2.1 监控与数据采集系统的典型应用

说到监控与数据采集系统，我们可能会首先想到它在生产过程或者工业设备监控管理上的应用。但实际上，监控与数据采集系统几乎无处不在，我们在日常生活中也常常看到它的身影。接下来将介绍5个比较典型的实例，其中前三个例子在生活中应用广泛，分别是互联网共享单车租借系统、汽车定位追踪系统和汽车服务应用系统；后两个则常见于工业领域，分别是工业监控与数据采集系统、电力监控自动化系统。

2.1.1 互联网共享单车租借系统

在很多城市的大街小巷，我们常常可以看到颜色鲜艳、造型独特的自行车（如图2-1所示），不仅给城市增添了一抹亮丽的色彩，而且由于可以随时取用，给人们出行带来巨大的便利。在短途出行的情况下，用户使用手机APP可以查看周边自行车的位置信息，通过扫描二维码便能将车锁打开，然后在骑行结束后停到室外合适的位置，通过锁车和APP支付实现还车。这就是当下热门的互联网共享单车，相比传统城市共享自行车定点停放，它不仅实现了不定点停放，而且通过手机APP查看单车信息和借还车，使单车渗透到城市的每一个角落，真正解决了传统租借自行车使用程序复杂、难找、定点借还的问题。那么，互联网共享单车是如何解决这些问题的呢？互联网共享单车能够摈弃固定车桩的秘诀就在于单车本身集成了“车桩”的功能——控制车锁、用户交互和定位。

单车在车身内集成了GPS定位和移动通信（内置SIM卡）功能的嵌入式控制终端，这样单车便成为一个联网控制终端，可以将自行车的位置信息发送到监控服务中心，然后用户通过手机APP就能查看周边的车辆位置信息并通过手机和自行车终端实现交互，如图2-2所示。如果用户需要借车，只需扫描单车上的二维码并点击租车按钮，便能向自行车发送开锁指令，待开锁后开始计时计费；当用车结束，用户点击结束按钮并锁车，向自行车发送结束指令，结束用车和实现扣费。由于自行车能不断向服务中心发送位置信息，极大地方便了服务中心的监控和管理，可以实现任意位置的停放，从而不用为自行车设置固定桩。

互联网共享单车租借系统是一个典型的监控与数据采集系统。该系统包括一个数据获取和控制终端，终端获取位置信息后发送到服务中心，服务中心通过这些位置信息，实现对单车的监控和管理。同时用户通过手机APP实现单车位置信息查看和借还车交互。系统主要包括三部分：单车终端、移动通信网络和监控端（含服务中心和用户），如图2-3所示。这是一个监控与数据采集系统最基本的结构。

监控与数据采集系统在自行车租赁上的应用为自行车租赁的模式提供了一个新的思路，由单车移动终端、通信网络和监控端组成的系统使得用户交互方式和信息查看变得极为便利。除了自行车，监控与数据采集系统在汽车上也有广泛的应用，下面要介绍的汽车定位追踪系统就是其中之一。

2.1.2 汽车定位追踪系统

车主为了防止汽车被盗，往往希望随时能获取汽车实时位置信息，并且在汽车有入侵迹象之时收到报警通知。要达到这个目的，车主只需在汽车上安装定位追踪器即可。汽车定位追踪器是安装在汽车上的定位终端，在安装并启动之后，车主可以通过手机APP或者网页实时查看车辆的位置信息，使其在自己的监视范围之内。

目前市面上的汽车定位追踪器种类繁多，功能也不尽相同。从安装方式讲，主要分为三种：第一种是从车内引出电源线安装，如图2-4a所示。这种方式安装难度比较高，隐蔽性强，但是在汽车熄火的时候不能起到定位的作用。第二种通过汽车ODB接口插入安装，如图2-4b所示。这种方式安装难度低，但是隐蔽性比较差。第三种通过磁力吸附在汽车上，如图2-4c所示。这种方式安装难度低，隐蔽性比较好，而且由于自带电源，定位追踪器可以在任何情况下定位。虽然三种定位追踪器的供电和安装方式不尽相同，但是内部组成和功能相近，下面以第三种定位追踪器为例，说明它的功能和工作原理。

