井下多參數(shù)涌水異常在線監(jiān)測軟件設(shè)計

摘 要：系統(tǒng)基于工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)，下位機(jī)采用ATMEL系列Atmega128單片機(jī)開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)多通道自動采集上傳。上位機(jī)在線監(jiān)測軟件采用.NET平臺C#語言編程開發(fā)，使用Sqlserver2005數(shù)據(jù)庫，運用socket、數(shù)據(jù)庫存儲過程、多線程等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)讀取存儲、曲線顯示、實時控制、歷史查詢、閾值報警等功能。監(jiān)測軟件界面友好、操作靈活，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸效率、準(zhǔn)確性及人機(jī)交互性，并通過現(xiàn)場工程實踐驗證了軟件的各項功能。

關(guān)鍵詞：在線監(jiān)測；.NET平臺；C#；socket；存儲過程；多線程

引言

水害作為煤礦井下主要災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn)，其表現(xiàn)形式是礦井涌水量突然增大超出礦井排水系統(tǒng)的排水能力，因此，井下出水點涌水量、排水溝水流量監(jiān)測是一項非常重要的工作。隨著科技的進(jìn)步，井下涌水監(jiān)測由人工采樣和實驗室分析為主向自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化為主的監(jiān)測方向發(fā)展。為實現(xiàn)井下出水點重要參數(shù)的連續(xù)、在線、快速監(jiān)測，研發(fā)一套基于工業(yè)以太網(wǎng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，對提高煤礦井下突水預(yù)警的整體水平具有重大意義。文章介紹了一種多參數(shù)突水預(yù)警在線監(jiān)測軟件的設(shè)計和實現(xiàn)方法，軟件具有較高的穩(wěn)定性和良好的可擴(kuò)展性，適當(dāng)修改設(shè)置后，即可進(jìn)行其它水質(zhì)參數(shù)的自動采集和實時存儲[1-3]。

1 基于CAN總線和工業(yè)以太網(wǎng)的通訊網(wǎng)絡(luò)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有突出的可靠性、實時性和靈活性，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、過程控制等諸多領(lǐng)域?；诠I(yè)以太網(wǎng)使用TCP/IP協(xié)議簇，通過CAN與以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)自由通訊。工業(yè)以太網(wǎng)通訊設(shè)備包括監(jiān)測服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)傳輸分站（網(wǎng)關(guān)設(shè)備）、以太網(wǎng)交換機(jī)等；CAN總線采集設(shè)備包括采集分站、通訊分站（網(wǎng)關(guān)設(shè)備）[4-5]。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 CAN總線應(yīng)用層協(xié)議

涌水異常在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸分為井下傳輸和井上傳輸兩部分。井下數(shù)據(jù)傳輸過程以CAN總線傳輸和以太網(wǎng)光纖傳輸為主。其中，CAN總線網(wǎng)絡(luò)用于井下數(shù)據(jù)采集分站與通信分站之間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)通訊以標(biāo)準(zhǔn)CAN總線傳輸層協(xié)議為基礎(chǔ)，CAN數(shù)據(jù)幀包含1字節(jié)幀信息、4字節(jié)幀ID（含設(shè)備ID和傳感器ID各2字節(jié)）及8字節(jié)幀數(shù)據(jù)共13個字節(jié)?？偩€波特率默認(rèn)設(shè)置10kbps，用戶可通過上位機(jī)軟件遠(yuǎn)程設(shè)置總線波特率。CAN數(shù)據(jù)幀中最后字節(jié)用于校驗，其它非有效數(shù)據(jù)字節(jié)填0x00，使用異或校驗法[6-8]。每個數(shù)據(jù)采集終端有唯一ID號，且ID號的設(shè)置應(yīng)允許掉電保持。傳感器類型ID不可隨意更改，必須按照預(yù)先協(xié)議規(guī)定設(shè)置。如表1所示。

1.3 基于工業(yè)以太網(wǎng)的UDP/IP協(xié)議

通訊分站采用CANET-II工業(yè)級雙路智能CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接口卡實現(xiàn)CAN與以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換。上位機(jī)軟件運行在服務(wù)器端，在線監(jiān)聽采集終端發(fā)送的數(shù)據(jù)并可實現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制。由于UDP協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中無須建立邏輯連接，不檢查數(shù)據(jù)報，因此UDP傳輸效率高，具有較好的實時性。為此，軟件通訊模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸報文協(xié)議UDP/IP協(xié)議簇作為系統(tǒng)以太網(wǎng)中物理層及以上各層的通訊協(xié)議，默認(rèn)通過保留的UDP端口號8001來訪問通訊分站。監(jiān)測軟件與通訊分站通訊原理如圖2所示。

2 上位機(jī)監(jiān)測軟件

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

在整個涌水異常監(jiān)測系統(tǒng)中，每臺采集分站由傳感器（水溫、水壓、流速、PH值、電導(dǎo)率、含氧量、濁度）采集信號并將其存儲到單片機(jī)Flash中，同時將數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送至通訊分站，經(jīng)CAN-Ethernet協(xié)議轉(zhuǎn)換后，發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)監(jiān)測軟件負(fù)責(zé)監(jiān)聽通訊分站轉(zhuǎn)發(fā)的實時采集數(shù)據(jù)，功能包括：實時數(shù)據(jù)采集和存儲；實時動態(tài)曲線顯示；遠(yuǎn)程集中控制，對現(xiàn)場的采集分站實現(xiàn)重啟、設(shè)備自檢、ECHO應(yīng)答、總線速率、發(fā)送間隔等參數(shù)設(shè)置；系統(tǒng)通訊狀態(tài)顯示、設(shè)備故障報警；歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線生成等。圖3所示為上位機(jī)監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu)。

