GPRS無線數(shù)傳實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸

        摘要：

        數(shù)據(jù)傳輸是大壩安全監(jiān)測、橋梁監(jiān)測、水情測報(bào) 等監(jiān)測系統(tǒng)重要組成部分，如圖1所示。隨著技術(shù)的進(jìn)步和監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展，對數(shù)據(jù)傳輸也提出了更 高的要求，原有的數(shù)據(jù)傳輸已不能滿足分布式、數(shù)據(jù)處理分析和網(wǎng)絡(luò)共享及移動性要求。

        水利水電工程和巖土工程中常用監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)以及對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的要求：

        ①測點(diǎn)分布比較分散，測點(diǎn)到監(jiān)控中心的布線很困難;

        ②各個(gè)測點(diǎn)的地理位置相距較遠(yuǎn)，如天津、南京、廣州等，監(jiān)測周期較長，每個(gè)測點(diǎn)設(shè)1個(gè)監(jiān)控中心不太現(xiàn)實(shí)，成本較高，只能設(shè)1個(gè)監(jiān)控中心;

        ③監(jiān)控中心可以移動，監(jiān)測人員可以隨時(shí)隨地對各個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。

        設(shè)計(jì)了基于GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)測系統(tǒng)， 有如下特點(diǎn)：

        ①能夠較好地滿足監(jiān)測系統(tǒng)的需求

        ②對原有監(jiān)測系統(tǒng)作增量升級，對原來的硬件和軟件不作改動，適用于現(xiàn)存監(jiān)控系統(tǒng)的升級;

        ③適用范圍寬，可以應(yīng)用于大壩安全監(jiān)測、水情測報(bào)、污染源監(jiān)測等領(lǐng)域。該系統(tǒng)已經(jīng)在某橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中投入使用。

        一、數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇

        目前大壩安全監(jiān)測、橋梁監(jiān)測、水情測報(bào)等監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式主要有有線和無線2種方式。

        1.1有線數(shù)據(jù)傳輸方式

        有線方式采用屏蔽雙絞線、光纖、公用電話線等作為傳輸介質(zhì)，現(xiàn)存的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，但也存在如下不足：①有些測點(diǎn)處在深山峽谷等地方，

        圖1監(jiān)測系統(tǒng)重要組成框圖

        布線比較困難;②系統(tǒng)的測點(diǎn)比較分散時(shí)，布線難度也很大;③由于傳輸介質(zhì)為有線介質(zhì)，花費(fèi)較多，運(yùn)行管理也比較困難;④系統(tǒng)運(yùn)行不靈活，監(jiān)控中

        心只能在固定地點(diǎn)，通信距離不遠(yuǎn)。

        1.2無線數(shù)據(jù)傳輸方式

        目前常用的無線方式主要分為2類：超短波無線電臺和公用移動網(wǎng)絡(luò)。

        1.2.1超短波無線電臺

        現(xiàn)存的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，但也存在如下不足：①通信距離有限，一般用于30 km內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸;②通信速率不高，抗干擾能力不足;③測點(diǎn)和監(jiān)控中心都要配置電臺，成本較高。

        1.2.2 公用移動網(wǎng)絡(luò)

        利用公網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向，以中國移動的網(wǎng)絡(luò)為例，利用公用移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞接?種：短消息SMS、電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)CSD模式、GPRS模式。

        (1)短消息SMS

        應(yīng)用非常廣泛，但也存在如下不足：①通信延遲較長，無線信道容易發(fā)生擁塞;②一次傳輸?shù)男畔⒘坑邢?，小?60個(gè)字節(jié)，當(dāng)數(shù)據(jù)包大于160個(gè)字節(jié)時(shí)，要進(jìn)行分組傳輸;③按短信息條數(shù)進(jìn)行收費(fèi)，

        花費(fèi)較多;④測點(diǎn)和監(jiān)控中心都要配置短消息數(shù)據(jù)傳輸模塊，成本較高。

        (2)電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)CSD模式

        傳輸數(shù)據(jù)與電話通訊類似，現(xiàn)存的監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用的不多，存在如下不足：①費(fèi)率是以使用時(shí)間的長短來計(jì)算，當(dāng)測點(diǎn)和監(jiān)控中心不在同一城市時(shí)，按長途收費(fèi)，花費(fèi)較多;②通信速率不高，一般為9600 bps;③測點(diǎn)和監(jiān)控中心都要配置手機(jī)模塊，成本較高。

