孫晉豪，李國洪

(北華航天工業(yè)學院電子工程系，河北廊坊065000)

目前，對于管道的安全預警方法，國內基本上還停留在飛機和人工巡線階段。國內外的SCADA 監(jiān)控軟件非常豐富，而且功能很強大，但是大多數(shù)價格高昂，底層不公開，需要專門維護，不易于低成本應用，也不利于推廣。因此開發(fā)出一套成本低廉、防護有效的管道安全預警系統(tǒng)勢在必行。本項目立足成熟的數(shù)據(jù)傳輸技術，借助于已有的網(wǎng)絡技術平臺，針對特定有警信息和有限功能開發(fā)的VB 語言監(jiān)控軟件具有代碼簡單，易維護，界面簡潔，專業(yè)定制等特點［1-2］。

1 管網(wǎng)安全預警系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)拓撲

管網(wǎng)安全預警系統(tǒng)由大量沿管道預埋布設的帶有GSM 無線傳輸方式的檢測節(jié)點模塊和帶有GSM 模塊的計算機監(jiān)控中心兩部分組成。檢測節(jié)點主要由緊貼管道壁的加速度傳感器、處理器、GSM 模塊、高能蓄電池組成;計算機監(jiān)控中心由VB 編寫的監(jiān)測報警軟件和通過RS232 接口連接到計算機的GSM 模塊構成。GSM系統(tǒng)(Global System for Mobile communication)是目前基于時分多址技術的移動通訊體制中比較成熟、完善，應用最廣泛的一種系統(tǒng)［3-4］。管網(wǎng)安全預警系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1.2 監(jiān)控軟件功能設計

監(jiān)控軟件由VB 語言編寫，實現(xiàn)了對布設在管道沿線的帶有GSM 無線傳送方式的檢測模塊的信息采集，具有模塊定位、歷史查詢、聲光報警、節(jié)點增減、短信報警等功能。監(jiān)控軟件功能示意圖如圖2。具體功能有如下幾點:

1)接受檢測節(jié)點的報警信息并對監(jiān)控室人員發(fā)出聲光警報。當管道有觸警事件發(fā)生時，通過加速度傳感器將信息傳給有單片機控制的采集模塊，經(jīng)由DSP組成的分析模塊作出判斷，是否虛假報警，如果屬實發(fā)給監(jiān)控中心報警，若屬虛警，拋棄。

圖1 管網(wǎng)安全預警系統(tǒng)示意圖

2)顯示有警終端的具體位置，帶有圖片電子地圖。

3)設定報警手機分組。當監(jiān)控室人員知道有警報后，選擇轉發(fā)報警人員手機，并能對報警人員的信息進行編輯。

4)終端狀態(tài)的監(jiān)控。

5)報警日志的查詢。

6)報警級別的設定。

7)統(tǒng)計終端報警信息。

8)終端的加入和移除。

圖2 監(jiān)測軟件功能示意圖

2 GSM 模塊接口通信設計

2.1 串行通信

采用西門子公司的TC35 模塊，該模塊支持RS232串口九針串口通信方式。采用VB6.0 編寫程序，采用MSComm 控件實現(xiàn)串行通信，MSComm 控件的詳細配置和內容參見文獻［5-6］，項目設計對MSComm 控件的配置如圖3。訪問TC35 模塊主要靠AT 指令，詳細AT 指令參考文獻［5］。下位機檢測節(jié)點使用UART與GSM 模塊通訊。

圖3 MSComm 控件的配置

2.2 GSM 模塊訪問方法

TC35T/TC35iT 是西門子公司的一個便捷的即插即用解決方案。作為一個終端產(chǎn)品它內置了TC35 無線模塊，集成了標準的RS232 接口以及SIM 卡，可以在PC機上用AT 命令通過串口對它進行設置。這使它成為在聲音和數(shù)據(jù)通訊上通用的一個GSM 雙頻終端產(chǎn)品，可以快速地應用到產(chǎn)品開發(fā)上，同時也可以作為產(chǎn)品的一個組成部分和產(chǎn)品結合在一起。在遠程通訊和現(xiàn)場監(jiān)控等諸多無線通訊領域TC35T 將會給工作帶來極大的便利。TC35 支持EGSM900 和GSM1800 雙頻;支持數(shù)字、語音、短消息和傳真;采用電路交換最高速率為14.4kbps;支持電壓范圍:8 ～30V，低功耗;采用工業(yè)接口;標準協(xié)議的認證采用GSM Phase2/2 +標準;體積:65mm×74mm×33mm。

監(jiān)控軟件同下游檢測節(jié)點的交互通過AT 命令實現(xiàn)對GSM 模塊的基本操作，上位機監(jiān)控軟件和下游檢測節(jié)點有約定好的協(xié)議，用于發(fā)送短信的AT 命令，如表1所示［1］。具體協(xié)議、短信讀取、刪除可參見下面程序:

在實際的編程中為了方便，用十六進制分析下面例程，也更偏于底層檢測節(jié)點與TC35 的通信程序設計:

