基于GPRS與ThinkPHP的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

王百川

編者按：為了更好地檢測高速公路隧道機電設備運行環(huán)境，這篇文章設計基于GPRS模塊與ThinkPHP框架，將用戶需要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩艄芾憝h(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。其用戶管理系統(tǒng)是基于ThinkPHP框架實現(xiàn)的，包括的功能主要有用戶管理、數(shù)據(jù)顯示、歷史信息查詢、短信提示。該系統(tǒng)將采集來的環(huán)境濕度、光照強度、二氧化碳濃度等信息進行直觀顯示，利用大數(shù)據(jù)，使用戶對每類設備或系統(tǒng)的節(jié)點信息一目了然。

引言

高速公路隧道機電系統(tǒng)包含多系統(tǒng)、多設備、多廠家，目前高速公路需要對各設備環(huán)境實時監(jiān)測，包括監(jiān)測整個系統(tǒng)的運行狀況、讀取用戶需要數(shù)據(jù)等，同時對遠端的設備進行監(jiān)控，因此需要有一個及時有效的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)來解決遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠程控制、數(shù)據(jù)分析等問題。該方案設計具有傳輸速度高、組網(wǎng)靈活、擴展方便、維護簡單、性價比高等優(yōu)點，本文重點研究了基于GPRS的環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)系統(tǒng)的終端開發(fā)與用戶管理系統(tǒng)的設計，為數(shù)據(jù)處理和GPRS數(shù)據(jù)的可靠傳輸提供了保障。監(jiān)控系統(tǒng)基于ThinkPHP框架，該框架具備體積小、使用靈活、調用簡單等特點，適合項目的開發(fā)需求，這大大方便了用戶的使用，不論是手機還是電腦只要登錄App就可以對數(shù)據(jù)進行實時的獲取和及時的掌握。

高速公路隧道機電系統(tǒng)需求分析

本文主要研究如何將節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌鳎瑪?shù)據(jù)庫如何設計以及用戶管理系統(tǒng)和用戶對終端的控制。其具體包括以下內容：

GPRS終端控制程序設計

通信系統(tǒng)是至關重要的環(huán)節(jié)，其前端通信采用了簡單通用串口，控制器向GPRS模塊發(fā)送AT 指令，初始化HTTP，并將數(shù)據(jù)打包到URL發(fā)送到服務器?？刂破鬟€實現(xiàn)了對GPRS狀態(tài)的判斷，保證數(shù)據(jù)可靠、準確、及時地發(fā)送。

數(shù)據(jù)庫設計

環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫選用了MySQL數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)表分四個部分，分別是產(chǎn)品運行信息、原始數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、用戶信息。

管理系統(tǒng)設計

隧道機電管理系統(tǒng)是基于Thinkphp框架實現(xiàn)的，包括的功能主要有用戶管理、數(shù)據(jù)顯示、歷史信息查詢、短信提示等。該系統(tǒng)將采集來的濕度、光照強度、二氧化碳濃度等信息進行直觀顯示，使用戶對每類設備或系統(tǒng)的節(jié)點信息一目了然。

GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端實現(xiàn)

GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端實現(xiàn)流程

GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端的框圖如圖1所示，高速公路隧道機電環(huán)境的設備或系統(tǒng)運行濕度、洞內外光照強度、二氧化碳濃度等信息通過傳感器獲取后，經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器將各個節(jié)點匯總的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器。數(shù)據(jù)經(jīng)過控制器有效處理、分析后，由控制器發(fā)送AT指令控制GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器。

GSM/GPRS網(wǎng)絡

GPRS系統(tǒng)作為無線數(shù)據(jù)業(yè)務的承載，充分融合了GSM無線技術和IP等網(wǎng)絡技術。在高速公路隧道機電系統(tǒng)內，GPRS網(wǎng)絡是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡中增加通用分組無線業(yè)務網(wǎng)關支持節(jié)點GGSN和GPRS業(yè)務支持節(jié)點SGSN來實現(xiàn)的，使得用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送、接收自己所需要的數(shù)據(jù)或遠程控制。

從圖2可以看出，手持移動設備是通過無線連接到GPRS蜂窩電話上的;GPRS蜂窩電話與GSM基站通信，但與其他行業(yè)電路交換式數(shù)據(jù)呼叫不同，GPRS分組是從基站發(fā)送到GPRS服務支持節(jié)點（SGSN），而不是通過移動交換中心（MSC）連接到語音網(wǎng)絡上。SGSN與GPRS網(wǎng)關支持節(jié)點（GGSN）進行通信;GGSN對分組監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相應的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡，如因特網(wǎng)或X.25網(wǎng)絡。

