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摘 要：本文介绍一种基于三级网络（互联网/局域网/总线网）的管理控制与数据采集（SCADA）技术-Econtrol网络控制技术。Econtrol网络控制技术有五个工作模式：ABCDE，即Alarm、Browse、Control、Design和Event
Logging。Econtrol网络控制技术解决了集中监控和互联网的随机监控问题，以及系统集成设计的问题。本文同时介绍基于这一技术开发的ETY2000小区与家庭智能化系统以及其设计原则，技术特点。
一、 介绍
近年来小区智能化和建筑智能化在中国成为一个热门的领域。尤其是小区智能化，已成为建设部产业出进中心列为优先发展的产业之一。像任何一个新兴的产业一样，小区智能化既带来了机遇也带来了挑战。小区智能化从用户角度看它带来安全、方便和物业的价值，从开发商角度看，它带来品牌效应、卖点，促进销售，从物业管理角度看，它提高管理水平降低管理费用，从政府角度看，它促进一个大的产业发展同时降低刑事案件。
小区智能化的核心是安防监控和信息管理，这可以从建设部《全国住宅小区智能化系统示范工程建设要点与技术导则》中看出。而安防监控和信息管理实际上是一项网络控制技术。笔者在国外学习工作多年，曾参加过国际知名的SCADA（Supervisory
Control And Data Acquisition，管理控制与数据采集）系统的培训，其重要的应用设计举例之一便是建筑智能化。一个完整的SCADA系统即可完成建筑智能化的几乎所有功能。然而SCADA是一个软件及网络系统当用到小区智能化时，它缺乏的是家庭部分的人性化监控主机，以及性能价格比方面的优势。本文介绍一种基于三级网络的网络控制技术-Econtrol网络控制技术，它同时包含了上层的网络软件和底层的控制主机，适用于小区智能化的实际需求。
二、EControl网络控制技术背景
控制技术起源于人们对机械和电器设备的精密操控，例如：发动机的速度控制。第二次世界大战及冷战时期，控制技术在军事和空间技术中得到广泛的发展与应用。同一时期人们试图将控制技术应用于传统工业领域。在控制技术应用于工业时，人们发现单台设备的控制已经不再是控制技术要解决的唯一问题，而整个工厂的设备监控和管理甚至成为比单台设备的控制更重要的需求。在这种需求下，SCADA（Supervisory
Control And Data Acquisition，管理控制与数据采集）系统应运而生，成为生产过程控制的必要工具。SCADA系统试图集成世界上各个不同厂家和品牌的PLC（可编程控制器）及传感装置，让工厂的生产流程集中于中央控制室。人们在中央控制室就可以操纵车间里的每台机器或反应器。SCADA系统是一个网络控制技术。它有以下几个特点：
* 远程实时数据采集
* 远程实时控制
* 远程实时报警
* 远程事件记录
* 现场系统设置和界面设计。
SCADA系统涉及的技术包括控制、通讯、网络、实时数据库及软件。SCADA系统对实时性的要求非常强。其最大特点在于它要求在一定的时间内通过网络系统一定要有响应。因此国际上的知名设备厂家（如西门子、ABB、Johnson、Honeywell等）在选择网络结构和方案时都相当谨慎。而不管是采用哪种网络结构和方案一般在布线和使用时均为专网方案。然而Internet的普及促使人们自然地想到这样一个问题：一个SCADA系统可否进一步的向广域网（WAN）扩展？一个很现实的应用就是智能楼宇和智能小区的应用。当控制终端设备是家中的电器或传感器时，住户希望能在办公室或出差在外时遥控家中，而作为小区的保安中心，它所需要的则是一个标准的SCADA系统，即一个集中的监控系统。而对智能小区这样的具体应用，由于楼房的分布性以及分期建设的特点，要求系统的网络软件有一定的柔性和分布性。
