CN101008847A - 基于双层架构和多种网络接口的环保数据采集控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双层架构和多种网络接口的环保数据采集控制装置，由一个主机和若干个子机组成，主机和子机之间采用星型拓扑网络结构连接，主机内部的内置数据单元用于采集本地层数据，子机作为扩展数据单元用于采集远端层数据，由此构成双层架构的环保数据在线监测。主机配置了多种上行网络接口，因此可通过多种方式接入公共通信网络，从而在全国范围内组成广域环保数据在线监测系统。此装置也适用于电力配网自动化、机房无人自动监控、工业/工厂自动化系统、石油化工等行业的数据采集和远程控制。主机和子机采用嵌入式系统设计，外部扩展灵活方便，整机无机电传动装置，非常适合于在恶劣严酷的工业场合和野外环境中使用。

Description

基于双层架构和多种网络接口的环保数据采集控制装置

技术领域

本发明涉及数据采集控制领域，特别涉及面向Internet/Intranet的环保数据远程在线采集控制系统中的子站装置。

背景技术

环境监测部门作为国家环境保护系统的技术部门，是环境管理工作的重要基础。随着市民环境意识的增强，越来越多的人开始关心所处环境质量的好坏，要求环境保护工作透明化；上级主管部门也需要数量大、种类多、更新快的信息。显然，这就给环境监测部门提出了一个应引起重视的问题：如何建立起实用性强、覆盖面广、灵活性好的环保数据采集控制系统，以满足各方面对环境监测信息的需求。

在环保系统中，常常需要对众多的污染排放点进行实时监测，大部分监测数据需要实时发送到管理中心的后端服务器进行处理。由于监测点分散，分布范围广，而且大多设置在环境较恶劣的地区，环保数据在线自动监测，尤其是其中的环境质量在线自动监测所采用的传输介质、传输协议和数据格式互不相同，具有分布式、集散型、广域化等复杂系统特征。同时，环保数据也具有复杂的时间和空间分布特性。

目前，环保数据采集控制有二种方式组成：一种是工控机方式，提供较强数据处理和通信功能，但功耗大，成本高，网络的有效半径较短，移动性差，由于内部有机电传动装置，无故障工作时间短；另一种是模块化嵌入方式，数据处理和通信功能较弱，大多数嵌入式系统仍处在单独应用的阶段，为了实现多个嵌入式系统之间的信息共享和交流，可以利用以CAN、LONWORKS、RS-232C和RS-485/422等总线组网。但是同样网络的有效半径较短，并且孤立于公众网络之外。

随着计算机、通信和网络技术的发展，环保数据在线自动监测系统能否从原有的局域网运行方式跨越到广域网运行方式并支持Internet，是现代环保数据监控技术的发展趋势。现有的监控系统一般都是单机监控系统，而通过建立一套远程监控系统，则可以在多个不同的地点或不同的部门同时对环保数据进行远程监视、检测和控制Internet网络作为信息传递和信息共享的载体，为环境质量远程监控的实现奠定了平台。

发明内容

本发明的目的是为环保数据采集控制提供一个低成本的双层架构的自动监测装置，为基于Internet/Intranet环境质量在线监测联网提供可靠基础。

本发明的另一个目的是利用此装置可建立一个多种方式接入公共通信网络的广域环保数据监控系统。

基于双层架构和多种网络接口的环保数据采集控制装置之数据通信、控制和报警等信息的数据传输协议是参照2006年2月1日开始实施的《中华人民共和国环境保护行业标准》(HJ/T212-2005)而设计的。

为实现以上目的，本发明所提供的一种基于双层架构和多种网络接口的环保数据采集控制装置的主机硬件包括微处理器S3C2410X、FLASH存储器、SDRAM存储器、下行8通道RS-232/485单元、内置数据I/O单元、MAX232/MAX485、MC35i、PSTN接口电路eModem和以太网接口电路DM9000A；所述FLASH存储器、SDRAM存储器、eModem和DM9000A与处理器的并行总线相连；所述下行8通道RS-232/485单元、内置数据I/O单元、RS-232/485通信接口MAX232/MAX485、GSM/GPRS Modem模块MC35i和键盘显示单元与微处理器S3C2410X的串口相连；所述内置数据I/O单元用于采集本地层数据，所述的8通道RS-232/485单元与扩展数据单元相连，用于采集远端层数据，由此构成双层架构的环保数据在线监测；主机与子机之间网络连接采用RS-485/232星型拓扑结构，所述主机上含有开源操作系统、设备驱动软件和应用软件。电源管理单元给所有的各单元供电。

