CN103677838A - 基于虚拟传感器的rtu传感器适配层及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于虚拟传感器的RTU传感器适配层，所述适配层包括虚拟传感器、算法映射表、处理算法和端口映射表，通过端口映射将虚拟传感器与物理传感器的端口一一对应；通过算法映射将物理传感器与虚拟传感器关联在一起；处理算法则控制物理传感器完成原始数据的采集，并转换成统一的数据形式存储到虚拟传感器中。本发明的有益效果是可以将不同物理接口、不同协议的同类型的传感器抽象为一种虚拟传感器，为上层软件提供一种统一的接口，从而简化RTU的设计；具有良好的可扩展性，增加对新传感器的支持只需在适配层添加一种处理算法，增大了传统RTU的应用范围和使用灵活性；具有良好的并行处理能力，支持同时对多个传感器进行数据采集。

Description

基于虚拟传感器的RTU传感器适配层及其设计方法

技术领域

本发明涉及水利行业数据传输设备领域，具体来讲是基于虚拟传感器的RTU（REMOTE TERMINAL UNIT）传感器适配层及其设计方法。

 

背景技术

水利传感器种类繁多，每种传感器都需要连接RTU用于传输数据。按照被测物理量类型的不同、工作原理的不同、输出信号类型的不同可以划分出多种多样的传感器（如水位传感器、流量传感器、流速传感器等），每一种传感器都有自己的引脚结构、工作时序、与RTU的连接方法，当数据采集系统需要采集多种数据时，需要针对不用的传感器设计不同的连接电路。

传感器设计不统一，缺少通用性。即使是同一种类的传感器也有不同的引脚设计和输出信号类型，有的是三个引脚、有的是四个引脚、有的是数字输出、有的是模拟输出，造成需要采集一种物理数据时还要考虑多种连接方式，缺少通用性。

兼容性差，成本高。基于无线传感器网络的数据采集系统需要采集各种类型的数据，不同的数据采集对应不同的传感器、不同的连接电路、不断的更改、焊接电路，系统兼容性差，同时也浪费了不必要的资源。

目前专利号“200510038579”的中国专利申请中，使用URAT（通用异步收发器）控制器，能实现RS232和RS485接口的自动切换，可靠性和灵活性高，但是该方法需要用到专用的芯片，成本过高，适合用于终端设备，同时它不能提供RS485接口的全双工接口，在只作为传输转接，默认连接的场合中并不适用。

 

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺点，简化RTU的设计，增强RTU的通用性，本发明提供一种基于虚拟传感器的RTU适配层。

本发明提供一种基于虚拟传感器的RTU传感器适配层，所述适配层包括虚拟传感器、算法映射表、处理算法和端口映射表，通过端口映射将虚拟传感器与物理传感器的端口一一对应；通过算法映射将物理传感器与虚拟传感器关联在一起；处理算法则控制物理传感器完成原始数据的采集，并转换成统一的数据形式存储到虚拟传感器中。

本发明还提供一种利用虚拟传感器采集物理数据的方法，所述方法采用上述适配层，所述方法包括以下步骤：

1）   虚拟传感器在进入数据读取状态会查询端口映射表找到与其相关联的物理传感器的端口并向物理传感器发送数据读取命令；

2）  物理传感器收到数据读取命令后发送采集的数据，与其相连的物理端口对应的驱动程序会收到一帧数据并从中得到设备地址信息；

3）  通过轮询虚拟传感器的地址信息，得知接收数据属于哪个虚拟传感器；

4）  根据对应虚拟传感器的处理算法类型，通过算法映射得到对应的数据处理方法，将接收数据的原始采集信息转换成统一的数据形式存放的虚拟传感器中，并计算校验信息以备数据读取时验证数据的正确性。

本发明的有益效果：可以将不同物理接口、不同协议的同类型的传感器抽象为一种虚拟传感器，为上层软件提供一种统一的接口，从而简化RTU的设计；具有良好的可扩展性，增加对新传感器的支持只需在适配层添加一种处理算法，增大了传统RTU的应用范围和使用灵活性；具有良好的并行处理能力，支持同时对多个传感器进行数据采集。

 

附图说明

图1为本发明中RTU传感器适配层的结构示意图；

图2为本发明中虚拟传感器的数据结构示意图；

图3为本发明中处理算法的数据结构示意图；

图4为本发明中物理端口管理的结构示意图；

图5为本发明中管理线程控制下虚拟传感器的状态转换图；

图6为本发明中多个虚拟传感器并行数据采集过程示意图。

 

