基于ModBus—GRPS科研數據采集系統的開發與應用嘗試

馬國峰 庾漢成 張亞峰 楊文

摘 要：在青藏地區采用ModBus-GRPS方式搭建科研數據采集平臺，對采集數據實時監控，減少采集過程中干擾因素的影響，提高數據采集的效率，保證數據質量。

關鍵詞：ModBus-GRPS；科研數據采集系統；實時采集；數據質量

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）08-00-02

0 引 言

科研數據是科研的重要組成部分之一，科研過程中獲得穩定、準確、完整、實時的科研數據是科研人員發布科研成果的主要依據。目前，常用的獲取科研數據的方法有現場抄錄、現場儀器儲存再導出等，這些方法均存在一定的缺陷或不足。第一，每次采集數據前需要設備搭建、調試和運行管理，要投入較大的人力、物力，并花費較多的時間；第二，現場進行抄寫、儀器導出，浪費了寶貴的科研時間和科研人力；第三，多地點獲取數據，需要多套設備和人員保證，增加科研成本；第四，數據采集過程中科研人員在采集現場的活動會影響數據采集，導致數據質量降低，也對現場的布線造成一定破壞，且不能及時發現采集過程中的掉線等異常問題；第五，多種設備分散采集，數據匯總和整理難度大，增加數據分析難度，同時科研負責人也很難第一時間獲得第一手資料，并對數據采集的過程無法實時把握。

本文運用物聯網技術和數字移動通信網絡[1]搭建科研數據采集系統，實現遠程實時采集，不受時間、地點和距離的限制，降低人為活動對現場的影響，提高數據質量。通過實時采集為科研人員提供時間和數據的保證，也使科研重點轉向數據分析。平臺系統試運行以來，在科研人員少、采集現場地域分散等現實條件下，提高了采集效率，實現了無人值守的科研數據采集過程。科研團隊從2013年參與“基于太陽能炕的主被動復合采暖建筑的研究與示范（課題編號：2013-N-544）”科技廳科研項目，該項目將太陽能空氣集熱器和太陽能炕有機結合起來運行，使農村室內熱環境得到較大改善，為論證項目的效果和尋求最佳的運行模式，需對室內外溫度及相應的設備運行參數、室外輻照等因子進行24小時實時數據采集。為不影響農戶正常的生活和降低人為活動對測試環境的影響，選擇ModBus-GRPS搭建數據采集系統，實現數據實時采集、存儲、瀏覽。

1 科研數據采集系統構成

科研數據采集系統的運行結構，由軟件和硬件兩部分組成。硬件搭建系統運行環境，軟件保證系統正常運行。

1.1 結構圖

系統依照物聯網技術架構，由采集、傳輸和應用三部分組成，數據采集平臺結構如圖1所示。采集部分由傳感器和采集器兩部分組成，傳感器包括熱電偶、流量計、太陽能輻照儀、風速儀等，采集器包括溫度采集和模擬量采集兩種設備。系統使用了阿爾泰公司的R3058模擬量采集器和R3038溫度采集器兩種設備，傳輸部分的GPRS模塊完成對采集器的信號指令下達及指令響應，并將數據利用GPRS模塊傳輸至Internet傳輸數據中心。數據中心由設備管理模塊、數據服務中心及數據瀏覽模塊，數據服務中心完成對采集器的信號指令下達。本系統主要采用成熟的硬件搭建，軟件通過自主開發和二次開發結合。軟件部分實現采集器的配置和管理、數據收集和瀏覽等，其中瀏覽數據采用B/S結構，方便數據查詢；硬件由數據中心服務器、上位機（具有GPRS功能的傳輸設備）、采集器（RTU）和各種傳感器及水表等四部分組成。數據中心是具備互聯網服務功能的服務器，主要完成數據的接收、存儲；上位機通過ModBus協議與采集器通信，對數據包進行拆封，通過GPRS-Internet傳輸數據到數據中心，上位機采用阿爾泰R8019DTU設備，該設備有1個485接口，通過GPRS傳輸數據，可通過上位機軟件對設備進行配置。如圖所示。每個采集器（RTU）設備都有唯一地址，地址可通過上位機軟件修改，保證數據傳輸的正確性。采集器與傳輸設備之間連接如圖2

所示。

1.2 通信

通信是數據采集系統正常工作的保證，設備之間的穩定通信決定了采集數據的質量。本系統中上位機與下位機之間的通信采用ModBus協議。ModBus協議是一種標準的工業通信協議，ModBus協議在一根通信線上使用主從應答式連接（半雙工）可實現主從式的串行數據傳輸[2]。主設備即上位機，可按照設定的時間間隔向從設備即下位機發送包含采集器地址和通信要求的命令格式，采集器接到主站的命令幀并通過CRC檢驗后，先將命令幀包含的從站地址與本站地址進行比較，如果地址一致采集器對該指令進行解析，并按命令幀中的通信組織和裝配響應向主站回傳，實現主從站的通信。上位機采用輪詢方式與下位機通信，通信流程如圖3和圖4

所示。

1.3 應用

應用模塊由項目管理、采集點管理、數據查詢和用戶管理組成，其結構如圖5所示。項目管理由項目添加、項目修改、項目刪除組成，數據查詢由按節點和時間查詢組成，用戶管理由用戶添加、用戶修改和用戶刪除組成。

系統數據模塊用Microsoft Visual Studio 2008開發，主要實現設備管理、數據存儲功能。上位機主動通過GPRS-Internet的傳送方式將采集到的數據按設定時間間隔通過Internet傳達到數據中心，數據中心將數據包處理后，按數據格式要求儲存到數據庫中。為確保數據存儲的量和數據庫的性能，系統數據庫采用微軟公司的SQL Server2008，其結構如圖6所示。

系統實現數據查詢、數據導出等功能，數據可通過Excel軟件進行分析。系統采用B/S結構，通過數據分析發現科研采集的問題，減少采集故障，提高科研效率。

2 結 語

在地廣人稀的青藏地區充分利用移動通信網絡采用ModBus-GPRS采集數據，成本低，效率高，是在科研人員相對較少的情況下一種有效的解決手段，并符合采集的實際需要。當然，系統仍存在諸多不足之處，尚沒有實現采集數據異常警告等功能。團隊成員思考如何通過軟件技術、通信技術等技術手段結合物聯網的思維搭建一個硬件可自由組合終端設備，軟件參數可靈活使用，并通過數據挖掘技術使數據發揮更好的作用的科研數據采集平臺，來推動科研向前發展，是本團隊下一步的目標。

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