葉建軍 劉桂雄 洪曉斌 陳鐵群

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院）

1 引言

高壓輸電線(xiàn)路通常工作在戶(hù)外惡劣環(huán)境中，受污染源、天氣狀況等影響嚴(yán)重，對(duì)其實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理意義重大。由于高壓輸電線(xiàn)路分布范圍廣、數(shù)量多以及地理位置偏僻，這給狀態(tài)信息從數(shù)據(jù)采集終端傳送到數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器帶來(lái)困難。目前，高壓輸電線(xiàn)路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常用有GSM通信網(wǎng)、SMS短信息數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，但由于受傳輸方式、成本限制，這些平臺(tái)還不能很好地滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需要[1]。隨著現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展，以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)、采用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、高速傳輸數(shù)據(jù)及信令的高效數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的GPRS技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸提供了一種新技術(shù)手段[2～3]。GPRS的接入迅速、永遠(yuǎn)在線(xiàn)、流量計(jì)費(fèi)特點(diǎn)在突發(fā)性、頻發(fā)性輸電線(xiàn)路中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程小數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)傳輸，將有不可比擬的優(yōu)勢(shì)[4]。本文介紹一種基于GPRS輸電線(xiàn)路多參量遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)研制，期望能滿(mǎn)足采集、傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性等要求。

2 遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制

基于GPRS的輸電線(xiàn)路多參量遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)框架圖如圖1所示?？梢钥闯觯到y(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集終端(包括傳感器節(jié)點(diǎn)及微處理器)、GPRS通信部分(包括GPRS模塊及網(wǎng)絡(luò))、數(shù)據(jù)中心(包括網(wǎng)關(guān)及服務(wù)器) 三部分。系統(tǒng)運(yùn)行包括數(shù)據(jù)采集及封裝、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等三個(gè)主要過(guò)程。在數(shù)據(jù)采集及封裝階段，利用數(shù)據(jù)采集終端的傳感器節(jié)點(diǎn)獲取輸電線(xiàn)路溫度、環(huán)境濕度、泄露電流值等狀態(tài)信息，并通過(guò)微處理器進(jìn)行編碼及封裝；在數(shù)據(jù)傳輸階段，微處理器封裝的狀態(tài)數(shù)據(jù)包通過(guò)串口發(fā)送到 GPRS通信模塊，經(jīng)過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò)上的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心服務(wù)器；在數(shù)據(jù)處理階段，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器會(huì)依據(jù)通信協(xié)議對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、處理和存儲(chǔ)，以供終端用戶(hù)使用。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器根據(jù)需要發(fā)送用戶(hù)反饋指令到數(shù)據(jù)采集終端的微處理器，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)采集終端遠(yuǎn)程控制。

圖1 基于GPRS的輸電線(xiàn)路多參量遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)框架圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)

圖2為數(shù)據(jù)采集終端功能框圖，由微處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、時(shí)鐘及電源管理模塊和人機(jī)交互模塊組成[5～7]。微處理器以ATmega128單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集終端的控制核心，解析來(lái)自數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的指令，管理數(shù)據(jù)采集終端的各功能部分，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)；人機(jī)交互模塊包括了鍵盤(pán)和顯示屏，功能是完成數(shù)據(jù)采集終端的初始化工作；時(shí)鐘和電源管理模塊是負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的供電和提供時(shí)鐘基準(zhǔn)。另外，GPRS通信模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端和服務(wù)控制中心之間透明串行數(shù)據(jù)傳輸，擬采用內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的GPRS DTU2008。該模塊無(wú)需PC的撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)及提供外圍電路即可通過(guò)普通串口與Internet互聯(lián)，具有使用簡(jiǎn)便、配置靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)及抗干擾性強(qiáng)特點(diǎn)。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端功能框圖

3.2 軟件系統(tǒng)的工作流程

圖3和圖4分別為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)終端微處理器的軟件的工作流程圖。這兩部分工作相互嵌套，整個(gè)系統(tǒng)的軟件工作流程表述為：

⑴運(yùn)行數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的應(yīng)用程序，建立套接字Socket()，監(jiān)聽(tīng)數(shù)據(jù)采集終端微處理器(客戶(hù)機(jī))的連接情況。若連接建立成功，就可以對(duì)客戶(hù)機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理；同時(shí)，根據(jù)需要將用戶(hù)指令傳送給客戶(hù)機(jī)；反之，則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)。

⑵客戶(hù)機(jī)開(kāi)機(jī)進(jìn)行初始化后，通過(guò)GPRS通訊模塊連接 Internet，向服務(wù)器發(fā)出連接請(qǐng)求。待連接建立后，服務(wù)器的應(yīng)用程序會(huì)自動(dòng)記錄客戶(hù)機(jī)的相關(guān)信息，并且此時(shí)GPRS通訊模塊可以正常地向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

