CN112994795B - 一种用光纤进行智能化系统数据传输和控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用光纤进行智能化系统数据传输和控制的方法，属于通信技术领域，包括采用树状星型架构实现一个中心控制设备对多个前端采集控制装置的数据传输；解决了用较低的设备成本和维护成本实现0~5km范围内的电气系统开关量采集、远程控制及系统状态显示等功能，并支持数据的格式转换及与上位机通信的技术问题，本发明具有经济性好、简单可靠、结果直观、支持数据上传上位管理机的特点，适合各类园区低成本运维监测系统的建设。

Description

一种用光纤进行智能化系统数据传输和控制的方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种用光纤进行智能化系统数据传输和控制的方法。

背景技术

智能化技术广泛应用在各类智慧园区，如：智慧小区、智慧园区、智慧大厦等等，随着技术的进步智慧园区基本均采用光纤布线作为其数据传输的主干。本发明着眼于智慧园区光纤布线系统的冗余纤芯，打造一种利用光纤布线系统进行数据传输和数据采集的便捷和廉价系统，低成本的实现智慧园区内各类开关量的数据采集、传输及运行状态显示，提高机电/弱电智能化系统的运行管理费效比。

当前，智慧园区内各类开关量的数据采集多采用基于现场智能控制系统来实现，如采用：BA系统、KNX系统、lonworks系统，DCS系统、PLC系统等设备组网，以上这些主流系统的数据传输多采用专用布线或通过IP网关借助局域网的方式实现，对于仅进行设备数据采集而不进行设备控制的应用而言，上述系统存在以下问题：

a、建设成本高。

常见的基于现场智能控制系统进行数据采集及传输的方式，其系统构成主要包括：管理计算机、管理软件、协议网关、计算机网络、现场控制装置、专用布线、配套电源等，因其前端设备数据传输采用适合铜缆的复杂传输协议，智能设备间的数据通信需要通过专有协议或经过多次进行协议/数据转换实现数据传输，设备相对复杂并需要配置专业软件，通过软件进行系统配置和系统管理，建设费用较高。

b、对布线要求高

常见的现场智能控制系统，系统设备之间规范要求采用专业电缆进行数据传输，加上配套的管线及屏蔽措施，其布线系统的安装要求机造价也相对较高。

c、对计算机网络依赖大

常见的基于现场智能控制系统，覆盖范围较大时，受总线传输距离的限制，其远端设备与中心控制系统之间多采用现场总线协议+IP网关的方式实现数据传输。这就要求进行计算机网络系统建设，并且对承载网络有较高的系统可靠性和可用性，需要具备一定的网络QoS保证，其运行非常依赖计算机网络系统。

d、运维成本高

基于现场智能控制系统的数据采集系统的维护，需要维护人员有相关的智能化系统的专业知识，有智能化和电气控制系统故障排查的综合能力，特别是数据总线类控制系统的安装、维护和调试知识，还需要有计算机网络系统的调试和配置能力，并熟悉系统管理软件的操作和设置。总之，对系统维护人员的技术能力和技术素质提出了很高的要求，统运维人力成本较高。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，本发明提供一种用光纤进行智能化系统数据传输和控制的方法，解决了用较低的设备成本和维护成本实现0~5km范围内的电气系统开关量采集、远程控制及系统状态显示等功能，并支持数据的格式转换及与上位机通信的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种采用光纤进行智能化系统数据传输及智能化控制方法，包括利用光纤作为传输介质，采用树状星型架构实现一个中心控制设备对多个前端采集控制装置的数据传输；

采用中心控制设备轮替控制的方式对末端的前端采集控制装置进行数据传输控制；

利用插入式硬件实现设备物理地址码的设定，利用插入式硬件进行远端接入设备监控量赋值；

中心控制设备为整个系统的数据通信控制与数据处理中心，采用固定周期、范围收敛、次序接力的方式实现整个系统的数据传输管理；

树状星型架构中还设有前端管理机，用于实现二级汇聚和前端采集控制装置上传控制；

前端采集控制装置负责状态信号采集及回路开关控制，并在前端管理机的控制下，进行数据上传；

前端采集控制装置按硬件装置设置的数值次序，在中心控制设备的控制下，通过光纤布线系统轮流将数据发送至中心控制设备；

在中心控制设备中建立运行状态显示模块，用于显示前端采集控制装置的运行状态，前端采集控制装置上设置LED状态显示灯，前端管理机设有状态模块，当前端采集控制装置出现非正常状态时，中心控制设备、前端管理机和前端采集控制装置同时显示运行错误信息。