【具体实施方式】

    以下内容结合说明书附图对本发明的具体实施方式作详细说明：

参见附图1，一种基于虚拟传感器的RTU传感器适配层，包括虚拟传感器、算法映射、处理算法、端口映射等，其中端口映射提供根据指定的传感器端口类型和端口号匹配具体物理端口的方法，通过端口映射，虚拟传感器与物理传感器的端口一一对应；算法映射提供根据指定的算法类型匹配具体的处理算法的方法，通过算法映射，将物理传感器与虚拟传感器关联在一起；处理算法则控制物理传感器完成原始数据的采集，并转换成统一的数据形式存储到虚拟传感器中。

虚拟传感器的转换算法可根据配置所述虚拟传感器的结构参数来选择正确的转换算法来完成将物理层读取的水温数据、水压数据或是水质数据等原始数据或电信号转换成统一的数据形式。例如，对应流量，统一数据为瞬时流量、累计流量，这些统一的数据都是和具体的传感器相关联的；又如水位采集时，可能接入的水位计有很多种，采集的电信号也有很多种，但是经过处理后得到的都是水位高程值；传感器适配层通过以下步骤实现：1、适配层初始化；2、创建维护管理线程；3、创建数据处理线程。

1.适配层初始化：主要完成创建初始化同步时钟机制、创建并配置虚拟传感器、创建端口管理对象并初始化端口映射表、创建处理算法对象并初始化处理算法映射表；

创建并配置虚拟传感器主要完成虚拟传感器对象的创建，并根据存储在固态存储设备中的配置参数对虚拟传感器进行初始配置，然后将新创建的一系列虚拟传感器对象组成数组或链表的形式以便于统一管理；

创建端口管理对象并初始化端口映射表主要完成创建并初始化端口管理对象，端口管理对象包含对物理端口进行操作的方法和控制参数，与具体的物理端口相对应，然后将新创建的一系列端口管理对象组成数组或链表的形式以便于统一管理；

创建处理算法对象并初始化处理算法映射表主要完成创建并初始化处理算法对象，处理算法对象包括数据采集的控制方法和控制参数，通常与具体传感器相关联，然后将新创建的一系列处理算法对象组成数组或链表的形式以便于统一管理；

2、创建维护管理线程：

维护管理线程完成对数据采集过程的统一控制管理，基于同步时钟控制各个虚拟传感器在数据采集过程的状态转换，具体过程见下文；

3、创建数据处理线程：

数据处理线程主要完成对采集数据处理的控制，具体过程见下文；

不同种类的虚拟传感器具有类型相关的特定数据，一个虚拟传感器是一个独立的对象，并且与物理传感器相对应，系统中可以包含多个虚拟传感器对象；虚拟传感器的基本结构如图2所示。其中：

传感器类型:指定该虚拟传感器的种类，例如:水位、流量、流速等；

传感器端口类型和端口号：指定该虚拟传感器对应的物理传感器接口；

传感器地址：用于区分支持modbus协议的RS485接口的不同传感器；处理算法类型：指定控制物理传感器完成数据采集的协议方法以及将采集的原始数据转换成统一格式数据并存储到虚拟传感器中的方法；

传感器其它参数：与传感器相关的其它参数信息；其它参数指的是和这个传感器的数据采集和数据处理相关的参数，例如采集周期，数据存储周期，数据上报周期等；

传感器数据：属于特定传感器的统一数据，该数据由处理算法对原始采集数据进行处理生成；

校验信息：防止虚拟传感器数据被意外修改，保证其正确性的校验信息；

      不同处理算法对应不同的时间参数和方法，但是不同的处理算法的基本结构都是相同的；一种处理算法是一个独立的对象，系统中可以包含多种处理算法对象，这些处理算法对象以数组或链表的形式组织在一起，一个处理算法对象可以通过算法映射被匹配查询，处理算法的基本结构如图3所示。其中：

  算法标识：指定算法的名称标识；

    开机预热时间参数：指定从设备上电到设备稳定的时钟计数值；

    数据采集时间参数：指定从设备接收到数据采集命令到设备完成数据采集的时钟计数值；

    数据读取时间参数：指定从设备接收到数据读取命令到完成数据读取的时钟计数值；

    数据采集方法：完成向指定设备发送数据采集命令的方法；

    数据读取方法：完成向指定设备发送数据读取命令或从指定设备读取数据的方法；

    数据处理方法：完成将采集的原始数据转换成统一数据形式的方法。

不同物理端口对应不同的端口管理方法，它们以相同的基本结构组织在一起形成一个特定的对象，每个端口管理对象与特定的物理端口相对应，这些端口管理对象以数组或链表的形式组织在一起，一个端口管理对象可以通过端口映射被匹配查询，物理端口管理的基本结构如图4所示。

