基于Web的建筑智能化系统集成组态软件的设计与应用

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1 引言
随着信息时代的发展，智能建筑愈发显示出其潜在的能力。信息共享在智能建筑管理中起着十分重要的作用。由于传统的智能建筑中各个控制子系统和管理系统相互独立，所以信息共享的程度很低。为了充分发挥智能建筑的投资效益，对智能建筑进行系统集成是很有必要的。
智能建筑系统集成是将建筑物中多种控制信息、语音、数据与图像通过网络使原有独立的设备进行功能信息的有机结合，以实现综合信息、资源和整体任务的共享。在这种情况下，开发具有特色的智能建筑系统集成的工具对于推动国内智能建筑行业的发展具有十分重要的意义[1>。而基于Web的组态技术的发展和应用，给实现智能建筑的系统集成带来了新的思路。
虽然目前国内外的组态软件产品已经较为成熟，但是进行建筑智能化系统集成组态软件方面的研究与开发工作仍然具有重要的意义和价值。
现有的组态软件价格昂贵。由于现有的组态软件最初都是基于工业控制产生的，其中很多功能在智能建筑领域都用不上，这无形中增加了应用的成本，影响了组态软件在智能建筑系统集成的应用与推广。
现有组态软件不能完全满足智能建筑系统集成的要求。现有的组态软件仅提供对建筑内部的部分子系统如BA系统的集成管理能力，对于其他复杂系统如闭路监控系统的集成却无能为力。
现有组态软件出于自身利益的考虑，一般不允许用户根据自己的应用需求定制自己的组态软件，这样大大限制了组态软件的效能。
实时数据库技术的发展，操作系统性能的提高，各种软件开发工具的出现，以及许多新技术、规范的应用等，所有这些为新的监控组态软件的研制、开发提供有力的技术支持。
本文在借鉴国内外优秀组态产品成功经验的基础上，以智能建筑的系统集成为应用背景，完成了基于Web的组态软件平台的设计与实现，解决了智能大厦内各子系统之间的异构互连问题，从而提升智能建筑的信息化管理水平。
2基于Web的组态软件的实现方式
随着Internet/ Intranet技术和Web技术在的广泛应用，引发了监控系统向Internet/ Intranet的迁移。应用Web技术实现远程监测己经成为越来越多的监控系统不可或缺的重要组成部分。因此，如何使组态软件具有Web功能有着重要的研究意义。因此我们提出采用基于Web访问模式及Java语言进行组态软件的设计。
应用Web技术，结合面向分布式计算机环境的网络语言Java的无与伦比的平台无关性和可移植性，可以实现真正具有开放式体系结构的组态软件。


图1 基于Web的组态软件的应用模型

基于Web的组态软件的应用模型如图1所示，在Web的三层体系结构中，浏览器的作用就是从网络上下载应用，负责提供图形用户界面GUI、工艺流程监控画面等，并提交客户请求及接收Web服务器返回的查询结果，完成系统组态功能。在完成数据库及控制回路组态后，Web服务器接收客户端发来的请求，和数据库服务器分别提供系统组态信息，系统运行过程中采集或产生的数据等信息。这样，系统就可以将组态数据及过程数据写入数据库。当用户需要申请有关数据时，最终在浏览器端得到相关的信息。
3 系统的总体设计
按功能类别不同，组态软件可分为以下若干个模块，如图2所示：图形界面模块、数据管理模块以及数据通信模块。



图2 组态软件结构图


3.1 图形界面模块
（1）图形界面模块的功能。在组态软件平台中，图形界面模块是用户执行监控职能的主要媒介。用户可利用图形界面模块提供的功能，根据监控现场的实况组态自己独特的监控画面，并配置相应的连接变量，实现中央监控系统同现场控制网之间的数据传递与共享。
图形界面模块主要包括以下几个部分：
•监控背景图生成、插入模块：此模块一方面提供二维建筑图与三维监控图之间的转换接口；另一方面，将生成的监控背景图以透明位图的方式插入到监控界面中。
•监控点组态模块：监控点组态模块主要完成监控点的显示和参数配置等功能。用户通过系统提供的子图库和绘图工具，将监控点图标插入到指定位置，
同时，配置监控点属性，包括基本属性的设计，如:监控点名称、图形属性；以及变量连接属性的设计，如:数据库变量的连接属性设置等。
•报警组态、显示模块：通过系统提供的工具设置每个监控点的报警类型和报警闽值，为系统报警提供基本参数。
•趋势图显示模块：系统提供监控点变量的趋势图显示功能，以便用户实时了解此监控点的数据变化趋势，及时采取控制措施。
•图形界面存储模块：当用户组态好监控画面时，系统可以将此组态结果进行存储，以便在需要时调用。
（2） 图形界面模块的设计。基于Web的组态软件的图形界面系统在图形动态显示方面提出了很高的要求。基于Web的组态软件的图形动态显示原理如图3所示，主要采用了JavaScript技术和Applet技术。


