王百川

編者按：為了更好地檢測(cè)高速公路隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，這篇文章設(shè)計(jì)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(shí)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(lái)的環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等信息進(jìn)行直觀顯示，利用大數(shù)據(jù)，使用戶對(duì)每類設(shè)備或系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)信息一目了然。

引言

高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)包含多系統(tǒng)、多設(shè)備、多廠家，目前高速公路需要對(duì)各設(shè)備環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況、讀取用戶需要數(shù)據(jù)等，同時(shí)對(duì)遠(yuǎn)端的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，因此需要有一個(gè)及時(shí)有效的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)解決遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)分析等問(wèn)題。該方案設(shè)計(jì)具有傳輸速度高、組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，本文重點(diǎn)研究了基于GPRS的環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)系統(tǒng)的終端開(kāi)發(fā)與用戶管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(diào)用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適合項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)需求，這大大方便了用戶的使用，不論是手機(jī)還是電腦只要登錄App就可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的獲取和及時(shí)的掌握。

高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)需求分析

本文主要研究如何將節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)如何設(shè)計(jì)以及用戶管理系統(tǒng)和用戶對(duì)終端的控制。其具體包括以下內(nèi)容：

GPRS終端控制程序設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其前端通信采用了簡(jiǎn)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(wù)器?？刂破鬟€實(shí)現(xiàn)了對(duì)GPRS狀態(tài)的判斷，保證數(shù)據(jù)可靠、準(zhǔn)確、及時(shí)地發(fā)送。

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)選用了MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)表分四個(gè)部分，分別是產(chǎn)品運(yùn)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(shè)計(jì)

隧道機(jī)電管理系統(tǒng)是基于Thinkphp框架實(shí)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(lái)的濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等信息進(jìn)行直觀顯示，使用戶對(duì)每類設(shè)備或系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)信息一目了然。

GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端實(shí)現(xiàn)

GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端實(shí)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(jī)電環(huán)境的設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行濕度、洞內(nèi)外光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等信息通過(guò)傳感器獲取后，經(jīng)過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將各個(gè)節(jié)點(diǎn)匯總的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(wù)器。

GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)

GPRS系統(tǒng)作為無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載，充分融合了GSM無(wú)線技術(shù)和IP等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)，GPRS網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)中增加通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN和GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)SGSN來(lái)實(shí)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(yuǎn)程控制。

從圖2可以看出，手持移動(dòng)設(shè)備是通過(guò)無(wú)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(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN），而不是通過(guò)移動(dòng)交換中心（MSC）連接到語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)上。SGSN與GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）進(jìn)行通信;GGSN對(duì)分組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)，如因特網(wǎng)或X.25網(wǎng)絡(luò)。

SGSN是GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在整個(gè)隧道機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)，它通過(guò)幀中繼與基站相連，是GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與移動(dòng)設(shè)備之間的有效接口。SGSN的主要作用是記錄移動(dòng)設(shè)備的位置信息，并且在后臺(tái)和GGSN之間完成移動(dòng)分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

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

SGSN和GGSN利用GPRS隧道機(jī)電系統(tǒng)監(jiān)控協(xié)議（GTP）對(duì)IP或X.25分組進(jìn)行封裝，實(shí)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(nèi)GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的接入與參考點(diǎn)。

GPRS網(wǎng)絡(luò)通過(guò)Gi參考點(diǎn)和Gp接口實(shí)現(xiàn)同其他網(wǎng)絡(luò)的互通，對(duì)于一個(gè)支持GPRS的公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（PLMN），當(dāng)它運(yùn)行GPRS業(yè)務(wù)時(shí)可能涉及到任何網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)就產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)互通的需求。

在整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)于具有GPRS業(yè)務(wù)功能的手持移動(dòng)終端，它本身具有GSM和GPRS業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)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(shí)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(shí)效性。

由于GPRS是GSM系統(tǒng)中提供分組業(yè)務(wù)的一個(gè)環(huán)節(jié)，所以它能廣泛應(yīng)用于IP域。其手持移動(dòng)終端通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)提供的尋址方案和運(yùn)營(yíng)商協(xié)議實(shí)現(xiàn)全球網(wǎng)間通信。

GPRS的特點(diǎn)

在環(huán)境監(jiān)測(cè)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(diǎn)是引入了分組交換能力，利用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w特點(diǎn)是接入范圍廣、高速傳輸、隨時(shí)調(diào)閱、按流量計(jì)費(fèi)、快捷登錄以及自如切換等。

（1）接入范圍廣。在整個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)，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）高速傳輸。其在整個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸速率高，可達(dá)到57.6Kbit/s，最高可達(dá)到171.2Kbit/s，是常用有線Modem理想速率的2倍，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10倍以上，下一代GPRS業(yè)務(wù)的速度甚至可以達(dá)到384Kbit/s，完全可以滿足用戶任何應(yīng)用的需求。

（3）隨時(shí)調(diào)閱。在整個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)，提供實(shí)時(shí)在線功能，即用戶隨時(shí)與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，即使沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送，終端還一直與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，這將使訪問(wèn)服務(wù)隨時(shí)調(diào)閱、及時(shí)反饋，讓其變得非常簡(jiǎn)單、高效。

（4）按流量計(jì)費(fèi)。在整個(gè)高速公路隧道機(jī)電環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用無(wú)線資源，但用戶可以一直在線，在不進(jìn)行操作時(shí)不進(jìn)行計(jì)費(fèi)。計(jì)費(fèi)方式是按照用戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量，沒(méi)有數(shù)據(jù)流量傳遞時(shí)，用戶即使掛在網(wǎng)上也是不收費(fèi)的，對(duì)用戶而言是降低成本的有效措施。

