2.4 监控与数据采集系统的通用结构与关键组成

下面分别从监控与数据采集系统的功能层次和关键组成来分析系统的通用结构。

2.4.1 监控与数据采集系统七层结构

从第一小节的例子中可以看出，不同的监控与数据采集系统功能和组成都不尽相同：汽车服务应用系统更多偏向于服务，因此它的很多功能也是服务性质的；而在SCADA系统中，功能则更多地倾向于监测和控制。尽管如此，它们的结构有很多相似之处，比如，两者都存在一个数据采集和通信终端，功能的实现都是基于数据的应用，并且在终端和应用端之间都有通信网络。

从之前的5个例子中总结出了数据采集端、通信网络和监控端的三层结构。从功能的角度对结构进一步细化，可以总结出如图2-17所示的七层框架，从下往上依次是：数据采集层（Data Acquisition）、数据预处理层（Data Ma-nipulation）、数据传输层（Data Transmission）、数据存储层（Data Storage）、状态监测层（Condition Monitoring）、分析决策层（Decision Support）和表示层（Presentation）。

数据采集单元与数据采集层和数据预处理层对应。数据采集层指数据的产生，比如在互联网共享单车租赁系统和汽车定位追踪系统中，单车和汽车位置信息的产生就属于这一层。同理，汽车服务应用系统、工业SCADA和电力监控自动化系统中通过各类传感器获取的信息也属于这一层。数据预处理层指对所产生原始数据进行的一系列操作，使之方便传输、存储和进一步的分析。数据预处理一般针对振动、电压和电流等比较复杂的模拟量甚至图像等多维数据进行降噪、滤波和A-D转换等处理，以形成标准格式的数据。在互联网共享单车租赁系统和汽车定位追踪系统等简单的系统中，获取的原始数据是比较简单的数字量，因此可以略去数据预处理的过程。而在工业SCADA和电力监控自动化系统等复杂系统中，获取的模拟量则必须经过调理和数字化等预处理后才能传输和加以利用，因此数据预处理层在这样的系统中是必不可少的。

数据传输层指对原始或经过处理后的数据进行短程或者远程的传输，对应于三层结构的通信网络。上文指出，数据传输不仅包括传输链路和相关硬件，还包括保证传输速率、安全性和稳定性的传输协议。在不同的场景和传输方式中，传输链路、通信硬件和通信协议也随之不同，比如在互联网共享单车租赁系统、汽车定位追踪系统、汽车服务应用系统中，由于监控对象处于移动的状态，单车和汽车上的终端通过3G/4G移动网络实现数据传输，而在工业SCADA系统和电力监控自动化系统中，监控对象位置固定，因此一般采用工业以太网传输。由于两者采用截然不同的传输方式，它们的传输链路、硬件和协议自然也存在较大差异。

数据存储层指对接收的数据进行有效的存储。这里的存储不仅是硬件存储介质上的存储，还是数据库上对数据的高效组织。存储不仅要满足容量上的要求，还要满足系统的功能需求。比如在数据存取频繁的情况下，要保证数据的高并发读写速度，从而保证上层应用的良好用户体验；在数据量达到TB的级别、数据格式类型多样的情况下，传统的结构化数据库难以满足即时查询的需求，可以考虑采用大数据框架。

状态监测层是指利用获取的状态数据实现对监测对象状态的查看以及简单的异常预警。状态监测层一般通过列表、曲线图、饼图、三维动画等可视化应用来实现监测对象的状态显示，在一些实时性要求高的场合，需要保证监测对象状态更新的实时性，比如在电力监控自动化系统。异常预警则一般通过阈值超限检测来实现，即对关键参数设置阈值，一旦超过阈值即视为发生异常。

分析决策层则是通过数据挖掘获取有价值的信息，特征提取、模式识别、预测、统计分析和关联分析等方法便是应用到分析决策层。分析决策层的内容和系统的应用场景是相关的，比如在SCADA等控制型监测与数据采集系统中，分析决策只是配角；而在设备智能维护等应用型系统中，分析决策的功能则会占较大的比重。

表示层是指数据、配置和功能的可视化，比如数据采集单元配置的可视化界面、通信状况的可视化、数据库结构的可视化以及监测和分析决策的可视化。因此，之前系统的每一层都和表示层相关联。

2.4.2 监控与数据采集系统组成

通过对汽车服务应用系统和工业SCADA的组成分析发现，两者虽然在功能上有很大的差异，但是在结构上却有共通之处。系统都由三大部分组成：数据采集、网络通信、监控。

系统的数据采集都有一个对象。在汽车服务应用系统中，对象是汽车，包括汽车本身和发动机、液压缸等汽车关键部件。在SCADA系统中，对象是系统应用的工业环境。在监控与数据采集系统中，这些对象统称为测控对象。

针对具体的测控对象，系统的数据采集部分实现测控对象数据的获取和采集，数据采集部分统一称为数据采集单元。数据采集单元一般包含数据获取、数据采集和通信三部分。数据获取指从测控对象中获取数据并进行预处理，使之能输入数据采集器；数据采集实现所有数据的收集、存储；通信则实现数据的传输。在汽车服务应用系统中，数据获取主要由汽车上的传感器和GPS接收器完成，数据采集由ECU和采集终端实现，而通信则由终端中的通信模块实现。在SCADA系统中，数据获取、数据采集和通信分别由传感器、RTU和通信设备完成。数据采集单元的通用结构如图2-18所示。

