基于GPRS與ThinkPHP的環境監控系統設計

王百川

編者按：為了更好地檢測高速公路隧道機電設備運行環境，這篇文章設計基于GPRS模塊與ThinkPHP框架，將用戶需要的數據傳輸到用戶管理環境監控系統。其用戶管理系統是基于ThinkPHP框架實現的，包括的功能主要有用戶管理、數據顯示、歷史信息查詢、短信提示。該系統將采集來的環境濕度、光照強度、二氧化碳濃度等信息進行直觀顯示，利用大數據，使用戶對每類設備或系統的節點信息一目了然。

引言

高速公路隧道機電系統包含多系統、多設備、多廠家，目前高速公路需要對各設備環境實時監測，包括監測整個系統的運行狀況、讀取用戶需要數據等，同時對遠端的設備進行監控，因此需要有一個及時有效的數據監控系統來解決遠程數據監測、遠程控制、數據分析等問題。該方案設計具有傳輸速度高、組網靈活、擴展方便、維護簡單、性價比高等優點，本文重點研究了基于GPRS的環境監控數據系統的終端開發與用戶管理系統的設計，為數據處理和GPRS數據的可靠傳輸提供了保障。監控系統基于ThinkPHP框架，該框架具備體積小、使用靈活、調用簡單等特點，適合項目的開發需求，這大大方便了用戶的使用，不論是手機還是電腦只要登錄App就可以對數據進行實時的獲取和及時的掌握。

高速公路隧道機電系統需求分析

本文主要研究如何將節點傳來的數據傳輸到服務器，數據庫如何設計以及用戶管理系統和用戶對終端的控制。其具體包括以下內容：

GPRS終端控制程序設計

通信系統是至關重要的環節，其前端通信采用了簡單通用串口，控制器向GPRS模塊發送AT 指令，初始化HTTP，并將數據打包到URL發送到服務器。控制器還實現了對GPRS狀態的判斷，保證數據可靠、準確、及時地發送。

數據庫設計

環境監測數據庫選用了MySQL數據庫，數據表分四個部分，分別是產品運行信息、原始數據、用戶數據、用戶信息。

管理系統設計

隧道機電管理系統是基于Thinkphp框架實現的，包括的功能主要有用戶管理、數據顯示、歷史信息查詢、短信提示等。該系統將采集來的濕度、光照強度、二氧化碳濃度等信息進行直觀顯示，使用戶對每類設備或系統的節點信息一目了然。

GPRS數據傳輸終端實現

GPRS數據傳輸終端實現流程

GPRS數據傳輸終端的框圖如圖1所示，高速公路隧道機電環境的設備或系統運行濕度、洞內外光照強度、二氧化碳濃度等信息通過傳感器獲取后，經過ZigBee網絡發送給協調器，協調器將各個節點匯總的數據發送給控制器。數據經過控制器有效處理、分析后，由控制器發送AT指令控制GPRS模塊將數據發送到服務器。

GSM/GPRS網絡

GPRS系統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。在高速公路隧道機電系統內，GPRS網絡是在現有GSM網絡中增加通用分組無線業務網關支持節點GGSN和GPRS業務支持節點SGSN來實現的，使得用戶能夠在端到端分組方式下發送、接收自己所需要的數據或遠程控制。

從圖2可以看出，手持移動設備是通過無線連接到GPRS蜂窩電話上的;GPRS蜂窩電話與GSM基站通信，但與其他行業電路交換式數據呼叫不同，GPRS分組是從基站發送到GPRS服務支持節點（SGSN），而不是通過移動交換中心（MSC）連接到語音網絡上。SGSN與GPRS網關支持節點（GGSN）進行通信;GGSN對分組監測數據進行相應的處理，再發送到目的網絡，如因特網或X.25網絡。

