趙鵬

【摘要】 工業(yè)控制技術(shù)發(fā)展至今，許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)I(yè)控制系統(tǒng)提出了更高更新的要求，這些應(yīng)用都存在覆蓋范圍廣、監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散或者監(jiān)控對(duì)象處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等特點(diǎn)，如何經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)所需的監(jiān)控功能，給我們提出了新的課題。本文結(jié)合移動(dòng)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式軟件技術(shù)及電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本論文詳細(xì)介紹了硬件和軟件的設(shè)計(jì)方法和具體實(shí)現(xiàn)。文中分析了數(shù)據(jù)傳輸所需的協(xié)議、給出了詳細(xì)的的移植過程、即協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過程，分析了使用優(yōu)化的協(xié)議后協(xié)商登錄過程及所需時(shí)間。本文為基于無線通信的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提供了新的思路和方法，解決或改進(jìn)了目前遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究中的一些問題，同時(shí)可為無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究提供參考。針對(duì)技術(shù)的發(fā)展，文章在最后給出了基于移動(dòng)平臺(tái)的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)存在的一些需要完善的地方以及發(fā)展的趨勢(shì)。

【關(guān)鍵字】 GPRS 數(shù)據(jù)采集 遠(yuǎn)程監(jiān)控

目前，單片機(jī)和PC機(jī)通過串行接口構(gòu)成的多微機(jī)系統(tǒng)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等場(chǎng)合，這些系統(tǒng)大多是采用RS一232、RS一485或有線modem的通信方式，雖然經(jīng)濟(jì)實(shí)用，但是這些有線數(shù)據(jù)傳輸方式在很大程度上限制了其使用場(chǎng)合。針對(duì)這種情況，很多科技工作者正在研究開發(fā)基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)控制技術(shù)?，F(xiàn)基于無線通道的數(shù)據(jù)傳輸方案主要分為兩種，一種是通過專網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如RF（Radio Frequency，射頻）數(shù)傳電臺(tái)和無線局域網(wǎng)（WLAN）；一種是通過公共無線通信網(wǎng)絡(luò)，如GSM/GPRS，CDMA網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)目前大部分系統(tǒng)的需求并綜合優(yōu)缺點(diǎn)，本文選擇基于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方式作為軟件設(shè)計(jì)的解決方案。GSM/GPRS模塊是一種非常重要的移動(dòng)通信系統(tǒng)的終端設(shè)備，它具有永遠(yuǎn)在線、不需撥號(hào)、價(jià)格便宜、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此，特別適用于無線數(shù)據(jù)的雙向傳送、無線遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制。無線通信終端采用RAM單片機(jī)控制GPRS模塊就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送和接收，利用這種終端可以做成傳輸各種檢測(cè)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信號(hào)和控制命令的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，能廣泛應(yīng)用遠(yuǎn)程監(jiān)控、定位導(dǎo)航、工業(yè)控制等多種場(chǎng)合，由于本設(shè)計(jì)采用了高性能的32位單片機(jī)，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，只要修改相應(yīng)的軟件，該終端可用于遠(yuǎn)程抄表、汽車防盜、水文氣象測(cè)報(bào)、電網(wǎng)監(jiān)控以及信息家電等系統(tǒng)中。

一、GPRS的工作原理

GPRS是利用“包交換”（Packet-Switched）的概念發(fā)展起來的一套無線傳輸方式。所謂“包交換”就是將Data封裝成許多獨(dú)立的封包，再將這些封包一一傳送出去，形式上有點(diǎn)類似郵局中的寄包裹。其作用在于只有當(dāng)有資料需要傳送時(shí)才會(huì)占用頻寬，而且可以以傳輸?shù)馁Y料量計(jì)價(jià)，這對(duì)廣大用戶來說是較合理的計(jì)費(fèi)方式，因?yàn)橄馡nternet這類的數(shù)據(jù)傳輸大多數(shù)的時(shí)間頻寬是閑置的。

GPR工作時(shí)，通過路由管理來進(jìn)行尋址和建立數(shù)據(jù)連接，而GPRS的路由管理表現(xiàn)在以下三方面：移動(dòng)終端發(fā)送數(shù)據(jù)的路由建立；移動(dòng)終端接收數(shù)據(jù)的路由建立；以及移動(dòng)終端處于漫游時(shí)數(shù)據(jù)路由的建立。

