近海浅水试验场云平台数据监控系统的开发

2019-07-25许丽梅刘敬彪余小非江晓翁晓伟

物联网技术 2019年1期

许丽梅刘敬彪余小非江晓翁晓伟

摘要：针对传统近海数据监控系统无法跨平台，维护升级麻烦，人力物力成本高等问题，文中设计了基于云平台的数据监控系统。该系统具有水下数据采集、跨平台数据实时监测、集中管理等功能。通过实验证明，该系统具有跨平台性、实时性、共享性、可靠性和稳定性等优点，满足了科研工作的要求。

关键词：云平台;数据监控;近海浅水试验;C/S架构

中图分类号：TP271.5;TN409文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）01-00-05

0 引言

在海洋科考和开发中，传统的近海浅水数据监控系统一般采用C/S架构实现。采用C/S架构必须在服务器端和客户端安装特定的软件，且不能跨平台[1]。在实际应用中，必须开发不同的软件以满足客户对不同平台的操作需求，不仅耗费人力物力，维护以及升级也给双方带来了极大不便，加之产品升级速度快，传统的C/S架构已无法满足当今需求。传统的近海浅水数据监控系统局限于局域网中，只有在现场的工作人员才能实时监测数据和控制水下设备[2-3]，导致近海浅水数据监控系统无法大规模发布和集中管理。

基于C/S架构的近海浅水数据监控系统存在规模小、操作复杂、维护繁琐、跨平台难度大等问题[4-5]，已经无法满足当今海洋信息化、智能化的要求。

基于云平台的数据监控系统通过计算机网络对工作现场进行自动化管理和监测。将工作现场采集到的数据存储到本地数据库中，最后同步到云端数据库供不同的客户端访问并实时监测。且云平台具有强大的数据处理能力，其实时性、跨平台性和稳定性较优良[6]。因此采用云平台可以方便地进行部署和扩展，无需在现场部署特定设备，有效节约成本[7]。将试验数据存放到云端，方便進行统一管理和分析。

管理人员只要在有网络的地方就能够随时随地对近海浅水试验场的数据进行实时监控和分析，并做出相应指导。

本文针对近海浅水试验场设计了基于云平台的数据监控系统，实现了对浅水试验场数据的共享、查询、监控功能。该系统具有良好的跨平台性、实时性，且操作简单、易扩展、维护方便，有着较好的应用价值和经济价值。

1 总体设计

本文系统将云平台技术运用于近海浅水试验场数据监控系统中。浅水试验场的水下通用平台不仅可为水下设备供电，还可以采集需要的水下信号，如温度、盐度、湿度等。水下采集的数据通过光缆传输到现场监控的上位机中，经上位机处理存储到本地数据库并同步到云端数据库中，然后在云服务器中搭建相应的开发环境进行监控系统的开发。最终可以通过不同的终端设备（电脑、手机、平板电脑）实现浅水试验场数据的共享、查询、监控等。本文系统的总体框架图如图1所示。

2 水下通用平台设计

本文系统的水下通用平台主要包括电源电路单元设计模块和电压电流采集单元设计模块。其用途包含以下两方面：

（1）作为一个稳定的电压源，可满足不同类型的传感器以及其他水下设备的供电需求;

（2）信号采集。

2.1 电源电路设计部分

水下通用平台由于需要适配多种不同类型的传感器，因此需稳定产生不同大小电压为不同的传感器供电。本文的电源电路设计本着高效、方便、一体化的设计原则，设计了多路电压输出接口供不同传感器以及其他水下设备使用。本文系统电源设计由输入为220 V的交流电压和锂电池组组成。将220 V交流电压通过明纬RSP-320-48型开关电源产生48 V

直流电压。220 V交流电压通过桥式整流电路转变成直流电压，再经两块V375A24E600BL型号的Vicor模块后降压产生24 V电压。在前级电路产生24 V电压的总线上并联两块WD100-24S12Q1降压产生12 V电压。此外，该电源设计方案中还加入了锂电池组，以便水下电源供电系统无220 V交流电压输入时，给外围设备提供需要的电压接口。并且当锂电池组电量不足时，可通过明纬PB-120P-27充电器充电。电源电路设计框图如图2所示。

2.2 电压电流采集部分

水下传感器的种类较多，不同的传感器产生信号的种类也不尽相同。有些传感器的信号为模拟电流信号，如温度传感器、压力传感器;而有些传感器的信号为模拟电压信号。由于电压信号比较容易处理，所以模拟量电流采集电路设计的思想是将电流量的检测间接转化为对电压量的检测。由于压力传感器的带负载能力比较弱，所以需要在输入端加上一个跟随放大电路进行负载匹配。另外传感器的输出电流为4～20 mA，经过150 Ω的精密电阻后，将电流信号转化为电压信号，电压信号范围为0.6～3 V。然而ADC采样电路的基准电压为3 V，为了充分利用ADC的采样精度，需要设计一个减法器将电压范围转化为0～2.4 V，再通过放大器（放大增益为1.25），将电压范围转化为0～3 V，尽最大可能利用ADC的采样分辨率获得更为精确的采样值。该平台的模拟电流采集电路选择美国TI公司生产的OPA2335作为减法器和同向比例放大器的运放芯片。模拟电流采集电路如图3所示。

上文描述了模拟电流量的采集电路，相对于模拟电流量的采集，模拟电压量的采集则更方便、简单，本文系统采用直接电阻分压的方式，原理同上述电流量的采集类似，因此不再赘述。

