基于GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與之相應(yīng)的嵌入式無線設(shè)備在遠程安全監(jiān)控中的應(yīng)用-設(shè)計應(yīng)用

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傳統(tǒng)的工業(yè)無線通信往往面臨新的挑戰(zhàn)，那就是：為分布各地的設(shè)備如何聯(lián)網(wǎng)而煩惱、為延綿數(shù)公里的通信線纜如何鋪設(shè)而費神、為如何與移動的設(shè)備通信而苦惱、是否能對分布在現(xiàn)場的儀器儀表迸行遠程智能監(jiān)控、是否能對改變現(xiàn)有的通信方式而無需大動干戈等。

而如今的基于GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與嵌入式設(shè)備或模塊的遠程監(jiān)控技術(shù)帶來了的機迂可應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。這是因為隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，GPRS產(chǎn)品在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。尤其是嵌入式GPRS設(shè)備或模塊的出現(xiàn)，更加促進了GPRS通信方式的應(yīng)用及其業(yè)務(wù)的發(fā)展。

因通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實現(xiàn)現(xiàn)場信號的實時無線傳輸，用戶可通過因特網(wǎng)，訪問GPRS服務(wù)器，隨時查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)。GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)。GPRS理論帶寬可達171.2kb/s，實際應(yīng)用帶寬約70kb/s，在此信道上提供TCP/IP連接，可用于Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。GPRS采用分組交換技術(shù)，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可由多個用戶共享，資源被有效的利用，數(shù)據(jù)傳輸速率高達171.2kb/s。這項技術(shù)可使我國在線分析的應(yīng)用水平提高一個臺階，從而可達到國際水平，為生產(chǎn)裝置創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。

為此，本文僅對基于GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與之相應(yīng)的嵌入式GPRS無線數(shù)據(jù)數(shù)傳設(shè)備(DTU)的應(yīng)用特征及在遠程安全監(jiān)控中的應(yīng)用作介紹，并以城市輸水管道的無線水壓監(jiān)測系統(tǒng)與石油管線遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)及PLC遠程系統(tǒng)應(yīng)用等方案作分析說明。

2先從GPRS技術(shù)的嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備(DTU)基本理念人手

DTU是構(gòu)建遠程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要設(shè)備，其主要功能就是為用戶的串口設(shè)備與遠程的電腦之間建立一個透明的數(shù)據(jù)通道。DTU通常具有一個串行接口（UART、CAN-bus等），工作現(xiàn)場的用戶設(shè)備通過DTU的串口與位于監(jiān)控中心的計算機進行透明數(shù)據(jù)通信，從而可以實現(xiàn)設(shè)備的遠程監(jiān)控。DTU按接口形式可分為RS232接口、RS485/422接口、CAN-bus接口、UART-TTL接口等。按設(shè)備形式可分為嵌入式模塊和獨立設(shè)備等。按功能劃分可分為基本型、增強型和低功耗型等。

2.1DTU所具有的優(yōu)勢

(1)有獨具“連線時機可控”功能。在網(wǎng)絡(luò)信號不好，或者數(shù)據(jù)中心服務(wù)器出現(xiàn)故障時，目標服務(wù)器的連接可能會變得比較困難，而普通DTU的連接時機不可控時，在這種情況下，如果DTU不斷嘗試連接，將會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)流量，增加費用支出。而GPRS技術(shù)的DTU具有連接次數(shù)可控、連接間隔可控、以及連接中斷間隔可控功能，為用戶節(jié)約流量開銷。

(2)可支持短信配置——不用電腦也能迸行配置。當數(shù)據(jù)中心服務(wù)器出現(xiàn)故障，DTU無法連接服務(wù)器時，可用手機以短信方式配置DTU，使其連接其他數(shù)據(jù)中心或使DTU復(fù)位。配置成功后，DTU會發(fā)送應(yīng)答短信，表示配置成功。

(3)支持短信和電話配置——喚醒方式更加活。當DTU工作在空閑下線模式時，有三種方式可以喚醒DTU，使其重新連接數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。種是本地喚醒式，即，向DTU串口發(fā)送數(shù)據(jù)使其喚醒；后兩種是遠程喚醒方式，即通過給DUT發(fā)送喚醒短信或撥打電話，使其恢復(fù)與數(shù)據(jù)中心的連接。

