CN105182845B - 无负压供水系统中的信息采集与存储装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业监测技术领域，具体表现为一种无负压供水系统中的信息采集与存储方法及装置，装置包括MCU、直流电输入接口、电源管理、三级存储模块、数据过滤模块、数据分析预警模块、GSM/GPRS、以太网接口、光电隔离模块、485接口、开关量输出、Modbus通信接口和蓝牙模块。本发明引入数据过滤机制，有效减少了保存和上传的数据量；将数据分析与预警引入到无负压供水控制系统的现场数据采集中，提高了系统的智能化水平；引入RAM存储、铁电存储和Flash存储相结合的三级存储机制，有效解决了存储的效率、容量和可用性之间的矛盾。

Description

无负压供水系统中的信息采集与存储装置

技术领域

本发明涉及工业监测技术领域，公开了一种信息采集与存储方法及装置，具体表现为一种无负压供水系统中的信息采集与存储方法及装置。

背景技术

随着信息技术的发展，工业现场的在线监测已成为工业智能化的重要方向，也是智能服务的重要内容。作为二次供水的主要形式，无负压供水系统已成为城市供水管网建设中不可缺少的一部分，而且其工作方式往往是一种无人值守方式。因此，如何提高无负压供水系统的智能化水平，特别是远程监测和智能运维能力是给排水领域亟待解决的问题。通常，无负压供水控制系统正常运行需要依赖现场的关键状态数据，例如进水口和出水口压力等，而判断一套无负压供水控制系统是否正常工作更需要反映现场的状态数据和工况数据，例如进水口和出水口压力、变频器的工作频率和功率，各水泵机组的工作状态等，因此，有效实现相关关键状态和工况数据的现场采集与记录和远程收集是提高无负压供水控制系统智能运维保障能力的基础。目前，虽然针对不同的应用领域设计了不同的现场信息采集方案，例如专利CN203465823U给出了一种集抄系统中的采集器方案，较好地满足了水电气抄表系统的信息采集，然而其没有进一步给出现场数据的保存方案，难于满足无负压供水控制系统的需求，特别是在运维保障方面的需求；对于用于现场的信息采集器或控制器来说，数据的现场保存，目前不外乎利用EEPROM、FLASH、FRAM、SD卡等存储介质，然而，不同的存储介质由于其存储原理不同表现出不同的存储性能，例如EEPROM写入速度慢，存储密度小；FLASH存储密度大，成本低，读取速度快，但需按扇区进行访问，写入速度慢，并且写入次数有限；FRAM具有高速写入和无限次的写入次数的特点，但存储密度还相对较小，成本较高。为此，在现场信息存储方面，文献“弹载记录器存储模块优化设计与实现”和“数据采集记录设备的存储模块设计”分别提出了基于NAND Flash和SD卡的优化设计方案，而专利ZL200810165716.1则发明了一种提高Flash使用寿命的方法。然而如何设计一套能较好满足无负压供水控制系统的需求性价比合适的数据存储方案仍然是一个开放的课题。

综上所述，对于无负压供水控制系统来说，为了提高其远程监测和智能运维能力，如何设计一种集现场数据采集、保存和远传的方案依然是一个亟待解决的问题。

发明内容

针对现有的各类信息采集终端或装置难于满足无负压供水控制系统对信息采集和现场保存方面的需求，本发明给出了一种无负压供水系统中的信息采集与存储装置和方法，较好地满足了各类各类无人值守无负压供水控制系统的需求。

