Hauley环境监控
系统构架
前言
我们将不能再称呼那装着大屏的房间叫“监控中心”，因为每个监控数据采集器都是一个独立的“中心”，中心多了便没有了中心，传统的“监控中心”监控完全应该被网络型监控所取代。在可以预见的将来，任何一个经授权的人，在任何一个有INTERNET的地方，都应可以控制任何一台监控仪器并浏览其数据。
我们只需要轻点浏览器就可以实施监控网络的组建工作，以前需要定义的绝大部分协议、标准似乎已不再重要。环境监控越来越脱去了高科技外衣，变得越来越傻瓜。所谓的监控，不过是翻翻说明书点击鼠标访问网页而已。
目前污染源监控面临的问题
目前，污染控制已从传统的经验、手工管理模式向科学化、自动化、定量化、信息化、网络化发展。别是近年来，全国各地相继建设了一些污染源监控系统。矛盾总是随着事物的发展而发生变化，随着信息化程度的提高，系统组建时也遇到了一些困难，具体表现如下：
仪器数据采集难
目前国内仅仅水质自动监控仪器仪表就有约40个品牌60余种监控仪器。每种仪器都有不同的通讯协议，甚至有些仪器尚不能提供数字通讯能力，只提供模拟信号的通讯方式。如何从这些不同的仪器中读取数据是整个系统构建中的一大难题。
解决该问题的方案分为两类，一类是地方环保部门制定一个统一的通讯标准，一类是地方环保部门要求系统集成商的数据采集器兼容所有仪器。
地方环保部门制定一个统一的通讯协议是一项非常费时费力的工作。首先，这个标准既要考虑是否对现有仪器仪表的适用性，还要考虑对将来的仪器仪表的适应性。标准制定后，必须强制要求已有的或即将进入的仪器商执行该标准，还要对执行了该标准的仪器仪表进行大量的测试工作。但往往有一些仪器厂商特别是进口仪器厂商拒绝执行地方标准，这些仪器一般都是市场占有率较大口碑较好的设备。造成这种情况的主要原因有两个，一是地方标准（甚至是国家标准）往往不科学合理，暂时还无法制定一个能够适合所有仪器的“统一”标准。二是一个仪器厂商往往要适应多个地方标准，这无疑会增加大量的开发成本，也会降低仪器设备的可靠性。如北环科与怡文的COD自动监测仪，目前内置的通讯协议就有4-8种。
数据采集器兼容所有仪器通讯一般分成三种方案，分别是多软件版本数据采集器方案，透明传输数据采集器方案，积木式软件数据采集器方案。这三种方案与统一通讯协议方案对比表如下表
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方案名称
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多软件版本
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透明传输
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积木式软件
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统一协议
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原理
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根据不同仪器的通讯协议，增补、修改数据采集器的执行软件
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数据采集器只负责传递监控中心到仪器的指令，数据采集器不保存、不处理数据。协议完全由监控中心计算机解释
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利用WINDOWS CE的COM组件及多线程，对数据采集器的软件进行剪裁或利用组态软件对设备进行组态
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强制要求仪器厂商执行统一的通讯标准。
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优点
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不需要强制推广统一通讯标准
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不需要强制推广统一通讯标准
数据采集器软件简单、可靠、数据采集器成本低
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不需要强制推广统一通讯标准
数据保存量大
通讯量小，不容易丢失数据
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数据采集器软件简单、数据采集器成本低
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缺点
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软件版本多，开发调试工作量大，周期长，需要专业人员进行能够软件调试，软件扩展性差
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通讯量大、如公网不稳定数据容易丢失
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对硬件要求高，开发调试工作量大，需要专业人员进行软件的剪裁或组态
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需要强制执行统一的通讯标准，软件扩展性差
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代表厂商
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无锡大禹
普信1型
如皋天一
深圳神彩1型
南京德宏
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张家港远大
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普信2型
深圳神彩2型
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南京普惠
