基于CDMA 1X的遠程監控系統設計

在現有的工業(yè)監控系統中，常用的信息傳輸方式有：數字微波、數傳電臺、有線(xiàn)光纖、有線(xiàn)電纜等，數字微波和數傳電臺將受到傳輸距離及頻率許可的限制，而有線(xiàn)光纖和有線(xiàn)電纜的網(wǎng)絡(luò )成本較高，不適合監控點(diǎn)非常分散及傳輸距離較遠的情況下使用。

針對監控對象分散、各監控節點(diǎn)間缺乏有機聯(lián)系、監控信息量相對較少，實(shí)時(shí)性要求較低等特點(diǎn)，CDMA 1X提供了一種很好的信息傳輸方式。

CDMA 1X愿意是指CDMA 2000的第一階段（速率高于IS-95，低于2MB/s），可支持308kb/s的數據傳輸，網(wǎng)絡(luò )部分引入分組交換，可支持移動(dòng)IP業(yè)務(wù)，是在現有CDMA IS-95系統上發(fā)展出來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為CDMA用戶(hù)提供分組形式的數據業(yè)務(wù)。

由于CDMA 1X采用了反向相干解調，快速前向功控、發(fā)送分集、Turbo編碼等新技術(shù)，其容量比IS-95大為提高，從理論分析結果來(lái)看，如果用于傳送語(yǔ)音業(yè)務(wù)，CDMA 1X系統的總容量是IS-95系統的2倍，如果用于傳送數據業(yè)務(wù)，CDMA 1X系統的總容量是IS-95系統的3.2倍，CDMA 1X理論帶寬可達300kb/s，目前的實(shí)際應用帶寬大約在100kb/s左右（雙向對稱(chēng)傳輸），在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于Internet連接、數據傳輸等應用。

2 基于CDMA 1X的無(wú)線(xiàn)通信

2.1 組網(wǎng)方案

無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統一般由數據業(yè)務(wù)中心、通信網(wǎng)絡(luò )和數據終端組成，綜合考慮業(yè)務(wù)數據量、安全性、可靠性、網(wǎng)絡(luò )狀況與成本等因素，采用下述組網(wǎng)方式：通信服務(wù)器以公網(wǎng)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(dòng)與通信服務(wù)器建立連接，如果通信服務(wù)器沒(méi)有固定IP，可以通過(guò)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(zhì)量穩定、安全性適中、運行可靠等特點(diǎn)。

2.2 無(wú)線(xiàn)數據傳輸原理

根據上述組網(wǎng)方案，數據的上行傳輸原理如下：

（1）下位機通過(guò)RS232串口將數據傳給DTU；

（2）DTU將數據打成TCP/IP包，發(fā)送到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；

（3）TCP/IP數據包經(jīng)系統分組數據服務(wù)節點(diǎn)，傳輸至Internet上并且去尋找在Internet上的一個(gè)指定的數據服務(wù)中心（通信服務(wù)器）；

（4）通信服務(wù)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(guò)程相反，不再贅述，系統通信結構圖如圖1所示。

3 系統設計

3.1 上位機設計

上位機包括實(shí)時(shí)監控系統和歷史數據庫兩部分。

實(shí)時(shí)監控系統選用Wonderware公司的InTouch系統，主要實(shí)現以下功能：系統管理功能；數據處理功能：包括數據查詢(xún)功能、數據存儲功能、數據定時(shí)上報功能；告警功能：包括實(shí)時(shí)響應功能、告警聯(lián)動(dòng)處理功能、告警設置功能、告警確認功能、告警存儲功能，操作控制功能，歷史數據庫選用Wonderware公司的Industrial SQL Server，主要實(shí)現以下功能：數據統計、報表功能、歷史數據查詢(xún)功能、歷史數據曲線(xiàn)圖、打印功能。

3.2 下位機設計

下位機選用ABB AC31系列PLC，包括CPU模塊和I/O模塊，CPU接收一個(gè)或多個(gè)指定監控中心對設備的操作控制命令，通過(guò)I/O模塊對有關(guān)設備執行相應的操作控制動(dòng)作，并向監控中心返回操作結果,下位機主要實(shí)現以下功能：