图3 图形界面模块结构图

JavaScript技术主要用于增强图形界面系统的人机交互功能，方便用户在浏览器上根据监控现场的实况组态自己独特的监控画面，并配置相应的属性变量。另外JavaScript技术还将用于对图形的处理过程，包括位图显示、图形定位等。而Applet技术则主要用于客户端的图形界面系统与应用服务器通信，实现中央监控系统同现场控制网之间的数据传递与共享。使用Java Applet小程序配合服务器端程序实现组态软件客户端以动画形式再现设备现场的状态。
3.2 数据管理模块的设计
组态软件的数据库部分是整个系统设计的核心，所有的监控数据都是通过数据库系统传递到中央监控系统中的，同时几乎全部的控制命令也是通过它发送到现场控制网络中控制现场设备的。
组态软件的数据库管理实际上包括实时数据库和历史数据库两部分，它们之间彼此独立又相互关联。
（1）实时数据库的设计。组态软件是一个实时计算机控制系统，存在大量的实时数据处理，一方面，过程物理量巡检任务将各物理量的值周期性地采集进来，周期性输出。采集进来的数据要进行各种处理，如报警检测、过程数据显示、参数列表显示等。为了减少内存开支，并减少各任务间数据交换，往往设定一个实时数据库，该区域被许多应用程序共享。从组态软件设计的角度来说，实时数据库是整个软件的核心。它的设计方法、数据的组织结构直接制约了整个系统的性能。


图4 实时数据库结构图

在实时数据库中，以“点”作为基本的数据对象，一个点由若干参数组成，系统以点参数为单位存放各种信息。点参数相当于关系数据库中的各个字段，一个点参数相应一个可被测量或控制的对象。
实时数据库结构如图4所示，在本系统的设计中，我们将具有相同特征的一类点抽象起来，定义了若干点类型。一种点类型就是一种点参数的组合。目前，系统中定义的标准点类型有：模拟I/O点类型、数字I/O点类型、控制点类型、运算点类型等。
为了完成对点的实时控制功能，通过对组态信息的分析，对实时数据库进行了功能上的划分，分为模块属性库，显示信息库，控制策略库。模块属性库用来存放用户组态的监控点属性信息，显示信息库用来存放监控点的实时数据，控制策略库用来存放系统的控制策略信息以及操作信息。
由于我们监控的智能建筑中需要监控的设备很多，每一个设备又有大量的参数需要监控。因此，为了管理与查找的方便，在设计中引入了单元和区域的概念。将每个子系统设为一个区域，将该区域中的监控点统一管理和显示。而将每个区域又划分为若干个单元，根据设备的运行将有关的设备划分为同一个单元。这样，就将数据进行了分层次的管理。
（2）历史数据库的设计。为满足实时性要求又保证数据的进一步处理以及统一管理等功能的实现，数据库系统除了以实时数据库为基础外，还必须建立功能强大的历史数据库，用于记录和保存各种事件记录和所有监控点的数据并可以根据历史数据库进行各类数据分析。
历史数据库中主要存储设备的监控点的运行值，由于智能建筑的需要监控的设备数量，种类，每个设备需要监控的参数数量都很多。历史数据库需要存储这些点的较长时间的运行数据，所以数据量是海量的。为了使用户能够在海量的数据中完成数据的快速查询和海量数据的存储，我们采用了SQL Server 2000作为历史数据库的开发平台。
具体的实现思路是：在应用程序中设置控件定时器，此定时器的定时周期属性由用户在组态时设置。当定时器定时到时，触发OnTimer()事件，此事件用来实现将实时数据库与历史数据库的连接功能，读入需转存的实时数据库中的数据信息，此时再打开历史数据库中的数据表，默认按追加的方式将数据信息追加到数据表中。
3.3 数据通讯模块的设计
组态软件的数据通讯模块起到中枢和主干的作用，它可以把中央监控系统同下层现场控制网，以及各种功能子网结合起来，建立起一条真正的信息高速公路，这是实现智能建筑系统集成目标的重要前提。可以说，组态软件的数据通讯模块就是各功能子网之间的综合信息平台，其主要用途包括：
从现场控制网获取数据，汇总到中央监控系统中，作为大厦监控系统的主要数据来源，并得出大厦运作情况的报告；将监控中心需要发布的各种信息和指令迅速传递到各个功能子网；提供统一的计算机通信平台，为各智能化系统相互之间的信息交换提供统一的通信系统。
数据通讯模块的设计涉及到两个方面，一方面是中央监控系统要能够实时地接收智能网关发送的现场数据信息，同时智能网关要能够不断的向中央监控系统发送数据；另一方面是能够将中央监控系统发送的控制命令传递到智能网关中，并由智能网关接收。智能网关一般是指运行在各功能子系统的工作站上的通讯程序，通过各功能子系统提供的数据接口，利用Socket套结字将采集到的各子系统的实时数据通过高速局域网传送到组态软件服务器上。