为了实现上述效果，本发明给出的一种无负压供水系统中的信息采集与存储装置，包括MCU、直流电输入接口、电源管理、三级存储模块、数据过滤模块、数据分析预警模块、GSM/GPRS、以太网接口、光电隔离模块、485接口、开关量输出、Modbus通信接口和蓝牙模块；其中MCU为本装置的控制单元，用于协调本装置各模块的工作；直流电输入接口用于接收24V的直流电输入；电源管理用于将24V的直流电输入转换为本装置各部件所需的各类电源类型；三级存储模块用于存储本装置的相关数据；GSM/GPRS用于实现GPRS通信和短信发送；Modbus通信接口用于实现MODBUS RTU通信，进而实现与现场PLC的通信；485接口用于实现与现场485型监控摄像头的通信；以太网接口用于实现TCP/IP通信；开关量输出用于控制现场指示灯和蜂鸣器；蓝牙模块用于实现与手机端现场调试APP的互联互通；数据分析预警模块用于实现实时采集数据的分析预警；数据过滤模块用于实现对实时采集数据的分析过滤，并去除噪声数据和冗余数据。

进一步地，上述三级存储模块包括RAM存储单元、铁电存储单元和Flash存储单元。

进一步地，上述电源管理还包括开停电检测电路和后备电源，所述开停电检测电路用于检测是否存在24V的直流电输入；所述后备电源用于停电时为本装置各部件提供临时电源，并进行报警处理和关键数据保存。

进一步地，为了配合本装置实现对控制现场的远程监控还需要远程控制系统，远程控制系统用于通过无负压供水系统中的信息采集与存储装置实现对无负压供水控制系统现场数据的远程采集、保存、展示和控制。

本发明还提供了一种以下无负压供水系统中的信息采集与存储方法，包括以下步骤：

1)参数配置：用户配置系统参数和运行参数，所述系统参数包括报警方式、短信报警内容、通信方式、协议类型、485接口参数、Modbus通信接口参数、采集时间间隔ΔAT、上传时间间隔ΔST、远程控制命令历史表容量CMAX、铁电存储单元历史状态数据表记录数容量N和Flash历史状态数据表记录数容量M；所述运行参数包括分析模型，报警上下限、过滤阈值；

2)数据采集：依据系统参数中的采集时间间隔ΔAT通过Modbus通信接口与现场PLC实现Modbus通信，实现对现场数据的采集，采集数据包括进口水压、出口水压、变频器功率、变频器频率、流量和液位，并将采集数据保存在RAM存储单元中；

3)数据过滤：数据过滤模块根据运行参数中设定的过滤阈值对采集数据进行过滤，判断是否为有效采集数据，即当前采集数据与前一次采集数据差值的绝对值大于过滤阈值时，将当前采集数据标识为有效采集数据，否则标识为无效采集数据；如果进口水压、出口水压、变频器功率、变频器频率、流量、液位六个采集数据中有一个被标识为有效采集数据，则本次的六个采集量都标识为有效采集数据，取代RAM存储单元的当前状态数据表内容，并将RAM存储单元当前状态数据表的更新标志设置为1，否则剔除本次所有采集数据，继续下一次采集；

4)现场数据分析与预警：数据分析预警模块对RAM存储单元当前状态数据表中最近一次更新的采集数据依据运行参数中配置的分析模型和报警上下限进行分析和预警，将分析预警状态保存在RAM存储单元的当前状态数据表中，并设置RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志为1，同时根据所配置的报警方式确定是否通过开关量输出进行现场输出；

5)数据保存：当RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志为1时，则将RAM存储单元的当前状态数据表内容作为一条采集记录保存到铁电存储单元的历史状态数据表中，并将RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为0，同时将铁电存储单元中新保存的数据记录的上传标志设置为0，即没有进行上传；如铁电存储单元的历史状态数据表中的已存记录数大于等于铁电存储单元的历史状态数据表记录数容量N，则将铁电存储单元历史状态数据表中的所有数据以扇区为单位转存到Flash存储单元的历史状态数据表中，并清空将铁电存储单元历史状态数据表；

6)数据上传：根据参数配置中设定的上传时间间隔ΔST，定期读取铁电存储单元中上传标志为0的数据记录，组成相应的数据上传包通过GPRS或以太网向远程控制系统上传，同时将已经上传的数据记录的上传标志设置为1；

7)远程监控：通过GPRS或以太网接收远程控制系统的控制命令，再通过Modbus传送给现场PLC，实现对现场设备的控制，同时更新RAM存储单元中的当前远程控制命令表内容，并将其保存到铁电存储单元中的远程控制命令历史表中；