优选的，采用3级架构，利用裸光纤树形分支结构，以数据广播方式进行数据传输，通过中心控制设备确保全局范围内只有1台前端采集控制装置可以进行数据发送；

数据传输控制采用2级控制架构，1级为中心控制设备-前端管理机，以光信号为载体进行传输控制、2级为前端管理机-前端采集控制装置，以电信号为载体进行传输控制。

优选的，前端采集控制装置的设备物理地址采用插入式硬件赋值；

通过裸光纤及分光器将多台前端采集控制装置汇聚到一台前端管理机上；多台前端管理机再通过裸光纤及分光器汇聚到一条上行光纤链路，接入中心控制设备。

优选的，上、下行数据流均采用广播方式发送，前端采集控制装置的数据的广播发送由中心控制设备及前端管理机进行控制，中心控制设备采用次序轮流传输控制机制进行数据传输控制；

优选的，在树状星型架构中，所有设备的地址范围规划为： 分区地址：有效地址赋值通常为：3 bytes常态，最大为：8 bytes；

汇聚地址：有效地址赋值通常为：4 bytes常态，最大为：8 bytes；

前端设备地址：有效地址赋值通常为4 bytes常态，最大8 bytes；

回路地址：有效地址赋值通常为：4 bytes常态，最大为：8 bytes；

常态数据传输速率为：9600Bps；

根据地址赋值范围调整波特率设定为19200 Bps。

优选的，中心控制设备周期性初始化，初始化时实现根据常态地址范围进行广播轮询，根据轮询结果，确定实际活动地址池，并依据此地址池作为正常传输控制的地址范围，缩小地址范围。

优选的，中心控制设备和前端控制器均采用指示灯加数码管的形式显示故障设备的具体地址信息；前端采集控制器采用双色LED灯进行回路故障显示。

一种采用光纤进行智能化系统数据传输及智能化控制装置，包括一个中心控制设备、多个前端采集控制装置和多个前端管理机，所有前端管理机均通过光纤与中心控制设备通信，前端采集控制装置与前端管理机之间通过光纤通信；每一个前端采集控制装置至少对应与一个前端管理机通信。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种用光纤进行智能化系统数据传输和控制的方法，解决了用较低的设备成本和维护成本实现0~5km范围内的电气系统开关量采集、远程控制及系统状态显示等功能，并支持数据的格式转换及与上位机通信的技术问题，本发明具有经济性好、简单可靠、结果直观、支持数据上传上位管理机的特点，适合各类园区低成本运维监测系统的建设。

附图说明

图1是传统智能化系统数据采集及传输系统示意图；

图2是本发明的数据采集及传输系统示意图；

图3是本发明系统运行原理图示意图；

图4是本发明的系统通信原理图；

图5是本发明的前端采集控制装置原理图；

图6是本发明的前端管理器的原理图；

图7是本发明的中心控制器的原理图；

图8是本发明的软件控制原理图；

图9是本发明的传输控制协议原理图；

图10是本发明的硬件地址编码装置原理图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

实施例1：

如图1-图10所示，一种采用光纤进行智能化系统数据传输及智能化控制方法，包括利用光纤作为传输介质，采用树状星型架构实现一个中心控制设备对多个前端采集控制装置的数据传输；

