基于GPRS网络远程监控系统软件设计

赵鹏

【摘要】 工业控制技术发展至今，许多应用领域对工业控制系统提出了更高更新的要求，这些应用都存在覆盖范围广、监测点分散或者监控对象处于运动状态等特点，如何经济有效地实现所需的监控功能，给我们提出了新的课题。本文结合移动通信技术、网络技术、嵌入式软件技术及电子技术，实现了基于的远程监控。本论文详细介绍了硬件和软件的设计方法和具体实现。文中分析了数据传输所需的协议、给出了详细的的移植过程、即协议的实现过程，分析了使用优化的协议后协商登录过程及所需时间。本文为基于无线通信的远程监控系统提供了新的思路和方法，解决或改进了目前远程监控系统研究中的一些问题，同时可为无线数据传输系统的研究提供参考。针对技术的发展，文章在最后给出了基于移动平台的无线远程监控系统存在的一些需要完善的地方以及发展的趋势。

【关键字】 GPRS 数据采集 远程监控

目前，单片机和PC机通过串行接口构成的多微机系统己经广泛应用于工业控制、环境监测等场合，这些系统大多是采用RS一232、RS一485或有线modem的通信方式，虽然经济实用，但是这些有线数据传输方式在很大程度上限制了其使用场合。针对这种情况，很多科技工作者正在研究开发基于无线数据传输的监测控制技术。现基于无线通道的数据传输方案主要分为两种，一种是通过专网进行数据传输，如RF（Radio Frequency，射频）数传电台和无线局域网（WLAN）；一种是通过公共无线通信网络，如GSM/GPRS，CDMA网络。根据目前大部分系统的需求并综合优缺点，本文选择基于GSM/GPRS网络的数据传输方式作为软件设计的解决方案。GSM/GPRS模块是一种非常重要的移动通信系统的终端设备，它具有永远在线、不需拨号、价格便宜、覆盖范围广等优点，因此，特别适用于无线数据的双向传送、无线远程检测和控制。无线通信终端采用RAM单片机控制GPRS模块就能实现数据的远程传送和接收，利用这种终端可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通讯系统，能广泛应用远程监控、定位导航、工业控制等多种场合，由于本设计采用了高性能的32位单片机，具有较强的可扩展性，只要修改相应的软件，该终端可用于远程抄表、汽车防盗、水文气象测报、电网监控以及信息家电等系统中。

一、GPRS的工作原理

GPRS是利用“包交换”（Packet-Switched）的概念发展起来的一套无线传输方式。所谓“包交换”就是将Data封装成许多独立的封包，再将这些封包一一传送出去，形式上有点类似邮局中的寄包裹。其作用在于只有当有资料需要传送时才会占用频宽，而且可以以传输的资料量计价，这对广大用户来说是较合理的计费方式，因为像Internet这类的数据传输大多数的时间频宽是闲置的。

GPR工作时，通过路由管理来进行寻址和建立数据连接，而GPRS的路由管理表现在以下三方面：移动终端发送数据的路由建立；移动终端接收数据的路由建立；以及移动终端处于漫游时数据路由的建立。

二、无线数据传输原理

无线数据传输系统一般由数据业务中心、通信网络和数据终端组成，综合考虑业务数据量、安全性、可靠性、网络状况与成本等因素，采用下述组网方式：通信服务器以公网固定IP或固定的域名接入Internet，CDMA数据终端单元（DTU）上电后，主动与通信服务器建立连接，如果通信服务器没有固定IP，可以通过安装花生壳软件获得固定的域名，此方案具有成本低、通信质量稳定、安全性适中、运行可靠等特点。根据上述，数据的上行传输原理如下：（1）下位机通过RS232串口将数据传给DTU；（2）DTU将数据打成TCP/IP包，发送到无线网络；（3）TCP/IP数据包经系统分组数据服务节点，传输至Internet上并且去寻找在Internet上的一个指定的数据服务中心（通信服务器）；（4）通信服务器将数据传给上位机并存储到历史数据库。

数据的下行传输与上述过程相反，不再赘述。

SGSN（Service GPRS Support Node，服务GPRS支持节点）

SGSN是GPRS网络的一个基本组成网元，是为了提供GPRS业务而在GSM网络中引进的一个新的网元设备。其主要的作用就是为本SGSN服务区域的MS转发输入/输出的IP分组，其地位类似于GSM电路网中的VMSC。

三、前端测量设备的设计

3.1终端硬件设计

GPRS数据终端的硬件结构采用模块化设计，共包含数据处理模块，远程通信模块，模数转换模块和显示模块四部分，系统结构如图1所示。

数据处理模块主要包含AT89C55[3]，X25045两个芯片，AT89C55用于处理与远程通信模块、模/数转换模块和显示模块间的数据传输，为了保证数据不会因为掉电而丢失，采用串行E2PROM器件X25045对数据进行存储。