8)视频监控：通过485接口与现场485型监控摄像头的互联互通，接收远程控制系统的摄像头控制命令，实现对监控现场的拍照，并将所拍摄照片利用GPRS或以太网传送给远程控制系统，实现对现场的视频监控。

进一步地，上述方法还包括步骤9)启停电检测：当存在24V的直流电输入时，电源管理中的后备电源开始储能，MCU通过电源管理中开停电检测电路返回的结果将来电状态保存在RAM存储单元的当前状态数据表中，并将RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为1，并根据参数配置信息选择短信、GPRS、以太网或开关量输出方式将有电状态进行输出；当不存在24V的直流电输入，即停电时，电源管理将自动切换为后备电源供电，MCU通过电源管理中开停电检测电路返回的结果将停电状态保存在RAM存储单元的当前状态数据表中，并将RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为1，并根据参数配置信息选择短信、GPRS、以太网或开关量输出方式将停电状态进行输出。

上述步骤1)中系统参数设置的报警方式包括短信、GPRS、以太网或开关量输出；所述短信报警内容用于定义各类短信报警的内容；通信方式为GPRS或以太网方式；协议类型为UDP或TCP；485接口和Modbus通信接口参数主要包括波特率、停止位、校验位。

本发明的有益效果是：(1)引入数据过滤机制，有效减少了保存和上传的数据量；(2)将数据分析与预警引入到无负压供水控制系统的现场数据采集中，提高了系统的智能化水平；(3)引入RAM存储、铁电存储和Flash存储相结合的三级存储机制，有效解决了存储的效率、容量和可用性之间的矛盾。

附图说明

图1为无负压供水系统中的信息采集与存储装置结构示意图。

图2为无负压供水系统中的三级存储模块结构示意图。

图3为本发明无负压供水系统中的信息采集与存储方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1所示，本发明给出的一种无负压供水系统中的信息采集与存储装置，包括MCU、直流电输入接口、电源管理、三级存储模块、数据过滤模块、数据分析预警模块、GSM/GPRS、以太网接口、光电隔离模块、485接口、开关量输出、Modbus通信接口和蓝牙模块。为了配合本装置实现对控制现场的远程监控还需要远程控制系统，远程控制系统用于通过无负压供水系统中的信息采集与存储装置实现对无负压供水控制系统现场数据的远程采集、保存、展示和控制。

整个终端接收24V的直流电输入，这也是无负压供水控制系统的典型直流电源范围。直流电输入接口用于接收24V的直流电输入；电源管理用于将24V的直流电输入转换为本装置各部件所需的各类电源类型；另外，电源管理还包括开停电检测电路和后备电源，其中开停电检测电路用于检测是否存在24V的直流电输入；后备电源用于停电时为本装置各部件提供临时电源，并进行报警处理和关键数据保存，作为本实用新型的优选实施例，后备电源可以采用法拉电容实现；三级存储模块包括RAM存储单元、铁电存储单元和Flash存储单元，用于存储相关数据，如图2所示；GSM/GPRS用于实现GPRS通信和短信发送，优选SIM1000A模块；Modbus通信接口用于实现MODBUS RTU通信，进而实现与现场PLC的通信；485接口用于实现485总线通信，主要是用于实现数据透传，进而实现与现场485型监控摄像头的通信；以太网接口用于实现TCP/IP通信；开关量输出用于控制现场指示灯和蜂鸣器；蓝牙模块用于实现与手机端现场调试APP的互联互通；数据分析预警模块用于实现实时采集数据的分析预警；所述数据过滤模块用于实现对实时采集数据的分析过滤，以便去除噪声数据和冗余数据；MCU作为本终端的控制单元，用于协调本装置各部分的工作，优选STM32F107来实现。

