1 引言
物聯(lián)網(wǎng)（TheInternetofthings），即通過射頻識別（RFID）,、傳感器,、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,，按約定的協(xié)議,，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊,，以實現(xiàn)智能化識別,、定位、跟蹤,、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò),，通俗的說就是可實現(xiàn)“感知世界”的網(wǎng)絡(luò)。
數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)即SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）系統(tǒng),，是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制,，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,、設(shè)備控制、測量,、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能,，也就是實現(xiàn)在具體應(yīng)用領(lǐng)域的“感知”。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對自動化工程師而言并不是一個陌生的概念,。因為,，無論工廠的現(xiàn)場設(shè)備，還是電網(wǎng),、自來水管網(wǎng),、燃?xì)夤艿馈㈣F路,、橋梁,、隧道、水文水利系統(tǒng),，甚至我們的飛船,、衛(wèi)星運行監(jiān)測，無不是通過將物物相聯(lián)的這個“物聯(lián)”網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的,，只不過我們傳統(tǒng)上將這些專業(yè)領(lǐng)域的“物聯(lián)”應(yīng)用稱之為SCADA系統(tǒng),。當(dāng)然從定義上來看，物聯(lián)網(wǎng)是一個更廣泛意義上的“感知”網(wǎng)絡(luò),，通過物聯(lián)網(wǎng)我們可將“感知”擴展到每臺設(shè)備,、每件商品，甚至每個人，實現(xiàn)對靜態(tài)物的監(jiān)控與管理,、對動態(tài)物的定位與跟蹤,、對商品的識別，以真正達(dá)到“感知中國”,、“智慧地球”的目標(biāo),。因此，從嚴(yán)格意義上說物聯(lián)網(wǎng)既是SCADA這一傳統(tǒng)“感知”技術(shù)在概念與應(yīng)用的延伸,，又是對SCADA技術(shù)發(fā)展的一個質(zhì)的提升,。
隨著網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將促進(jìn)SCADA系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的變革與升級,，使SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,，除了在傳統(tǒng)的供水、供氣,、環(huán)保,、能源、軌道交通,、機場,、鐵路、電力,、石油,、石化等行業(yè)外，在大眾的日常工作生活及其它各種領(lǐng)域中也將得到廣泛應(yīng)用,，最終使SCADA這一物聯(lián)網(wǎng)的垂直具體應(yīng)用系統(tǒng)真正發(fā)展成為“感知世界”的智慧網(wǎng),。
2 物聯(lián)網(wǎng)的三種應(yīng)用架構(gòu)
物聯(lián)網(wǎng)把新一代IT技術(shù)充分運用于各行各業(yè)中，使物理世界與信息世界相聯(lián)結(jié),。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用有三種架構(gòu)：
?。?）基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)電子標(biāo)簽可能是三類技術(shù)體系中能夠最靈活地把“物”改變成為智能物件的，其主要應(yīng)用是把移動和非移動資產(chǎn)貼上標(biāo)簽,，實現(xiàn)各種跟蹤和管理,。
（2）基于傳感網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)主要是指無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN,WirelessSensorNetworks）,，WSN由分布在自由空間里的一組“自治的”無線傳感器組成,，共同協(xié)作完成對特定周邊環(huán)境狀況，包括溫度,、濕度,、化學(xué)成分、壓力,、聲音,、位移,、振動、污染顆粒等的監(jiān)控,。WSN中的一個節(jié)點（或叫Mote）一般由一個無線收發(fā)器,、一個微控制器和一個電源組成。WSN一般是自治重構(gòu)（Ad-Hoc或Self-Configuring）網(wǎng)絡(luò),，包括無線網(wǎng)狀網(wǎng)（MeshNetworks）和移動自重構(gòu)網(wǎng)（MANET）等,。
（3）基于M2M的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)業(yè)界認(rèn)同的M2M理念和技術(shù)架構(gòu)覆蓋的范圍應(yīng)該是最廣泛的,，包含有線和無線兩種通信方式,。
M2M覆蓋和拓展了工業(yè)信息化（兩化融合）中傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)。
3 新型SCADA系統(tǒng)設(shè)計
3.1 傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)
一般SCADA系統(tǒng)由監(jiān)控中心,、通訊網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端組成,。監(jiān)控中心即數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)，也稱上位機HMI（HumanMachineInterface）——人機界面系統(tǒng)由軟件和硬件組成,，其中硬件主要包括服務(wù)器,、管理員站和操作員站，軟件采用專用的SCADA系統(tǒng)軟件,。SCADA系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)大體可以分為兩類：
有線和無線,。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端，即各種智能數(shù)據(jù)采集設(shè)備,，也就是通常所說的下位機，如各種RTU,、PLC及各種智能控制設(shè)備等,。SCADA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示：
SCADA系統(tǒng)已經(jīng)從最初的主機控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng),，發(fā)展到了今天的網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng),。SCADA也從專有協(xié)議的封閉系統(tǒng)演變?yōu)橐砸蕴W(wǎng)和TCP/IP協(xié)議為主流的開放系統(tǒng)。
3.2 新型SCADA系統(tǒng)設(shè)計
根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三種應(yīng)用架構(gòu),，結(jié)合SCADA系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),，在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的今天，SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),、通信網(wǎng)絡(luò),、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端都會發(fā)生新的變化。
