GPRS在SCADA系統中的應用與實現

王延政，李瑞祥，王立青

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

隨著信息技術、特別是無線網絡通信技術的迅猛發展，信息的傳遞以及人與人之間的交流更加方便和快捷。在許多領域的SCADA系統中需要對大范圍的RTU設備進行自動、及時的數據采集、傳輸、處理以及控制指令的下達，以便及時掌握和控制現場情況。而這些RTU設備大多分布范圍廣、數量多、分布零散、距離遠且地域復雜。當前SCADA系統使用最廣的有線或短距離無線通信方式，顯然已經不能滿足要求。基于GPRS無線網絡的SCADA系統可以擺脫線纜的束縛，具有安裝周期短、維護方便、擴容能力強、成本回收快等特點。而無線GPRS網絡所具有的永遠在線、按流量計費和傳輸速率高等突出特點，特別適合于SCADA系統這樣間斷、突發性的或者頻繁、中小流量的數據傳輸系統。無線網絡由網絡提供商維護，遵循全球統一的技術標準和通信協議，可跨地域實現對RTU設備的監測與控制，是SCADA系統發展的趨勢。

1 GPRS技術、SCADA簡介

通用分組無線業務GPRS(GeneralPacketRadio Service)是在現有GSM系統上發展起來的一種新的承載業務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數據業務，而不需要利用電路交換模式的網絡資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務。GPRS充分利用共享無線信道，實現了與標準Internet的無縫連接，采用IP Over PPP實現數據終端的高速、遠程接入。GPRS理論上可提供高達171 kb/s的傳輸速率(實際應用中大約為20～40 kb/s)。無線GPRS網絡所具有的永遠在線、按流量計費、傳輸速率高以及支持X.25和IP協議等突出特點，特別適合于SCADA系統這樣間斷、突發性的或者頻繁、中小流量的數據傳輸。

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統，即數據采集與監視控制系統。SCADA系統的應用領域很廣，它可以應用于電力系統、給水系統、石油、化工等領域的數據采集與監視控制以及過程控制等諸多領域(在電力系統以及電氣化鐵道上又稱遠動系統)。 SCADA系統是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統。它可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等功能。

2 系統的組網方案

現場RTU設備采集到數據后，通過GPRS模塊將數據發送到監控中心。而GPRS模塊與監控中心的連接總體上有兩種方案：GPRS+Internet連接和GPRS內網連接。由于GPRS內網連接的組網方式存在著運營成本較高等缺點，在本文中采用GPRS+Internet連接的組網方式。系統拓撲結構圖如圖1所示。

圖1 SCADA網絡拓撲結構圖

在該方案中監控中心采用Internet接入，其接入方式也有多種形式，只要是能夠獲取公網IP地址即可。這種組網方式較GPRS內網連接的組網方式安全級別低，但是可以通過由移動運營商經VPN隧道連接至監控中心的服務器，這樣可以大大提高系統的安全級別并且可以減少時延。由于實驗條件的限制，本監控中心服務器采用ADSL的接入方式。由于這種接入方式服務器的IP地址是隨機的，而在RTU設備上配置的是服務器某一時刻的IP地址，因此一旦監控中心服務器的IP地址發生了變化，除非馬上重配置 RTU設備(實際很難做到)，否則就沒有辦法訪問監控中心的服務器，系統不能工作。針對這種情況國內已提出兩種解決方案——動態域名技術和端口映射技術。本文采用的是動態域名的解決方案。所謂動態域名就是當主機的IP地址發生了變化，此域名(不會變)就對應這個變化的IP地址。動態域名技術的工作原理：為接入Internet的主機申請一個動態域名，然后在主機上安裝一個軟件，隨時檢測主機的IP變化情況，一旦有變化就訪問域名服務器，把當前IP地址更新到域名服務器相應數據庫表單中，這樣對方只要根據這個域名到分布在Internet上的域名服務器上查找就可知當前對應的主機IP地址。

