摘  要： 針對(duì)遠(yuǎn)程復(fù)雜環(huán)境下RTU設(shè)備與SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的通信問題，提出了一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的SCADA系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。簡(jiǎn)要介紹了GPRS、SCADA的基本知識(shí)，描述了GPRS無線傳輸應(yīng)用于SCADA系統(tǒng)的組網(wǎng)方案。
關(guān)鍵詞： GPRS；SCADA；AT91SAM9261；抗分組丟失

　隨著信息技術(shù)、特別是無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息的傳遞以及人與人之間的交流更加方便和快捷。在許多領(lǐng)域的SCADA系統(tǒng)中需要對(duì)大范圍的RTU設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)、及時(shí)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理以及控制指令的下達(dá)，以便及時(shí)掌握和控制現(xiàn)場(chǎng)情況。而這些RTU設(shè)備大多分布范圍廣、數(shù)量多、分布零散、距離遠(yuǎn)且地域復(fù)雜。當(dāng)前SCADA系統(tǒng)使用最廣的有線或短距離無線通信方式，顯然已經(jīng)不能滿足要求?；贕PRS無線網(wǎng)絡(luò)的SCADA系統(tǒng)可以擺脫線纜的束縛，具有安裝周期短、維護(hù)方便、擴(kuò)容能力強(qiáng)、成本回收快等特點(diǎn)。而無線GPRS網(wǎng)絡(luò)所具有的永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi)和傳輸速率高等突出特點(diǎn)，特別適合于SCADA系統(tǒng)這樣間斷、突發(fā)性的或者頻繁、中小流量的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。無線網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)提供商維護(hù)，遵循全球統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議，可跨地域?qū)崿F(xiàn)對(duì)RTU設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制，是SCADA系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。
1 GPRS技術(shù)、SCADA簡(jiǎn)介
　通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service)是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展起來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS充分利用共享無線信道，實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)Internet的無縫連接，采用IP Over PPP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)終端的高速、遠(yuǎn)程接入。GPRS理論上可提供高達(dá)171 kb/s的傳輸速率(實(shí)際應(yīng)用中大約為20~40 kb/s)。無線GPRS網(wǎng)絡(luò)所具有的永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi)、傳輸速率高以及支持X.25 和IP協(xié)議等突出特點(diǎn)，特別適合于SCADA系統(tǒng)這樣間斷、突發(fā)性的或者頻繁、中小流量的數(shù)據(jù)傳輸。
　SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，它可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域(在電力系統(tǒng)以及電氣化鐵道上又稱遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng))。 SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等功能。

2 系統(tǒng)的組網(wǎng)方案
　現(xiàn)場(chǎng)RTU設(shè)備采集到數(shù)據(jù)后，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。而GPRS模塊與監(jiān)控中心的連接總體上有兩種方案：GPRS+Internet連接和GPRS內(nèi)網(wǎng)連接。由于GPRS內(nèi)網(wǎng)連接的組網(wǎng)方式存在著運(yùn)營成本較高等缺點(diǎn)，在本文中采用GPRS+Internet連接的組網(wǎng)方式。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　在該方案中監(jiān)控中心采用Internet接入，其接入方式也有多種形式，只要是能夠獲取公網(wǎng)IP地址即可。這種組網(wǎng)方式較GPRS內(nèi)網(wǎng)連接的組網(wǎng)方式安全級(jí)別低，但是可以通過由移動(dòng)運(yùn)營商經(jīng)VPN隧道連接至監(jiān)控中心的服務(wù)器，這樣可以大大提高系統(tǒng)的安全級(jí)別并且可以減少時(shí)延。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本監(jiān)控中心服務(wù)器采用ADSL的接入方式。由于這種接入方式服務(wù)器的IP地址是隨機(jī)的，而在RTU設(shè)備上配置的是服務(wù)器某一時(shí)刻的IP地址，因此一旦監(jiān)控中心服務(wù)器的IP地址發(fā)生了變化，除非馬上重配置RTU設(shè)備(實(shí)際很難做到)，否則就沒有辦法訪問監(jiān)控中心的服務(wù)器，系統(tǒng)不能工作。針對(duì)這種情況國內(nèi)已提出兩種解決方案——動(dòng)態(tài)域名技術(shù)和端口映射技術(shù)。本文采用的是動(dòng)態(tài)域名的解決方案。所謂動(dòng)態(tài)域名就是當(dāng)主機(jī)的IP地址發(fā)生了變化，此域名(不會(huì)變)就對(duì)應(yīng)這個(gè)變化的IP地址。動(dòng)態(tài)域名技術(shù)的工作原理：為接入Internet的主機(jī)申請(qǐng)一個(gè)動(dòng)態(tài)域名，然后在主機(jī)上安裝一個(gè)軟件，隨時(shí)檢測(cè)主機(jī)的IP變化情況，一旦有變化就訪問域名服務(wù)器，把當(dāng)前IP地址更新到域名服務(wù)器相應(yīng)數(shù)據(jù)庫表單中，這樣對(duì)方只要根據(jù)這個(gè)域名到分布在Internet上的域名服務(wù)器上查找就可知當(dāng)前對(duì)應(yīng)的主機(jī)IP地址。
3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
3.1 終端部分