表1 發(fā)送短信使用的AT 命令

發(fā)送短信可用文本模式和協(xié)議數(shù)據(jù)單元模式(PDU，protocol data unit)。大多手機不支持文本模式，只支持PDU 模式。PDU 模式是把短信正文經(jīng)十六進制編碼后再傳送，其編碼總體上分為三個部分:服務中心號、接收方手機號、短信內容，如“你好”短信PDU 編碼是這樣的(其中xyz 是手機號具體數(shù)字):

0011000B8131258698 yxFz000801044F60597D，其意義如表2所示。

3 電子地圖設計

使用二維BMP 圖片，將本區(qū)域管道的大致走向標出。同時使用ACCESSS 數(shù)據(jù)庫，將所有檢測點的具體位置和編號保存在數(shù)據(jù)庫當中，上位機從串口中讀取報警模塊的編號和控制字，然后與數(shù)據(jù)庫進行對比，進而知道報警檢測模塊的具體位置和報警類別。

表2 發(fā)送數(shù)據(jù)分析

4 程序模塊和數(shù)據(jù)庫

監(jiān)控軟件的設計分為六個子窗口、一個母窗口和一個全局變量。無論收到數(shù)據(jù)還是發(fā)送指令都要用到串型端口，在監(jiān)控軟件設計方案中就是MSComm 控件。數(shù)據(jù)庫(名稱為db1)主要由data，renyuan，state，zhongduan 四個文件構成。

系統(tǒng)連接測試模塊(Form1testing)主要完成串口的工作狀態(tài)或是否占用，測試GSM 模塊是否異常，TC35 模塊內存的初始化等功能，使用AT 指令很容易實現(xiàn)。

報警人員信息模塊(Form2setalarmtel)主要完成收警人員的信息錄入和刪除，使用ADO 控件實現(xiàn)和ACCESS 數(shù)據(jù)的連接，使用DATAGRID 控件完成人員信息的顯示。

無人值守模塊(Form3auto)實現(xiàn)自動監(jiān)測報警信息，并進行聲光報警，然后轉發(fā)有警信息給相關人員。程序流程圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)請求模塊(Form4dataask)實現(xiàn)對網(wǎng)絡下游節(jié)點的訪問請求，查看檢測節(jié)點是否故障。

終端設備模塊(Form5terminal)實現(xiàn)對下游節(jié)點信息的增加和刪除。使用的控件有CommandButton，Adodc，DataGrid，TextBox，Label。

圖4 自動監(jiān)測模塊流程圖

報警歷史查詢模塊(Form6see)實現(xiàn)對報警信息歷史的查詢，使用的控件有:CommandButton，Adodc，DataGrid。

開機環(huán)境模塊(MDIForm1)即母窗口實現(xiàn)功能選擇，界面切換，時間和日期等。

5 試驗及總結

5.1 軟件可行性試驗

在沿管道布設的檢測節(jié)點軟件內部我們可以設置預警信號的頻率范圍。檢測節(jié)點主要由緊貼管道壁的加速度傳感器、處理器、GSM 模塊、高能蓄電池組成。信號處理算法位于下位機節(jié)點的處理器當中。測試節(jié)點布局圖如圖5。

圖5 節(jié)點布局圖

敲擊測點1，測量點為0 點，觀察不到敲擊后的信號。原因分析:①傳感器安裝點距離泵房墻根僅有2 m，現(xiàn)場有很大的噪音干擾。泵房內輸油泵及電機的振動幅值遠大于經(jīng)過數(shù)百米衰減之后敲擊激勵信號的幅值，激勵信號被完全淹沒，故在時域信號中無明顯響應;②錘擊點和測量點不在一條直線上，信號不是直線傳輸，彎曲傳輸影響到信號的衰減。上位機監(jiān)控軟件不涉及信號處理算法，這里我們只關心時域部分所給信號的頻率，現(xiàn)場幅值由于外界環(huán)境和傳輸介質，我們不作為判斷依據(jù)。我們選擇了100M ～900M 的敲擊頻率。同時考慮地脈動信號圖譜。對于地脈動信號系統(tǒng)有很好的過濾性能。同時對100M ～900M 報警準確。

5.2 方案總結

本方案設計的基于GSM 無線管網(wǎng)的安全預警系統(tǒng)，克服了大量其它無線傳輸方式傳感器節(jié)點組網(wǎng)路由優(yōu)化的要求，又克服了采用其它無線方式和混合方式協(xié)議復雜且無線拓撲結構復雜等缺點。同時，無人值守監(jiān)控界面簡單直觀，帶有聲光報警和短信通知報警，達到了良好的效果，但是多傳感節(jié)點信息融合、信息的智能判斷和局部網(wǎng)絡最大容量問題需繼續(xù)研究。

［1］求是科技.Visual Basic 串口通信工程開發(fā)實例導航［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［2］董紅政.基于MSComm 控件實現(xiàn)串行通信的方法［J］.微計算機信息，2007，9(23):145-147.

［3］李煌.基于VB 的自動化測試系統(tǒng)的研究與設計［J］.計算機應用，2007，12(27):239-241.

［4］盧超.分布式礦井溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計［J］.煤炭科學技術，2007，12(35):51-54.

［5］AT Command Set Siemens cellular engines version 2.10［S］.Siemens AG，2001.