劉萌,鄭煊

(1.山東教育學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)系,濟(jì)南250202; 2.山東凱文科技職業(yè)學(xué)院)

劉萌(碩士研究生),主要從事智能監(jiān)控和無線通信方面的研究。

1 GPRS技術(shù)簡(jiǎn)介[1]

GPRS(General Packet Radio Service,通用分組無線業(yè)務(wù))是一種基于第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM的無線分組交換技術(shù),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。GPRS的傳輸速率最高可達(dá)171.2 kbps,實(shí)際應(yīng)用中的平均速率也高達(dá)53.6 kbps。GPRS為移動(dòng)用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供連接,為移動(dòng)用戶提供高速無線接口和X.25服務(wù)。GPRS采用數(shù)據(jù)分組交換技術(shù),每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無線信道,同一無線信道又可以有多個(gè)用戶共享,因而資源被有效利用。用戶永遠(yuǎn)在線,按流量計(jì)費(fèi),降低了服務(wù)成本。

利用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸具有如下的優(yōu)點(diǎn):

①接入范圍廣。GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)上升級(jí),可充分利用全國(guó)范圍的電信網(wǎng)絡(luò),可以方便、快速、低成本地為用戶數(shù)據(jù)終端提供遠(yuǎn)程接入網(wǎng)絡(luò)的部署。

②傳輸速率高。理論值最高可達(dá)171.2 kbps,是當(dāng)前GSM網(wǎng)絡(luò)中電路數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)速度的十幾倍。下一代GPRS業(yè)務(wù)的速度甚至可以達(dá)到384 kbps,完全可以滿足用戶應(yīng)用需求。

③登陸快捷。GPRS接入等待時(shí)間短,可快速建立連接,平均耗時(shí)為2 s。

④永遠(yuǎn)在線,提供實(shí)時(shí)在線功能?！皩?shí)時(shí)在線”或“永遠(yuǎn)在線”即用戶隨時(shí)與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系。即使沒有數(shù)據(jù)傳送,終端也一直與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系,這將使訪問服務(wù)變得非常簡(jiǎn)單、快速。

⑤按流量計(jì)費(fèi)。用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用無線資源,按照用戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量計(jì)費(fèi)。沒有數(shù)據(jù)流量時(shí),用戶即使掛在網(wǎng)上也不收費(fèi)。

⑥切換自如。用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí),不影響語音信號(hào)接收。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)的切換有自動(dòng)和手動(dòng)2種方式,具體形式依據(jù)不同終端而定。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

按照路燈遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和要實(shí)現(xiàn)的功能,將系統(tǒng)大體分為中央控制室、集中控制器和路燈控制器3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

第1層中央控制室是1臺(tái)PC服務(wù)器,負(fù)責(zé)整個(gè)城市路燈的監(jiān)控;第2層集中控制器負(fù)責(zé)一條街上全部路燈的控制;第3層路燈控制器負(fù)責(zé)同一燈桿上的所有燈具。其中,1層與2層之間使用了GPRS無線通信網(wǎng),這兩層之間距離遠(yuǎn),雖然通信成本較高但通信成員少。2層與3層應(yīng)用了窄帶電力線載波通信技術(shù),利用現(xiàn)有的電力線傳輸信號(hào),不用另外鋪設(shè)線纜,幾乎沒有運(yùn)行成本,特別適合通信對(duì)象多的情況。

另外,本設(shè)計(jì)還具有電量計(jì)量等功能,由電壓互感器和電流互感器對(duì)各路段路燈的電力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ),或者通過監(jiān)控中心的巡檢把現(xiàn)場(chǎng)各路段工作參數(shù)(包括電壓電流開關(guān)量等)傳回監(jiān)控中心。監(jiān)測(cè)終端能自動(dòng)檢測(cè)到跳閘、斷路、電壓異常、供電故障、開關(guān)燈控制異常等突發(fā)事件,并及時(shí)將告警數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控中心,以供監(jiān)控中心值班人員及時(shí)了解情況做出處理。GPRS通信網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)控中心與無線數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)傳輸通道,選用固定IP地址方式通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將所采集到的工作參數(shù)主動(dòng)、及時(shí)地上傳到監(jiān)控中心[3]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 GPRS發(fā)送模塊電路設(shè)計(jì)