首先我们来看看汽车定位追踪器的硬件组成，如图2-5所示。可以看出，GPS定位器是一个小型的、具有特定功能的嵌入式设备，包括微处理器、存储器和外部设备。主要包括四大部分：①主芯片微处理器。用来运行程序，通过调度算法及中断控制各类外设运行，是整个GPS定位器的核心。②GPS模块。通过接收GPS卫星信号，独立计算定位器的位置坐标，并通过总线传输给主控板。③射频模块。主要的通信载体，通过现有的3G或4G网络进行数据、短信和语音通信。同时还兼具辅助定位功能，利用无线电信号的特征，通过信号匹配和多参数计算来实现。④辅助功能模块。震动报警模块——主要应用在防盗场合，利用三轴加速度传感器测量物品是否发生震动，如果发生意料之外的震动，用户端软件会产生报警。远程传声模块——一般的主控芯片都具有音频处理接口，因此可以通过外接传声模块来实现呼救或监听被盗物品周围声音的功能。远程控制模块——当发现物品尤其是车辆已经丢失，可以通过发送短信的方式远程控制继电器发生关断，让被盗车辆无法移动。电量检测模块——GPS定位模块一般采用独立锂电池供电，如果锂电池电量消耗殆尽就无法实现定位功能，通过集成电量检测模块，用户可以在监控界面上实时看到GPS定位模块的当前电量。包络天线——用于增强定位器信号接收能力，在定位器上一般设计成内嵌式。图2-6所示是某品牌汽车定位追踪器的电路布局示意。

磁吸式汽车定位追踪器一般安装在汽车的金属表面，比如车底或车座下面。追踪器包含GSM和GPS模块，并内置SIM卡，可以发送位置数据和短信。汽车定位追踪器在启动的情况下，会通过3G/4G网络不断把位置信息发送到服务平台，服务平台接收数据并存储。用户只需要打开手机APP或者浏览器便可获取这些实时数据以查看车辆的位置信息。汽车定位追踪器能感应到它是否吸附在金属上，一旦和金属脱离，便会向用户的手机发送警告短信，以防小偷将追踪器拆卸之后偷车。可以看出，服务平台时刻在获取车辆的位置数据，并在用户需要查看车辆位置信息时立即响应。如图2-7所示，整个系统主要包括三大部分：定位终端、监控端（服务中心和用户）和移动通信网络。定位终端实现位置信息的获取，服务平台实现位置数据的存储和应用，通信网络实现终端、服务平台和用户之间的数据传输和通信。

上面介绍的汽车定位追踪器是一个最简单的监控与数据采集系统，通过汽车位置数据的实时采集实现追踪和简单报警。接下来我们将进一步介绍应用于汽车上的更复杂的例子——汽车服务应用系统，相比于汽车定位追踪器，汽车服务应用系统采集的数据丰富得多，因此，其实现的功能也更加多样。

2.1.3 汽车服务应用系统

很多司机在汽车驾驶中都碰到过突发故障的情况，不仅耽误行程，严重的情况下还会危及人身安全。这就需要汽车具有某种给司机提供故障预测信息的功能。除了车辆发生故障情况之外，司机还希望获得更多关于汽车运行状态的信息和服务，比如汽车的油耗信息、车况信息以及远程控制服务和紧急援助服务等，这些都成为汽车使用体验很重要的一部分。

为了保障汽车驾驶安全和提供优质的服务，各大汽车厂商纷纷推出汽车服务应用系统，如通用汽车公司的Onstar安全信息系统、宝马汽车公司的iDrive智能驾驶控制系统、福特汽车公司的SYNC车载连接系统和上汽公司的inkaNet网络行车系统等。它们给用户提供汽车的各类信息（如车况信息、油耗分析等）和丰富的服务（如实时导航、紧急援助、资讯服务等）。下面将解读汽车服务应用系统是如何实现这些功能的。

汽车服务应用系统在应用的车型中安装车载终端，如图2-8中的左右两图分别是别克君越和凯迪拉克XTS上的通用Onstar车载安全、保障和通信服务系统终端。终端面板上有三个服务功能按钮：蓝牙电话、接通资讯服务和紧急救援服务。同时，汽车服务应用系统还提供手机APP应用，通过车载终端和手机APP，用户可以享受碰撞自动求助、紧急救援协助、气囊打开报警、车辆检测报告、实时安全检测、被盗车辆定位和远程车门应急开启等14项服务，如图2-9所示。

现在以紧急救援服务为例来分析一下系统是如何工作的。在汽车突发故障时，车主首先按下车载终端中的紧急救援按键。由于车载终端内置GPS和通信模块，在按下按键后，终端便将汽车的位置信息和求援信息通过移动网络发送到服务应用中心，服务应用中心把信息和请求分配到离事发地点最近的服务站点，收到请求的站点立即派出救援团队对事故车辆实施救援。在汽车发生意外碰撞的情况下，汽车还会自动发出求援信号，以保证司机在第一时间得到救援，系统的整个工作过程如图2-10所示。