?。?）監(jiān)控中心
監(jiān)控中心由硬件設(shè)備和應(yīng)用軟件組成,。
硬件設(shè)備：在滿足網(wǎng)絡(luò)功能要求的前提下，采用云計算概念,，主要功能在服務(wù)器上完成,，用云終端代替操作員站與管理員站的計算機,，簡化操作員站與管理員站的硬件設(shè)備，提高系統(tǒng)的安全性,、可靠性,，便于系統(tǒng)功能與規(guī)模的擴充。
應(yīng)用系統(tǒng)軟件：在滿足一般使用要求的前提下,，需要強大的網(wǎng)絡(luò)功能,，由傳統(tǒng)點到點的SCADA系統(tǒng)發(fā)展為端到端的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)系統(tǒng)。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的今天,，應(yīng)設(shè)計以下功能：
◆支持PDA,、智能手機作為操作終端
SCADA系統(tǒng)軟件直接支持智能手機作為操作終端。
這使得SCADA的使用范圍從監(jiān)控室擴大到任何手機網(wǎng)絡(luò)可以到達(dá)的區(qū)域,。
◆遠(yuǎn)程組態(tài)和維護(hù)技術(shù)
SCADA系統(tǒng)的組態(tài)采用B/S結(jié)構(gòu),，B/S結(jié)構(gòu)即瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的軟件，可提供很強的遠(yuǎn)程維護(hù)支持,，大大降低項目實施和維護(hù)的成本,。
◆多種的權(quán)限管理
傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)的操作員是限定在很少的幾個人，而現(xiàn)在SCADA系統(tǒng)是面向全企業(yè)不同層面,、不同部門的人員提供服務(wù)的網(wǎng)站發(fā)展,，這就要求SCADA軟件具有多種權(quán)限支持。
◆視頻與工業(yè)數(shù)據(jù)一體化
將現(xiàn)場視頻與SCADA調(diào)度系統(tǒng)集成在一起,，突出了調(diào)度決策的現(xiàn)場感知效果,。
（2）通訊網(wǎng)絡(luò)
兼容多種通信模式,，如將無線專網(wǎng),、GPRS/CDMA/3G、光纖網(wǎng)及衛(wèi)星網(wǎng)等,，通過物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù),，實現(xiàn)各種應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，真正組成一個可連接各種感知終端的有機通信網(wǎng)絡(luò)平臺,。
?。?）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端
根據(jù)需要選用WSN/Wi-Fi等無線組網(wǎng)方式，增加現(xiàn)場組網(wǎng)的靈活性,。
應(yīng)具有很強的通訊能力,，自帶以太網(wǎng)接口，在監(jiān)控現(xiàn)場根據(jù)不同的采集對象選擇不同的組網(wǎng)方式：對于數(shù)據(jù)采集,，利用WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集比較分散的傳感器,；對于視頻采集，利用Wi-Fi無線組網(wǎng),。無論采用哪種無線組網(wǎng)方式均能減少布線,、施工的工作量,。
WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)點：
◆成本低
WSN節(jié)點采用嵌入式處理器和存儲器，就單個節(jié)點而言,，硬件成本是較低的,。WSN采用開放的簡化ZigBee協(xié)議棧，工作在2.4GHz免執(zhí)照的ISM頻段,。
◆對等網(wǎng)絡(luò)多冗余,、高可靠性
WSN沒有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點地位平等,，是一個對等式網(wǎng)絡(luò),。節(jié)點可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點的故障不會影響到整個網(wǎng)絡(luò)的運行,，具有很強的抗毀性,。
◆組網(wǎng)能力強
支持樹狀、星狀,、網(wǎng)狀等多種組網(wǎng)方式,，網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為,，節(jié)點開機后就可以快速,、自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡(luò)。
◆多跳（Multi-hop）路由
WSN節(jié)點通信能力有限,，覆蓋范圍只有幾十米到幾百米,，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進(jìn)行通信,，則需要通過中間節(jié)點進(jìn)行路由,。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成的。
利用WSN組網(wǎng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端拓?fù)鋱D如圖2所示：
4 系統(tǒng)功能
根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展,，SCADA系統(tǒng)的主要功能為：
?。?）數(shù)據(jù)采集：采集遠(yuǎn)程端站的數(shù)據(jù),。
?。?）報表功能：具有年、月,、周,、日報表及打印。
?。?）GIS功能：地圖功能,。
（4）具有多種通信方式：有線/無線,，專網(wǎng)/公網(wǎng)等,。
?。?）數(shù)據(jù)處理：根據(jù)需要做數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計等,。
?。?）報警處理：報警信息的處理。
?。?）信息預(yù)測分析：一些消耗量的預(yù)測分析,。
（8）設(shè)備管理：端站設(shè)備的安裝時間,、位置,、故障日期等信息。
?。?）設(shè)備控制,、監(jiān)測。
?。?0）事件日志,。
（11）圖表分析,。
?。?2）參數(shù)查看：查看實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，用戶可以查看所有端站每時每分采集的各項數(shù)據(jù),，并具有查詢此企業(yè)某時間點或時間段內(nèi)的數(shù)據(jù),。
（13）組態(tài)功能：任意增加,、刪除某一終端的信息,；任意增加、刪除AI,、DI,、PI等參數(shù)的信息。
?。?4）查詢功能：以數(shù)據(jù)庫為核心,，提供數(shù)據(jù)處理、查詢,、備份等功能,。
5 結(jié)語
設(shè)備互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)，將是自動化企業(yè)的又一巨大潛在市場,。本文緊緊圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用架構(gòu),，設(shè)計了新型的SCADA系統(tǒng)，突出了由傳統(tǒng)點到點的SCADA系統(tǒng)發(fā)展為端到端的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)系統(tǒng)的特點?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端采用無線傳感器組網(wǎng)模式,，體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢,。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的推進(jìn)，該系統(tǒng)在企業(yè)管理中將會發(fā)揮越來越重要的作用,。