3 系統的實現

3.1 終端部分

RTU設備在SCADA系統中的主要作用就是實現對現場數據獲取、監控中心指令執行以及數據的傳輸。該部分主要由數據采集模塊、控制執行模塊、電源管理模塊、微處理器和GPRS模塊等部分組成。數據采集模塊主要完成現場溫度、濕度、光度、設備運行狀態參數以及現場視場圖片信息等數據的采集，并經過微處理器處理后經由GPRS模塊發送到系統監控中心服務器。控制執行模塊主要完成系統監控中心發送的執行指令，包括調控設備運行狀態、調控現場溫度等操作。電源管理模塊主要是對RTU設備各模塊供電，并采用太陽能電池板加蓄電池的設計方案，以實現設備在復雜惡劣環境下的自生存能力，采用先進的電源管理方案，實現系統的低功耗設計。GPRS模塊的主要功能是實現RTU設備與監控中心服務器之間的數據傳輸。RTU設備終端硬件結構框圖如圖2所示。

3.1.1 終端硬件平臺

采用Atmel公司的工業級ARM9處理器AT91SAM9261，該處理器是以ARM926EJ-S ARM Thumb處理器為核心的完全的片上系統，ARM926EJ-S屬于5TEJ版的ARM架構，針對的是多任務的應用，包括全儲存器管理，高性能、小核心尺寸和低功耗都是其重要的特點。

3.1.2 終端軟件平臺

本系統RTU終端軟件采用嵌入式Linux系統架構實現對終端各設備的控制管理及數據的處理和存儲，Linux提供了完成嵌入功能的基本內核和所需要的用戶界面，能夠處理嵌入式任務和用戶界面。Linux作為嵌入式系統，是一個帶有很多優勢的新成員。Linux對許多CPU和硬件平臺具有易移植、穩定、功能強大、易于開發的功能。嵌入式Linux操作系統的內核和文件系統都可配置，系統能夠裁剪到足夠小，以適應嵌入式系統運行和存儲的空間限制。同時可通過補丁改進系統的實時性，實現操作系統的軟實時性。

3.1.3 終端數據采集

RTU設備的主要作用就是獲取現場數據并通過一定的傳輸方式傳送到SCADA系統的數據中心，以供分析與處理。RTU設備所要獲取的數據包括設備現場有關設備運行狀況、環境狀態等參數數據以及設備現場的圖像數據信息。由于圖像信息數據量大，圖像的處理、傳輸對硬件環境的要求相對較高，目前常用的處理方法有以下兩種：(1)采用高速視頻A/D轉換器結合專用的同步信號提取芯片采集，這種方法的電路較為復雜；(2)使用專用的視頻處理芯片實現模擬信號的數字化以及行、場同步信號的提取，然后送入處理器。這種方法的特點是處理器只需對專用芯片進行配置，而不參與采集過程。

本文中圖像信息的采集是通過USB攝像頭實現的，因此需要將USB驅動加載到系統內核中。由于動態加載方式測試較為簡單，該系統采用動態加載方式。系統使用v41實現對圖像采集的控制。考慮到攝像頭監測的是靜態圖像的視覺狀況，是緩變信號，間隔時間較短的前后兩幅圖像具有很強的相似性，如果直接對單幅圖像進行壓縮就無法利用前面已經獲知的信息，壓縮效率低，故在該系統實現中采用對差值圖像進行壓縮的處理方法。系統接收到USB攝像頭拍攝的實時圖，首先將其與存儲器中的基準圖進行配準，然后以像素對應的方式相減；進行分塊、DCT量化以及熵變化，并進行圖像壓縮。壓縮后的數據流按最大256字節拆分，并將各幀通過GPRS網絡依次發送出去。數據中心將接收到的圖像數據依次經過熵解碼、反量化、IDCT變換后恢復差值圖像，并與基準圖像進行矩陣相加，以恢復實時圖像。