        (3)GPRS模式

        GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務(wù))是一種采用分組交換的高效率數(shù)據(jù)傳輸方式。每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無線信道，同一無線信道又由多個(gè)用戶共享，資源被有效地利用，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)170 kbps，使用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠(yuǎn)在線且按流量計(jì)費(fèi)，迅速降低了服務(wù)成本。其特點(diǎn)突出表現(xiàn)為：①實(shí)時(shí)性強(qiáng)，由于GPRS具有實(shí)時(shí)在線特性，系統(tǒng)無時(shí)延，可很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求;②測點(diǎn)布置靈活，GPRS網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋絕大部分地區(qū)，基本不存在盲區(qū)，可實(shí)現(xiàn)大范圍的監(jiān)測;③監(jiān)控中心可以靈活移動，只要能接人Internet，就可以對測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控;④一次傳輸?shù)男畔⒘靠蛇_(dá)1 024個(gè)字節(jié);⑤通信速率高，可達(dá)40 kbps;⑥采用GPRS公網(wǎng)平臺，無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只需在測點(diǎn)安裝GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊，建設(shè)成本低。通過以上分析，結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)的需求，選擇GPRS作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式。

        二、基于GPRS的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        基于GPRS的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由3個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)采集單元MCU、GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。

        2.1數(shù)據(jù)采集單元MCU

        數(shù)據(jù)采集單元MCU的主要功能是：①在監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)的控制下完成各個(gè)傳感器的測量和測量數(shù)據(jù)的上傳;②自動定時(shí)測量各個(gè)傳感器，并把數(shù)據(jù)存在MCU中，等待監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)的讀取。

        2.2監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)

        監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)裝有數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)中心軟件、虛擬串口等其它支撐軟件，主要功能是：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、過程線顯示、報(bào)表輸出等。監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)要能夠接人Internet。

        2.3 GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

        GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是監(jiān)控計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集單元MCU通信的橋梁。GPRS DTU采用成熟的商業(yè)產(chǎn)品，具有如下功能：

        (1)內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議棧

        圖2基于GPRS的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        內(nèi)部封裝了PPP撥號協(xié)議以及TCP/IP協(xié)議棧并且具有嵌入式操作系統(tǒng)，從硬件上，它可看作是嵌入式PC與無線GPRSMODEM的結(jié)合，它具備GPRS撥號上網(wǎng)以及TCP/IP數(shù)據(jù)通信的功能。

        (2)串口數(shù)據(jù)透明傳輸功能

        提供了串行通信接口，包括RS232，RS485等常用的串行通信方式，串口數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)成“透明傳輸”的方式，即將串口上的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送，并把收到的TCP/IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成串口上的數(shù)據(jù)。可以和各種使用串口通信的MCU進(jìn)行連接，不需要對MCU作改動，適用于現(xiàn)存監(jiān)控系統(tǒng)的升級。

        (3)支持自動心跳，保持永久在線

        GPRS網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)之一就是支持GPRS終端設(shè)備永久在線，GPRS DTU支持永久在線功能，包含了上電自動撥號、采用心跳包保持永久在線(當(dāng)長時(shí)間沒有數(shù)據(jù)通信時(shí)，移動網(wǎng)關(guān)將斷開DTU與數(shù)據(jù)中心的連接，心跳包就是DTU與數(shù)據(jù)中心在連接被斷開之前發(fā)送1個(gè)小數(shù)據(jù)包，以保持連接不被斷開)、支持?jǐn)嗑€自動重連、自動重?fù)芴柕取?/p>

        2.4工作過程

        2.4.1通信鏈路的建立

        整個(gè)系統(tǒng)上電運(yùn)行，啟動監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)中的相關(guān)軟件;

        GPRS DTU通過拔號接人GPRS網(wǎng)絡(luò)，獲得一個(gè)動態(tài)的IP地址，GPRS DTU接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，GPRS DTU能過移動網(wǎng)關(guān)GGSN可以接人lnternet;

        GPRS DTU作為客戶端，以IP地址或域名方式與監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)中心軟件(作為服務(wù)器)建立連接，到此通信鏈路建立完畢。

        2.4.2數(shù)據(jù)傳輸過程

        監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)發(fā)出遙測遙控命令，數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信方式傳達(dá)到GPRS DTU; GPRS DTU通過RS485透明地將數(shù)據(jù)送給數(shù)據(jù)采集單元MCU; MCU解析指令執(zhí)行控制命令，并把測量數(shù)據(jù)或應(yīng)答回送給監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，MCU返回的數(shù)據(jù)原路返回給監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。