采用中心控制设备轮替控制的方式对末端的前端采集控制装置进行数据传输控制；

利用插入式硬件实现设备物理地址码的设定，利用插入式硬件进行远端接入设备监控量赋值；

中心控制器采用自有协议进行数据通讯，设备支持系统运行状态的数据显示控制及与上位管理机的485接口数据通信。

中心控制设备为整个系统的数据通信控制与数据处理中心，采用固定周期、范围收敛、次序接力的方式实现整个系统的数据传输管理；

树状星型架构中还设有前端管理机，用于实现二级汇聚和前端采集控制装置上传控制；

前端采集控制装置负责状态信号采集及回路开关控制，并在前端管理机的控制下，进行数据上传；

前端采集控制装置按硬件装置设置的数值次序，在中心控制设备的控制下，通过光纤布线系统轮流将数据发送至中心控制设备；

在中心控制设备中建立运行状态显示模块，用于显示前端采集控制装置的运行状态，前端采集控制装置上设置LED状态显示灯，前端管理机设有状态模块，当前端采集控制装置出现非正常状态时，中心控制设备、前端管理机和前端采集控制装置同时显示运行错误信息，本发明通过指示灯颜色、数码管信息进行显，便于系统的维护。

本发明利用树状星形光纤布线系统，数据传输采用广播的方式，实现中心到多点的传输控制广播（非点对点传输方式）在整个系统内的传输。中心控制器通过光纤分光器将传输控制指令发送到前端管理机，使得每个汇聚点的前端管理机均能同时收到中心控制器发出的控制信号；

本发明的前端管理机收到传输控制指令后，进行地址判断，当确认地址为本地前端采集控制装置后，前端管理机通过控制电路，将发送指令发送给中心控制器指定的前端采集控制器，前端采集控制器将数据进行协议封装，打开光发射器以广播的方式进行数据发送。

于本系统的传输网络为树形结构，中心控制器的光信号可以到达任何汇聚点及前端（末梢）点；前端采集控制器发出的光信号，由于光传输的特性仅能被汇聚点的前端控制器和位于系统中心的中心控制器接受。其他设备由于无法接收到足够强度的光信号，避免了广播方式的数据传输对其的影响，使得传输协议的设计无需考虑广播碰撞、冲突检测等机制，简化了传输协议的复杂性。

前端管理器的下行方向先接入一个1分2的分光器。1路用于将光信号接收到前端处理器的控制部分；1路用于与下一级分光器对接，连接前端采集控制装置。

采用中心控制器与前端管理器协调控制的方式，实现前端采集控制装置（末端设备）的传输控制。前端管理器（汇聚层）在接收到控制信号后，确认是否为下一级设备，不是则不进行处理，如果是本汇聚节点的下一级设备则前端采集控制器通过电气输出端发送控制信号，前端采集控制装置（末端设备）在收到控制信号后，进行数据传输。本传输控制方式，前端采集控制装置的数据传输无需经过前端管理器的数据存储转发，直接由前端采集控制器的光发射器发送到中心控制器的光接收器，减少了数据在存储转发过程中的可能发生的错误及时间消耗，提高了协调可靠性、减少数据传输延迟。

前端采集控制装置的通信地址依靠插入式硬件装置进行设置，插入式硬件地址设置装置最大支持8bit。常规使用时不大于4bit。该装置支持带电热插拔，配合中心控制器复位或周期性初始化（定时自动重启），实现系统的在线热扩展。

当前端采集控制装置接收到前端管理机发来的控制信号后，前端采集控制装置将硬件地址及采集数据封装成数据帧，通过光发射器发射到光纤主干中，实现数据的传送。

本发明的专用数据帧中，数据部分重复封装，供中心控制器进行校验使用。中心控制器在发送传输控制数据后，按程序进入数据接收状态。收到数据后，中心控制器对重复数据进行比对校验，如果2次数据相同，则执行程序的下一步；如果不同则进行数据的重新发送。

为了加快系统运行的效率，中心控制器周期性进行全系统前端采集控制器数量和地址的确认，这种方式可以实现新上线设备的快速自动部署。

为了方便故障的显示及排除，本系统在前端采集控制装置、前端控制器和中心控制器的位置均设置了显示功能。通过LED灯颜色及数码管显示系统状态和故障信息。

优选的，采用3级架构，利用裸光纤树形分支结构，以数据广播方式（非点对点）进行数据传输，通过中心控制设备确保全局范围内只有1台前端采集控制装置可以进行数据发送，避免传输冲突；

