孫利民，梁江濤，魏 然

(鄭州大學工程力學系，河南 鄭州450001)

0 引言

目前的監(jiān)控系統(tǒng)存在以下問題:

(1)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過有線傳輸將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥?，導致系統(tǒng)成本增加.在一些惡劣的自然環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集時，根本沒有辦法在作業(yè)現(xiàn)場布置有線網(wǎng)絡，所以傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集受現(xiàn)場環(huán)境限制約;

(2)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)信號在傳送過程中會衰減、失真，甚至混入干擾信號，從而產(chǎn)生誤差，不便于長距離傳輸;

(3)目前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般要人工長時間值守，在一定程度上造成了人力資源的浪費.

GPRS受GSM網(wǎng)絡信號質(zhì)量的影響，在傳輸數(shù)據(jù)的過程中存在一定的延時.若采用這種方式同時進行多個點的數(shù)據(jù)采集時，各個采集點接受采集命令的時間有誤差，因此無法完成多個采集點的數(shù)據(jù)同步采集.

ZigBee網(wǎng)絡成本低、可靠性好、時延短、網(wǎng)絡容量大、覆蓋范圍廣、安全性高.ZigBee網(wǎng)絡組網(wǎng)方便，其網(wǎng)絡信號質(zhì)量基本不受外界影響，當其向各個ZigBee終端發(fā)送采集命令時，各個終端能同時收到采集命令，從而實現(xiàn)多采集點的同步數(shù)據(jù)采集［1］.

GSM網(wǎng)絡中的GPRS傳輸與ZigBee網(wǎng)絡的結(jié)合，既實現(xiàn)了遠距離無線數(shù)據(jù)傳輸，又解決了多采集點的同步數(shù)據(jù)采集問題.基于以上考慮，筆者開發(fā)了一種全新的基于GPRS的遠程分散多點監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)框架圖Fig.1 System diagram

1 數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端負責各個檢測點的數(shù)據(jù)采集.通過傳感器不斷地進行數(shù)據(jù)采集，并將采集的信息存儲在存儲模塊，以備遠程服務器查詢以往的設備狀態(tài).當采集終端收到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心的Zig-Bee模塊(FFD)發(fā)來的查詢命令時，MCU可將遠程服務器所要查詢的信息，通過 ZigBee模塊(RFD)在ZigBee網(wǎng)絡中將采集的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心.另外，數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)預處理主要對數(shù)據(jù)進行初步判斷，當遇到系統(tǒng)設定的敏感數(shù)據(jù)時，將會向數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心發(fā)出危險信息，請求將此刻各點的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至遠程服務器.采集終端框架圖如圖2所示.

圖2 采集終端框架圖Fig.2 Data capture terminal diagram

ZigBee是一種低成本、低功耗，可靠高效的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)，在2.4 GHz和868/928 MHz頻率段工作，能抵抗現(xiàn)場的各種電磁干擾，主要適合用于工業(yè)的自動控制和遠程控制領(lǐng)域.

在ZigBee無線網(wǎng)絡中主要有兩個設備:Zig-Bee全功能設備(FFD)與 ZigBee精簡設備(RFD).RFD設備占用資源少、存儲容量小、成本較低、功能簡單.RFD只能與FFD進行通信，而不能和網(wǎng)絡中的其它RFD進行直接通信.

ZigBee網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)主要為:星形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和混合網(wǎng).

根據(jù)本系統(tǒng)的需求，筆者采用星形網(wǎng)絡.星形網(wǎng)絡是一個輻射狀的結(jié)構(gòu)，所有設備都與中心設備進行通信，終端設備之間的通信也要通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā).在各個采集終端使用RFD設備用于采集節(jié)點數(shù)據(jù)信息，并將信息匯總至FFD.FFD設備作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器放置于數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心，主要完成網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能.本系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡，采集終端采用RFD設備，負責將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器.在各個檢測點只需要一個微型的采集終端，不僅簡化了檢測點的設備，還降低了系統(tǒng)的成本.數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心的FFD設備作為星形網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，由于ZigBee的短時延特性，能夠同時采集各點在同一時刻的性能狀態(tài)，保證了分散多點監(jiān)控的實時性［2］.

2 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心主要負責接收來自遠程服務器的采集命令，數(shù)據(jù)采集完畢后將采集到的數(shù)據(jù)傳送至遠程服務器.數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心不僅要負責GPRS模塊與遠程服務器的遠程通信，還要負責完成ZigBee模塊(FFD)與ZigBee模塊(RFD)之間的通信.數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心框架圖如圖3所示.

圖3 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心框架圖Fig.3 Data transfer nodes diagram

在本結(jié)點中主要部件為GPRS模塊和ZigBee模塊(FFD).GPRS通用無線分組業(yè)務，是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一種無線分組交換技術(shù)，利用GSM系統(tǒng)中未使用的TDMA信道，提供數(shù)據(jù)傳遞.它其實是疊加在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡的另一網(wǎng)絡.GPRS支持TCP/IP協(xié)議，可以與Internet網(wǎng)絡直接互連.由于GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡的升級，可充分利用全國范圍的電信網(wǎng)絡，因此GPRS網(wǎng)絡覆蓋范圍廣泛，用戶可以隨時隨地方便、快速地使用GPRS業(yè)務進行遠程網(wǎng)絡接入［3，4］.