在不同数据源的基础上，不同的监控与数据采集系统实现不同的应用。通常系统都包含监测与/或控制应用，因此系统的应用统一称为监控中心。从上面两个例子分析中可以总结出，监控中心包含通信、预处理、数据存储、监控应用、拓展接口五大部分。当然，一个具体的系统可能只有其中的一部分，而且顺序也不尽相同。比如在汽车服务应用系统中，一般就没有和企业管理系统相连的拓展接口。同时，不同的系统在监控应用部分的差异更加明显。在汽车服务应用系统中，监控应用部分主要是诊断、分析、救援服务，而在SCADA系统中则为监测、报警和控制。监控中心通用结构如图2-19所示。

根据数据采集单元的特性、数据采集单元和监控应用中心的距离以及测控对象的特性的不同，数据采集单元和监测控制中心之间的通信网络可以选择不同的通信方式。比如在汽车服务应用系统中，一般采用3G/4G移动网络，而在工业SCADA中，除采用移动通信网络外，多采用以太网、WiFi。此外，还有很多其他的通信方式，比如数传电台、VPN通信等。

结合上面的分析，可以得出一个监控与数据采集系统的通用结构如图2-20所示。

2.4.2.1 数据采集单元

数据采集单元针对特定的测控对象，实现测控对象各种类型数据的采集、预处理，形成能够输入计算机的数据，然后再存储并发送到监控应用中心。从硬件的角度讲，数据采集单元一般不是一个设备，而是一系列设备的集合，它们按功能的顺序组合在一起。在很多生产过程或者设备中，其中的一部分（比如状态测量和预处理）已经集成在它们的控制系统中了，在采集数据的时候只要从它们的控制单元读取即可。比如，在汽车服务应用系统中，汽车关键部件的参数测量和预处理已经集成到汽车控制系统，在采集数据时只需读取ECU中的数据。

1）状态测量。状态测量是为了实现测量对象各种类型的数据直接或间接获取。针对不同的测量对象，所要获取的数据类型和测量方式也不同。比如在汽车服务应用系统中，获取的数据类型是关键部件的状态参数（如温度、振动），测量方法是在关键部件安装对应的传感器。而在视频安防监控与数据采集系统中，获取的数据类型是环境的视频数据，而获取方式则是通过摄像头。一般来讲，状态测量主要通过一些测量设备、传感设备来实现，而测量方式则有自动测量和人工测量两种，甚至在某些情况下，需要借助人的判断，采用人工输入的方式。

2）预处理。预处理的目的是对获取的原始数据进行一些初步的处理，方便下一步的存储、传输和分析。比如在视频安防监控与数据采集系统中，摄像头获取的视频数据不能直接在网络中传输，需要通过数字编码器对其进行数字编码。一般来讲，原始数据的预处理包括模拟数据的放大、滤波、A-D转换，视频、声音数据的编码、降噪等。

3）数据采集。数据采集的目的是把经过预处理的不同类型的数据“收集”起来。测量对象的状态测量是多样的，每一种参数的测量就是一路数据通道，因此需要把多个通道的数据集成，方便存储和发送。因此，数据采集部分的硬件要支持多种数据传输接口，比如RS-232、CAN总线接口、以太网接口。

4）存储。存储是在采集终端对“收集”的数据进行暂存，一方面可以对数据作一个备份，另一方面，如果数据采集单元和监控应用中心通信断开的时候，还可以利用存储的数据续传，保证数据的完整性。从硬件的角度上讲，存储可以采用硬盘、SD卡等介质；从软件的角度讲，可以用数据库或者文件的方式组织存储。

5）通信。通信的目的是实现数据采集单元接入互联网，实现数据的发送。根据接入的方式不同，其硬件组成和软件也不同。在汽车服务应用系统中，车载终端含3G/4G通信模块，通过接入3G/4G移动网络来发送数据。而在视频安防监控与数据采集系统中，则是在编码器中内置以太网卡，通过接入有线/无线以太网实现数据的发送。另外，数据需要根据具体的通信协议，打包成指定的数据格式，然后发送到监控应用中心，监控应用中心根据通信协议即可接收和解析。

2.4.2.2 监控应用中心

监控应用中心接收数据采集单元发送的数据，利用数据实现测控对象的监控和相关应用。在得到可用的数据之前，还需要先对数据进行预处理，因为发送过来的数据一般是根据一定的协议格式打包或者编码过的。因此，要得到有意义的数据，就需要对数据进行拆包或者解码。另外，在预处理之前或者之后，需要对数据进行存储。这样，在服务器中的监控应用程序就可以利用数据实现对测控对象的监控和其他应用。另外，整个系统的配置、管理和控制也是在监控应用中心实现的。

1）通信。一般情况下，监控应用中心通信要求较高，而且比较方便铺设光纤网络。因此，监控应用中心多采用有线以太网的方式来实现数据的接收，并根据商定的通信协议对数据进行拆包处理。

2）预处理。预处理的目的是把接收到的“数据块”还原成一个一个有意义的数据。在网络中传输的数据是大量数据连在一起的数据块，因此，要根据一定的规则把数据块中的多种数据一个一个地读取出来。这部分工作一般通过运行在服务器中的预处理程序来完成。

3）存储。数据存储的目的是高效地把预处理后的数据组织起来，方便管理和后续的监控应用。目前一般设计专用的数据库来组织数据存储，可以提高数据的利用效率。

4）监控应用。监控应用的目的是通过利用预处理之后的数据，实现对测控对象的监控和其他应用。一般通过不同客户端程序（包括移动端）或者Web程序来实现不同的应用，比如监测、诊断、统计分析等。

5）拓展接口。拓展接口提供监控与数据采集系统拓展，使其他系统通过接口可以利用监控与数据采集系统中的应用或数据。

2.4.2.3 通信网络

通信网络实现数据采集单元和监控应用中心之间的数据传输。两者的数据传输除了要选择合适的通信方式外，还要设计相应的通信协议，包括通信的流程和通信的数据格式等。