数据传输控制采用2级控制架构，1级为中心控制设备-前端管理机，以光信号为载体进行传输控制、2级为前端管理机-前端采集控制装置，以电信号为载体进行传输控制。

优选的，前端采集控制装置的设备物理地址采用插入式硬件赋值，以降低部署时对安装人员的技能水平要求，便于系统的设置与部署；

通过裸光纤及分光器将多台前端采集控制装置汇聚到一台前端管理机上；多台前端管理机再通过裸光纤及分光器汇聚到一条上行光纤链路，接入中心控制设备。

优选的，上、下行数据流均采用广播方式发送，前端采集控制装置的数据的广播（非点对点）发送由中心控制设备及前端管理机进行控制，中心控制设备采用次序轮流传输控制机制进行数据传输控制，避免广播冲突、保证数据有序和高效率发送的专用传输控制机制及程序；远端采集控制设备硬件地址赋值方式、防错插外观及接插件结构。

本发明支持单模及多模光纤（对应波长1310/1300nm激光），以单纤芯或双纤芯半双工工作方式实现数据双向传输。

本发明针对需要监测的系统实时性要求不高的特点，以理论误码率为零的2400Bps、9600Bps、19.2kBps的串口传输速率进行传输。

本发明在数据传输时，采用数据帧的方式进行，数据帧格式为：前导码2字节+帧界定符1字节+地址4字节+数据类型1字节+数据4字节+重复数据4字节+帧结束1字节。

中心控制器对数据帧中的 “数据”和“重复数据”进行比对，当两者不同时，丢弃此次传输数据，控制前端设备重新发送数据。

优选的，在树状星型架构中，所有设备的地址范围规划为： 分区地址：有效地址赋值通常为：3 bytes常态，最大为：8 bytes；

汇聚地址：有效地址赋值通常为：4 bytes常态，最大为：8 bytes；

前端设备地址：有效地址赋值通常为4 bytes常态，最大8 bytes；

回路地址：有效地址赋值通常为：4 bytes常态，最大为：8 bytes；

常态数据传输速率为：9600Bps；

根据地址赋值范围调整波特率设定为19200 Bps。

优选的，中心控制设备周期性初始化，初始化时实现根据常态地址范围进行广播轮询，根据轮询结果，确定实际活动地址池，并依据此地址池作为正常传输控制的地址范围，缩小地址范围。

优选的，中心控制设备和前端控制器均采用指示灯加数码管的形式显示故障设备的具体地址信息；前端采集控制器采用双色LED灯进行回路故障显示。

本发明以裸光纤为传输介质，实现架构范围内的数据传输与传输控制，支持单模和多模光纤的数据传输；利用分光器的特点，配合控制程序，将数据的全域广播传输方式转变为数据“单向”传输的结果；以零误码率的串口标准传输波特率2400、9600ps和19200Bps作为系统的传输速；采用中心控制器+前端管理机的方式，实现系统对控制前端采集控制装置的数据发送的控制；采用硬件接插件定义前端采集控制装置的硬件地址；中心控制器采用初始化查询在线设备生成在线设备地址池的方式，提高系统通信效率；可在中心控制器、前端管理机和前端采集控制装置上显示系统的运行状态或故障位置；系统支持与上位管理机进行数据通信。在仅进行系统运行监测，不进行控制的情况下，可以不依托管理计算机运行，具备可在线扩展、灵活组网、弹性地址规模、护难度低和误报率低的特点。

如图1所示，智能化系统通常情况下在覆盖范围较小时采用总线方式组网；在覆盖范围较大时，依托计算机网络系统进行协议转换组网。组网的建设成本较高；使用、维护对管理人员由技术能力要求，使用成本较高。本发明利用分布式光纤网络的传输特点，通过简化硬件及软件的方式，实现较低成本的智能化系统检测及控制功能。

如图2所示，本发明利用智能化系统经常采用的光纤布线系统作为传输介质，利用激光功率大、单向传输和可以进行分光的特点，构建3级系统架构，实现中心到前端的点对多点；前端到中心点对点的数据传输。

