隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)設(shè)備由就地分散的局部自動控制逐漸向綜合自動化體系發(fā)展，而一般工業(yè)控制系統(tǒng)地域跨越性較大, 相當(dāng)一部分設(shè)備工作在戶外，一些作業(yè)點分散，環(huán)境惡劣，因此需要無人職守遠(yuǎn)傳控制，對各種設(shè)備的運行狀態(tài)、溫度、壓力、流量等指標(biāo)做到實時監(jiān)控。隨著無線技術(shù)的日益發(fā)展，其安裝方便、靈活性強(qiáng)、性價比高等特性使得更多行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)采用無線監(jiān)控方式，建立被監(jiān)控點和監(jiān)控中心之間的連接。目前，主要的無線監(jiān)控方案有[1]：(1)基于衛(wèi)星通信；(2)通過架設(shè)微波設(shè)備；(3)基于無線局域網(wǎng)；(4)借助移動公網(wǎng)傳輸。
    其中基于衛(wèi)星通信、架設(shè)微波設(shè)備、無線局域網(wǎng)的監(jiān)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(dá)到更好的監(jiān)控狀態(tài)就需要中繼設(shè)備、增益天線等，設(shè)備架設(shè)費用高。這些傳統(tǒng)方式存在覆蓋范圍、實時性、投資及運行費用等問題，同時對工控設(shè)備的無人值守運行存在較大困難。
    借助移動公網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控方式充分利用現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)都由運營商承擔(dān)，運營費用低，且覆蓋面廣、傳輸速率高，大幅節(jié)省了人力物力，提高了工業(yè)控制的自動化水平。
1 系統(tǒng)技術(shù)方案
    基于3G無線網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng),將現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)以流量方式實時傳送到手機(jī),并將控制命令下發(fā)到現(xiàn)場設(shè)備。本系統(tǒng)使用便攜手機(jī)替代計算機(jī)作為監(jiān)控終端，無論身在何處，都可以實時監(jiān)測和管理工業(yè)現(xiàn)場。
    系統(tǒng)框圖如圖1所示，MCU將工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)采集上來，經(jīng)過相應(yīng)處理后送到3G無線通信模塊，再通過3G無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)以UDP/TCP包形式發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，并將數(shù)據(jù)中心下傳的UDP/TCP包轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)傳至終端設(shè)備。手機(jī)端監(jiān)控軟件通過發(fā)送HTTP請求和數(shù)據(jù)中心建立連接通路，獲取實時數(shù)據(jù)，并向數(shù)據(jù)中心發(fā)送控制信息。

    3G模塊與單片機(jī)間通過標(biāo)準(zhǔn)的RS232/485接口通信，支持AT命令，可設(shè)置工作方式和數(shù)據(jù)傳輸方式(UDP/TCP）,手機(jī)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(jī)都支持Socket通信，但都支持HTTP協(xié)議，所以在本系統(tǒng)中手機(jī)與服務(wù)器之間采用HTTP通信方式來傳輸數(shù)據(jù)。
    手機(jī)端采用多線程工作方式，將接收到的數(shù)據(jù)處理之后以數(shù)據(jù)或圖像的方式清晰呈現(xiàn)給監(jiān)控人員，人機(jī)界面友好，同時監(jiān)控人員簡單的操作按鍵就可將控制命令傳回服務(wù)器，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)測和管理。提供用戶權(quán)限認(rèn)證，只有通過驗證才開放控制管理功能。用戶可在手機(jī)上直接對監(jiān)測參數(shù)及其范圍進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)值超出設(shè)定的正常范圍時，產(chǎn)生報警。如果用戶未啟動手機(jī)端監(jiān)控軟件，現(xiàn)場設(shè)備發(fā)生異常時，監(jiān)控前端設(shè)備也會主動向指定手機(jī)發(fā)送報警信息。