2.2 軟件核心功能

涌水異常監(jiān)測軟件采用.NET平臺C#語言開發(fā)，使用WinSocket技術(shù)開發(fā)通訊模塊，采用Sqlserver2005數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢。主要功能模塊包括：實時監(jiān)控、歷史查詢、報警查詢、參數(shù)設(shè)置、用戶管理、數(shù)據(jù)管理等模塊[9-10]。軟件主程序流程如圖4所示。

軟件綜合運用線程池管理、線程同步、數(shù)據(jù)庫存儲過程等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、動態(tài)曲線、歷史查詢、歷史曲線等多任務(wù)高效并發(fā)[7-8]。其中，軟件曲線動態(tài)顯示功能使用MsChart圖表控件呈現(xiàn)，規(guī)定X軸坐標(biāo)顯示采集時間，Y軸坐標(biāo)顯示采集數(shù)值，編程增加鼠標(biāo)懸浮提示功能，預(yù)設(shè)每隔5秒刷新數(shù)據(jù)，并可在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊修改刷新時間間隔。曲線動態(tài)數(shù)據(jù)管理工作線程CurveDisplayThread負(fù)責(zé)獲取最新監(jiān)測數(shù)據(jù)，并利用回調(diào)技術(shù)實現(xiàn)軟件前臺曲線監(jiān)測界面無閃爍刷新。數(shù)據(jù)監(jiān)聽程序運行在服務(wù)器端，負(fù)責(zé)監(jiān)聽來自通訊分站的實時采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫管理工作線程負(fù)責(zé)將監(jiān)聽到的數(shù)據(jù)批量存入Sqlserver2005數(shù)據(jù)庫，利用信號量

2.3 數(shù)據(jù)包校驗

CAN數(shù)據(jù)包采用異或校驗法。校驗范圍包括 CAN 數(shù)據(jù)幀的前12個字節(jié)，即幀信息、幀 ID及幀數(shù)據(jù)中的前7個字節(jié)。數(shù)據(jù)監(jiān)聽過程中，數(shù)據(jù)庫管理工作線程會調(diào)用CheckXor函數(shù)來校驗接收到的CAN數(shù)據(jù)包，如果函數(shù)返回true，證明接收數(shù)據(jù)無錯誤，執(zhí)行Sqlserver數(shù)據(jù)庫存儲操作，否則返回1，程序自動視作無效數(shù)據(jù)包而丟棄。異或校驗函數(shù)代碼如下：

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲功能基于SqlServer2005開發(fā)。核心數(shù)據(jù)表為WaterInfo，包括信息編號（InfoID）、采集分站地址（CollectorAddress）、傳感器地址（SensorAddress）、采集時間（ParameterTime）、采集值（SensorValue）五個字段，如圖5所示。

存儲過程（Stored Procedure）是大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，一組為了完成特定功能的SQL語句集，存儲在數(shù)據(jù)庫中，只需一次編譯便可通過在程序中指定存儲過程名字及傳入?yún)?shù)實現(xiàn)調(diào)用，能夠有效提升數(shù)據(jù)訪問效率、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源[12-13]。為提高數(shù)據(jù)存儲訪問及邏輯計算效率，數(shù)據(jù)庫設(shè)計充分利用SqlServer2005數(shù)據(jù)庫的可編程性，通過編寫存儲過程GetRealWaterInfo，結(jié)合.NET開發(fā)平臺多線程管理技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和存儲、動態(tài)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等操作任務(wù)的高效并發(fā)，有效提升了用戶體驗。

監(jiān)測軟件中，用戶可方便維護(hù)系統(tǒng)參數(shù)，包括采集分站信息、傳感器信息、通訊設(shè)置、曲線設(shè)置等。軟件為避免用戶誤操作，設(shè)定了權(quán)限管理，用戶只有在通過身份密碼驗證的情況下，才能進(jìn)行相關(guān)權(quán)限操作，同時用戶可以方便修改賬戶密碼，管理員可以維護(hù)基礎(chǔ)用戶信息，進(jìn)一步提高了監(jiān)測系統(tǒng)的安全性和靈活性。部分監(jiān)測軟件界面如圖6、圖7所示。

3 結(jié)束語

文章介紹了基于工業(yè)以太網(wǎng)、CAN總線網(wǎng)絡(luò)的煤礦多參數(shù)涌水異常在線監(jiān)測軟件設(shè)計與開發(fā)，從通訊協(xié)議、功能模塊、界面設(shè)計等幾個方面詳細(xì)進(jìn)行了闡述。軟件經(jīng)過工程現(xiàn)場實踐，可靠性高、實時性強(qiáng)，實現(xiàn)了對現(xiàn)場采集設(shè)備的自動數(shù)據(jù)采集，并可對采集分站發(fā)送控制指令，用戶可以隨時了解井下出水點各重要參數(shù)變化，并可根據(jù)水源水質(zhì)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況，判斷是否可能發(fā)生突水事故，為煤礦安全生產(chǎn)管理提供科學(xué)及時地決策數(shù)據(jù)支撐。軟件當(dāng)前能夠以閾值設(shè)置為基礎(chǔ)，實現(xiàn)簡單預(yù)警功能。下一步，軟件可以煤礦涌水水質(zhì)分析數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，對煤礦涌水進(jìn)行更為科學(xué)有效的預(yù)警。文章對于其他工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測軟件也具有一定的借鑒意義。

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