SGSN是GSM網(wǎng)絡結構中的一個節(jié)點，在整個隧道機電系統(tǒng)內，它通過幀中繼與基站相連，是GSM網(wǎng)絡結構與移動設備之間的有效接口。SGSN的主要作用是記錄移動設備的位置信息，并且在后臺和GGSN之間完成移動分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

GGSN通過基于網(wǎng)絡IP協(xié)議的GPRS骨干網(wǎng)連接到SGSN，是連接GSM網(wǎng)絡和外部分組交換網(wǎng)的網(wǎng)關。GGSN主要是起網(wǎng)關作用，有些領域也將GGSN稱為GPRS路由器。GGSN可以把系統(tǒng)內GSM網(wǎng)中的GPRS分組數(shù)據(jù)包進行協(xié)議轉換，從而可以把這些分組數(shù)據(jù)包傳送到遠端的TCP/IP，并進行分析。

SGSN和GGSN利用GPRS隧道機電系統(tǒng)監(jiān)控協(xié)議（GTP）對IP或X.25分組進行封裝，實現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)傳輸。其中圖3給出了該系統(tǒng)內GPRS網(wǎng)絡結構的接入與參考點。

GPRS網(wǎng)絡通過Gi參考點和Gp接口實現(xiàn)同其他網(wǎng)絡的互通，對于一個支持GPRS的公共移動網(wǎng)絡（PLMN），當它運行GPRS業(yè)務時可能涉及到任何網(wǎng)絡，這時就產(chǎn)生了網(wǎng)絡互通的需求。

在整個檢測系統(tǒng)內，對于具有GPRS業(yè)務功能的手持移動終端，它本身具有GSM和GPRS業(yè)務運營商提供的地址，這樣，分組公共數(shù)據(jù)網(wǎng)的終端利用數(shù)據(jù)網(wǎng)識別碼即可向GPRS終端直接發(fā)送數(shù)據(jù)，增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?、時效性。

由于GPRS是GSM系統(tǒng)中提供分組業(yè)務的一個環(huán)節(jié)，所以它能廣泛應用于IP域。其手持移動終端通過GSM網(wǎng)絡提供的尋址方案和運營商協(xié)議實現(xiàn)全球網(wǎng)間通信。

GPRS的特點

在環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，GPRS與GSM電路交換相比，GPRS最重要的特點是引入了分組交換能力，利用GPRS進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w特點是接入范圍廣、高速傳輸、隨時調閱、按流量計費、快捷登錄以及自如切換等。

（1）接入范圍廣。在整個環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)內，GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)上升級，可充分利用全國范圍的電信網(wǎng)絡，可以方便、快速、低成本地為用戶數(shù)據(jù)終端提供遠程接入網(wǎng)絡的部署。

（2）高速傳輸。其在整個環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸速率高，可達到57.6Kbit/s，最高可達到171.2Kbit/s，是常用有線Modem理想速率的2倍，是當前GSM網(wǎng)絡中電路數(shù)據(jù)交換業(yè)務速度的10倍以上，下一代GPRS業(yè)務的速度甚至可以達到384Kbit/s，完全可以滿足用戶任何應用的需求。

（3）隨時調閱。在整個環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)內，提供實時在線功能，即用戶隨時與網(wǎng)絡保持聯(lián)系，即使沒有數(shù)據(jù)傳送，終端還一直與網(wǎng)絡保持聯(lián)系，這將使訪問服務隨時調閱、及時反饋，讓其變得非常簡單、高效。

（4）按流量計費。在整個高速公路隧道機電環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)內，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用無線資源，但用戶可以一直在線，在不進行操作時不進行計費。計費方式是按照用戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量，沒有數(shù)據(jù)流量傳遞時，用戶即使掛在網(wǎng)上也是不收費的，對用戶而言是降低成本的有效措施。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)終端控制總流程圖

該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)終端控制器的程序設計的具體內容有：串口通信、數(shù)據(jù)處理、循環(huán)緩沖區(qū)、GPRS狀態(tài)控制，如圖4為環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)終端控制總流程圖。

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

該高速公路隧道機電環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是基于WEB開發(fā)的一套網(wǎng)站系統(tǒng)，可以為用戶提供節(jié)點信息查看、歷史信息瀏覽、用戶管理、產(chǎn)品節(jié)點管理等。該系統(tǒng)設計理念為便捷、清新、實用、高效，以ThinkPHP為框架。而ThinkPHP是國內一款免費開源，快速簡單面向對象的輕量級PHP開發(fā)框架，遵循 A-pache2 開源協(xié)議發(fā)布，是為了敏捷 Web 應用開發(fā)和簡化企業(yè)級應用開發(fā)而誕生的。以ThinkPHP為框架進行開發(fā)，一方面可以提高開發(fā)效率，另一方面可以增加系統(tǒng)的運行及數(shù)據(jù)的安全性、穩(wěn)定性，系統(tǒng)及各設備的可維護性，圖5為該系統(tǒng)用戶管理系統(tǒng)框圖。

