基于串口通讯的闸站监控数据共享方案的设计与实现

蒋元中，金浪滨，汤杭森，张凯平

（杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

近年来，随着信息技术的飞速发展，计算机和网络技术已普遍被应用到各行各业中，以此来提升各自的建设和管理水平。在浙江水利“十三五”规划中也提到要以水利信息化带动水利现代化的发展，不断提升水利业务管理与公众服务的信息化水平，要求大力推进智慧水利和水利工程信息化建设。同时在水利工程标准化管理、河长制和湖长制等一系列制度全面推行的大背景下，浙江水利和信息化技术得到充分融合，一大批信息化应用平台应运而生，诸如水利工程标准化运行管理平台、河长制监管平台和湖长制监管平台等。

然而在平台开发初期，也遇到了一些困难。浙江省的水利工程之前由于缺乏统筹规划，在建设和管理中普遍存在自动化系统集成度低的现象。尽管开发出不少应用系统，积累了丰富的包括水情、工期、安全监测和闸泵监控等基础数据，但是各个系统缺乏统一的规划和标准，相互之间是独立的，系统间的数据管理分散、流通不畅、碎片化严重，形成很多“数据孤岛”。另一方面这些监控系统的安全性要求较高，一般都在局域网内运行。为了实现信息共享，一旦直接进入公网，极易遭受外部网络诸如病毒等威胁，导致系统安全性、可靠性得不到充分保障[1]。

为了实现水利信息化综合数据资源的互联共享，防火墙或者单向隔离网闸都可以有效解决平台间数据的安全传输问题。但是对于动辄几万元甚至十几万元的设备成本投入，使得本来经费就很少的基层水利工程管理单位有些望而却步。本文详细介绍基于串口通讯的数据传输技术在水利工程中的应用，只需开发一套串口传输软件即可实现数据的安全传输，为全省水利工程信息化平台建设提供参考。

2 工作原理

串行接口又称串口，通常指COM口，是计算机的标准接口，其应用相当广泛，主要用于数据和信息的交换与共享。采用串口通信，其成本较低，安全性比较高，不易受病毒入侵，对外界环境要求也比较低，操作比较简单，能保证通信传输的可靠性和安全性[2]。数据串口通讯传输技术在综合考虑数据传输安全性和经济可行性基础上，重点关注数据加密算法的采用、内外网数据传输的可定制性和系统运行时对网络数据流的监控3方面的内容，设计采用远程用户客户端，外网服务器接收端，内网服务器数据发送端的C — S（外网）— S（内网）的数据传输和使用模式，数据流向网络结构见图1。

图1 系统网络结构图

首先由内网服务器端对各个闸站的数据进行采集和记录，包括闸位、水位、闸门运行状态，泵组运行状态等。根据接收的数据标志信息，软件采用合适的算法把接收的数据调取并加密，等待发送到外网服务器端作进一步的处理，在内外网传输时，根据内外网隔离要求，不能采用常用的Tcp/Ip等网络协议，于是使用串口传输方式，将内外网服务器用串口线进行连接，使用的协议是Xmodem，并且可定制性的只传输所要求的数据，杜绝一些不安全的因素。

外网服务器端负责接收内网传输的数据，根据接收到的闸站数据信息对数据进行筛选、分类，以增加数据的可靠性、安全性；在传输过程中，外网服务器只负责接收并处理数据，同时将数据存入数据库中，防止数据的丢失。远程客户端经过安全验证后，可以根据需要调用外网服务器数据库中的闸站数据，进行各种信息化平台的定制展示。

3 闸站监控数据共享

以浙江省东部某闸站的标准化创建为例，该闸站在工程建设上，已经基本建成闸泵自动化监控、水文遥测、安全监测和视频监控等系统，但是信息化建设均由多家单位在不同时期开展，各个系统采集的数据不能有效整合到一起，也间接导致各系统功能得不到最大的发挥。

该闸站已建成的自动化监控系统能准确、可靠的实现闸门远程监控和管理，并在本地局域网内建立实时和历史数据库，记录水情、设备工况和运行状态等信息供管理单位调用、整理和分析。根据《浙江省水利工程标准化管理信息化建设总体设计方案要点》建设要求，其中明确要求充分利用现有科学技术手段，整合现有自动化监控系统，把闸站的监测监控数据融入到标准化运行管理平台上，实现水利工程的信息化、标准化和现代化管理。

3.1 串口传输的物理连接和设置

串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议，2台内外网数据服务器的RS232串口，采用DB9针母对母交叉线相连。DB9针串口线虽然是九芯，实际上只需使用三芯，分别为发送数据（TXD）、接收数据（RXD）和信号地（GND）3根信号线，3个针脚依次为第2、3、5针。由于串口通信是异步，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据，其他6针仅用于“握手”，所以不是必须的，可以不连接。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于2个进行通信的端口，这些参数必须设置正确。DB9交叉连接线的具体接线顺序见图2。

图2 DB9串口交叉线接线示意图

利用串口通讯传输数据，特别是自己手工焊接的串口线，使用过程中特别要注意接头是否有松动，焊接是否牢固。另外还需注意不要带电插拔接头，否则串口极易烧毁。

3.2 串口传输的软件实现

串口通讯数据传输软件分为发送端和接收端，分别运行在内网数据服务器和外网数据服务器上，2台服务器之间的数据交换采用串口通讯方式。软件基于Visual Studio平台进行开发，Visual Studio已经提供封装的串口功能模块和函数集，并且具有消息触发机制，实现起来相对容易实现。Visual Studio中串口均被虚拟成文件，读写串口首先要创建和串口相关联的文件，一旦文件建立后，就可以对其进行读写[3]。读文件是接收数据，写文件是发送数据，对应的函数分别是CreateFile（）和ReadFile（）。串口数据发送端和接收端见图3和图4。

图3 串口数据发送端图

图4 串口数据接收端图

发送端读取自动化监控系统存储在内网服务器数据库表中的数据，发送到接收端外网数据服务器中。接收端将数据同步到外网数据服务器的数据库中，同时接收端将外网数据服务器的存储情况反馈回发送端，发送端根据反馈的信息进行处理，最终实现两者数据库同步。

从软件的使用情况，系统已可成功将闸泵操作记录、运行记录以及水位开度数据传输共享到外网服务器的数据库中，且数据丢包率能控制在1%以下。

4 结 语

水利基础数据是建设综合性应用管理平台的基础，在当前大数据时代的背景下，有效数据信息的获取和整合尤为重要。数据串口通讯传输技术打破原有平台间“数据孤岛”的现象，为开发人员提供一个新的实现水利综合数据资源互联互通的途径。

目前，数据串口通讯传输技术已在浙江省多个水利工程标准化创建过程中得到应用，数据传输共享稳定可靠，大大促进信息化管理与标准化工作的融合，为全省水利工程标准化、信息化、现代化建设提供有力支撑。