基于GPRS的塔吊監(jiān)測項目研發(fā)中培養(yǎng)大學生的通信能力

許景波，焦天佑，熊啟梅，單冬梅

（哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

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基于GPRS的塔吊監(jiān)測項目研發(fā)中培養(yǎng)大學生的通信能力

許景波，焦天佑，熊啟梅，單冬梅

（哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

摘要：在本科生的教學體系中，網絡通信知識還局限于課本，學生很少有機會接觸到實際的通信系統(tǒng)，給這部分知識的學習帶來了困難.基于塔吊遠程監(jiān)測創(chuàng)新訓練項目，從監(jiān)測終端到遠程服務器，詳細論述了網絡通信中的關鍵技術問題，是項目實施中學生應該掌握的內容.通過基于GPRS的塔吊監(jiān)測項目的研發(fā)，學生參與到了實際工程項目，加強了課本知識的學習，提高了分析問題和解決問題的能力，網絡通信能力有了長足的進步.

關鍵詞：網絡通信；GPRS；Socket套接字；創(chuàng)新訓練項目

隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，近十幾年來建筑業(yè)呈現(xiàn)出突飛猛進的發(fā)展態(tài)勢，相應地安全施工也成為建筑業(yè)所面臨的重要問題.塔式起重機作為建筑工地主要搬運提升機械，其安全作業(yè)尤為重要，違規(guī)操作容易引發(fā)傾翻事故.電機是塔吊中關鍵部件，一旦出現(xiàn)故障，不僅會影響施工的正常進行，還有可能威脅現(xiàn)場施工人員的安全.現(xiàn)有塔吊電氣系統(tǒng)中缺乏對電機的監(jiān)測設備，有些操作人員為了追求工程進度，違規(guī)作業(yè)，使電機超負荷運行，又不能及時發(fā)現(xiàn)，給施工過程帶來了安全隱患［1-2］.針對以上問題，設計了基于GPRS的塔吊電機遠程監(jiān)測裝置，該裝置可以監(jiān)測電機的電壓、電流及功率等運行參數(shù)，并對過壓、過流、斷相和相序錯誤等狀態(tài)進行檢測報警，設備保持永遠在線，遠程控制電機的啟停.當電機在工作中出現(xiàn)異常狀態(tài)，該裝置可以及時采取關斷措施，避免事故的發(fā)生，對安全生產具有重要意義.

本項目一個重要特色是遠程通信，它涉及到網絡通信的基本知識，從客戶端到服務器完成了遠程通信的基本構架（見圖1）.學生通過參加本項目，在工程項目實際中掌握網絡通信的基本知識，并得到運用提高.隨著互聯(lián)網+時代的到來，工業(yè)設備的網絡通信功能也成為發(fā)展的趨勢，這也成為大學生能力培養(yǎng)的一個目標方向.

圖1 網絡通信構架

1　基于GPRS的終端遠程通信

無線數(shù)據(jù)通信方式有多種：射頻、藍牙、Wifi、數(shù)傳電臺和Zigbee等.然而它們或多或少地存在通信距離短，易受外部環(huán)境干擾，不便接入公網等不足.本項目采取GPRS數(shù)據(jù)通信方式，GPRS是分組交換通信技術，它是通過利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞功能［3-4］.采用GPRS通信實際上是利用移動通信網絡的基站資源，使數(shù)據(jù)達到遠程傳輸，理論上基站覆蓋范圍內都可采用GPRS通信，現(xiàn)有移動通信網絡穩(wěn)定可靠，只需付很少的數(shù)據(jù)流量費，就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)哪康?并且GPRS可以通過網關接入公網，便于網絡通信系統(tǒng)的構建，服務器端只需能夠接入Internet，即可與遠程設備通信.所以GPRS是工業(yè)設備實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)通信的經濟實用選擇，比較適于分布式不便于現(xiàn)場布線的工業(yè)應用環(huán)境.