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端控制總流程圖

該環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端控制器的程序設(shè)計(jì)的具體內(nèi)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(cè)系統(tǒng)終端控制總流程圖。

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該高速公路隧道機(jī)電環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是基于WEB開(kāi)發(fā)的一套網(wǎng)站系統(tǒng)，可以為用戶提供節(jié)點(diǎn)信息查看、歷史信息瀏覽、用戶管理、產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)管理等。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念為便捷、清新、實(shí)用、高效，以ThinkPHP為框架。而ThinkPHP是國(guó)內(nèi)一款免費(fèi)開(kāi)源，快速簡(jiǎn)單面向?qū)ο蟮妮p量級(jí)PHP開(kāi)發(fā)框架，遵循 A-pache2 開(kāi)源協(xié)議發(fā)布，是為了敏捷 Web 應(yīng)用開(kāi)發(fā)和簡(jiǎn)化企業(yè)級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)而誕生的。以ThinkPHP為框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，一方面可以提高開(kāi)發(fā)效率，另一方面可以增加系統(tǒng)的運(yùn)行及數(shù)據(jù)的安全性、穩(wěn)定性，系統(tǒng)及各設(shè)備的可維護(hù)性，圖5為該系統(tǒng)用戶管理系統(tǒng)框圖。

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)對(duì)于高速公路隧道機(jī)電環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)以后的功能擴(kuò)展和維護(hù)是相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)，將來(lái)數(shù)據(jù)庫(kù)不但可以為用戶的WEB系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，而且還為手機(jī)端App、電腦環(huán)境監(jiān)測(cè)軟件提供數(shù)據(jù)服務(wù)。因此數(shù)據(jù)庫(kù)要設(shè)計(jì)得條理清晰，方便實(shí)用。數(shù)據(jù)庫(kù)的表前綴為gprs_，主要的數(shù)據(jù)表為品環(huán)境檢測(cè)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(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的各個(gè)表的功能和字段進(jìn)行詳細(xì)闡述：

（1）設(shè)備或系統(tǒng)的環(huán)境檢測(cè)信息表（見(jiàn)表1）為所有用戶提供檢測(cè)節(jié)點(diǎn)信息與該產(chǎn)品的簡(jiǎn)介、所有者等信息。

（2）用戶信息表（見(jiàn)表2）為使用者的一些信息。

（3）原始數(shù)據(jù)表（見(jiàn)表3）為接收到GPRS模塊傳來(lái)的原始數(shù)據(jù)。

（4）用戶數(shù)據(jù)表（見(jiàn)表4）為該用戶所有節(jié)點(diǎn)的信息。

用戶管理模塊

該模塊包含兩部分內(nèi)容：用戶注冊(cè)和用戶登錄。用戶注冊(cè)要求用戶填寫用戶名、電子郵箱、手機(jī)號(hào)碼、密碼等信息，當(dāng)用戶將注冊(cè)的表單提交后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，比如用戶名是否正確，手機(jī)號(hào)格式是否正確等。

信息查詢模塊

信息查詢模塊包括設(shè)備或系統(tǒng)列表、最新信息播報(bào)、歷史信息查詢等，當(dāng)用戶登錄后就會(huì)進(jìn)入隧道機(jī)電系統(tǒng)、設(shè)備或系統(tǒng)列表頁(yè)，該頁(yè)列出了用戶的所有產(chǎn)品運(yùn)行節(jié)點(diǎn)，并且還有添加新節(jié)點(diǎn)的功能。實(shí)現(xiàn)方式：用戶登錄會(huì)記錄一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)模型 M（‘table’），它支持鏈?zhǔn)秸{(diào)用，只要符合一定的規(guī)范，該類使用起來(lái)非常方便，便于用戶獲取需要信息。

（2）歷史信息查詢。在設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行信息頁(yè)，列出了最新信息播報(bào)和歷史信息查詢，歷史信息模塊采用了簡(jiǎn)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(gè)GPRS模塊上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)。圖6是整個(gè)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(yè)，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(kù)。

（2）短信通知。在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、預(yù)警，如果超過(guò)了設(shè)定范圍會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)報(bào)警。該功能是根據(jù)產(chǎn)品信息進(jìn)行判斷的，比如產(chǎn)品適宜的運(yùn)行濕度、二氧化碳濃度等，這些是有上邊界和下邊界的，當(dāng)濕度低于下邊界，會(huì)報(bào)警過(guò)干，當(dāng)濕度高于上邊界會(huì)報(bào)警過(guò)濕。

系統(tǒng)測(cè)試

硬件測(cè)試

將系統(tǒng)配置好的AT指令利用USB轉(zhuǎn)串口發(fā)送到GPRS端，在服務(wù)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(guò)USB轉(zhuǎn)串口鏈接到PC管理機(jī)上，確定數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序和格式是否正確，然后通過(guò)串口調(diào)試助手檢查發(fā)送的數(shù)據(jù)是否符合邏輯，反復(fù)測(cè)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(cè)試

在數(shù)據(jù)分析儀上模仿GPRS的方式向服務(wù)器提交數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)處理報(bào)警等是否正常工作，數(shù)據(jù)加入數(shù)據(jù)庫(kù)后觀察該節(jié)點(diǎn)的歷史信息圖標(biāo)能否正常顯示等。如圖8為歷史信息數(shù)據(jù)繪制測(cè)試。

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的針對(duì)高速公路隧道機(jī)電環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)分為兩個(gè)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(shí)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(kù)，能夠很好地監(jiān)控高速公路隧道機(jī)電設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，為用戶提供及時(shí)、有效、準(zhǔn)確的信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隨時(shí)共享、遠(yuǎn)程全面監(jiān)控、信息隨時(shí)分析、預(yù)警準(zhǔn)確無(wú)誤。

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