GPRS模塊主要實(shí)現(xiàn)無線上網(wǎng)的功能。市場(chǎng)上有一些成熟的產(chǎn)品,譬如說Sony/Eircsson公司的 M47c、Simens公司的MC35等。這里選用Cello公司的CMS91,它是一種雙頻段GSM/GPRS10級(jí)模塊,主要優(yōu)點(diǎn)有低功耗、接口簡(jiǎn)單、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS 10、開發(fā)多媒體應(yīng)用、價(jià)格較低等。同時(shí),它也提供SMS(短消息服務(wù))和語音功能。GPRS模塊提供RS232接口,可以通過它來完成對(duì)模塊的控制,譬如撥號(hào)和切換模式等。一旦通過模塊連接上Internet,采集到的數(shù)據(jù)就可以用TCP/IP傳輸方式發(fā)送到任意一臺(tái)具有公網(wǎng)IP地址的主機(jī)上去,從而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸[4]。圖 2給出了由 CMS91構(gòu)成的GPRS發(fā)送模塊的電路原理圖。

在該設(shè)計(jì)中,CMS91模塊相當(dāng)于1個(gè)無線調(diào)制解調(diào)器用戶的應(yīng)用系統(tǒng),需要通過PPP(LCP/PAP/IPCP)先和運(yùn)營(yíng)商的 Internet接入服務(wù)器連接,然后才能應(yīng)用 TCP/IP/UDP或者更高一層的應(yīng)用層程序(如 HT TP、FTP等)進(jìn)行通信。該模塊已經(jīng)集成了1個(gè)天線接收機(jī)模塊,實(shí)際使用時(shí)需接入SIM卡插座。GPRS終端是通過RS232接口與設(shè)備進(jìn)行通信的,利用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實(shí)現(xiàn)了微處理器的TT L電平與 RS232電平的轉(zhuǎn)換。MAX232能滿足TIA/EIA-232-F和1TU v.28標(biāo)準(zhǔn)的要求,其工作電源電壓為3～5.5 V,有1個(gè)驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)接收器,數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)250 kbps,該芯片具有靜電保護(hù)功能和自動(dòng)掉線的特點(diǎn)。

圖2 GPRS模塊設(shè)計(jì)

3.2 電力線載波模塊設(shè)計(jì)[5]

電力線接口模塊由線驅(qū)動(dòng)器和線接口組成,它的主要功能是:

①發(fā)送模式中,用于將ST7537送來的傳送信號(hào)(ATO)放大和濾波;

②接收模式中,從電力線給ST7537的接收口提供接收信號(hào);

電力線接口模塊的框圖如圖3所示。線驅(qū)動(dòng)器起放大ST7537的輸出信號(hào)(ATO)的作用。為了使線驅(qū)動(dòng)器適用于電力線,使用了線接口。在線接口中使用了變壓器,其功能為:

◆把其他電路與電力線隔離開;

◆把傳輸信號(hào)送到電力線上去;

◆從電力線中提取出接收信號(hào);

◆濾除傳輸信號(hào)中的諧波。

電力線接口模塊的電路原理圖如圖4所示。

圖3 電力線接口框圖

圖4 電力線接口模塊設(shè)計(jì)

復(fù)合晶體管Q1、Q2、Q3、Q4組成推挽式放大器。電阻R1、R2可使放大器獲得最佳性能。當(dāng)RX/TX=0(接收模式)時(shí),ST7537輸出信號(hào)PABC=1和PABC=0使雙極型晶體管Q1和Q5截止,切斷了功率放大器的電源,功放不工作。

