基于環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

潘洪志

摘要：隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速， 伴隨環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)逐漸成為發(fā)展戰(zhàn)略性新型環(huán)保產(chǎn)業(yè)的重要手段。本文通過(guò)分析數(shù)據(jù)采集的OPC通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄DP通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于OPC/DDP的環(huán)境數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效解決了復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集和傳輸以及數(shù)據(jù)可視化展示，同時(shí)提高了環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸效率和質(zhì)量。此外通過(guò)遠(yuǎn)程控制來(lái)優(yōu)化環(huán)保治理設(shè)計(jì)工藝，同時(shí)為環(huán)保管理提供可靠的決策支持。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);OPC;DDP;環(huán)境監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）25-0263-03

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，企業(yè)超標(biāo)排污、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化問(wèn)題開(kāi)始凸顯。當(dāng)資源環(huán)境問(wèn)題逐漸成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸時(shí)，各種環(huán)保政策、治污標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)走到臺(tái)前;各種污染控制設(shè)備也相繼被安裝。物聯(lián)網(wǎng)作為新的信息技術(shù)對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大的意義。因此，近些年政府逐步加大對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的研究的投入。在環(huán)保領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用還處于起步階段，可是物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)對(duì)我國(guó)環(huán)保事業(yè)的發(fā)展具有很深遠(yuǎn)的影響。

在環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)[1]。傳統(tǒng)的環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)多是采用單一的數(shù)據(jù)采集模式，數(shù)據(jù)采集形式單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸，還有無(wú)法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的可視化展示。本文設(shè)計(jì)基于OPC/DDP的物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控，采用安全可靠的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，對(duì)各類(lèi)環(huán)境自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能采集與傳輸，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和可視化，完成環(huán)境感知、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)中心、服務(wù)支付四個(gè)階段，為環(huán)境監(jiān)管提供可靠的決策支持。

2 環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介及現(xiàn)狀

環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)是指在傳統(tǒng)環(huán)保行業(yè)引入自動(dòng)化和信息化的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)科學(xué)化管理的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)綜合應(yīng)用傳感器、全球定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、衛(wèi)星遙感、紅外探測(cè)、射頻識(shí)別等裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集污染源、環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)等信息，構(gòu)建全方位、多層次、全覆蓋的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)[1]。推動(dòng)環(huán)境信息資源高效、精準(zhǔn)的傳遞，通過(guò)構(gòu)建海量數(shù)據(jù)資源中心和統(tǒng)一的服務(wù)支撐平臺(tái)，支持污染源監(jiān)控、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)、監(jiān)督執(zhí)法及管理決策等環(huán)保業(yè)務(wù)的全程智能，從而達(dá)到促進(jìn)污染減排與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防范、培育環(huán)保戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和環(huán)保事業(yè)科學(xué)發(fā)展的目的[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在污染防治、生態(tài)保護(hù)等環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，截至 2015 年上半年已對(duì)全國(guó) 32 個(gè)省、自治區(qū)的9 567家重點(diǎn)污染源實(shí)施了自動(dòng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了集實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、異常報(bào)警和信息傳輸為一體的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。江蘇省已建設(shè)完成蘇州地區(qū)重金屬監(jiān)測(cè)，太湖的藍(lán)藻、氨氮、總氮監(jiān)測(cè)[3]。山西省在七百多家重點(diǎn)排污企業(yè)建立了既監(jiān)又控的系統(tǒng)，建成廢氣、廢水、環(huán)保設(shè)施工礦監(jiān)控點(diǎn)等5 098個(gè)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)監(jiān)測(cè)、監(jiān)視、控制的三位一體[4]。內(nèi)蒙古自治區(qū)也建成了基于物聯(lián)網(wǎng)理念的環(huán)保監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了基于移動(dòng)設(shè)備的環(huán)境應(yīng)急和執(zhí)法應(yīng)用[5]。浙江省嘉善縣也先后完成了“環(huán)保決策綜合信息系統(tǒng)”“智能污染物總量控制系統(tǒng)”“環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)”等 8 套環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[6]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成

環(huán)保設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是硬件與軟件相結(jié)合的設(shè)備。其必須要具備對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行參數(shù)的采集、實(shí)時(shí)在線通訊、告警管理、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、設(shè)備數(shù)據(jù)查詢(xún)、系統(tǒng)日志、設(shè)置等功能。同時(shí)還需要具有抗干擾能力強(qiáng)、故障快速處理、數(shù)據(jù)續(xù)傳等功能。

本系統(tǒng)由設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三個(gè)層次組成。環(huán)保設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。

3.2 基于OPC/DDP的數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.2.1 基于OPC的數(shù)據(jù)采集客戶端的功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集客戶端基于OPC開(kāi)發(fā)，結(jié)構(gòu)如圖2。

數(shù)據(jù)采集客戶端主要由三個(gè)部分組成。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的OPC客戶端、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)管理模塊、以及負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)發(fā)送的RS232代理。

數(shù)據(jù)采集客戶端采用C#編程，實(shí)現(xiàn)OPC客戶端的流程一般包括對(duì)象的聲明、服務(wù)器的連接、添加組和數(shù)據(jù)項(xiàng)以及數(shù)據(jù)的讀取等。

客戶端實(shí)現(xiàn)步驟：

1）.OPC客戶端初始化。在Visual Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境中點(diǎn)擊“項(xiàng)目”后選擇“添加引用”。

