基于GPRS網絡遠程監控系統軟件設計

趙鵬

【摘要】 工業控制技術發展至今，許多應用領域對工業控制系統提出了更高更新的要求，這些應用都存在覆蓋范圍廣、監測點分散或者監控對象處于運動狀態等特點，如何經濟有效地實現所需的監控功能，給我們提出了新的課題。本文結合移動通信技術、網絡技術、嵌入式軟件技術及電子技術，實現了基于的遠程監控。本論文詳細介紹了硬件和軟件的設計方法和具體實現。文中分析了數據傳輸所需的協議、給出了詳細的的移植過程、即協議的實現過程，分析了使用優化的協議后協商登錄過程及所需時間。本文為基于無線通信的遠程監控系統提供了新的思路和方法，解決或改進了目前遠程監控系統研究中的一些問題，同時可為無線數據傳輸系統的研究提供參考。針對技術的發展，文章在最后給出了基于移動平臺的無線遠程監控系統存在的一些需要完善的地方以及發展的趨勢。

【關鍵字】 GPRS 數據采集 遠程監控

目前，單片機和PC機通過串行接口構成的多微機系統己經廣泛應用于工業控制、環境監測等場合，這些系統大多是采用RS一232、RS一485或有線modem的通信方式，雖然經濟實用，但是這些有線數據傳輸方式在很大程度上限制了其使用場合。針對這種情況，很多科技工作者正在研究開發基于無線數據傳輸的監測控制技術。現基于無線通道的數據傳輸方案主要分為兩種，一種是通過專網進行數據傳輸，如RF（Radio Frequency，射頻）數傳電臺和無線局域網（WLAN）；一種是通過公共無線通信網絡，如GSM/GPRS，CDMA網絡。根據目前大部分系統的需求并綜合優缺點，本文選擇基于GSM/GPRS網絡的數據傳輸方式作為軟件設計的解決方案。GSM/GPRS模塊是一種非常重要的移動通信系統的終端設備，它具有永遠在線、不需撥號、價格便宜、覆蓋范圍廣等優點，因此，特別適用于無線數據的雙向傳送、無線遠程檢測和控制。無線通信終端采用RAM單片機控制GPRS模塊就能實現數據的遠程傳送和接收，利用這種終端可以做成傳輸各種檢測、監控數據信號和控制命令的數據通訊系統，能廣泛應用遠程監控、定位導航、工業控制等多種場合，由于本設計采用了高性能的32位單片機，具有較強的可擴展性，只要修改相應的軟件，該終端可用于遠程抄表、汽車防盜、水文氣象測報、電網監控以及信息家電等系統中。

一、GPRS的工作原理

GPRS是利用“包交換”（Packet-Switched）的概念發展起來的一套無線傳輸方式。所謂“包交換”就是將Data封裝成許多獨立的封包，再將這些封包一一傳送出去，形式上有點類似郵局中的寄包裹。其作用在于只有當有資料需要傳送時才會占用頻寬，而且可以以傳輸的資料量計價，這對廣大用戶來說是較合理的計費方式，因為像Internet這類的數據傳輸大多數的時間頻寬是閑置的。

GPR工作時，通過路由管理來進行尋址和建立數據連接，而GPRS的路由管理表現在以下三方面：移動終端發送數據的路由建立；移動終端接收數據的路由建立；以及移動終端處于漫游時數據路由的建立。

二、無線數據傳輸原理

無線數據傳輸系統一般由數據業務中心、通信網絡和數據終端組成，綜合考慮業務數據量、安全性、可靠性、網絡狀況與成本等因素，采用下述組網方式：通信服務器以公網固定IP或固定的域名接入Internet，CDMA數據終端單元（DTU）上電后，主動與通信服務器建立連接，如果通信服務器沒有固定IP，可以通過安裝花生殼軟件獲得固定的域名，此方案具有成本低、通信質量穩定、安全性適中、運行可靠等特點。根據上述，數據的上行傳輸原理如下：（1）下位機通過RS232串口將數據傳給DTU；（2）DTU將數據打成TCP/IP包，發送到無線網絡；（3）TCP/IP數據包經系統分組數據服務節點，傳輸至Internet上并且去尋找在Internet上的一個指定的數據服務中心（通信服務器）；（4）通信服務器將數據傳給上位機并存儲到歷史數據庫。

數據的下行傳輸與上述過程相反，不再贅述。

SGSN（Service GPRS Support Node，服務GPRS支持節點）

SGSN是GPRS網絡的一個基本組成網元，是為了提供GPRS業務而在GSM網絡中引進的一個新的網元設備。其主要的作用就是為本SGSN服務區域的MS轉發輸入/輸出的IP分組，其地位類似于GSM電路網中的VMSC。

