基于ＧＰＲＳ的無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)的研究和設計

祁耀斌　韓亞東

摘要：文章設計了一種基于GPRS的無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)，闡述了其軟硬件實現(xiàn)及其應用。使用GPRS網(wǎng)絡作為無線傳輸網(wǎng)絡，通過TCP/IP協(xié)議進行上位機和現(xiàn)場機之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)具有分布范圍廣、自動化監(jiān)控、實時數(shù)據(jù)傳輸、費用低廉等特點，特別適合突發(fā)性且頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸。

關(guān)鍵詞：GPRS；TCP/IP；無線遠程監(jiān)測；系統(tǒng)設計；數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）15-0003-02

隨著科技的飛速發(fā)展和人類需求的不斷增加，監(jiān)測系統(tǒng)在人們的生產(chǎn)和生活中扮演著越來越重要的角色。目前的監(jiān)測系統(tǒng)主要是基于有線通訊方式，但是對于地處偏遠和分布分散的監(jiān)測目標采用有線方式顯然不經(jīng)濟。鑒于此，本文設計了一種基于GPRS的無線監(jiān)測系統(tǒng)。

GPRS是通用分組無線業(yè)務（General Packet Radio Service）的英文簡稱，是一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務。作為第二代移動通信向第三代過渡的技術(shù)，GPRS與現(xiàn)有的GSM語音系統(tǒng)最根本的區(qū)別是，GSM是一種電路交換系統(tǒng)，而GPRS是一種分組交換系統(tǒng)。因此，GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。相對原來GSM的撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS是分組交換技術(shù)，具有“實時在線”、“按量計費”、“快捷登錄”、“高速傳輸”、“自如切換”的優(yōu)點。

一、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于GPRS的遠程監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場機系統(tǒng)、GPRS移動通信網(wǎng)絡和遠程監(jiān)測中心三部分組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場機系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集設備和GPRS DTU（GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元）兩部分組成，數(shù)據(jù)采集設備負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，然后由GPRS DTU通過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。GPRS網(wǎng)絡為現(xiàn)場機系統(tǒng)和監(jiān)測中心提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，它支持TCP/IP協(xié)議。監(jiān)測中心由以下部分組成：一臺接入GPRS網(wǎng)絡的PC機作為前置機，負責接收GPRS DTU傳輸過來的數(shù)據(jù)；一套雙機備份的服務器系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)的存儲和管理；若干監(jiān)測臺，裝有監(jiān)控軟件，用于對現(xiàn)場設備的監(jiān)測。以下我們詳細介紹這兩部分的構(gòu)成。

二、系統(tǒng)硬件設計

（一）GPRS DTU

由上一節(jié)的介紹我們可知現(xiàn)場機系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集設備和GPRS DTU兩部分組成，由于不同的監(jiān)測目標所需的數(shù)據(jù)采集設備也不同，這里我們主要介紹GPRS DTU的設計。

該GPRS DTU主要由微處理器單元、GPRS通信模塊單元、電源單元以及JTAG接口單元組成，硬件框圖如圖2所示：

圖2GPRS DTU硬件結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)終端采用了基于ARM核RISC結(jié)構(gòu)的LPC2210微處理器。通過GPRS通訊模塊，進行基于GPRS網(wǎng)絡的移動數(shù)據(jù)通信；擴展了Flash程序存儲器和SDRAM，F(xiàn)lash存儲器可存放已調(diào)試好的用戶應用程序、嵌入式操作系統(tǒng)或其它在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等；串口通訊模塊用于調(diào)試及與終端設備進行通信，JTAG接口可用于對芯片內(nèi)部的所有部件進行訪問，通過該接口可對系統(tǒng)進行調(diào)試、編程等；另外，還有電源單元等。LPC2210使用UART1口與GPRS模塊連接，并通過向GPRS模塊發(fā)送AT命令來控制其工作。

（二）遠程監(jiān)測中心

遠程監(jiān)測中心包括前置機及其數(shù)據(jù)接收軟件，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，若干監(jiān)測臺。前置機將接收到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中保存，然后數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行處理、分類、存檔。監(jiān)測臺從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，并通過監(jiān)控軟件做出相應響應。

監(jiān)測中心以無線方式接入GPRS網(wǎng)絡，其IP地址和ISM卡號綁定。監(jiān)測中心具有GPRS內(nèi)網(wǎng)的靜態(tài)IP地址。此種方案客戶需先與移動申請APN專網(wǎng)業(yè)務。移動為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN。得到APN后，給所有監(jiān)控點及中心分配移動內(nèi)部固定IP。監(jiān)測中心采用主副兩個GPRS-DTU作接收端，冗余備份，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。其接入方案如圖3所示：