如图3、4所示，中心控制器发送光信号，通过树状星型光纤使得数据可以同时到达每一个2级（前端管理器）和3级（前端采集控制装置）设备。当中心控制器发送的是控制指令数据时，控制数据可以直接到达前端采集控制装置，实现控制功能；当中心控制器发送的是数据传输指令时，2级前端管理机接收到指令，进行处理后，控制前端采集控制装置发送设备的状态数据。由于系统架构级、传输程序控制和分光器的特点，系统内的数据传输不会发生冲突。

如图5所示，图5为前端采集控制装置的控制原理图。前端采集控制装置采用导轨安装，尺寸与微断接近，可以安装在电气配电箱、电气控制箱、电气设备箱和智能化设备箱内，前端采集控制装置由：控制主板、外部插入地址码装置、检测器件和控制器件、指示灯外壳等组成。控制主板包括：单片机、时钟模块、电源模块、激光发射/接收模块、显示驱动模块、继电器驱动模块、地址码接口、光接口和控制信号接口等。前端采集控制装置分为采集型和采集控制型，后者既采集被测量回路的状态，也可以进行通断控制。

设备运行时，由单片机按程序控制运行。设备采集的状态数据实时保存在单片机中，当收到前端控制器发来的电气控制信号后，单片机将监测数据进行封装，通过光发射/接收模块发送出去；设备平时运行时，在收到控制数据时，有两种处理方式。对需要快速响应的应用，由单片机将数据中的地址与自身地址进行比对，确认地址为本地地址后，控制继电器驱动模块进行相关操作；对于需要准确控制的应用，则由前端管理器进行控制。

系统运行时，根据外接式地址模块确定的回路数确定检测范围。检测范围内的回路正常时，单片机通过显示灯驱动模块显示对应回路指示灯为绿色；检测范围内的回路不正常时，单片机通过显示灯驱动模块显示对应回路指示灯为红色。

前端采集控制装置的前面板处设置截面不同的四种硬件地址码接口，四种硬件地址码最大设置范围均为8位。4个地址码硬件代表：1级区域编号（如：A、B、C、D、……）、2级汇聚点编号（如：01、02、03、……）、3级设备编号（如：01、02、03、……）和4级回路数量（如：01~08），用于可管理的全局硬件地址定义和监测范围定义，建立全局地址池。

如图6所示，图6为前端控制器的控制原理图。前端控制器采用导轨安装，尺寸与微断接近，可以安装在电气配电箱、电气控制箱、电气设备箱和智能化设备箱内，前端采集控制装置由：控制主板、指示装置、输出控制板、光接口板和外壳等组成。控制主板包括：单片机、时钟模块、电源模块、激光发射/接收模块、显示灯驱动模块、数码管驱动模块和光接口（对接中心控制器的光纤）等。

前端控制器运行时，由控制主板上单片机按程序控制运行。前端控制器运行时，在系统初始化阶段，通过次序进行控制信号输出，按次序控制3级前端采集控制装置发送状态信息，通过光分器3-2-4的次序，可以采集到其下联的3级前端采集控制装置的地址信息，并建立本地地址池。

系统初始化后，当前端控制器收到中心控制器发来的光信号后（光分器1-4的次序），单片机将数据中的地址与本地地址进行比对，确认地址为本地地址池范围内的设备时，由单片机控制对应的输出控制板接口发出电气控制信号，控制3级前端采集控制装置发送数据光信号。中心控制器发出的光信号通过光分器1-2-3的次序发送到3级的前端采集控制装置；3级的前端采集控制装置发出的光信号数据通过光分器3-2-1的次序发送到中心控制器，同时也通过光分器3-2-4的次序将同样数据发送给前端控制器控制主板，控制主板将此数据存储及处理，用于在本设备上显示本汇聚节点的运行状态和故障信息。当本汇聚点检测范围内的回路均正常时，单片机通过显示灯驱动模块显示对应回路指示灯为绿色；检测范围内的回路不正常时，单片机通过显示灯驱动模块显示指示灯为红色，并通过数码管驱动模块将故障设备的名称和回路号通过数码管显示。数码管共3位十进制数字，前两位代表设备编号；后一位代表此设备的故障回路编号。

