CN111147579B - 基于Web技术的水文缆道自动测控系统 - Google Patents

基于Web技术的水文缆道自动测控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Web技术的水文缆道自动测控系统，包括：嵌入式终端和WEB应用服务器；嵌入式终端与水文缆道测控装置相连，并提供WebSocket服务访问控制接口；WEB应用服务器设置具有预设缆道测控功能的缆道测控WEB应用系统；客户端浏览器通过HTTP协议与WEB应用服务器实现通信连接，客户端浏览器通过WebSocket协议与嵌入式终端实现通信连接。通过本发明的技术方案，实现对水文缆道设备的即时控制，减少了中间中继环节，有利于实现测验工作和流程的规范化、标准化、数字化管理，提高了系统的即时性与稳定性。

Description

基于Web技术的水文缆道自动测控系统
技术领域
本发明涉及测控技术领域，尤其涉及一种基于Web技术的水文缆道自动测控系统。
背景技术
随着物联网技术的普及，自动测报设备也已广泛应用水文行业。但对于水文缆道这种对设备控制要求较高的控制系统，目前其系统架构还是基于传统C/S(Client/Server，服务器/客户机)架构。基于C/S架构系统具有维护、升级困难、无法跨平台等缺陷，而B/S(Browser/Server，浏览器/服务器)架构由于其基于HTTP协议进行通信，并不能提供一个有效的长链接的TCP双向通信机制或以伪实时技术方式实现，其请求/响应模型不能实现数据的实时传输与消息的即时推送，因此自动控制系统一般尚未向B/S架构迁移。而WebSocket作为HTML5推出的服务器与浏览器之间的全双工通信信道，以解决基于web的信息推送问题，实时性强、效率高，利于控制指令及即时消息的通信。
在“互联网+”背景下,基于Web访问的便利与易升级维护优势，传统测控系统逐渐向Web端迁移。现有技术中采用的系统解决方案都为是在服务器端设置WebSocket服务实现对对控制指令的中继，都实现了B/S架构下远程测控问题。这种采用指令中继的Web实时监控系统方案，需要指令中继，具有一定指令丢失风险及系统通讯部分设计复杂性。
发明内容
针对上述问题中的至少之一，本发明提供了一种基于Web技术的水文缆道自动测控系统，通过WebSocket实现水文缆道的即时控制，通过嵌入式WebSocket Server技术提供功能服务，从而将水文缆道测控系统部署到Web端，有利于实现测验工作和流程的规范化、标准化、数字化管理，水文缆道自动测控系统为水文测站的正常运行与生产管理提供技术保障，有利于水文缆道的远程自动化，在一定程度上提升了水文缆道监控系统的信息化水平,促进了水文行业工作水平和质量的提高。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于Web技术的水文缆道自动测控系统，包括：嵌入式终端和WEB应用服务器；所述嵌入式终端与水文缆道测控装置相连，并提供WebSocket服务访问控制接口；所述WEB应用服务器设置具有预设缆道测控功能的缆道测控WEB应用系统；客户端浏览器通过HTTP协议与所述WEB应用服务器实现通信连接，所述客户端浏览器通过WebSocket协议与所述嵌入式终端实现通信连接。
在上述技术方案中，优选地，所述嵌入式终端包括主控模块以及分别与所述主控模块相连接的串口通信模块、D/A转换模块、继电器和网络模块，所述主控模块通过所述串口通信模块接收所述水文缆道测控装置的编码器信息，所述主控模块通过所述D/A转化模块和所述继电器控制所述水文缆道测控装置的变频器动作，所述主控模块通过所述网络模块与所述客户端浏览器实现WebSocket通信连接。
在上述技术方案中，优选地，所述网络模块用于监听所述客户端浏览器通过HTTP协议发出的WebSocket握手请求，在确认所述客户端浏览器发出WebSocket握手请求时生成握手确认报文，并通过HTTP协议发送至所述客户端浏览器进行验证，在所述客户端浏览器验证通过时基于WebSocket协议实现与所述网络模块的WebSocket通信连接。