此項目中采用的是西門子GPRS通信模塊MC55i，通過AT指令對其操作，即由處理器串口向其發(fā)送指令字符串.每次發(fā)送指令，MC55i都會返回應答字符串，如“OK”、“ERROR”或其它，通過這些應答可以判斷MC55i狀態(tài)，進而決定程序的流程.要使MC55i登錄網絡，需要MC55i登錄網絡流程（見圖2）.經過此流程，MC55i進入數(shù)據(jù)通信狀態(tài)，可以給遠程服務器發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收服務器發(fā)來的數(shù)據(jù).

在塔吊遠程監(jiān)測項目中，需要監(jiān)測終端永遠在線，終端掉線將使遠程監(jiān)測失去意義，給安全生產帶來隱患.保持終端永遠在線，也是GPRS通信中面臨的一個關鍵問題.為此，設計了永遠在線機制（見圖3），能夠不斷檢測網絡狀態(tài)，防止掉線情況的發(fā)生.

圖2 MC55i登錄網絡流程

圖3 終端保持永遠在線機制

終端定時向服務器發(fā)送“心跳”數(shù)據(jù)包，防止基站將通信鏈路斷開.在發(fā)送心跳過程中，建立雙向通信握手協(xié)議，即終端向服務器發(fā)送心跳，服務器接到后向終端回復應答，如果終端在一定時間內沒有接收到應答，那么終端將判斷網絡狀態(tài)，進行重新連接.此外，終端接收數(shù)據(jù)時，由于干擾或其它情況引起數(shù)據(jù)堵塞，出現(xiàn)終端“掉線”假象.那么在發(fā)送心跳時，終端可以主動查詢網絡接收數(shù)據(jù)情況，并進行處理，這樣可以避免此類情況發(fā)生.在意外斷開連接的情況下，MC55i同樣會向終端處理器申請中斷，發(fā)送表示連接斷開字符串，這時需要處理器中斷服務程序及時處理，重新建立連接.在服務器關閉的情況下，終端需要不斷發(fā)送建立連接指令，直至服務器重新開啟，這樣可防止因服務器的意外關閉，而不能再次建立連接.

在此環(huán)節(jié)中，學生們以所學過的單片機型MSP430F149為基礎，通過串口通信編程，實現(xiàn)了對MC55i的控制.通過實踐，不但提高了單片機應用編程的能力，并且掌握了GPRS通信方法.通過一個具體工程項目實例，促進了對教材內容的學習，在不斷解決問題中，也激發(fā)了學生的學習興趣.此外，GPRS通信技術也可應用于其它工程項目，這也為學生以后工作提供了技術積累.

2　域名解析組網方式

對于服務器的組網方式，常用的有固定IP接入方式、APN專線接入方式和DNS域名解析組網方式.前2種雖然穩(wěn)定性和實時性比較好，但是由于價格昂貴，資源有限，限制了其應有.DNS域名組網方式，由于成本低廉，性能穩(wěn)定，是一個很好的解決方案.

采用 DNS 域名組網方式，首先需要向DNS 服務商為系統(tǒng)服務器申請一個域名，花生殼就是這樣一個DNS 服務商，提供了域名解析服務.它的花生殼管理軟件實際就是一個動態(tài)IP綁定工具，其工作原理主要是動態(tài)域名解析的應用.動態(tài)域名解析，是在動態(tài)公網IP環(huán)境下，可以將域名解析到動態(tài)最新公網IP，解析是實時的，即使公網IP變化，也不會影響域名解析，不影響域名的使用，實現(xiàn)在動態(tài)公網IP環(huán)境下的程序發(fā)布、訪問內網目的.端口映射就是從公網IP地址映射到內網IP地址，服務器或是一些應用程序在內網中，通過端口映射可以從互聯(lián)網上通過訪問公網IP地址來訪問內網中的服務器或應用程序，映射的時候端口號可以自己定義［5-6］.在花生殼軟件下，添加映射的方法見圖4.這樣域名映射成內網IP，訪問域名就可訪問內網中的系統(tǒng)服務器.

圖4 花生殼內網映射

這個域名要寫入 GPRS 終端程序中，采用域名方式連接監(jiān)測系統(tǒng)服務器，通過域名解析映射，連接內網服務器，在兩者之間建立通信鏈路，進行數(shù)據(jù)通信.