如图7所示，图7为中心控制器的控制原理图。中心控制器采用导轨安装，尺寸与微断接近，可以安装在电气配电箱、电气控制箱、电气设备箱和智能化设备箱内，前端采集控制装置由：控制主板、指示装置、干接点输出、12V报警电源输出和外壳等组成。控制主板包括：单片机、时钟模块、电源模块、激光发射/接收模块、显示灯驱动模块、数码管驱动模块、485接口和光接口（对接中心控制器的光纤）等。

前端控制器运行时，由控制主板上单片机按程序控制运行。中心控制器运行时，首先进行系统初始化，将初始化信息发送至前端控制器，让前端控制器建立其本地地址池。在前端控制器建立本地地址池后，延迟一段时间（如：30s，数倍于前端控制器建立其本地地址池所需时间），在确定无光信号后（若2级前端控制器未完成其本地地址池，则其下级前端采集控制装置仍在发送光信号），发送全局地址轮询数据，建立中心全局地址池（本方法可以简单化2级前端控制器）。

全局地址池建立后，中心控制器在单片机控制下，按本地地址池的次序逐次控制3级前端采集控制装置发送数据；也可以在上位机指令下，将控制指令发送至3级前端采集控制装置。

中心控制器上可以显示系统内节点的运行状态和故障信息。当系统范围内的回路均正常时，单片机通过显示灯驱动模块显示对应回路指示灯为绿色；检测范围内的回路不正常时，单片机通过显示灯驱动模块显示指示灯为红色，并通过数码管驱动模块将故障设备的名称和回路号通过数码管显示。数码管共5位十进制数字，前两位为：区域编号、中间两位为：设备编号；后一位为：故障设备的回路编号。

中心控制器还支持声光报警进行故障提示，通过一路干接点接口、一路12V接口，外接相关报警设备，如：声光报警器、继电器输如等。

中心控制器通过485接口与上位管理计算机通信。当进行设备控制时，需要上位计算机的人机界面设置控制指令；当仅进行系统监测时，中心控制器无需上位管理计算机可独立运行。本系统最理想的应用为仅进行系统监测。

如图8所示，图8为本发明3级架构中设备的软件控制原理图。

前端采集控制装置的控制程序原理为：1、设备上电后，读取硬件地址（外插式人工设置）；2、读取采集回路的状态；3、若无外部中断（前端控制器的控制信号），则进行数据采集、显示的循环状态；4、当外部中断1发生时，跳转至数据封装发送流程进行数据发送，发送后继续进行数据采集、显示的循环状态；5、当外部中断2发生时，则读取中心控制器发来的控制信息，驱动继电器驱动模块动作，实现控制。

前端控制器的控制程序原理为：1、设备初始化，建立本地地址池。2、收到中心控制器数据后判断是否为本汇聚点下辖3级设备；3、判断为本地下辖设备后，通过控制电路控制3级前端采集控制装置发送数据；4、将通过分光器接收到的数据中的设备状态信息进行提取，并输出至指示灯和数码管进行显示。5、持续循环运行。

中心控制器的控制程序原理为：1、初始化。发送前端控制器初始化指令，并延时至设定时间后，判断是否有光通信。2、初始化结束后，进行地址轮询广播发送，读取返回信息，建立全局地址池和活动设备地址与信息表（产品化时，面对中小规模如：200台3级设备时，可制成缩小地址编码范围的产品，减少全局地址池建立的时间）；3、系统状态显示程序；4判读有无上位机指令，有则进入指令发送程序，无则进入传输控制程序；5、执行发送与接收指定地址的数据程序；6、结束数据对比，判断数据是否正确（2次数据相同），正确则跳转至第3步，错误则重新控制此地址设备发送。7、接收的设备状态数据为异常，则显示该信息并控制外接报警端输出。8、周期运行一定周期（采集次数、天、周、旬、月）后，进行程序复位重启。

如图9所示，图9为本发明的传输控制协议原理图。

本传输控制协议的数据帧由前同步码、帧界定符、目的地址、数据类型、数据、帧结束组成，帧长度为17个字节。其原理为：1、前3个字节的前同步码（2字节）、帧界定位和帧结束定义了帧的起始和传输前的同步准备；2、目的地址为4个字节，对应外插插入式地址设置硬件的最大数据位；3、数据类型为后续数据的操作意义，数据类型为1个字节。数据01交替为执行监控指令；全部为0为只进行监测；全部为1为前端控制器初始化。4、数据为4个字节，在一个数据帧中重复写入2次，用于接收端的数据校验。