2 硬件設(shè)計
　用戶終端設(shè)備通過串口或無線方式連接到GPRS數(shù)據(jù)終端上，然后將數(shù)據(jù)打成IP包，再通過GPRS空中接口接入到GPRS網(wǎng)絡(luò)，最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心。
　本系統(tǒng)的終端設(shè)備硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，以單片機(jī)為主處理芯片，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送以及遠(yuǎn)程控制命令的接收。

　采集到的模擬參數(shù)經(jīng)過信號調(diào)理單元處理后(放大、濾波等)送入A/D轉(zhuǎn)換器，最后送入單片機(jī)。通過單片機(jī)擴(kuò)展存儲器的TCP/IP協(xié)議棧打包處理，再由GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用的GPRS通信模塊集成了標(biāo)準(zhǔn)的SIM接口，提供標(biāo)準(zhǔn)的 RS232/485/422接口，可與多種終端無縫連接，為用戶提供簡便實用的GPRS通信解決方案。
3 軟件設(shè)計
3.1 設(shè)備端軟件設(shè)計
      數(shù)據(jù)傳輸過程如下：(1)GPRS模塊通過串行接口從單片機(jī)獲得上傳數(shù)據(jù)；(2)處理后以GPRS分組數(shù)據(jù)的形式發(fā)送到GSM基站(BTS)；(3)分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后，發(fā)送到GPRS IP骨干網(wǎng)； (4)若分組數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)(如Internet),則將分組數(shù)據(jù)包經(jīng)GGSN進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，再發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)，送達(dá)監(jiān)控中心。
    GPRS模塊與單片機(jī)間通過串口進(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(jī)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(shè)置。主要的設(shè)置工作有：設(shè)置通信波特率、接入網(wǎng)關(guān)、移動終端的類別、測試GPRS服務(wù)是否開通等。
    GPRS模塊可以通過撥號登錄到GGSN(網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點)上動態(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點對點協(xié)議，模塊向網(wǎng)關(guān)發(fā)送PPP報文都會傳送到Internet網(wǎng)中相應(yīng)的地址，而從Internet傳送過來的應(yīng)答幀也同樣會根據(jù)IP地址傳送到GPRS模塊,從而實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和Internet網(wǎng)絡(luò)通過GPRS模塊的透明傳輸。
    要注意的是，GSM網(wǎng)絡(luò)無靜態(tài)IP地址，故其他通信設(shè)備不能向它提出建立連接請求，服務(wù)器必須擁有一個固定的IP，以便監(jiān)測終端可以在登錄GSM網(wǎng)絡(luò)后通過該IP找到服務(wù)器。
　GPRS模塊登錄上GSM網(wǎng)絡(luò)后，自動連接到數(shù)據(jù)中心，向數(shù)據(jù)中心報告其IP地址，并保持和維護(hù)數(shù)據(jù)鏈路的連接。GPRS監(jiān)測鏈路的連接情況，一旦發(fā)生異常，GPRS模塊自動重新建立鏈路，數(shù)據(jù)中心和GPRS模塊之間就可以通過IP地址通過UDP/TCP協(xié)議進(jìn)行雙向通信，實現(xiàn)透明的可靠數(shù)據(jù)傳輸。
3.2 服務(wù)器軟件設(shè)計