eControl网络控制技术采用工业控制总线、局域网和互联网相结合的网络拓扑（Network
Topology），工业控制总线和局域网之间用一个专有的网关（我们叫它ECG）连接。工业控制总线用来保证实时性、可靠性以及实现低成本，局域网增加系统的灵活性和分布性。每一台ECG网关实现对250个控制主机的实时监控和对上层管理数据库的联系。EControl的软件在局域网的部分实现了Web接口和分布性，从而使系统开放到广域网。ECG网关的设置同时使系统的扩展仅仅是增加ECG网关和对管理数据库的设定。
eControl网络控制技术实现传统SCADA管理控制与数据采集系统的全部功能，同时由于增加了Internet接口，以及分布式网络软件设计，其应用价值更加广泛。eControl网络控制技术是集合了Internet、嵌入软硬件、数据库、网络协议、网页设计等技术的完善的控制系统。
三、EControl网络控制技术的工作模式
Econtrol网络控制技术的系统工作原理如图1所示。在图一中我们以智能化小区为具体应用背景。做为一个通用技术，Econtrol网络控制技术还可以用于很多具体应用中，例如粮库的监控、楼宇的设备管理、机房监控、温室监控等等。从图1我们可以看出Econtrol系统以eCG网关为核心，使管理人员和住户主人与被管理控制的设备、数据源、信息源、状态和报警传感器等实现双向交互。Econtrol的底层有两种设备：家庭智能单元(EHIU)和小区控制单元（ECU）。这两个设备从应用角度看它们有所不同，ECU一般是一个直接数据采集控制器（DDC），而EHIU除了直接数据采集控制器的功能之外还应该有相当多的人性化设计和具体的本地应用场景的设计。但是从系统角度看这两个设备具有相同的工作方式，这就是Econtrol系统的基本工作模式，我们称之为ABCDE工作方式。
图1 ECONTROL网络控制技术系统工作原理框图
1） A（Alarm）报警监控：Econtrol系统的eCG网关服务器实时监测家庭智能单元eHIU、小区控制单元eCU等终端设备的报警状态。如果出现报警，服务器将通过局域网启动监控中心声光报警，在网络出现故障时通过拨打指定电话，由公共服务电话网络（PSTN）提供冗余报警通道。
2） B（Browse）浏览监视：eCG网关服务器提供Web服务器接口，通过任何一台互联网上电脑的通用浏览器浏览eCG网关服务器中的设备网页，了解传感器、数据源与执行器的状态。
3） C（Control）浏览控制：管理者和住户可以通过网页中设置的按钮或数据窗口控制执行器动作或给闭环控制系统设定新的参数。家庭住户也可以用电话（室内或室外）直接拨打家中电话来控制家电（底层软硬件实现）。
4） D（Design）客户化设计：客户化设计有两层意义。一是集成商可以根据用户需要设计全客户化的用户界面（网页）。
Econtrol系统使用“拖拉式”（drag & drop）设计标签（Tag），来标记安防传感器、被控电器的状态等实时信息点。设计标签在网页刷新时被实时替换为实际传感器或控制设备的图标。网页制作可以运用市场上任何成熟的网页制作软件（例如FrontPage2000）设计客户化的网页界面，满足不同用户的需求。一个网页用户界面可以集成来自同一个终端设备的全部参数，也可以是来自不同终端设备的同类参数。
客户化设计的第二层意义是在客户端远程可以对家庭智能单元eHIU进行设置。设置的内容包括eHIU中每一路传感器和执行器的工作方式、家庭自动化控制逻辑、电器名称、防区名称、使用方式、报警上下限值和报警方式等一系列设置。不同的设置，系统将会工作在不同的方式。系统集成商可以根据用户的需求在系统安装后进行集中设置。
