分布式智能开放系统
分布式智能开放系统（精选8篇）
分布式智能开放系统 第1篇
随着生活节奏的加快, 人们渴望便捷、高效、及时的购物方式, 同时商家也希望能够把顾客的即时购买意图转化为实际购买行动, 从而获得更多利润。3G时代的到来, 使得人们的意愿成为可能。通过基于WAP技术的分布式智能移动订单系统开展即时购买商务活动具有明显的经济和社会意义, 迎合了时代发展的趋势。
二、分布式智能移动订单系统构成
分布式智能移动订单系统是基于WAP技术构建的移动电子商务平台, 它支持移动商务买卖全过程, 涉及服务浏览、订单生成、订单接受与处理、物流配送和客户管理等。按照部署位置系统可分为三个主要组成部分:客户端、服务器端和物流中心端, 其构成如图1所示。 (图1)
客户端是安装在用户的移动通信设备上的嵌入式软件, 主要功能有:服务浏览, 通过客户端程序查询服务与价格信息。服务与价格信息保存在客户端, 与服务器端的产品信息进行即时更新, 因此在利用客户端进行服务浏览时无线网络需处于连接状态;订单生成, 在客户浏览服务的同时, 进行服务选择, 最后以特定格式生成订单, 并以WAP方式发送至服务器端完成商业下单。
服务器端功能相对复杂, 需要维护大量数据信息并做复杂运算处理, 因此需要运行于企业级服务器上。主要功能有订单接收, 将订单信息从无线通信网络以WAP的方式接收, 然后交给服务器进行后续处理。订单路由, 在多物流配送中心的情况下, 选择最科学合理的配送路线是提高效率的关键, 因此订单需要被合理的路由分发, 订单路由的主要依据是客户和配送中心的地理位置。客户管理, 包括客户注册、订单状态查询和售后服务等子功能。信息管理, 包括客户信息管理、地理信息管理与产品信息管理, 是系统的基本管理功能。
物流端主要完成订单查询、物流配送、订单状态更新等功能。
该系统可以广泛应用于餐饮服务、票务预订、快递、旅游、批发零售等移动电子商务领域。
三、分布式智能移动订单系统功能介绍
客户进入手机端界面后, 可以依据自己的需要选择服务 (餐饮、娱乐、订房、订票等) 按确定自动生成订单, 按发送就可以方便, 快捷的完成订单生成。 (图2)
如图2所示, 完成以上操作后, 系统接收订单并对信息进行处理, 生成最佳的服务方式发送给客户, 经客户再次确认后, 订单成功。
四、商店开铺
(一) 购买实名、建立商铺
1、注册成为商街会员。
2、用注册为商街会员后获取的会员密码, 登陆会员系统, 注册商铺。
3、进入“实名及排名”“实名词库”菜单, 查询您打算购买实名的订购状态, 订购实名。A、实名订购状态为已售出, 您就不可以再申请购买该实名。B、实名订购状态为已存在但没有售出, 您可以“订购”并付款“购买”该实名 (如果您需要购买20年以外的实名年限, 请传真订单至商务部) ;如果您“订购”的实名属于驰名商标, 需经过商街运营审核通过, 您才能进入“我的订单”支付实名购买费用获取该实名。C、若实名订购状态为不存在, 请进入“申请实名”, 申请您需要的实名, 您申请的实名经过商街运营审核批准及定价后, 您即可进入“我的订单”支付实名购买费用, 获取该实名。
注释:申请的实名将于3个工作日内进行审核;审核后的实名订单默认实名购买年限为20年, 如果您需要购买其他年限, 请传真订单至商务部;您已“订购”但未付款的实名 (即已在系统中生成的订单) , 系统会为您保护3天, 若3天后您仍未付款, 则订单取消, 其他用户可申请购买该实名。
4、进入商铺账户, 充值服务卡, 付款获取实名。充值后一定要进入“商铺管理系统我的商铺我的订单”中进行付款操作, 购买后的实名在“我的商铺我的服务”下体现。
”。5、完善商铺短信门户。手机访问者发送商铺实名至本系统, 回复的即是设置的短信门户。如需设置WAP门户, 请按照下面的顺序操作。
(二) 建立WAP商铺
1、完善“我的商铺商铺档案”内容, 商铺档案内容 (如地址、联系方式等) 在WAP中显示为“店铺详情”。
2、添加商品分类、商品档案。添加商品档案后, 用户通过手机访问您的WAP商铺, 在“商品中心”栏即可看到相应的商品信息。
3、设置“商铺关键字”, 所属街区、所属品类等。如您将增加商铺进“数码精品”街区, 则按照关键字进行搜索时, 您的商铺即出现在搜索结果商铺列表中。
4、发行商铺优惠券。商铺发行的优惠券在商铺WAP显示, 并支持访问者下载优惠券图片。
5、发布商铺信息。发布的信息显示在WAP商铺, 商铺首页最多显示三条信息, 信息按优先级数字由大到小显示, 没有排序, 则每次访问都是随机变化的。
当前, 国内WAP用户数量已达到2亿, 如此大的市场容量, WAP的商用显然能够成为移动购物市场规模增长的新支点。手机支付和传统购物结合起来的潜力巨大的移动商务市场, 势必会随着安全信用问题的解决以及运营商、金融机构和零售企业间多赢协作计划的逐步实施, 而不断浮出水面。移动商务将随着手机终端、通讯、定位、识别、支付等技术的发展而不断发展和完善, 将为企业提供更为有效的服务。
参考文献
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开放获取仓储分布研究 第2篇
关键词：开放获取开放获取仓储开放获取仓储目录
中图分类号：G237文献标识码：A文章编号：1009－5853(2011)03－0080－05
2002年2月，开放社会协会发布了布达佩斯开放获取计划(BOAI)，提出实现科学信息资源开放获取的两种途径：一是创办开放获取期刊；二是自行存档，即建立开放获取仓储。在过去几年中，开放获取仓储已经粗具规模，同时技术和相关政策也日趋成熟。为了全面深入地了解开放获取仓储的发展现状，我们根据DOAR对其进行分布研究。DOAR是由英国诺丁汉大学和瑞典伦德大学图书馆于2005年2月共同创建的开放获取仓储目录检索系统，截至2010年12月25日，共收录1798个开放获取仓储。
从数量来看，DOAR收录的开放获取仓储经历了两个显著增长阶段：第一阶段是2005年12月到2006年12月，在此期间，收录的仓储数量呈跨越式增长，数量骤增至800余个，其中又以2005年12月至2006年1月以及2006年8月至9月这两个时间段的增长最為显著。第二阶段是2007年至今，仓储数量由原先的跨越式发展向平稳发展转变。见图1。
开放获取仓储数量不断增长的同时，分布也呈现出一定特点。本文从三个方面详细研究DOAR收录的放获取仓储的具体分布情况。
1、开放获取仓储基本信息分析
1.1开放获取仓储地域分布
自1991年8月arXw预印本文库在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室建立以来，世界各国纷纷开始本国的开放获取仓储计划。迄今为止，DOAR收录的开放获取仓储分布在世界不同国家，并呈现出一定的地域分布特点。现从大洲和国家两个角度研究开放获取仓储的地域分布特点。
1.1.1开放获取仓储洲际分布
开放获取仓储源于欧美，这一先发优势为其在欧美的发展打下了良好基础。从图2可以看到，全世界近半数开放获取仓储分布在欧洲各国，比重达46％。其次是北美洲，拥有量占总量的25％。这两个区域集中了全球逾七成开放获取仓储。亚洲位居第三，但仅占总量的16％，和欧美相比尚有距离。此外，南美洲、大洋洲、非洲等区域所占比重更小，均不超过5％，拥有的仓储数量也不足100个。这些区域尚处于开放获取仓储发展的起步阶段。
1.1.2开放荻取仓储国家及地区分布
不同国家拥有开放获取仓储的情况也不尽相同。如图3所示，拥有开放获取仓储数量最多的几个国家分别为美国(21％)、英国(10％)、德国(8％)、日本(7％)、西班牙(4％)、澳大利亚(3％)、法国(3％)和意大利(3％)。尽管当前世界上近一半开放获取仓储集中在欧洲，但美国却是拥有开放获取仓储数量最多的国家。英国排名第二，但不足美国的一半。除美、英两国之外，其余国家拥有的开放获取仓储数量均少于10％。排在前八位的国家中，亚洲、北美洲和大洋洲各有一个国家，其余五个皆为欧洲国家。
从拥有的仓储数量来看，排在前几位的均为经济发达、科技实力雄厚的发达国家，这些国家同时也是科技出版强国。一个国家的科研投入与其经济发展对科技的需求、经济发展阶段特征和国家采取的发展战略密切相关。而上述因素又往往在很大程度上影响科技出版业的发展以及学术资源的增长。据统计，2009年科学研究与发展(R＆D)经费支出最多的前三个国家依次为美国、英国和德国，与开放获取仓储拥有量的排名完全吻合。紧随这三个国家之后，我国研发投入位居世界第四，但在DOAR中登记的开放获取仓储数量(香港、澳门、台湾除外)仅为4个，可见我国对开放获取仓储建设的重视程度严重不足。
1.2开放获取仓储类型分布
DOAR将开放获取仓储分为四类：机构仓储、学科仓储、整合仓储和政府仓储。从图4可以看出，其数量最多的是由学会或相关科研机构建立的机构仓储，超过总量的八成，占81％。其次是跨机构的、以学科为基础的学科仓储，占总量的12％。排在第三的是通过整合多个子仓储形成的整合型仓储，占总量的4％。由政府建立的汇集政府数据的政府仓储所占比重最小，仅有2％。由此可见，学会等科研机构对开放获取仓储的建设展示出较高热情。我国大陆地区登记的4个开放获取仓储均为机构仓储。
1.3开放获取仓储运行状况分析
开放获取仓储的建立固然重要，但更需要建立之后长期的维护以保证正常运行。过去几年，绝大多数开放获取仓储运行正常，此类仓储占总量的94％。此外有4％左右的仓储尚处于试用阶段，另外1％的仓储由于技术性故障无法正常运行，还有1％的开放获取仓储关闭了。总体而言，当前开放获取仓储的运营情况比较乐观，仅有2％左右无法正常运行(参见图5)。
2、开放获取仓储内容分析
开放获取仓储由不同类型、不同语种、不同主题的信息和内容组成，并采用不同的软硬件技术以协助读者存取、阅读并满足其他各种需要。下面对开放获取仓储的内容分布情况进行具体分析。
2.1开放荻取仓储文档类型分布
开放获取仓储包含海量信息。这些信息的类型也多种多样，既有传统的科技文献出版物，如期刊论文、图书、专刊等，也有未出版的工作报告、会议论文、参考文献等灰色文献，此外还有部分新型科技信息，如多媒体资料、数字化学习对象、数据集成以及软件等。就数量而言，期刊论文等传统形式的文献信息依然占据主导地位，约占总量64％的仓储提供期刊论文存取服务：新型信息尚未进入开放获取仓储存储的主流信息行列(参见图6)。形成这一现象的原因主要是传统类型的信息经过较长时间发展已经有了深厚积累，数量大，质量高。相比之下，新型信息由于发展时间短，在数量和影响力方面都显现出明显弱势。但随着网络应用以及多媒体技术的发展，今后会涌现出越来越多的文档类型，其数量和比例也会不断上升。另外，统计发现大多数机构仓储中都包含多种类型的文献信息，仅收录某一类型文献的仓储非常少见。