2.2DTU應(yīng)用中所關(guān)心的問題

串口設(shè)備與DTU之間如何通信，有通信協(xié)議嗎？回答：沒有。串口設(shè)備與DTU之間采用全透明方式傳輸。簡單的例子就是串口設(shè)備發(fā)出數(shù)據(jù)“1”，那么在接收端就會收到數(shù)據(jù)“1”。圖1為用戶設(shè)備與服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸過程。

圖1用戶設(shè)備與服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸過程

如何在計算機上獲取到DTU發(fā)出的數(shù)據(jù)。GPRSDTU發(fā)出的數(shù)據(jù)包為標準的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包可以在移動網(wǎng)絡(luò)和Intemet上傳輸，所以只要計算機能連接移動網(wǎng)絡(luò)或Intemet就可以接收到DTU發(fā)出的數(shù)據(jù)包。

如何在計算機上編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取。使用常見的開發(fā)平臺即可非常簡單的開發(fā)出上位機軟件。并且提供完整的通訊例子和源碼供用戶參考。

現(xiàn)有的系統(tǒng)是計算機使用串口與設(shè)備直接通信，若希望改為無線方式，并不需要做大的改動。使用虛擬串口方式，把遠端DTU的串口虛擬成為計算機上的串口，因此無需對上位機軟件做任何改動，就可以將現(xiàn)在的有線通信方式升級為無線方式。

3嵌入式GPRS數(shù)傳設(shè)備(DTU)在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1電梯運行遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

值此以CAN-bus接口嵌入式無線數(shù)傳設(shè)備ZWG-23C型為例作說明。

ZWG-23C具有CAN-bus接口的GPRS嵌入式無線數(shù)傳設(shè)備(DTU)。它可以很方便地接入到CANBUS網(wǎng)絡(luò)中，在不需改變原有硬件結(jié)構(gòu)的前提下為CAN-bus網(wǎng)絡(luò)提供遠程無線通信接口，實現(xiàn)CAN-bus網(wǎng)絡(luò)與遠程計算機之間的數(shù)據(jù)通訊。其特點是：用戶無需詳細了解CAN網(wǎng)絡(luò)知識，可支持CAN2.0A、CAN2.OB協(xié)議和支持透明轉(zhuǎn)換，內(nèi)置CAN控制器、CAN收發(fā)器，其工作溫度范圍為-20℃~+70℃，而CAN-bus支持51000Kbps共15種標準波特率，幀流量可達400幀/秒。

在電梯運行遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。如今電梯的安全使用及管理將直接關(guān)系到人民的生命財產(chǎn)安全，所以電梯系統(tǒng)的安全、規(guī)范和科學(xué)化管理勢在必行。而電梯控制系統(tǒng)通常使用CAN-bus總線進行通信,具有CAN-bus接口的ZWG-23C可以方便的接入CANbus網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)電梯運行遠程監(jiān)控方案（見圖2所示），該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：能讓電梯生產(chǎn)廠商在管理中心足不出戶隨時了解電梯的運行狀況，便于電梯后期的維護；當?shù)仉娞萃ㄟ^GPRS及時將電梯所有故障（如：電梯停電、沖頂、撞底、超速等）主動發(fā)送到管理機上，維修人員可以及時處理險情；在全國范圍內(nèi)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控所有出產(chǎn)的電梯，對銷售和市場情況了如指掌。圖2為具有CAN-bus接口的嵌入式GPRS數(shù)傳設(shè)備(DTU)ZWG-23C型作為電梯安全控制系統(tǒng)應(yīng)用示意圖。

圖2嵌入式GPRS數(shù)傳設(shè)備(DTU)ZWG-23C型作為電梯安全控制系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

3.2嵌入式(智能型)無線測控設(shè)備的應(yīng)用

(1)以嵌入式無線測控設(shè)備ZWG—5311L

該ZWG-5311L型可用于各種物理信號的測量，并將測量結(jié)果通過GPRS通信方式發(fā)送至遠程數(shù)據(jù)中心?？梢暂p松實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集功能，節(jié)省大量人力物力和寶貴的時間。其特性為：具有對電流、電壓、電阻、溫度、壓力等豐富的采集方式；可設(shè)置采樣值觸發(fā)上線、定時上線等靈活的上線機制；具有對GPRS數(shù)據(jù)報警、短信報警等多重報警方式；為5V-35V寬范圍供電，雙電源冗余的高可靠電源與1mA低功耗休眠電流；支持本地、遠程和短信配置而且配置便捷。