如图10所示，图10为本发明的插入式地址设置硬件的原理图。插入式外接地址码设置硬件共4种插入外形及颜色，对应4种含义的地址码，不同的外形和颜色可以防止误插，有利于进行部署。设置硬件有一个公共极和8个数据极，直接对应单片机输入极，无需程序转换；编码极位置有导体的代表数字“1”；无导体代表数字“0”，可以直接对应2进制数字，设置硬件的前面板上雕刻对应的具体数字。设置硬件插入时，数据极先于公共级接触触点，可以减化信号抖动的处理程序，支持热插拔。

在此基础上，本发明的功能实现的过程，具体如下：

步骤一、具体实施时，先按三级架构进行设备安装和各类线缆连接。第3级的前端采集控制装置根据规划，安装插入式硬件地址码进行地址设置，完成设备本身级设备与2级前端控制器的光纤与控制线的连接并接入需要进行控制和监测的回路；第2级的前端控制管理器完成设备安装，线缆连接和光纤连接；中心控制器完成设备安装、光纤连接及与上位管理计算机的连接后，系统由第三级到中心的次序逐次上电运行。

步骤二、中心控制器上电后，其他2、3级设备均处于运行状态。中心控制器首先进行系统初始化，发送初始化指令给2级前端控制器，前端控制器接到初始化指令后，采集所辖3级前端采集控制装置的设备硬件地址，建立自身的本地地址池，中心控制器初始化设定时间结束时，2级前端控制器本地地址池均已建立。

步骤三、中心控制器在初始化后进行全域范围内的地址轮询，2级前端控制器收到轮询指令后，进行地址比对。当确认为自身所辖的地址后，控制该设备发送光信号，中心控制器接到光信号数据后，提取地址信息，直至全部地址轮询完成后，建立全局地址池。

步骤四、全局地址池建立后，中心控制器可自主工作，获取全局第3级前端采集控制装置的运行状态，也可以在上位管理计算机的控制下发送控制指令，前端采集控制装置的收到控制指令后，按控制数据进行相关操作。

步骤五、中心控制器在运行一段时间后，进行初始化复位重启。重新执行步骤一、二、三、四，这样可以按一定周期实现动态的实现新设备发现与自动加入。

实施例2：

实施例2所述的一种采用光纤进行智能化系统数据传输及智能化控制装置是与实施例1所述的一种采用光纤进行智能化系统数据传输及智能化控制方法配套的，包括一个中心控制设备、多个前端采集控制装置和多个前端管理机，所有前端管理机均通过光纤与中心控制设备通信，前端采集控制装置与前端管理机之间通过光纤通信；每一个前端采集控制装置至少对应与一个前端管理机通信。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种用光纤进行智能化系统数据传输和控制的方法，解决了用较低的设备成本和维护成本实现0~5km范围内的电气系统开关量采集、远程控制及系统状态显示等功能，并支持数据的格式转换及与上位机通信的技术问题，本发明具有经济性好、简单可靠、结果直观、支持数据上传上位管理机的特点，适合各类园区低成本运维监测系统的建设。

本发明使用智能化布线系统的裸光纤做为传输介质，利用树状星型光纤布线结构的特点和光单向传输的特性，简化数据传输协议，便捷的实现了稳定、可靠和高效的数据传输。

本发明可以实现现场设备的配置，采用人工插入地址码硬件的方式实现，设备地址配置直观可见，容易部署和维护，降低了对人员的技能要求。同时，系统内的核心层、汇聚层和前端层设备均可显示运行状态和故障信息，方便发现故障具体位置，便于快速排障。

由于优化和简化传输机制实现智能化系统的数据传输，达到远端设备状态数据的采集和远端设备的电气控制功能。本发明系统极大节省硬件资源，简化了数据传输的复杂性，使得结构简单、设备体积小，显示功能齐备，便于维护。