2.2开放获取仓储主题分布
开放获取仓储中存储的文献涉及科学研究的各个领域，包括自然科学、社会科学、人文艺术等。从图7发现，超过60％的开放获取仓储收录的主题涉及多个学科，收录单一学科文献信息的仓储数量相对较少，且涉及主题较为分散。其中，仅有科学总论、卫生医学和历史考古学这三个主题的仓储数量超过100个，其余主题的仓储数量在总量中所占比例较小。从单一主题仓储的数量来看，涉及自然科学主题的仓储数量多于社会科学。一直以来，开放获取运动在自然科学领域的发展领先于社会科学，这一现象同样存在于开放获取仓储的建设中。
2.3开放获取仓储语言分布
DOAR收录的1798个开放获取仓储分布于世界各地，这一现象也决定仓储内容涉及的语种具有多样性特点。这些仓储共运用30种语言(参见图8)。其中英语是最常用语种，占全部仓储的78％。德语和话班牙语是仅次于英语的语种，这也反过来证明这两个国家的开放获取仓储已经具备一定发展规模。
需要密切关注的是，包含中文文献内容的开放获取仓储仅有65个，只占总量的3％。虽然这一数据在过去几年也呈增长态势，但其中相当一部分是由香港、台湾等地区的机构创建的，大陆地区的政府和科研机构显然应该关注并积极投入开放获取仓储的建设与发展。
2.4开放获取仓储应用软件分析
开放获取仓储的正常运转离不开相關技术的支持，图9显示了当前开放获取仓储软件的应用情况。其中，36％的开放获取仓储选择DSpace这一开源软件，16％选择EPrints。此外还有Digital Commons(4％)、OPUS(3％)、Greenstone(1％)、Diva－P0rtal(1％)、HTML(1％)等多款软件应用于开放获取仓储的设计和建设。主流为开源软件，如应用最广的DSpace、EPrints以及OPUS等。
3、开放获取仓储相关政策研究
开放获取仓储在建设时往往制定相关政策，规定仓储包含的元数据和全文数据能否以及如何再利用，信息如何存储、提交等。下面对相关政策情况加以分析。
3.1全文数据再利用政策
不同的开放获取仓储对全文数据再利用提出了不同要求(参见图10)，如有6个仓储明确申明所有全文数据都禁止再利用，有6％左右的仓储申明禁止机器人遍历全文数据信息，有3％左右的仓储政策随使用情况不同而发生改变，有6％的仓储允许本仓储的全文数据信息用于非盈利目的，几乎没有仓储允许将全文数据用于商业性目的。
综合以上数据，真正明确这一政策的仓储仅占总量的15％，更多仓储采取含糊态度，有的未在网页中明确表明立场，有的没有给出清晰界定，还有的根本只字未提。可见开放获取仓储相关政策的制定并未引起建设者的足够重视。尽管开放获取运动倡导的是免费开放与交流，但制定政策、保障作者利益的行为依然有必要。
3.2元数据再利用政策
和对待全文数据再利用的态度相类似，开放获取仓储对元数据再利用的态度也明确(参见图11)。超过80％的开放获取仓储对这一政策未加明确定义，仅有12％的仓储管理者表明了态度，其中134个开放获取仓储允许将元数据用于非盈利目的，占总量的7％，仅有5％的仓储同意将元数据用于商业用途。
3.3存储政策
开放获取仓储现有的存储方式包括自存储、强制性存储和协议性代存储。所谓自存储，顾名思义是由作者完全以自愿为原则，选择将自己的研究成果存入开放获取仓储供读者免费阅读和使用。与之相对的是强制性存储，即某一机构要求所属人员的某部分科研成果必须提交给开放获取仓储。目前最有代表性的是高校学位论文的收集。第三是协议性代存储(自存档代理)，主要应用在学术机构内部。存储管理机构收集到作者的知识成果并与作者直接联系，获得作者许可后由机构代为把成果上传到机构仓储，或通过存档软件进行批量存储，并在作者许可范围内使用相关成果。
自存储知识库的建立能有效提高知识的积累速度和利用效率，但完全依靠作者的自发行为往往难以满足开放获取运动发展的需要，因此目前只有较小比例的学术成果通过自愿原则进行自存储。强制性存储能保证开放资源的数量与质量，但这种强制力并不是每一个开放获取仓储都拥有的。不同的存储政策对开放获取仓储的发展会产生不同程度的影响。从图12发现，明确界定了存储政策的开放获取仓储数量并不多，仅占仓储总量的8％，绝大多数仓储对这一政策依然未加以明示。
4、小结
从开放获取仓储的分布规律来看，在地域分布方面，大部分开放获取仓储由欧美发达国家的机构或组织创办和建设；在仓储类型方面，81％的仓储属于机构仓储，学科仓储、整合型仓储和政府仓储数量相对较少；在仓储运行方面，98％的仓储处于正常运行状态i在仓储使用语言方面，78％的仓储用英语为用户提供包括期刊论文、图书、工作报告、多媒体资料等多种资源在内的开放获取服务，其他语种所占比例较小；在政策制订方面，仅有15％左右的仓储明确规定在某种限制条件下允许用户对全文数据进行再利用，12％左右允许用户对元数据再利用，8％左右制订了相关存储政策。也就是说，绝大部分仓储还没有针对全文数据和元数据的再利用以及资源存储问题制订相关政策。
分布式智能开放系统 第3篇
近年来,中东部雾霾污染日益严重,环境不堪重负,大规模新能源发电是解决当前能源短缺、环境污染的重要举措之一。随着国家审批权下发和各项政策的出台,分布式发电技术迎来了新一轮的快速发展期,尤其是具有清洁环保、无污染、分布广泛、可再生等优点的光伏发电,具有更广阔的市场空间[1,2,3,4,5]。
分布式光伏发电大多以分散屋顶或建筑一体化为主,基于布线的简便性和能源就地接入就地使用减小损耗的原则,城市电网中光伏的接入将是分散而无序的,分布式光伏的大量接入改变了原有的单电源结构,单配电网变成多电源结构,而且也给电网的调度工作带来很大的困难。
在10 k V及以上分布式光伏电站工程建设中通常要求电站具有功率调节功能。国内外各高校及电力企业也相继开展了对分布式光伏发电系统及其功率调节方面的研究工作。文献[6]研究了不致引起馈线各点电压超出馈线首端电源电压的分布式电源的准入容量;文献[7]研究了分布式光伏接入的情况下配电网自动化系统故障处理策略的适应性,及超出适应范围情况下的应对措施;文献[8]提出了光伏并网运行功率的直接控制方法,实现光伏有功功率和无功功率的直接、统一控制,以改善配电网供电质量。文献[9]提出了一种基于DC-DC变换器的功率调节控制器,使用电压和电流反馈实现MPPT算法; 文献[10]提出了一种基于UPS的光伏并网功率调节系统,不仅可实现光伏发电而且还具有并联型有源电力滤波器的功能。目前,在分布式光伏发电对配电网影响方面的研究很多,而对于分布式光伏电站的功率调节控制的具体研究还较少,重点也在于光伏逆变器的控制策略优化方面,未涉及在分布式光伏电站中功率控制系统的研究。为提高电网对分布式光伏发电的接纳能力,降低分布式光伏发电对电网运行的负面影响,能够自动接收调度系统的调节指令,研究分布式光伏电站的功率调节系统是非常必要的。
1分布式光伏电站的建设模式
随着分布式光伏电站建设补贴模式的变化,即由原来的电站建设补贴变为度电补贴,用户则更加关注光伏电站的发电效率和发电量。
光伏电站的发电量主要取决于当地的太阳能资源和光伏发电的效率,同时还受运行方式、电池表面清洁度、线路损耗等多种因素的影响,而影响光伏发电效率的最大因素是光伏阵列效率,即光伏阵列在1 000 W/m2太阳能辐射强度下,实际的直流输出功率与标称功率之比。光伏阵列在能量转换过程中的损失包括:组件的匹配损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响、最大功率点跟踪精度及直流线路损失以及树木或烟囱、云层等其他物体投射的阴影遮挡住光伏系统时导致系统造成“失配”问题而引起的遮蔽损失等。
组串逆变器(不大于60 k W)采用模块化设计, 在每个光伏组串并网逆变器的直流端可实现最大功率跟踪功能,且不受组串间模块差异和遮影的影响, 同时减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况,大大提高了发电量;另外组串逆变器还可解决不同朝向、不同倾角、不同区域引起的低效率问题,也可解决最大化减小阵列失谐损耗对发电效率的影响;同时采用组串逆变器时会省去汇流箱、直流柜,减少了两个故障环节,大大提高了系统的可靠性。因此,在分布式光伏电站中采用组串逆变器进行分散逆变、集中并网的模式可大大提高发电效率和发电量。
但是,采用组串逆变器进行分散逆变、集中并网的建设模式给分布式光伏电站的功率调节带来了一系列的问题。比如整站中组串逆变器的数量剧增、 组串逆变器的布置比较分散使得功率调节控制策略更加复杂;同时对逆变器进行数据采集和控制变得困难且可靠性差等。
2分布式光伏电站区域智能调控系统
2.1区域智能调控系统
为解决上述问题,本文提出了一种适用于分布式光伏电站的区域智能调控系统,其网络结构图如图1所示。
区域智能调控系统支持远方控制和就地控制, 远方控制为调控系统按照调度中心下达的指令进行调节,就地控制为调控系统不经过调度中心,直接接收监控系统人工预置的本地控制指令。
在图1所示的网络结构图中,光伏监控主站主要用于接收调度中心下发的功率调节指令后进行功率分配计算,并将计算结果下发给各对应的区域智能调控单元。
区域智能调控单元包括有数据采集与处理模块,采集光伏电站就地组串逆变器、电度表、保护测控装置等设备的模拟量、开关量、电度量等数据并进行相应的处理(如滤波、精度校验、有效性检查等);规约转换模块,对采集的就地设备的数据进行规约转换,用于功率调节,同时上送给光伏监控主站;功率调节模块,根据接收到的对应的功率调节指令对所负责区域内的组串逆变器进行功率调节, 对组串逆变器下发遥调、启停等命令,共同完成整站的功率调节任务。区域智能调控单元主要在光伏监控主站与区域就地设备之间建立了桥梁,起到“承上启下”的作用。
在分布式光伏电站中,各园区的设备相对集中, 但每个园区之间的距离较远,因此通过光纤进行通信,各区域智能调控单元对就地设备的数据采集后通过光纤传输到站内的主交换机上,光伏监控主站的调节指令也是通过光纤分配给各区域智能调控单元,保证数据的高速可靠的传输。
2.2智能功率调节策略
在区域智能调控系统中,所采用的智能功率调节策略的框架图如图2所示,其步骤如下。
