端口(5)ADAMI/O和无线PCMCIA模块(6)操作系统:WindowsCE.NET(7)驱动程序支持:Modbus/RTU与ModBus/TCPUNO-2059+XPEmbedded+WebAccess是一种全新的监控解决方式,大大增强了系统的稳定性,其体积小的特点加上高速的图形处理能力、完整的通讯方式、强大的组网功能及远程通讯能力、远程诊断维护,以及出色的防尘抗震能力,使其不仅完全胜任工业生产的各个领域,而且在一些自然环境恶劣的地方具有不可替代的作用。尤其适合应用于水情、智能小区等大型网络监控项目的无人监控站中。目前这套方案已经成功应用于水利、楼宇、城市管网等行业中。1.2过通信模块监控本系统主要完成对现场设备的数据采集、数据测量以及各类信号报警等功能。该系统通过通信模块向下采集下位机数据存人实时数据服务组件中,向上与上位机交互,通过上位机监控现场的电力设备,并通过指令操作控制现场设备,达到监控的目的。同时该系统加入了双机热备的功能,保证了系统的稳定性和安全性。是系统拓扑图如图1所示。1.3历史和数据实时监控本系统采用基于组件的软件开发技术进行设计。整个系统按照功能可以划分为多个组件,组件按照组件分层体系结构构成。本系统的内部体系结构图如图2所示。结构图从上到下分为3层:表示层、数据层和通信层。各子系统的基本功能以及子系统间的交互关系描述如下。(1)C2000组件:完成编码转换公式以及程序的解释执行;(2)工程初始化组件:在系统启动时初始化工程文件配置信息,供其他组件使用;(3)通信组件:通信组件是整个系统的数据来源,它向下与各个子站通信,收发报文,完成四遥(遥控,遥调,遥测,遥信)功能;向上为实时数据服务组件提供变量的实时值,以及接收从其他组件发送过来的遥控和遥调指令;(4)数据发布组件:本组件通过使用各种协议适配器与外部系统进行数据交互。对内,数据发布组件与通信组件交互,获取外部系统请求的变量的报文值,或者向通信组件转发外部系统的指令,由通信组件下发给各子站;(5)历史数据服务组件:历史数据服务负责存储和分发各种历史数据,包括所有数据采集系统的上传数据(遥测、遥信),报警记录、用户日志、系统日志、PDR数据、故障录波数据等等。其它组件通过历史数据服务接口访问历史数据库中的数据;(6)实时数据服务组件:实时数据服务负责传输和分发各种实时数据,包括所有数据采集系统的上传数据(遥测、遥信)。实时数据服务使用历史数据服务组件接口一方面定期将实时数据转储到历史数据库中,另一方面将事件记录等存入历史数据库;(7)数据字典:包括历史数据字典和实时数据字典,完成实时数据和历史数据查看功能。(8)子站状态查看组件:查看子站状态,完成子站登陆卸载挂牌摘牌功能。(9)系统事件查看组件:完成系统日志,历史报警等历史数据的查看。(10)界面组件:主要提供监控界面、四遥操作,通过实时数据服务组件获取要监视的数据。(11)报警组件:报警组件用于处理各种报警(包括条件报警、故障录波、PDR)并为报警提供窗口滚动显示报警等报警输出方式;报警组件循环检测报警条件判断是否有警情发生;产生的各种报警由报警组件输出给用户;(12)双机热备组件:双机热备采用主从方式。需要同步的数据包括所有的历史数据和整帧实时数据的同步。这里帧的概念是某时刻实时数据库中所有的数据。2软件连接2.1做好报文的采集、解释和转发通信是本系统一个最基本也是最重要的功能,主要由通信组件来完成。通信组件是整个系统的数据基础,主要完成数据的采集、协议的解释和转发。它从不同协议的不同子站采集数据,经过协议解释后将报文解读,从中获取变量的报文值,并将报文值存在本地缓存数据库中,并和本地缓存数据库中的最新的报文值比较,如果不相同,则将报文值转化为实际值,上送到实时数据服务组件,否则不进行转化,不上送。该过程如图3所示。2.2遥界面的实现本系统是整个系统的人机交互界面组件。界面的实现采用EmbeddedVisualC++4.0作为开发环境,采用MFC图形库作为开发界面的语言。在界面组件中,监控界面由控件、图元、仪表、图标、图形等界面元素组成。各类界面元素被赋予相应的功能,以实现对设备变量实时监控的功能。该组件主要完成四遥功能(遥控、遥调、遥测、遥信)。四遥界面中,主要是控件类元素,部分控件可以监测变量,部分控件可以遥调和遥控,实现指令的下发。