2）.OPC對(duì)象的聲明與服務(wù)器的連接，對(duì)象的聲明就是對(duì)所需要的數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行定義。連接遠(yuǎn)程服務(wù)器必須要有遠(yuǎn)程服務(wù)器的IP地址和遠(yuǎn)程服務(wù)器的名稱(chēng)，然后連接到OPC服務(wù)器。

3）.創(chuàng)建組和添加數(shù)據(jù)項(xiàng)。首先創(chuàng)建組，然后設(shè)置組屬性，包括組活動(dòng)狀態(tài)、組的更新時(shí)間等。最后添加數(shù)據(jù)項(xiàng)。

4）.OPC數(shù)據(jù)的讀取。

3.2.2 DDP協(xié)議設(shè)計(jì)

DDP（DTU&DSC Communication Protocol）通信協(xié)議是DTU（Data Transfer Unit）和DSC（Data Serveice Center）之間的通信協(xié)議。DTU（Data Transfer Unit）， 將串口數(shù)據(jù)與IP數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的無(wú)線終端設(shè)備。DTU廣泛應(yīng)用于氣象、水文水利、地質(zhì)、環(huán)境監(jiān)控等行業(yè)。其核心功能有2.TCP/IP協(xié)議棧、4.串口數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)換功能、.支持保持永久在線、.支持參數(shù)配置，永久保存。DSC（Data Serveice Center）是用于管理DTU與DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的服務(wù)軟件，它需要通過(guò)開(kāi)發(fā)包中的動(dòng)態(tài)庫(kù)來(lái)完成和DTU之間的通訊。動(dòng)態(tài)庫(kù)包括了和DTU通訊所需要的全部API函數(shù)。

3.3 基于反向代理的跨域和會(huì)話保持的功能實(shí)現(xiàn)

3.3.1 反向代理概述

反向代理（Reverse Proxy）方式是通過(guò)代理服務(wù)器接收網(wǎng)絡(luò)上的連接請(qǐng)求，然后將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送請(qǐng)求的客戶端，此時(shí)該客戶端就是一個(gè)代理服務(wù)器。

一般情況下代理服務(wù)器只用于代理內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的連接請(qǐng)求，客戶端必須指定一個(gè)代理服務(wù)器。當(dāng)一個(gè)代理服務(wù)器能夠代理外部網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)，訪問(wèn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)時(shí)，這種代理服務(wù)的方式稱(chēng)為反向代理服務(wù)。

3.3.2 基于反向代理的跨域的功能

3.3.3 基于反向代理的會(huì)話保持功能

客戶端與服務(wù)器經(jīng)常需要通過(guò)多次的交互才能完成一次交互。因?yàn)榻换バ袨榕c用戶的身份是緊密相關(guān)的，所以，當(dāng)客戶端進(jìn)行應(yīng)用請(qǐng)求的時(shí)候，需要通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到另外一臺(tái)服務(wù)器中，然而不能被負(fù)載均衡器轉(zhuǎn)發(fā)至不同的服務(wù)器上進(jìn)行處理。所以我們需要在負(fù)載均衡上配置會(huì)話保持（Session Persistence）機(jī)制。

3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)保數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，它分別完成了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)的安全傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理等功能。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，使用OPC架構(gòu)完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集;通過(guò)DDP的通信協(xié)議，為客戶終端設(shè)備和數(shù)據(jù)中心搭建一條無(wú)線通信鏈路，將數(shù)據(jù)發(fā)送到Kafka中，保證數(shù)據(jù)安全發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。

在管理功能的實(shí)現(xiàn)中，采用B/S架構(gòu)，利用bootstrap前端框架對(duì)設(shè)備、DTU、OPC采集客戶端、數(shù)據(jù)的可視化等進(jìn)行管理。利用反向代理技術(shù)解決了會(huì)話保持難題，同時(shí)加入身份驗(yàn)證。服務(wù)端在用戶登錄的時(shí)候設(shè)置一個(gè)經(jīng)過(guò)AES加密的cookie信息，同時(shí)將這個(gè)值存儲(chǔ)在Redis中，當(dāng)用戶再次請(qǐng)求時(shí)，會(huì)把這個(gè)帶回來(lái)的cookie 信息進(jìn)行解析，如果服務(wù)端能夠正確解析，取出用戶信息，則用戶身份驗(yàn)證通過(guò)，然后查詢(xún)用戶的角色，通過(guò)角色查詢(xún)用戶的菜單列表和接口權(quán)限，驗(yàn)證用戶當(dāng)前請(qǐng)求的接口是否有權(quán)限。管理平臺(tái)如圖3所示，管理平臺(tái)管理界面包含設(shè)備管理、協(xié)議管理、DTU管理、項(xiàng)目監(jiān)控、系統(tǒng)管理等。在主界面里展示了DTU狀態(tài)信息，所有的環(huán)保監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，異常情況的實(shí)時(shí)告警等信息。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于OPC/DDP的環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具有“跨域管理、會(huì)話保持、WEB發(fā)布”等特點(diǎn)，還具有遠(yuǎn)程控制、權(quán)限管理、預(yù)警處理、可視化展示等功能。實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控業(yè)務(wù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化和規(guī)范化。然而，數(shù)據(jù)通過(guò)DDP協(xié)議是采用透?jìng)鞯哪Ｊ?，?shù)據(jù)的完整性和安全性受到一定的限制，今后的工作將進(jìn)一步改善協(xié)議規(guī)范，提高安全性。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】