1) 光伏监控主站接收调度中心下发的调度指令Pref或在本地预置调节指令Pref后,根据当前的输出功率Pcur计算出整站待分配的有功调节指令PDref 。
2) 光伏监控主站根据功率分配算法计算各区域智能调控单元的待分配有功调节指令,功率分配计算采用可调容量比例分配算法,根据实时计算的各个智能调控单元的可调容量,按照最大可调容量大的区域分配有功功率多的原则进行功率调节指令的分配,计算公式如式(1)。
式中:Pjref 为第j个区域智能调控单元的待分配有功调节指令;Pmj 为第j个区域智能调控单元的有功功率可调节容量;Pmar 为整站内各区域调控单元的有功功率可调节容量之和;PDref 为光伏电站待分配的有功调节指令。
3) 各智能调控单元根据智能优化功率调节策略将其调节指令Pjref分配给所负责区域内的组串逆变器并进行调节,共同完成功率调节任务。
区域智能调控单元对各逆变器进行功率调节采用一种智能优化调节策略,综合考虑环境及发电设备的最佳运行状况实现光伏电站的有序功率自动控制,做到连续最优运行调节。智能调控单元接收监控主站下发的功率调节指令,根据该区域内每个逆变器的当前出力、通信状态、运行状态(开机/关机)、 最优工作区间(空载或满载时转换效率降低)、调节精度、1 min有功变化率、10 min有功变化率等因素,按照合适的调节容量,合理分配各逆变器的调节容量,智能选择少量逆变器接受调节,同时考虑逆变器调节速度的影响,制定出优化的调节策略, 逆变器按预先制定的优化调节策略调节功率输出达到目标值。
其中,智能优化功率调节策略的步骤如下。
a) 计算功率差额=指令Pjref –实际值Pj,若功率差额≤调节精度,则不需要调节,否则转向步骤b)。
b) 判断调节方向,若上调则转向步骤c),否则转向步骤d)。
c) 上调
i) 发电单元按上调能力降序排列,将功率差额分配给该区域的各发电单元;
ii) 发电单元下的逆变器按上调倍数降序排列并将该分配给发电单元的功率差额分配给各逆变器;
iii) 发电单元的上调能力相等时,调节次数较少的先调节;
iiii) 逆变器的上调倍数相等时,调节次数较少的先调节。
d) 下调
i) 发电单元按下调能力降序排列,将功率差额分配给该区域的各发电单元;
ii) 发电单元下的逆变器按下调倍数降序排列并将该分配给发电单元的功率差额分配给各逆变器;
iii) 发电单元的下调能力相等时,调节次数较少的先调节;
iiii) 逆变器的下调倍数相等时,调节次数较少的先调节。
其中,逆变器的上调倍数=int[逆变器可上调最大幅度/调节步长]。
3算例验证
在实验室搭建分布式光伏电站的模拟系统环境,系统容量为0.4 MWp,分为3个区域智能调控单元(RICU),分别为RICU1、RICU2、RICU3,其容量分别为0.1 MWp、0.15 MWp、0.15 MWp,分为8个发电单元,每个发电单元的装机容量为0.05MWp,采用同规格的10 k W的组串逆变器,厂区设备经过智能调控单元进行数据采集后,接入许继Solar-8100光伏电站智能监控系统实现远程监控。
3.1有功控制能力测试
测试时所有逆变器或部分逆变器正常运行(部分逆变器停机或通信异常),不限制分布式光伏发电站的有功功率变化速度。通过在光伏监控主站上预置有功计划曲线,以每隔5 min设置分布式光伏电站的有功功率输出指令分别为:40%Pn、60%Pn、 80%Pn、70%Pn、50%Pn、35%Pn(Pn为0.4 MW),光伏电站的实际出力与计划曲线图如图3所示。
由图3可以看出:光伏电站有功出力能够较好地跟踪计划曲线,并达到较高的控制精度。由于在接收到计划指令后,监控主站需要计算并分配各智能调控单元的调节指令,另外下发命令至各逆变器、 逆变器调节完成数据上送至监控主站都需要一定的时间,因此每个5 min时间段的前期实际有功功率并未实时发生变化,但每次调节完成的响应时间均不超过2 min,满足要求。
3.2电压无功控制能力测试
测试时所有组串逆变器处于有功满发(1 p.u.)输出状态,不限制光伏电站的无功功率变化速度,通过在光伏监控主站上预置无功计划曲线,以每隔5min设置分布式光伏电站的无功功功率输出指令分别为:0、20、40、80、100、60、30、0、-30、-50、 -70、-100(单位均为kvar),光伏电站的实际无功输出与计划曲线图如图4所示。
由图4可以看出,无功输出可以很好地跟踪预置的计划调节指令,能够实现较高的调节精度,且调节时间均在2 min以内。
4总结
目前,分布式光伏电站中大多使用集中式逆变器,基本是以500 k W为功率单元,但随着电站建设补贴模式到为度电补贴模式的变化,用户更加关注光伏电站的发电效率和发电量,使用小功率的组串逆变器可大大提高分布式光伏电站的发电效率和发电量。本文提出了基于组串逆变器的分布式光伏电站区域智能调控系统,将一定区域内的组串逆变器的调节任务分配给单个智能调控单元,整个分布式光伏电站的功率调节由多个智能调控单元完成, 不但减轻了光伏监控主站的负担,各个区域同时进行功率调节,还大大提高了调节速度和调节精度, 智能调控单元主要在光伏监控主站与区域就地设备之间建立了桥梁,起到“承上启下”的作用,在分布式光伏电站中具有重要的工程应用价值。
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分布式智能开放系统 第4篇
在政府、企业或学校等局域网环境中, 网管们在网关入口部署网络防火墙, 在用户终端上安装反病毒软件和IDS等检测软件, 这在一定程度上扼制了已知病毒的发挥, 但并不能完全消除恶意代码的危害, 特别是未知的恶意代码。所以, 在网络中部署恶意代码智能分析系统, 不仅可以检测出已知的恶意代码, 还可以在不影响用户正常使用程序文件的情况下, 实时分析程序代码, 及时发现恶意代码并采取相应的保护措施。
1 当前恶意代码检测技术的现状及发展趋势
恶意代码是一段计算机指令, 由攻击者通过系统安全漏洞或其他方法植入到被攻击者的计算机中, 使得被攻击者的计算机按照攻击者的意愿执行任务, 任何能对计算机系统信息安全造成威胁的计算机指令集序列和数据都可以归属于恶意代码。常见的恶意代码有:漏洞攻击程序、计算机病毒、蠕虫、恶意移动脚本、后门、木马、RootKit、间谍软件以及更深层次的BIOS木马、恶意CPU微代码等, 当然还包括以上类型恶意代码的综合应用组合恶意代码。
目前, 在反恶意代码工具中, 商用的反病毒软件主要采用特征码匹配和行为检测技术。特征码匹配, 即检测时对文件进行扫描, 用数据库里的特征码去匹配, 若匹配成功, 则报告发现病毒;行为检测技术, 即将程序的动态行为与行为特征库进行匹配, 若发现已知的恶意行为, 就提示用户采取相应措施。
随着恶意代码检测技术的不断发展, 反恶意代码研究必将向智能化、实时化、高效化、准确化方向发展。智能化, 即在识别恶意代码过程中, 人工智能分析技术将逐渐占据主导地位, 工作量极大的人工分析技术将发挥辅助作用。实时化, 即在对未知可疑代码的识别过程中, 快速、及时地检测出程序代码是否具有恶意行为, 在及时通知用户终端的同时, 对恶意行为进行自动控制, 最大限度地减少恶意行为对用户的危害程度。高效化, 即通过对特征码和匹配算法进行优化处理, 对庞大的恶意代码特征库进行“瘦身”, 以及平衡用户与恶意代码分析的资源消耗, 提高恶意代码检测的效率。准确化, 即采用多种识别技术综合运用或单一技术设置多重指标的方法对未知可疑行为进行全面分析, 降低误报率, 准确判别出程序代码是否具有恶意行为, 提高恶意代码检测的准确性。
2 基于分布式结构的恶意代码智能分析系统的设计与实现
2.1 设计方案
2.1.1 恶意代码智能分析系统整体结构
以前的恶意代码分析系统大多部署在用户终端上, 进行恶意代码分析时占用过多的CPU和内存资源, 严重影响用户的正常操作。如图1所示, 本文提出的恶意代码智能分析系统采用分布式结构, 由用户终端和各服务器组成, 用户终端负责对程序进行恶意代码特征码匹配, 自动捕获程序的可疑行为并根据相应规则进行行为控制;各服务器分别负责待测程序的自动化静态分析、自动化动态分析、自动化特征码提取, 以及恶意代码特征码存储。可见, 系统通过采用分布式的设计结构, 将用户终端“解放”出来, 恶意代码的自动分析工作由各服务器分担, 既提高了用户终端的使用效率, 又降低了用户终端面临的风险, 更重要的是大幅提高了恶意代码的自动化分析效率, 真正实现恶意代码自动分析的高效化。所以, 从整体结构的设计上, 恶意代码智能分析系统从根本上提高了恶意代码的检测效率。
2.1.2 建立恶意代码智能分析环境
搭建恶意代码智能分析环境是实现自动化分析恶意代码的基础。
(1) 网络和硬件环境
包括若干用户终端、服务器、网络通信和联接设备。
(2) 操作系统
由于恶意代码存在于多个操作系统, 所以在恶意代码分析环境中需要安装Windows和Linux等多个版本的系统。
(3) 系统备份和恢复工具
虽然恶意代码智能分析系统使用行为控制技术控制代码的恶意行为, 但仍然不可完全避免恶意代码对系统的破坏, 所以有必要对配置好的分析环境进行备份, 使之能够快速恢复。除了使用各种常规的备份技术外, 还可以采用如VMware等虚拟机软件建立虚拟分析环境。
(4) 现有的恶意代码分析工具
现有的恶意代码分析工具对我们研究新的恶意代码自动化分析方法仍然有参考作用, 是不可缺少的研发工具, 包括:各种反病毒软件;反汇编工具如IDA pro;调试器如SoftICE、OllyDbg、GDB、KDB;漏洞扫描软件如Nessus;端口扫描软件如Nmap;网络监控工具如Fport、TCPView、losf;文件活动监控工具如Filemon;网络通信监控工具Sniffer、Ethereal等;进程监控工具如Process Explorer;注册表监控工具如Regmon等。
(5) 开发环境
需要配置软件开发环境, 如Windows下的Visual Studio, Linux下的GCC等。
2.1.3 恶意代码智能分析系统工作流程
根据恶意代码智能化分析系统的工作流程 (如图2所示) , 将系统划分为特征码匹配分析、行为自动捕获与控制、自动化静态分析、自动化动态分析、自动化特征码提取和特征码数据库维护与更新等六个模块。各模块所研究和采用的技术将在“技术路线”节中详细阐述。
2.1.4 获取已知的恶意代码特征码数据库, 并进行相应的处理和优化
可以从各大信息安全公司或信息安全技术研究机构的网站上获得最新的已经公开的恶意代码的特征描述, 通过整理可获得已公开的最新恶意代码特征码数据库:
