河工模型數據通信協議的智能化識別方法

魯娟娟， 陳 紅

(1. 正德職業技術學院 電子與信息技術系， 南京 211106； 2. 河海大學 水利水電學院， 南京 210098)

0 引 言

河工模型廣泛應用于模擬天然水沙運動，揭示水沙運動的內在規律，解決重大水利工程關鍵技術難題。為順利開展模型試驗，評估工程前后水沙運動變化情況，需要精確采集流量、流速、水位、壓力等參數，并反饋控制邊界。因此，模型數據測控對河工模型試驗順利開展至關重要，一直是河工模型試驗領域內的研究重點[1～3]。蔡守允等[4]研發了一套綜合水利實體模型試驗測量與控制系統，應用于長江航道整治實體模型研究；虞邦義等[5]研發了實體模型自動測控系統，用于淮河干流模型試驗數據采集和邊界控制；吳新生等[6]開發了潮汐模擬系統，用于深圳河口潮汐水流模型；魯娟娟等[7]基于ZigBee無線數據交互技術開發了河工模型智能流速采集系統，用于贛江南昌段河工模型流速測量。隨著計算機、電子、物聯網、通信等技術的快速發展，河工模型測控技術得到進一步完善：① 測量數據同步性更高，蔡守允開發的系統可同步采集32路流速、水位等信號；② 控制策略更智能，陳紅[8]采用改進PID控制器完善復雜水位跟蹤控制，減小了水位滯后或超調等控制偏差，提高了復雜水位模擬能力；③ 數據傳輸更簡便，陳紅[8]、楊楠等[9]運用ZigBee技術組建無線網絡，通過改進網絡結構，提升網絡容量，滿足大尺度河工模型多參數數據采集需求。

隨著新型技術的發展，近年來出現了大量新型數字傳感器，促進了河工模型水沙參量測量技術的發展。然而，不同廠家、不同型號通信協議之間協同性差，導致測控系統兼容性、擴展性差，阻礙了測控系統的進一步發展。為了提高通信協議的通用性，解決不同設備的異構系統，工業控制領域多采用(OLE for Process Control, OPC)技術[11-14]，硬件開發商和應用系統開發均需要運用OPC標準；而且OPC技術需要相應服務平臺支持，增加了系統開發難度。因此，OPC技術無法適用于河工模型測控系統。為了提高河工測控模型測控系統通用性、靈活性，針對不同廠家、不同設備的通信協議差異性，本文提出了一種基于數據庫技術的協同通信協議標準，實現河工模型測控設備標準化。

1 協同通信協議標準

測控系統主要由上位機應用系統和測控設備組成，具有啟動采集、停止采集、讀取數據、查詢儀器狀態、設置地址、設置波特率等功能，其數據交互一般采用“一問一答”模式，即上位機發出命令，測控設備接收命令并根據命令獲取數據，再發送給上位機，如圖1所示。要完成上位機應用系統和測控設備的協同工作，數據通信協議至關重要。

圖1 數據交互采集流程

1.1 通信協議數據庫

協同通信協議標準依托ACCESS數據庫技術[15-16]，把相同功能、不同通信協議的功能映射為標準模式，映射過程如圖2所示。

圖2 命令幀管理

測控系統中，通信協議一般包括通信端口參數配置、命令碼格式設置、命令設置、數據格式設置、數據校驗等內容。為此，設計通信協議標準數據(見表1)，主要包含通信協議編號、協議數目、命令碼、命令格式、數據格式、波特率、數據校驗、儀器返回值長度、返回值格式和操作地址等信息。測控系統應用程序設計時，所有儀器的通信協議都以表1所示的形式存放在數據庫中，一臺儀器一個編號，一個編號對應一臺儀器的所有協議。