GPRS無線傳輸系統(tǒng)采用的是服務器/客戶模式.在圖4中可以看出GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)的過程:首先由GPRS終端將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行處理，然后將處理后的分組數(shù)據(jù)發(fā)送到GSM基站，分組數(shù)據(jù)在GSM基站經(jīng)SGSN(GPRS服務支持節(jié)點)封裝，封裝后通過GPRS骨干網(wǎng)和GGSN(網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點)連通，GGSN對得到的分組數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換為Internet網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，再發(fā)送到Internet網(wǎng)絡.信息到達Internet網(wǎng)絡的網(wǎng)關(guān)后進行域名解析，端口映射選擇所提供服務的遠程服務器，服務器成功與GPRS終端建立通信鏈路.

圖4 網(wǎng)絡實現(xiàn)原理圖Fig.4 Network diagram

該結(jié)點的 GPRS模塊采用了 MC55模塊.MC55模塊是Siemens公司生產(chǎn)的GPRS/GSM三頻(GSM 900 MHz，GSM 1 800 MHz，GSM 1 900 MHz)無線通訊模塊.MC55集成了高性能GSM/GPRS基帶處理，完整的無線頻率電路.MC55將GPRS管理軟件存儲于內(nèi)置的靜態(tài)RAM中.自帶TCP/IP協(xié)議棧，用AT指令可以方便地驅(qū)動連接Internet的TCP/IP協(xié)議棧，簡化了GPRS到Internet的連接，不用再自己定義TCP/IP協(xié)議棧.

在本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心在接通電源后，向MC55模塊發(fā)送AT指令，請求與遠程服務器進行連接，通信鏈路接通以后一直處于在線狀態(tài)隨時等候遠程服務器的命令.當收到遠程服務器傳來的采集指令后，MCU控制ZigBee模塊(FFD)完成與ZigBee網(wǎng)絡中的采集終端的通信，最后把處理結(jié)果返回遠程服務器;在沒有收到遠程服務器命令的時候，通過ZigBee網(wǎng)絡定時地采集各檢測點的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)某個檢測點發(fā)生異常，則立即與遠程服務器通信，將檢測點的異常數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程服務器，從而完成本系統(tǒng)的報警功能，減少了遠程監(jiān)控端的人員值守時間.

3 遠程服務器

遠程服務器主要作用是發(fā)送及接收來自數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心的命令及數(shù)據(jù).遠程服務器在啟動服務端程序后，開始等待GPRS終端的連接請求，在接收到服務請求后，要激活一個新的線程來處理這個GPRS終端請求.服務完成后，關(guān)閉此新進程與GPRS終端的通信鏈路，此時即完成一次GPRS通信［5］.

Winsock是Windows系統(tǒng)下開放的、支持多種協(xié)議的網(wǎng)絡編程接口.Winsock規(guī)范定義并記錄了如何使用API與Internet協(xié)議連接.應用程序主要是靠對Winsock層的API函數(shù)調(diào)用，實現(xiàn)通信功能［6］，其原理如圖5所示.

圖5 Winsock層的API函數(shù)調(diào)用Fig.5 Winsock method

遠程服務器端應用程序開啟，進行初始化處理，創(chuàng)建套接字，將本地IP和端口與套接字相連.此時開始提供鏈接給數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心，并一直監(jiān)聽數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心的連接請求，當收到連接請求后分配進程接收來自數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心的數(shù)據(jù).接收完數(shù)據(jù)后關(guān)閉連接，進行本地的數(shù)據(jù)處理，在遠程振動測試的實驗中，即將接收的數(shù)據(jù)進行數(shù)字抗混濾波、加窗和FFT(快速傅立葉變換)，得到振動信號的頻譜，進行信號的頻域分析［7］.

4 結(jié)論

該系統(tǒng)已完成試驗現(xiàn)場對距離系統(tǒng)中數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心100 m范圍內(nèi)的大型結(jié)構(gòu)的遠程振動監(jiān)控.驗證了該系統(tǒng)的成功應用.只要更改采集終端的傳感器類型，就能完成對多種設備的各類遠程監(jiān)控.

筆者所論述的監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好的實現(xiàn)對遠程的分散多點監(jiān)控點進行監(jiān)控，不受環(huán)境、距離等因素的影響，不僅節(jié)約了遠程監(jiān)控的成本;還節(jié)省了人力資源，不用時刻有人值守;同時也解決了分散多點監(jiān)控的實時性.

由于考慮到該系統(tǒng)的網(wǎng)絡費用問題，采用了GPRS網(wǎng)絡傳輸.隨著3G網(wǎng)絡的普及，3G網(wǎng)絡費用的降低.可以把本系統(tǒng)中的GPRS模塊換成3G模塊［8］.就會解決GPRS網(wǎng)絡的傳輸速度慢的問題.

［1］孫彩云，李世中，李麗麗，等.基于ZigBee技術(shù)的設備監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］.水電能源科學，2010，28(11):125-127.

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［3］張偉，王宏剛，程培溫.基于GPRS的智能路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.計算機測量與控制，2010，18(9):2014-2016.

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［5］陳余華，劉電霆.基于Internet遠程控制仿真系統(tǒng)的研究［J］.微計算機信息，2010，26(12):218-220.

［6］張宏林主編.Visual C++6.0程序設計與開發(fā)技術(shù)大全［M］.北京:人民郵電出版社，2004.503～504.

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［8］郭佳，慕春棣.基于3G網(wǎng)絡的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］.微計算機信息，2011，27(3):137-139.