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由上表可见，虽然目前业内对污染源监控的数据采集花费了大量的人力物力，但还存在诸多缺陷，暂时还没有较完善的解决方案。不能方便地从仪器仪表采集数据也是限制某个系统大面积推广的瓶颈。
多中心多协议的困难
现场与监控中心通讯协议是现场与监控中心信息交换的灵魂，也是系统核心技术之一。污染源监控发展的初期，该通讯协议一般是由做系统集成的企业提供的专有协议。这面临两方面的问题，一是会造成某个地区的污染源监控系统只能依附这个企业，一旦该企业出现困难（如资金、管理、技术等），势必殃及该地区整个系统的运行。二是往往在系统建立初期，系统分析并不全面，专用的通讯协议很难满足以后系统发展需求。也有一些地区采用工业数据采集总线普遍采用的一些通讯协议（如MODBUS等），但在历史数据读取以及对环保监控的适应性上存在一定问题。
为满足系统的功能，监控系统都必须制定繁杂的通讯协议。如2005年12月由国家环保局颁布的《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》（HJ/T212-2005）便定义了多达46种的指令。但从实际使用来看，仍不能满足要求。该标准目前正在重新修订，估计新修订的标准指令应超过60种。
同时污染源数据往往需要向多级管理部门的监控中心发送，而多级中心一般采用的是不同的通讯协议。如何使一个数据采集器同时适应多个中心、多种协议目前业内尚未出现更好的已运用的方案。
因此如何选择一个国际通用、可普遍理解以及对环保能够适应的通讯协议，也是环境监控系统的难点之一。
系统升级困难、开发调试成本高
一方面随着监测技术、通讯技术的发展，特别是监控中心软件的升级换代，作为数据采集器的软件也迫切需要进行适时的升级。另一方面环境监控的监控现场分布地域较广，交通不便，又受现场诸多条件限制，很难对数据采集器的软件进行升级。同时，对于未知通讯协议的仪器仪表，或强制推广的仪器仪表通讯协议，都需要到现场进行调试，甚至是现场开发。这无形中增加了系统建设成本。根据经验，现场调试成本占整个系统建设成本的30%-60%。现场调试的工作量占整个系统工作量的90%以上。如何方便进行系统的升级，并减少现场调试工作，是系统长期可靠运行的保障。
水、气、声及视频监控系统多、不统一
由于历史和技术的原因环境监控中的水、气、声及视频监控往往自成一体互不兼容。这就造成了一个中心，多套系统的尴尬局面。
多种通讯方式无法统一
目前在污染源监控中较常用的网络大约有以下几种方式：ADSL、GPRS、CDMA。
ADSL宽带线路是非常理想的线路，但目前最低的包月费用在200元，只能在大型污染源中使用，如电厂烟气监控。GPRS、CDMA具有如下优势：覆盖面广、服务有保障，但单位通讯费用高，通讯速率低，难以实现视频监控。从目前来看，ADSL、GPRS以及CDMA将会并存于监控系统之中。如何将多种通讯方式在一个系统中兼容也是目前试图要解决的问题之一。
Hauley监控系统整体构架
环境监控系统的组成
目前被普遍接受的环境监控系统分为如下4个部分：
⑴现场检测仪器、仪表、传感器
用于检测污染源排放指标数据或环境质量数据。污染源监控的数据分为两种，一种是用来表示“量”的概念，如流量、污染总量。另一种用来表示“质”的概念，如二氧化硫浓度、COD浓度。其中污染总量即污染物排放的总量，如二氧化硫排放量、COD排放量。
⑵现场数据采集
用于收集仪器、仪表、传感器数据，处理并保存历史报警数据，同时接受用户指令并执行或转发指令到仪器仪表。本方案采用鸿格工业级wincon嵌入式PC作为现场数据采集器。
⑶远程数据传输网络与设备
用于在监控中心与现场数据采集发送器间建立通讯链路。
⑷监控中心监控系统
用于进行基于以太网的运用，实现基于WEB GIS的数据共享、查询和命令传递。
以上的四个部分中，现场的监控仪器仪表往往都先于系统的建设而安装到位。本方案不作描述。
远程数据传输网络的选择可分为专用网络和公用网络。专用网络由于一次性投资大，运行维护成本高，已被实践证明不是良好的解决方案。目前公用网络较常见的是ADSL、CDMA、GPRS。本方案将对以上几种公用网络进行比选。
数据采集器事实上是整个构架中的核心，它负责和多个仪器仪表、多个监控中心进行信息的双向传递。系统的稳定性、可靠性以及先进性基本取决于数据采集器的性能和指标。因此本方案将对数据采集器的构架作着重的介绍。
一般环保系统都具有对监控中心的硬件平台的实施能力，且选择余地大，实施技术难度低，本方案也不作描述。本方案将会对监控中心的软件构架作部分简单描述。
Hauley监控系统的构架思路
Hauley环境监控系统是在总结了目前江苏省内多套污染源监控系统的优缺点基础上，开发完成的新一代环境监控系统。其主要目标是解决目前监控系统存在的系统构建难、工作量大、不便于普遍推广的难题。其主要思路如下：
1、关于数据采集难的思路
仪器仪表通讯协议多，互不兼容并不是环境监控领域的专有问题，这也是工控行业普遍存在的现象。在工控行业，解决该问题的方案是采用组态软件。国内的组态软件能支持的通讯协议一般都在1000种以上，国外知名组态软件能支持的通讯协议都在5000种左右。省内环境监控领域内的普信2型，采用了昆仑通泰的嵌入式组态软件MCGS，它兼容的环境监控仪器类型达到了30种，单从数据采集而言，该系统具有一定的借鉴性。但同时也应看到，通用的组态软件80%的功能对环境监控而言是不必要的，环境监控所需要的关键的20%的功能又是通用组态软件不能提供的（如排污总量的计算，设备的采样控制等等）。要实现这20%的专有功能，需要专业的技术人员来实施。通用组态软件面临的另一个问题是组态一般使用在工业现场，通讯链路是有保障的，而环境监控领域一般是通过公用网络进行超远距离的通讯，通讯链路是不受控的。因此如何保证在通讯重新畅通后，将丢失的数据重新补调回来，是通用组态软件一般不加以考虑的。另外组态软件一般是独立的，不能融合到专有的环境监控系统中来。
Hauley环境监控系统借鉴了组态软件的经验，将与仪器仪表的通讯做成了独立的驱动，这些驱动是可以单独增加和修改的。整个数据采集器中的软件实际上是一个小型的基于WEB页的专用组态软件，其整合了环境监控中的所有专有功能，因此用户只需要了解与环境监控相关的环保知识，而不需要了解任何通讯、工业控制、组态方面的知识便可以对监控网络进行实施，而软件也可以更好地融入整个系统之中。
2、关于多中心多协议的思路