二、無線數(shù)據(jù)傳輸原理

無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中心、通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)終端組成，綜合考慮業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量、安全性、可靠性、網(wǎng)絡(luò)狀況與成本等因素，采用下述組網(wǎng)方式：通信服務(wù)器以公網(wǎng)固定IP或固定的域名接入Internet，CDMA數(shù)據(jù)終端單元（DTU）上電后，主動(dòng)與通信服務(wù)器建立連接，如果通信服務(wù)器沒有固定IP，可以通過安裝花生殼軟件獲得固定的域名，此方案具有成本低、通信質(zhì)量穩(wěn)定、安全性適中、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。根據(jù)上述，數(shù)據(jù)的上行傳輸原理如下：（1）下位機(jī)通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳給DTU；（2）DTU將數(shù)據(jù)打成TCP/IP包，發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)；（3）TCP/IP數(shù)據(jù)包經(jīng)系統(tǒng)分組數(shù)據(jù)服務(wù)節(jié)點(diǎn)，傳輸至Internet上并且去尋找在Internet上的一個(gè)指定的數(shù)據(jù)服務(wù)中心（通信服務(wù)器）；（4）通信服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)并存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)的下行傳輸與上述過程相反，不再贅述。

SGSN（Service GPRS Support Node，服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）

SGSN是GPRS網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本組成網(wǎng)元，是為了提供GPRS業(yè)務(wù)而在GSM網(wǎng)絡(luò)中引進(jìn)的一個(gè)新的網(wǎng)元設(shè)備。其主要的作用就是為本SGSN服務(wù)區(qū)域的MS轉(zhuǎn)發(fā)輸入/輸出的IP分組，其地位類似于GSM電路網(wǎng)中的VMSC。

三、前端測(cè)量設(shè)備的設(shè)計(jì)

3.1終端硬件設(shè)計(jì)

GPRS數(shù)據(jù)終端的硬件結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，共包含數(shù)據(jù)處理模塊，遠(yuǎn)程通信模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和顯示模塊四部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)處理模塊主要包含AT89C55[3]，X25045兩個(gè)芯片，AT89C55用于處理與遠(yuǎn)程通信模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和顯示模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，為了保證數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)榈綦姸鴣G失，采用串行E2PROM器件X25045對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

遠(yuǎn)程通信模塊主要包含GPRS無線模塊、SIM卡和串口模塊MAX3238三部分，GPRS無線模塊采用SIEMENS公司的MC35[4]GPRS模塊，其功能是將數(shù)據(jù)或命令通過與其連接天線發(fā)射出去，或接收遠(yuǎn)端監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)，再將接收到的數(shù)據(jù)或命令進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議處理后，通過MAX3238送入單片機(jī)進(jìn)行處理，MX3238起電平轉(zhuǎn)換和串口通信的功能，由于傳輸數(shù)據(jù)的承載方式是GPRS網(wǎng)絡(luò)，故SIM卡是不可缺少的，功能是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和在安全條件下完成客戶身份鑒權(quán)和客戶信息加密算法的全過程。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的功能將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，作為單片機(jī)處理信息源，電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了AD0832芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，先將模擬信號(hào)送入AD0832轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再送入T89C55芯片進(jìn)行計(jì)算和處理。

顯示模塊主要是考慮到當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有管理人員巡視時(shí)，可以方便實(shí)時(shí)地了解現(xiàn)場(chǎng)情況，系統(tǒng)使用了一種管理鍵盤和LED顯示器的專用智能控制芯片HD7279A，HD7279A與處理器之間采用串行接口，其接口電路和外圍電路電簡(jiǎn)單，占用口線少，只需4條，具有較高的性價(jià)比。

四、 DTU 無線數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)計(jì)

GPRS DTU采用高性能嵌入式處理器，以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，內(nèi)嵌自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TCP/IP協(xié)議棧。為用戶提供高速，穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線，多種協(xié)議轉(zhuǎn)換的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量控制的用戶，產(chǎn)品支持語音，短信，數(shù)據(jù)觸發(fā)上線以及超時(shí)自動(dòng)斷線的功能。同時(shí)也支持雙數(shù)據(jù)中心備份，以及多數(shù)據(jù)中心同步接收數(shù)據(jù)等功能。

4.1 DTU的組成

DTU 包括下列組成部分：Saro3150EP GPRS DTU 1 個(gè)（根據(jù)用戶訂貨情況包裝）、使用說明書 1 份（CD-ROM）；雙頻天線（SMA 接口） 1 個(gè)、測(cè)試用電源 1 個(gè)、20Ppin 轉(zhuǎn) RS232或20Ppin 轉(zhuǎn)RS485 線1 條、

