基于GPRS／Web／WAP服務的遠程監控系統設計＊

湯 雷 張 勇 應曉慧

（1.中國艦船研究設計中心 武漢 430064）（2.武漢船舶通信研究所 武漢 430064）

1 引言

隨著社會的進步，越來越多的貨物將會以船載的方式在海上和內河上運輸，船載的方式給我們帶來便利的同時，也帶了新的安全隱患，近年來，船舶載運貨物的事故時常發生，因此加強對船舶載運貨物的遠程監控已經成為一個日益重要的問題。

目前船舶集成遠程監控系統主要是通過海事衛星實現數據同步通信的，在經濟投入方面相對較大。隨著無線蜂窩通信技術的逐步成熟，其在相同信息傳輸量上的花銷費用只有海事衛星的四分之一，而且技術上也要求更低。所以，基于GPRS的遠程監控系統在船舶貨物狀態監控方面能很好得以應用，并有著廣泛的市場前景。

因此基于GPRS技術的遠程監控系統已經成為當前研究的熱點之一，并已有許多研究成果應用于實踐。但是，現有的系統未將GPRS網絡與大規模有線網絡如Internet有機結合起來。融合多種異構網絡系統的優點在設計上也尚不完整，未能充分挖掘網絡的廣泛應用為系統業務帶來的增值空間［1～3］。GPRS作為無線數據業務的承載，充分融合了GSM 無線技術和IP 等網絡技術，GPRS具有數據傳輸速率高、永遠在線、按流量計費等優點。GPRS 提供了高效、低成本的無線分組數據業務，特別適用于間斷的，突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸，已被廣泛應用于基于無線移動網絡的遠程監控系統［4～7］。

針對船載貨物狀態本文提出了一種基于GPRS通信技術與Web／WAP網絡服務相結合的遠程監控系統構架。將無線網絡與大規模有線網絡互聯，擴展了通信網絡的應用范圍，并提高了整個系統的靈活性和穩定性［8］。同時，系統結合了B／S這種網絡瀏覽模式，使得系統結構更加完整，而且對貨物狀態遠程監控設備的管理更加方便和靈活。

2 系統總統設計

將基于GPRS和Web／WAP的遠程監控系統分為兩個部分，分別是：遠程監控終端（Remote Monitoring Terminal，RMT）、網絡監控平臺（Web Monitoring Flat，WMF）。系統結構如圖1所示，虛線左邊是遠程監控終端（RMT），遠程監控終端包含了GPS接收模塊，傳感器采集模塊，GPRS傳輸模塊，圖像采集模塊以及基于LPC2368 芯片的控制模塊。網絡監控平臺應用B／S網絡模式對SQL SERVER 數據庫進行操作，并將數據庫中所采集的數據進行顯示，同時也可以通過B／S形式對圖像采集模塊進行控制。

圖1 遠程監控系統

3 船載貨物狀態數據采集與處理

3.1 船載貨物狀態數據采集

數據采集模塊結構如圖2所示。采集的當前數據存儲的同時，交由數據分析處理模塊進行數據處理。

圖2 數據采集模塊示意圖

船舶貨物狀態數據根據大宗貨物類型可以分為集裝箱、散雜貨和液貨。因此，貨物狀態數據采集根據這三種不同類型貨物進行。1）集裝箱貨物狀態數據：對集裝箱船舶貨物狀態的動態數據可由電子積載圖來明確表示。2）雜散貨物狀態數據：對大宗散貨（糧食、化肥、工業原料等），在貨艙安裝溫度和濕度傳感器以監視散狀貨物狀態。3）液化氣和油品數據：專用液化氣船和油船都有本船監控系統，包括油／氣艙監控系統、油份濃度監控系統等。通過數據接口獲取數據，主要有：各艙室的油／氣溫度、壓力、液位、惰性氣體濃度等。

3.2 數據分析處理

數據分析處理模塊結構示意圖如果3所示。所采集的數字數據并非都是有效數據，進行有效性檢驗實質是濾除非法數據和無效數據。有效性檢驗包括：數據時效的準確性檢驗、數據量值的范圍檢驗、異常數據檢驗。數據格式轉換是將不同量綱的數據一律轉換成標準量綱數據，以及統一數據類型。數字數據的分類與標識按照數據功能實現不同分類。

3.3 數據傳輸控制

數據傳輸控制結構示意圖如圖4所示。數據傳輸控制系統是將數據分類后需要傳輸到監控中心的數據進行加密、壓縮、打包，然后通過無線通信終端（GPRS系統）發送到監控中心。同時對圖像數據進行流控制，實現透明傳輸。