一般基于GPRS的监控系统往往使用DTU模式的手机。使用手机的串口与数据采集器的串口相连接。往往这样的手机只能和一个固定的监控中心IP建立连接。这样就无法实现多中心的通讯。而深圳神彩与普宏使用的是tcp/ip的SOCKET通讯，可以很好的解决这个问题。
Hauley环境监控系统使用的也是tcp/ip的SOCKET通讯，可以和多个固定IP建立通讯连接。这就解决了多中心发送的问题。
另外，Hauley环境监控系统使用了组态机制，可以和不同中心实现不同协议的通讯。
3、如何降低监控系统实施难度
在当今的网络时代，运用最为广泛的软件当属各种各样的网络浏览器。我们查找信息、收发email、下载文件都在使用浏览器。网络浏览器可能是唯一不需要实施培训的软件。如果我们把数据采集器设计成一个WEB网站，不需要太多培训就可以使用。
数据采集器作为一个WEB网站将给环境监控传统的思路带来极大的冲击。首先是共享性大大的增加，可以同时提供多人的访问。原来需要定义的各种各样通讯协议和指令将被http这个被普遍接受又便于理解的国际标准协议所取代。在客户端，这个协议是浏览器自带的，不需要用编程来实现的。实时数据浏览、数据采集仪的配置、时间修改、远程对仪器的控制以及通讯调试只要一个浏览器就可以实现。程序的更新、历史数据的下载都可以通过http中的文件上传和下载来实现。同时目前视频监控较为流行的方式也是基于WEB的，如果数据采集器也是基于WEB的就可以最快捷的实现两个系统的无缝结合。
数据采集器作为web服务器对传统的数据采集硬件选择也会带来影响。首先是单片机、PLC这类运算速度较慢、功能较弱的采集设备将不会被采用。可供选择的只有PC（个人计算机或工控机）和PAC（嵌入式计算机）。PC的优势是运算速度更快，功能更强，软件的编制方便。但作为工业现场的数据采集器而言，具有致命的缺陷。首先是可靠性差。PC的机械部件较多，在工业现场较容易损坏，同时PC发热量大，需要通风。而环境监控现场往往工作环境较差，腐蚀性气体较多，对PC长时间使用损伤较大。在现场经常断电的情况下，故障更多。其次是安全性。因为PC的操作系统一般服务较多，漏洞也较多，需要人工维护升级，往往会被入侵。反观PAC，无机械性部件，发热量小，不需要通风，断电重起对系统无影响。同时采用嵌入式操作系统，安全性高。迄今为止尚未发现能够感染windows ce的恶意软件。因此如果把数据采集器作为一个web服务器PAC应是首选。Hauley环境监控系统的数据采集器采用了一款扩展性较强的工业级数据采集PAC。
4、关于多种通讯方式的思路
目前环境监控领域中较普遍采用的通讯方式为ADSL（昆山市）、GPRS（南京市）、CDMA（济南市）。这三种通讯方式各有优缺点，在通讯量较大的情况下（如有视频监控）选择ADSL应是无二的选择，但在通讯量较小的情况下，应选择费用较低的无线公网为宜。因此短期内，一个完整的监控系统应至少是有两种通讯方式组成的。这三种通讯方式有一个共同点，就是都支持TCP/IP协议。因此如果要兼容这三种通讯方式，最好的也是最简单的解决方案是数据采集器使用以太网与通讯设备连接。目前现场能支持以太网的通讯设备也很多，如广州高科的CDMA路由器，深圳倚天的无线路由器。因此hauley-W系列环保数据采集器提供了两个以太网口，用于链接以太网络，实现与以上几种通讯方式的兼容。
从无线公网的两种方式来看，CDMA方式应优于GPRS方式。因为CDMA登录后获得的是C网的IP（公网可访问），而GPRS获得的是一个B网的IP（公网不能访问）。如果从更大范围内的监控来看（如在家中或汽车内也能监控现场），CDMA比GPRS更宜。
hauley-w系列环保数据采集器硬件构架
hauley-w系列环保数据采集器硬件采用长距公司研发的嵌入式PC为基板，扩展了8路串口及4路开关量输入输出点。在保证了产品通用、成熟、可靠性的基础上更符合环境监控的需求。该数据采集器主要配置如下：
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名称
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性能及指标
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处理器
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Intel Strong ARM CPU, 206MHz
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内存
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64M SDRAM
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闪存
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64M
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键盘接口
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1个
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鼠标接口
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1个
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VGA接口
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1个
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USB接口
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2个
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RS232
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1个，内置使用，不与现场仪器通讯，用于兼容MODEM、GPRS或CDMA串口通讯器等
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RS485
