基于3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的工業(yè)監控系統設計

隨著(zhù)現代工業(yè)生產(chǎn)規模的不斷擴大，生產(chǎn)設備由就地分散的局部自動(dòng)控制逐漸向綜合自動(dòng)化體系發(fā)展，而一般工業(yè)控制系統地域跨越性較大, 相當一部分設備工作在戶(hù)外，一些作業(yè)點(diǎn)分散，環(huán)境惡劣，因此需要無(wú)人職守遠傳控制，對各種設備的運行狀態(tài)、溫度、壓力、流量等指標做到實(shí)時(shí)監控。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的日益發(fā)展，其安裝方便、靈活性強、性?xún)r(jià)比高等特性使得更多行業(yè)的監控系統采用無(wú)線(xiàn)監控方式，建立被監控點(diǎn)和監控中心之間的連接。目前，主要的無(wú)線(xiàn)監控方案有[1]：(1)基于衛星通信；(2)通過(guò)架設微波設備；(3)基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)；(4)借助移動(dòng)公網(wǎng)傳輸。
其中基于衛星通信、架設微波設備、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的監控方式容易受傳輸距離、覆蓋角度及周邊環(huán)境的影響，要想達到更好的監控狀態(tài)就需要中繼設備、增益天線(xiàn)等，設備架設費用高。這些傳統方式存在覆蓋范圍、實(shí)時(shí)性、投資及運行費用等問(wèn)題，同時(shí)對工控設備的無(wú)人值守運行存在較大困難。
借助移動(dòng)公網(wǎng)進(jìn)行數據傳輸的監控方式充分利用現有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )建設和維護都由運營(yíng)商承擔，運營(yíng)費用低，且覆蓋面廣、傳輸速率高，大幅節省了人力物力，提高了工業(yè)控制的自動(dòng)化水平。
1 系統技術(shù)方案
基于3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的工業(yè)監控系統,將現場(chǎng)數據通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò )以流量方式實(shí)時(shí)傳送到手機,并將控制命令下發(fā)到現場(chǎng)設備。本系統使用便攜手機替代計算機作為監控終端，無(wú)論身在何處，都可以實(shí)時(shí)監測和管理工業(yè)現場(chǎng)。
系統框圖如圖1所示，MCU將工業(yè)現場(chǎng)設備數據采集上來(lái)，經(jīng)過(guò)相應處理后送到3G無(wú)線(xiàn)通信模塊，再通過(guò)3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，將數據以UDP/TCP包形式發(fā)送至數據中心，并將數據中心下傳的UDP/TCP包轉換為串口數據傳至終端設備。手機端監控軟件通過(guò)發(fā)送HTTP請求和數據中心建立連接通路，獲取實(shí)時(shí)數據，并向數據中心發(fā)送控制信息。

3G模塊與單片機間通過(guò)標準的RS232/485接口通信，支持AT命令，可設置工作方式和數據傳輸方式(UDP/TCP）,手機與服務(wù)器之間的連接可以采用HTTP和Socket，考慮到目前并不是所有手機都支持Socket通信，但都支持HTTP協(xié)議，所以在本系統中手機與服務(wù)器之間采用HTTP通信方式來(lái)傳輸數據。
手機端采用多線(xiàn)程工作方式，將接收到的數據處理之后以數據或圖像的方式清晰呈現給監控人員，人機界面友好，同時(shí)監控人員簡(jiǎn)單的操作按鍵就可將控制命令傳回服務(wù)器，實(shí)現對現場(chǎng)設備的監測和管理。提供用戶(hù)權限認證，只有通過(guò)驗證才開(kāi)放控制管理功能。用戶(hù)可在手機上直接對監測參數及其范圍進(jìn)行設置，當現場(chǎng)設備的參數值超出設定的正常范圍時(shí)，產(chǎn)生報警。如果用戶(hù)未啟動(dòng)手機端監控軟件，現場(chǎng)設備發(fā)生異常時(shí)，監控前端設備也會(huì )主動(dòng)向指定手機發(fā)送報警信息。
2 硬件設計
　用戶(hù)終端設備通過(guò)串口或無(wú)線(xiàn)方式連接到GPRS數據終端上，然后將數據打成IP包，再通過(guò)GPRS空中接口接入到GPRS網(wǎng)絡(luò )，最終通過(guò)各種網(wǎng)關(guān)和路由到達系統數據中心。
　本系統的終端設備硬件設計結構框圖如圖2所示，以單片機為主處理芯片，實(shí)現數據的采集、發(fā)送以及遠程控制命令的接收。