5） E（Event Log）事件纪录：提供完善的事件记录和报表功能。Econtrol系统配备完善的数据库用于记录系统所发生的事件，如报警事件等，这对于管理控制系统是至关重要的。
Econtrol的网络结构由三级网络组成即总线网、局域网、广域网（互联网）。总线网用来保证实时性、可靠性以及实现低成本，局域网增加系统的灵活性和分布性，广域网实现Web访问。
四、EControl网络控制技术的软件结构
任何一项技术都离不开具体的应用，在这一部分我们将结合基于Econtrol技术开发的ETY2000家庭和小区智能化系统来介绍Econtrol技术的网络结构、上层软件结构以及嵌入式软硬件的设计原则和产品性能。Econtrol技术做为一个通用技术它可以很方便地应用于各种设备的监控。
要实现Econtrol的工作模式，系统的软件结构非常关键。Econtrol系统的软件流程如图2所示。从此图可以看出，本系统采用分布式结构。各个不同的计算机之间采用TCP/IP协议进行通讯。数据服务器（DS）是RS-485总线网络与IP网络之间的桥梁。各种DS之上的软件均通过它与底层的硬件进行通讯。工程师软件（EU）、Web接口（ECGI）、报警服务器（AS）是系统中默认的使用DS的软件模块。另外DS的TCP应用层协议还向高级用户开放，他们可以根据自己的需求研发上层的应用软件。
图2 . ECONTROL系统软件流程
AMR (Alarm Message Recorder)报警消息记录器
报警消息记录器所在的电脑连接在小区的以太网上，接受各ECG网关发送的报警信息，若收到消息，则与应答发送报警信息的ECG并记录到数据库。AMR一般安装在数据库所在的服务器上，也可以安装在局域网的其它地方。一个AMR可以同时记录256个ECG网关发来的报警消息。
APC (Alarm Process Centre)报警处理中心
报警处理中心连接在小区的以太网上，对数据库中的报警信息进行检索、定位和记录处理过程。APC一般安装在保安中心的电脑上，也可以安装在局域网的其它地方。一个系统中可以有多出同时使用APC。
SIM (System Information
Manager)系统信息管理器
系统信息管理器软件主要用于工程师配置系统参数。系统参数包括各EHIU的配置信息、楼宇信息、网关ECG的配置信息、报警类型设置信息、防区设置信息、保安员配置信息。
DS (Data Server)数据服务器
数据服务器连接RS-485总线网络和IP网络对客户端应用软件提供EHIU实时数据服务。DS安装在ECG网关服务器上。ECG网关服务器可以是NT/W2K/Win98。DS是一个多线程的TCP/IP服务器，因此建议使用NT或W2K。
AS (Alarm Server)报警服务器
报警服务器实时检测EHIU的报警状况和系统的故障状况，并主动向上AMR发送检查结果信息。AS中还有一个自动向拨号器发送电话号码和拨号指令的功能，从而提供报警的冗余设计。AS一般安装在ECG网关服务器上，也可以安装在局域网的其它地方。
EU (Engineer Utility)工程师软件
工程师软件用于EHIU的编程和系统联调。在系统联调时工程师软件是作为辅助工具使用的。它对单户进行通讯。通过它对系统的嵌入式软硬件进行设定可以使相同的硬件具有非常不同的行为。这就是我们前面提到的系统设计功能之一。
ECGI (Econtrol CGI)Web应用接口
ECGI用于提供对Web服务器的扩展，从而使用户能够浏览和控制EHIU所连接的设备。ECGI提供网页设计所需的标签使客户化设计成为可能。这就是我们前面提到的系统设计功能之一。ECGI一般安装在ECG网关服务器上，也可以安装在局域网的其它地方。