在上述技术方案中，优选地，所述缆道测控WEB应用系统具有权限管理、测站信息管理、大断面数据管理、缆道参数设置、测流参数设置、测量成果查询与测量作业的测控功能，所述测量作业包括流速检测和悬移质检测，所述流速检测包括流速仪法和走航式ADCP法。
在上述技术方案中，优选地，所述嵌入式终端还包括数字隔离模块，所述D/A转换模块采用DAC7760芯片用以将数字信号转换为0～10V的模拟信号输出，所述数字隔离模块采用ISO7631芯片用以将数字信号与模拟信号的隔离。
在上述技术方案中，优选地，所述网络模块采用集成全硬件TCP/IP协议栈+MAC+PHY的嵌入式工业级以太网控制器芯片W5500。
在上述技术方案中，优选地，在所述客户端浏览器中使用JavaScript脚本语言通过WebSocket API接口实现实时通信，WebSocket API接口通过监听事件注册相关的回调函数以接收和更新数据，所述嵌入式终端根据接收到的数据实现对水文缆道的动作控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过跨域访问WebSocket服务器实现对水文缆道设备的即时控制，减少了中间中继环节，通过嵌入式WebSocket Server技术提供功能服务，从而将水文缆道测控系统部署到Web端，有利于实现测验工作和流程的规范化、标准化、数字化管理，提高了系统的即时性与稳定性，水文缆道自动测控系统为水文测站的正常运行与生产管理提供技术保障，有利于水文缆道的远程自动化，在一定程度上提升了水文缆道监控系统的信息化水平,促进了水文行业工作水平和质量的提高。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的基于Web技术的水文缆道自动测控系统的架构原理示意图；
图2为本发明一种实施例公开的嵌入式终端的结构示意框图；
图3为本发明一种实施例公开的嵌入式终端的串口通信模块的电路原理图；
图4为本发明一种实施例公开的嵌入式终端的D/A转换模块的电路原理图；
图5为本发明一种实施例公开的嵌入式终端的网络模块的通信原理图；
图6为本发明一种实施例公开的嵌入式终端的数字隔离模块的电路原理图；
图7为本发明一种实施例公开的缆道测控WEB应用系统的功能模块示意图。
图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：
1.嵌入式终端，11.主控模块，12.串口通信模块，13.D/A转换模块，14.继电器，15.网络模块，2.WEB应用服务器，3.客户端浏览器，4.水文缆道测控装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，根据本发明提供的一种基于Web技术的水文缆道自动测控系统，包括：嵌入式终端1和WEB应用服务器2；嵌入式终端1与水文缆道测控装置4相连，并提供WebSocket服务访问控制接口；WEB应用服务器2设置具有预设缆道测控功能的缆道测控WEB应用系统；客户端浏览器3通过HTTP协议与WEB应用服务器2实现通信连接，客户端浏览器3通过WebSocket协议与嵌入式终端1实现通信连接。
在该实施例中，系统采用控制与应用分离模式，缆道测控设备采用嵌入式终端1设备统一控制，通过嵌入式WebSocket服务器将相关信息、指令即时推送、接收到客户端浏览器3；缆道测控WEB应用系统则部署于WEB应用服务器2，即嵌入式终端1仅实现简单控制指令的解析执行与信息推送，将升级改进较为频繁的应用系统部分交由应用服务器完成，将功能与应用分离，依托Web系统的易扩展与客户端零维护等特点，只需一款循序HTML5协议浏览器就能访问。