SGSN是GSM網絡結構中的一個節點，在整個隧道機電系統內，它通過幀中繼與基站相連，是GSM網絡結構與移動設備之間的有效接口。SGSN的主要作用是記錄移動設備的位置信息，并且在后臺和GGSN之間完成移動分組數據的發送和接收。

GGSN通過基于網絡IP協議的GPRS骨干網連接到SGSN，是連接GSM網絡和外部分組交換網的網關。GGSN主要是起網關作用，有些領域也將GGSN稱為GPRS路由器。GGSN可以把系統內GSM網中的GPRS分組數據包進行協議轉換，從而可以把這些分組數據包傳送到遠端的TCP/IP，并進行分析。

SGSN和GGSN利用GPRS隧道機電系統監控協議（GTP）對IP或X.25分組進行封裝，實現二者之間的數據傳輸。其中圖3給出了該系統內GPRS網絡結構的接入與參考點。

GPRS網絡通過Gi參考點和Gp接口實現同其他網絡的互通，對于一個支持GPRS的公共移動網絡（PLMN），當它運行GPRS業務時可能涉及到任何網絡，這時就產生了網絡互通的需求。

在整個檢測系統內，對于具有GPRS業務功能的手持移動終端，它本身具有GSM和GPRS業務運營商提供的地址，這樣，分組公共數據網的終端利用數據網識別碼即可向GPRS終端直接發送數據，增加數據傳輸的有效性、時效性。

由于GPRS是GSM系統中提供分組業務的一個環節，所以它能廣泛應用于IP域。其手持移動終端通過GSM網絡提供的尋址方案和運營商協議實現全球網間通信。

GPRS的特點

在環境監測數據傳輸系統中，GPRS與GSM電路交換相比，GPRS最重要的特點是引入了分組交換能力，利用GPRS進行數據傳輸的具體特點是接入范圍廣、高速傳輸、隨時調閱、按流量計費、快捷登錄以及自如切換等。

（1）接入范圍廣。在整個環境監測系統內，GPRS是在現有的GSM網上升級，可充分利用全國范圍的電信網絡，可以方便、快速、低成本地為用戶數據終端提供遠程接入網絡的部署。

（2）高速傳輸。其在整個環境監測系統中數據傳輸速率高，可達到57.6Kbit/s，最高可達到171.2Kbit/s，是常用有線Modem理想速率的2倍，是當前GSM網絡中電路數據交換業務速度的10倍以上，下一代GPRS業務的速度甚至可以達到384Kbit/s，完全可以滿足用戶任何應用的需求。

（3）隨時調閱。在整個環境監測系統內，提供實時在線功能，即用戶隨時與網絡保持聯系，即使沒有數據傳送，終端還一直與網絡保持聯系，這將使訪問服務隨時調閱、及時反饋，讓其變得非常簡單、高效。

（4）按流量計費。在整個高速公路隧道機電環境監測系統內，用戶只有在發送或接收數據期間才占用無線資源，但用戶可以一直在線，在不進行操作時不進行計費。計費方式是按照用戶接收和發送數據包的數量，沒有數據流量傳遞時，用戶即使掛在網上也是不收費的，對用戶而言是降低成本的有效措施。

環境監測系統終端控制總流程圖

該環境監測系統終端控制器的程序設計的具體內容有：串口通信、數據處理、循環緩沖區、GPRS狀態控制，如圖4為環境監測系統終端控制總流程圖。

環境監控系統設計

該高速公路隧道機電環境監控系統是基于WEB開發的一套網站系統，可以為用戶提供節點信息查看、歷史信息瀏覽、用戶管理、產品節點管理等。該系統設計理念為便捷、清新、實用、高效，以ThinkPHP為框架。而ThinkPHP是國內一款免費開源，快速簡單面向對象的輕量級PHP開發框架，遵循 A-pache2 開源協議發布，是為了敏捷 Web 應用開發和簡化企業級應用開發而誕生的。以ThinkPHP為框架進行開發，一方面可以提高開發效率，另一方面可以增加系統的運行及數據的安全性、穩定性，系統及各設備的可維護性，圖5為該系統用戶管理系統框圖。