在項目實施中，由于條件有限，不可能采用具有固定IP的服務器，所以采用域名解析的組網方式是一個經濟實用的選擇.學生們通過實踐，可以自己構建內網服務器，深刻體會和掌握網絡通信原理.

3　遠程服務器通信編程

遠程服務器采用TCP/IP通信協(xié)議，它是互聯(lián)網廣泛采用的通信協(xié)議，包含了7層網絡協(xié)議層中的傳輸層、網絡層和數(shù)據(jù)鏈路層.TCP/IP協(xié)議封裝在操作系統(tǒng)中，應用程序通過接口進行訪問，這個接口就是Socket套接字.它是應用層與TCP/IP協(xié)議族之間的軟件抽象層，對應用程序設計來說，就是通過Socket套接字這個接口去組織數(shù)據(jù)，以符合TCP/IP通信協(xié)議［7-8］.

通過Socket建立的服務器與客戶端的通信流程見圖5.塔吊遠程監(jiān)測服務器首先創(chuàng)建套接字，將本地IP地址綁定到所創(chuàng)建的套接字上.然后進行偵聽，等待終端連接，如有連接則接收連接，也即服務器與客戶端建立起了通信鏈路，之后服務器與客戶端之間可以進行讀寫操作.對于監(jiān)測終端來說，在初始化之后，主動連接服務器，在建立通信鏈路后，即可進行讀寫操作.

在項目中，學生們采用VB.net進行編程，構建了遠程服務器，軟件界面見圖6.在實施中，學習掌握了網絡通信的基本步驟和方法，遇到問題能夠主動查資料、想辦法加以解決，增加了程序調試經驗，提高了編程能力.

致謝：感謝塔吊遠程監(jiān)測創(chuàng)新訓練項目提供了一個平臺和機會，使學生們開闊了視野，增長了知識，網絡通信能力有了長足的提高.

參考文獻：

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［3］ 鄭萬溪，黃元慶，張鑫.基于GPRS 通信技術的遠程檢測系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（2）： 83-85

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［7］ 王堃，于悅，張玉華，等.面向物聯(lián)網應用平臺的Socket設計與優(yōu)化［J］.吉林大學學報：工學版，2012（9）：290-294 ［8］ 劉駿，顏鋼鋒.基于Socket的網絡編程技術及其實現(xiàn)［J］.江南大學學報，2004，3（3）：249-251

變 更 刊 期 啟 事

為適應學校發(fā)展，應廣大作者和讀者的要求，征得主管部門的同意，經黑龍江省新聞出版局批準（黑新出報刊行許字［2014］20 號），《高師理科學刊》2015 年 1 月起刊期由雙月刊變更為月刊?？谧兏螅滢k刊宗旨、欄目、發(fā)行范圍、發(fā)行方式及辦刊風格均保持不變。

竭誠歡迎國內外專家、學者繼續(xù)惠賜佳稿。歡迎廣大讀者多提寶貴意見，一如既往地支持本刊。

《高師理科學刊》編輯部

圖5 服務器與客戶端遠程通信流程

圖6 服務器軟件測試界面

The ability training of college student about communication technology in the innovative experiment project of crane remote monitoring based on GPRS

XU Jing-bo，JIAO Tian-you，XIONG Qi-mei，SHAN Dong-mei
（School of Measure-control Technology and Communication Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

Abstract：In the teaching of undergraduate student， the network communication knowledge is limited to the textbooks and students have rarely the opportunity to access to the actual communication system，and that brings the difficulties to learning.Deals with the key issues of network communication from monitoring terminal to remote server based on the innovative project，which is also the content the students master in the project implementation.Through the project，the students take part in the actual engineering， strengthen the study of the textbook knowledge，improve the ability of analyzing and resolving problems，and have great progress in network communication ability.

Key words：network communication；GPRS；Socket；innovative experiment project

中圖分類號：TH2∶G642.0

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1007-9831.2016.05.022

文章編號：1007-9831（2016）05-0077-04

收稿日期：2016-03-25

基金項目：2015年哈爾濱理工大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目

作者簡介：許景波（1973-），男，黑龍江齊齊哈爾人，教授，博士，從事精密測量、信號處理研究.E-mail：hitxjb@126.com