为了使监控界面更美观,更人性化,本系统还用到了图元、图标、图形等界面元素,图标、图形可以动态切换,因此可以形象地监测某个变量的情况,图元可以根据数据量的变化动态填充,形象地显示数据的变化情况。界面组件实现的界面元素图元,图标,图形如图4所示。界面元素是系统监控功能和人机界面的一个较丰富和较集中体现。界面元素可以实时显示数据并刷新数据。界面信息用文件存储以便读取。为了规范性和兼容性,界面文件(包含界面元素信息)用XML文档格式存储和读取。界面元素类设计形式如下:界面组件分别提供初始化接口和销毁接口Initialize()和Destroy()。当嵌入式系统启动后,当用户点击窗口菜单栏中的某个菜单项时,界面组件会解析相应的记录窗口信息的xml文件,然后将解析得到的界面元素显示出来,由界面元素完成对数据的显示和刷新。此外,本系统还利用其他的方式显示数据。如子站状态查看组件,数据字典查看组件,系统事件查看组件,都是以EVC4.0作为开发环境,以MFC库作为开发语言而实现特定功能的用户界面。2.3高效数据库的存储本系统使用了历史数据服务组件和实时数据服务组件来完成数据的存储功能。在系统初始化的时候,实时数据服务组件初始化xml格式的配置文件,在内存中建立好数据结构,实时数据服务组件操作的是内存数据库。内存数据库存储的只是某个时刻的数据,不方便用户日后查看数据。因此,本系统使用了历史数据服务组件。历史数据服务组件以嵌入式数据库SQLite3.0作为数据库基础。在系统初始化阶段,历时数据服务组件在数据库中建立存储设备的各类变量的数据表,在系统启动后,定时的转存来自实时数据服务组件的数据。历史数据服务组件的应用实现了数据的持久化功能,为用户以后进行数据查看及趋势分析提供了极大的方便。2.4通信组件的发送数据发布组件完成PC(上位机)机与通信组件交互,获取外部系统请求的变量的报文值,或者向通信组件转发外部系统的指令,由通信组件下发给各子站。数据发布组件使用的通信协议是MODBUS(包括RTU和TCP)协议,MODBUS/TCPServer使得用户可以通过以太网和下位机进行通信。图5是数据发布组件的交互图。2.5系统执行功能Web发布组件的功能是使用户能够通过Internet在浏览器中查看电力系统的工程窗口的内容和数据刷新、四遥操作;查看历史数据、实时数据、系统事件、报警和状态信息。Web发布组件的对象分析模型如图6所示。Web发布组件的实现机制是利用进程间通信和共享内存的方法。Web发布进程通过访问实时数据服务组件和历史数据服务组件的数据,将数据显示在实时数据字典和历史数据字典界面上。2.6双机热备组件从广义上讲,双机热备(双机容错)就是对于重要的服务使用两台服务器,互相备份,共同执行同一服务。当一台服务器出现故障时,可以由另一台服务器承担服务任务,从而在不需要人工干预的情况下,自动保证系统能持续提供服务。双机热备由备用的服务器解决了在主服务器故障时服务不中断的问题。将双机热备用于嵌入式应用程序是本系统的一个扩展和创新。本系统的双机热备组件有如下特点。(1)组件支持主从方式的双机冗余,而且两机的身份是对等的,即在某一时刻系统中只存在一个是主机和另一个是备份机。(2)在正常运行时,主机正常工作,备份机则只检测主机的心跳,检测心跳的方式有两种:通过以太网(双网)或者通过串口;(3)如果备份机发现主机没有了心跳,则立即转换为正常工作状态,变成主机,保证整个系统的正常运行;(4)此时,原来的主机再次启动后则变成备份机。主备之间的切换是自动的和实时的;备份机不与设备通信。当备份机变为主机时,会执行如下操作:备份机通知实时数据服务组件,本地备份机转成主机(记录历史数据库);开始向设备发送报文,接收设备返回报文;通过实时数据服务组件向其他子系统传送变量的最新值。3遥监控界面为了更好地适应用户的需求,本系统与以往的嵌入式数据采集与监控系统相比,主要在以下几个方面作了改进。(1)多样化、人性化的监控界面。为了方便用户更好地操作现场设备,设计了多样化的监控界面。四遥监控界面如图7所示。(2)将Web发布用于嵌入式数据采集与监控系统也是本系统的一大特色。该功能使得用户能够通过Internet在浏览器中查看电力系统的工程窗口的内容和数据刷新、四遥操