        2.5與非GPRS的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較

        屏蔽雙絞線為通信介質(zhì)的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示

        圖3屏蔽雙絞線為通信介質(zhì)的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        系統(tǒng)更新所需的硬件改動：①添加GPRS DTU，GPRS DTU安裝的位置要有移動信號;②監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)要求能接人Intemet，通過Internet和MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

        系統(tǒng)更新后的優(yōu)點(diǎn)：①監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)和MCU之間不再線纜連接;②監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)不要求與MCU處在同一地理位置，只要能接人Internet，就能采集到數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的靈活性。

        三、基于GPRS的監(jiān)測系統(tǒng)軟件組成

        基于GPRS的監(jiān)測系統(tǒng)軟件組成如圖4所示。

        3.1 MCU系統(tǒng)軟件

        配合數(shù)據(jù)采集單元MCU的硬件完成各個(gè)傳感器的測量、測量數(shù)據(jù)的上傳等功能。

        3.2 GPRS D FU系統(tǒng)軟件

        內(nèi)部封裝了PPP撥號協(xié)議以及TCP/IP協(xié)議，能夠完成：①撥號接入GPRS網(wǎng)絡(luò);②通過監(jiān)控中 心計(jì)算機(jī)的域名與監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)建立TCP連接，支持自動心跳，保持永久在線;③完成監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)與MCU之間數(shù)據(jù)的透明傳輸。

        3.3動態(tài)域名解析客戶端軟件

        用于確保GPRS DTU能夠和監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)通過域名建立TCP連接。無論監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)位于何處，只要能接人Internet，并且運(yùn)行了動態(tài)域名解析客戶端軟件，GPRS DTU就能通過域名同建立監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)TCP連接。

        圖4基于GPRS的監(jiān)測系統(tǒng)軟件組成圖

        3.4數(shù)據(jù)采集軟件

        通過串口和MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、過程線顯示、報(bào)表輸出等。

        3.5虛擬串口軟件

        現(xiàn)存監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)采集軟件)大多使用串口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采用虛擬串口軟件就是為了不對數(shù)據(jù)采集軟件作任何改動，就可完成系統(tǒng)的升級。 虛擬串口軟件就是通過一個(gè)虛擬的串口驅(qū)動程序，在計(jì)算機(jī)上虛擬出若干個(gè)串口，虛擬出來的串口對于應(yīng)用層來說就是真的有這些串口硬件一樣。虛擬串口軟件示意圖如圖5所示。

        圖5虛擬串口軟件示意圖

        本機(jī)監(jiān)聽端口和本機(jī)目標(biāo)端口是UDP協(xié)議中的端口，本機(jī)目標(biāo)端口不被虛擬串口軟件占用，它實(shí)際上就是數(shù)據(jù)中心軟件中的虛擬串口監(jiān)聽端口，詳見本文3.6節(jié)數(shù)據(jù)中心軟件。虛擬串口軟件安裝運(yùn)行后，本機(jī)就有了一個(gè)虛擬的串口——COMx，數(shù)據(jù)采集軟件對COMX進(jìn)行操作，也就是對虛擬串口進(jìn)行操作。數(shù)據(jù)采集軟件寫COMX時(shí)，數(shù)據(jù)就會寫到本機(jī)目標(biāo)端口中，監(jiān)聽本機(jī)目標(biāo)端口的軟件(即本文3.6節(jié)數(shù)據(jù)中心軟件)就可以獲得該數(shù)據(jù)。當(dāng)有應(yīng)用程序(即本文3.6節(jié)數(shù)據(jù)中心軟件)往本機(jī)監(jiān)聽端口中寫數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)就會寫入虛擬串口COMX中，數(shù)據(jù)采集軟件讀COMX，就可以獲得該數(shù)據(jù)。

        3.6數(shù)據(jù)中心軟件

        數(shù)據(jù)中心軟件作為TCP連接的服務(wù)器端與GPRS DTU系統(tǒng)軟件中的TCP客戶端進(jìn)行連接，并把MCU通過GPRS DTU傳來的測量數(shù)據(jù)通過虛擬串口傳到數(shù)據(jù)采集軟件，或者把數(shù)據(jù)采集軟件通過虛擬串口傳來的測量指令傳到GPRS DTU，進(jìn)而傳到MCU。數(shù)據(jù)中心軟件示意圖如圖6所示。