远程通信模块主要包含GPRS无线模块、SIM卡和串口模块MAX3238三部分，GPRS无线模块采用SIEMENS公司的MC35[4]GPRS模块，其功能是将数据或命令通过与其连接天线发射出去，或接收远端监控中心发送的数据，再将接收到的数据或命令进行相应的协议处理后，通过MAX3238送入单片機进行处理，MX3238起电平转换和串口通信的功能，由于传输数据的承载方式是GPRS网络，故SIM卡是不可缺少的，功能是存储数据和在安全条件下完成客户身份鉴权和客户信息加密算法的全过程。

模数转换模块的功能将采集到的模拟信号转换成数字量，作为单片机处理信息源，电路设计时采用了AD0832芯片作为模数转换芯片，先将模拟信号送入AD0832转换成数字量，再送入T89C55芯片进行计算和处理。

显示模块主要是考虑到当现场有管理人员巡视时，可以方便实时地了解现场情况，系统使用了一种管理键盘和LED显示器的专用智能控制芯片HD7279A，HD7279A与处理器之间采用串行接口，其接口电路和外围电路电简单，占用口线少，只需4条，具有较高的性价比。

四、 DTU 无线数据传输终端设计

GPRS DTU采用高性能嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络。针对网络流量控制的用户，产品支持语音，短信，数据触发上线以及超时自动断线的功能。同时也支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能。

4.1 DTU的组成

DTU 包括下列组成部分：Saro3150EP GPRS DTU 1 个（根据用户订货情况包装）、使用说明书 1 份（CD-ROM）；双频天线（SMA 接口） 1 个、测试用电源 1 个、20Ppin 转 RS232或20Ppin 转RS485 线1 条、

选配附件：车载天线（SMA 接口）、产品导轨、电源导轨

4.2 DTU软件设计流程

4.3 DTU与PC的连接

DTU是无线数据传输终端，通过RS-232与PC机连接，需要对串口进行参数设定。设定好之后才能进行工作。DTU向远程数据中心发送数据必须知道用户IP地址，DTU参数配置时DTU与PC机的连接原理：

结论：由于是基于GPRS进行数据采集及远程监控，所以本设计具有诸多优势。GPRS在GSM网络中引入了分组交换传输模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。GPRS用户的计费以通信的数据量为主要依据，GPRS用户可能连接的时间长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。分组交换接入时间缩短，少于1秒。在首次建立连接后，可以在其有效覆盖范围内实现即时收发数据，一旦有需求就可以立即发送或接收信息，不需要再拨号建立连接，并可使已有的Internet应用（如E-mail、网页浏览等）操作更加便捷、流畅。数据中心软件操作简单易懂，通过数据中心能够简明的观察到上传过来的数据，并能够获取对方的DTU的ID号、登陆时间、动态IP号及DTU电话号码。通过个人的需要可以随时对软件的部分功能進行修改和增添（如温度、湿度）。监控中心可以反向实现对仪器设备的时间校正、状态报告、开关以及其他监测、控制等功能。系统所用软件及硬件都可以变动并升级。项目中所用设备的模块化和结构化设计保证了各个子模块之间相互独立，一个模块的变动不会影响到整个方案实现。并且该项目也可用于气象、矿井、水库等方面，在实际应用中具有广阔的发展前景。基于网络技术的发展，其优点是成本较低，应用覆盖范围较广、具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆覆盖广等特点，这会大大减少项目投资降低运营成本，数据传输的速度和稳定性会进一步提高。

参 考 文 献

[1] 胡可、蔡方凯、胡荣登，基于GPRS数据传输智能终端的实现，电讯技术，2003年，第4期，117-119

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[3]曾红梅 GPRS系统原理及其实现.移动通信，2002，（12）：40-42

[4] 梅运华 基于GPRS的无线监控终端的设计.中国优秀硕士学位论文全文数据库.2007.5

[5] 许川佩， 马 丽， 王 伟， 胡 聪 基于GPRS的装载机远程监控系统软件实现. 桂林电子科技大学，2007.9.03

[6] 韩冰，李芬华 GPRS技术在数据采集与监控系统中的应用.电子技术，2003，

[7] 郭泽辰 基于GPRS的远程自动水文监测网络.电力系统通信，2004，

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[9] 金艳， 李岷闽， 谢海波，等.基于唤醒模式的GPRS 仪表数据采集系统低成本通讯控制策略[J]. 工业仪表与自动化装置， 2006，6.

[10] 徐魁，蒋瑜瀛.基于GSM/GPRS 通信的抄表系统[J].电力系统自动化，2004.9.

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