上层软件的工作原理如下：AS报警服务器，通过DS进行快速查找报警节点和轮巡设备状态。同时具备报警仿真和电话拨号报警功能，还能够对网页的开放时间进行管理。在正常的巡回检测状态，系统仅检测默认的节点是否丢失和有否报警。AS与两个软件使用TCP/IP协议进行通讯，即AMR报警信息记录器和DS数据服务器。AS通过DS首先巡回检查快速报警组，当一个组中没有报警后，便继续检查下一组。当一个组中有报警时，AS将进一步检查具体是哪一个节点和哪些防区有报警。这些信息将被放进一个信息报中向AMR发出。AMR收到这个信息报后将会发一个收到信息报的应答信息给AS。AMR将收到的信息经过解析后写入数据库。这一过程一般需要1~2秒的时间。
AS基本上是后台工作的软件，其视窗界面的设计主要是为了现场工程调试的方便。现场工程师不需要安装和调试数据库和APC即可用AS来完成与家庭智能单元有关的调试工作。而且实际中数据库和APC的安装机器往往与AS安装的机器不是一台计算机。如果一个系统只有在所有软件都安装好后再调试是不合理的。ETY2000系统的设计思想是从下往上调试。首先用DS现场工程师可以查找实际节点。这之后现场工程师可以用EU（通过DS）来设置和调整EHIU。使用AS现场工程师可以进一步调试整个与ECG网关连接的所有EHIU的报警状况。
五、嵌入式软硬件
嵌入式软硬件一般都是面向具体应用的，然而前面已提到我们的EHIU软硬件是具有可编程能力的装置，应此EHIU软硬件可以做为一个通用的监控主机使用。尽管如此，在这里我们仍然以小区及家庭智能化为例来介绍Econtrol的嵌入式软硬件特点。在小区及家庭智能化的具体应用中，除了一般的AI/AO、DI/DO以外，嵌入式软硬件还必须面向人性化和面向市场定位来进行设计。Econtrol的嵌入式软硬件的设计原则有以下几个：
1） Rock Solid（象岩石一样结实）-
可靠性原则
2） Dirty Cheap（跳楼价）- 市场定位原则
3） Dummy Simple（易于最终用户使用）-
人性化原则
上面的三个原则都是所有面向家庭的系统必须掌握的原则，例如电话、电视、VCD等。可靠性原则要求机器不会经常死机，人机接口无论如何操作都不会使系统出现异常，所有的与外围设备的接口均有过流保护，系统在高低温下均可正常工作等。这些要求对系统的软硬件设计来说是相当高的。对硬件设计要求尽量采用经过验证成熟的电路。对软件设计要求其数据结构和实时系统内核也是经过验证成熟可靠的。Econtrol的嵌入式软硬件的基础是作者从澳大利亚带回来的，其原始应用是各种工业级数据采集与监控系统。在这个基础上我们又尽量采取保守设计的原则进行面向具体应用的改造，因此我们有理由认为可靠性原则得到了很好的贯彻。
市场定位原则要求对硬件的成本控制，面向家庭用户的产品总是存在市场推广的问题。Econtrol的嵌入式软硬件的市场价格应该在一千元到两千五百元人民币之间才是容易被接受的。而降低成本的与强大的功能是相互矛盾的。我们采取了几项措施来取得成本与功能的合理协调，1）采用较为优秀的处理器；2）尽量地集成多的功能在一块板上；3）在不影响系统性能的情况下尽量用软件实现某些功能。实际上这些要求反过来要求嵌入式软件的数据结构和实时系统能核要优秀。
人性化原则要求系统容易操作符合多数人的生活习惯。它主要是系统的人机接口和自动功能要本地化和合理化的问题。手机的人性化和电脑软件的人性化在市场上做得最为出色。对于面向普通大众的产品人性化做的如何实际上直接决定了产品是否被认可的程度。Ehiu的无线滚码遥控、放心设防提示、
EL背光LCD显示、数字键盘、按键声音提示、更改密码、五种控制渠道（手动控制、电话控制（语音提示）、面板控制、Internet控制、自动控制）、四种设布防方式（无线滚码遥控、面板、电话、Internet）等功能均是为了面向普通家庭用户而做的人性化设计。
图3 Ehiu主板及外设框图
Ehiu的硬件框图如图3所示。
而嵌入式软件所实现的功能在下面列出。
八防区报警监控