        圖6數(shù)據(jù)中心軟件示意圖

        DTU服務(wù)端口是用于和GPRS DTU建立TCP連接，用于數(shù)據(jù)中心軟件和GPRS DTU之間傳輸信息。

        DTU和虛擬串口連接信息表用于存儲DTU和虛擬串口之間的連接信息，把某個(gè)DTU和某個(gè)虛擬串口連接起來，即某個(gè)DTU傳來的數(shù)據(jù)要寫到某個(gè)虛擬串口中去，從某個(gè)虛擬串口收到的數(shù)據(jù)要傳給某個(gè)DTU傳來。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)中有2個(gè)GPRS DTU 時(shí)，就要建立2個(gè)虛擬串口，并且DTU和虛擬串口連接信息表中存儲2條信息。 虛擬串口監(jiān)聽端口是UDP協(xié)議中的端口，用于接收虛擬串口傳來的數(shù)據(jù)(實(shí)質(zhì)上是數(shù)據(jù)采集軟件寫到虛擬串口中的數(shù)據(jù))，數(shù)據(jù)中心軟件根據(jù)DTU和虛擬串口連接信息表的連接信息把收到的數(shù)據(jù)通過TCP連接傳給相應(yīng)的GPRS DTU，進(jìn)而傳給MCU。

        當(dāng)DTU服務(wù)端口收到GPRS DTU傳來的數(shù)據(jù)(實(shí)質(zhì)上是MCU傳給GPRS DTU的測量數(shù)據(jù))時(shí)， 數(shù)據(jù)中心軟件根據(jù)DTU和虛擬串口連接信息表的連接信息把收到的數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)虛擬串口中的本機(jī)監(jiān)聽端口(見本文3.5節(jié)虛擬串口軟件)中，進(jìn)而傳給數(shù)據(jù)采集軟件。

        3.7與非GPRS的監(jiān)測系統(tǒng)軟件組成比較

        非GPRS的監(jiān)測系統(tǒng)軟件組成如圖7所示。 系統(tǒng)更新所需的軟件改動：

        (1)增加GPRS DTU系統(tǒng)軟件，由于購買了商用DTU，這個(gè)軟件已經(jīng)存在;

        圖7非GPRS的監(jiān)測系統(tǒng)軟件組成圖

        (2)增加動態(tài)域名解析客戶端軟件，這是為了提高系統(tǒng)的靈活性，而且存在免費(fèi)的域名申請和動態(tài)域名解析服務(wù)，即使用收費(fèi)的服務(wù)，成本也不高，另外如果監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)能有固定的IP地址，可以設(shè)置DTU直接使用IP地址同監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)建立TCP連接，不用增加動態(tài)域名解析客戶端軟件;

        (3)增加虛擬串口軟件，這個(gè)軟件是為了不改動現(xiàn)存的數(shù)據(jù)采集軟件(該軟件使用串口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸)而增加的，而且存在免費(fèi)的虛擬串口軟件，如果方便改動現(xiàn)存的數(shù)據(jù)采集軟件的話，不用增加虛擬串口軟件;

        (4)增加數(shù)據(jù)中心軟件，借助商用DTU提供的API函數(shù)編寫這個(gè)軟件不算復(fù)雜，有的商用DTU廠家有可能會提供數(shù)據(jù)中心軟件，如果方便改動現(xiàn)存的數(shù)據(jù)采集軟件的話，可以把這個(gè)軟件的功能集成編寫在數(shù)據(jù)采集軟件中，不用增加中心軟件。

        (5)對軟件系統(tǒng)所做的更新可以是針對現(xiàn)存的軟件系統(tǒng)的增量更新，適用于現(xiàn)存監(jiān)控系統(tǒng)的升級。 系統(tǒng)更新后的好處不再贅述。

        四、結(jié) 論

        本文提出了一種基于無線公網(wǎng)GPRS網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，已在某橋梁監(jiān)測項(xiàng)目上運(yùn)行。運(yùn)行實(shí)踐表明該系統(tǒng)能夠較好滿足橋梁監(jiān)測的需求，穩(wěn)定可靠，靈活性好，設(shè)計(jì)和運(yùn)行成本低。該方案也可以應(yīng)用到大壩安全監(jiān)測、水情測報(bào)等監(jiān)測系統(tǒng)中，能夠方便地對現(xiàn)存系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。