如图3所示，本发明给出的一种无负压供水系统中的信息采集与存储方法，包括如下步骤：

(1)参数配置对应于图3步骤(a)，该步骤是在进行装置有效工作之前，用户可以利用手机端现场调试APP配置相关参数信息，包括系统参数和运行参数，系统参数主要包括报警方式、短信报警内容、通信方式、协议类型、485接口参数、Modbus通信接口参数、采集时间间隔ΔAT、上传时间间隔ΔST、远程控制命令历史表容量CMAX、铁电存储单元历史状态数据表记录数容量N和Flash历史状态数据表记录数容量M。报警方式包括短信、GPRS、以太网或开关量输出；短信报警内容则用于定义各类短信报警的内容；通信方式是指是GPRS还是以太网方式；协议类型是指是UDP还是TCP；485接口和Modbus通信接口参数主要包括波特率、停止位、校验位。运行参数主要包括分析模型，报警上下限、过滤阈值；所配置的相关参数信息将保存在铁电存储单元中，并且在本装置启动时自动读取铁电存储单元中保存的相关参数；

(2)如图3步骤(b)所示，本装置依据参数配置中设定的采集时间间隔ΔAT通过Modbus通信接口与现场PLC实现Modbus通信，实现对现场数据的采集，采集数据包括进口水压、出口水压、变频器功率、变频器频率、流量、液位等，并保存在RAM存储单元中；

(3)如图3步骤(c)和(e)所示，数据过滤模块根据运行参数中设定的过滤阈值对采集数据进行过滤，判断是否为有效采集数据，即当前采集数据与前一次采集数据差值的绝对值大于过滤阈值时，将当前采集数据标识为有效采集数据，否则标识为无效采集数据；如果进口水压、出口水压、变频器功率、变频器频率、流量、液位六个采集数据中有一个被标识为有效采集数据，则本次的六个采集量都标识为有效采集数据，取代RAM存储单元的当前状态数据表内容，并将RAM存储单元当前状态数据表的更新标志设置为1，否则剔除本次所有采集数据，继续下一次采集；

(4)如图3步骤(d)和(e)所示，数据分析预警模块对RAM存储单元的当前状态数据表中新更新的采集数据依据所配置的分析模型和报警上下限进行分析和预警，同时将分析预警状态保存在RAM存储单元的当前状态数据表中，并将RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为1，同时根据所配置的报警方式确定是否通过开关量输出进行现场输出。

(5)如图3步骤(f)和(e)所示，当RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志为1时，则将RAM存储单元的当前状态数据表内容作为一条采集记录保存到铁电存储单元的历史状态数据表中，并将RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为0，同时将铁电存储单元中新保存的数据记录的上传标志设置为0，即没有进行上传；如铁电存储单元的历史状态数据表中的已存记录数大于等于铁电存储单元的历史状态数据表记录数容量N，则将铁电存储单元历史状态数据表中的所有数据以扇区为单位转存到Flash存储单元的历史状态数据表中，并清空将铁电存储单元历史状态数据表；这里铁电存储单元的历史状态数据表容量设计为扇区大小的整数倍SN，即SN*扇区大小＝N*状态数据记录大小，而Flash存储单元的历史状态数据表容量大小则设计为SN个扇区大小的整数倍FN，即Flash存储单元的历史状态数据表容量＝FN*SN*扇区大小，也可表示为M*状态数据记录大小＝FN*SN*扇区大小。Flash存储单元的历史状态数据表采用循环存储的方式，即以SN个扇区为一个存储块，FN个存储块组成一个循环队列，不妨将这些存储块编号为0，1，2，…，FN-2，FN-1。存储顺序按照0，1，2，…，FN-2，FN-1，0，1，…循环进行，新记录对原有数据采用覆盖方式进行。

(6)如图3步骤(h)所示，根据参数配置中设定的上传时间间隔ΔST，定期读取铁电存储单元中上传标志为0的数据记录，组成相应的数据上传包通过GPRS或以太网向远程控制系统上传，同时将已经上传的数据记录的上传标志设置为1。