以上描述了传感器适配层主要的数据结构对象，传感器适配层还包括一个管理线程用于控制数据采集过程和一系列的控制管理数据处理的方法；传感器适配层中所有虚拟传感器的数据采集过程都由一个管理线程进行统一控制，而对接收数据处理的管理与具体的物理端口类型相关，通常每个物理端口都对应一个接收数据的处理过程；

      虚拟传感器的数据采集过程：

      虚拟传感器不单纯是一个数据结构，在管理线程的控制下虚拟传感器会经历一个动态的状态变化过程；在管理线程控制下虚拟传感器的状态转换图如图5所示。

虚拟传感器通常处于关机状态，当收到启动采集通知时，虚拟传感器根据端口类型和端口号，通过端口映射执行与其对应物理端口的开机方法；根据处理算法类型，通过算法映射得到开机预热时间参数并设置该时间参数，此时虚拟传感器由关机状态转入启动预热状态；

      各虚拟传感器的状态转换由统一的时钟源触发，每经历一个时钟周期其设定的时间参数计数值减1，当开机预热时间参数计数值发生由1到0变化时预热完成，虚拟传感器根据处理算法类型，通过算法映射得到数据采集时间参数和数据采集命令并设置该时间参数，根据端口类型和端口号，通过端口映射执行与其对应物理端口的写方法将数据采集命令发送给物理传感器，此时虚拟传感器由启动预热状态转入数据采集状态；

      当数据采集时间参数计数值发生由1到0变化时数据采集完成，虚拟传感器根据处理算法类型，通过算法映射得到数据读取时间参数和数据读取命令并设置该时间参数，根据端口类型和端口号，通过端口映射执行与其对应物理端口的写方法将数据读取命令发送给物理传感器，此时虚拟传感器由数据采集状态转入数据读取状态；

      在数据读取状态中，如果数据读取成功，数据采集时间参数清零0并设置数据采集成功标志，然后根据端口类型和端口号，通过端口映射执行与其对应物理端口的关机方法关闭物理端口，此时虚拟传感器转入关机状态，完成一次数据采集周期；

      在数据读取状态中，如果数据读取失败并且失败次数小于3，虚拟传感器根据处理算法类型，通过算法映射得到数据采集时间参数和数据采集命令并设置该时间参数，根据端口类型和端口号，通过端口映射执行与其对应物理端口的写方法将数据采集命令发送给物理传感器，虚拟传感器由数据读取状态转入数据采集状态；如果数据读取失败并且失败次数等于3，设置数据采集失败标志，然后根据端口类型和端口号，通过端口映射执行与其对应物理端口的关机方法关闭物理端口，此时虚拟传感器转入关机状态，完成一次数据采集周期；

 数据处理的控制管理：

      通常每个物理端口都对应一个对接收数据进行管理的方法；下面以支持modbus协议的物理端口为例进行说明；虚拟传感器在进入数据读取状态会向物理传感器发送数据读取命令，物理传感器收到数据读取命令后会发送采集的数据，与其相连的物理端口对应的驱动程序会收到一帧数据，对于满足modbus协议数据帧可以从中得到设备地址信息，通过轮询虚拟传感器的传感器地址信息，可以得知接收数据属于哪个虚拟传感器，根据对应虚拟传感器的处理算法类型，通过算法映射得到对应的数据处理方法，将接收数据的原始采集信息转换成统一的数据形式存放的虚拟传感器中，并计算校验信息以备数据读取时验证数据的正确性；对于不支持多地址的物理端口，物理传感器与虚拟传感器是唯一对应的，可直接根据对应虚拟传感器的处理算法类型，通过算法映射得到对应的数据处理方法，将接收数据的原始采集信息转换成统一的数据形式存放的虚拟传感器中。以上描述了一个虚拟传感器在一次数据采集过程中的各状态转换关系；通过合理的设置时间参数值和通知各个传感器数据采集的时间间隔，在统一时钟的控制下，多个虚拟传感器可以并行完成数据采集并且各个虚拟传感器相互之间不会发生冲突。

由于目前传感器的设计还没有统一的标准，对于4-20mA和脉冲型的物理接口，RTU还无法自动识别物理传感器的产品型号信息，对应满足modbus协议的智能传感器，多数厂家没有对43 (0x2B)功能码即读设备识别码进行设置，因而RTU无法自动完成对虚拟传感器的配置；在使用中需要手动预先配置虚拟传感器的传感器类型、传感器的端口类型、传感器编号、传感器地址和处理算法等信息；当需要进行数据采集时，将虚拟传感器对象的指针作为消息发送给维护管理线程，在维护管理线程的控制下，虚拟传感器经历4个状态转换完成一次数据采集；数据处理的控制管理部分将完成对原始采集数据的处理，并转换成预定的数据形式存储到虚拟传感器的数据区；

