基于串口通訊的閘站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)共享方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣元中，金浪濱，湯杭森，張凱平

（杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

近年來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已普遍被應(yīng)用到各行各業(yè)中，以此來提升各自的建設(shè)和管理水平。在浙江水利“十三五”規(guī)劃中也提到要以水利信息化帶動水利現(xiàn)代化的發(fā)展，不斷提升水利業(yè)務(wù)管理與公眾服務(wù)的信息化水平，要求大力推進(jìn)智慧水利和水利工程信息化建設(shè)。同時(shí)在水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理、河長制和湖長制等一系列制度全面推行的大背景下，浙江水利和信息化技術(shù)得到充分融合，一大批信息化應(yīng)用平臺應(yīng)運(yùn)而生，諸如水利工程標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理平臺、河長制監(jiān)管平臺和湖長制監(jiān)管平臺等。

然而在平臺開發(fā)初期，也遇到了一些困難。浙江省的水利工程之前由于缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，在建設(shè)和管理中普遍存在自動化系統(tǒng)集成度低的現(xiàn)象。盡管開發(fā)出不少應(yīng)用系統(tǒng)，積累了豐富的包括水情、工期、安全監(jiān)測和閘泵監(jiān)控等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但是各個(gè)系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)，相互之間是獨(dú)立的，系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)管理分散、流通不暢、碎片化嚴(yán)重，形成很多“數(shù)據(jù)孤島”。另一方面這些監(jiān)控系統(tǒng)的安全性要求較高，一般都在局域網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)信息共享，一旦直接進(jìn)入公網(wǎng)，極易遭受外部網(wǎng)絡(luò)諸如病毒等威脅，導(dǎo)致系統(tǒng)安全性、可靠性得不到充分保障[1]。

為了實(shí)現(xiàn)水利信息化綜合數(shù)據(jù)資源的互聯(lián)共享，防火墻或者單向隔離網(wǎng)閘都可以有效解決平臺間數(shù)據(jù)的安全傳輸問題。但是對于動輒幾萬元甚至十幾萬元的設(shè)備成本投入，使得本來經(jīng)費(fèi)就很少的基層水利工程管理單位有些望而卻步。本文詳細(xì)介紹基于串口通訊的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，只需開發(fā)一套串口傳輸軟件即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸，為全省水利工程信息化平臺建設(shè)提供參考。

2 工作原理

串行接口又稱串口，通常指COM口，是計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口，其應(yīng)用相當(dāng)廣泛，主要用于數(shù)據(jù)和信息的交換與共享。采用串口通信，其成本較低，安全性比較高，不易受病毒入侵，對外界環(huán)境要求也比較低，操作比較簡單，能保證通信傳輸?shù)目煽啃院桶踩訹2]。數(shù)據(jù)串口通訊傳輸技術(shù)在綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸安全性和經(jīng)濟(jì)可行性基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注數(shù)據(jù)加密算法的采用、內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目啥ㄖ菩院拖到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的監(jiān)控3方面的內(nèi)容，設(shè)計(jì)采用遠(yuǎn)程用戶客戶端，外網(wǎng)服務(wù)器接收端，內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器數(shù)據(jù)發(fā)送端的C — S（外網(wǎng)）— S（內(nèi)網(wǎng)）的數(shù)據(jù)傳輸和使用模式，數(shù)據(jù)流向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

首先由內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器端對各個(gè)閘站的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和記錄，包括閘位、水位、閘門運(yùn)行狀態(tài)，泵組運(yùn)行狀態(tài)等。根據(jù)接收的數(shù)據(jù)標(biāo)志信息，軟件采用合適的算法把接收的數(shù)據(jù)調(diào)取并加密，等待發(fā)送到外網(wǎng)服務(wù)器端作進(jìn)一步的處理，在內(nèi)外網(wǎng)傳輸時(shí)，根據(jù)內(nèi)外網(wǎng)隔離要求，不能采用常用的Tcp/Ip等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，于是使用串口傳輸方式，將內(nèi)外網(wǎng)服務(wù)器用串口線進(jìn)行連接，使用的協(xié)議是Xmodem，并且可定制性的只傳輸所要求的數(shù)據(jù)，杜絕一些不安全的因素。

外網(wǎng)服務(wù)器端負(fù)責(zé)接收內(nèi)網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，根據(jù)接收到的閘站數(shù)據(jù)信息對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、分類，以增加數(shù)據(jù)的可靠性、安全性；在傳輸過程中，外網(wǎng)服務(wù)器只負(fù)責(zé)接收并處理數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，防止數(shù)據(jù)的丟失。遠(yuǎn)程客戶端經(jīng)過安全驗(yàn)證后，可以根據(jù)需要調(diào)用外網(wǎng)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的閘站數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種信息化平臺的定制展示。