ISS X-Force (http://www.iss.net/threats/ThreatList.php) , 包含了最新的恶意代码特征描述的巨大数据库;
Bullguard (http://bullguard.com/forum/) , 对一些最新的采用较高技术的病毒和恶意代码进行了详尽的讨论分析;
Symantec (http://www.symantec.com/search/search.html) , 可以搜索到数千种恶意代码的信息;
McAfee (http://www.mcafee.com/us/threat_center/default.asp) , 提供了最新的恶意代码、漏洞的特征描述, 并进行了详细分析。
2.2 技术指标
本系统的设计和实现要达到以下指标:
(1) 支持对已知恶意代码的自动识别和处理功能;
(2) 支持对恶意代码行为的自动捕获和自动控制功能, 并在用户终端生成行为控制报告;
(3) 支持对未知恶意代码的特征的自动化静态分析、自动化动态分析, 实时监控恶意代码的动态行为;
(4) 支持对未知恶意代码特征码的自动提取功能, 特征码支持本地和网络监测;
(5) 采用分布式的设计结构和谨慎使用严重资源消耗的分析技术, 平衡用户正常行为与恶意代码检测之间的资源消耗;
(6) 支持用户参与功能, 将误报率控制在0.1%以下。
2.3 技术路线
本系统以当前广泛应用的恶意代码分析技术为基础, 重点研究国内外的最新研究成果, 在此之上进行突破, 提出新的研究方法并创新恶意代码的自动化分析技术, 有效运用到恶意代码智能分析系统上。各模块的技术路线如下:
2.3.1 特征码匹配分析模块
程序被传输到用户终端后, 随即进入特征码匹配分析模块, 来判断程序是否含有已知的恶意代码。模块采用成熟的恶意代码特征码匹配技术, 对从待测程序中提取的数据进行匹配分析, 数据包括一个文件的文本字符串、程序执行的指定行为、程序执行的完整序列行为等。
2.3.2 行为自动捕获与控制模块
从用户使用的角度出发, 进入用户终端且通过特征码匹配分析的程序应该根据用户的需求可以随时被运行使用, 但为防止未知恶意行为对用户终端造成危害, 自动捕获与控制模块要对其行为进行监控, 对涉及到用户终端安全的行为进行自动捕获与控制。目前, 狡猾的恶意代码作者大多使用rootkit技术来隐藏恶意代码对文件、进程、系统调用、网络通信、注册表以及内存等重要系统和用户资源的恶意操作。因此, 本系统深入研究目前先进的anti-rootkit技术, 并结合行为检测技术, 来实现对程序行为的自动捕获和控制。anti-rootkit技术, 包括隐藏进程检测、内核驱动检测、系统服务描述符表 (SSDT) 检测、代码HOOK检测、注册表隐藏检测、隐藏文件检测等技术, 自动捕获和控制破坏用户终端的未知恶意行为, 保护用户终端的系统和数据安全[1]。行为检测技术, 也称为人工智能陷阱, 是利用恶意代码的特有行为特征检测病毒的方法。通过对恶意代码长期的观察研究, 发现病毒的一些行为是病毒的共同行为, 而且比较特殊。在正常程序中, 这些行为比较罕见, 如截获系统中断、修改内存总量和内存控制块、对可执行文件做写操作、对引导扇区写操作或执行格式化磁盘等可疑动作、恶意程序与宿主程序切换、搜索API函数地址等。在实时跟踪程序的动态行为的过程中, 若发现这些行为就通知用户采取相应的保护措施。
可以看出, 行为自动捕获与控制模块可以做到主动检测和拦截程序的未知可疑行为, 实际上引入了目前较先进的主动防御技术。
2.3.3 自动化静态分析模块
经过特征码匹配分析且未被判定为含有恶意代码的程序, 可以被用户终端随时运行使用, 同时也要由用户终端送到自动化静态分析服务器分析程序的静态特征。
目前, 启发式扫描技术具有人工智能功能, 通过特定方式实现的动态调试器或反编译器, 确定指令序列蕴藏的真正动机[2]。启发式扫描技术是恶意代码静态分析的热点技术, 能够达到80%以上的恶意代码检出率, 而其误报率则能控制在0.1%之下。自动化静态分析模块对启发式扫描技术进行改进, 首先为可疑的程序代码指令序列设置旗标库, 用大写字母和一些特殊符号组成, 根据代码具备的特点对旗标授以不同的加权值, 如R---重定位功能---0.11、#---发现译码指令---0.21等;然后按照可疑指令的危险程度对旗标进行排序;最后判别所有加权值之和是否大于或等于事先设定好的阈值。工作流程如图3所示。
设计规则如下:
一系列可疑指令所对应的旗标序列用F表示:
F={f1, f2, , fi, } i∈[0, ∞)
重新排序后的旗标序列用F′表示, 如:
F′={f1′, f2′, , fi′, } i∈[0, ∞)
加权值序列用A表示:
A={a1, a2, , ai, } i∈[0, ∞) ai∈ (0, 1]
若a1≥1, 则判断可疑指令序列为恶意代码;阈值表示为l, 可疑指令的加权值之和用s表示,
比如, 对程序Test.exe进行启发式扫描分析后, 发现其可疑指令序列为F={K, V, , D, #}, 重新排序后旗标序列为F′={?, V, D, #, K}, 加权值序列为A={0.73, 0.52, 0.46, 0.21, 0.07}, 最大加权值为0.73, 小于1, 则计算可疑指令的加权之和
分析结果数据将成为自动化提取特征码和特征码匹配分析的依据。
2.3.4 自动化动态分析模块
未被特征码匹配分析模块判定为恶意代码的程序在被送到自动化静态分析模块的同时, 也被送到自动化动态分析服务器。自动化动态分析, 即允许程序在自动化动态分析服务器上运行, 跟踪程序代码的执行流程, 对程序代码的输入输出、调用、数据处理流程等行为进行实时追踪, 监控程序对系统资源和用户数据的操作, 自动捕获程序代码的可疑行为, 并进行实时的自动化分析。
目前, 在自动化动态分析技术中, 研究的热点是仿真技术、虚拟化技术和监控系统事件技术[3]。仿真技术, 将程序的字节代码分解成命令, 每条命令在仿真的虚拟计算机环境中运行, 对其动态行为进行实时跟踪, 使用虚拟环境可以观测到程序的动态行为而不对真实的系统或用户产生威胁。虚拟化技术, 比如沙盒技术, 是仿真技术的逻辑扩展, 允许程序在真实的计算机环境中运行, 但要受到提前制定好的规则的限制。这两种技术的缺点就是需要占用大量的系统资源, 但恶意代码智能分析系统采取分布式结构, 由专门的服务器对程序进行自动化动态分析, 彻底解决了恶意代码检测的资源消耗大和效率低问题。监控系统事件, 也是当前的热点技术, 它通过截获系统调用来收集数据, 自动监控程序对系统的行为并对一系列数据进行分析, 来判断程序是否进行可疑行为。在深入研究以上热点技术并进行相应改进的基础上, 自动化动态分析模块将改进的仿真技术与监控系统事件技术结合使用, 实时跟踪程序的动态行为, 自动捕获程序的行为并进行分析, 流程如图4所示。
与自动化分析静态采取的算法相同, 自动化动态分析模块也要对捕获的可疑行为授予加权值, 计算加权值之和, 并判断是否大于等于阈值, 若大于等于则将判定可疑行为是恶意行为, 将其移交自动化特征码提取服务器进行处理。
2.3.5 自动化特征码提取模块
自动化静态分析模块和自动化动态分析模块通过系统分析, 若判定测试程序中包含恶意代码, 便将各自的分析结果送到自动化特征码提取模块, 这些分析结果的形式包括程序文件的文本字符串、具体的程序代码指令及完整的指令序列等, 与此相对应的是恶意代码的静态指令序列、恶意代码的指定行为和完整行为序列。本模块自动分析这些结果, 提取恶意代码的特征码, 并及时添加到恶意代码特征码数据库中。
2.3.6 特征码维护与更新模块
特征码维护与更新模块负责恶意代码数据库的初始建立、维护、更新以及特征码的优化等工作。首先, 在获取各大安全公司或安全研究机构已公开的恶意代码特征码的基础上, 对目前最新的恶意代码特征码进行初始分析, 建立恶意代码特征码数据库;然后, 针对各种日新月异的特征码变形技术, 模块通过研究特征码变形前后的相关性, 利用归一化思想处理已知特征码的变形, 使特征码数据库既“长个”又“瘦身”[4];另外, 模块还将对特征库的匹配算法进行深入研究, 改进当前广泛应用的WM算法, 设计出一个高效的匹配算法, 提高特征码匹配的效率[5]。本模块的工作就是将自动化特征码提取模块送来的新特征码进行相应处理后添加到数据库中, 并及时更新用户终端的特征码数据库。
假设新特征码c1, c2, 是已知特征码c的变形, 将c1, c2, 进行归一化处理的流程如图5所示。
归一化处理后, 得到c1, c2, 的归一化特征码c′, 将c′添加到特征码数据库即可。
3 结束语
虽然网络恶意代码智能分析系统在恶意代码检测的智能性、实时性、高效性和准确性方面都作出了有益的尝试和改进, 但恶意代码变化多端, 数量激增, 令人防不胜防。面对神秘多变的病毒、木马、蠕虫等恶意程序, 即使在不考虑检测速度和资源消耗的情况下, 任何先进的恶意代码分析技术和反病毒软件都不能达到100%的检出率和零误报率。因此, 设计恶意代码检测系统时, 要根据具体应用环境的特定需求, 采用针对性较强的设计模式和恶意代码分析技术, 来实现对网络和主机用户的“贴身”保护。
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分布式智能开放系统 第5篇
磁力泵由于其彻底解决了流体输送过程中, 机械密封泵不可避免的“跑、冒、滴、漏”等问题而广泛应用于国内外电力、石化、医药等工业领域, 用来输送易燃、易爆、有毒、有腐蚀以及贵重液体等[1]。磁力泵使用的行业大多是高度自动化的连续生产行业, 对这些行业的设备, 需要状态可以监测, 故障可以诊断, 失效可以预测, 而且设备需要联入计算机网络控制系统[2,3]。对于磁力泵工作的场合, 一旦因泵发生故障导致整个装置系统停车, 将造成重大损失。因此在磁力泵上设置智能监测系统, 对其运行状态进行实时监测, 是确保磁力泵系统安全可靠运行的必要条件[3], 也是工厂实现设备现代化管理的需要。自磁力泵在国内推广应用以来, 业界在磁力泵磁路设计, 水力设计和机械设计方面取得了很大进展, 但在磁力泵监控技术方面还处于初级的阶段[2], 目前还没有一套较为理想的现场状态监测系统。现场操作人员仅能对磁力泵一些明显故障做出主观判断, 很难对其运行状态及趋势进行客观准确的判断。因此, 文章针对磁力泵使用集中的场合, 设计一种以单片机和PC机为核心的主从分布式监测系统, 通过单片机与PC机通讯, 实现远距离自动监测[4], 具有重要的现实意义和的实用价值。
