DB43_T 2765-2023大坝安全监测数据通信规约.pdf
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1、DB43/T2023 276543湖南省地方标准ICSCCS 27.140P 59发 布湖南省市场监督管理局2023-09发布-272023-12实施-27大坝安全监测数据通信规约Transmission protocols for dam safety monitoring dataDB43/T 27652023 I 目 次 前言 1 范围 1 2 规范性引用文件 1 3 术语、符号和代码 1 4 总则 3 5 监测系统基本构成 3 6 通信与传输 3 7 监测站(遥测终端)通信规约 6 8 平台通信规约 11 9 巡查终端通信规约 15 10 通信安全 15 附录 A(规范性)采集设备、智
2、能传感器和其他监测设备的寄存器功能和地址表 16 附录 B(规范性)大坝安全监测元素信息标识符定义 19 附录 C(规范性)传感器类型代码 25 附录 D(规范性)监测类型代码 26 附录 E(规范性)传输状态代码 27 DB43/T 27652023 II DB43/T 27652023 III 前 言 本文件按照 GB/T 1.12020标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由湖南省水利厅提出并归口。本文件起草单位:湖南省水利水电科学研究院、长江水利委员会长江科学院、中电科新防务技
3、术有限公司、湖南省科宏大坝监测中心有限公司。本文件主要起草人:王祥、梁经纬、伍佑伦、宋子龙、吴苏、喻成、黄跃文、潘志德、姜楚、毛索颖、赵毕坚、李璐、韩振宇、朱渊、陈迪、杨媛丽、任朝栋、范泽中、王钦。DB43/T 27652023 IV DB43/T 27652023 1 大坝安全监测数据通信规约 1 范围 本文件规定了大坝安全监测系统的数据传输网络方式、链路协议、数据通信规约等技术要求,给出了大坝安全监测数据传输规约类标准的编制依据。本文件适用于水利部门主管的水库大坝安全监测系统的信息采集和传输,其他部门管理的水库可参照执行。2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件
4、必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T 2260 中华人民共和国行政区划代码 GB/T 28181 公共安全视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求 GB/T 33745 物联网术语 GB/T 33905.3 智能传感器 第 3 部分:术语 GB/T 50095 水文基本术语和符号标准 SL 26 水利水电工程技术术语 SL/T 213 水利对象分类与编码总则 SL 268 大坝安全自动监测系统设备基本技术条件 SL/T 292 水利系统通信业务技术导则 SL 551 土石坝安全监测技
5、术规范 SL 601 混凝土坝安全监测技术规范 SL/T 651 水文监测数据通信规约 SL 766 大坝安全监测系统鉴定技术规范 SL/T 803 水利网络安全保护技术规范 SL/T 812.1 水利监测数据传输规约 第 1 部分总则 GM/T 0008 安全芯片密码检测准则 3 术语、符号和代码 3.1 术语和定义 GB/T 50095、SL 26、SL/T 812.1 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1.1 监测平台 monitoring platform 承担水库大坝安全监测数据的接收、解析、处理、储存、转发、交互的信息化平台。DB43/T 27652023 23.1.2 监
6、测站 monitoring station 为收集监测数据而在水库特定区域设立的,能按照预设指令或远程控制指令自动完成数据采集、存储、处理、传输等功能的设备集合。3.1.3 视频监视站 video station 指监控摄像头、监控网络、监控主机和显示设备集合的总称。3.1.4 预警站 warning station 指安装有声、光报警装置的站点,依据指令或监测监视情况发出安全预警信息。3.1.5 采集设备 acquisition device 指按某种数据采集方式进行数据采集的设备,具备传感器信号的采集、处理、储存、传输等功能,如智能传感器、信号处理模块、多功能信号采集仪等设备。3.1.6
