基于GPRS 無線數(shù)傳的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)解決方案目錄一、數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇1.1有線數(shù)據(jù)傳輸方式1.2無線數(shù)據(jù)傳輸方式二、基于GPRS 的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1數(shù)據(jù)采集單元MCU2.2監(jiān)控中心計算機2

基于GPRS 無線數(shù)傳的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

目錄

一、數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇

1.1有線數(shù)據(jù)傳輸方式

1.2無線數(shù)據(jù)傳輸方式

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

2.1數(shù)據(jù)采集單元MCU

2.2監(jiān)控中心計算機

2.3 GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

2.4工作過程

三、基于GPRS 的監(jiān)測系統(tǒng)軟件組成

3.1 MCU系統(tǒng)軟件

3.2 GPRS D FU系統(tǒng)軟件

3.3動態(tài)域名解析客戶端軟件

3.4數(shù)據(jù)采集軟件

3.5虛擬串口軟件

3.6數(shù)據(jù)中心軟件

3.7與非GPRS 的監(jiān)測系統(tǒng)軟件組成比較

四、結(jié)論

正文

數(shù)據(jù)傳輸是大壩安全監(jiān)測、橋梁監(jiān)測、水情測報等監(jiān)測系統(tǒng)重要組成部分。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)的特點以及對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的要求：

①測點分布比較分散，測點到監(jiān)控中心的布線很困難；②各個測點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，每個測點設(shè)1個監(jiān)控中心不太現(xiàn)實，成本較高，只能設(shè)1個監(jiān)控中心；③監(jiān)控中心可以移動，監(jiān)測人員可以隨時隨地對各個測點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。

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

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、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有些測點處在深山峽谷等地方，布線比較困難；②系統(tǒng)的測點比較分散時，布線難度也很大；③由于傳輸介質(zhì)為有線介質(zhì)，花費較多，運行管理也比較困難；④系統(tǒng)運行不靈活，監(jiān)控中心只能在固定地點，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30km 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坑邢蓿∮?60個字節(jié)，當(dāng)數(shù)據(jù)包大于160個字節(jié)時，要進(jìn)行分組傳輸；③按短信息條數(shù)進(jìn)行收費，花費較多；④測點和監(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費率是以使用時間的長短來計算，當(dāng)測點和監(jiān)控中心不在同一城市時，按長途收費，花費較多；②通信速率不高，一般為9600 bps；③測點和監(jiān)控中心都要配置手機模塊，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。每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又由多個用戶共享，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)在線且按流量計費，迅速降低了服務(wù)成本。其特點突出表現(xiàn)為：

①實時性強，由于GPRS 具有實時在線特性，系統(tǒng)無時延，可很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。

②測點布置靈活，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 ，就可以對測點進(jìn)行監(jiān)控。

④一次傳輸?shù)男畔⒘靠蛇_(dá)1 024個字節(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)控中心計算機。

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)控中心計算機的控制下完成各個傳感器的測量和測量數(shù)據(jù)的上傳；②自動定時測量各個傳感器，并把數(shù)據(jù)存在MCU 中，等待監(jiān)控中心計算機的讀取。

2.2監(jiān)控中心計算機

監(jiān)控中心計算機裝有數(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、報表輸出等。監(jiān)控中心計算機要能夠接人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)控計算機和數(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

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)?？梢院透鞣N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)長時間沒有數(shù)據(jù)通信時，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

整個系統(tǒng)上電運行，啟動監(jiān)控中心計算機中的相關(guān)軟件；GPRS DTU通過拔號接人GPRS 網(wǎng)絡(luò)，獲得一個動態(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)控中心計算機的數(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)控中心計算機發(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)控中心計算機，MCU 返回的數(shù)據(jù)原路返回給監(jiān)控中心計算機。

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

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)控中心計算機要求能接人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：①監(jiān)控中心計算機和MCU 之間不再線纜連接；②監(jiān)控中心計算機不要求與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

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)控中心計算機的域名與監(jiān)控中心計算機建立TCP 連接，支持自動心跳，保持永久在線；③完成監(jiān)控中心計算機與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)控中心計算機通過域名建立TCP 連接。無論監(jiān)控中心計算機位于何處，只要能接人Internet ，并且運行了動態(tài)域名解析客戶端軟件，GPRS DTU就能通過域名同建立監(jiān)控中心計算機TCP 連接。

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)控中心計算機(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虛擬的串口驅(qū)動程序，在計算機上虛擬出若干個串口，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。

本機監(jiān)聽端口和本機目標(biāo)端口是UDP 協(xié)議中的端口，本機目標(biāo)端口不被虛擬串口軟件占用，它實際上就是數(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行后，本機就有了一個虛擬的串口——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，數(shù)據(jù)就會寫到本機目標(biāo)端口中，監(jiān)聽本機目標(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) 往本機監(jiān)聽端口中寫數(shù)據(jù)時，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 。

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DTU 和某個虛擬串口連接起來，即某個DTU 傳來的數(shù)據(jù)要寫到某個虛擬串口中去，從某個虛擬串口收到的數(shù)據(jù)要傳給某個DTU 傳來。當(dāng)整個系統(tǒng)中有2個GPRS DTU 時，就要建立2個虛擬串口，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)(實質(zhì)上是MCU 傳給GPRS DTU 的測量數(shù)據(jù)) 時，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

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

(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，而且存在免費的域名申請和動態(tài)域名解析服務(wù)，即使用收費的服務(wù)，成本也不高，另外如果監(jiān)控中心計算機能有固定的IP 地址，可以設(shè)置DTU 直接使用IP 地址同監(jiān)控中心計算機建立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)計與實現(xiàn)，已在某橋梁監(jiān)測項目上運行。運行實踐表明該系統(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)計和運行成本低。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。

注：本文由深圳信立科技編輯