數據庫設計

數據庫設計對于高速公路隧道機電環境監控系統以后的功能擴展和維護是相當重要的環節，將來數據庫不但可以為用戶的WEB系統提供數據，而且還為手機端App、電腦環境監測軟件提供數據服務。因此數據庫要設計得條理清晰，方便實用。數據庫的表前綴為gprs_，主要的數據表為品環境檢測信息表、用戶信息表、原始數據表、用戶數據表。下面對數據庫的各個表的功能和字段進行詳細闡述：

（1）設備或系統的環境檢測信息表（見表1）為所有用戶提供檢測節點信息與該產品的簡介、所有者等信息。

（2）用戶信息表（見表2）為使用者的一些信息。

（3）原始數據表（見表3）為接收到GPRS模塊傳來的原始數據。

（4）用戶數據表（見表4）為該用戶所有節點的信息。

用戶管理模塊

該模塊包含兩部分內容：用戶注冊和用戶登錄。用戶注冊要求用戶填寫用戶名、電子郵箱、手機號碼、密碼等信息，當用戶將注冊的表單提交后，對數據進行驗證，比如用戶名是否正確，手機號格式是否正確等。

信息查詢模塊

信息查詢模塊包括設備或系統列表、最新信息播報、歷史信息查詢等，當用戶登錄后就會進入隧道機電系統、設備或系統列表頁，該頁列出了用戶的所有產品運行節點，并且還有添加新節點的功能。實現方式：用戶登錄會記錄一個用戶名的session，根據用戶名查詢到其擁有的產品以及產品的數據，另外保證有充足的用戶數。

（1）信息獲取與展示。ThinkPHP里面有一個數據模型 M（‘table’），它支持鏈式調用，只要符合一定的規范，該類使用起來非常方便，便于用戶獲取需要信息。

（2）歷史信息查詢。在設備或系統運行信息頁，列出了最新信息播報和歷史信息查詢，歷史信息模塊采用了簡單明了的圖表表示。

信息處理模塊

信息處理模塊就是將各個GPRS模塊上傳的數據進行處理并記錄到數據庫。圖6是整個系統數據處理的流程圖。

（1）信息處理。GPRS模塊上傳的地址是腳本所在頁，傳遞的參數有用戶名和數據，數據拆分為不同的信息，然后根據用戶名將不同數據插入數據庫。

（2）短信通知。在處理數據的時候會對數據進行分析、預警，如果超過了設定范圍會對數據進行預測報警。該功能是根據產品信息進行判斷的，比如產品適宜的運行濕度、二氧化碳濃度等，這些是有上邊界和下邊界的，當濕度低于下邊界，會報警過干，當濕度高于上邊界會報警過濕。

系統測試

硬件測試

將系統配置好的AT指令利用USB轉串口發送到GPRS端，在服務端收到了正確的數據。下一步是用終端控制GPRS發送數據，接收端通過USB轉串口鏈接到PC管理機上，確定數據發送時序和格式是否正確，然后通過串口調試助手檢查發送的數據是否符合邏輯，反復測試。如圖7為串口助手接收到了正確的數據。

監控系統測試

在數據分析儀上模仿GPRS的方式向服務器提交數據，測試數據處理報警等是否正常工作，數據加入數據庫后觀察該節點的歷史信息圖標能否正常顯示等。如圖8為歷史信息數據繪制測試。

結論

本文設計和實現的針對高速公路隧道機電環境監控系統分為兩個部分，一是GPRS數據傳送終端;二是環境監控系統，該系統實現了數據的接收，并將接收的數據分類存入數據庫，能夠很好地監控高速公路隧道機電設備及系統運行數據，為用戶提供及時、有效、準確的信息，實現數據隨時共享、遠程全面監控、信息隨時分析、預警準確無誤。

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