數據采集功能，數據查詢(xún)功能，定時(shí)上報功能，操作控制功能。

3.3 CDMA數據傳輸中斷

CDMA數據傳輸中斷選用深圳宏電技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司的CDMA H7710 DTU該終端具有如下特點(diǎn)：

（1）H7710 DTU直接提供RS232/422/485接口，為用戶(hù)的數據設備提供透明、全雙工、對等的數據傳輸通道。

（2）普通GPRS/CDMA Modem通常需要附著(zhù)在PC機上虛擬撥號上網(wǎng)，利用PC機的資源進(jìn)行數據收發(fā)和協(xié)議轉換，H7710 DTU內置自動(dòng)網(wǎng)絡(luò )連接和協(xié)議處理模塊，無(wú)需后臺計算機支持。

（3）H7710 DTU可以實(shí)現點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-多點(diǎn)、中心-多點(diǎn)的對等數據傳輸，傳輸時(shí)延一般小于1s。

（4）H7710 DTU一開(kāi)始就能自動(dòng)附著(zhù)到GPRS或CDMA網(wǎng)絡(luò )上，并與您的數據中心建立通信鏈路，隨時(shí)收發(fā)用戶(hù)數據設備的數據。

（5）H7000移動(dòng)數據通信可以不依賴(lài)于運營(yíng)商交換中心的數據接口設備，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò )隨時(shí)隨地的構建覆蓋全中國的虛擬移動(dòng)數據通信專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )。

CDMA H7710 DTU在使用前必須設定出事參數：CDMA 1X網(wǎng)絡(luò )登陸用戶(hù)名和密碼，通信接口參數、通信服務(wù)器的固定IP地址和端口或者通信服務(wù)器的域名、DTU的在線(xiàn)工作方式等等。

3.4 通信服務(wù)器的設計與實(shí)現

通訊服務(wù)器是整個(gè)系統的樞紐，主要實(shí)現不同協(xié)議之間的數據傳輸，通信服務(wù)器的設計基于OPC標準，OPC可理解為過(guò)程控制的對象連接和嵌入（OLC for Process Control）是在微軟操作系統下開(kāi)發(fā)的用于應用程序接口的一種技術(shù)，基于Client/Server模式，為了實(shí)現整個(gè)系統的通訊，在通訊服務(wù)器上需要裝3個(gè)軟件；Wonderware公司的OPClink，IOServer公司的IOServer，CDMA Server。通訊服務(wù)器的工作過(guò)程及各軟件之間的管理如圖2所示。

下面分別講述通訊服務(wù)器上的3個(gè)通訊軟件的功能及應用。

3.4.1 OPClink

OPClink是工作在Windows平臺下的應用軟件，主要作用是通過(guò)協(xié)議轉換來(lái)實(shí)現OPC服務(wù)器和InTouch吳志劍的數據傳輸。OPCLink可以與現地或者遠程的OPC服務(wù)器端軟件（如IOServer，RSLinx）進(jìn)行連接，他將InTouch的命令轉換成OPC協(xié)議然后發(fā)送到OPC服務(wù)器端軟件，并從OPC服務(wù)器端軟件讀取數據，返回到InTouch。同樣，OPCLink也可以連接到現地或者遠程的InTouch。

3.4.2 IOServer

IOServer的作用是實(shí)現不同協(xié)議間的數據傳輸，IOServer支持以下14種協(xié)議：Modbus協(xié)議，AB協(xié)議、ASCII協(xié)議、Courier協(xié)議、DNP協(xié)議、GE協(xié)議、HR6000協(xié)議、IEC103協(xié)議、KingFisher協(xié)議、LoopBack協(xié)議、Melsec協(xié)議、Omron協(xié)議、TI505協(xié)議、UCA2協(xié)議。在本系統中，ABB PLC采用的是Modbus協(xié)議、因此，IOServer從CDMA Server上讀取ABB PLC的數據，并轉換成TCP/IP協(xié)議，傳送給OPCLink。

IOServer的配置主要包含以下3部分：

（1）Board（接口配置）：IOServer支持多種接口，其中最常用的是TCP/IP和串口，在配置接口的時(shí)候，需要定義所連接設備的協(xié)議；

（2）OPC Explorer：提供內部測試的平臺，也可進(jìn)行數據觀(guān)察和監視。

（3）OPC Gateway：允許基于不同協(xié)議的各OPC服務(wù)器之間的數據傳輸，以及IOServer和某個(gè)控制單元之間的數據傳輸。

3.4.3 CDMA Server

在本系統中，使用VisualC++6.0編寫(xiě)CDMA Server軟件，CDMA Server作為整個(gè)系統的通訊樞紐，包括兩部分功能：與IOServer進(jìn)行通訊，與DTU進(jìn)行通訊。