　RTU設(shè)備在SCADA系統(tǒng)中的主要作用就是實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取、監(jiān)控中心指令執(zhí)行以及數(shù)據(jù)的傳輸。該部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊、控制執(zhí)行模塊、電源管理模塊、微處理器和GPRS模塊等部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要完成現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度、光度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)視場(chǎng)圖片信息等數(shù)據(jù)的采集，并經(jīng)過微處理器處理后經(jīng)由GPRS模塊發(fā)送到系統(tǒng)監(jiān)控中心服務(wù)器?？刂茍?zhí)行模塊主要完成系統(tǒng)監(jiān)控中心發(fā)送的執(zhí)行指令，包括調(diào)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)控現(xiàn)場(chǎng)溫度等操作。電源管理模塊主要是對(duì)RTU設(shè)備各模塊供電，并采用太陽能電池板加蓄電池的設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備在復(fù)雜惡劣環(huán)境下的自生存能力，采用先進(jìn)的電源管理方案，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。GPRS模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)RTU設(shè)備與監(jiān)控中心服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。RTU設(shè)備終端硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.1.1 終端硬件平臺(tái)
　采用Atmel公司的工業(yè)級(jí)ARM9處理器AT91SAM9261，該處理器是以ARM926EJ-S ARM Thumb處理器為核心的完全的片上系統(tǒng)，ARM926EJ-S屬于5TEJ版的ARM架構(gòu)，針對(duì)的是多任務(wù)的應(yīng)用，包括全儲(chǔ)存器管理，高性能、小核心尺寸和低功耗都是其重要的特點(diǎn)。
3.1.2 終端軟件平臺(tái)
　本系統(tǒng)RTU終端軟件采用嵌入式Linux系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)終端各設(shè)備的控制管理及數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)，Linux提供了完成嵌入功能的基本內(nèi)核和所需要的用戶界面，能夠處理嵌入式任務(wù)和用戶界面。Linux作為嵌入式系統(tǒng)，是一個(gè)帶有很多優(yōu)勢(shì)的新成員。Linux對(duì)許多CPU和硬件平臺(tái)具有易移植、穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、易于開發(fā)的功能。嵌入式Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核和文件系統(tǒng)都可配置，系統(tǒng)能夠裁剪到足夠小，以適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行和存儲(chǔ)的空間限制。同時(shí)可通過補(bǔ)丁改進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的軟實(shí)時(shí)性。
3.1.3 終端數(shù)據(jù)采集
　RTU設(shè)備的主要作用就是獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并通過一定的傳輸方式傳送到SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，以供分析與處理。RTU設(shè)備所要獲取的數(shù)據(jù)包括設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀況、環(huán)境狀態(tài)等參數(shù)數(shù)據(jù)以及設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的圖像數(shù)據(jù)信息。由于圖像信息數(shù)據(jù)量大，圖像的處理、傳輸對(duì)硬件環(huán)境的要求相對(duì)較高，目前常用的處理方法有以下兩種：(1)采用高速視頻A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)合專用的同步信號(hào)提取芯片采集，這種方法的電路較為復(fù)雜；(2)使用專用的視頻處理芯片實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化以及行、場(chǎng)同步信號(hào)的提取，然后送入處理器。這種方法的特點(diǎn)是處理器只需對(duì)專用芯片進(jìn)行配置，而不參與采集過程。
　本文中圖像信息的采集是通過USB攝像頭實(shí)現(xiàn)的，因此需要將USB驅(qū)動(dòng)加載到系統(tǒng)內(nèi)核中。由于動(dòng)態(tài)加載方式測(cè)試較為簡(jiǎn)單，該系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)加載方式。系統(tǒng)使用v41實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像采集的控制?？紤]到攝像頭監(jiān)測(cè)的是靜態(tài)圖像的視覺狀況，是緩變信號(hào)，間隔時(shí)間較短的前后兩幅圖像具有很強(qiáng)的相似性，如果直接對(duì)單幅圖像進(jìn)行壓縮就無法利用前面已經(jīng)獲知的信息，壓縮效率低，故在該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中采用對(duì)差值圖像進(jìn)行壓縮的處理方法。系統(tǒng)接收到USB攝像頭拍攝的實(shí)時(shí)圖，首先將其與存儲(chǔ)器中的基準(zhǔn)圖進(jìn)行配準(zhǔn)，然后以像素對(duì)應(yīng)的方式相減；進(jìn)行分塊、DCT量化以及熵變化，并進(jìn)行圖像壓縮。壓縮后的數(shù)據(jù)流按最大256字節(jié)拆分，并將各幀通過GPRS網(wǎng)絡(luò)依次發(fā)送出去。數(shù)據(jù)中心將接收到的圖像數(shù)據(jù)依次經(jīng)過熵解碼、反量化、IDCT變換后恢復(fù)差值圖像，并與基準(zhǔn)圖像進(jìn)行矩陣相加，以恢復(fù)實(shí)時(shí)圖像。
3.1.4 無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)與傳輸控制