7、监测要素 monitoring essential 指通过监测采集设备获取的库水位、雨量、温度、渗压、渗流量、位移、应力、应变、视频及图片等监测数据或信息。3.1.7 信息元素 information elements 特指描述具体大坝安全监测要素(参数)属性及其情势物理量的信息体。本文主要指大坝安全监测要素(参数)、监测站、视频监视站等设备运行参数。3.1.8 一体化监测设备 integrated monitoring equipment 指集监测数据感知、采集、处理、传输及供电等多种功能于一体的监测设备,可直接与监测平台通信。3.2 符号和代号 GB/T 50095、SL 26 等标准界定
8、的以及表 1 的符号、代号和缩略语适用于本标准。表 1 符号、代号和缩略语 序号 符号、代号 内容 1 GNSS GNSS(Global Navigation Satellite System)即全球导航卫星系统,它泛指所有的卫星导航系统,包括全球的、区域的和增强的,如美国的 GPS、俄罗斯的 GLONASS、中国的 Beidou、欧盟的 Galileo 等 2 NB-IoT NB-IoT 窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接,也被叫作低功耗广域网(LPWAN)3 DRX DRX 非连续接收(Discont
9、inuous Reception),是指终端仅在必要的时间段打开接收机进入激活态用以接收下行数据,而在剩余时间段关闭接收机进入体眠态,信止接收下行数据的一种节省终端电力消耗的工作模式 DB43/T 27652023 3 4 总则 各级各类水库大坝安全监测系统的设计与建设以及相关设备的生产制造应符合本文件的规定。采集设备、监测站接口及数据通信协议应符合数据采集通信规约,监测站、视频监视站、预警站、巡查终端与监测平台之间的数据传输通信协议应符合报文传输规约。大坝安全监测系统涉及的仪器设备产品制造除应符合本文件规定外,还应符合相应国家标准、行业标准的要求。5 监测系统基本构成 大坝安全监测平台监测站
10、巡查终端设备平台通信规约GB/T28181API接口协议视频监视站预警站TCP/IP巡查终端通信协议预警设备采集设备(MCU)视频摄像头智能传感器采集通信协议 图 1 监测系统基本构成 监测系统应采用扁平化组网方式,所有监测站、视频监视站、预警站、巡查终端等通过监测平台接收、解析、处理、储存、转发、交互数据信息及指令。监测站、视频监视站、预警站、巡查终端等与监测平台之间的通信方式主要有有线网络、无线局域网络、4G/5G、卫星通信、北斗短报文等。已建的监测系统或监测中心站宜采用 API 接口与上级监测平台进行数据及功能交互。传感器应先接入采集设备进行信号转换,再将数据传输至遥测终端;智能传感器可
11、直接接入遥测终端;一体化监测设备可直接与监测平台通信。6 通信与传输 6.1 一般规定 6.1.1 网络通信对象包括采集设备、监测站、视频监视站、预警站、巡查终端、监测平台。6.1.2 监测站与监测平台间宜采用有线网络或 4G/5G 通信;不具备以上通信条件的,可采用北斗短报DB43/T 27652023 4文或卫星通信。监测站(遥测终端)应具备多通道通信功能,宜采用主、备通信方式。6.1.3 具备 NB-IoT 通信条件的,宜采用低功耗 NB-IoT 遥测终端或采集设备通信。6.1.4 采集设备的通信协议不应采用私有协议。6.1.5 视频、图片传输宜采用有线网络或无线中继网络;不具备以上网络
12、条件的,可采用 4G/5G 通信。有视频汇集的站点,宜采用有线网络。6.1.6 视频传输宜采用 GB/T 28181 协议;图片传输宜采用 FTP 协议。6.2 采集设备与监测站 6.2.1 通信模式 6.2.1.1 采集设备与监测站的通信可分为串口通信、有线网络通信以及无线通信三种模式,分别符合以下规定:a)串口通信模式,应采用 MODBUS-RTU 协议,可选用 RS-485/422、RS-232 等接口,宜采用 RS-485接口。b)有线网络通信模式,宜采用 MODBUS-TCP 协议,可选用 RJ-45 接口标准或 SC 光纤接口标准,宜采用光纤接口。c)无线通信模式,宜采用 2.4G
