实时数据通信

获取实时数据是整个通风监测与预警系统的基础，为此需要对监控数据的转换和传输技术进行研究。数据的通信主要包括两个过程，即井下的实时监控数据与相应的布置信息传输到监控中心，三维数字通风系统根据相关数据转换协议访问监控中心数据库，实现通风监测的可视化。

不同的煤矿监控系统所采用的数据通信技术方式不同，目前监控系统采用的数据通信方式主要有串口侦听、数据库访问方式、文件交换方式、动态数据交换技术和OPC技术。串口侦听是早期许多监控系统较普遍采用的通信方式，由于可靠性和准确性低，现在应用得并不广泛。其余几种技术由于其特性不同，在煤矿监控系统的具体应用场合也各有差异，但这几种技术在互操作性、通信效率、通讯特性、可监控性、可配置性方面都表现出了一定的优势。

4．5．1　数据库的选择

无论使用何种工具开发数据库应用，数据库都是根本，那么选择哪种数据库就成为一个重要的问题。数据库系统发展到现今已经经过了三代，现有的数据库系统（RDBMS）很多，常见的有Oracle、Sybase、Informix、Ingres、SQLServer、Access、FoxPro等系统，它们基本都是关系型数据库系统。

Microsoft Access数据库包含在Microsoft Office中，是Microsoft公司出品的小型数据库软件。Microsoft Access可以在单一的数据库文件中管理所有的信息。在这个文件中，用户可以将自己的数据分别保存在各自独立的存储空间中，这些空间称做表。可以使用联机窗体来查看、添加及更新表中的数据，使用查询来查找并检索所要的数据，也可以使用报表以特定的版面布置来分析及打印数据。数据只需在表中存储一次，就可以在不同的地方查看。

当某一数据更新时，所有显示该数据的地方都将自动更新。Access具有数据库安全功能，当设置数据库密码时，打开数据库文件，只有密码输入正确，才能进入数据库，并能对数据库按字段进行升序、降序排列，还具有增加、删除、编辑数据库中的记录和字段，建立表与表之间的关系等功能。由此可见，Access数据库普及面大且简单易学，本书选用它作为矿井通风系统其附属结构物数据库的制作软件。

4．5．2　数据库的访问方式

数据库是管理大规模结构化数据存储的首选，对于煤矿系统也不例外，探讨数据库访问模式和机制是研究数据共享和服务的基础。微软在数据访问技术上先后推出了ODBC、DAO、RDO、OLEDB和ADO等多种模型，已经从最初对关系型数据库的访问扩展到对电子表格、文件目录、电子邮件、文本文件等数据源的管理，且功能、性能和易用性都得以逐步提高。

4．5．3　文件交换方式

文件交换是非结构化数据通信的主要方式，也是最直接和最简便的方式。文件交换的基本原理是使用文件共享协议，在两个需要交换文件的系统间建立共享目录，然后两个系统按照约定的格式、时间进行文件更新和读取，从而实现系统间的数据交换和共享。文件共享的协议可以根据具体的需求选择不同的模式，对于简单的局域网文件共享可以选取netbios文件共享协议，而在Internet环境下，可以选用ftp或者Web服务器模式实现文件共享。一般将共享目录建立在数据提供者所在的主机上，而数据访问者可通过相关协议进行文件下载或直接读取，其结构如图4－11所示。

图4－11　文件交换数据转换方法图

文件共享是以文件为单位的，因此一般不支持多用户的读写操作，当两个系统同时读写文件时会产生文件冲突，发生误读或数据不一致的问题。解决这个问题的基本方法是从时间上来避免两个系统的同时读写行为。一般采用两种方式：一种是将两个系统操作的时间分开，可以使用文件锁定或定时的方式，避免冲突。另一种可以将单位时间划分为若干时间点，不同的时间点操作不同的数据文件，数据的提供系统根据时间点写出不同的文件，数据用户依照规则读取文件，保证两个系统不会同时操作相同的文件。

使用文件交换方式的优势在于能够轻易将实时数据文件定时传送，数据交换时，只需读写监测系统的数据文件接入标准，不用解析监测系统的通信协议与外部端口的传输协议，适合在进行少量数据交换的局域网内使用。但文件交换的实时性较差，同时由于涉及到操作系统的目录管理和网络设置，因此其移植性和安全性略显不足。

4．5．4　动态数据交换

DDE（Dynamic Data Exchange，动态数据交换）是基于Windows消息的数据通信技术。DDE实现了进程间数据通信，因此提供了应用程序运行时直接进行数据交换的能力。它被广泛地应用于单机上的不同进程，用于网络上时则被称为NetDDE。应用程序的进程之间通过DDE数据交换完成DDE会话。DDE数据提供者通过DDE向共享数据区动态填充数据、命令或windows事件消息，DDE数据消费者使用消息机制感知共享数据的更新，然后接收数据，进而进行程序间的通信。DDE服务器程序是DDE数据提供者产生Windows程序数据，而DDE客户程序是为DDE数据消费者从服务器中读取数据而服务。在具体实践过程中，大多使用共享内存区遵循DDE协议完成DDE会话。数据消费者请求数据读取的过程称为DDE链接，主要有冷链接、温链接和热链接。在冷链接模式中，DDE数据更新不会主动通知，只有当客户提出了DDE请求，才会执行DDE数据传送。温链接则是主动通知数据更新但不执行数据传送，当客户机接收到数据通知后，再执行数据请求，获取最新数据。热链接则是数据服务者主动传送数据，它可以较好地保持数据交换双方的数据一致性。也就是说，一旦在应用程序进程间建立了热链接后，操作系统会自动更新客户端数据，完成数据的交换和共享。