本发明的主机上配置的多种上行网络接口包括RS-232接口、RS-485接口、以太网接口、GSM/GPRS模块等网络接口电路，因此可以通过以太网、PSTN、GPRS等多种方式接入公共通信网络。使得监测装置可通过多种方式连接到现有的各种公共通信网络，形成网络化的嵌入式远程监控系统，有效的扩大了采集控制装置通信距离。

本发明的系统主机和子机之间采用RS-485/232星型拓扑网络结构，主机的内置数据单元用于采集本地数据，作为扩展数据单元的子机则采集远端层数据，由此构成双层架构的环保数据采集控制装置，主机通过微处理器S3C2410X串口2扩展的下行8通道RS-232/485单元可连接本发明的子机，完成对远端层数据采集控制，且下行8通道RS-232/485单元也可连接其它公司的具有RS-232/485通信接口的智能测量仪表，主机软件只需添加相应的智能测量仪表的通信驱动即可完成远端层数据采集控制，从而形成双层监测体系。

同时，子机可以通过主机共享这些公共通信通道，例如，每个子机不用配置大容量存储器、以太网接口、嵌入式Modem、GSM/GPRS Modem。主机和子机均可实现基于Internet的远程控制和维护。

本发明的主机软件包括免费开源操作系统：ARM Linux for S3C2410X，设备驱动软件和应用软件。其中应用软件部分包括环保数据的实时采集、处理、存储软件部分，参数设置软件部分，参数上下超限报警和故障报警软件部分，多种通信方式的自动切换，数据包解包分析软件部分，监测是否在线和掉线自动重新建立连接软件部分。

本发明的子机硬件由智能数据采集芯片ADμC812、模拟量输入及转换电路、模拟量输出及转换电路、数字量输入及转换电路、数字量输出及转换电路、RS-485接口电路、复位电路和电源单元组成。子机软件根据主机发送的命令执行相应的任务：读取现场模拟输入信号和数字输入信号并发到主机，接收主机的控制信息发送到模拟信号输出口和数字信号输出口。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

1、采集控制装置由一个主机和若干个子机组成，可充分利用全国范围的网络，方便、快速、低成本地连接到现有的各种公共通信网络，消除通信盲点，形成网络化的嵌入式远程监控系统，有效的扩大了采集控制装置通信距离。

2、使用以太网、GPRS、Modem拨号、RS-232和RS-485串口直接相连接的模拟网和数字网相结合、有线和无线相结合的方案可根据现场监控点的硬件条件和应用状况去选择数据传输的方式。

3、本发明的主机和子机的RS-485组网摈弃了总线型传统方式，设备增减方便，扩展性和灵活性好，单个子机故障不影响其它设备传输，避免了总线方式情况下一个子机出现故障锁死总线上全部子机的现象。

4、主机是以带ARM920T处理器核的低价位、低功耗、高性能32位RISC微处理器S3C2410X为核心设计并具有丰富的内部外设，而这些内部外设资源大大降低了主机硬件设计难度。

5、在数据采集控制方面，主机自带的工业测量接口，可完成对本地层数据的采集控制。

6、本发明的数据采集控制装置虽然是针对环境监控系统而设计的，但几乎可不作改动即能应用于其他类似的数据传输远程监控监测领域。

附图说明

图1是本发明环保数据采集控制装置的结构示意图；

图2是图1中主机系统结构示意图；

图3是图2中并行总线扩展、串行总线扩展接口示意图；

图4是图2中下行8通道RS-232/485单元原理图；

图5是本发明环保数据采集控制装置后面板外观示意图；

图6是本发明环保数据采集控制装置前面板外观示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

如图1所示，本发明所描述的一种基于双层架构和多种网络接口的环保数据采集控制装置是由一个主机13和若干个子机14组成，主机13配置了一组下行RS-232/485通信接口，用于连接子机14。主机13和子机14之间网络连接采用星型拓扑结构，主机13内部有一个内置数据单元，用于采集控制本地层数据，子机作为扩展数据单元，用于采集控制远端层数据，由此构成双层架构的环保数据在线监测装置。主机13配置了多种上行网络接口，包括RS-232接口、RS-485接口、以太网接口、嵌入式Modem、GSM/GPRS模块等网络接口电路，因此可通过以太网、PSTN、GPRS等多种方式接入公共通信网络，为基于Internet/Intranet环境在线监测联网提供可靠基础，从而在全国范围内组成环保数据在线监测系统。