4 遠程監控終端硬件設計

遠程監控終端（Remote Monitoring terminal，RMT）主要做船載貨物狀態的傳感數據收集、分析、過濾以及傳輸工作。它主要包括傳感數據采集模塊、圖像采集模塊、CAN總線模塊、GPS定位模塊、數據處理控制模塊、GPRS傳輸模塊六個部分。

圖3 數據分析處理模塊結構示意圖

圖4 數據傳輸控制結構示意圖

系統硬件結構框圖，如圖5所示。

圖5 系統硬件結構

圖5中以STC12C5A32S2 芯片為主要處理器的數據采集模塊為前端采集監測單元，部署在各個監測點，負責船舶貨物狀態數據的收集與過濾，前端采集監測單元通過CAN 總線模塊將采集到的數據和GPS模塊的定位數據傳輸給以主處理器為LPC2368的數據處理控制單元，通過這個控制單元將前端數據采集監測單元所收集到的貨物狀態數據通過GPRS模塊傳送到網絡監控平臺的網頁界面上。

STC12C5A32S2芯片工作頻率：0MHz～35MHz；有最高可達62K 字節片內Flash 程序存儲器；1280 字節片內RAM 數據存儲器；8通道，10位高速ADC；高速SPI串行通信端口；全雙工異步串口（UART），通用I／O 口（36個）。符合前端監測單元的要求，

控制單元核心處理器為LPC2368芯片，該芯片模塊可以嵌套μCOS-II操作系統，操作系統可以對串口攝像頭進行控制，并實施拍攝、存儲、發送／傳輸等功能。當前端采集監測單元將收集到的數據通過CAN 總線模塊傳輸到數據處理控制單元時，數據處理控制單元根據傳輸協議要求給不同模塊采集到的數據分配不同的格式，然后控制GPRS模塊的MC55芯片將數據傳輸到Internet網絡中，同時網絡監控中心也可以通過Internet網絡向控制單元發送控制命令，使LPC2368芯片能夠通過串口，控制攝像頭的拍攝操作以及圖像壓縮存儲功能。

這里選用的GPRS模塊是西門子的MC55。GPRS模塊和數據處理控制單元之間的數據通信主要是通過端口TXD0和TXD1之間，RXD0與RXD1之間的數據傳輸來完成的。

和GPRS模塊的通信都是通過AT＿COMMAD 命令來完成的，向GPRS模塊發送AT 指令則會返回該條指令的回復信息。AT 指令以“AT”開頭，以〈CR〉〈LF〉結尾，不區分大小寫。每條指令執行后返回的信息，包括接收到的來自另一方的信息都是以〈CR〉〈LF〉開頭，以〈CR〉〈LF〉結尾。

AT 指令總的來說可以分為四種類型，測試指令、讀取指令、寫入指令和執行指令。各個公司生產的不同的GPRS模塊所使用的AT 指令會有所差別。

GPRS模塊內嵌了TCP／IP協議棧，這在通過命令驅動GPRS模塊上Internet網絡時將會變得十分方便。

5 系統軟件設計

5.1 模塊軟件框架設計

軟件采用標準的C 語言構造。KeilC51 編譯器編譯。系統軟件設計包括兩個部分：一是單片機對各個功能芯片的控制字的寫入；二是GPRS數據接收發程序設計［9］。

5.1.1 圖像采集程序設計

考慮到對圖像采集模塊的控制，選擇的型號為GXTM201的串口攝像頭是一款具有視頻采集和圖像壓縮功能的攝像頭，具有30 萬像素CMOS 攝像頭，最大分辨率為640＊480，是一個內含有拍攝控制、視頻捕捉、圖像數據采集、圖像JPEG 壓縮、串口通訊等功能齊全的圖像采集設備。LPC控制單元通過串口以約定的協議對攝像頭進行控制。LPC控制單元與攝像頭是一種主從關系，攝像頭的操作命令由LPC控制單元發出，LPC控制單元可以控制攝像頭的輸出格式、分辨率。攝像頭向LPC 控制單元發送響應消息。圖6所示的是圖像采集模塊的采集流程圖。

圖像格式：攝像頭輸出的圖像格式為JPEG。

圖像分辨率：640＊480、320＊240、160＊120。圖像分辨率越高，則圖像數據量越大。

5.1.2 GPRS模塊數據發送程序

LPC控制單元將GPS的地理位置信息和各監控節點的信息儲存在RAM 中。通過AT 指令控制GPRS模塊發送短信，將監控信息傳給遠程監控中心。限于篇幅只列出用到的主要AT 指令程序［10～11］。

打開TCP連接：

圖6 JPEG 圖像采集流程

5.2 網絡監控系統軟件框架設計

系統開發平臺為μCOS-II操作系統，使用C等語言進行開發。系統通過貨物狀態數據采集群采集到各個監控點的現場信息，并對其進行處理之后將處理結果通過Internet或GPRS發送至遠程監控平臺。軟件結構圖如圖7所示。