通过磁力泵的实际应用和分析对比, 发现对磁力泵的监控主要应从两个方面考虑:一是对轴承运行状态的监测, 轴承为磁力泵内重要易损件, 且位于泵内, 浸泡在输送介质中, 异常状态不易控制和诊断, 因此对轴承的监测是重要的环节之一, 将对轴承故障诊断和预测提供重要参考依据;二是对磁力泵驱动组件的监测, 防止磁力泵发生退磁, 而热退磁是其主要表现形式, 隔离套是泵内热源体的主要件, 因此隔离套温度监测是磁力泵另一重要监测环节。通过以上两个方面的实时监测, 就可以及时发现磁力泵发生的各种故障[1,2,3], 最大限度避免生产事故发生。
1系统组成及工作原理
根据系统规模及提高现场管理水平的要求考虑, 采用以PC机为上位机, 多台单片机为下位机的主从式分布结构。下位机主要实现磁力泵运行温度、工作气隙中磁感应强度数据的采集以及测量信号预处理, 并向上位机传送下位机采集的主要参数和现场运行状态;上位机则主要实现对下位机及现场进行监控, 对来自下位机的数据进行多种形式的分析、存储和管理。上、下位机之间通过RS485异步通信接口进行通信。
温度的监测通过安装在每台磁力泵上的温度传感器 (这里采用标准铠装铂电阻Pt100温度传感器, 其体积小, 易弯曲适合磁力泵空间狭小的特点) , 对磁力泵运转过程中隔离套温度进行采样;轴承的磨损监测通过安装在磁力泵工作气隙中测磁探头[1], 对气隙磁场强度值进行采样 (经上位机按神经网络算法计算可得轴承的磨损值) 。采样信号经放大修正、A/D转换后传入单片机进行现场数据处理 (如测量数据的暂时存储、数字滤波、标度变换等) , 并通过RS485异步通信接口向上位机传送数据。上位机则对各磁力泵运行过程中温度、轴承磨损在显示器及主机画面上进行动态刷新显示, 并将处理后的数据与设定值 (隔离套温升120℃, 轴承单边磨损0.1 mm) 进行比较, 若超过设定值时, 电路自动发出声光报警信号并弹出故障显示画面, 显示打印越限点的名称、地点、温度和轴承磨损值, 以便工作人员进行进一步检查和处理[5,6,7], 同时, 给下位机输出指令。通过下位机输出控制信号, 使执行机构动作, 及时对故障泵停机, 并自动启动备用泵, 确保生产连续进行, 防止设备及生产事故的发生。
2系统硬件设计
上位机采用具有丰富软硬件资源的PC系列机IBM-PC586, 可以实现友好的人机界面, 如中文菜单、彩色图像、图表曲线的动态显示及报表的打印等。
下位机系统均选用单片机8051为实时监测的中央处理机, 即现场控制器。配以两路标准铠装铂电阻Pt100温度传感器, 测磁探头, 多路开关CD4051, 光电耦合式隔离放大器, 8位A/D转换器ADC0809, 自我检测电路, 温度显示电路, 声光报警电路, 以及自动停、启电路等。
由于上下位机的距离较远 (通常在几百米甚至1 000 m) , 上下位机之间的联系主要通过PC机RS232串口和RS485通信接口来完成[3,4,5,6,7,8]。RS485接口采用平衡传送和差分接收, 具有很好的抑制共模干扰的能力。由抗干扰能力强、传输距离比较远的传输线采用带有屏蔽层的双绞线。通信方式为半双工方式, 传输速率为9 600 bit/s。
PC机串口输入输出采用的是RS232电平, 因此, 在上下位机之间增加了通信适配器, 用于实现RS232和RS485之间的信号电平转换。设计中, 将通信接口制成符合PC总线标准的通信卡, 将其插入计算机总线即可。
3系统软件结构
系统软件由上位机软件和下位机软件构成, 上位机软件采用Microsoft Visual C++ 6.0编写;下位机软件采用C51语言编写, 程序在Keil C51 V7.0 单片机设计软件中进行仿真并编译后, 烧写到单片机中。
3.1上位机软件设计
上位机软件设计本着人性化的理念, 方便用户的原则, 采用人机交互方式, 下拉式菜单, 弹出式窗口, 热键操作, 错误屏蔽, 同时采用模块化的设计方法, 最大限度方便用户操作。整个系统划分为:通讯自检模块、实时监测模块、参数设定模块、数据处理模块[7]。
通讯自检模块, 在进行数据采集前, 调用该模块以检测通讯路线的好坏, 以便及时作出处理。若某一路出现故障, 系统会自动提示, 同时将故障发生时间、类型存储, 以便事后追忆。
实时监测模块分别以表格和动态曲线的形式同时显示各磁力泵温度及轴承磨损变化并和设定值比较, 确定是否报警、停机以及启动备用泵, 从而完成对磁力泵运行状态的实时监测。此模块定时从下位机接收各单片机采集的数据, 然后显示、比较、存储。
参数设定模块主要完成系统参数和控制参数设定。系统参数包括一些系统运行所必需的、与硬件系统密切相关的一般操作人员不必涉及的参数设定, 如I/O口地址、通道的分配、定时器的定时参数等。控制参数设定则完成向下位机传送控制参数, 如报警温度, 轴承单边磨损值上限的设定, 采样时间设定以及对故障泵停机, 启动备用泵指令设定等。
数据处理模块主要完成:①数据的整理存储:定时将下位机采集的实时数据整理成规范形式, 并自动向数据库及时存储实时数据, 实现实时数据和历史数据的安全保存。②数据的分析:对特定时间段 (用户设定) 数据进行曲线拟合, 形成运行温度、轴承磨损与时间的变化趋势曲线。用户可以直观清楚地看到各磁力泵隔离套温度及轴承运行状态随时间变化的情况。据此对磁力泵运行状态趋势做出预测判断, 对存在的隐患预做相应处理。③数据的管理:根据磁力泵不同运行状态, 向数据库自动存储相关典型数据, 形成年、月、日、周、小时和报警、启/停机数据库, 以便进行趋势分析、故障预报和故障的精密诊断。④对上述功能块均提供数据查询, 报表生成, 用户可方便快捷的查询历史报警数据, 趋势曲线等。
单片机软件主要有主程序及数据采集、模拟信号的A/D转换、数据通信、实时控制等程序。其详细设计可参考相关文献。
3.2上下位机通信软件设计
3.2.1PC机与多单片机的多机通信原理
多机通信是通过串行口实现的。对下位机而言, 当串行口工作在方式2或方式3时, 若特殊功能寄存器SCON的SM2由软件置为1, 便可实现多机通信。通信的关键就是把第9位数据位作为地址/数据标志位。而上位机的串行通信主要由接口芯片8250完成, 它并不具备多机通信功能, 但可以用软件编程的办法, 使得8250满足8051单片机通信的要求。通过对MSComm控件Setting属性中的奇偶校验P进行设置就可以使芯片8250的奇/偶校验位形成正确的地址/数据标据标志位, 若P置为S, 则奇偶校验为0, 可作数据标志;若P置为M, 则奇偶校验为1, 可作地址标志[8,9]。
3.2.2单片机与PC机通信协议的确定
为保证通信的可靠性, 系统数据传输的流畅性, 需要严格制定一系列通信协议。通信协议分为3个阶段, 即主机与从机的连接挂钩与握手阶段、发送 (接收) 阶段、结束阶段。连接阶段主要完成通信联络任务, 主机发送从机地址信号 (发送前主机的奇偶校验设为M, 发完设为S) , 从机确认与本机地址相符, 则使SM2位置0, 并向主机发回答信号, 否则不予理睬 (SM2仍为1) , 主机与从机进入点对点通信。然后主机向从机发送命令代码, 收到应答信号后, 开始发送或接收数据;接收 (发送) 阶段收/发数据及校验码, 完成数据传输的校验;结束阶段, 由于通信系统出错或误码次数越限, 通信失败, 主机向从机发送结束命令, 下位机接到命令后发送回答信号, 并使SM2位置1, 上位机接到信号后, 奇偶校验位设为M[8,9]。
3.2.3通信软件的设计
利用VC++6.0的通信控件MSComm, 可以实现上位机与下位机的串行通信。通信程序以CForm View作为MSComm控件容器, 采用一个辅助线程发送数据, 使用事件对象实现与数据接收同步。MSComm控件在串口编程时十分方便, 用户只要用Get/Set函数来访问/设置一些控件属性值即可。MSComm通信编程流程如图1, 其中, 串口初始化主要完成通信端口号、通信协议、传输速率等参数的设定, 必要时再加上其他属性设定。图示步骤分别在不同的讯息处理函数中得以实现[9]。
设计单片机的通信软件, 实际上是对单片机串行口的设计, 采用C51语言编程。通过主程序完成串行口和中断初始化后, 等待中断, 这里只给出单片机响应中断的程序流程如图2所示。
4实验检测
系统经反复设计改进后, 利用实验室现有磁力泵进行了多次实验, 实验装置示意图如图3所示。温度检测实验以清水为介质, 同时采用加热水的方法提高温度。预设温度70℃, 加热一段时间温度达到70℃, 系统自动报警、停机, 并启动备用泵, 经多次实验, 平均误差1～2℃, 平均时间延迟2～5 s。
轴承磨损实验在清水中加入泥沙, 加速轴承磨损, 当磨损值达到预设值 (0.01 mm) 时, 系统自动发出报警信号, 实现停机切换。经过多组实验确定系统最大有效工作距离800 m, 当距离超过800 m时, 信号波动剧烈, 响应准确性明显下降。在800 m以内, 系统各方面性能与预测效果基本一致。
1-调节阀;2-储水罐;3-温度计;4-磁力泵;5-单片机系统;6-通信接口;7-停机/启动电路;8-PC机;9-打印机;10-电机
5 结语
利用单片机的高可靠性及个人PC机管理和复杂运行的灵活性构建的二级分布式温度监测系统, 形成磁力泵群温度分散监测、数据集中管理, 能够实现多台磁力泵的温度实时监测, 并在主机界面上显示, 对温度超限产生报警信号, 对故障泵及时停机、切换。各磁力泵单片机系统相互独立, 即使某一台泵监测系统发生故障或连接上、下位机的通信线路发生故障, 都不会影响其他泵状态监测的正常工作。并且可在此基础上, 计算机网络在线监测系统, 最大限度地预防设备故障的发生以及防止故障的进一步发展, 确保磁力泵系统安全可靠的运行。
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分布式智能开放系统 第6篇
关键词：智能分布式,控制系统,结构设计
本文分析了现有的网络控制系统结构,在其基础上设计了基于以太网技术的分布式控制系统。通过其丰富的外设接口支持和以太网的支持,可以为现场仪表、传感器等设备和远程主机之间实现高速可靠的数据通信,实现高效的分布式处理。
