基于3G無線網(wǎng)絡的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設計

王盛學,李著信,何 平

(1.解放軍后勤工程學院，重慶400016;2.重慶和平自動化工程有限公司，重慶400039)

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，生產(chǎn)設備由就地分散的局部自動控制逐漸向綜合自動化體系發(fā)展，而一般工業(yè)控制系統(tǒng)地域跨越性較大,相當一部分設備工作在戶外，一些作業(yè)點分散，環(huán)境惡劣，因此需要無人職守遠傳控制，對各種設備的運行狀態(tài)、溫度、壓力、流量等指標做到實時監(jiān)控。隨著無線技術(shù)的日益發(fā)展，其安裝方便、靈活性強、性價比高等特性使得更多行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)采用無線監(jiān)控方式，建立被監(jiān)控點和監(jiān)控中心之間的連接。目前，主要的無線監(jiān)控方案有[1]：(1)基于衛(wèi)星通信；(2)通過架設微波設備；(3)基于無線局域網(wǎng)；(4)借助移動公網(wǎng)傳輸。

其中基于衛(wèi)星通信、架設微波設備、無線局域網(wǎng)的監(jiān)控方式容易受傳輸距離、覆蓋角度及周邊環(huán)境的影響，要想達到更好的監(jiān)控狀態(tài)就需要中繼設備、增益天線等，設備架設費用高。這些傳統(tǒng)方式存在覆蓋范圍、實時性、投資及運行費用等問題，同時對工控設備的無人值守運行存在較大困難。

借助移動公網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控方式充分利用現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡，網(wǎng)絡建設和維護都由運營商承擔，運營費用低，且覆蓋面廣、傳輸速率高，大幅節(jié)省了人力物力，提高了工業(yè)控制的自動化水平。

1 系統(tǒng)技術(shù)方案

基于3G無線網(wǎng)絡的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng),將現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡以流量方式實時傳送到手機,并將控制命令下發(fā)到現(xiàn)場設備。本系統(tǒng)使用便攜手機替代計算機作為監(jiān)控終端，無論身在何處，都可以實時監(jiān)測和管理工業(yè)現(xiàn)場。

系統(tǒng)框圖如圖1所示，MCU將工業(yè)現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)采集上來，經(jīng)過相應處理后送到3G無線通信模塊，再通過3G無線網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)以UDP/TCP包形式發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，并將數(shù)據(jù)中心下傳的UDP/TCP包轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)傳至終端設備。手機端監(jiān)控軟件通過發(fā)送HTTP請求和數(shù)據(jù)中心建立連接通路，獲取實時數(shù)據(jù)，并向數(shù)據(jù)中心發(fā)送控制信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3G模塊與單片機間通過標準的RS232/485接口通信，支持AT命令，可設置工作方式和數(shù)據(jù)傳輸方式(UDP/TCP）,手機與服務器之間的連接可以采用HTTP和Socket，考慮到目前并不是所有手機都支持Socket通信，但都支持HTTP協(xié)議，所以在本系統(tǒng)中手機與服務器之間采用HTTP通信方式來傳輸數(shù)據(jù)。

手機端采用多線程工作方式，將接收到的數(shù)據(jù)處理之后以數(shù)據(jù)或圖像的方式清晰呈現(xiàn)給監(jiān)控人員，人機界面友好，同時監(jiān)控人員簡單的操作按鍵就可將控制命令傳回服務器，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的監(jiān)測和管理。提供用戶權(quán)限認證，只有通過驗證才開放控制管理功能。用戶可在手機上直接對監(jiān)測參數(shù)及其范圍進行設置，當現(xiàn)場設備的參數(shù)值超出設定的正常范圍時，產(chǎn)生報警。如果用戶未啟動手機端監(jiān)控軟件，現(xiàn)場設備發(fā)生異常時，監(jiān)控前端設備也會主動向指定手機發(fā)送報警信息。

2 硬件設計

用戶終端設備通過串口或無線方式連接到GPRS數(shù)據(jù)終端上，然后將數(shù)據(jù)打成IP包，再通過GPRS空中接口接入到GPRS網(wǎng)絡，最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到達系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心。

本系統(tǒng)的終端設備硬件設計結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，以單片機為主處理芯片，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送以及遠程控制命令的接收。

采集到的模擬參數(shù)經(jīng)過信號調(diào)理單元處理后 (放大、濾波等)送入A/D轉(zhuǎn)換器，最后送入單片機。通過單片機擴展存儲器的TCP/IP協(xié)議棧打包處理，再由GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡。系統(tǒng)采用的GPRS通信模塊集成了標準的SIM接口，提供標準的 RS232/485/422接口，可與多種終端無縫連接，為用戶提供簡便實用的GPRS通信解決方案。