　系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸是通過內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議的GPRS模塊實(shí)現(xiàn)的。目前市場(chǎng)上提供的GPRS無線模塊有WAVECOM的Q2403B，西門子的SIEMENS、MC35i、MC39i，摩托羅拉的G20等。本系統(tǒng)選用了西門子的SIEMENS300C。SIEMENS300C是高性能高穩(wěn)定工業(yè)級(jí)的GSM/GPRS無線模塊，適合長期連續(xù)工作，抗干擾能力強(qiáng)。SIEMENS300C是新一代的900 MHz/1 800 MHz雙頻自動(dòng)選擇的無線模塊，內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議棧，無需微處理器的支持即可實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP的數(shù)據(jù)傳輸。其支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng)的AT命令監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)模式，功能強(qiáng)大、操作靈活方便。微處理器可以通過標(biāo)準(zhǔn)串口接口RS232與SIEMENS300C通信。它向用戶提供了標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)傳輸提供了快速、可靠、安全的傳輸通道，方便用戶進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的二次開發(fā)設(shè)計(jì)。
　由于GPRS網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性且基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的IP信道存在著很多的干擾，丟包、不均勻延遲的情況時(shí)有發(fā)生。針對(duì)這一問題本文采用了一種無線傳輸?shù)?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/抗分組丟失" title="抗分組丟失" target="_blank">抗分組丟失算法對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。該算法的基本思想是：在編碼效率η不變的前提下，將長數(shù)據(jù)分成若干短數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行RS編碼，以獲得隨數(shù)據(jù)長度呈線性增長的編解碼時(shí)間，但這樣會(huì)減弱其抗突發(fā)干擾能力，因此，采用交織技術(shù)將行碼序列變換為并碼傳輸，使信道傳輸過程中產(chǎn)生的突發(fā)錯(cuò)誤離散化，以達(dá)到原有RS糾刪編碼的糾刪性能。算法由編碼算法和解碼算法構(gòu)成，數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收過程如圖3、圖4所示。

3.2 監(jiān)控中心
　監(jiān)控中心負(fù)責(zé)接收遠(yuǎn)程監(jiān)控終端傳回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析、處理及儲(chǔ)存，同時(shí)將監(jiān)控中心的指令信息發(fā)送給終端的軟件控制平臺(tái)。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由網(wǎng)關(guān)傳到Internet，然后找到監(jiān)控中心的主機(jī)。監(jiān)控中心是SCADA系統(tǒng)的中樞，是整個(gè)系統(tǒng)可靠高效運(yùn)行的關(guān)鍵。
監(jiān)控中心的軟件設(shè)計(jì)充分考慮了系統(tǒng)功能的完整性和擴(kuò)展性以及系統(tǒng)的可靠性和兼容性。監(jiān)控中心的軟件系統(tǒng)主要由通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web服務(wù)器模塊三部分組成。
　通信服務(wù)器程序采用VS2005進(jìn)行開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程終端的通信以接收RTU終端傳回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)向RTU設(shè)備下達(dá)監(jiān)控中心的控制指令等功能。該部分程序采用Socket編程，實(shí)現(xiàn)與RTU設(shè)備之間的TCP/IP連接以及數(shù)據(jù)的傳輸。同時(shí)嵌入了抗分組丟失算法的程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的控制功能。
數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用SQL 2005進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)RTU設(shè)備傳回?cái)?shù)據(jù)的管理、遠(yuǎn)程RTU設(shè)備的管理、系統(tǒng)管理人員數(shù)據(jù)的管理以及管理員權(quán)限的管理等功能。
　Web服務(wù)器采用ASP架構(gòu)開發(fā)，主要是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的發(fā)布、報(bào)表生成以及數(shù)據(jù)的分析等功能。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，管理人員只需通過瀏覽器登錄Web服務(wù)器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)SCADA系統(tǒng)的管理與維護(hù)，無需安裝客戶端軟件。系統(tǒng)對(duì)管理人員權(quán)限的分級(jí)審查制度確保了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性。
　采用GPRS無線傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟CADA系統(tǒng)，其終端具有安裝部署簡(jiǎn)單、工程建設(shè)周期短、擴(kuò)充性強(qiáng)、可靠性高、傳輸速率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，從而解決了SCADA系統(tǒng)中監(jiān)控點(diǎn)多而且分布范圍廣的監(jiān)控難點(diǎn)。同時(shí)采用嵌入式高性能、低功耗的ARM9微處理器作為遠(yuǎn)程終端設(shè)備的微控制器，能夠更好地利用終端資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的圖像信息采集，給管理人員提供感觀上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的防盜功能。
　無線GPRS網(wǎng)絡(luò)所具有的永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi)、傳輸速率高、支持X.25和IP協(xié)議等突出特點(diǎn)，以及其終端設(shè)備安裝方便、受外界環(huán)境干擾小等優(yōu)點(diǎn)，使得在遠(yuǎn)程復(fù)雜SCADA系統(tǒng)中采用GPRS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸成為一種趨勢(shì)。伴隨著國家數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)的不斷推進(jìn)與成熟，采用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)作為承載網(wǎng)絡(luò)的SCADA系統(tǒng)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用，也必將成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。
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