(7)如图3步骤(i)、(j)和(k)所示，本装置通过GPRS或以太网接收远程控制系统的控制命令，再通过Modbus传送给现场PLC，实现对现场设备的控制，同时更新RAM存储单元中的当前远程控制命令表内容，并将其保存到铁电存储单元中的远程控制命令历史表中；这里，铁电存储单元中的远程控制命令历史表采用循环存储的方式，即以一条远程控制命令记录的大小为一个存储块，不妨设铁电存储单元中的远程控制命令历史表可以最多存放CN条远程控制命令记录，则CN个存储块组成一个循环队列，不妨将这些存储块编号为0，1，2，…，CN-2，CN-1。存储顺序按照0，1，2，…，CN-2，CN-1，0，1，…循环进行，新记录对原有数据采用覆盖方式进行。

(8)如图3步骤(l)所示，通过485接口与现场485型监控摄像头的互联互通，接收远程控制系统的摄像头控制命令，实现对监控现场的拍照，并将所拍摄照片利用GPRS或以太网传送给远程控制系统，实现对现场的视频监控。

(9)如图3步骤(l)所示，当存在24V的直流电输入时，电源管理中的后备电源开始储能，MCU通过电源管理中开停电检测电路返回的结果将来电状态保存在RAM存储单元的当前状态数据表中，并将RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为1，并根据参数配置信息选择短信、GPRS、以太网或开关量输出方式将有电状态进行输出；当不存在24V的直流电输入，即停电时，电源管理将自动切换为后备电源供电，MCU通过电源管理中开停电检测电路返回的结果将停电状态保存在RAM存储单元的当前状态数据表中，并将RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为1，并根据参数配置信息选择短信、GPRS、以太网或开关量输出方式将停电状态进行输出。

Claims (6)

1.一种无负压供水系统中的信息采集与存储装置，其特征在于：包括MCU、直流电输入接口、电源管理、三级存储模块、数据过滤模块、数据分析预警模块、GSM/GPRS、以太网接口、光电隔离模块、485接口、开关量输出、Modbus通信接口和蓝牙模块；所述MCU为本装置的控制单元，用于协调本装置各模块的工作；所述直流电输入接口用于接收24V的直流电输入；所述电源管理用于将24V的直流电输入转换为本装置各部件所需的各类电源类型；所述三级存储模块用于存储本装置的相关数据；所述GSM/GPRS用于实现GPRS通信和短信发送；所述Modbus通信接口用于实现MODBUS RTU通信，进而实现与现场PLC的通信；所述485接口用于实现与现场485型监控摄像头的通信；所述以太网接口用于实现TCP/IP通信；所述开关量输出用于控制现场指示灯和蜂鸣器；所述蓝牙模块用于实现与手机端现场调试APP的互联互通；所述数据分析预警模块用于实现实时采集数据的分析预警；所述数据过滤模块用于实现对实时采集数据的分析过滤，并去除噪声数据和冗余数据；所述信息采集与存储装置通过以下方法实现：

1)参数配置：用户配置系统参数和运行参数，所述系统参数包括报警方式、短信报警内容、通信方式、协议类型、485接口参数、Mod

bus通信接口参数、采集时间间隔ΔAT、上传时间间隔ΔST、远程控制命令历史表容量CMAX、铁电存储单元历史状态数据表记录数容量N和Flash历史状态数据表记录数容量M；所述运行参数包括分析模型，报警上下限、过滤阈值；

2)数据采集：依据系统参数中的采集时间间隔ΔAT通过Modbus通信接口与现场PLC实现Modbus通信，实现对现场数据的采集，采集数据包括进口水压、出口水压、变频器功率、变频器频率、流量和液位，并将采集数据保存在RAM存储单元中；

3)数据过滤：数据过滤模块根据运行参数中设定的过滤阈值对采集数据进行过滤，判断是否为有效采集数据，即当前采集数据与前一次采集数据差值的绝对值大于过滤阈值时，将当前采集数据标识为有效采集数据，否则标识为无效采集数据；如果进口水压、出口水压、变频器功率、变频器频率、流量、液位六个采集数据中有一个被标识为有效采集数据，则本次的六个采集量都标识为有效采集数据，取代RAM存储单元的当前状态数据表内容，并将RAM存储单元当前状态数据表的更新标志设置为1，否则剔除本次所有采集数据，继续下一次采集；