變壓器由1個(gè)主繞組和2個(gè)副繞組組成。繞組比例為 4 ∶1 ∶1,其參數(shù)為 :主繞組 9.4 μ H,副繞組 140 μ H,C1=2.2 nF。為了防止非線性畸變,C2的線性必須非常好,C3濾除從電力線過來的50/60 Hz的信號(hào),并有短路保護(hù)功能。當(dāng)相位不知時(shí),使用附加電容C4加到C3上去,組成放電回路,避免發(fā)生觸電危險(xiǎn)。

為了避免尖峰信號(hào)對(duì)電路的破壞,采用1個(gè)雙向穩(wěn)壓管。當(dāng)電壓值大于或等于穩(wěn)壓管電壓時(shí),穩(wěn)壓管就會(huì)短接到地,保護(hù)接口電路地器件不會(huì)被燒壞。

另外,該系統(tǒng)采用了Dallas半導(dǎo)體公司的DS1302涓流充電時(shí)鐘芯片。該芯片是可編程I2C串行接口時(shí)鐘芯片,還提供31字節(jié)的非易失SRAM用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可以通過單片機(jī)的任意I/O口作為SCL和SDA信號(hào)線,編程簡(jiǎn)單,成本較低。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要采用無線Modem CMS91來進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及報(bào)告信息的遠(yuǎn)程傳輸。通過單片機(jī)AT指令對(duì)CMS91進(jìn)行上網(wǎng)前的設(shè)置和數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)收到CMS91的正確反饋回答后,1條物理信道就在CMS91和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間建立起來。單片機(jī)通過向Modem發(fā)送不同的AT命令來控制其工作。

CMS91加電后,應(yīng)用程序需通過P0口操作CMS91的ON/OFF控制位,CMS91正式啟動(dòng)的過程大約3～5 s,若CMS91接有有效的SIM卡,CMS91將附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)。對(duì)CMS91的串口讀寫操作仍然由中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn),復(fù)位上電后,程序先進(jìn)行工作頻率等參數(shù)的設(shè)置,然后進(jìn)行撥號(hào)和PPP協(xié)商。PPP協(xié)商成功后,將得到系統(tǒng)本地IP,一旦獲得自己的 IP,系統(tǒng)實(shí)際上就已經(jīng)連入Internet,但要和連入Internet的另一IP終端通信,就還需要與另一IP終端進(jìn)行端對(duì)端的TCP連接。在TCP連接成功后,整個(gè)程序?qū)⒈３诌@個(gè)連接狀態(tài)。進(jìn)入TCP連接狀態(tài)后,可能會(huì)收到TCP連接的另一IP終端發(fā)來的數(shù)據(jù),在層層解包處理之后,便可以得到TCP層之上的種種應(yīng)用層數(shù)據(jù)。如果要向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù),則要先進(jìn)行中斷請(qǐng)求發(fā)送,在等到TCP連接建立之后方可發(fā)送。這部分TCP/IP協(xié)議的處理由CMS91內(nèi)嵌的單片機(jī)來完成[6]。

GPRS模塊發(fā)送子程序和接收子程序的流程如圖5所示。

圖5 GPRS模塊子程序

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于GPRS和PLC的遠(yuǎn)程路燈監(jiān)控系統(tǒng),相對(duì)于以往的時(shí)鐘以及光電控制路燈,能夠?qū)β窡艟€路進(jìn)行有效的監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)和遙信功能,而且運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。該設(shè)計(jì)采用GPRS和PLC進(jìn)行通信,無需重新鋪設(shè)線纜和構(gòu)建新的通信網(wǎng)絡(luò),運(yùn)行成本很低,具有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

[1]鐘章.GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)[M].北京:人民郵電出版社,2001.

[2]王剛.路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2004.

[3]黃志強(qiáng),韓月霞,周茂.基于GPRS-Internet的城市路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(1-1).

[4]馮志芬,盛青松.基于GPRS路燈無線監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].大眾科技,2006(8):53-54.

[5]ST.ST7537HS1 Home Automation Modem SGS-Thomson Microelectronics,1995.

[6]曹莉.基于GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2007.