三、前端測量設備的設計

3.1終端硬件設計

GPRS數據終端的硬件結構采用模塊化設計，共包含數據處理模塊，遠程通信模塊，模數轉換模塊和顯示模塊四部分，系統結構如圖1所示。

數據處理模塊主要包含AT89C55[3]，X25045兩個芯片，AT89C55用于處理與遠程通信模塊、模/數轉換模塊和顯示模塊間的數據傳輸，為了保證數據不會因為掉電而丟失，采用串行E2PROM器件X25045對數據進行存儲。

遠程通信模塊主要包含GPRS無線模塊、SIM卡和串口模塊MAX3238三部分，GPRS無線模塊采用SIEMENS公司的MC35[4]GPRS模塊，其功能是將數據或命令通過與其連接天線發射出去，或接收遠端監控中心發送的數據，再將接收到的數據或命令進行相應的協議處理后，通過MAX3238送入單片機進行處理，MX3238起電平轉換和串口通信的功能，由于傳輸數據的承載方式是GPRS網絡，故SIM卡是不可缺少的，功能是存儲數據和在安全條件下完成客戶身份鑒權和客戶信息加密算法的全過程。

模數轉換模塊的功能將采集到的模擬信號轉換成數字量，作為單片機處理信息源，電路設計時采用了AD0832芯片作為模數轉換芯片，先將模擬信號送入AD0832轉換成數字量，再送入T89C55芯片進行計算和處理。

顯示模塊主要是考慮到當現場有管理人員巡視時，可以方便實時地了解現場情況，系統使用了一種管理鍵盤和LED顯示器的專用智能控制芯片HD7279A，HD7279A與處理器之間采用串行接口，其接口電路和外圍電路電簡單，占用口線少，只需4條，具有較高的性價比。

四、 DTU 無線數據傳輸終端設計

GPRS DTU采用高性能嵌入式處理器，以實時操作系統為軟件支撐平臺，內嵌自主知識產權的TCP/IP協議棧。為用戶提供高速，穩定可靠，數據終端永遠在線，多種協議轉換的虛擬專用網絡。針對網絡流量控制的用戶，產品支持語音，短信，數據觸發上線以及超時自動斷線的功能。同時也支持雙數據中心備份，以及多數據中心同步接收數據等功能。

4.1 DTU的組成

DTU 包括下列組成部分：Saro3150EP GPRS DTU 1 個（根據用戶訂貨情況包裝）、使用說明書 1 份（CD-ROM）；雙頻天線（SMA 接口） 1 個、測試用電源 1 個、20Ppin 轉 RS232或20Ppin 轉RS485 線1 條、

選配附件：車載天線（SMA 接口）、產品導軌、電源導軌

4.2 DTU軟件設計流程

4.3 DTU與PC的連接

DTU是無線數據傳輸終端，通過RS-232與PC機連接，需要對串口進行參數設定。設定好之后才能進行工作。DTU向遠程數據中心發送數據必須知道用戶IP地址，DTU參數配置時DTU與PC機的連接原理：

結論：由于是基于GPRS進行數據采集及遠程監控，所以本設計具有諸多優勢。GPRS在GSM網絡中引入了分組交換傳輸模式，用戶只有在發送或接收數據期間才占用資源，這意味著多個用戶可高效率地共享同一無線信道，從而提高了資源的利用率。GPRS用戶的計費以通信的數據量為主要依據，GPRS用戶可能連接的時間長達數小時，卻只需支付相對低廉的連接費用。分組交換接入時間縮短，少于1秒。在首次建立連接后，可以在其有效覆蓋范圍內實現即時收發數據，一旦有需求就可以立即發送或接收信息，不需要再撥號建立連接，并可使已有的Internet應用（如E-mail、網頁瀏覽等）操作更加便捷、流暢。數據中心軟件操作簡單易懂，通過數據中心能夠簡明的觀察到上傳過來的數據，并能夠獲取對方的DTU的ID號、登陸時間、動態IP號及DTU電話號碼。通過個人的需要可以隨時對軟件的部分功能進行修改和增添（如溫度、濕度）。監控中心可以反向實現對儀器設備的時間校正、狀態報告、開關以及其他監測、控制等功能。系統所用軟件及硬件都可以變動并升級。項目中所用設備的模塊化和結構化設計保證了各個子模塊之間相互獨立，一個模塊的變動不會影響到整個方案實現。并且該項目也可用于氣象、礦井、水庫等方面，在實際應用中具有廣闊的發展前景。基于網絡技術的發展，其優點是成本較低，應用覆蓋范圍較廣、具有頻譜利用率高、話音質量好、保密性強、掉話率低、電磁輻射小、容量大、覆覆蓋廣等特點，這會大大減少項目投資降低運營成本，數據傳輸的速度和穩定性會進一步提高。

參 考 文 獻

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