(2)在石油管線遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

石油生產(chǎn)及輸送設(shè)施是國家的命脈，但是卻一直被不法分子竊取破壞，造成了很大的生命和財產(chǎn)損失。所以，對石油設(shè)施的安全監(jiān)控成為政府和企業(yè)的當務(wù)之急。以往的監(jiān)控需要耗費大量人力進行巡檢，而且還存在反應(yīng)不及時、易漏檢的問題。采用遠程監(jiān)控設(shè)備后，相關(guān)工作人員可以實時了解到各個節(jié)點的信息，比如壓力、溫度等參數(shù)。并且可以在遠程監(jiān)控設(shè)備中設(shè)置報警，如果管線出現(xiàn)異常情況，設(shè)備將啟動報警機制，監(jiān)控中心的計算機會收到相應(yīng)的報警數(shù)據(jù)包，同時工作人員的手機也會收到相關(guān)的報警短信，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。此外，該設(shè)備還具有低功耗休眠功能，完全適合野外電池供電的場合。該系統(tǒng)同樣適用于城市供水、供暖等系統(tǒng)。圖3(a)為石油管線遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)示意圖。

(a)石油管線遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)示意圖(b)輸水管道的無線水壓監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

圖3

(3)在城市輸水管道的無線水壓監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用實例

對城市輸水管道進行監(jiān)控，一旦管道出現(xiàn)破損，時間判斷出管道受損位置及指示維修隊伍立即趕到現(xiàn)場。在每個井內(nèi)安裝一個監(jiān)測水壓的無線設(shè)備，除了正常向數(shù)據(jù)中心水壓數(shù)據(jù)外，一旦水壓超過預(yù)定上限值或低于預(yù)定下限或是變化超過預(yù)定時，立即報警。圖3(b)為輸水管道的無線水壓監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用示意圖。

4嵌入式GPRS無線數(shù)傳模塊的應(yīng)用

如ZWG-23DP/ZWG-23DPS型。DTU是構(gòu)建遠程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要設(shè)備，其主要功能就是為用戶的串口設(shè)備與遠程的電腦之間建立一個透明的數(shù)據(jù)通道。ZWG-23DP是一款嵌入式GPRS無線數(shù)傳模塊，它具有小巧的體積和靈活的應(yīng)用方式，可以非常方便的嵌入到用戶的設(shè)備中，使設(shè)備具有GPRS無線通信功能。該模塊同時提供配置串口和通信串口，使用便捷。ZWG-23DPS在ZWG-23DP的基礎(chǔ)上增加I/O和AD功能，可實現(xiàn)遠程控制。

嵌入式GPRS無線數(shù)傳模塊DTU在電力抄表中的應(yīng)用。電力載波集中器通過電力貓定期讀取載波電表的用電量（即：抄表），并將數(shù)據(jù)進行協(xié)議封包和加密。前期處理工作完成后，集中器開始檢測GPRSDTU在線狀態(tài)（通過檢查串口DCD上線指示信號是否為低電平），當檢測到上線后，即可通過DTU向管理工作站的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后返回應(yīng)答信號，并進行下一步處理。整個過程中，集中器不需要對DTU進行任何撥號操作和其它額外的狀態(tài)機管理，只需檢查DTU是否在線，即是否和服務(wù)器保持連接。完全可以把DTU當成一個“無線的串口”來使用，這個“無線串口”沒有任何協(xié)議，完全透明傳輸?？梢愿鶕?jù)用戶的要求對產(chǎn)品的接口形式和功能進行修改。圖4為嵌入式DTU在電力抄表中的應(yīng)用方案示意圖。

圖4嵌入式DTU在電力抄表中的應(yīng)用方案示意圖

5基于GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的PAC遠程系統(tǒng)設(shè)計方案

利用GPRS技術(shù)無線通信的優(yōu)點，并結(jié)合PAC在工業(yè)控制上抗干擾性強的優(yōu)勢，可應(yīng)用于實時遙控系統(tǒng)領(lǐng)域。值此以一個對海上的燈塔迸行實時遙控系統(tǒng)的具體設(shè)計方案為例作分析。