圖7 軟件結構圖

5.3 統一接口結構設計

系統使用主從式結構設計，其中包括統一接口設計、模塊化設計。所謂主從式結構設計是以一臺設備為主控設備，其它設備為從設備的結構，主控設備負責管理所有的從設備并負責與客戶端交互，從設備負責采集監控點的現場信息并將這些信息處理后發送到主控設備。其優點是可以在主控設備不變動的前提下隨意添加從設備，擴展性強，編程方便，與外界的通訊全部由主控設備來完成，這樣不必為每一個設備都配備一個通訊設備，從而降低系統的成本。圖8所示為同一接口結構圖。

圖8 統一接口設計

本系統所有的監控中心（Web端、手機軟件端、短信端）均使用相同的指令訪問LPC控制單元設備，LPC 控制單元負責監控中心和前端監測單元所有的數據通信，相當于一個數據中轉服務器，將監控中心發來的命令經過解析后發送到前端監測單元，然后把前端監測單元反饋的信息轉發給監控中心。

5.4 Web／WAP監控模塊的實現

Web／WAP監控模塊采用B／S 模式進行設計，利用Web／WAP瀏覽器隊多個監控地點進行監控，這些監控地點首先會把對貨物狀態監測的數據放入數據庫中，然后根據數據類型分類，對數據庫實現查詢，曲線擬合等功能。同時對多個監控地點的監控包括信息顯示和遠程控制兩個功能。信息顯示包括對多個監控場合的實時圖片、時間、溫度、濕度、等信息的顯示，當監控場合有異常時，相應的監控窗口會有文字閃爍、語音等報警信息。Web／WAP頁面接受采集的圖像和傳感器的各種數據，更改監控場合的溫度、濕度、煙霧、紅外等報警參數。更改圖像采集模塊傳送來圖像的大小、清晰度、幀速等的參數，更改短信報警的號碼。

圖9 監控中心軟件體系結構

5.5 Web的應用平臺

在WebGIS的開發平臺上，采用Browser／Server結構，極大地簡化了客戶機的工作，降低了對客戶機性能的要求，不需要在客戶端安裝任何插件。無論是PC 還是工作站，用戶打開Web瀏覽器，就可以進行漫游地圖、搜索地理信息、訪問多種數據源數據等。

由于試驗設備的限制，整個系統設備用公路移動載體為實驗協作體，如圖10顯示的是在Google地圖上的B／S在線監控模式，圖中的黑色線條為遠程監控終端的移動軌跡回放。

圖10 基于Google Maps的軌跡回放

6 結語

介紹了一種基于GPRS和Web／WAP的船載貨物狀態的遠程監控系統，構建了結合移動網絡與Internet網絡的系統框架，對系統各組成部分的功能和設計進行了詳細的描述，并重點分析了遠程監控系統的硬件和軟件設計，隨著GPRS技術的廣泛應用，基于GPRS和Internet網絡服務的遠程監控系統將會有更大的應用前景和空間。

［1］孫德輝，馬文麗，姚文娟，等.基于GPRS的無線傳輸系統設計與實現［J］.微計算機信息，2007，23（7）：104-106.

［2］Yang Musheng，Zhang Yu，Chen Rong.Study on Wireless Remote Monitoring System Based on GPRS［J］.The International Conference on Wireless Communications，Networking and Mobile Computing，2008：1-4.

［3］龍光利.基于嵌入式系統的GPRS的設計［J］.微計算機信息，2008，5（2）：50-51.

［4］賈靖，胡以懷，常勇，等.基于GPRS技術的船舶主機遠程監控系統［J］.中國水運，2007，5（12）：101-102.

［5］周軍.基于GPS／GPRS／GIS的危險品運輸監控系統研究與設計［D］.西安：長安大學碩士學位論文，2009.

［6］王朋，劉毅敏，徐望明.一種基于GPRS技術的遠程水質檢測系統［J］.微計算機信息，2010，1（1）：78-80.

［7］高璐，陳榮勇，王勝龍，等.基于GPRS 模塊的內河船舶管理［J］.電子測量技術，2008，31（9）：136-139.

［8］徐切文，陳曙，王增廷.TCP／IP協議棧在MSP430單片機上的實現［J］.信息技術與信息化，2006，21（2）：40-42.

［9］梁海軍，趙建，陳陸艷.基于MSP430 單片機的光纖旁路保護器的實現［J］.微計算機信息，2009，11（2）：113-115.

［10］杜向黨，李淼，張繼紅.基于無線傳感器網絡和GPRS的無線遠程監控系統設計［J］.機械與電子，2010（2）：72-74.

［11］趙亮，黎峰.GPRS 無線網絡在遠程數據采集中的應用［J］.計算機工程與設計，2005，26（9）：2252-2254.