基于GPRS與ZigBee的遠(yuǎn)程分散多點監(jiān)控系統(tǒng)

孫利民，梁江濤，魏 然

(鄭州大學(xué)工程力學(xué)系，河南 鄭州450001)

0 引言

目前的監(jiān)控系統(tǒng)存在以下問題:

(1)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過有線傳輸將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥鳎瑢?dǎo)致系統(tǒng)成本增加.在一些惡劣的自然環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集時，根本沒有辦法在作業(yè)現(xiàn)場布置有線網(wǎng)絡(luò)，所以傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集受現(xiàn)場環(huán)境限制約;

(2)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)信號在傳送過程中會衰減、失真，甚至混入干擾信號，從而產(chǎn)生誤差，不便于長距離傳輸;

(3)目前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般要人工長時間值守，在一定程度上造成了人力資源的浪費.

GPRS受GSM網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量的影響，在傳輸數(shù)據(jù)的過程中存在一定的延時.若采用這種方式同時進行多個點的數(shù)據(jù)采集時，各個采集點接受采集命令的時間有誤差，因此無法完成多個采集點的數(shù)據(jù)同步采集.

ZigBee網(wǎng)絡(luò)成本低、可靠性好、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、覆蓋范圍廣、安全性高.ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便，其網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量基本不受外界影響，當(dāng)其向各個ZigBee終端發(fā)送采集命令時，各個終端能同時收到采集命令，從而實現(xiàn)多采集點的同步數(shù)據(jù)采集［1］.

GSM網(wǎng)絡(luò)中的GPRS傳輸與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，既實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸，又解決了多采集點的同步數(shù)據(jù)采集問題.基于以上考慮，筆者開發(fā)了一種全新的基于GPRS的遠(yuǎn)程分散多點監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)框架圖Fig.1 System diagram

1 數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端負(fù)責(zé)各個檢測點的數(shù)據(jù)采集.通過傳感器不斷地進行數(shù)據(jù)采集，并將采集的信息存儲在存儲模塊，以備遠(yuǎn)程服務(wù)器查詢以往的設(shè)備狀態(tài).當(dāng)采集終端收到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心的Zig-Bee模塊(FFD)發(fā)來的查詢命令時，MCU可將遠(yuǎn)程服務(wù)器所要查詢的信息，通過 ZigBee模塊(RFD)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中將采集的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心.另外，數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)預(yù)處理主要對數(shù)據(jù)進行初步判斷，當(dāng)遇到系統(tǒng)設(shè)定的敏感數(shù)據(jù)時，將會向數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心發(fā)出危險信息，請求將此刻各點的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器.采集終端框架圖如圖2所示.

圖2 采集終端框架圖Fig.2 Data capture terminal diagram

ZigBee是一種低成本、低功耗，可靠高效的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)，在2.4 GHz和868/928 MHz頻率段工作，能抵抗現(xiàn)場的各種電磁干擾，主要適合用于工業(yè)的自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域.

在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中主要有兩個設(shè)備:Zig-Bee全功能設(shè)備(FFD)與 ZigBee精簡設(shè)備(RFD).RFD設(shè)備占用資源少、存儲容量小、成本較低、功能簡單.RFD只能與FFD進行通信，而不能和網(wǎng)絡(luò)中的其它RFD進行直接通信.

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要為:星形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和混合網(wǎng).

根據(jù)本系統(tǒng)的需求，筆者采用星形網(wǎng)絡(luò).星形網(wǎng)絡(luò)是一個輻射狀的結(jié)構(gòu)，所有設(shè)備都與中心設(shè)備進行通信，終端設(shè)備之間的通信也要通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā).在各個采集終端使用RFD設(shè)備用于采集節(jié)點數(shù)據(jù)信息，并將信息匯總至FFD.FFD設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器放置于數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心，主要完成網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能.本系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)，采集終端采用RFD設(shè)備，負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器.在各個檢測點只需要一個微型的采集終端，不僅簡化了檢測點的設(shè)備，還降低了系統(tǒng)的成本.數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心的FFD設(shè)備作為星形網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由于ZigBee的短時延特性，能夠同時采集各點在同一時刻的性能狀態(tài)，保證了分散多點監(jiān)控的實時性［2］.

2 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心主要負(fù)責(zé)接收來自遠(yuǎn)程服務(wù)器的采集命令，數(shù)據(jù)采集完畢后將采集到的數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程服務(wù)器.數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心不僅要負(fù)責(zé)GPRS模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器的遠(yuǎn)程通信，還要負(fù)責(zé)完成ZigBee模塊(FFD)與ZigBee模塊(RFD)之間的通信.數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心框架圖如圖3所示.

圖3 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心框架圖Fig.3 Data transfer nodes diagram

在本結(jié)點中主要部件為GPRS模塊和ZigBee模塊(FFD).GPRS通用無線分組業(yè)務(wù)，是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一種無線分組交換技術(shù)，利用GSM系統(tǒng)中未使用的TDMA信道，提供數(shù)據(jù)傳遞.它其實是疊加在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)的另一網(wǎng)絡(luò).GPRS支持TCP/IP協(xié)議，可以與Internet網(wǎng)絡(luò)直接互連.由于GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)的升級，可充分利用全國范圍的電信網(wǎng)絡(luò)，因此GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣泛，用戶可以隨時隨地方便、快速地使用GPRS業(yè)務(wù)進行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接入［3，4］.