3 軟件設計

3.1 設備端軟件設計

圖2 終端設備硬件結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)傳輸過程如下：(1)GPRS模塊通過串行接口從單片機獲得上傳數(shù)據(jù)；(2)處理后以GPRS分組數(shù)據(jù)的形式發(fā)送到GSM基站(BTS)；(3)分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后，發(fā)送到GPRS IP骨干網(wǎng)；(4)若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到另一GPRS終端，則先發(fā)送到目的SGSN，再經(jīng)BSS發(fā)送到GPRS終端；若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到外部網(wǎng)絡(如Internet),則將分組數(shù)據(jù)包經(jīng)GGSN進行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，再發(fā)送到外部網(wǎng)絡，送達監(jiān)控中心。

GPRS模塊與單片機間通過串口進行通信，模塊與控制器間的通信協(xié)議是AT命令集，除了串口發(fā)送、串口接收之外，單片機與GPRS模塊之間還有一些硬件握手信號。硬件連接完成后，在進行GPRS上網(wǎng)操作之前，首先要對GPRS模塊進行一定的設置。主要的設置工作有：設置通信波特率、接入網(wǎng)關(guān)、移動終端的類別、測試GPRS服務是否開通等。

GPRS模塊可以通過撥號登錄到GGSN(網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點)上動態(tài)分配到Internet網(wǎng)的IP地址。其間GPRS模塊與網(wǎng)關(guān)的通信要符合PPP點對點協(xié)議，模塊向網(wǎng)關(guān)發(fā)送PPP報文都會傳送到Internet網(wǎng)中相應的地址，而從Internet傳送過來的應答幀也同樣會根據(jù)IP地址傳送到GPRS模塊,從而實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和 Internet網(wǎng)絡通過GPRS模塊的透明傳輸。

要注意的是，GSM網(wǎng)絡無靜態(tài)IP地址，故其他通信設備不能向它提出建立連接請求，服務器必須擁有一個固定的IP，以便監(jiān)測終端可以在登錄GSM網(wǎng)絡后通過該IP找到服務器。

GPRS模塊登錄上GSM網(wǎng)絡后，自動連接到數(shù)據(jù)中心，向數(shù)據(jù)中心報告其IP地址，并保持和維護數(shù)據(jù)鏈路的連接。GPRS監(jiān)測鏈路的連接情況，一旦發(fā)生異常，GPRS模塊自動重新建立鏈路，數(shù)據(jù)中心和GPRS模塊之間就可以通過IP地址通過UDP/TCP協(xié)議進行雙向通信，實現(xiàn)透明的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 服務器軟件設計

服務器接收GPRS模塊傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應的處理后存入數(shù)據(jù)庫，供客戶端提取數(shù)據(jù)的同時備份以便查詢。

手機與服務器之間的連接可以采用HTTP和Socket，考慮到目前并不是所有手機都支持Socket通信，但都支持HTTP協(xié)議，所以在本系統(tǒng)中手機與服務器之間采用HTTP通信方式來傳輸數(shù)據(jù)。在服務器Servlet中采用輸出流的方式向請求端發(fā)送數(shù)據(jù)。Servlet具有獨立于平臺和協(xié)議的特性,它擔當客戶請求與服務器響應的中間層。

在傳統(tǒng)的CGI中，每個請求都要啟動一個新的進程，如果CGI程序本身的執(zhí)行時間較短，則啟動進程所需要的開銷很可能反而超過實際執(zhí)行時間。而在Servlet中，每個請求由一個輕量級的Java線程處理。在性能優(yōu)化方面，Servlet也比CGI有著更多的選擇。因此與傳統(tǒng)的CGI和許多其他類似CGI的技術(shù)相比，Java Servlet具有更高的效率，更容易使用，功能更強大，具有更好的可移植性，更節(jié)省投資。

Servlet是位于Web服務器內(nèi)部的服務器端的Java應用程序，與傳統(tǒng)的從命令行啟動的Java應用程序不同，Servlet由 Web服務器進行加載，該 Web服務器必須包含支持Servlet的Java虛擬機。系統(tǒng)選用免費的開源Web應用服務器Tomcat，運行時占用的系統(tǒng)資源少，擴展性好，支持負載平衡與郵件服務等開發(fā)應用系統(tǒng)常用的功能，把Servlet部署到 Tomcat，在服務器端運行 Tomcat，即可監(jiān)聽客戶端請求。

