基於Web的建築智能化系統集成組態軟件的設計與應用

 

　　1 引言
隨着信息時代的發展，智能建築愈發顯示出其潛在的能力。信息共享在智能建築管理中起着十分重要的作用。由於傳統的智能建築中各個控制子系統和管理系統相互獨立，所以信息共享的程度很低。爲了充分發揮智能建築的投資效益，對智能建築進行系統集成是很有必要的。
智能建築系統集成是將建築物中多種控制信息、語音、數據與圖像通過網絡使原有獨立的設備進行功能信息的有機結合，以實現綜合信息、資源和整體任務的共享。在這種情況下，開發具有特色的智能建築系統集成的工具對於推動國內智能建築行業的發展具有十分重要的意義[1>。而基於Web的組態技術的發展和應用，給實現智能建築的系統集成帶來了新的思路。
雖然目前國內外的組態軟件產品已經較爲成熟，但是進行建築智能化系統集成組態軟件方面的研究與開發工作仍然具有重要的意義和價值。
現有的組態軟件價格昂貴。由於現有的組態軟件最初都是基於工業控制產生的，其中很多功能在智能建築領域都用不上，這無形中增加了應用的成本，影響了組態軟件在智能建築系統集成的應用與推廣。
現有組態軟件不能完全滿足智能建築系統集成的要求。現有的組態軟件僅提供對建築內部的部分子系統如BA系統的集成管理能力，對於其他複雜系統如閉路監控系統的集成卻無能爲力。
現有組態軟件出於自身利益的考慮，一般不允許用戶根據自己的應用需求定製自己的組態軟件，這樣大大限制了組態軟件的效能。
實時數據庫技術的發展，操作系統性能的提高，各種軟件開發工具的出現，以及許多新技術、規範的應用等，所有這些爲新的監控組態軟件的研製、開發提供有力的技術支持。
本文在借鑑國內外優秀組態產品成功經驗的基礎上，以智能建築的系統集成爲應用背景，完成了基於Web的組態軟件平臺的設計與實現，解決了智能大廈內各子系統之間的異構互連問題，從而提升智能建築的信息化管理水平。
2基於Web的組態軟件的實現方式
隨着Internet/ Intranet技術和Web技術在的廣泛應用，引發了監控系統向Internet/ Intranet的遷移。應用Web技術實現遠程監測己經成爲越來越多的監控系統不可或缺的重要組成部分。因此，如何使組態軟件具有Web功能有着重要的研究意義。因此我們提出採用基於Web訪問模式及Java語言進行組態軟件的設計。
應用Web技術，結合面向分佈式計算機環境的網絡語言Java的無與倫比的平臺無關性和可移植性，可以實現真正具有開放式體系結構的組態軟件。

圖1 基於Web的組態軟件的應用模型
基於Web的組態軟件的應用模型如圖1所示，在Web的三層體系結構中，瀏覽器的作用就是從網絡上下載應用，負責提供圖形用戶界面GUI、工藝流程監控畫面等，並提交客戶請求及接收Web服務器返回的查詢結果，完成系統組態功能。在完成數據庫及控制迴路組態後，Web服務器接收客戶端發來的請求，和數據庫服務器分別提供系統組態信息，系統運行過程中採集或產生的數據等信息。這樣，系統就可以將組態數據及過程數據寫入數據庫。當用戶需要申請有關數據時，最終在瀏覽器端得到相關的信息。
3 系統的總體設計
按功能類別不同，組態軟件可分爲以下若干個模塊，如圖2所示：圖形界面模塊、數據管理模塊以及數據通信模塊。

圖2 組態軟件結構圖
3.1 圖形界面模塊
（1）圖形界面模塊的功能。在組態軟件平臺中，圖形界面模塊是用戶執行監控職能的主要媒介。用戶可利用圖形界面模塊提供的功能，根據監控現場的實況組態自己獨特的監控畫面，並配置相應的連接變量，實現中央監控系統同現場控制網之間的數據傳遞與共享。
圖形界面模塊主要包括以下幾個部分：
•監控背景圖生成、插入模塊：此模塊一方面提供二維建築圖與三維監控圖之間的轉換接口；另一方面，將生成的監控背景圖以透明位圖的方式插入到監控界面中。
•監控點組態模塊：監控點組態模塊主要完成監控點的顯示和參數配置等功能。用戶通過系統提供的子圖庫和繪圖工具，將監控點圖標插入到指定位置，
同時，配置監控點屬性，包括基本屬性的設計，如:監控點名稱、圖形屬性；以及變量連接屬性的設計，如:數據庫變量的連接屬性設置等。
•報警組態、顯示模塊：通過系統提供的工具設置每個監控點的報警類型和報警閩值，爲系統報警提供基本參數。
•趨勢圖顯示模塊：系統提供監控點變量的趨勢圖顯示功能，以便用戶實時瞭解此監控點的數據變化趨勢，及時採取控制措施。
•圖形界面存儲模塊：當用戶組態好監控畫面時，系統可以將此組態結果進行存儲，以便在需要時調用。
（2） 圖形界面模塊的設計。基於Web的組態軟件的圖形界面系統在圖形動態顯示方面提出了很高的要求。基於Web的組態軟件的圖形動態顯示原理如圖3所示，主要採用了JavaScript技術和Applet技術。