计算机控制技术、通信技术被引入到工业控制领域,引发了传统工业控制领域的变革,向网络化信息化方向发展。控制系统的结构从计算机集中控制,到第二代集散控制系统,发展到现在的现场总线。通信技术的进入,和现在管理系统的普及催生了以太网和控制网络的结合。基于以太技术的控制网络符合控制网络的这一发展趋势,是未来控制网络的发展方向[1]。
1 网络控制系统的应用现状及功能分析
基于网络的控制系统已经诞生了30余年。网络控制系统是随着微电子技术和通讯技术的发展而发展的。工业控制网络的诞生起始于集散控制系统的诞生,并且其功能也在逐渐复杂,其工作方式的变化也体现了网络互联的设计思想。随着现场总线FCS在20世纪90年代以后投入使用以来,有专家曾宣称“新的FCS总线会代替传统的DCS,传统的4~20m A模拟信号制将逐步被双向数字通信现场总线信号制所取代”。数字方式取代模拟方式是技术发展的趋势,但我们也应该看到DCS已经经过了30余年的发展,拥有很多成熟的技术,而FCS由于标准不统一,DCS中所存在的“孤岛”现象在FCS中也存在。而工业以太网由于采用开放的IEEE 802.3和TCP/IP协议,在互联方面和软硬件支持方面有着先天的优势。
1.1 集散控制系统DCS
1975年前后,大规模集成电路由4位微处理器发展成8位,在形成单板机产品投入工业应用的同时,自动化仪表行业在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器(DDC)的自控和计算机技术的基础上,结合阴极射线管(CRT)、数据通信技术,开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散系统,后来逐渐统一称为分散型控制系统(DCS)[2]。
典型的DCS现场如图1所示[3]。
集散控制系统DCS采用了危险分散、控制分散、操作管理集中的基本设计思想和多层次、合作自治的结构形式,这样不但具有控制算法先进、精度高、响应速度快等优点,同时提高了控制器处理能力和可靠性,从而满足安全可靠、维护方便、风险相对分散等要求,实现了装置级、车间级的优化控制。
但在DCS系统形成的过程中,由于受早期计算机系统不成熟的影响,DCS系统也存在着很多的问题:
(1)由于各个厂家的标准都是封闭的标准,造成系统开放困难,不同厂家的设备难以实现互联,造成了“孤岛”;
(2)系统被硬性地定义为“系统中每个处理器分配有一个特定的任务”,不利于系统控制任务的灵活实时下载;
(3)尽管相对于计算机直接控制,其功能实现了分散,但由于现场的工作仍然依赖主控机,主控机出现故障仍然会导致控制系统的工作不正常;
(4)现场站和I/O之间的信号为一对一的4~20m A模拟信号,造成线路复杂,且模拟信号容易受到电磁、高温、震动等外界因素的干扰,影响了系统的控制品质。
1.2 现场总线控制系统FCS
随着微处理器的快速发展和广泛的应用,数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能,产生了以微处理器为核心,使用集成电路代替常规电子线路,实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。设备之间彼此通信、控制,在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。由此,导致了现场总线的产生。1984年,现场总线的概念得到正式提出。IEC(International Electrotechnical Commission,国际电工委员会)对现场总线(Fieldbus)的定义为:现场总线是一种应用于生产现场,在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串行、多结点的数字通信技术。典型的FCS现场如图2所示。
现场总线控制系统和DCS系统相比具有明显的优点,曾被视为是21世纪控制系统的主流,但随着网络控制系统的发展,也暴露了以下不足:
(1)多种标准并存
目前现场总线国际标准有12种,各个标准都有其特点,都有其不足,没有一种标准能够覆盖所有的应用面。由于不同的现场总线的通信协议有很大差异,要实现不同总线产品的互连非常困难,这使得FCS的开放性,分散性和可互操作性等特点难以体现,给现场总线技术的推广及现场总线控制系统的应用带来不利影响。
(2)开放性
一般认为DCS和PLC是封闭性的控制系统,而FCS是开放性的系统。在12种国际标准的后面,那些支持它们的公司,其中不乏就是制造DCS或者PLC的大厂商,很难保证FCS的完全的开放性。
(3)可互操作性
现场总线的主要特点之一是可互操作性,但现有的12种现场总线国际标准中,异种现场总线之间是不能进行互操作的,虽说可以通过网关(gateway)通信或通过OPC协议进行互操作,但这种互操作只能在各自的主机间进行,不能在彼此的现场仪表间进行,这种互操作达不到系统的实时性要求。在一种国际标准现场总线的内部,进行互操作应该是没有问题的;实际应用中发现,不同供应商提供同一现场总线标准的设备之间不能完全实现互操作。
(4)现场设备缺少选择余地
一方面标准过多,另一方面却缺少选择余地。近几年来,虽然国内也有不少厂家生产现场总线仪表,但品种,数量都比较少,达不到批量生产,成本居高不下,性能也不十分理想。为了解决以上问题,现场总线技术也在不断地发展完善,但由于受到市场利益的驱动,无法实现真正的开放性和标准化。
2 基于以太网技术的分布式控制系统设计
2.1 工业以太网的优势
与现场总线系统相比,工业以太网具有明显的优点:
(1)应用广泛标准统一
以太网是应用最广泛的计算机网络技术,均采用IEEE 802.3兼容标准,并且几乎所有的编程语言如Visual C++、Java、Visual Basic等都支持以太网的应用开发。
(2)通信速率高
目前,10bit/s、100Mbit/s的快速以太网已得到了广泛应用,1Gbit/s以太网技术也已成熟,而传统的现场总线最高速率只有12Mbit/s。显然,以太网的速率要比传统现场总线要快的多,完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。
(3)成本低廉以太网网卡的价格较之现场总线网卡要便宜得多(约为1/10);另外,以太网已经应用多年,人们对以太网的设计、应用等方面有很多经验,具有相当成熟的技术。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用,降低系统的整体成本,并大大加快系统的开发和推广速度。
(4)资源共享能力强
随着Internet/Intranet的发展,以太网已渗透到各个角落,网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚,在联入互联网的任何一台计算机上经过授权就能浏览工业控制现场的数据,实现“控管一体化”,这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。
(5)可持续发展潜力大
以太网的引入将为控制系统的后续发展提供可能性,用户在技术升级方面无需独自的研究投入,对于这一点,任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。同时,机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能,通信协议有更高的灵活性,这些要求以太网都能很好地满足。
2.2 工业以太网的现状及应用[4,5]
工业以太网与现场总线相比,它能提供一个开放的标准,使企业实现现场控制到管理层实现全面的无缝的信息集成,解决了由于协议上的不同导致的“自动化孤岛”问题,但从目前的发展看,工业以太网在控制领域的应用主要体现在以下几种形式。
(1)混合Ethernet/Fieldbus的网络结构
这种结构实际上就是信息网络和控制网络的一种典型的集成形式。以太网正在逐步向现场设备级深入发展,并尽可能的和其他网络形式走向融合,但以太网和TCP/IP原本不是面向控制领域的,在体系结构、协议规则、物理介质、数据、软件、实验环境等诸多方面并不成熟,而现场总线能完全满足现代企业对底层控制网络的基本要求,实现真正的全分布式系统。因此,在企业信息层采用以太网,而在底层设备级采用现场总线,通过通信控制器实现两者的信息交换。
(2)基于Web的网络监控平台
嵌入式以太网是最近网络应用热点,就是通过Internet使所有连接网络的设备彼此互通,从计算机、PDA、通信设备到仪器仪表、家用电器等。在企业内部,可以利用企业信息网络,进行工厂实时运行数据的发布和显示,管理者通过Web浏览器对现场工况进行实时远程监控、远程设备调试和远程设备故障诊断和处理。实现的最简单办法就是采用独立的以太网控制器,连接具有TCP/IP界面的控制主机以及具有RS-232或RS-4.85接口的现场设备。以太网控制器在这里扮演了通用计算机网络和现场各类设备之间的一个桥梁。
2.3 基于以太网的控制系统结构设计
之所以工业以太网作为本文的选择,是因为经过性能、成本、升级性等多方面比较,工业以太网有着很多独特的优势。
首先,工业以太网兼容IEEE 802.3这一开放的标准,采用TCP/IP协议实现节点之间的通信,可以轻松实现设备的互联并完成控制网络和管理网络之间的通信。
第二,商用以太网已经有了很多用于提升网络可靠性的技术,这些技术都可以应用到工业以太网中,再结合工业以太网自身的可靠性技术,可以使该网络的可靠性完全能够满足工业的使用要求。
第三,以太网具有高传输速率的特性,结合交换技术和VLAN技术可以使数据传输效率大大提高,获得很好的实时性。
第四,软硬件支持完善,现有的以太网的技术可以很方便的应用到工业以太网中,从而缩短开发周期。
第五,传输介质灵活多样,可以采用双绞线、光纤甚至无线传输,使施工变得非常灵活简便。
第六,模拟量的信号可以就地处理,采用纯数字方式进行信息传递,增强了通信的可靠性,提升了控制系统的工作品质。
从图3可以看到,智能节点一方面可以通过其灵活的接口支持,作为某些现有智能仪表的上位,对这些仪表进行数据采集以及控制;另外一方面,智能节点可以利用其自身的I/O通道直接进行现场数据采集并进行控制,完全可以替代原有的现场仪表。智能节点通过以太口与工业以太网络相连,其工作状态和获取的现场参数以通过以太网快速上传到工程师站和操作员站,并通过以太口接收工程师站和操作员站发送过来的指令进行现场设备控制。