3 閘站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)共享

以浙江省東部某閘站的標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)建為例，該閘站在工程建設(shè)上，已經(jīng)基本建成閘泵自動化監(jiān)控、水文遙測、安全監(jiān)測和視頻監(jiān)控等系統(tǒng)，但是信息化建設(shè)均由多家單位在不同時(shí)期開展，各個(gè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)不能有效整合到一起，也間接導(dǎo)致各系統(tǒng)功能得不到最大的發(fā)揮。

該閘站已建成的自動化監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確、可靠的實(shí)現(xiàn)閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，并在本地局域網(wǎng)內(nèi)建立實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫，記錄水情、設(shè)備工況和運(yùn)行狀態(tài)等信息供管理單位調(diào)用、整理和分析。根據(jù)《浙江省水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理信息化建設(shè)總體設(shè)計(jì)方案要點(diǎn)》建設(shè)要求，其中明確要求充分利用現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)手段，整合現(xiàn)有自動化監(jiān)控系統(tǒng)，把閘站的監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)融入到標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理平臺上，實(shí)現(xiàn)水利工程的信息化、標(biāo)準(zhǔn)化和現(xiàn)代化管理。

3.1 串口傳輸?shù)奈锢磉B接和設(shè)置

串口是計(jì)算機(jī)上一種非常通用的設(shè)備通信協(xié)議，2臺內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器的RS232串口，采用DB9針母對母交叉線相連。DB9針串口線雖然是九芯，實(shí)際上只需使用三芯，分別為發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD）、接收數(shù)據(jù)（RXD）和信號地（GND）3根信號線，3個(gè)針腳依次為第2、3、5針。由于串口通信是異步，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)在另一根線上接收數(shù)據(jù)，其他6針僅用于“握手”，所以不是必須的，可以不連接。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對于2個(gè)進(jìn)行通信的端口，這些參數(shù)必須設(shè)置正確。DB9交叉連接線的具體接線順序見圖2。

圖2 DB9串口交叉線接線示意圖

利用串口通訊傳輸數(shù)據(jù)，特別是自己手工焊接的串口線，使用過程中特別要注意接頭是否有松動，焊接是否牢固。另外還需注意不要帶電插拔接頭，否則串口極易燒毀。

3.2 串口傳輸?shù)能浖?shí)現(xiàn)

串口通訊數(shù)據(jù)傳輸軟件分為發(fā)送端和接收端，分別運(yùn)行在內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器和外網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器上，2臺服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換采用串口通訊方式。軟件基于Visual Studio平臺進(jìn)行開發(fā)，Visual Studio已經(jīng)提供封裝的串口功能模塊和函數(shù)集，并且具有消息觸發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)起來相對容易實(shí)現(xiàn)。Visual Studio中串口均被虛擬成文件，讀寫串口首先要?jiǎng)?chuàng)建和串口相關(guān)聯(lián)的文件，一旦文件建立后，就可以對其進(jìn)行讀寫[3]。讀文件是接收數(shù)據(jù)，寫文件是發(fā)送數(shù)據(jù)，對應(yīng)的函數(shù)分別是CreateFile（）和ReadFile（）。串口數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端見圖3和圖4。

圖3 串口數(shù)據(jù)發(fā)送端圖

圖4 串口數(shù)據(jù)接收端圖

發(fā)送端讀取自動化監(jiān)控系統(tǒng)存儲在內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)，發(fā)送到接收端外網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器中。接收端將數(shù)據(jù)同步到外網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)接收端將外網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器的存儲情況反饋回發(fā)送端，發(fā)送端根據(jù)反饋的信息進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)庫同步。

從軟件的使用情況，系統(tǒng)已可成功將閘泵操作記錄、運(yùn)行記錄以及水位開度數(shù)據(jù)傳輸共享到外網(wǎng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，且數(shù)據(jù)丟包率能控制在1%以下。

4 結(jié) 語

水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是建設(shè)綜合性應(yīng)用管理平臺的基礎(chǔ)，在當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代的背景下，有效數(shù)據(jù)信息的獲取和整合尤為重要。數(shù)據(jù)串口通訊傳輸技術(shù)打破原有平臺間“數(shù)據(jù)孤島”的現(xiàn)象，為開發(fā)人員提供一個(gè)新的實(shí)現(xiàn)水利綜合數(shù)據(jù)資源互聯(lián)互通的途徑。

目前，數(shù)據(jù)串口通訊傳輸技術(shù)已在浙江省多個(gè)水利工程標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)建過程中得到應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸共享穩(wěn)定可靠，大大促進(jìn)信息化管理與標(biāo)準(zhǔn)化工作的融合，為全省水利工程標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、現(xiàn)代化建設(shè)提供有力支撐。