5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

PAC遠程實時遙控系統(tǒng)由系統(tǒng)用戶監(jiān)控中心和通信網(wǎng)絡(luò)與終端設(shè)備組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲見圖5所示。PLC遠程實時遙控系統(tǒng)分布上由GPRS終端設(shè)備和中心服務(wù)軟件組成，系統(tǒng)通過配置可以對多個設(shè)備迸行狀態(tài)和數(shù)據(jù)監(jiān)控，也可以通過中心服務(wù)軟件僅對單個終端設(shè)備迸行遠程調(diào)試和通信數(shù)據(jù)的應(yīng)答和轉(zhuǎn)發(fā)。

圖5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖

(1)GPRS終端設(shè)備的設(shè)計

GPRS終端設(shè)備通過通信口與PAC現(xiàn)場設(shè)備連接，它負責(zé)采集PLC設(shè)備的各種信息數(shù)據(jù)，并通過IP鏈路方式或GSM短信方式送至系統(tǒng)監(jiān)控中心或控制手機。另外，將控制手機或系統(tǒng)中心服務(wù)軟件發(fā)送過來的各種有效控制指令和PAC遠程調(diào)試關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)送給現(xiàn)場PAC設(shè)備。

而GPRS終端設(shè)備組成包括：嵌入式GPRS通信模塊、MCU處理模塊及其它附屬部件。GPRS終端設(shè)備是監(jiān)控中心服務(wù)器迸行業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)交互的接口，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和指令執(zhí)行部分，完成將PLC工作的實時上傳和接收來自監(jiān)控中心的各種命令的執(zhí)行工作。而GPRS終端硬件模塊主要包括電源變換模塊、嵌入式GPRS通信模塊、MCU微處理器模塊、PAC控制模塊和現(xiàn)場顯示控制觸摸屏。其硬件結(jié)構(gòu)見圖6所示。

圖6終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)組成

嵌入式GPRS數(shù)據(jù)通信模塊將從監(jiān)控中心接收的數(shù)據(jù)送給MCU微處理器，MCU微處理器根據(jù)數(shù)據(jù)的類型迸行相應(yīng)的處理，對于需要轉(zhuǎn)給PAC的數(shù)據(jù)傳輸給PAC控制模塊。同時MCU微處理器將從PAC控制模塊中得到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，并由嵌入式GPRS模塊發(fā)送給監(jiān)控中心。觸摸屏實時監(jiān)視系統(tǒng)和設(shè)備的運行狀態(tài)，并可以進行現(xiàn)場設(shè)定設(shè)備運行的參數(shù)。由于GPRS終端設(shè)備不同的模塊所需要的電源參數(shù)不同，因此，需要利用電源變換模塊將輸入電源變換為不同的電壓輸入給相應(yīng)的處理模塊，以滿足其正常的工作。

(2)關(guān)于系統(tǒng)中心服務(wù)軟件

系統(tǒng)中心服務(wù)軟件是整個系統(tǒng)的，其將來自GPRS終端設(shè)備的各種指令信息、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給終端狀態(tài)監(jiān)控軟件，接收來自終端狀態(tài)軟件的查詢指令并發(fā)送給遠程的GPRS終端設(shè)備。

5.2系統(tǒng)的運行

GPRS終端設(shè)備將采集的各種信息數(shù)據(jù)，按照設(shè)定的協(xié)議送到系統(tǒng)中心服務(wù)軟件或用戶監(jiān)控手機上，系統(tǒng)中心服務(wù)軟件判斷收到的數(shù)據(jù)是監(jiān)控還是調(diào)試轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，按照不同的要求將數(shù)據(jù)迸行相應(yīng)的處理，并根據(jù)設(shè)定的要求迸行接收確認。同時，系統(tǒng)中心服務(wù)軟件也可以按照操作人員的要求配置參數(shù)，有選擇的查詢必要的終端設(shè)備信息。當系統(tǒng)迸行遠程調(diào)試應(yīng)用時，系統(tǒng)中心服務(wù)軟件可以對PLC已知的應(yīng)答軟件迸行自動在線保持，僅將關(guān)鍵數(shù)據(jù)迸行遠程傳輸?shù)紾PRS終端設(shè)備迸行數(shù)據(jù)請求，同時GPRS終端設(shè)備對已請求到的設(shè)備指令發(fā)送到系統(tǒng)中心服務(wù)軟件，系統(tǒng)中心服務(wù)軟件