河工模型数据通信协议的智能化识别方法

鲁娟娟， 陈 红

(1. 正德职业技术学院 电子与信息技术系， 南京 211106； 2. 河海大学 水利水电学院， 南京 210098)

0 引 言

河工模型广泛应用于模拟天然水沙运动，揭示水沙运动的内在规律，解决重大水利工程关键技术难题。为顺利开展模型试验，评估工程前后水沙运动变化情况，需要精确采集流量、流速、水位、压力等参数，并反馈控制边界。因此，模型数据测控对河工模型试验顺利开展至关重要，一直是河工模型试验领域内的研究重点[1～3]。蔡守允等[4]研发了一套综合水利实体模型试验测量与控制系统，应用于长江航道整治实体模型研究；虞邦义等[5]研发了实体模型自动测控系统，用于淮河干流模型试验数据采集和边界控制；吴新生等[6]开发了潮汐模拟系统，用于深圳河口潮汐水流模型；鲁娟娟等[7]基于ZigBee无线数据交互技术开发了河工模型智能流速采集系统，用于赣江南昌段河工模型流速测量。随着计算机、电子、物联网、通信等技术的快速发展，河工模型测控技术得到进一步完善：① 测量数据同步性更高，蔡守允开发的系统可同步采集32路流速、水位等信号；② 控制策略更智能，陈红[8]采用改进PID控制器完善复杂水位跟踪控制，减小了水位滞后或超调等控制偏差，提高了复杂水位模拟能力；③ 数据传输更简便，陈红[8]、杨楠等[9]运用ZigBee技术组建无线网络，通过改进网络结构，提升网络容量，满足大尺度河工模型多参数数据采集需求。

随着新型技术的发展，近年来出现了大量新型数字传感器，促进了河工模型水沙参量测量技术的发展。然而，不同厂家、不同型号通信协议之间协同性差，导致测控系统兼容性、扩展性差，阻碍了测控系统的进一步发展。为了提高通信协议的通用性，解决不同设备的异构系统，工业控制领域多采用(OLE for Process Control, OPC)技术[11-14]，硬件开发商和应用系统开发均需要运用OPC标准；而且OPC技术需要相应服务平台支持，增加了系统开发难度。因此，OPC技术无法适用于河工模型测控系统。为了提高河工测控模型测控系统通用性、灵活性，针对不同厂家、不同设备的通信协议差异性，本文提出了一种基于数据库技术的协同通信协议标准，实现河工模型测控设备标准化。

1 协同通信协议标准

测控系统主要由上位机应用系统和测控设备组成，具有启动采集、停止采集、读取数据、查询仪器状态、设置地址、设置波特率等功能，其数据交互一般采用“一问一答”模式，即上位机发出命令，测控设备接收命令并根据命令获取数据，再发送给上位机，如图1所示。要完成上位机应用系统和测控设备的协同工作，数据通信协议至关重要。

图1 数据交互采集流程

1.1 通信协议数据库

协同通信协议标准依托ACCESS数据库技术[15-16]，把相同功能、不同通信协议的功能映射为标准模式，映射过程如图2所示。

图2 命令帧管理

测控系统中，通信协议一般包括通信端口参数配置、命令码格式设置、命令设置、数据格式设置、数据校验等内容。为此，设计通信协议标准数据(见表1)，主要包含通信协议编号、协议数目、命令码、命令格式、数据格式、波特率、数据校验、仪器返回值长度、返回值格式和操作地址等信息。测控系统应用程序设计时，所有仪器的通信协议都以表1所示的形式存放在数据库中，一台仪器一个编号，一个编号对应一台仪器的所有协议。

表1 标准通信协议映射数据表

在河工模型试验数据交互过程中，不同仪器或者同一仪器不同命令反馈数据类型、数据格式有时不同，不利于对数据进行管理和识别。数据类型一般有字符串和16进制，数据格式一般包含起始位、数据位、停止位和校验位。为了有效管理数据，采用了数据库对数据格式进行统一标准化动态管理，数据格式设计如表2所示，包括数据类型、数据格式、数据格式表的主键等。仪器接收命令后，将对应数据返回至上位机，上位机再根据识别相应仪器的数据格式进行解析获取测量数据，然后存入数据库，统一数据存储格式。这种通用的数据解析方法具有两个优势：① 数据按统一格式进行存储，当仪器增加更换时，仅需更新数据库，不需要改变数据处理程序，易于程序维护；② 数据调用方便 ，便于后期数据处理、分析等。

表2 数据格式表

1.2 智能识别

采用标准通信协议进行数据交互，不同于特定通信协议。基于数据库的通信协议识别过程如图3所示。系统获取通信协议编号，识别不同仪器；根据标准通信码格式，识别命令用途；根据通信协议编号和命令用途调用命令码，根据命令格式转换为二进制或文本格式；系统发出命令，仪器返回对应数据，系统再对照数据库相应数据格式进行解析，获取测量数据。