3.1.4 無線數據傳輸的實現與傳輸控制

系統的無線數據傳輸是通過內嵌有TCP/IP協議的GPRS模塊實現的。目前市場上提供的GPRS無線模塊有 WAVECOM 的 Q2403B， 西門子的 SIEMENS、MC35i、MC39i，摩托羅拉的G20等。本系統選用了西門子的SIEMENS300C。SIEMENS300C是高性能高穩定工業級的GSM/GPRS無線模塊，適合長期連續工作，抗干擾能力強。SIEMENS300C是新一代的900 MHz/1 800 MHz雙頻自動選擇的無線模塊，內嵌有TCP/IP協議棧，無需微處理器的支持即可實現基于TCP/IP的數據傳輸。其支持標準的AT命令及增強的AT命令監護數據模式，功能強大、操作靈活方便。微處理器可以通過標準串口接口RS232與SIEMENS300C通信。它向用戶提供了標準的AT命令接口，為數據傳輸提供了快速、可靠、安全的傳輸通道，方便用戶進行實際應用的二次開發設計。

由于GPRS網絡的不穩定性且基于GPRS網絡的IP信道存在著很多的干擾，丟包、不均勻延遲的情況時有發生。針對這一問題本文采用了一種無線傳輸的抗分組丟失算法對傳輸的數據做進一步的處理，以確保數據傳輸的可靠性。該算法的基本思想是：在編碼效率η不變的前提下，將長數據分成若干短數據，分別進行RS編碼，以獲得隨數據長度呈線性增長的編解碼時間，但這樣會減弱其抗突發干擾能力，因此，采用交織技術將行碼序列變換為并碼傳輸，使信道傳輸過程中產生的突發錯誤離散化，以達到原有RS糾刪編碼的糾刪性能。算法由編碼算法和解碼算法構成，數據的發送與接收過程如圖3、圖4所示。

圖3 抗分組丟失算法數據發送過程圖

圖4 抗分組丟失算法數據接收過程圖

3.2 監控中心

監控中心負責接收遠程監控終端傳回的實時數據，并對其進行分析、處理及儲存，同時將監控中心的指令信息發送給終端的軟件控制平臺。遠程監控終端的數據通過GPRS網絡經由網關傳到Internet，然后找到監控中心的主機。監控中心是SCADA系統的中樞，是整個系統可靠高效運行的關鍵。

監控中心的軟件設計充分考慮了系統功能的完整性和擴展性以及系統的可靠性和兼容性。監控中心的軟件系統主要由通信服務器、數據庫服務器和Web服務器模塊三部分組成。

通信服務器程序采用VS2005進行開發，主要實現與遠程終端的通信以接收RTU終端傳回的實時數據，同時向RTU設備下達監控中心的控制指令等功能。該部分程序采用Socket編程，實現與RTU設備之間的TCP/IP連接以及數據的傳輸。同時嵌入了抗分組丟失算法的程序，實現對傳輸數據的控制功能。

數據庫服務器采用SQL 2005進行設計，主要實現對RTU設備傳回數據的管理、遠程RTU設備的管理、系統管理人員數據的管理以及管理員權限的管理等功能。

Web服務器采用ASP架構開發，主要是實現監控中心實時數據的發布、報表生成以及數據的分析等功能。系統采用B/S架構，管理人員只需通過瀏覽器登錄Web服務器即可實現對SCADA系統的管理與維護，無需安裝客戶端軟件。系統對管理人員權限的分級審查制度確保了系統數據的安全性和穩定性。

采用GPRS無線傳輸技術進行數據傳輸的SCADA系統，其終端具有安裝部署簡單、工程建設周期短、擴充性強、可靠性高、傳輸速率高、實時性強等優點，從而解決了SCADA系統中監控點多而且分布范圍廣的監控難點。同時采用嵌入式高性能、低功耗的ARM9微處理器作為遠程終端設備的微控制器，能夠更好地利用終端資源，實現對設備現場的圖像信息采集，給管理人員提供感觀上的監測數據，同時可實現設備現場的防盜功能。

無線GPRS網絡所具有的永遠在線、按流量計費、傳輸速率高、支持X.25和IP協議等突出特點，以及其終端設備安裝方便、受外界環境干擾小等優點，使得在遠程復雜SCADA系統中采用GPRS技術進行數據傳輸成為一種趨勢。伴隨著國家數字移動通信技術的不斷推進與成熟，采用移動網絡作為承載網絡的SCADA系統將會得到更加廣泛的應用，也必將成為一個新的研究熱點。

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