圖3 圖形界面模塊結構圖
JavaScript技術主要用於增強圖形界面系統的人機交互功能，方便用戶在瀏覽器上根據監控現場的實況組態自己獨特的監控畫面，並配置相應的屬性變量。另外JavaScript技術還將用於對圖形的處理過程，包括位圖顯示、圖形定位等。而Applet技術則主要用於客戶端的圖形界面系統與應用服務器通信，實現中央監控系統同現場控制網之間的數據傳遞與共享。使用Java Applet小程序配合服務器端程序實現組態軟件客戶端以動畫形式再現設備現場的狀態。
3.2 數據管理模塊的設計
組態軟件的數據庫部分是整個系統設計的核心，所有的監控數據都是通過數據庫系統傳遞到中央監控系統中的，同時幾乎全部的控制命令也是通過它發送到現場控制網絡中控制現場設備的。
組態軟件的數據庫管理實際上包括實時數據庫和歷史數據庫兩部分，它們之間彼此獨立又相互關聯。
（1）實時數據庫的設計。組態軟件是一個實時計算機控制系統，存在大量的實時數據處理，一方面，過程物理量巡檢任務將各物理量的值週期性地採集進來，週期性輸出。採集進來的數據要進行各種處理，如報警檢測、過程數據顯示、參數列表顯示等。爲了減少內存開支，並減少各任務間數據交換，往往設定一個實時數據庫，該區域被許多應用程序共享。從組態軟件設計的角度來說，實時數據庫是整個軟件的核心。它的設計方法、數據的組織結構直接制約了整個系統的性能。

圖4 實時數據庫結構圖
在實時數據庫中，以“點”作爲基本的數據對象，一個點由若干參數組成，系統以點參數爲單位存放各種信息。點參數相當於關係數據庫中的各個字段，一個點參數相應一個可被測量或控制的對象。
實時數據庫結構如圖4所示，在本系統的設計中，我們將具有相同特徵的一類點抽象起來，定義了若干點類型。一種點類型就是一種點參數的組合。目前，系統中定義的標準點類型有：模擬I/O點類型、數字I/O點類型、控制點類型、運算點類型等。
爲了完成對點的實時控制功能，通過對組態信息的分析，對實時數據庫進行了功能上的劃分，分爲模塊屬性庫，顯示信息庫，控制策略庫。模塊屬性庫用來存放用戶組態的監控點屬性信息，顯示信息庫用來存放監控點的實時數據，控制策略庫用來存放系統的控制策略信息以及操作信息。
由於我們監控的智能建築中需要監控的設備很多，每一個設備又有大量的參數需要監控。因此，爲了管理與查找的方便，在設計中引入了單元和區域的概念。將每個子系統設爲一個區域，將該區域中的監控點統一管理和顯示。而將每個區域又劃分爲若干個單元，根據設備的運行將有關的設備劃分爲同一個單元。這樣，就將數據進行了分層次的管理。
（2）歷史數據庫的設計。爲滿足實時性要求又保證數據的進一步處理以及統一管理等功能的實現，數據庫系統除了以實時數據庫爲基礎外，還必須建立功能強大的歷史數據庫，用於記錄和保存各種事件記錄和所有監控點的數據並可以根據歷史數據庫進行各類數據分析。
歷史數據庫中主要存儲設備的監控點的運行值，由於智能建築的需要監控的設備數量，種類，每個設備需要監控的參數數量都很多。歷史數據庫需要存儲這些點的較長時間的運行數據，所以數據量是海量的。爲了使用戶能夠在海量的數據中完成數據的快速查詢和海量數據的存儲，我們採用了SQL Server 2000作爲歷史數據庫的開發平臺。
具體的實現思路是：在應用程序中設置控件定時器，此定時器的定時週期屬性由用戶在組態時設置。當定時器定時到時，觸發OnTimer()事件，此事件用來實現將實時數據庫與歷史數據庫的連接功能，讀入需轉存的實時數據庫中的數據信息，此時再打開歷史數據庫中的數據表，默認按追加的方式將數據信息追加到數據表中。
3.3 數據通訊模塊的設計
組態軟件的數據通訊模塊起到中樞和主幹的作用，它可以把中央監控系統同下層現場控制網，以及各種功能子網結合起來，建立起一條真正的信息高速公路，這是實現智能建築系統集成目標的重要前提。可以說，組態軟件的數據通訊模塊就是各功能子網之間的綜合信息平臺，其主要用途包括：
從現場控制網獲取數據，彙總到中央監控系統中，作爲大廈監控系統的主要數據來源，並得出大廈運作情況的報告；將監控中心需要發佈的各種信息和指令迅速傳遞到各個功能子網；提供統一的計算機通信平臺，爲各智能化系統相互之間的信息交換提供統一的通信系統。
數據通訊模塊的設計涉及到兩個方面，一方面是中央監控系統要能夠實時地接收智能網關發送的現場數據信息，同時智能網關要能夠不斷的向中央監控系統發送數據；另一方面是能夠將中央監控系統發送的控制命令傳遞到智能網關中，並由智能網關接收。智能網關一般是指運行在各功能子系統的工作站上的通訊程序，通過各功能子系統提供的數據接口，利用Socket套結字將採集到的各子系統的實時數據通過高速局域網傳送到組態軟件服務器上。