表1 標準通信協議映射數據表

在河工模型試驗數據交互過程中，不同儀器或者同一儀器不同命令反饋數據類型、數據格式有時不同，不利于對數據進行管理和識別。數據類型一般有字符串和16進制，數據格式一般包含起始位、數據位、停止位和校驗位。為了有效管理數據，采用了數據庫對數據格式進行統一標準化動態管理，數據格式設計如表2所示，包括數據類型、數據格式、數據格式表的主鍵等。儀器接收命令后，將對應數據返回至上位機，上位機再根據識別相應儀器的數據格式進行解析獲取測量數據，然后存入數據庫，統一數據存儲格式。這種通用的數據解析方法具有兩個優勢：① 數據按統一格式進行存儲，當儀器增加更換時，僅需更新數據庫，不需要改變數據處理程序，易于程序維護；② 數據調用方便 ，便于后期數據處理、分析等。

表2 數據格式表

1.2 智能識別

采用標準通信協議進行數據交互，不同于特定通信協議。基于數據庫的通信協議識別過程如圖3所示。系統獲取通信協議編號，識別不同儀器；根據標準通信碼格式，識別命令用途；根據通信協議編號和命令用途調用命令碼，根據命令格式轉換為二進制或文本格式；系統發出命令，儀器返回對應數據，系統再對照數據庫相應數據格式進行解析，獲取測量數據。

圖3 智能識別流程

2 綜合應用

以贛江南昌段河工模型為例，模型范圍為東新贛江特大橋上游約2 km，下游分別至西河磚瓦廠附近、東河南支的豫章大橋上游、中支自礁磯頭向下游約3 km處，模擬河長約25 km。模型水平比尺400，垂直比尺100。根據研究內容，模型需要布置水位、流速等儀器，流量采用三角堰測量，通過實時監測水位計算流量。

為采集16路水位、64路流速數據，運用智能化識別方法，通過ACCESS數據庫管理儀器通信協議，將水位、流速儀器通信協議編號設置為“1001”和“1002”，依據表1和表2完成數據表設計，儀器功能碼表名稱為Intdatars，數據碼表名稱Datatypers。采用VB程序編制相應程序，數據庫管理代碼如下：

strcnn = "Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;Data Source= " & App.Path & "Intdata.mdb"

Set m_totaldatabase = New ADODB.Connection

m_totaldatabase.Open strcnn

Set rs = New ADODB.Recordset

打開數據庫，調用水位儀器通信協議采集數據：

rs.Open opencon, m_Intdatars where Cmd_Protocalflag=1001

Dim m_command as string

m_command=rs(“Cmd_gatherstart”)

mscomm.Output=m_command

rs.close

接收串口數據，并轉換為字符串格式m_getdata。根據水位儀對應數據格式，提取對應水位數據：

rs.Open opencon, m_Datatypers where Cmd_Protocalflag=1001

m_stnum=rs(“Cmd_Datafor_infS”)

m_datalong=rs(“Datafor_infL”)

Waterleveldata=mid(m_getdata,m_stnum,m_datalong)

其中Waterleveldata為水位數據，轉換為十進制數據即為水位數據。同樣處理方法完成流速數據。

圖4、5為水位和流速測量數據模型與原型對比圖，試驗結果表明智能化識別方法可調用不同儀器通信協議，解析儀器返回數據，實現不同儀器數據采集，而不需要重復開發數據交互程序。

圖4 水位測量數據對比

圖5 流速測量數據對比

3 結 語

測控系統是河工模型試驗的重要組成部分，隨著計算機、通信和電子技術的快速發展，河工模型測控系統逐步沿著系統化、智能化、自動化、網絡化發展。然而，大量數字傳感器與上位機的數據交互協議差異阻礙了測控技術的進一步發展。為此，采用ACCESS數據庫，設計了一套通信協議智能識別方法，將儀器功能碼及數據碼存儲于數據庫，數據交互時，通過索引數據庫調用相應儀器功能碼，發出數據采集命令，同時根據數據庫解析儀器返回數據，實現不同儀器的數據交互。將數據通訊協議智能化識別方法應用到贛江南昌段河工模型試驗，解決了水位儀、流速儀的數據采集及自動識別難題，提升了河工模型試驗效率。

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