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1个，内置使用，不与现场仪器通讯，用于使用7000系列模块进行模拟量输入扩展
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以太网口
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2个，1个与远程监控网络通讯，1个接入企业内部局域网
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扩展口1
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扩展I-8114-G模块，扩展4通道RS232或RS485
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扩展口2
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扩展I-8142i-G模块，扩展2通道RS232或RS485
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扩展口3
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扩展I-87063模块，扩展4通道输入4通道输出
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操作系统
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Windows
ce 4.1
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操作温度
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-25°C ~ 75°C
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存储温度
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-30°C ~ 85°C
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湿度
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5~95%
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hauley-w系列环保数据采集器软件构架
软件分为可执行文件和数据文件,可执行文件中后台程序及应用主程序是核心，设备的通讯驱动是系统的支撑。
可执行软件
可执行软件类型见下表：
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软件名称
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主要作用及功能
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软件形式
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操作系统
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提供软件运行环境，提供以太网环境，文件操作，提供FTP及HTTP服务
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NK文件
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后台程序
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监控软件运行、启动和终止程序、拷贝更换新的软件及驱动
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Monitor.exe
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应用主程序
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Apply.exe
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设备驱动模块
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提供主控制器及扩展模块硬件驱动
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*.dll
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仪器通讯模块
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提供与仪器通讯的协议解释
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*.dll
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中心通讯模块
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提供与不同系统构建的监控中心的通讯解释
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*.dll
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配置网页组件
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将网页内容存储成XML文件
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*.dll
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控制网页组件