選配附件：車載天線（SMA 接口）、產(chǎn)品導(dǎo)軌、電源導(dǎo)軌

4.2 DTU軟件設(shè)計(jì)流程

4.3 DTU與PC的連接

DTU是無線數(shù)據(jù)傳輸終端，通過RS-232與PC機(jī)連接，需要對(duì)串口進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。設(shè)定好之后才能進(jìn)行工作。DTU向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)必須知道用戶IP地址，DTU參數(shù)配置時(shí)DTU與PC機(jī)的連接原理：

結(jié)論：由于是基于GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程監(jiān)控，所以本設(shè)計(jì)具有諸多優(yōu)勢(shì)。GPRS在GSM網(wǎng)絡(luò)中引入了分組交換傳輸模式，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，這意味著多個(gè)用戶可高效率地共享同一無線信道，從而提高了資源的利用率。GPRS用戶的計(jì)費(fèi)以通信的數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)，GPRS用戶可能連接的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)，卻只需支付相對(duì)低廉的連接費(fèi)用。分組交換接入時(shí)間縮短，少于1秒。在首次建立連接后，可以在其有效覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)即時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，一旦有需求就可以立即發(fā)送或接收信息，不需要再撥號(hào)建立連接，并可使已有的Internet應(yīng)用（如E-mail、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等）操作更加便捷、流暢。數(shù)據(jù)中心軟件操作簡(jiǎn)單易懂，通過數(shù)據(jù)中心能夠簡(jiǎn)明的觀察到上傳過來的數(shù)據(jù)，并能夠獲取對(duì)方的DTU的ID號(hào)、登陸時(shí)間、動(dòng)態(tài)IP號(hào)及DTU電話號(hào)碼。通過個(gè)人的需要可以隨時(shí)對(duì)軟件的部分功能進(jìn)行修改和增添（如溫度、濕度）。監(jiān)控中心可以反向?qū)崿F(xiàn)對(duì)儀器設(shè)備的時(shí)間校正、狀態(tài)報(bào)告、開關(guān)以及其他監(jiān)測(cè)、控制等功能。系統(tǒng)所用軟件及硬件都可以變動(dòng)并升級(jí)。項(xiàng)目中所用設(shè)備的模塊化和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)保證了各個(gè)子模塊之間相互獨(dú)立，一個(gè)模塊的變動(dòng)不會(huì)影響到整個(gè)方案實(shí)現(xiàn)。并且該項(xiàng)目也可用于氣象、礦井、水庫(kù)等方面，在實(shí)際應(yīng)用中具有廣闊的發(fā)展前景?；诰W(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，其優(yōu)點(diǎn)是成本較低，應(yīng)用覆蓋范圍較廣、具有頻譜利用率高、話音質(zhì)量好、保密性強(qiáng)、掉話率低、電磁輻射小、容量大、覆覆蓋廣等特點(diǎn)，這會(huì)大大減少項(xiàng)目投資降低運(yùn)營(yíng)成本，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性會(huì)進(jìn)一步提高。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 胡可、蔡方凱、胡榮登，基于GPRS數(shù)據(jù)傳輸智能終端的實(shí)現(xiàn)，電訊技術(shù)，2003年，第4期，117-119

[2] 潘澤友、李凌等，基于GSM的數(shù)據(jù)采集信息系統(tǒng)，儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，

[3]曾紅梅 GPRS系統(tǒng)原理及其實(shí)現(xiàn).移動(dòng)通信，2002，（12）：40-42

[4] 梅運(yùn)華 基于GPRS的無線監(jiān)控終端的設(shè)計(jì).中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù).2007.5

[5] 許川佩， 馬 麗， 王 偉， 胡 聰 基于GPRS的裝載機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn). 桂林電子科技大學(xué)，2007.9.03

[6] 韓冰，李芬華 GPRS技術(shù)在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用.電子技術(shù)，2003，

[7] 郭澤辰 基于GPRS的遠(yuǎn)程自動(dòng)水文監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò).電力系統(tǒng)通信，2004，

[8] 朱聰， 劉濟(jì)林， 李培弘.GPRS 設(shè)備的被動(dòng)訪問[J]. 江南大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006，

[9] 金艷， 李岷閩， 謝海波，等.基于喚醒模式的GPRS 儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)低成本通訊控制策略[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置， 2006，6.

[10] 徐魁，蔣瑜瀛.基于GSM/GPRS 通信的抄表系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004.9.

[11] 胡漢才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.