图5 数据通讯模块数据流图

系统中数据的传递过程如图5所示，具体的数据传递过程分为上下两个通道。先分析上行通道，当现场数据发生变化时，现场控制网通过网络应用程序向数据库系统发送连接请求，数据库系统接到这个请求后，向现场控制网发送应答信息，即同意接收数据信息，此时现场控制网将实时数据通过网络应用程序发送到数据库系统中，写入实时数据记录表。在写入数据的同时，数据库系统向监控界面发送一条数据库更新消息，监控界面接收到此消息后，按照变量对应关系，更新相应的监控点显示数据。
当监控界面向现场设备发送控制命令时，就涉及到数据的下行传输通道，其过程如下：监控界面系统将控制命令通过JDBC接口写入数据库系统中的控制命令记录表中，在现场控制网向数据库发送请求信息，数据库系统发送应答信息的同时，将此控制命令通过网络应用程序发送到现场控制网中，控制现场设备。
4系统的应用实例
4.1工程案例
结合一个智能建筑系统集成的工程案例，给出基于Web的组态软件具体的应用实现。广州国际轻纺城（又称凯华城）是一个大型的5A级智能化商城，其集成管理系统需要对中央空调、闭路监控、门禁控制、防盗报警等7个子系统进行管理，集成I/O点数达到5000多个。凯华城智能建筑集成管理系统需要利用基于Web的组态软件对这些监控点进行组态，使监控人员不需要进行繁琐的编程工作，就可以在基于Web的电子地图上再现监控现场的实时情况。
组态过程中，用户选择相应楼层平面的电子地图作为组态应用的背景后，利用组态软件提供的定位工具将代表监控点的现场设备的图元定位。定位完毕后，通过输入监控设备的参数，将这些图元与现场的监控点进行参数绑定以建立I/O表对应关系，然后将该I/O表对应关系存放到数据管理模块里面。



图6 组态软件运行界面


图形组态完成后，Web服务器程序通过数据通讯程序与现场设备基于TCP/IP进行Socket多线程通讯，获得监控点的最新状态信息。同时根据组态所生成的I/O点表关系，将用户正在浏览楼层电子地图上的监控点的状态信息以Socket通讯方式发送到远程的客户端以实时更新监控点的信息。组态软件运行时的界面如图6所示。
4.2 工程特点

（1） 以电子地图的形式实现对设备现场实况的再现。用户可利用图形界面系统提供的功能，根据监控现场的实况组态自己需要的监控画面；
（2） 提供组态图形与后台现场设备灵活的I/O映射关系，将监控系统的前端显示与后台信息交换逻辑剥离开来，大大提高了设备组态的效率；
（3） 提供开放的数据结构和灵活的数据采集方式，实现了常规组态软件所不具备的对CCTV闭路监控系统、报警系统等系统的组态功能；
（4） 基于Internet平台的访问方式，使用户足不出户就可以进行组态管理，提高了组态软件维护与管理的效率。
5结束语
基于Web的组态软件平台应用于建筑智能化系统集成在提高建筑智能化系统集成的品质、性价比、实用性、扩展性、开放性等方面都有着较大的意义。基于Web的组态软件使远程用户可以通过标准Web浏览器对设备现场组态画面的监测，并具有操作简单，维护方便等优点。Web平台提供的多层分布式应用模型以及它的平台无关性使得组态软件更具有开放性和灵活性，是理想的智能建筑系统集成的平台。

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