基于ModBus-GRPS科研數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用嘗試

引 言

科研數(shù)據(jù)是科研的重要組成部分之一，科研過程中獲得穩(wěn)定、準(zhǔn)確、完整、實(shí)時(shí)的科研數(shù)據(jù)是科研人員發(fā)布科研成果的主要依據(jù)。目前，常用的獲取科研數(shù)據(jù)的方法有現(xiàn)場抄錄現(xiàn)場儀器儲(chǔ)存再導(dǎo)出等，這些方法均存在一定的缺陷或不足第一，每次采集數(shù)據(jù)前需要設(shè)備搭建、調(diào)試和運(yùn)行管理，要投入較大的人力、物力，并花費(fèi)較多的時(shí)間 ；第二，現(xiàn)場進(jìn)行抄寫、儀器導(dǎo)出，浪費(fèi)了寶貴的科研時(shí)間和科研人力；第三多地點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，需要多套設(shè)備和人員保證，增加科研成本第四，數(shù)據(jù)采集過程中科研人員在采集現(xiàn)場的活動(dòng)會(huì)影響數(shù)據(jù)采集，導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量降低，也對(duì)現(xiàn)場的布線造成一定破壞且不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)采集過程中的掉線等異常問題 ；第五，多種設(shè)備分散采集，數(shù)據(jù)匯總和整理難度大，增加數(shù)據(jù)分析難度同時(shí)科研負(fù)責(zé)人也很難第一時(shí)間獲得第一手資料，并對(duì)數(shù)據(jù)采集的過程無法實(shí)時(shí)把握

本文運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò) [1] 搭建科研數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集，不受時(shí)間、地點(diǎn)和距離的限制，降低人為活動(dòng)對(duì)現(xiàn)場的影響，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。通過實(shí)時(shí)采集為科研人員提供時(shí)間和數(shù)據(jù)的保證，也使科研重點(diǎn)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)分析。平臺(tái)系統(tǒng)試運(yùn)行以來，在科研人員少、采集現(xiàn)場地域分散等現(xiàn)實(shí)條件下，提高了采集效率，實(shí)現(xiàn)了無人值守的科研數(shù)據(jù)采集過程?？蒲袌F(tuán)隊(duì)從 2013 年參與“基于太陽能炕的主被動(dòng)復(fù)合采暖建筑的研究與示范（課題編號(hào) ：2013-N- 544）”科技廳科研項(xiàng)目，該項(xiàng)目將太陽能空氣集熱器和太陽能炕有機(jī)結(jié)合起來運(yùn)行，使農(nóng)村室內(nèi)熱環(huán)境得到較大改善，為論證項(xiàng)目的效果和尋求最佳的運(yùn)行模式，需對(duì)室內(nèi)外溫度及相應(yīng)的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、室外輻照等因子進(jìn)行 24 小時(shí)實(shí)時(shí)數(shù)采集。為不影響農(nóng)戶正常的生活和降低人為活動(dòng)對(duì)測(cè)試環(huán)境的影響，選擇 ModBus-GRPS 搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、瀏覽

1 科研數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成

科研數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)，由軟件和硬件兩部分組成。硬件搭建系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，軟件保證系統(tǒng)正常運(yùn)行