如图2所示，本发明的主机硬件包括微处理器S3C2410X1、FLASH存储器2、SDRAM存储器3、下行8通道RS-232/485单元4、内置数据I/O单元5、MAX232/MAX485 6、MC35i 7、PSTN接口电路eModem 8、以太网接口电路DM9000A 9、键盘显示单元10和电源管理模块11；所述的FLASH存储器2、SDRAM存储器3、eModem 8和DM9000A 9与处理器的并行总线相连；所述下行8通道RS-232/485单元4、内置数据单元I/O 5、RS-232/485通信接口MAX232/MAX485 6、GSM/GPRS Modem模块MC35i 7和键盘显示单元10与微处理器S3C2410X 1的串口相连；所述内置数据I/O单元5用于采集本地层数据；所述下行8通道RS-232/485 4单元连接8个扩展数据单元，用于采集远端层数据，由此构成双层架构的环保数据在线监测；主机13与子机14之间网络连接采用RS-485/232星型拓扑结构。电源管理单元11给所有的各单元供电。所述主机13上含有开源操作系统、设备驱动软件和应用软件。

本发明的主机软件包括免费开源操作系统：ARM Linux for S3C2410X、设备驱动软件和应用软件。其应用软件部分包括环保数据的实时采集、处理、存储软件部分，参数设置软件部分，参数上下超限报警和故障报警软件部分，多种通信方式的自动切换，数据包解包分析软件部分，监测是否在线和掉线自动重新建立连接软件部分。

如图3所示，本发明中主机上的FLASH存储器2、SDRAM存储器3、eModem 8和DM9000A 9与微处理器1通过并行总线相连；所述微处理器1串行总线扩展了4个串口，GSM/GPRS Modem电路中的MC35i模块7连接到微处理器S3C2410X 1的串口0，GSM/GPRS Modem电路配置中国移动SIM卡，通过嵌入软件即可接入移动GPRS网络；串行通信接口电平转换电路MAX232/485 6连接到微处理器S3C2410X 1的串口1，使得主机具备了和上位管理主机直接通过串口相连的功能；微处理器S3C2410X 1的串口2连接到下行8通道RS-232/485 4单元，用于连接外部扩展的子机；微处理器S3C2410X1的串口3连接到键盘显示器10，可在监控现场处理人机界面信息，所述微处理器S3C2410X 1通过由软件产生的虚拟外设串口3与键盘显示器单元10进行数据通信，通过对8位微控制器软件的编写，微控制器不断地扫描检测按键，将按键信息通过微控制器的UART发送到32位微处理器的虚拟外设串口3，并通过UART接收32位微处理器发来的显示数据。

如图4所示，本发明下行8通道RS-232/485 4单元原理图，电路中使用了2片8选1电子模拟开关74HC4051，用于形成8个下行串行通信口，每个通信口通过MAX485和MAX232作电平转换，通过跳针去选择MAX485和MAX232，微处理器S3C2410X 1通过3个I/O口E9E8E7选择8个下行串行通信口其中之一，通过I/O口E13控制RS-485的收发，2片74HC4051的第X0通道通过TTL接口连接到内置数据单元组5，通过RS-485接口连接到外部扩展数据单元。

图5所示示出了本发明所述主机的后面板图，主机采用工业级设计，外壳为冷轧板，坚固耐用，可有效地抵御各种恶劣环境，安装方式为DIN导轨式、壁挂式、机架式。后面板设有：AC220V接市电输入21、RJ45座通过网线接以太网交换机22、网线接上行通信RS-485接口23、DB9RA/F插座接上行通信RS-232 24、RJ11插座接上行通信电话线LINE 25、最右侧的◎接口连接GSM天线26。

图6所示示出了本发明所述主机的前面板图，前面板设有：8位8段LED数码管显示器27、主机数据采集控制接口28(使用可整体拆装的标准工业防爆接线端子)、防水键盘29(当网络中断时，作为人机接口的输入通道)、8个下行通信接口插座30(采用RJ45插座，连接外部扩展的子机)。

本发明所描述的一种基于双层架构和多种网络接口的环保数据采集控制装置，对于所述的上行网络而言，在线监测装置主机可作为网络中的一个节点，提供HTTP服务和FTP服务，在网络其它节点上的浏览器可通过在线监测装置主机提供的HTTP服务，通过身份验证后，可设置采集控制装置的运行参数，查询环境实时数据等；通过在线监测装置主机的FTP服务，通过身份验证后，可完成应用程序的升级维护，数据库文件的上传和下载。