GPRS無線傳輸系統(tǒng)采用的是服務(wù)器/客戶模式.在圖4中可以看出GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的過程:首先由GPRS終端將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行處理，然后將處理后的分組數(shù)據(jù)發(fā)送到GSM基站，分組數(shù)據(jù)在GSM基站經(jīng)SGSN(GPRS服務(wù)支持節(jié)點)封裝，封裝后通過GPRS骨干網(wǎng)和GGSN(網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點)連通，GGSN對得到的分組數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換為Internet網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，再發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò).信息到達Internet網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)后進行域名解析，端口映射選擇所提供服務(wù)的遠(yuǎn)程服務(wù)器，服務(wù)器成功與GPRS終端建立通信鏈路.

圖4 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)原理圖Fig.4 Network diagram

該結(jié)點的 GPRS模塊采用了 MC55模塊.MC55模塊是Siemens公司生產(chǎn)的GPRS/GSM三頻(GSM 900 MHz，GSM 1 800 MHz，GSM 1 900 MHz)無線通訊模塊.MC55集成了高性能GSM/GPRS基帶處理，完整的無線頻率電路.MC55將GPRS管理軟件存儲于內(nèi)置的靜態(tài)RAM中.自帶TCP/IP協(xié)議棧，用AT指令可以方便地驅(qū)動連接Internet的TCP/IP協(xié)議棧，簡化了GPRS到Internet的連接，不用再自己定義TCP/IP協(xié)議棧.

在本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心在接通電源后，向MC55模塊發(fā)送AT指令，請求與遠(yuǎn)程服務(wù)器進行連接，通信鏈路接通以后一直處于在線狀態(tài)隨時等候遠(yuǎn)程服務(wù)器的命令.當(dāng)收到遠(yuǎn)程服務(wù)器傳來的采集指令后，MCU控制ZigBee模塊(FFD)完成與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的采集終端的通信，最后把處理結(jié)果返回遠(yuǎn)程服務(wù)器;在沒有收到遠(yuǎn)程服務(wù)器命令的時候，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)定時地采集各檢測點的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)某個檢測點發(fā)生異常，則立即與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信，將檢測點的異常數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，從而完成本系統(tǒng)的報警功能，減少了遠(yuǎn)程監(jiān)控端的人員值守時間.

3 遠(yuǎn)程服務(wù)器

遠(yuǎn)程服務(wù)器主要作用是發(fā)送及接收來自數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心的命令及數(shù)據(jù).遠(yuǎn)程服務(wù)器在啟動服務(wù)端程序后，開始等待GPRS終端的連接請求，在接收到服務(wù)請求后，要激活一個新的線程來處理這個GPRS終端請求.服務(wù)完成后，關(guān)閉此新進程與GPRS終端的通信鏈路，此時即完成一次GPRS通信［5］.

Winsock是Windows系統(tǒng)下開放的、支持多種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程接口.Winsock規(guī)范定義并記錄了如何使用API與Internet協(xié)議連接.應(yīng)用程序主要是靠對Winsock層的API函數(shù)調(diào)用，實現(xiàn)通信功能［6］，其原理如圖5所示.

圖5 Winsock層的API函數(shù)調(diào)用Fig.5 Winsock method

遠(yuǎn)程服務(wù)器端應(yīng)用程序開啟，進行初始化處理，創(chuàng)建套接字，將本地IP和端口與套接字相連.此時開始提供鏈接給數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心，并一直監(jiān)聽數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心的連接請求，當(dāng)收到連接請求后分配進程接收來自數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心的數(shù)據(jù).接收完數(shù)據(jù)后關(guān)閉連接，進行本地的數(shù)據(jù)處理，在遠(yuǎn)程振動測試的實驗中，即將接收的數(shù)據(jù)進行數(shù)字抗混濾波、加窗和FFT(快速傅立葉變換)，得到振動信號的頻譜，進行信號的頻域分析［7］.

4 結(jié)論

該系統(tǒng)已完成試驗現(xiàn)場對距離系統(tǒng)中數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心100 m范圍內(nèi)的大型結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程振動監(jiān)控.驗證了該系統(tǒng)的成功應(yīng)用.只要更改采集終端的傳感器類型，就能完成對多種設(shè)備的各類遠(yuǎn)程監(jiān)控.

筆者所論述的監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好的實現(xiàn)對遠(yuǎn)程的分散多點監(jiān)控點進行監(jiān)控，不受環(huán)境、距離等因素的影響，不僅節(jié)約了遠(yuǎn)程監(jiān)控的成本;還節(jié)省了人力資源，不用時刻有人值守;同時也解決了分散多點監(jiān)控的實時性.

由于考慮到該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)費用問題，采用了GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸.隨著3G網(wǎng)絡(luò)的普及，3G網(wǎng)絡(luò)費用的降低.可以把本系統(tǒng)中的GPRS模塊換成3G模塊［8］.就會解決GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度慢的問題.

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