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将网页操作转换为对仪器的命令
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*.dll
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Virtual
ce pro
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提供远程桌面访问服务
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*.exe
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串口调试程序
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调试串口通讯
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*.exe
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数据文件
配置文件统一使用XML文件，检测数据文件使用二进制文件存储。数据文件划分如下：
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文件定义
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存储数据描述
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文件名
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仪器配置及实时数据文件
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存储配置数据及实时数据
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Set.xml
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因子转换文件
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存储检测因子代码、名称及单位
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Elm.xml
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仪器基础信息文件
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存储仪器基本信息、动态链接库名称、控制数据文件名称
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*.xml
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仪器控制数据文件
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存储仪器控制参数、运行参数、控制内容
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*.xml
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检测数据文件
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存储设备检测数据文件
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*.xml
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状态数据文件
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存储设备状态数据文件
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*.xml
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报警数据文件
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存储报警数据文件
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*.xml
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中心配置文件
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存储监控中心地址及参数文件
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cen.xml
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本机配置文件
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存储本机的一些配置
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Me.xml
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状态定义文件
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存储状态码及状态名
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State.xml
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后台程序流程
应用主程序流程
主要数据处理机制
代表流量
由于受技术及经济等因素的限制，大部分主要污染控制因子的浓度检测仪器没有实时性，相邻检测数据都有一定的时间间隔。如以检测数据为Y轴，时间为X轴，所得到的数据图形往往是不连续的离散点图。这就使得一个检测数据只能代表一段时间的排污情况。本系统认为某个检测数据（如COD）代表上一次检测数据产生后与本次检测数据产生时的排污情况，与之相对应的，这段时间的污水排放的累计流量即为这个COD数据的代表流量。
检测数据时间戳
为了判别检测数据的时效，同时也为对传输系统传送的数据与仪器对比，对于非实时检测仪器的离散的检测数据，必须为其标明时间。这个在技术上试图尽可能接近某个数据采样时间的时间值，我们定义为这个检测值的时间戳。
未存流量
在某一个COD数据产生前，系统开始按瞬间流量及时间进行积分运算。这个在新的COD产生前，随着时间不断增加的累计流量值即为未存流量（见图1）。
图1 COD、流量随时间变化图
一旦时间戳发生变化，数采仪将“未存流量”的值赋予“对应流量”，同时存入一条数据。改条数据包含的信息内容为：检测因子、检测数据时间戳、检测数据、对应流量。该检测因子的这段时间的污染总量即是检测数据与对应流量的乘积。
数据存储发送的两种方法
在仪器仪表设置页面内有存储时间间隔选项，对于非实时数据（如COD、氨氮等）建议选择存储时间间隔为0，如果存储时间间隔为0，该因子的存储以时间戳的变化而存储。如一天检测6个数据，则存储6次，并向监控中心发送6次数据。
实时数据（如PH，流量等）建议设置非0的存储时间间隔，数据将按设定的时间间隔存储，同时发送到监控中心。如设定值为60分钟，监控中心每隔一小时将会接受到一个数据。
仪器控制的四种方法
对仪器控制有四种方法，分别是立即控制、等时控制、定时控制以及等比例控制。
立即控制是通过访问仪器的控制页面，点击控制内容实现。如控制仪器检测、标定等。
等时控制需要在仪器仪表设置页面内设置采样间隔。数据采集器每隔所设定的时间即向仪器发送一条立即检测命令。如设定时间为120分钟，则数据采集器每隔两个小时向仪器发送一条检测指令。当采样时间间隔为0时，该功能失效。
定时控制是在仪器仪表设置页面内点击定时采样栏内的“定时”按钮，选择一天24小时的一个或多个整点。如设置8点、13点后，每天到8点和13点时数据采集器将会向仪器发送一条检测指令。
等比例控制是在仪器仪表设置页面内设定等比例流量值，当流量累加到设定值后，数据采集仪向仪器发送一条检测指令。等比例流量值为0时，该功能失效。
数据上报机制
数据分为四类，分别是“检测数据”、“状态数据”、“超标报警”、“状态报警”。在内置与监控中心通讯的“浩镭”协议中，检测数据及状态数据在数据采集器保存数据时上报监控中心，超标报警及状态报警在事件发生时立即上报监控中心。
数据上报时如得不到监控中心回应，则压入发送缓存文件，当通讯再次恢复时，立即上报。如有多个监控中心则有相对应的多个缓存文件
实时数据浏览机制
实时数据浏览是通过IE浏览器直接访问数据采集器的WEB服务器，当没有访问时不产生通讯流量，而需要浏览数据是可以立即浏览到实时数据。在保证了实时性的同时，降低了通讯流量。
因为ADSL、CDMA、GPRS断线重登后IP地址会发生变化，每次访问网页的IP也将发生变化。所以该功能必须要等现场第一个数据发送过来后才能由软件自动重新定义IP。解决该问题的方法可以向电信、联通或移动申请VPDN业务，将手机号码与IP绑定。
功能介绍
因数据采集器本身就是一个基于WEB的网站，因此数据采集器上的配置、下载、浏览数据全部都是通过浏览器访问WEB页面完成的，而所使用的通讯协议即INTERNET上最常使用的http协议。只有在数据上报时采用SOCKET通讯。
现将主要功能介绍如下：
常规配置功能
该功能页面如上图。用来配置企业识别标志，接入internet设备（如手机或ADSL猫）的网关地址。可以配置四个监控中心的ip地址及通讯端口号
远程通讯调试
该功能页面如上图，主要为了在开发新驱动时测试仪器通讯。同时在数据采集不正常的情况下查找故障原因。
仪器配置
该功能用来配置仪器的通讯协议、通讯口、检测因子、数据转换、等比例采样、等时采样、定点采样、存储机制。
实时数据
该功能用来浏览仪器检测的实时数据
控制仪器
该功能用来提供针对于不同仪器可以实现的不同控制，当仪器有多个控制指令或多个可设置参数时，会显示不同的控制页面。
历史数据
该功能用来提供直接浏览数据采集器所存储的原始数据，数据采集器数据存储量可高达百万条记录。如有需要可扩充到千万条记录。
应用程序升级
该功能提供应用程序的远程升级及新加仪器仪表驱动的远程下载。
时间修改
该功能用来修改数据采集器内的系统时间。对提供必要通讯协议的仪器仪表的时间由数据采集器自动校准。
数据文件下载
该功能能够将数据采集器中的原始纪录文件通过文件下载的方式下载到监控计算机上。
hauley-w系列数据采集器技术特点及优势
兼容多种仪器通讯协议
目前能与数据采集仪进行数字通讯的仪器如下：
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北环科COD仪
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北环科氨氮仪
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南京华都COD仪
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浙江小桥流水COD仪
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北京普析COD仪
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北京新技术流量计
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北京九波声笛流量计
ü
北京东西COD仪
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支持南京通讯标准的仪器
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亚太COD
ü
怡文一型COD
ü
怡文二型COD
ü
怡文总磷仪
ü
导静TOC
ü
东丽TOC
ü
支持源西安长天黑匣子通讯协议的仪器
ü
南京东恒COD
ü
南京德林COD
ü
北环科流量计
ü
北环科pH计
ü
太仓景程流量计
ü
太仓创造流量计
ü
蓝星COD
ü
德国拉尔COD
ü
上海LMC流量计