CDMA Server與IOServer的通訊基于SOCKET編程，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸，需要設置端口和IP地址，IOServer通過(guò)此端口和IP地址與CDMA Server建立通訊。

CDMA Server和DTU之間的通訊使用開(kāi)發(fā)包中動(dòng)態(tài)庫wcomm_dll.dll，該文件包括和DTU通訊所需要的全部API函數，包括服務(wù)的啟動(dòng)、數據發(fā)送、數據接收、關(guān)閉服務(wù)等。

OPC Server與DTU的通信設計是基于開(kāi)發(fā)工具包的用戶(hù)程序接口,即動(dòng)態(tài)鏈接庫cdmagprs.dll，該庫包括了與DTU通信所需要的全部API函數，例如：

start_gprs_server：該函數用于啟動(dòng)底層服務(wù)，服務(wù)啟動(dòng)后和DTU通訊，啟動(dòng)該服務(wù)后，主窗口中要有響應消息的函數，以便和底層服務(wù)通訊。

stop_gprs_server：停止服務(wù)；

do_read_proc：讀數據。底層服務(wù)接收到DTU發(fā)送的數據后，會(huì )向啟動(dòng)服務(wù)函數中指定的DSC的窗口發(fā)送消息，該窗口中的消息響應函數應立即調用讀數據函數將DBU發(fā)送過(guò)來(lái)的數據讀出；

do_send_user_data：向DTU發(fā)送數據；

da_close_one_user：關(guān)閉一個(gè)DTU終端，令其下線(xiàn)；

do_close_all_user：關(guān)閉所有的在線(xiàn)DTU終端，一般停止服務(wù)前執行該API。

由于Windows基于消息驅動(dòng)的，底層服務(wù)接收到遠端DTU的數據后，會(huì )向啟動(dòng)函數的窗口發(fā)送一個(gè)消息，因此，我們可以在程序中定義一個(gè)消息響應函數來(lái)處理中心與DTU的數據傳輸，消息響應函數中，通過(guò)調用動(dòng)態(tài)鏈接庫中的數據接收函數和數據發(fā)送函數來(lái)傳輸數據，當數據傳輸結束后，調用關(guān)閉服務(wù)函數來(lái)結束通訊。

4 實(shí)驗及結果分析

實(shí)驗步驟如下：

（1）設置DTU主要參數：

DTU身份識別碼：139********

在線(xiàn)報告時(shí)間間隔：40s

本地通訊端口：5001

最大傳輸包長(cháng)：1000B

主DSC IP地址：219.229.3.24

（2）在CDMA Server上添加用戶(hù)，如圖3所示，其中終端端口與DTU上設置一致，為5001。網(wǎng)關(guān)出口端口，即CDMA Server與IOServer連接端口設置為5002。

（3）在IOServer上添加端口與設備，如圖4所示，在本系統中，由于IOServer和CDMA Server裝在同一臺機子上，因此IP地址設為127.0.0.1，端口號與CDMA Server提供的端口對應，即5002。

經(jīng)過(guò)上述步驟，已建立起IOServer和DTU之間的通訊，接下去只需要IOServer和OPCLink上配置具體的Group和Item即可，在此不再贅述。

本系統已應用到實(shí)際項目，與有線(xiàn)數據采集系統相比，本系統具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）降低了通訊線(xiàn)路的建設成本和維護成本；

（2）提高了系統的靈活性，監控范圍不受地域限制，節點(diǎn)控制目標可以任意擴充。

（3）通訊線(xiàn)路比較穩定，不易發(fā)生通訊故障，就算出現問(wèn)題，也能迅速發(fā)現和排除。

5 結論

相信隨著(zhù)CDMA無(wú)線(xiàn)通信的高速發(fā)展和3G牌照的發(fā)布，必將引領(lǐng)無(wú)線(xiàn)通訊的潮流，而基于CDMA無(wú)線(xiàn)通信的遠程監控系統，將會(huì )有更加廣泛的應用。