NetDDE（Network DDE，网络动态数据交换）是实现在网络上的DDE形式，它实现了不同计算机上不同Windows应用程序进程间的实时数据交换。NetDDE为在位置无关的两个应用程序进程提供数据共享，并提供一定的安全机制。NetDDE的实现机制是：操作系统在后台运行网络映射内置模块，通过管理DDE函数模块交换的数据，实现数据到网络上计算机的映射，从而完成网络上进程间的通信，因此NetDDE也可以认为是DDE消息的路由器。NetDDE通过内置模块监控DDE数据交互，将发生在不同机器上的DDE交换过程通过网络传送。NetDDE作为单独的Windows服务进程运行，如果此服务进程被终止，则DDE不能完成数据传输。

NetDDE的使用需要获得NetBIOS的网络支持，同时，需要在DDE服务器上建立共享DDE变量，对服务器端的应用程序并不需要作任何修改。同时对NetDDE客户，需要配置交换所需要相关主题的服务器名字，并设置网络DDE服务器的位置。但是由于NetDDE是针对Windows工作组开发，因此要求双方在同一局域网内才能完成数据交换，这限制了NetDDE在Internet环境下的应用。同时，由于数据通信稳定性和接口配置的复杂性，在涉及到关键设备和工业过程控制中，NetDDE通信方式使用得并不广泛。

4．5．5　Winsock技术

Winsock技术就是Windows下网络编程的规范——Windows Sockets是Windows下得到广泛应用的、开放的、支持多种协议的网络编程接口。主要有以下部分组成：①套接口；②模型；③数据包；④函数关系。

Winsock是基于TCP／IP协议的应用开发接口，也是最基础的网络通信接口。Winsock用来在进程间完成数据通信，可以是同一机器的不同进程间，也可以是不同主机的进程间。Winsock构建的连接可以三部分来表示：主机IP地址、端口、服务类型（TCP和UDP）。通过屏蔽网络传输层以下的结构和协议，利用Socket程序开发人员可以基于流模式或报文模式完成数据通信。流模式采用TCP协议，是面向连接的可靠性数据传输模式，数据的传输有序，且无长度限制。报文模式采用UDP协议，这种方式是基于无连接的非可靠性数据传输协议，因此数据传输可能会丢失、重复或乱序，单个数据传输的大小一般有长度限制。

煤矿监控系统是以TCP／IP协议建立通讯网络。Winsock数据作为最简单、最方便移植的网络接口，数据连接时在服务器与客户双方处各分配一个端口，并将套接字绑定到分配端口上，从而建立起连接并完成数据通信。监控系统服务器和客户端、传感器通过直接Winsock建立连接，同时通过代理服务器与矿务局数据库服务器建立socket连接，以实现系统间数据的集成。

4．5．6　OPC技术

OPC（Object Linking and Embedding（OLE）for Process Control），对象链接和嵌入式过程控制）是一个工业标准，包括一整套接口、属性和方法的标准集，提供给用户用于过程控制和工业自动化应用。Microsoft的OLE／COM技术定义了各种不同的软件部件如何交互使用和分享数据，从而使得OPC能够提供通用的接口用于各种过程控制设备之间的通信。

复杂数据规范OPC技术的实现由两部分组成，即OPC服务器和OPC客户端部分。OPC服务器完成的工作就是收集现场设备的数据信息，然后通过标准的OPC接口传送给OPC客户端应用。OPC客户端则通过标准的OPC接口接收数据信息。其中数据访问规范提供给用户访问实时过程数据的方法；报警和事件规范提供了一种由服务器程序将现场的事件或报警通知客户程序的机制；历史数据存取规范用来提供用户得到存储在过程数据存档文件、数据库或远程终端设备中的历史数据以及来分析这些历史过程数据的方法。

在应用过程中，OPC服务器通常包括服务器对象、组对象和项目对象等几个对象。OPC服务器对象维护着有关服务器和适合于OPC组对象并作为一个容器服务器的数据信息，可动态地创建或释放组对象。而OPC组对象则维护着其自身的数据信息，并为容器和逻辑OPC项目提供运行机制。OPC项则表示了与OPC服务器中数据的连接。

OPC技术一般以COM／DCOM、OLE技术为基础，通常采用面向对象的软件开发统一的标准，主要以C／S模式为主。作为现阶段工业控制领域的标准数据集成技术，OPC基于COM构建，包括一系列接口、属性和方法，大大简化了系统现场集成方式，提高了系统集成的可靠性，解决了DDE应用于网络等系列障碍，提供了高效数据传输性能，并具备了分布式的安全性管理机制。目前，OPC接口已成为监控软件开发的一项必备接口，该技术也成为煤矿监控系统数据共享和集成过程中的重要通信技术。