*
接驳防盗报警（门磁、红外等）、煤气泄漏、烟感、紧急按钮等各类安防传感器；
* 智能报警逻辑确认有效报警，删除误报；
* 匙扣型无线遥控器，设有“离家”、“在家”、“部分”以及“紧急呼救”按钮；
* 报警防区防拆和防短路功能；
*
报警逻辑和防区属性、防区名称可远程设置；
*
快速报警分组，可大大提高系统的报警巡检速度
八路家电控制 + 八路电器设备状态反馈
* 接驳红外（IR）遥控类（空调、电视等）和开关控制类家用电器；
* 具有红外遥控器学习能力
* 具有8路家电状态反馈，系统总是真实反映电器状态；
*
多种用户介入方式：浏览器遥控；室内电话分机集中控制；室外电话或手机遥控；显示键盘控制；手动开关联动控制；自动控制
*
介入方式、电器名称、以及反馈控制方式远程设置；
*
防跑水自动控制；家中无人水在流将自动关掉水阀，回家时自动打开；
* 安防录像自动控制；可用于录像监控；
*
火警传感器复位自动控制；适用于某些不能自动复位的火警传感器；
*
进家开电器自动控制；可用于进家时自动打开厅灯；
*
电池管理自动控制；保护电池延长电池寿命；
* 防区可触发自动控制；可用于吓退；
*
报警可触发自动控制；可用于报警控制联动；
*
反馈可触发自动控制；可用于光控窗帘等；
四路抄表
* 记数脉冲宽度符合国家标准；
* 防断路检测；
* 表的初始值和单位脉冲数可远程设置；
* 二级数据存储：本地存储和集中存储；
家庭留言板与小区信息广播
* 全中文简化汉字界面（8000字库）；
* 来信提示；
* 小区集群广播或对户单点留言；
可用于催费通知；
* 远程家庭留言；
六、结论
综上所述，Econtrol网络控制技术有以下几个创新之处：
1） Econtrol网络控制技术是一个完整的基于三级网络结构的系统，其所涉及的技术领域包括嵌入式软硬件、通讯、TCP/IP协议、数据库、Internet、自动控制、安防等领域，是一个庞大的系统。
2） Econtrol网络控制技术有效地平衡了功能和成本的矛盾，使得市场化成为可能。
3） Econtrol网络控制技术有效地解决了安防系统的误报这一安防产品的普遍问题。
4） Econtrol网络控制技术有效地解决了家电远程控制的信息反馈和红外遥控器的现场学习问题，使家电远程控制真正走向实用化。
5） Econtrol网络控制技术有效地结合了宽带网的灵活性与总线网的实时性，即保证了安防等实时系统的要求又提供了利用小区局域网实现系统灵活设置的方便。
6） Econtrol网络控制技术有效地解决了系统分布式、可编程、及对互联网的开放问题，用ECG网关来隔离实时的总线网和相对开放的局域网/互联网便于解决网络的安全性问题。
7） Econtrol网络控制技术提供用户方便的接入方式和本地功能，使得它即可以用于小区，又可以用于单户/别墅的应用。
实现控制、嵌入式软件、通讯、网络、应用软件、数据库、Internet等多项技术的融合，使Econtrol系统在应用方面带来了新的突破。例如，通过互联网浏览器和电话，通过点击网页图标和语音提示控制家中的空调，并在网页和电话中实时反馈空调的状态，这在国际上尚不多见相关产品。包括日本松下、日立，韩国三星，美国霍尼维尔等公司都在向这个方向努力，但尚未见到有产品问世。国际上后PC时代的提出实际上就是要使Internet的现实应用逐渐推向与虚拟应用同样重要的位置。Econtrol的应用必将为推动这一发展做出自己的贡献。
多技术集成提高了技术的门槛。在通常情况下，分类的产品较多，例如仅安防产品在市场上的国外产品就不下十几种，而单独的抄表也很多。但是安防产品一般网络的功能都较差。目前市场上做家庭控制和信息广播的产品尚不多见。而将以上的几项又集成到一个家庭主机中的就不多见了。多技术集成降低了设备成本和集成成本。给集成商及最终用户带来好处。 |