      如果规定所有支持标准modbus协议的传感器生产厂家必须设置设备识别码的相关信息，RTU可以试探性向所有物理端口发送所有地址信息的读设备识别码（功能码43）命令；RTU可以根据返回的应答信息自动配置传感器类型、传感器的端口类型、传感器编号、传感器地址和处理算法等信息；大大简化操作。

本发明可以将不同物理接口、不同协议的同类型的传感器抽象为一种虚拟传感器，为上层软件提供一种统一的接口，从而简化RTU的设计；具有良好的可扩展性，增加对新传感器的支持只需在适配层添加一种处理算法，增大了传统RTU的应用范围和使用灵活性；具有良好的并行处理能力，支持同时对多个传感器进行数据采集。可以使RTU适配多种水利行业中的传感器，大大增强了RTU的应用范围和使用灵活性。 

Claims (9)

1.一种基于虚拟传感器的RTU传感器适配层，其特征在于，所述适配层包括虚拟传感器、算法映射表、处理算法和端口映射表，通过端口映射将虚拟传感器与物理传感器的端口一一对应；通过算法映射将物理传感器与虚拟传感器关联在一起；处理算法则控制物理传感器完成原始数据的采集，并转换成统一的数据形式存储到虚拟传感器中。

2.根据权利要求1所述的传感器适配层，其特征在于，具有端口映射表的外部接口包括RS-232、RS-485、SDI-12和脉冲接口等，以便适应多种物理传感器能接入RTU上。

3.根据权利要求1所述的传感器适配层，其特征在于，所述处理算法包括多种传感器的转换算法，根据调适微处理器来选择正确的转换算法来完成将物理层读取的水温数据、水压数据或水质数据，将其转换成适合传送的电信号。

4.根据权利要求1所述的传感器适配层，其特征在于，所述虚拟传感器的基本结构包括该虚拟传感器的类型、地址、其它参数、传感器数据及校验信息，其中其他参数是指虚拟传感器的数据采集和数据处理相关的参数。

5.根据权利要求1所述的传感器适配层，其特征在于，其中处理算法表中的处理算法的基本结构包括：算法标识、开机预热时间参数、数据采集时间参数、数据读取时间参数、数据采集方法、数据读取方法、数据处理方法。

6.根据权利要求1所述的传感器适配层的创建步骤，其特征在于，所述步骤包括：

1）适配层初始化；2）创建维护管理线程；3）创建数据处理线程；

其中所述适配层初始化需要创建初始化同步时钟机制、创建并配置虚拟传感器、创建端口管理对象并初始化端口映射表、创建处理算法对象并初始化处理算法映射表；所述维护管理线程完成对数据采集过程的统一控制管理，基于同步时钟控制各个虚拟传感器在数据采集过程的状态转换；所述数据处理线程主要完成对采集数据处理的控制。

7.根据权利要求6所述的创建步骤，其特征在于，在所述管理线程的控制下虚拟传感器会经历一个动态的状态变化过程，该过程包括开机预热、数据采集、数据读取、数据处理和关机。

8.根据权利要求7所述的创建步骤，其特征在于，在数据读取状态中，如果数据读取失败并且失败次数小于3，虚拟传感器根据处理算法类型，通过算法映射得到数据采集时间参数和数据采集命令并设置该时间参数，根据端口类型和端口号，通过端口映射执行与其对应物理端口的写方法将数据采集命令发送给物理传感器，虚拟传感器由数据读取状态转入数据采集状态；如果数据读取失败并且失败次数等于3，设置数据采集失败标志，然后根据端口类型和端口号，通过端口映射执行与其对应物理端口的关机方法关闭物理端口，此时虚拟传感器转入关机状态，完成一次数据采集周期。

9.一种利用虚拟传感器采集物理数据的方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-5之一所述的适配层，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1） 虚拟传感器在进入数据读取状态会查询端口映射表找到与其相关联的物理传感器的端口并向物理传感器发送数据读取命令；

2） 物理传感器收到数据读取命令后发送采集的数据，与其相连的物理端口对应的驱动程序会收到一帧数据并从中得到设备地址信息；

3） 通过轮询虚拟传感器的地址信息，得知接收数据属于哪个虚拟传感器；

4） 根据对应虚拟传感器的处理算法类型，通过算法映射得到对应的数据处理方法，将接收数据的原始采集信息转换成统一的数据形式存放的虚拟传感器中，并计算校验信息以备数据读取时验证数据的正确性。

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