圖3監(jiān)測中心接入方案圖

三、無線數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)

本系統(tǒng)現(xiàn)場機和監(jiān)測中心上位機之間采用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，雙方在數(shù)據(jù)傳輸前建立握手，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠。系統(tǒng)運行時，先通過LPC2210向GPRS無線模塊（本系統(tǒng)采用BENQ公司生產(chǎn)的M22模塊）發(fā)送AT指令控制其與監(jiān)測中心上位機建立連接。建立連接的步驟如下：

1．GPRS網(wǎng)絡附著：AT＋CGATT＝1。

2．設置PDP上下文：AT＋CGDCONT＝1，“IP”，“APN”；//APN為所申請的APN專網(wǎng)的名稱。

3．設定驗證方式及用戶名和密碼：AT%CGPCO=1，“PAP，username，password”，1；//本系統(tǒng)采用專網(wǎng)方式，因而需要設定登陸名和密碼。

4．指定要連接的接收端的IP地址并指定連接方式和接收端口號：AT$DESTINFO=“XX.XX.XX.XX”，（1，2），PORT；//XX.XX.XX.XX為接收端IP地址，1代表TCP連接，2代表UDP連接，PORT為端口號。

5．撥號建立連接：ATD*99#。

完成以上步驟并收到返回值CONNECT字符串時，說明已成功建立連接，數(shù)據(jù)終端和數(shù)據(jù)中心可以進行數(shù)據(jù)通信了。

為了監(jiān)聽GPRS DTU的連接請求、接收GPRS DTU傳輸過來的數(shù)據(jù)，上位機必須運行一個服務程序，本系統(tǒng)采用Windows Socket通信，GPRS DTU與上位機采用客戶機/服務器模型。數(shù)據(jù)接收流程如圖4所示：

圖4數(shù)據(jù)接收流程圖

當數(shù)據(jù)到達監(jiān)測中心時，將觸發(fā)Winsock控件的Data Arrival事件，在該事件中Winsock將通過Get Data方法接收所有到達的數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符串型后保存到一個字符串數(shù)組中，然后判斷各個包是否完整，如不完整且不是最后一個數(shù)據(jù)包則通知發(fā)送端重發(fā)，若是最后一個沒有接收完全的數(shù)據(jù)包時則保存這個數(shù)據(jù)包到下次接收事件完整接收后再處理，否則提取本數(shù)據(jù)包的源地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)和CRC（循環(huán)校驗碼）值，計算數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)的CRC值并比較是否與接收到的CRC相等，如果不相等則通知發(fā)送端重發(fā)。當所有數(shù)據(jù)包都處理完畢后退出Data Arrival事件中斷處理程序，等待下一次事件的到來。

四、在某鋼廠水網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

為了實現(xiàn)對水資源的信息化管理，適應企業(yè)未來發(fā)展的需要，某大型鋼鐵集團能源動力公司構(gòu)建了水網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。由于該鋼廠水站分布分散，采用有線方式不太經(jīng)濟，故采用了本文提出的無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)方案。該水網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5水網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)管理層兩個層次。數(shù)據(jù)采集層相當于本文提出的無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場機系統(tǒng)和GPRS網(wǎng)絡兩部分，它使用OPC接口和Interbus現(xiàn)場總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，然后通過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)測中心；數(shù)據(jù)管理層即監(jiān)測中心由兩臺工業(yè)數(shù)據(jù)庫、一臺Web服務器和若干監(jiān)測臺組成。兩臺數(shù)據(jù)庫互為冗余，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。監(jiān)測臺從Web服務器中讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了基于B/S結(jié)構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)。目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定，極大的提高了鋼廠水資源的利用率和鋼廠技術(shù)人員的工作效率。

五、結(jié)語

本文設計實現(xiàn)了基于GPRS的遠程監(jiān)測系統(tǒng)的一般方案，并介紹了其在鋼廠水網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的應用實例。應用效果表明：該系統(tǒng)實時性強、成本低廉、性能優(yōu)越，具有應用推廣價值。隨著技術(shù)的成熟，GPRS無線通信技術(shù)在各監(jiān)測場合中將會得到越來越廣泛的應用，其優(yōu)勢也將在應用中不斷顯現(xiàn)出來。

參考文獻

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作者簡介：祁耀斌（1966－），男，湖北黃岡人，武漢理工大學光纖傳感技術(shù)研究中心碩士研究生導師，副教授，研究方向：光纖傳感技術(shù)、自動化控制；韓亞東（1983－），男，山東滕州人，武漢理工大學光纖傳感技術(shù)研究中心碩士研究生，研究方向：光纖傳感技術(shù)、通信與信息系統(tǒng)。