系统设计包含2个部分：嵌入式终端1与WEB应用服务器2。嵌入式终端1实现对测流信号接收与缆道控制，并提供WebSocket服务访问控制接口；应用Web服务器依据具体测验逻辑设计具体控制逻辑与成功查询展示功能。客户端浏览器3通过HTTP协议访问WEB应用服务器2实现缆道控制逻辑与日常业务工作，在需要缆道作业时通过WebSocket协议访问嵌入式终端1实现缆道设备的具体控制，实现Web架构下远程缆道的自动控制。优选地，WEB应用服务器2还与数据库服务器相连接，通过数据库服务器存储相关程序数据及测控数据。
如图2所示，在上述实施例中，优选地，嵌入式终端1包括主控模块11以及分别与主控模块11相连接的串口通信模块12、D/A转换模块13、继电器14和网络模块15，主控模块11通过串口通信模块12接收水文缆道测控装置4的垂直/水平编码器信息，主控模块11通过D/A转化模块和继电器14控制水文缆道测控装置4的变频器动作进而控制电机运动，主控模块11通过网络模块15与客户端浏览器3实现WebSocket通信连接。优选地，其中主控模块11采用基于Cortex-M3内核的STM32最小系统，主频最高可达72MHz，-40/+85℃工业级温度工作环境，适应各水文测站的恶劣工作环境。
具体地，如图3所示，串口通信功能主要完成对垂直/水平编码器信息的接收，串口通信模块12采用MAX3232芯片进行电平转换，串口通信模块12电路图如图所示。C26、C29、C39与C31为电荷泵电容。只需提供3.0V至5.5V电源，即可提供+5.5V(倍压电荷泵)和-5.5V(反相电荷泵)输出电压，电荷泵工作在非连续模式，一旦输出电压低于5.5V，将开启电荷泵；输出电压超过5.5V，即可关闭电荷泵，每个电荷泵由一个飞容器和一个储能电容组成，产生V+和V-的电压。RS232通信传输距离远、抗干扰能力强、传输速度快等特点，满足终端对实时变化的编码器数据的采集需求。
如图4所示，具体地，电机速度控制决定缆道控制的安全性与准确性，也决定了测流作业的效率。系统通过调节电压控制变频器进而控制电机速度，采用12位数模转换器DAC7760芯片，将其电压输出范围设计为0V～10V。为隔离和保护变频器与终端设备，使用ISO70631数字隔离器实现数字信号与模拟信号的隔离，减少了干扰信号经由信号线传入，提高系统的抗干扰能力。
如图5所示，在上述实施例中，优选地，网络模块15用于监听客户端浏览器3通过HTTP协议发出的WebSocket握手请求，在确认客户端浏览器3发出WebSocket握手请求时生成握手确认报文，并通过HTTP协议发送至客户端浏览器3进行验证，在客户端浏览器3验证通过时基于WebSocket协议实现与网络模块15的WebSocket通信连接。
在该实施例中，前置终端核心是实现TCP/IP协议应用层的WebSocket服务以及用于WebSocket连接的建议HTTP协议解析服务。作为需要即时发送信号信息与接收上位机指令服务终端，必须确保网络连接可靠性与即时性。优选地，采用集成全硬件TCP/IP协议栈+MAC+PHY的嵌入式工业级以太网控制器芯片W5500，最高支持80MHz的高校SPI时钟频率。W5500通过内置TCP/IP硬件协议栈也就是硬件逻辑电路，在W5500芯片内完成TCP/IP握手请求，基本上不占用MCU内部资源，能够极大地提高MCU工作效率。MTU通过W5500收到网络数据后，需要对其应用层协议进行解析，即HTTP协议报文与WebSocket帧结构解析与封装。WebSocket链接的建立需要通过HTTP协议进行握手确认，同时为解决HTTP链接时的ajax跨域安全性问题，需要在握手确认报文首部中设置该服务允许被跨域访问。
如图6所示，在上述实施例中，优选地，嵌入式终端1还包括数字隔离模块，D/A转换模块13采用DAC7760芯片用以将数字信号转换为0～10V的模拟信号输出，数字隔离模块采用ISO7631芯片用以将数字信号与模拟信号的隔离。
如图7所示，在上述实施例中，优选地，缆道测控WEB应用系统具有权限管理、测站信息管理、大断面数据管理、缆道参数设置、测流参数设置、测量成果查询与测量作业的测控功能，测量作业包括流速检测和悬移质检测，流速检测包括流速仪法和走航式ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler，声学多普勒流速剖面仪)法。