从图2-10可以看出，汽车服务应用中心时刻在获取车辆的运行状况数据，并在客户发出需求时进行迅速响应。步骤1实现位置信息获取，步骤2和3实现数据的发送和传输，步骤4实现数据接收和处理。因此，整个过程可以分为信息获取、信息传输和信息处理三部分。

和紧急援助类似，当用户想要查看实时车辆健康情况、油耗分析信息的时候，只需要按下手机APP上的对应功能按钮就可以接收到数据中心发来的数据，并能在手机上看到分析结果和建议，用户可以根据这些结果和建议来决定是否对汽车进行检修。汽车服务应用系统和前面介绍的两个例子类似，同样包括车载终端、监控端（服务中心和用户）和通信网络三部分。

从以上三个例子可以看出，虽然系统的功能不尽相同，但它们有着类似的结构：首先系统包含获取监测对象必要信息的数据采集单元，通常采集终端在常规数据获取之外根据系统需要还有其他方面的功能（如控制、交互等）。通过数据的短程或远程传输，监控端接收数据后，通过对数据进行直接或加工后的利用，实现一系列功能和服务。最后，在数据采集端和监控端之间通过网络通信实现数据的传输。接下来将介绍监控与数据采集系统在工业上的应用，它们和前面介绍的例子也有相似的结构。

2.1.4 工业监控与数据采集系统

在港口、油田、核电站等很多工业环境中，由于设备复杂、分布范围广及作业环境恶劣等原因而难于进行人工管理。比如我国“西气东输”项目，全长8704km的管道横贯10多个省份，除了主干管道之外，还有数不清的支干。这些复杂的管道网络倘若不能妥善管理，不仅容易造成巨大的经济损失，还将危及沿途居民的人身安全。对于运营商而言，他们希望能实时查看任何管道的状态信息，并且在发生异常时及时报警并远程发送停止或启动的指令，以保证整个系统高效、安全地运行。为了实现这一目的，很多工业控制企业纷纷提出解决方案。

在诸多解决方案中，工业监控与数据采集系统（SCADA）因其灵活的结构、丰富的应用脱颖而出，受到用户的青睐。很多工业电气巨头都推出自己的SCADA产品，如西门子针对广域/分布式提出的PVSS控制系统、施耐德的遥测和遥控SCADA解决方案、通用电气的IFIX平台，其中施耐德的SCADA解决方案比较有代表性。

监控与数据采集系统包含三部分内容：数据采集和监控部分，以及连接两者的通信网络。在施耐德的解决方案中，系统的结构层次如图2-11所示，包含四个层次：第一层是数据采集层，实现监控对象的数据采集；第二层是传输层，实现数据的传输；第三层是监控层，主要实现对象的监测和控制；第四层是拓展层，主要实现监控与数据采集系统和其他企业管理系统的对接和融合。

遥测与遥控SCADA解决方案主要应用在分布范围广的工业场景。第一层数据采集层包括适用于特定对象（场景）的传感器、测量仪表和负责“收集”与发送数据的终端，比如PLC或者远程终端单元（Remote Terminal Unit, RTU）。如图2-12所示是一个典型的无线传感网，传感器通过蓝牙或Zigbee和通信单元连接，通信单元再将数据转发到数据采集单元（如RTU），再由RTU将数据发送到监控端。如图2-13是典型的数据采集单元，它支持以太网、RS-232和RS-485等多种通信方式，因此可以实现多类型数据的采集。同时它通过网络模块拓展可以方便地实现外网连接。

第二层传输层实现监测对象数据的远程传输。在传输距离比较大的情况下，用得比较多的有3G/4G移动通信、电台、以太网和WiFi等。RTU内置相应的通信模块，接入网络后便可把数据传输到监控端。

解决方案中的第三层是监控层。监控层是基于采集数据的丰富应用，包括状态监测、故障诊断、维护规划和统计报表等，针对不同的工业场合，应用也不尽相同。如图2-14所示是SCADA解决方案应用于城市电力管理的案例。城市供电复杂的网络和不均衡的负载给电力管理带来不小的难题，通过图示的软件可以很好地对一个城市的供电网络进行全局和局部的监控。软件界面的左边三个小框从上到下依次是：状态颜色标示栏，表示中间地图中不同颜色的点代表的不同状态；导航栏，通过树形结构可以找到所有的监控点；查询栏，通过一定的条件可以筛选出想要找的目标监控点。中间的两个大框是主监控框。左边是以地图的形式显示所有监控点的状态，不同的状态用不同的颜色来区分。右边的框是以逻辑图的方式显示监控点的连接方式和它们的状态。右侧的两个小框是管理框，可以查看和管理选中的监控点。这个应用软件不仅能实现全局电力供应状态的查看和管理，还能通过查询和选择功能查看局部的供电状况。