⑶微處理器分析用戶(hù)指令，然后控制傳感器對(duì)輸電線(xiàn)路的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，返回?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)微處理器的處理、封裝后，送到GPRS模塊發(fā)送出去。

⑷服務(wù)器對(duì)收到的信息進(jìn)行校驗(yàn)。檢驗(yàn)合格后，根據(jù)通訊協(xié)議對(duì)信息進(jìn)行解碼、處理，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖3 數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的軟件工作流程圖

圖4 數(shù)據(jù)采集終端微處理器的軟件工作流程圖

3.3 部分關(guān)鍵系統(tǒng)程序

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的應(yīng)用程序是基于C#語(yǔ)言，按照TCP/IP服務(wù)器工作原理開(kāi)發(fā)[8]，側(cè)重于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理及對(duì)微處理器的遠(yuǎn)程識(shí)別、控制。

⑴數(shù)據(jù)中心服務(wù)器要獲得輸電線(xiàn)路的狀態(tài)信息，須依據(jù)通訊協(xié)議對(duì)封裝的字符串進(jìn)行解析。部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

⑵GPRS通訊模塊連接GPRS網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其IP地址動(dòng)態(tài)分配。故 IP地址可以視為唯一標(biāo)識(shí)各個(gè)數(shù)據(jù)采集終端的標(biāo)識(shí)符，為服務(wù)器遠(yuǎn)程控制各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)提供依據(jù)。下面為部分實(shí)現(xiàn)代碼：

4 系統(tǒng)功能的運(yùn)行測(cè)試

數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用程序是采用 Socket網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)開(kāi)發(fā)的，數(shù)據(jù)庫(kù)是SQL Server2000；而數(shù)據(jù)采集終端的微處理器采用AVR系列單片機(jī)—ATMEGA128，GPRS通訊模塊是GPRS DTU2008。

圖5為應(yīng)用程序的工作界面，程序能夠?qū)崟r(shí)接收數(shù)據(jù)采集終端發(fā)回的數(shù)據(jù)包，顯示客戶(hù)機(jī)的 IP地址和待解碼數(shù)據(jù)等內(nèi)容，同時(shí)處理數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，供終端用戶(hù)使用。

圖5 應(yīng)用程序工作時(shí)的界面

5 結(jié)論

⑴GPRS技術(shù)為用戶(hù)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸模式上提供了一種技術(shù)支撐平臺(tái)，尤其是在監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局分散且偏僻的條件下。在滿(mǎn)足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、可靠傳輸?shù)耐瑫r(shí)，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎徒档土讼到y(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)的成本。

⑵本文設(shè)計(jì)的基于 GPRS技術(shù)的輸電線(xiàn)路多參量遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)，應(yīng)用于輸電線(xiàn)路狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)淖詣?dòng)化、智能化，滿(mǎn)足了用戶(hù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)上傳的可靠性和實(shí)時(shí)性的需求。

⑶隨著 GPRS自身技術(shù)的不斷完善和第三方應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，該系統(tǒng)作為一種無(wú)線(xiàn)監(jiān)控的通用平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，其采用的技術(shù)原理在智能交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程測(cè)控、工業(yè)控制等領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

[1]Boquete L, Bravo I, Barea R. Telemetry and control system with GSM communications[J]. Microprocessors and Microsystems, 2003, 27(1):1～8

[2]Gui Xun, Yao Lan, Liu,Zhigang,et.al. General power transmission line on-line monitoring software system based on wireless public network[C]// Proceedings of the 7th World Congress on Intelligent Control and Automation, United States,Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc, 2008:2777～2782

[3]Yang M S, Zhang Y, Chen R. Study on Wireless Remote Monitoring System Based on GPRS[C]// Proceedings of the 6th International Symposium on Test and Measurement,Dalian, 2005:3839～3900

[4] A raujo H, Costa J, Correia L M. Analysis of a traffic model for GSM/GPRS[C]//IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications San Diego, CA:IEEE Press, 2001:124～128

[5]陳琦,丁天懷,李成,王鵬.基于 GPRS/GSM 的低功耗無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)控終端設(shè)計(jì)[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,49(2):223～225

[6 ]郝記生, 張曦煌. 基于 GPRS網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2008,20(29):5223～5226

[7]林綠洲, 王力超, 陸起涌. 基于GPS與GPRS的公共智能監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2006, 6(6): 561～563

[8]鄢鋒, 桂衛(wèi)華, 胡志坤, 何多昌. 基于Socket的整流裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)工程, 2008, 5(34): 243～245