數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫設計對于高速公路隧道機電環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)以后的功能擴展和維護是相當重要的環(huán)節(jié)，將來數(shù)據(jù)庫不但可以為用戶的WEB系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，而且還為手機端App、電腦環(huán)境監(jiān)測軟件提供數(shù)據(jù)服務。因此數(shù)據(jù)庫要設計得條理清晰，方便實用。數(shù)據(jù)庫的表前綴為gprs_，主要的數(shù)據(jù)表為品環(huán)境檢測信息表、用戶信息表、原始數(shù)據(jù)表、用戶數(shù)據(jù)表。下面對數(shù)據(jù)庫的各個表的功能和字段進行詳細闡述：

（1）設備或系統(tǒng)的環(huán)境檢測信息表（見表1）為所有用戶提供檢測節(jié)點信息與該產(chǎn)品的簡介、所有者等信息。

（2）用戶信息表（見表2）為使用者的一些信息。

（3）原始數(shù)據(jù)表（見表3）為接收到GPRS模塊傳來的原始數(shù)據(jù)。

（4）用戶數(shù)據(jù)表（見表4）為該用戶所有節(jié)點的信息。

用戶管理模塊

該模塊包含兩部分內容：用戶注冊和用戶登錄。用戶注冊要求用戶填寫用戶名、電子郵箱、手機號碼、密碼等信息，當用戶將注冊的表單提交后，對數(shù)據(jù)進行驗證，比如用戶名是否正確，手機號格式是否正確等。

信息查詢模塊

信息查詢模塊包括設備或系統(tǒng)列表、最新信息播報、歷史信息查詢等，當用戶登錄后就會進入隧道機電系統(tǒng)、設備或系統(tǒng)列表頁，該頁列出了用戶的所有產(chǎn)品運行節(jié)點，并且還有添加新節(jié)點的功能。實現(xiàn)方式：用戶登錄會記錄一個用戶名的session，根據(jù)用戶名查詢到其擁有的產(chǎn)品以及產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，另外保證有充足的用戶數(shù)。

（1）信息獲取與展示。ThinkPHP里面有一個數(shù)據(jù)模型 M（‘table’），它支持鏈式調用，只要符合一定的規(guī)范，該類使用起來非常方便，便于用戶獲取需要信息。

（2）歷史信息查詢。在設備或系統(tǒng)運行信息頁，列出了最新信息播報和歷史信息查詢，歷史信息模塊采用了簡單明了的圖表表示。

信息處理模塊

信息處理模塊就是將各個GPRS模塊上傳的數(shù)據(jù)進行處理并記錄到數(shù)據(jù)庫。圖6是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的流程圖。

（1）信息處理。GPRS模塊上傳的地址是腳本所在頁，傳遞的參數(shù)有用戶名和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)拆分為不同的信息，然后根據(jù)用戶名將不同數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫。

（2）短信通知。在處理數(shù)據(jù)的時候會對數(shù)據(jù)進行分析、預警，如果超過了設定范圍會對數(shù)據(jù)進行預測報警。該功能是根據(jù)產(chǎn)品信息進行判斷的，比如產(chǎn)品適宜的運行濕度、二氧化碳濃度等，這些是有上邊界和下邊界的，當濕度低于下邊界，會報警過干，當濕度高于上邊界會報警過濕。

系統(tǒng)測試

硬件測試

將系統(tǒng)配置好的AT指令利用USB轉串口發(fā)送到GPRS端，在服務端收到了正確的數(shù)據(jù)。下一步是用終端控制GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端通過USB轉串口鏈接到PC管理機上，確定數(shù)據(jù)發(fā)送時序和格式是否正確，然后通過串口調試助手檢查發(fā)送的數(shù)據(jù)是否符合邏輯，反復測試。如圖7為串口助手接收到了正確的數(shù)據(jù)。

監(jiān)控系統(tǒng)測試

在數(shù)據(jù)分析儀上模仿GPRS的方式向服務器提交數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)處理報警等是否正常工作，數(shù)據(jù)加入數(shù)據(jù)庫后觀察該節(jié)點的歷史信息圖標能否正常顯示等。如圖8為歷史信息數(shù)據(jù)繪制測試。

結論

本文設計和實現(xiàn)的針對高速公路隧道機電環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)分為兩個部分，一是GPRS數(shù)據(jù)傳送終端;二是環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收，并將接收的數(shù)據(jù)分類存入數(shù)據(jù)庫，能夠很好地監(jiān)控高速公路隧道機電設備及系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，為用戶提供及時、有效、準確的信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)隨時共享、遠程全面監(jiān)控、信息隨時分析、預警準確無誤。

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