系统支持通过上位管理计算机进行管理，实现数据的存储和利用。中心控制器可以独立工作也支持与上位管理计算机管理下工作；也支持用作运行状态检测功能时，无需上位管理计算机系统时自动独立运行。

根据本发明实施例的计算机设备，存储在存储器上的计算器程序被处理器运行时，采用滑窗算法以预设采样频率对信号进行采样；获取信号的当前频率，并根据当前频率和预设采样频率计算预设采样点数；根据预设采样点数和前一窗口的采样点数对当前窗口的大小进行调整；获取调整后窗口中的采样数据，根据采样数据和预设采样点数计算信号的有效值，从而可以提高频率变化时信号有效值的精度和平滑性。

在本发明中，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种采用光纤进行智能化系统数据传输及智能化控制方法，其特征在于：包括利用光纤作为传输介质，采用树状星型架构实现一个中心控制设备对多个前端采集控制装置的数据传输；

采用中心控制设备轮替控制的方式对末端的前端采集控制装置进行数据传输控制；

利用插入式硬件实现设备物理地址码的设定，利用插入式硬件进行远端接入设备监控量赋值；

中心控制设备为整个系统的数据通信控制与数据处理中心，采用固定周期、范围收敛、次序接力的方式实现整个系统的数据传输管理；

树状星型架构中还设有前端管理机，用于实现二级汇聚和前端采集控制装置上传控制；

前端采集控制装置负责状态信号采集及回路开关控制，并在前端管理机的控制下，进行数据上传；

前端采集控制装置按硬件装置设置的数值次序，在中心控制设备的控制下，通过光纤布线系统轮流将数据发送至中心控制设备；

在中心控制设备中建立运行状态显示模块，用于显示前端采集控制装置的运行状态，前端采集控制装置上设置LED状态显示灯，前端管理机设有状态模块，当前端采集控制装置出现非正常状态时，中心控制设备、前端管理机和前端采集控制装置同时显示运行错误信息；

前端采集控制装置的设备物理地址采用插入式硬件赋值；

通过裸光纤及分光器将多台前端采集控制装置汇聚到一台前端管理机上；多台前端管理机再通过裸光纤及分光器汇聚到一条上行光纤链路，接入中心控制设备；

采用3级架构，利用裸光纤树形分支结构，以数据广播方式进行数据传输，通过中心控制设备确保全局范围内只有1台前端采集控制装置可以进行数据发送；

数据传输控制采用2级控制架构，1级为中心控制设备-前端管理机，以光信号为载体进行传输控制、2级为前端管理机-前端采集控制装置，以电信号为载体进行传输控制。

2.如权利要求1所述的一种采用光纤进行智能化系统数据传输及智能化控制方法，其特征在于：上、下行数据流均采用广播方式发送，前端采集控制装置的数据的广播发送由中心控制设备及前端管理机进行控制，中心控制设备采用次序轮流传输控制机制进行数据传输控制。

3.如权利要求1所述的一种采用光纤进行智能化系统数据传输及智能化控制方法，其特征在于：在树状星型架构中，所有设备的地址范围规划为：分区地址：有效地址赋值为：3bytes常态，最大为：8 bytes；

汇聚地址：有效地址赋值为：4 bytes常态，最大为：8 bytes；

前端设备地址：有效地址赋值为4 bytes常态，最大8 bytes；

回路地址：有效地址赋值为：4 bytes常态，最大为：8 bytes；

常态数据传输速率为：9600Bps；

根据地址赋值范围调整波特率设定为19200 Bps。

4.如权利要求1所述的一种采用光纤进行智能化系统数据传输及智能化控制方法，其特征在于：中心控制设备周期性初始化，初始化时实现根据常态地址范围进行广播轮询，根据轮询结果，确定实际活动地址池，并依据此地址池作为正常传输控制的地址范围，缩小地址范围。

5.如权利要求1所述的一种采用光纤进行智能化系统数据传输及智能化控制方法，其特征在于：中心控制设备和前端控制器均采用指示灯加数码管的形式显示故障设备的具体地址信息；前端采集控制器采用双色LED灯进行回路故障显示。

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