13、、ZigBee、蓝牙、LoRa 等通信方式,采用透传模式。6.2.1.2 单个设备采集时间不应大于 5 秒,监测站(遥测终端)采集时间不宜大于 5 分钟。6.2.2 传输规则 6.2.2.1 链路上所有设备的传输模式和串口通信参数应相同;同一链路上,主站连接从站数量不应大于 32 个。6.2.2.2 基于 MODBUS 协议的链路传输规则依据 SL/T 812.1 有关规定执行。6.3 监测站与监测平台 6.3.1 传输模式 6.3.1.1 监测站(遥测终端)与监测平台间一般采用 M1-M5 传输模式,具体依据 SL/T 812.1 规定执行。需进行数据中转的,宜采用 M6、M7 传输模式。传
14、输模式分类见表 2。表 2 传输模式类型 模式代号 模式种类 适用工作模式 适用信道 M1 发送/无应答 自报式 单向或双向通信 M2 发送/确认 自报式 双向信道 M3 多包发送/一次确认 自报式 双向信道 M4 查询/响应 查询应答式 双向信道 M5 查询/多包发送响应 查询应答式 双向信道 M6 IoT 平台发送/确认 自报式 双向信道 M7 IoT 平台查询/响应 查询应答式 双向信道 DB43/T 27652023 56.3.1.2 监测站(遥测终端)采用卫星通信、NB-IoT、LoRa 等窄带网络及北斗短报文通信的,宜采用M3、M5 传输模式。6.3.1.3 M6、M7 链路传输模
15、式应符合下列规定:a)M6,遥测终端发送报文通过 IoT 系统中转,IoT 系统将收到的报文推送至监测平台,监测平台验证报文数据是否正确后按照 IoT 系统协议响应报文,IoT 系统再将收到的响应报文转发到遥测终端。发送过程中,若超过 15 秒未接收到监测平台的响应报文,按照丢包方式处理。M6 自报式报文传输链路见图 2。图 2 M6 IoT 平台发送/确认传输模式 b)M7,DRX 通信方式下,监测平台向遥测终端发出查询请求报文,IoT 系统等待遥测终端接收成功后,IoT 系统回复消息;若遥测终端接收的请求报文正确,则发送响应帧;请求报文无效,则发送“错误代码”否认帧,监测平台收到后重发查询
16、请求。M7 自报式报文传输链路见图 3。图 3 M7 IoT 平台查询/响应传输模式 6.3.2 传输规则 6.3.2.1 通信超时处理应遵守下列规定:a)有线通信或 4G/5G 通信模式下超时等待时间一般为 30 秒,短报文通信、卫星通信、NB-IoT通信模式下超时等待时间一般为 300 秒。b)发起端在规定时间内未收到响应报文,应按超时出错处理。c)监测平台对新建立连接的遥测终端发送的报文,报文格式错误或鉴权无效,则回复“错误代码”否认帧;累计超过 2 次,监测平台断开与遥测终端的连接。d)自报式工作模式中,遥测终端发起多包报文传输时,监测平台接收第 2 包及以上报文,应等待到超时退出。e
17、)查询应答式工作模式中,遥测终端收到查询请求并响应报文后,监测平台响应正确报文,进入下一个进程;否则进入超时重发机制。报文重发机制见图 4。DB43/T 27652023 6 图 4 报文传输重发机制 6.4 视频监视站与监测平台 6.4.1 传输规则 6.4.1.1 视频监视站(摄像头)与监测平台应采用 TCP 协议,并具备定时报和远程唤醒功能。视频传输应符合 GB/T 28181 要求。6.4.1.2 报文传输模式应采用 M1、M2、M4 模式。6.4.1.3 图片上传应采用FTP 协议;监测平台应检验图片文件上传情况,上传失败的应下发图片重传指令。6.5 预警站与监测平台 6.5.1 传
18、输规则 6.5.1.1 预警站可与监测站或视频监视站整合。预警站宜具备多路报警通道,灯光和音频通道应独立控制。6.5.1.2 预警站应监测报警设备工作状态,包括报警功率、音频工作分贝、灯光状态等。6.5.1.3 预警站应发送链路报,每日自检一次,自检后发送定时报。6.6 巡查终端与监测平台 6.6.1 传输规则 6.6.1.1 巡查终端与监测平台应采用 API 方式传输内容,通过国密加密算法进行加密传输。6.6.1.2 API 宜采用 REST 协议、JSON 格式传输;调用接口时,应进行身份验证或鉴权。7 监测站(遥测终端)通信规约 7.1 MODBUS-RTU 通信 7.1.1 MODBU
19、S-RTU 帧字节结构 7.1.1.1 通信波特率采用 9600bps;帧字节结构为 1 个起始位“0”,8 个数据位,1 个偶校验位,1个停止位“1”;低位在前,高位在后,每个字节从左到右顺序发送。表 3 MODBUS-RTU 帧字节结构 起始位 8 个数据位 校验位 停止位“0”D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 偶校验位“1”DB43/T 27652023 77.1.2 MODBUSRTU 报文帧 7.1.2.1 报文帧结构应符合下列规定:a)报文帧包括 1 字节设备地址,1 字节功能码,0 到 252 字节数据,2 字节 CRC 帧校验码,帧最大为 256 字节,报文帧由时