3 软件设计

本文系统软件设计部分分为三个单元，即数据采集单元、Web服务器单元和云平台监控单元。

在数据采集单元实现水下通用平台数据的采集以及数据在本地数据库和云端数据库的存储功能。

在Web服务器单元实现用户注册登录、数据处理、实时监测、历史数据访问等功能。

在云平台监控单元实现用户权限管理、数据管理、监控服务等功能。

管理人员可以跨平台，方便、高效地通过各种终端设备进行访问，从而实现对浅水试验场数据的监控。软件设计总体框架如图4所示。

3.1 数据采集单元

数据采集单元的主要作用是将上位机与水下通用平台进行连接，采集数据，最终将数据存储在本地数据库和云端数据库。水下通用平台采集设备的压力、温度、盐度等信号，然后通过UDP协议将采集到的数据发送到上位机进行初步的数据处理。上位机对数据处理后，将数据保存到本地数据库和云端数据库中，以图像、图表等形式将数据直观地呈现在上位机界面。数据采集单元框架如图5所示。

3.2 Web服务器单元

在云服务器中搭建开发环境，运用Web服务器（Tomcat）与Eclipse开发工具进行Web项目的开发以实现用户注册登录、实时监测、数据处理、历史数据访问功能。为保证数据可被实时监控，主要采用Ajax轮询，每隔100 ms便访问云数据库中的数据。为了使得数据图表化，也运用了相应的Echarts开发控件。为了快速、方便地进行动态Web项目的开发，該单元还使用了JSP技术。JSP很好地将网页逻辑与网页设计的显示进行了分离，支持可重用的基于组件的设计，使Web项目的开发变得迅速、简单[8]。JSP是一种动态页面技术，其主要目的是将表示逻辑从Servlet中分离出来。当用户请求一个*.jsp页面时，该请求通过网络被发送到相应的Web服务器;Web服务器响应该HTTP请求，从硬盘或内存中获取相应的jsp文件并发送到脚本引擎（jsp.dl1）文件中;脚本引擎解释处理其中的服务器端脚本代码，通过jdbc驱动程序连接数据库，由数据库访问组件完成数据库的操作;最后生成符合HTML语言页面，发送给用户并显示。Web服务器单元框架如图6所示。

3.3 云平台监控单元

按照云平台提供的服务种类，云平台可以划分为三层架构，即Infrastructure as a Service（IaaS），Platform as a Service

（PaaS）以及 Software as a Service （SaaS）[9]。为了在云平台监控单元实现对用户权限、数据库、Web程序的管理，必须在云平台的IaaS层部署JDK，Eclipse，数据库服务器、Tomcat服务器等开发环境，最后通过各终端访问进行实时监控。云平台监控单元框架如图7所示。

4 实验结果与分析

本文系统的实验结果将从水下通用平台的实现和软件设计部分的实现进行说明。其中水下通用平台的实现主要从水下电源部分进行说明，软件设计部分的实现主要从上位机的实现和云平台数据监控系统的实现进行说明。

4.1 水下电源部分

水下通用平台的电源测试首先将电源控制板安装到金属舱中，然后利用外部电池组通过水密缆连接到金属舱，电池组提供24 V直流电压和220 V交流电压，最后通过串口

RS 232连接到水下电源监测上位机进行调试。由于金属舱上会输出48 V，24 V，12 V，5 V等不同的多路电压信号，因此在进行负载测试时，需将额定功率为1 000 W、电阻值为100 Ω的滑动电阻串联在舱盖5 V的输出端口，同时串联一个电流表测量实际电流，并联一个电压表测量实际电压。打开对应的继电器开关，水下电源监测上位机会显示电路此时的测量电压和电流量，并将这一结果记录在表格中，依此类推，对所有舱盖输出电压的端口进行负载试验。测试结果记录见表1所列。

4.2 软件部分

4.2.1 上位机的实现

上位机实现了在局域网内部对水下平台关键变量、水下视频信息、近海深度、温度、盐度等信息的实时监测功能。将采集到的数据经过一定的处理存储到本地数据库中并保存到云端数据库。上位机界面如图8所示。

4.2.2 云平台数据监控系统的实现

近海浅水数据监控系统基于云平台实现。云平台数据监控系统主要由用户登录注册、权限设置和监控模块组成。用户登录注册模块如图9所示。权限设置在数据库中进行，只有拥有权限的相关人员才能访问云平台并进行实时数据监控。监控模块如图10所示，可以实时查看实验数据和数据的趋势变化。

本文监控系统实现了跨平台的功能。平台测试如图11所示。本文设计的云平台数据监控系统可以在电脑、平板电脑和手机上同时查看，解决了传统仪器中不能跨平台，维护升级繁琐，人力物力成本高以及只能在现场查看实验数据的问题，在跨平台性、实时性、共享性、可靠性方面都得到了有效提升。

该测试平台在近海浅水试验场的数据监控领域具有以下重要意义：

（1）跨平台性。一定程度上解决了操作人员将数据保存到U盘等设备，事后再发布和必须安装驱动才能查看的问题。并且操作人员无需在服务器端和客户端安装特定软件，只需浏览器就能访问。

（2）实时性。实现了对近海浅水试验场数据的监控、发布和管理功能。让管理人员都能看到过去只有操作人员才能查看的实时工业现场数据。

（3）共享性。把云平台技术运用到近海浅水试验场，方便工作人员利用各种终端设备对现场数据进行随时访问，并且为近海浅水试验场现场数据的统一管理提供了极大便利。

（4）可靠性。在本地服务器关闭或者瘫痪的情况下，工作人员可以访问云平台，对工业现场的数据进行监控。

5 结语