在上述实施例中，优选地，在客户端浏览器3中使用JavaScript脚本语言通过WebSocket API接口实现实时通信，WebSocket API接口通过监听事件注册相关的回调函数以接收和更新数据，嵌入式终端1根据接收到的数据实现对水文缆道的动作控制。
具体地，测量作业核心在于缆道控制，为保证通信控制的流畅性与即时性，系统在测量前将所有任务信息及测量参数获取后，由浏览器前端JavaScript脚本语言完成测量过程中的全部测量逻辑。目前，支持HTML5协议的浏览器都提供了统一的WebSocket API接口，在浏览器中使用JavaScript脚本语言利用此API接口可以便捷的实现与服务程序的实时通信。WebSocket技术采用纯事件驱动技术，且WebSocket API提供异步编程模型，通过监听事件注册相关的回调函数接收和更新数据。WebSocket协议定义的四种不同的事件如下表1所示：
表1 WebSocket事件
Figure BDA0002336627360000061
Figure BDA0002336627360000071
具体地，通过WebSocket方式控制缆道主要代码如下所示：
Figure BDA0002336627360000072
Figure BDA0002336627360000081
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于Web技术的水文缆道自动测控系统，其特征在于，包括：嵌入式终端和WEB应用服务器；
所述嵌入式终端与水文缆道测控装置相连，并提供WebSocket服务访问控制接口；
所述WEB应用服务器设置具有预设缆道测控功能的缆道测控WEB应用系统；
客户端浏览器通过HTTP协议与所述WEB应用服务器实现通信连接，所述客户端浏览器通过WebSocket协议与所述嵌入式终端实现通信连接；
所述嵌入式终端包括主控模块以及分别与所述主控模块相连接的串口通信模块、D/A转换模块、继电器和网络模块，所述主控模块通过所述串口通信模块接收所述水文缆道测控装置的编码器信息，所述主控模块通过所述D/A转化模块和所述继电器控制所述水文缆道测控装置的变频器动作，所述主控模块通过所述网络模块与所述客户端浏览器实现WebSocket通信连接；
所述网络模块用于监听所述客户端浏览器通过HTTP协议发出的WebSocket握手请求，在确认所述客户端浏览器发出WebSocket握手请求时生成握手确认报文，并通过HTTP协议发送至所述客户端浏览器进行验证，在所述客户端浏览器验证通过时基于WebSocket协议实现与所述网络模块的WebSocket通信连接；
在所述客户端浏览器中使用JavaScript脚本语言通过WebSocket API接口实现实时通信，WebSocket API接口通过监听事件注册相关的回调函数以接收和更新数据，所述嵌入式终端根据接收到的数据实现对水文缆道的动作控制。
2.根据权利要求1所述的基于Web技术的水文缆道自动测控系统，其特征在于，所述缆道测控WEB应用系统具有权限管理、测站信息管理、大断面数据管理、缆道参数设置、测流参数设置、测量成果查询与测量作业的测控功能，所述测量作业包括流速检测和悬移质检测，所述流速检测包括流速仪法和走航式ADCP法。
3.根据权利要求1所述的基于Web技术的水文缆道自动测控系统，其特征在于，所述嵌入式终端还包括数字隔离模块，所述D/A转换模块采用DAC7760芯片用以将数字信号转换为0～10V的模拟信号输出，所述数字隔离模块采用ISO7631芯片用以将数字信号与模拟信号的隔离。
4.根据权利要求1所述的基于Web技术的水文缆道自动测控系统，其特征在于，所述网络模块采用集成全硬件TCP/IP协议栈+MAC+PHY的嵌入式工业级以太网控制器芯片W5500。
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