1.1 結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)依照物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)，由采集、傳輸和應(yīng)用三部分組成，數(shù)據(jù)采集平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。采集部分由傳感器和采集器兩部分組成，傳感器包括熱電偶、流量計(jì)、太陽能輻照儀、風(fēng)速儀等，采集器包括溫度采集和模擬量采集兩種設(shè)備。系統(tǒng)使用了阿爾泰公司的 R3058 模擬量采集器和 R3038 溫度采集器兩種設(shè)備，傳輸部分的 GPRS 模塊完成對(duì)采集器的信號(hào)指令下達(dá)及指令響應(yīng)，并將數(shù)據(jù)利用 GPRS 模塊傳輸至Internet 傳輸數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心由設(shè)備管理模塊、數(shù)據(jù)服務(wù)中心及數(shù)據(jù)瀏覽模塊，數(shù)據(jù)服務(wù)中心完成對(duì)采集器的信號(hào)指令下達(dá)。本系統(tǒng)主要采用成熟的硬件搭建，軟件通過自主開發(fā)和二次開發(fā)結(jié)合。軟件部分實(shí)現(xiàn)采集器的配置和管理、數(shù)據(jù)收集和瀏覽等，其中瀏覽數(shù)據(jù)采用 B/S 結(jié)構(gòu)，方便數(shù)據(jù)查詢硬件由數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、上位機(jī)（具有 GPRS 功能的傳輸設(shè)備）采集器（RTU）和各種傳感器及水表等四部分組成。數(shù)據(jù)中心是具備互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)功能的服務(wù)器，主要完成數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)上位機(jī)通過 ModBus 協(xié)議與采集器通信，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆封通過 GPRS-Internet 傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心，上位機(jī)采用阿爾泰R8019DTU 設(shè)備，該設(shè)備有 1 個(gè) 485 接口，通過 GPRS 傳輸數(shù)據(jù)，可通過上位機(jī)軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置。如圖所示。每個(gè)采集器（RTU）設(shè)備都有唯一地址，地址可通過上位機(jī)軟件修改保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。采集器與傳輸設(shè)備之間連接如圖 2 所示

1.2 通信

通信是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常工作的保證，設(shè)備之間的穩(wěn)定通信決定了采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。本系統(tǒng)中上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信采用 ModBus 協(xié)議。ModBus 協(xié)議是一種標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)通信協(xié)議，ModBus 協(xié)議在一根通信線上使用主從應(yīng)答式連接（半雙工）可實(shí)現(xiàn)主從式的串行數(shù)據(jù)傳輸 [2]。主設(shè)備即上位機(jī)，可按照設(shè)定的時(shí)間間隔向從設(shè)備即下位機(jī)發(fā)送包含采集器地址和通信要求的命令格式，采集器接到主站的命令幀并通過CRC 檢驗(yàn)后，先將命令幀包含的從站地址與本站地址進(jìn)行比較，如果地址一致采集器對(duì)該指令進(jìn)行解析，并按命令幀中的通信組織和裝配響應(yīng)向主站回傳，實(shí)現(xiàn)主從站的通信上位機(jī)采用輪詢方式與下位機(jī)通信，通信流程如圖 3 和圖 4 所示

1.3 應(yīng)用

應(yīng)用模塊由項(xiàng)目管理、采集點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)查詢和用戶管理組成，其結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。項(xiàng)目管理由項(xiàng)目添加、項(xiàng)目修改、項(xiàng)目刪除組成，數(shù)據(jù)查詢由按節(jié)點(diǎn)和時(shí)間查詢組成，用戶管理由用戶添加、用戶修改和用戶刪除組成。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)模塊用 Microsoft Visual Studio 2008 開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。上位機(jī)主動(dòng)通過 GPRSInternet 的傳送方式將采集到的數(shù)據(jù)按設(shè)定時(shí)間間隔通過Internet 傳達(dá)到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心將數(shù)據(jù)包處理后，按數(shù)據(jù)格式要求儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫中。為確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的量和數(shù)據(jù)庫的性能，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用微軟公司的 SQL Server2008，其結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。

圖 5 數(shù)據(jù)模塊功能結(jié)構(gòu)圖

圖 6 系統(tǒng) ky_data 數(shù)據(jù)庫表

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能， 數(shù)據(jù)可通過Excel 軟件進(jìn)行分析。系統(tǒng)采用 B/S 結(jié)構(gòu)，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)科研采集的問題，減少采集故障，提高科研效率

2 結(jié) 語

在地廣人稀的青藏地區(qū)充分利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)采用ModBus-GPRS 采集數(shù)據(jù)，成本低，效率高，是在科研人員相對(duì)較少的情況下一種有效的解決手段，并符合采集的實(shí)際需要。當(dāng)然，系統(tǒng)仍存在諸多不足之處，尚沒有實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)異常警告等功能。團(tuán)隊(duì)成員思考如何通過軟件技術(shù)、通信技術(shù)等技術(shù)手段結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的思維搭建一個(gè)硬件可自由組合終端設(shè)備，軟件參數(shù)可靈活使用，并通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)使數(shù)據(jù)發(fā)揮更好的作用的科研數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，來推動(dòng)科研向前發(fā)展，是本團(tuán)隊(duì)下一步的目標(biāo)