GPRS技術(shù)在SZF波浪浮標(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要:簡述將無線分組業(yè)務(wù)(GPRS技術(shù))應(yīng)用到SZF型波浪浮標(biāo)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中，通過GPRS網(wǎng)與Internet網(wǎng)的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與遠(yuǎn)程監(jiān)控。描述整個(gè)系統(tǒng)框架組成以及軟件設(shè)計(jì)方案，使用VC中的WinSock控件和ADO技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)庫管理功能。

關(guān)鍵詞:GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng);SZF型波浪浮標(biāo);WinSock;ADO

中圖分類號(hào):TN915;TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)05-013-02

Application of GPRS Technology in SZF Wave Buoy System

ZHANG Ying

(College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao，266100，China)

Abstract:The application of GPRS technology in SZF wave buoy long-distance monitoring system is introduced.By the connection of GPRS and Internet，it can realize data transmission and remote monitoring.It describes the system formation and the program of software-designing.Using WinSock and ADO technology to achieve data communication and the administration of databank.

Keywords:GPRS long-distance monitoring system;SZF wave buoy;Winsock;ADO

0 引 言

GPRS是第二代移動(dòng)通信技術(shù)(GSM)向第三代移動(dòng)通信(3G)發(fā)展的過渡技術(shù)，將移動(dòng)通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)合二為一[1]。它具有計(jì)費(fèi)合理、傳輸速率高、接入速度快、可永久連線，支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)[2]。特別適合突發(fā)性且頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸。GPRS提供了一個(gè)完備的基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信解決方案。目前已在電力抄表系統(tǒng)、企業(yè)移動(dòng)化辦公系統(tǒng)、公安系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1 SZF型波浪浮標(biāo)系統(tǒng)簡介

SZF 型波浪浮標(biāo)是一種無人值守的、可定點(diǎn)、定時(shí)(或連續(xù))自動(dòng)地對(duì)波浪要素進(jìn)行測量的小型浮標(biāo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于沿岸海洋環(huán)境監(jiān)測站常規(guī)波浪觀測工作和近海環(huán)境工程的監(jiān)測工作，可測量海浪的波高、周期、波向。系統(tǒng)由海上浮標(biāo)部分和岸站接收部分兩大部分組成[3]。

現(xiàn)有的SZF波浪浮標(biāo)系統(tǒng)中，通過高頻和GSM短信兩種無線數(shù)據(jù)傳輸方式將浮標(biāo)體內(nèi)測得的數(shù)據(jù)發(fā)送給接收機(jī)，接收機(jī)進(jìn)行接收、處理、打印。同時(shí)，接收機(jī)可以利用RS 232接口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。在浮標(biāo)初始化時(shí)，需要將接收機(jī)設(shè)置好參數(shù)，通過數(shù)據(jù)線把浮標(biāo)和接收機(jī)連接并傳送命令。

高頻無線數(shù)據(jù)傳輸方式，容易受到障礙物的影響，所以需要把接收天線架得很高;GSM無線傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)量少。由于GPRS在數(shù)據(jù)傳輸方面的優(yōu)越性，所以筆者嘗試將其應(yīng)用在浮標(biāo)系統(tǒng)中。

2 GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集處理部分，GPRS終端系統(tǒng)，GPRS網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)組成。數(shù)據(jù)采集部分由波浪傳感器和方位傳感器組成。單片機(jī)將傳感器測得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到波高等波浪統(tǒng)計(jì)特征值。GPRS通信網(wǎng)絡(luò)是上位機(jī)與浮標(biāo)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄海珿PRS模塊與上位機(jī)采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。建立連接成功后，浮標(biāo)內(nèi)采集處理到的波浪數(shù)據(jù)便可以實(shí)時(shí)地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)軟件部分包含數(shù)據(jù)接收發(fā)送處理部分及數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)部分。上位機(jī)軟件一方面通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)與浮標(biāo)進(jìn)行雙向通信，接收數(shù)據(jù)以及通過發(fā)送指令對(duì)浮標(biāo)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置;另一方面它也為用戶提供了一個(gè)可視化的界面，讓用戶足不出戶即可了解浮標(biāo)相對(duì)實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀況。總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。



圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 GPRS模塊的初始化

插入SIM卡裝上天線，且必須確保SIM卡支持GPRS功能。將模塊與PC機(jī)通過串口相連，運(yùn)行測試軟件，設(shè)置串口速率，上位機(jī)IP地址，通信端口號(hào)，通信協(xié)議等參數(shù)。

2.3 系統(tǒng)工作過程

浮標(biāo)長期放置在野外惡劣環(huán)境中，內(nèi)置鋰離子電池。為了節(jié)省用電，浮標(biāo)在采集發(fā)送完數(shù)據(jù)后進(jìn)入休眠狀態(tài)，即低功耗狀態(tài)[3]。

浮標(biāo)有多種工作方式。以1 h定時(shí)工作方式為例，浮標(biāo)在每天24個(gè)整點(diǎn)進(jìn)行測量，傳感器在整點(diǎn)前的21 min加電，通電穩(wěn)定1 min，工作17 min，此后傳感器被斷電，GPRS系統(tǒng)此時(shí)也被斷電[3]。發(fā)射機(jī)開始工作時(shí)，即整點(diǎn)1 min之前，GPRS終端系統(tǒng)開始加電，加電后自動(dòng)連網(wǎng)。連接成功后，終端系統(tǒng)將獲得動(dòng)態(tài)的IP，上位機(jī)則擁有固定的公網(wǎng)IP地址和端口號(hào)。終端系統(tǒng)主動(dòng)向接入Internet的上位機(jī)發(fā)出連接請(qǐng)求，建立連接，然后將GPRS終端的端口號(hào)及子網(wǎng)IP地址通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送至上位機(jī)，連接保持的情況下，上位機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)與GPRS終端的互聯(lián)[4]。發(fā)射機(jī)工作完畢，GPRS終端系統(tǒng)自動(dòng)斷電。在工作期間，為保證數(shù)據(jù)發(fā)送完之前GPRS和上位機(jī)要始終處于互聯(lián)狀態(tài)，故需要知道上位機(jī)和GPRS終端的聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。可以很清楚地知道上位機(jī)是否連線，而對(duì)于GPRS終端則需要它不斷發(fā)送鏈路維護(hù)數(shù)據(jù)包[5]。

因?yàn)楦?biāo)長期放置在偏遠(yuǎn)的地方，有時(shí)可能信號(hào)非常不好而出現(xiàn)GPRS始終無法連接網(wǎng)絡(luò)的情況。若在GPRS模塊通電的這一分鐘內(nèi)都無法聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，則將這次的數(shù)據(jù)保存起來等待下一次數(shù)據(jù)的到來一起發(fā)送，然后斷電。

上位機(jī)給模塊發(fā)送命令時(shí)，需要對(duì)命令格式進(jìn)行規(guī)定，以保證單片機(jī)收到命令后可以做出相應(yīng)的反應(yīng)。命令格式如圖2所示[6]。

數(shù)據(jù)包頭控制字節(jié)設(shè)置參數(shù)字節(jié)(時(shí)間、采樣間隔及工作方式、浮標(biāo)存儲(chǔ)門限值等)數(shù)據(jù)包尾

圖2 浮標(biāo)命令格式

3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)

上位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它在系統(tǒng)中起著系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)分析處理儲(chǔ)存的功能，而它的實(shí)現(xiàn)則依賴于有良好功能實(shí)現(xiàn)的軟件編程。普通服務(wù)器或者PC機(jī)就完全可以勝任上位機(jī)的工作。依據(jù)上位機(jī)的具體職責(zé)，軟件應(yīng)該包括這幾部分:數(shù)據(jù)通信處理部分以及數(shù)據(jù)庫管理部分。

軟件使用Visual C++進(jìn)行編程。Visual C++不僅是一個(gè)C++編譯器，而且是一個(gè)基于Windows操作系統(tǒng)的可視化集成開發(fā)環(huán)境。它提供強(qiáng)大的MFC庫，可以有效簡化編程工作[7]。