与工业以太网相连的还有数据库服务器和信息服务器。智能节点通过其数据库接口可以将现场数据同时上传到数据库中并加以保存和分析。工程师站和操作员站可以通过信息服务器对历史信息进行查询和分析。
工业以太网通过安全网关(一般采用防火墙)连接到企业的管理网络,企业网的授权计算机可以通过安全网关访问信息服务器,从而为控管一体化提供信息共享平台。其中安全网关的安全策略在网络的安全可靠运行中起到了比较重要的作用。
为了保证以太网的可靠运行,交换机采用设备链路冗余并使用快速生成树协议RSTP,保证在某些交换设备出现故障时能迅速恢复网络的连通性。
参考文献
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分布式智能开放系统 第7篇
水是人类赖以生存的基本物质,水资源也是国民经济发展不可缺少的重要资源。然而,目前我国灌溉用水的利用率仅有50%左右,远低于发达国家70%~80%的水平。因此,提高灌溉用水的利用率,对提升水资源的总体利用率有重要意义[1]。 同时,对大多数作物而言,一定时期内保持适宜又相对稳定的土壤含水量对增产增收也有现实意义。传统的人工灌溉控制方式不仅无法精确调节土壤含水量,造成不必要的资源浪费, 也未能实现远程或自动控制,操作不便,智能化程度低。要实现灌溉系统的远程智能控制,保持土壤含水量适宜稳定,提升灌溉水利用率,达到提高作物产量与节约用水的目的,引入计算机、自动化的相关技术势在必行。
现有的灌溉控制系统各节点间通信主要采用有线或无线两种方式。有线通信多采用RS-485协议[2],虽稳定可靠,却需要重新布设专线,成本高且工程量大;无线通信则大多采用ZigBee协议[3,4],虽避免了繁杂的布线工程,却也容易造成通信距离不足、质量不稳定、电池稳定性与寿命不足等问题;且多数系统功能单一,更不具有自动控制功能。基于此,本文设计了一套智能灌溉控制系统。本系统具有主从分布式结构,利用既有的电磁阀供电线缆基于电力线载波通信(Power Line Com- munication,PLC)原理实现田间主机-各从机的组网通信,主机则接入全球移动通信(Global System for Mobile Communica- tions,GSM)网络,实现土壤含水量、温度与灌溉启停的远程监测与控制。系统还采用闭环自动控制理论,实现灌溉的自动控制。
1总体设计
1.1系统功能
本系统实现的主要功能有:1可实时监测、显示各区域土壤含水量与温度参数,远程获取土壤参数和系统运行状态,当参数异常偏高或偏低时将及时通知用户。2具有远程控制方式和自动控制模式,用户可通过手机控制各区域灌溉启停与运行模式。自动模式开启后,相应区域将根据该区土壤含水量与预设的调节范围智能地控制灌溉启停。3设有短信密码,避免系统被非法操控。4现场利用遥控器可取代手机实现等效控制,还可设置短信密码、自动调节范围、异常警戒范围等。
1.2系统总体设计方案
为实现上述功能,本系统需要一个主处理机(以下简称主机)、显示器、GSM终端、红外接收模块、若干从处理机(以下简称从机)、PLC调制解调模块、土壤温度与水分传感器、继电器、 电源等硬件模块。其中,主机作为网关,是数据处理与控制中心;从机分布于各区域,负责各区域的数据采集与灌溉控制;显示器用于显示土壤参数与系统状态;GSM终端用于连接GSM网络,利用短信业务实现远程控制;红外接收模块用于接收红外信号,实现现场遥控器控制;PLC调制解调模块是主、从机与电力线连接的桥梁,用于电力线通信时对信号放大、滤波以及调制与解调;土壤温度与水分传感器用于土壤参数的获取;继电器用于控制电磁阀以控制灌溉启停。此外将采用RS-485接口的各传感器与从机连接,还需要TTL∶RS485协议转换模块。系统总体架构如图1所示。
1.3系统的工作原理与流程
PLC是采用电力线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式[5]。借助这一方式,利用现有的电力线缆即可组建主从分布式的多机通信网络,实现对较大面积农田或温室的分区域监测与控制。GSM则是目前应用最为广泛、 在我国尤其是农村地区覆盖面最为广阔的基础性移动通信系统[6]。借助其短消息业务,不论用户身处何地,仅需拥有一部接入GSM网络的低端功能型手机,无需借助PC机或高端智能型手机等成本与复杂度较高的控制终端,即可实现灌溉远程控制。这也降低了控制的成本与难度,便于系统在农村地区推广。
主机与各从机通过PLC建立通信,从机与各传感器则采用RS-485协议通信。为实现总线结构的多机通信,每个从机、 传感器都有各自的地址信息,主机往各从机、从机往各传感器发送的指令均需携带地址信息,对应的接收对象识别后才会作出响应;各从机、传感器回复的消息亦需携带自身的地址信息, 以便接收对象识别消息来源。主机会每隔一段时间轮流向各从机发出请求,各从机将先后给主机应答各自的运行状态及相应区域的土壤温度、含水量参数。从机也会每隔一段时间轮流向区域内各传感器发出请求,以获取该区域土壤参数。
当用户给系统发送短信时,GSM终端接收短信并通过串口将短信内容发送给主机,主机解析短信内容并执行相应动作。若为灌溉控制指令,主机将通过PLC网络向相应区域的从机发送指令,令其驱动继电器接通或断开电磁阀电源。若为获取土壤温度与水分参数的指令,主机将令GSM终端回复带有各区域土壤参数和运行状态的短信,实现远程监测。此外, 用户在现场亦可采用遥控器实现控制:红外接收模块收到遥控器发来的红外信号后,交由主机解析并执行相应动作。
自动控制模式启动后,闭环控制子系统开始运行,此为整套系统智能化的关键所在,主要包括测量、比较和执行三个环节。此时主机会将获得的相应区域的两组土壤含水量与事先设定的调节范围进行比对。当两组含水量的均值低于或高于调节范围时,主机通过PLC令相应的从机接通或断开电磁阀电源,以保持该区域土壤含水量的适宜、稳定,如图2所示。而当某一区域的土壤温度、含水量超过异常警戒范围时,主机会令GSM终端发送警示短信,提醒用户及时到现场处置。
2硬件设计
2.1主机
主机选用MSP430F149单片机。这是一款由美国德州仪器(TI)推出的16位超低功耗、具有精简指令集的单片机[7],具有功耗低、指令高效、电压范围宽、中断功能强大等特点[8]。其片内拥有2KB RAM,含有基本时钟、12位A/D转换器、2个16位的可输出PWM波的定时器、6个8位并行端口(其中2个具有中断功能)、2个串行通信接口等模块[9],可以满足本系统的需求。
2.2从机
从机选用我国自主研发的STC15F2K60S2单片机。这是一款采用增强型1T8051CPU,内置高精准时钟和高可靠复位电路的高速单片机,具有价格低、功耗低、抗干扰能力强、工作电压宽等特点。其片内拥有2KB SRAM,含有基本时钟、10位A/D转换器、3个可输出PWM波的定时器、5个8位并行端口、2个串行通信接口等模块,选作从机是合适的。
2.3 GSM终端
GSM终端选用SIMCom公司生产的SIM900A型GSM/ GPRS无线数据终端。SIM900A为该公司的紧凑型产品,外观精巧,采用工业标准接口,满足GSM 2/2+标准,有GSM 850/ 900/1800/1900 MHz四个工作频率,可以实现语音、短消息、数据的传输,具有性能稳定、功耗低等优点[10]。SIM900A带有1个的串行口,可连接主机P3.4~P3.5。
2.4显示模块
显示模块采用LCD12864型液晶显示模块。该模块已内置8192个中文字型(16×16点阵)和126个西文字型(16×8点阵)字库,便于显示汉字与字符。模块提供的8位并行数据端口连接主机P2.0~P2.7,RS、WR、EN、CS这四个控制引脚连接主机P6.3~P6.6。
2.5 PLC调制解调模块
PLC采用的技术主要有单载波窄带调制(以FSK为主)和正交频分复用(OFDM)两种。FSK是较为传统的调制方式,虽成本低廉,但受电力线负载影响大,传播速率低,抗干扰能力较差,考虑电网中的电磁阀可能产生干扰谐波,采用该调制方式或影响整个系统通信的稳定性。与FSK相比,OFDM技术具有抗杂波干扰能力强、抗衰减能力强、频带利用率高、通信距离远、传输速率高等优势,更适用于本系统。目前市面上已有数款基于OFDM技术的PLC调制解调模块,如SKWPLC035R。 该模块采用多频点技术,能有效克服单载波调制方式下频点受干扰导致通信中断的问题,具有57600bps的串口通信速率,能满足系统需求。模块有TTL电平的串口通信接口RX、TX,可直接连接主机P3.6~P3.7和从机P3.0~P3.1。
2.6土壤温度与含水量传感器
传感器选用SMTS-Ⅱ-485型土壤水分与温度传感器。 该传感器采用不锈钢探针,精度高,响应速度快,可直接插入土壤同时测量温度与含水量,测试方便。其输出的含水量参数为土壤容积含水率,量程0~100%,精度0.1%。其采用RS-485接口和Modbus通信协议实现数据传输,可方便地组建主从式多传感器通信网络,通过TTL-RS485转换模块MAX485即可与从机的串行口P1.0~P1.1连接。为使采集的数据更具参考意义,每个区域布设2个传感器。
2.7整体硬件连接
本系统整体硬件连接示意图如图3所示。为避免系统受外界红外信号的干扰,特增设一个按键K1与主机P1.0相连, 当K1被按下时,P1.0产生中断,系统方进入“等待、比对遥控器信号并执行相应动作”的任务。MAX485的/RE、DE管脚连接从机P0.2,用于读、写(收、发)状态的切换。
3软件设计
由于本系统含主、从两类处理器,故需分别编写各处理器运行的程序,以协作实现系统功能。
3.1主机程序设计
主机的程序流程如图4所示。主机启动后首先进行初始化,接着进入基本设置环节,用户须持遥控器按照屏幕提示进行设置。设置完毕进入等待GSM终端网络注册的循环,此时主机不断给GSM终端发送查询网络注册是否成功的AT指令,直到收到其应答信息后跳出。之后继续给GSM终端发送AT指令进行短信模式设置等,完成后进入主循环。