20、长至少为 3.5 个字节时间的空闲间隔区分。表 4 MODBUS-RTU 报文帧结构 起始 设备地址 功能码 数据域 CRC 校验 结束 3.5 字节 1 字节 1 字节 0 252 字节 2 字节 3.5 字节 b)CRC 校验采用 16 位循环冗余码 CRC16 反向校验,帧校验码前所有信息字节参与校验计算,生成多项式为:1+X2+X15+X16,CRC 传输低位字节在前、高位字节在后。7.1.2.2 设备地址占用 1 个字节,地址可用区间为 00HFFH,其中 00H 和 01H 默认为广播地址,自定义的地址区间为 02HFFH。7.1.2.3 MODBUS 通信规约常用功能码规定见表
21、5。表 5 MODBUS 常用功能码规定 功能码 名称 作用 0 x03 读取保持寄存器 读取数据 0 x06 写单个保持寄存器 配置功能/写入数据 0 x10 写多个保持寄存器 配置功能/写入数据 7.1.2.4 MODBUS 数据域为主、从设备间通信的数据,包括寄存器地址、寄存器数量、数据长度、寄存器值、异常功能码等;数据域从左向右,高位字节在前,低位字节在后。7.1.2.5 设备的寄存器地址应符合以下要求:a)寄存器地址为 1000H2FFFH,可用的寄存器数量总数为 8096 个。b)寄存器地址由 2 个字节组成,第 1 个字节数据范围为 102F,第 2 个字节数据范围是 00FF。
22、其中,第 1 个字节对应从设备类型,第 2 个字节对应从设备的数据寄存器类型。设备类型与寄存器地址的第 1 个字节形成映射关系见表 6。表 6 MODBUS-RTU 通信的寄存器地址 接入仪器设备类型 第一个字节 采集设备(MCU)1011 GNSS 12 视频图像处理设备寄存器 13 其他设备或智能传感器 14 预留 152F c)MODBUS-RTU 通信中每个寄存器地址存放 2 个字节数据,其数据长度依据数据类型决定。其中,ASCII 数据类型是按照 ASCII 码十六进制格式存放,以表示对应的 ASCII 码表字符。如 ASCII数据“3131313131313131”,表示字符:“1
23、1111111”。d)采集设备寄存器功能和地址分配根据采集类型不同,应符合附表 A.1A.2 规定。GNSS 设备寄存器功能和地址分配应符合附表 A.3 规定。视频图像处理设备的寄存器功能和地址分配应符合DB43/T 27652023 8附表 A.4 规定。从设备为智能传感器或其他设备时,其主要寄存器功能和地址分配应符合附表A.5 规定。7.1.2.6 当采集设备响应异常时,应发送异常功能码。异常功能码列表见表 7。表 7 异常功能码列表 代码 功能 01 非法功能 02 非法数据地址 03 非法数据值 04 从站设备故障 7.2 MODBUS-TCP 通信 7.2.1 MODBUSTCP 报
24、文帧结构 7.2.1.1 MODBUS-TCP 与 MODBUS-RTU 通信协议类似,通过 MODBUS 寄存器地址来交换数据,仅在硬件接口、报文帧结构等方面有差异。报文帧结构对比见表 8。表 8 MODBUS 报文帧结构对比 协议类型 MBAPB 报文头 地址码 功能码 数据域 CRC 校验 MODBUS RTU 无 有 有 有 有 MODBUS TCP 有 无 有 有 无 7.2.1.2 MODBUS-TCP 采用专用的 MBAP 报文头识别 MODBUS 应用数据单元,有 7 个字节,分别是传输标志 2 个字节、协议标志 2 个字节、后续字节长度 2 个字节、单元标志 1 个字节。表
25、9 MODBUS-TCP 数据结构 域 长度 描 述 MBAP 报文头 传输标志 2 个字节 标志 MODBUS 请求/响应的传输,默认为 0000H 协议标志 2 个字节 默认为 0000H 长度 2 个字节 接下来的数据长度 单元标志 1 个字节 设备地址 功能代码 1 个字节 与 MODBUS-RTU 功能码一致 数据域 X 个字节 数据 7.3 MODBUS 报文格式 7.3.1 查询数据:功能代码为 03H,实现查询-应答功能,主设备发出查询数据帧,从设备返回响应数据帧或错误指示帧。表 10 主设备发送的报文格式 序号 名称 字节数 说明 1 从设备地址 1 00FFH DB43/T
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