　采集到的模擬參數經(jīng)過(guò)信號調理單元處理后(放大、濾波等)送入A/D轉換器，最后送入單片機。通過(guò)單片機擴展存儲器的TCP/IP協(xié)議棧打包處理，再由GPRS模塊將數據傳輸到GPRS網(wǎng)絡(luò )。系統采用的GPRS通信模塊集成了標準的SIM接口，提供標準的 RS232/485/422接口，可與多種終端無(wú)縫連接，為用戶(hù)提供簡(jiǎn)便實(shí)用的GPRS通信解決方案。
3 軟件設計
3.1 設備端軟件設計
數據傳輸過(guò)程如下：(1)GPRS模塊通過(guò)串行接口從單片機獲得上傳數據；(2)處理后以GPRS分組數據的形式發(fā)送到GSM基站(BTS)；(3)分組數據經(jīng)SGSN封裝后，發(fā)送到GPRS IP骨干網(wǎng)； (4)若分組數據是發(fā)送到另一GPRS終端，則先發(fā)送到目的SGSN，再經(jīng)BSS發(fā)送到GPRS終端；若分組數據是發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò )(如Internet),則將分組數據包經(jīng)GGSN進(jìn)行協(xié)議轉換后，再發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò )，送達監控中心。
GPRS模塊與單片機間通過(guò)串口進(jìn)行通信，模塊與控制器間的通信協(xié)議是AT命令集，除了串口發(fā)送、串口接收之外，單片機與GPRS模塊之間還有一些硬件握手信號。硬件連接完成后，在進(jìn)行GPRS上網(wǎng)操作之前，首先要對GPRS模塊進(jìn)行一定的設置。主要的設置工作有：設置通信波特率、接入網(wǎng)關(guān)、移動(dòng)終端的類(lèi)別、測試GPRS服務(wù)是否開(kāi)通等。
GPRS模塊可以通過(guò)撥號登錄到GGSN(網(wǎng)關(guān)支持節點(diǎn))上動(dòng)態(tài)分配到Internet網(wǎng)的IP地址。其間GPRS模塊與網(wǎng)關(guān)的通信要符合PPP點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議，模塊向網(wǎng)關(guān)發(fā)送PPP報文都會(huì )傳送到Internet網(wǎng)中相應的地址，而從Internet傳送過(guò)來(lái)的應答幀也同樣會(huì )根據IP地址傳送到GPRS模塊,從而實(shí)現采集數據和Internet網(wǎng)絡(luò )通過(guò)GPRS模塊的透明傳輸。
要注意的是，GSM網(wǎng)絡(luò )無(wú)靜態(tài)IP地址，故其他通信設備不能向它提出建立連接請求，服務(wù)器必須擁有一個(gè)固定的IP，以便監測終端可以在登錄GSM網(wǎng)絡(luò )后通過(guò)該IP找到服務(wù)器。
　GPRS模塊登錄上GSM網(wǎng)絡(luò )后，自動(dòng)連接到數據中心，向數據中心報告其IP地址，并保持和維護數據鏈路的連接。GPRS監測鏈路的連接情況，一旦發(fā)生異常，GPRS模塊自動(dòng)重新建立鏈路，數據中心和GPRS模塊之間就可以通過(guò)IP地址通過(guò)UDP/TCP協(xié)議進(jìn)行雙向通信，實(shí)現透明的可靠數據傳輸。
3.2 服務(wù)器軟件設計
服務(wù)器接收GPRS模塊傳來(lái)的數據，經(jīng)過(guò)相應的處理后存入數據庫，供客戶(hù)端提取數據的同時(shí)備份以便查詢(xún)。
手機與服務(wù)器之間的連接可以采用HTTP和Socket，考慮到目前并不是所有手機都支持Socket通信，但都支持HTTP協(xié)議，所以在本系統中手機與服務(wù)器之間采用HTTP通信方式來(lái)傳輸數據。在服務(wù)器Servlet中采用輸出流的方式向請求端發(fā)送數據。Servlet具有獨立于平臺和協(xié)議的特性,它擔當客戶(hù)請求與服務(wù)器響應的中間層。