3.1 通信軟件

采用VC中的WinSock控件來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與模塊的通信。WinSock通過控件本身的監(jiān)聽，連接，響應(yīng)等方法建立起任意2個(gè)具有惟一IP地址的節(jié)點(diǎn)間的連接，并通過TCP協(xié)議(有連接通信)或UDP協(xié)議(無連接通信)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[8] 。MFC提供了三個(gè)類CAsyncSocket，CSocket和CSocketFile來封裝Winsock API，這給程序提供了一個(gè)更簡單的網(wǎng)絡(luò)編程接口。本系統(tǒng)中上位機(jī)和模塊之間的數(shù)據(jù)通信采用最常用的服務(wù)器/客戶端模式[9]。工作步驟如下:

(1) 服務(wù)器首先啟動(dòng)，通過socket()建立一個(gè)套接字;

(2) 調(diào)用bind()將該套接字和本地網(wǎng)絡(luò)地址聯(lián)系在一起;

(3) 調(diào)用listen()監(jiān)聽連接請(qǐng)求;

(4) 調(diào)用accept()來接收連接。無連接請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)進(jìn)程被阻塞;

(5) 客戶連接請(qǐng)求到來，服務(wù)進(jìn)程被喚醒，生成一個(gè)新的字節(jié)流套接字，并返回一個(gè)與其關(guān)聯(lián)的文件描述符，服務(wù)器創(chuàng)建新線程，用新套接字同客戶進(jìn)程的套接字建立連接，調(diào)用read()，write()函數(shù)與客戶雙向通信。而先前的套接字繼續(xù)用于監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)請(qǐng)求;返狀態(tài)(4);

(6) 服務(wù)進(jìn)程調(diào)用close()關(guān)閉監(jiān)聽套接字，中斷連接，終止服務(wù)[10]。

3.2 數(shù)據(jù)庫管理

為了更好的觀察波浪的狀態(tài)，對(duì)于每次實(shí)時(shí)接收到的數(shù)據(jù)都需要保存，以便回放并與日后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。這樣，就需要建立數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)采用SQL Server 2000作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫軟件。使用ADO組件開發(fā)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序。

整個(gè)程序界面如圖3所示。

圖3 SZF波浪浮標(biāo)

4 結(jié) 語

現(xiàn)有的SZF浮標(biāo)設(shè)備采用高頻和GSM短信兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，利用岸站接收機(jī)進(jìn)行接收打印，傳輸命令則利用電纜線將接收機(jī)與浮標(biāo)連接，以修改時(shí)間，工作方式等參數(shù)。相比以上兩種，使用GPRS可以直接使用連接公網(wǎng)的上位機(jī)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送命令，可以省去接收機(jī)，從而節(jié)省大量成本。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊菁，余成波，胡曉倩.GPRS技術(shù)及其應(yīng)用探析[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，18(1):30-32，35.

[2]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[J].電子技術(shù)，2003，30(8):26-29.

[3]唐原廣，王金平.SZF型波浪浮標(biāo)系統(tǒng)[J].海洋技術(shù)，2008，27(2):31-33.

[4]楊志超，高勇.GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸終端的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[D].西安:西安理工大學(xué)，2004.

[5]劉堅(jiān)，陶正蘇，陳德富.基于GPRS的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2009，30(2):30-31.

[6]沈苑，陳曉榮，施展.基于GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(3):281-284.

[7]賀懷清，劉浩瀚，郭航.Visual C++的使用及面向?qū)ο筌浖こ虒?shí)例分析[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.

[8]王志偉，沈杰峰，郭啟峰，等.基于Socket的GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集方法[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25(1):37-39，93.

[9]程詠喜，蔣珉.基于TCP/IP協(xié)議的WinSock網(wǎng)絡(luò)編程及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2004(7):29-30，40.

[10]王磊，許小琳.GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸中服務(wù)器端軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2007，26(11):52-55.