图3 智能识别流程

2 综合应用

以赣江南昌段河工模型为例，模型范围为东新赣江特大桥上游约2 km，下游分别至西河砖瓦厂附近、东河南支的豫章大桥上游、中支自礁矶头向下游约3 km处，模拟河长约25 km。模型水平比尺400，垂直比尺100。根据研究内容，模型需要布置水位、流速等仪器，流量采用三角堰测量，通过实时监测水位计算流量。

为采集16路水位、64路流速数据，运用智能化识别方法，通过ACCESS数据库管理仪器通信协议，将水位、流速仪器通信协议编号设置为“1001”和“1002”，依据表1和表2完成数据表设计，仪器功能码表名称为Intdatars，数据码表名称Datatypers。采用VB程序编制相应程序，数据库管理代码如下：

strcnn = "Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;Data Source= " & App.Path & "Intdata.mdb"

Set m_totaldatabase = New ADODB.Connection

m_totaldatabase.Open strcnn

Set rs = New ADODB.Recordset

打开数据库，调用水位仪器通信协议采集数据：

rs.Open opencon, m_Intdatars where Cmd_Protocalflag=1001

Dim m_command as string

m_command=rs(“Cmd_gatherstart”)

mscomm.Output=m_command

rs.close

接收串口数据，并转换为字符串格式m_getdata。根据水位仪对应数据格式，提取对应水位数据：

rs.Open opencon, m_Datatypers where Cmd_Protocalflag=1001

m_stnum=rs(“Cmd_Datafor_infS”)

m_datalong=rs(“Datafor_infL”)

Waterleveldata=mid(m_getdata,m_stnum,m_datalong)

其中Waterleveldata为水位数据，转换为十进制数据即为水位数据。同样处理方法完成流速数据。

图4、5为水位和流速测量数据模型与原型对比图，试验结果表明智能化识别方法可调用不同仪器通信协议，解析仪器返回数据，实现不同仪器数据采集，而不需要重复开发数据交互程序。

图4 水位测量数据对比

图5 流速测量数据对比

3 结 语

测控系统是河工模型试验的重要组成部分，随着计算机、通信和电子技术的快速发展，河工模型测控系统逐步沿着系统化、智能化、自动化、网络化发展。然而，大量数字传感器与上位机的数据交互协议差异阻碍了测控技术的进一步发展。为此，采用ACCESS数据库，设计了一套通信协议智能识别方法，将仪器功能码及数据码存储于数据库，数据交互时，通过索引数据库调用相应仪器功能码，发出数据采集命令，同时根据数据库解析仪器返回数据，实现不同仪器的数据交互。将数据通讯协议智能化识别方法应用到赣江南昌段河工模型试验，解决了水位仪、流速仪的数据采集及自动识别难题，提升了河工模型试验效率。

参考文献(References)：

[1] 王晓春.胶州湾物理模型试验测控系统的设计与实现[D].青岛：国家海洋局第一海洋研究所，2013.

[2] 吴新生. 河工模型量测与控制技术[M]. 北京: 中国水利水电出版社,2010.

[3] 虞邦义. 河工模型相似理论和自动测控技术的研究及其应用[D].南京：河海大学, 2003.

[4] 蔡守允,张晓红.水利工程模型试验量测技术的发展[J].水资源与水工程学报,2009,20(1)，：67-69.

[5] 虞邦义，武 锋，吕列民.河工模型量测与控制技术研究进展[J].水动力学研究与进展，2001,16 (1)：45-47.

[6] 吴新生,林木松,廖小永,等.深圳河口潮汐模型变频生潮与量测控制系统[J].长江科学院院报,2010(4):12-16.

[7] 鲁娟娟,白延敏,房世龙.河工模型智能流速采集系统开发及应用[J].实验室研究与探索,2013,32(12):68-71.

[8] 陈 红.大型实体模型智能化测控设计及关键技术研究[D].南京：河海大学, 2016.

[9] 杨 楠,李昌垣,万浩平，等.无线智能流速采集仪及系统[J].江西水利科技.2011,37(4):284-286.

[10] 刘 杰,乐嘉海.黄浦江河口潮汐物理模型控制与测量技术[J].水利水运工程学报，2004(2):68-71.

[11] 唐海林.OPC标准化方法在系统集成中的应用研究与开发[D].北京：北京机械工业自动化研究所, 2014.

[12] 闫晓风,赵艳领.基于OPC UA通用数据采集模块设计[J].仪器仪表标准化与计量，2015(6):26-27.

[13] 刘汉强.基于协同服务的底层设备的数据采集和标准化接口的研究[D].上海：同济大学，2009.

[14] 张 娜.面向远程设备监测数据的通用解析服务设计与实现[D].南京：南京邮电大学，2016.

[15] 何 著, 赵寿根,罗 成，等.SHPB实验数据库管理系统的开发和应用[J].实验室研究与探索,2007，26(5):20-23.

[16] 陈 红,唐立模,房世龙，等.单点流速仪空间坐标定位及数据管理[J].实验室研究与探索，2012,31(9)：11-13.