3.3 手機端軟件設計

手機端采用多線程方式，提高效率。一方面啟動線程通過HTTP協(xié)議訪問服務器，獲得實時數(shù)據(jù)。另一方面啟動新的線程將接收到的數(shù)據(jù)處理之后以數(shù)據(jù)或圖形的方式清晰地呈現(xiàn)給監(jiān)控人員，同時將監(jiān)控人員給下位機下發(fā)的命令返回到服務器，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)測和管理。

手機端軟件流程圖如圖3所示。當用戶啟動監(jiān)控軟件時，軟件通過向服務器發(fā)送HTTP請求獲取設備數(shù)據(jù)，這需要短暫的等待，故顯示等待界面如連網(wǎng)進度條以防止用戶誤以為是死機現(xiàn)象。獲取數(shù)據(jù)后，經(jīng)過一定的處理，保存數(shù)據(jù)以便追溯分析，同時顯示數(shù)據(jù)并繪制實時曲線。如果數(shù)據(jù)超出報警設置范圍，則產(chǎn)生報警。當監(jiān)聽到有用戶按鍵時，判斷按鍵類型，若為退出，則直接退出程序；若為設置或控制命令，則設置有用戶權(quán)限，要求用戶登錄。當用戶輸入信息正確時，顯示相應的設置或控制界面，開放設置和控制功能，以后再次操作無需再登錄；當用戶信息錯誤時，給出提示并可再次輸入，當錯誤次數(shù)達到三次時，返回主界面并關(guān)閉登錄功能。

用戶對參數(shù)報警門限、時長以及曲線顯示范圍等進行設置時，當用戶按下確定按鍵，若輸入錯誤則提示更改，正確則保存用戶數(shù)據(jù)，自動返回上一界面并刷新。

用戶通過手機控制現(xiàn)場設備時，系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的控制項目，發(fā)送命令到服務器，再由服務器下發(fā)到現(xiàn)場設備。當命令成功發(fā)送到服務器時，提示用戶發(fā)送成功，否則發(fā)送失敗，設備端設置狀態(tài)反饋，當接收到控制命令時，響應命令并反饋。

圖3 手機端軟件流程圖

系統(tǒng)采用文件形式保存從服務器端取來的實時數(shù)據(jù)，可編輯，可方便地從手機上或連接到電腦上查看分析數(shù)據(jù)。對于用戶設置的數(shù)據(jù)則采用記錄管理系統(tǒng)RMS(Record Management System)，它是J2ME應用程序進行持久性存儲的唯一途徑，RMS類似于一個小型數(shù)據(jù)庫，Record Store相當于數(shù)據(jù)庫的表，每個“表”由若干記錄(Record)構(gòu)成，一條記錄就是一個用int表示的記錄號和用 byte[]表示的內(nèi)容。記錄號可以看作是“主鍵”，byte[]數(shù)組存儲內(nèi)容?？梢詫τ涗涍M行添加、修改、讀取和刪除等操作。

概括起來，本系統(tǒng)具有以下特點：

(1)安裝簡單：網(wǎng)絡架設方便，無需進行拉線，埋線等工作；

(2)永遠在線：鏈路穩(wěn)定可靠，即使沒有數(shù)據(jù)傳輸，仍然與網(wǎng)絡保持連接；

(3)快速登錄：接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接；

(4)高速傳輸：數(shù)據(jù)傳輸速率上行 128 Kb/s，下行最大可達 2.8 Mb/s；

(5)按量收費：3G移動網(wǎng)絡按照客戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費用,沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時,客戶即使在線,也不收費。

[1]王惠儒.大型航空發(fā)動機試驗及試驗設備研究[J].燃氣渦輪試驗及研究，2008,21(1):13-17.

[2]李文峰,王永生,王鋒.一種新的某渦扇發(fā)動機地面檢測設備[J].航空計測技術(shù)，2002,22(6):31.

[3]葉盛，何勇,徐曉明.基于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)動機油耗測試系統(tǒng)研究[J].浙江大學學報(農(nóng)業(yè)與生命科學版)，2004,29(5):575-578.

[4]崔宏巍,楊保成,劉益芳,等.汽車遠程故障診斷系統(tǒng)研究[J].汽車電器(農(nóng)業(yè)與生命科學版)，2008,4(5):8-10.

[5]鄭國章,王盛學，郝鐵生.基于多線程的測控平臺虛擬示波器設計[J].機械管理與開發(fā)，2007，24(5):68-69.