在监控层之上还可以提供拓展接口，方便其他企业信息管理系统的接入。这些企业信息管理系统包括制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）、企业资源计划系统（Enterprise Resource Planning，ERP）和地理信息系统（Geographic Information System, GIS）等。其他系统接入后，可以实现跨平台资源（特别是数据）共享。

从上面的介绍中可以看出，SCADA同样包含三个部分：数据采集端、网络通信和监控端。数据采集端实现监测对象的状态数据采集，包括丰富的传感器和采集设备；网络通信则实现数据的短程或远程通信，包括一些通信模块和设备；监控端实现基于数据的丰富应用，主要包括服务器和监控PC。以上介绍的是一套完整的数据采集、监控管理的解决方案，接下来介绍SCADA在配电网络上的应用。

2.1.5 电力监控自动化系统

相比普通家庭的供电，工业应用、基础设施和大型建筑等环境中的配电网络极为复杂，它们不仅用电量巨大，而且在不间断供电的前提下对用电质量要求也极高。为了保证高质量供电以及能源的高效利用，需要对电力进行监控、对能源进行管控。针对复杂的配电网络，很多工业巨头推出了电力监控自动化系统，比如西门子的SicAM、ABB集团的Micro SCADA和施耐德的PowerLogic SCADA等。虽然它们采用了不同企业开发的硬件和软件，但是在结构和功能上却极为相似。下面以施耐德的PowerLogic SCADA为例，介绍电力监控自动化系统的结构、功能、硬件和软件。

电力监控自动化系统结构如图2-15所示，图片下方的第三方设备安装在配电网络上，对配电网络用电情况和关键状态进行监控，通过通信设备、光纤网络将数据传输到图片上方的工程师站。工程师站通过软件应用对数据进行分析和可视化显示，实现对配电网络的实时电力监控和能源管控。可以看出，电力监控自动化系统分为三部分：配电网络采集端（第三方设备、通信设备、控制设备等）、通信网络（光纤以太网）和监控端（工程师站）。其中，采集端通过第三方测量设备、通信设备和控制设备等实现配电网络的关键状态量的采集、发送以及配电网络的控制；通信网络实现采集数据的即时传输，保证数据传输的速率、稳定性和安全性；监控端实现配电网络的实时监测和管控，并以丰富的数据应用实现配电网络的诊断和维护功能。

电力监控自动化系统数据采集端主要通过电力测量仪表（见图2-16）测量电流、电压和功率等电能参数以及谐波畸变率和三相不平衡度等电质量参数。而后将获取的信号经过降噪、滤波和A-D转换等预处理或时域、频域和小波域等分析后，将得到的状态参数以数字量的形式输出，并经过以太网网关将数据传输至光纤以太网，最后到达监控端的网络设备和服务器。

通信网络主要由光纤链路及光电转换器等配套电路组成。除这些硬件之外，还要选择和定制相应的通信协议以保证数据传输的快速性、完整性、安全性和容错性。比如，在网络出现断开的情况下如何恢复连接，恢复连接之后如何补上断开期间缺失的数据，如何保证传输的数据不被第三方获取等。

在获取关键数据的基础上，用户（监控端）可以通过既有或定制的应用实现配电网络的可视化监控。这些应用具备很大的自由度，用户可以通过配置定制界面显示的内容和风格等。

电力监控自动化系统是工业SCADA在配电网络中的应用，因此它的结构和后者是一致的，只不过针对配电网络这一特定场景选择合适的测量仪器、通信设备以及定制对应的监测管控应用。除了上面提到的数据采集端、网络通信和监控端外，电力监控自动化系统同样可以提供拓展接口和其他企业信息管理系统相融合，实现跨平台数据共享。

通过对监控与数据采集系统在生活和工业中的5个案例分析，可以看出，虽然各系统实现的功能、组成和交互方式有很大的不同，但是其结构却极为相似。接下来，将对监控与数据采集系统的概念进行介绍，并在此基础上分析其一般结构和组成。