本发明主机和子机的工作方式描述如下：主机除了提供HTTP服务和FTP服务外，主机和系统中心监控站远程监控软件的数据交换传输还至少包括5类命令，1)初始化命令；2)参数命令；3)交互命令；4)数据命令；5)控制命令。主机通过8个下行通信接口循环访问各子机，给子机发送数据采集控制命令，子机可设置为主动工作方式和被动工作方式之一，在主动工作方式下，子机根据主机事先设置的运行参数执行相应的任务：读取现场模拟输入信号和数字输入信号并发送到主机，接收主机的控制信息发送到模拟信号输出口和数字信号输出口等。子机主动完成数据采集和控制，记录保存在子机的存储器里，当子机接收到主机上传的数据采集命令时，就把存储器中的数据记录传给主机，这时从子机采集的数据记录就保存在主机的数据文件里，主机配置的数据存储器为非易失性的FLASH存储器，容量较大，可以保存1048576条历史记录，在上行通信网络畅通情况下，这些记录立即被传送到系统中心监控站，同时对已传送的历史记录做上传标记，但不删除。而在被动工作方式时，子机总是在不断查询主机从通信口发来的命令，子机根据主机的命令即时完成数据采集和控制。由于子机功能有限，通常子机以被动工作方式为主。

Claims (8)

1、基于双层架构和多种网络接口的环保数据采集控制装置，由一个主机和若干个子机组成，其特征在于主机硬件包括微处理器、FLASH存储器、SDRAM存储器、下行8通道RS-232/485单元、内置数据I/O单元、RS-232/485通信接口MAX232/MAX485、GSM/GPRS Modem模块MC35i、PSTN接口电路eModem和以太网接口电路DM9000A；所述FLASH存储器、SDRAM存储器、eModem和DM9000A与处理器的并行总线相连；所述下行8通道RS-232/485单元、内置数据I/O单元、RS-232/485通信接口MAX232/MAX485、GSM/GPRS Modem模块MC35i与微处理器S3C2410X的串口相连；所述内置数据I/O单元用于采集本地层数据；所述下行8通道RS-232/485单元连接8个扩展数据单元，用于采集远端层数据，由此构成双层架构的环保数据在线监测；主机与子机之间网络连接采用RS-485/232星型拓扑结构，所述主机上含有开源操作系统、设备驱动软件和应用软件。

2、根据权利要求1所述的基于双层架构和多种网络接口的环保数据采集控制装置，其特征在于，主机硬件还包括键盘显示器单元和电源管理单元，所述键盘显示器单元与微处理器的串口连接，电源管理单元给所有的各单元供电。

3、根据权利要求1所述的基于双层架构和多种网络接口的环保数据采集控制装置，其特征在于，所述主机的CPU采用32位具有ARM920T处理器核的微处理器芯片S3C2410X，键盘显示器单元的CPU则采用8位具有80C51内核的低工作电压芯片89LV51或兼容芯片。

4、根据权利要求1或2所述的基于双层架构和多种网络接口的环保数据采集控制装置，其特征在于，所述微处理器S3C2410X通过由软件产生的虚拟外设串口3与键盘显示器单元进行数据通信，所述键盘显示器还提供了一个按键中断线指示按键的发生与否。

5、根据权利要求1所述的基于双层架构和多种网络接口的环保数据采集控制装置，其特征在于，所述主机与系统中心监控站远程监控软件的数据传输采用RS-232接口、RS-485接口、以太网接口、嵌入式Modem和GSM/GPRS模块网络接口，接入公共通信网络；使用以太网、GPRS、Modem拨号、RS-232和RS-485串口直接相连接的模拟网和数字网相结合、有线和无线相结合的方案可根据现场监控点的硬件条件和应用状况去选择数据传输的方式。

6、根据权利要求1所述的基于双层架构和多种网络接口的环保数据采集控制装置，其特征在于，通过所述微处理器S3C2410X的串口2使用2片8选一模拟开关扩展了下行8通道RS-232/485单元，RS-232与RS-485之间通过跳针选择，各通道之间相互独立，形成星型拓扑结构，任何一个通道或与该通道相连的子机出现故障，都不影响其他通道和子机。

7、根据权利要求1或5所述的基于双层架构和多种网络接口的环保数据采集控制装置，其特征在于，所述下行8通道RS-232/485单元和各子机之间使用网络插座RJ45和网络线连接，使得RS-232/485子网可使用标准的网络布线方法。

8、根据权利要求1所述基于双层架构和多种网络接口的环保数据采集控制装置，其特征在于，所述应用软件包括环保数据实时采集、处理、存储软件；参数设置软件；参数上下超限报警和故障报警软件；多种通信方式的自动切换和数据包解包分析软件；监测是否在线和掉线自动重新建立连接软件。

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