許景波，焦天佑，熊啟梅，單冬梅

（哈爾濱理工大學(xué) 測控技術(shù)與通信工程學(xué)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(xué)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(xué) 測控技術(shù)與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

摘要：在本科生的教學(xué)體系中，網(wǎng)絡(luò)通信知識還局限于課本，學(xué)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(xué)習(xí)帶來了困難.基于塔吊遠(yuǎn)程監(jiān)測創(chuàng)新訓(xùn)練項目，從監(jiān)測終端到遠(yuǎn)程服務(wù)器，詳細(xì)論述了網(wǎng)絡(luò)通信中的關(guān)鍵技術(shù)問題，是項目實施中學(xué)生應(yīng)該掌握的內(nèi)容.通過基于GPRS的塔吊監(jiān)測項目的研發(fā)，學(xué)生參與到了實際工程項目，加強了課本知識的學(xué)習(xí)，提高了分析問題和解決問題的能力，網(wǎng)絡(luò)通信能力有了長足的進步.

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)通信；GPRS；Socket套接字；創(chuàng)新訓(xùn)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(yīng)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(guān)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(shè)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(fù)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(shè)計了基于GPRS的塔吊電機遠(yuǎn)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(shè)備保持永遠(yuǎn)在線，遠(yuǎn)程控制電機的啟停.當(dāng)電機在工作中出現(xiàn)異常狀態(tài)，該裝置可以及時采取關(guān)斷措施，避免事故的發(fā)生，對安全生產(chǎn)具有重要意義.

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

圖1 網(wǎng)絡(luò)通信構(gòu)架

1　基于GPRS的終端遠(yuǎn)程通信

無線數(shù)據(jù)通信方式有多種：射頻、藍(lán)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(wǎng)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(shù)，它是通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的基站資源，使數(shù)據(jù)達(dá)到遠(yuǎn)程傳輸，理論上基站覆蓋范圍內(nèi)都可采用GPRS通信，現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)關(guān)接入公網(wǎng)，便于網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的構(gòu)建，服務(wù)器端只需能夠接入Internet，即可與遠(yuǎn)程設(shè)備通信.所以GPRS是工業(yè)設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信的經(jīng)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(yīng)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(yīng)答字符串，如“OK”、“ERROR”或其它，通過這些應(yīng)答可以判斷MC55i狀態(tài)，進而決定程序的流程.要使MC55i登錄網(wǎng)絡(luò)，需要MC55i登錄網(wǎng)絡(luò)流程（見圖2）.經(jīng)過此流程，MC55i進入數(shù)據(jù)通信狀態(tài)，可以給遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù).

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

圖2 MC55i登錄網(wǎng)絡(luò)流程

圖3 終端保持永遠(yuǎn)在線機制

終端定時向服務(wù)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(wù)器發(fā)送心跳，服務(wù)器接到后向終端回復(fù)應(yīng)答，如果終端在一定時間內(nèi)沒有接收到應(yīng)答，那么終端將判斷網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wù)程序及時處理，重新建立連接.在服務(wù)器關(guān)閉的情況下，終端需要不斷發(fā)送建立連接指令，直至服務(wù)器重新開啟，這樣可防止因服務(wù)器的意外關(guān)閉，而不能再次建立連接.

在此環(huán)節(jié)中，學(xué)生們以所學(xué)過的單片機型MSP430F149為基礎(chǔ)，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(yīng)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(nèi)容的學(xué)習(xí)，在不斷解決問題中，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.此外，GPRS通信技術(shù)也可應(yīng)用于其它工程項目，這也為學(xué)生以后工作提供了技術(shù)積累.

2　域名解析組網(wǎng)方式

對于服務(wù)器的組網(wǎng)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(wǎng)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(yīng)有.DNS域名組網(wǎng)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(wǎng)方式，首先需要向DNS 服務(wù)商為系統(tǒng)服務(wù)器申請一個域名，花生殼就是這樣一個DNS 服務(wù)商，提供了域名解析服務(wù).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(yīng)用.動態(tài)域名解析，是在動態(tài)公網(wǎng)IP環(huán)境下，可以將域名解析到動態(tài)最新公網(wǎng)IP，解析是實時的，即使公網(wǎng)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(wǎng)IP環(huán)境下的程序發(fā)布、訪問內(nèi)網(wǎng)目的.端口映射就是從公網(wǎng)IP地址映射到內(nèi)網(wǎng)IP地址，服務(wù)器或是一些應(yīng)用程序在內(nèi)網(wǎng)中，通過端口映射可以從互聯(lián)網(wǎng)上通過訪問公網(wǎng)IP地址來訪問內(nèi)網(wǎng)中的服務(wù)器或應(yīng)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(nèi)網(wǎng)IP，訪問域名就可訪問內(nèi)網(wǎng)中的系統(tǒng)服務(wù)器.

圖4 花生殼內(nèi)網(wǎng)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(wù)器，通過域名解析映射，連接內(nèi)網(wǎng)服務(wù)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(wù)器，所以采用域名解析的組網(wǎng)方式是一個經(jīng)濟實用的選擇.學(xué)生們通過實踐，可以自己構(gòu)建內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，深刻體會和掌握網(wǎng)絡(luò)通信原理.

3　遠(yuǎn)程服務(wù)器通信編程

遠(yuǎn)程服務(wù)器采用TCP/IP通信協(xié)議，它是互聯(lián)網(wǎng)廣泛采用的通信協(xié)議，包含了7層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層中的傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層.TCP/IP協(xié)議封裝在操作系統(tǒng)中，應(yīng)用程序通過接口進行訪問，這個接口就是Socket套接字.它是應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族之間的軟件抽象層，對應(yīng)用程序設(shè)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(wù)器與客戶端的通信流程見圖5.塔吊遠(yuǎn)程監(jiān)測服務(wù)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(wù)器與客戶端建立起了通信鏈路，之后服務(wù)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(wù)器，在建立通信鏈路后，即可進行讀寫操作.

在項目中，學(xué)生們采用VB.net進行編程，構(gòu)建了遠(yuǎn)程服務(wù)器，軟件界面見圖6.在實施中，學(xué)習(xí)掌握了網(wǎng)絡(luò)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(diào)試經(jīng)驗，提高了編程能力.

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

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《高師理科學(xué)刊》編輯部

圖5 服務(wù)器與客戶端遠(yuǎn)程通信流程

圖6 服務(wù)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(biāo)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(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)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