4)现场数据分析与预警：数据分析预警模块对RAM存储单元当前状态数据表中最近一次更新的采集数据依据运行参数中配置的分析模型和报警上下限进行分析和预警，将分析预警状态保存在RAM存储单元的当前状态数据表中，并设置RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志为1，同时根据所配置的报警方式确定是否通过开关量输出进行现场输出；

5)数据保存：当RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志为1时，则将RAM存储单元的当前状态数据表内容作为一条采集记录保存到铁电存储单元的历史状态数据表中，并将RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为0，同时将铁电存储单元中新保存的数据记录的上传标志设置为0，即没有进行上传；如铁电存储单元的历史状态数据表中的已存记录数大于等于铁电存储单元的历史状态数据表记录数容量N，则将铁电存储单元历史状态数据表中的所有数据以扇区为单位转存到Flash存储单元的历史状态数据表中，并清空将铁电存储单元历史状态数据表；

6)数据上传：根据参数配置中设定的上传时间间隔ΔST，定期读取铁电存储单元中上传标志为0的数据记录，组成相应的数据上传包通过GPRS或以太网向远程控制系统上传，同时将已经上传的数据记录的上传标志设置为1；

7)远程监控：通过GPRS或以太网接收远程控制系统的控制命令，再通过Modbus传送给现场PLC，实现对现场设备的控制，同时更新RAM存储单元中的当前远程控制命令表内容，并将其保存到铁电存储单元中的远程控制命令历史表中；

8)视频监控：通过485接口与现场485型监控摄像头的互联互通，接收远程控制系统的摄像头控制命令，实现对监控现场的拍照，并将所拍摄照片利用GPRS或以太网传送给远程控制系统，实现对现场的视频监控。

2.如权利要求1所述的无负压供水系统中的信息采集与存储装置，其特征在于：所述三级存储模块包括RAM存储单元、铁电存储单元和Flash存储单元。

3.如权利要求1所述的无负压供水系统中的信息采集与存储装置，其特征在于：所述电源管理还包括开停电检测电路和后备电源，所述开停电检测电路用于检测是否存在24V的直流电输入；所述后备电源用于停电时为本装置各部件提供临时电源，并进行报警处理和关键数据保存。

4.如权利要求1所述的无负压供水系统中的信息采集与存储装置，其特征在于：还包括远程控制系统，所述远程控制系统用于通过无负压供水系统中的信息采集与存储装置实现对无负压供水控制系统现场数据的远程采集、保存、展示和控制。

5.如权利要求1所述的无负压供水系统中的信息采集与存储装置，所述方法还包括步骤9)启停电检测：当存在24V的直流电输入时，电源管理中的后备电源开始储能，MCU通过电源管理中开停电检测电路返回的结果将来电状态保存在RAM存储单元的当前状态数据表中，并将RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为1，并根据参数配置信息选择短信、GPRS、以太网或开关量输出方式将有电状态进行输出；当不存在24V的直流电输入，即停电时，电源管理将自动切换为后备电源供电，MCU通过电源管理中开停电检测电路返回的结果将停电状态保存在RAM存储单元的当前状态数据表中，并将RAM存储单元的当前状态数据表的更新标志设置为1，并根据参数配置信息选择短信、GPRS、以太网或开关量输出方式将停电状态进行输出。

6.如权利要求1所述的无负压供水系统中的信息采集与存储装置，所述步骤1)中系统参数设置的报警方式包括短信、GPRS、以太网或开关量输出；所述短信报警内容用于定义各类短信报警的内容；通信方式为GPRS或以太网方式；协议类型为UDP或TCP；485接口和Modbus通信接口参数主要包括波特率、停止位、校验位。