圖5 數據通訊模塊數據流圖
系統中數據的傳遞過程如圖5所示，具體的數據傳遞過程分爲上下兩個通道。先分析上行通道，當現場數據發生變化時，現場控制網通過網絡應用程序向數據庫系統發送連接請求，數據庫系統接到這個請求後，向現場控制網發送應答信息，即同意接收數據信息，此時現場控制網將實時數據通過網絡應用程序發送到數據庫系統中，寫入實時數據記錄表。在寫入數據的同時，數據庫系統向監控界面發送一條數據庫更新消息，監控界面接收到此消息後，按照變量對應關係，更新相應的監控點顯示數據。
當監控界面向現場設備發送控制命令時，就涉及到數據的下行傳輸通道，其過程如下：監控界面系統將控制命令通過JDBC接口寫入數據庫系統中的控制命令記錄表中，在現場控制網向數據庫發送請求信息，數據庫系統發送應答信息的同時，將此控制命令通過網絡應用程序發送到現場控制網中，控制現場設備。
4系統的應用實例
4.1工程案例
結合一個智能建築系統集成的工程案例，給出基於Web的組態軟件具體的應用實現。廣州國際輕紡城（又稱凱華城）是一個大型的5A級智能化商城，其集成管理系統需要對中央空調、閉路監控、門禁控制、防盜報警等7個子系統進行管理，集成I/O點數達到5000多個。凱華城智能建築集成管理系統需要利用基於Web的組態軟件對這些監控點進行組態，使監控人員不需要進行繁瑣的編程工作，就可以在基於Web的電子地圖上再現監控現場的實時情況。
組態過程中，用戶選擇相應樓層平面的電子地圖作爲組態應用的背景後，利用組態軟件提供的定位工具將代表監控點的現場設備的圖元定位。定位完畢後，通過輸入監控設備的參數，將這些圖元與現場的監控點進行參數綁定以建立I/O表對應關係，然後將該I/O表對應關係存放到數據管理模塊裏面。

圖6 組態軟件運行界面
圖形組態完成後，Web服務器程序通過數據通訊程序與現場設備基於TCP/IP進行Socket多線程通訊，獲得監控點的最新狀態信息。同時根據組態所生成的I/O點表關係，將用戶正在瀏覽樓層電子地圖上的監控點的狀態信息以Socket通訊方式發送到遠程的客戶端以實時更新監控點的信息。組態軟件運行時的界面如圖6所示。
4.2 工程特點

（1） 以電子地圖的形式實現對設備現場實況的再現。用戶可利用圖形界面系統提供的功能，根據監控現場的實況組態自己需要的監控畫面；
（2） 提供組態圖形與後臺現場設備靈活的I/O映射關係，將監控系統的前端顯示與後臺信息交換邏輯剝離開來，大大提高了設備組態的效率；
（3） 提供開放的數據結構和靈活的數據採集方式，實現了常規組態軟件所不具備的對CCTV閉路監控系統、報警系統等系統的組態功能；
（4） 基於Internet平臺的訪問方式，使用戶足不出戶就可以進行組態管理，提高了組態軟件維護與管理的效率。
5結束語
基於Web的組態軟件平臺應用於建築智能化系統集成在提高建築智能化系統集成的品質、性價比、實用性、擴展性、開放性等方面都有着較大的意義。基於Web的組態軟件使遠程用戶可以通過標準Web瀏覽器對設備現場組態畫面的監測，並具有操作簡單，維護方便等優點。Web平臺提供的多層分佈式應用模型以及它的平臺無關性使得組態軟件更具有開放性和靈活性，是理想的智能建築系統集成的平臺。