主循环内,主机首先每隔一定时间依次向各从机请求土壤参数与运行状态信息,各从机收到请求指令后在间隔时间内要求的时刻便会发回应答消息。主机每次收到应答消息均会产生串口1中断,中断函数Uart1_RX()将判断消息来源、比对应答内容,若为土壤参数与运行状态应答消息,便立刻提取有效信息并保存,然后结束中断。接着令LCD显示各区域土壤参数与运行状态信息,然后运行报警监视函数。该函数将各区域土壤参数与预设的异常警戒范围进行比对,如超出则令LCD显示报警信息并给用户发送警示短信。若没有中断产生,主机即在此间循环。此时如用户给主机发送短信并被GSM终端接收,则主机串口0产生中断,中断函数Uart0_RX()将标志量1置位,主机回到主循环后便运行短信内容比对与操作执行函数Check_Message()。如从机发来执行完毕的确认信号,Uart1_ RX()判断、比对后将以给相应编号确认标志置位的方式保存该确认信号,同时给标志量2置位,主机回到主循环后便运行查询确认信号函数Query_Confirmsignal()。如K1按键被按下,则主机产生I/O中断,中断函数Port_ISR()将标志量3置位,主机将运行遥控器键值比对与动作执行函数Check_Re- motekey()。如代表运行模式的自动标志被上述操作置位,则主机进入闭环自动控制模式,直到有其他事件发生时退出。
Check_Message()是关键函数之一,其主要流程是:先比对GSM终端的应答消息是否为短信(是否包含“+CMT”)及短信密码是否正确,并记录来信号码。如密码正确则进一步比对短信内容。其中,收到某一区域灌溉启动或停止指令时,由串口1通过PLC网络给相应区域的从机发送相关指令,令其控制继电器闭合或断开来控制电磁阀电源,并延时一段时间。从机收到指令后便于延时时间内要求的时刻回复执行完毕的确认信号。收到某一区域自动模式的开、关指令时,则给相应编号自动标志置、复位,并令GSM终端给用户回复确认短信。收到获取各区域土壤参数与运行状态指令时,令GSM终端回复各区域土壤参数和运行状态信息。Query_Confirmsignal()也是主机运行的一个关键函数,其先查阅各编号的确认标志,在非自动模式下再根据标志号令GSM终端回复相应确认短信。Au- tocontrol()是闭环自动控制模式下的主要函数,根据自动标志号针对相应区域进行比较和执行,主要流程是:先查阅各编号的自动标志,再将当前相应区域两组土壤含水量的均值与先设的调节范围进行比对,最后根据比对结果给该区域的从机发送相关指令,令其驱动继电器动作实现灌溉自动控制。
3.2从机程序设计
各从机的程序流程如图5所示。无串口中断时各从机将循环轮询相应区域内各传感器,向其请求土壤温度、含水量参数。传感器响应后便立即作出应答,此时从机串口2产生中断,中断函数将比对判断消息来源、提取并保存参数信息、更新运行状态。如若主机发来消息,各从机串口1均将产生中断, 中断函数将判断该消息的接收对象,为本机时才会进一步作出响应:收到的是请求土壤参数与运行状态信息的指令,则于要求的时刻后给主机回复该区域土壤参数与运行状态应答消息; 收到灌溉启停指令,则令控制该区域电磁阀的继电器闭合或断开,同时更新运行状态信息,并于要求的时刻给主机回复执行完毕的确认信号。
3.3短信指令
本系统定义的短信指令及其含义见表1。用户在指令前加上短信密码发送至指定号码方可实现远程监测与控制,同一条短信亦可以包含多条指令。
4结语
本文采用电力线载波通信、闭环自动控制等理论与技术, 设计了一套智能灌溉控制系统。系统具有主从分布式结构,能通过手机远程监测土壤温度与含水量、获取报警信息以及控制灌溉启停,能实现自动灌溉控制。系统采用电力线载波技术利用现成的电力线网实现田间通信网络的布设,克服了传统有线通信需重新布线和无线通信稳定性不足的缺点。测试结果表明,系统实现了预期功能(如图6)。本文先介绍了系统的工作原理、设计方案等,后详述了系统的软硬件设计。本系统的应用将有效地降低田间管理的难度,提升灌溉水的利用率,促进作物的增产增收,提高农业与农村的信息化、智能化水平。系统主从分布式的结构设计大大方便了从机的拓展,若接入更多的传感器还可进一步丰富系统功能,应用前景广阔。
摘要：采用电力线载波通信、闭环控制等理论与技术,基于MSP430、STC15和GSM设计了一套智能灌溉控制系统。系统依托既有的电力线缆搭建通信网络,具有主从分布式结构,能通过手机远程监测土壤含水量、温度并控制灌溉启停,含有闭环自动控制子系统,能实现自动灌溉控制。对系统的功能、原理和设计方案进行了介绍并详细说明了系统的软、硬件设计。测试结果表明,系统实现了预期的功能。本系统稍加拓展还可获得更广泛的应用,具有一定的研究价值和实用价值。
关键词：电力线通信,主从分布式,远程监测,闭环控制,GSM
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分布式智能开放系统 第8篇
随着计算机技术、网络技术和自动控制技术的迅猛发展,家庭智能化和信息化应运而生,它为人们提供集信息安全、生活舒适、通讯快捷为一体的居住空间,使家居智能化、信息化、数字化及网络化成为现实。随着3G、4G时代的到来,移动数据传输能力得到提高,使得人们通过移动终端实时、快速监测家居环境成为可能[1,2]。
移动终端远程控制作为一个崭新课题与常规的遥控方式相比,显示出一定的优越性。短消息、彩信通过GSM(Global System for Mobile Communication)或GPRS(General Packet Radio Service)服务中心提供文本信息、多媒体信息的收发服务,其中服务中心完成存储和转发功能。利用服务中心进行无线通信具有双向数据传输功能,性能稳定,为远程数据传输和监控设备的通信提供一个强大的支持平台[3,4]。
1 智能家居监控系统设计要求
图1为智能家居系统架构示意图。当移动终端想获取家居控制系统实时数据,通过GSM网络发送文本短消息SMS到控制器。控制器根据文本内容,控制器选择不同IP地址和网络端口,通过局域网将控制数据包发送到各监控设备。监控设备根据控制数据包进行监控动作,并将数据进行打包,回送给控制器。控制器获得数据后解包并将相应的数据通过GPRS网络发送到移动终端。
当各监控设备检测到异常情况时,通过局域网络将监测到异常数据,如家中有人闯入、电器设备异常等,发送到控制器。控制器通过GPRS将异常发送到移动终端。
2 系统总体结构设计
整体硬件架构如图所示,控制器采用嵌入式S3C2440模块通过串口与TC35模块实现数据传输。TC35模块通过GPRS/GSM网络将监控数据传输到移动终端。各监控设备通过S3C2440模块的网络端口与控制器S3C2440模块网络端口组建局域网络,实现数据的传输与交互,如图2所示。
2.1 无线通信TC35模块
TC35是西门子推出的一款无线通信模块,设计紧凑。TC35与GSM 2/2+兼容,双频(GSM900/GSM1800)工作,带有RS232数据口。符合ETSI标准GSM0707和GSM0705,且易于升级为GPRS模块。该模块集射频电路和基带于一体,向用户提供标准的AT命令接口,为数据、语音和短消息提供快速、可靠、安全的传输,方便用户的应用开发及设计。在系统中S3C2440通过RS232与其相连。
2.2 控制器及监控设备核心S3C2440芯片
嵌入式处理芯片S3C2440芯片是三星公司以ARM为架构所推出的ARM920T的微处理器核心。具备16KB的指令缓存和16KB数据缓存。内存管理单元协处理器进行内存存储管理,外部存储控制器进行SDRAM控制和片选控制。提供1通道LCD控制器并支持DMA数据传输。3通道通用异步接受发送器UART。8通道10位模数转换和触摸屏接口,130个通用I/O口和24通道外部中断源。系统电源管理模块具备普通,慢速,空闲和掉电模式,使系统运行更省电。
3 系统软件设计
控制器及监控设备软件是基于LINUX操作系统上开发,LINUX操作系统是一款源代码开放的自由软件。LINUX具有良好的软件开发工具、可移植性并支持多线程和多进程编程[5]。针对系统特点,软件采用多线程编程方式,多线程具备并发执行、共享主进程资源等特性。
3.1 系统流程图
系统上电后,初始化串口、TC35无线通讯模块。通过函数pthread_create创建TC35监控及局域网络监控子线程。利用条件变量pthread_cond_init实现子线程的调度。主控制器通过循环监测各子线程的条件变量,当TC35模块收到信息,系统解析信息内容,并判断终端想获取的监控模块数据。主控制器停止TC35监控线程、网络监控线程的运行。通过局域网向监控模块发出数据请求。监控模块通过局域网将监控数据回传给系统,主控制器将数据通过串口将数据经TC35无线通讯模块发送到移动终端。重新启动TC35监控线程、网络监控线程。
当监控模块检测到异常,向上请求数据传输。网络监控子线程接受到异常信号后,主控制器暂停TC35监控线程、网络监控线程,并获得异常监控设备的IP地址及终端号。主进程通过IP地址及端口号,与监控设备建立网络联结,进行监控数据传输。主控制器将获得的数据通过TC35模块发送到移动终端,如图3所示。
3.2 网络数据传输
系统依靠局域网络,通过TCP/IP编程实现监控模块与主控制器实现数据传输。通过函数socket创建面向TCP/IP协议、流套接字,bind函数套接字绑定在一个固定的端口上,listen函数将套接字转换为被动倾听套接字,accept函数从建立连接的队列中接受一个连接,read/write函数用于数据接收和发送,如图4所示。
4 结束语
本文叙述一种新型的智能家居系统架构。通过主控制器控制无线通讯模块,和移动终端实现数据交互。主控制器通过局域网络与监控设备数据交互,从而实现了移动终端与监控设备双向互动,即监控设备监测到异常,主控制器主动发送监控数据到移动终端;和移动终端想获得监控数据,发送文本短消息到主控制器,主控制器启动监控设备,并将监控数据回送移动终端。
摘要：本文阐述了一种新型智能家居系统,通过无线通讯模块实现移动终端与家居控制器通讯。家居控制器通过局域网络与监控设备实现数据网络传输,从而将实时监控数据传送到移动终端。
关键词：物联网,网络传输,智能家居,无线通讯
参考文献
[1]董翠英.基于ARM与GSM的智能家居控制器设计[J].唐山学院学报.2010,23(3):37-39.
[2]马鸿雁.我国智能化住宅小区发展综述[J].北京建筑工程学院学报,2003,19(1):88-93.
[3]王艺.基于GPRS的嵌入式智能家居终端的设计与实现[J].微计算机信息,2007(26):23-25.
[4]黄尔烈,等.GSM技术的智能家居控制[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2008(27):239-241.
分布式智能开放系统
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