    服務(wù)器接收GPRS模塊傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應(yīng)的處理后存入數(shù)據(jù)庫，供客戶端提取數(shù)據(jù)的同時備份以便查詢。
    手機(jī)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(jī)都支持Socket通信，但都支持HTTP協(xié)議，所以在本系統(tǒng)中手機(jī)與服務(wù)器之間采用HTTP通信方式來傳輸數(shù)據(jù)。在服務(wù)器Servlet中采用輸出流的方式向請求端發(fā)送數(shù)據(jù)。Servlet具有獨立于平臺和協(xié)議的特性,它擔(dān)當(dāng)客戶請求與服務(wù)器響應(yīng)的中間層。
    在傳統(tǒng)的CGI中，每個請求都要啟動一個新的進(jìn)程，如果CGI程序本身的執(zhí)行時間較短，則啟動進(jìn)程所需要的開銷很可能反而超過實際執(zhí)行時間。而在Servlet中，每個請求由一個輕量級的Java線程處理。在性能優(yōu)化方面，Servlet也比CGI有著更多的選擇。因此與傳統(tǒng)的CGI和許多其他類似CGI的技術(shù)相比，Java Servlet具有更高的效率，更容易使用，功能更強(qiáng)大，具有更好的可移植性，更節(jié)省投資。
    Servlet是位于Web 服務(wù)器內(nèi)部的服務(wù)器端的Java應(yīng)用程序，與傳統(tǒng)的從命令行啟動的Java應(yīng)用程序不同，Servlet由Web服務(wù)器進(jìn)行加載，該Web服務(wù)器必須包含支持Servlet的Java虛擬機(jī)。系統(tǒng)選用免費的開源Web 應(yīng)用服務(wù)器Tomcat，運行時占用的系統(tǒng)資源少，擴(kuò)展性好，支持負(fù)載平衡與郵件服務(wù)等開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)常用的功能，把Servlet部署到Tomcat，在服務(wù)器端運行Tomcat，即可監(jiān)聽客戶端請求。
3.3 手機(jī)端軟件設(shè)計
    手機(jī)端采用多線程方式，提高效率。一方面啟動線程通過HTTP協(xié)議訪問服務(wù)器，獲得實時數(shù)據(jù)。另一方面啟動新的線程將接收到的數(shù)據(jù)處理之后以數(shù)據(jù)或圖形的方式清晰地呈現(xiàn)給監(jiān)控人員，同時將監(jiān)控人員給下位機(jī)下發(fā)的命令返回到服務(wù)器，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)測和管理。
      手機(jī)端軟件流程圖如圖3所示。當(dāng)用戶啟動監(jiān)控軟件時，軟件通過向服務(wù)器發(fā)送HTTP請求獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，這需要短暫的等待，故顯示等待界面如連網(wǎng)進(jìn)度條以防止用戶誤以為是死機(jī)現(xiàn)象。獲取數(shù)據(jù)后，經(jīng)過一定的處理，保存數(shù)據(jù)以便追溯分析，同時顯示數(shù)據(jù)并繪制實時曲線。如果數(shù)據(jù)超出報警設(shè)置范圍，則產(chǎn)生報警。當(dāng)監(jiān)聽到有用戶按鍵時，判斷按鍵類型，若為退出，則直接退出程序；若為設(shè)置或控制命令，則設(shè)置有用戶權(quán)限，要求用戶登錄。當(dāng)用戶輸入信息正確時，顯示相應(yīng)的設(shè)置或控制界面，開放設(shè)置和控制功能，以后再次操作無需再登錄；當(dāng)用戶信息錯誤時，給出提示并可再次輸入，當(dāng)錯誤次數(shù)達(dá)到三次時，返回主界面并關(guān)閉登錄功能。

    用戶對參數(shù)報警門限、時長以及曲線顯示范圍等進(jìn)行設(shè)置時，當(dāng)用戶按下確定按鍵，若輸入錯誤則提示更改，正確則保存用戶數(shù)據(jù)，自動返回上一界面并刷新。
    用戶通過手機(jī)控制現(xiàn)場設(shè)備時，系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的控制項目，發(fā)送命令到服務(wù)器，再由服務(wù)器下發(fā)到現(xiàn)場設(shè)備。當(dāng)命令成功發(fā)送到服務(wù)器時，提示用戶發(fā)送成功，否則發(fā)送失敗，設(shè)備端設(shè)置狀態(tài)反饋，當(dāng)接收到控制命令時，響應(yīng)命令并反饋。
    系統(tǒng)采用文件形式保存從服務(wù)器端取來的實時數(shù)據(jù)，可編輯，可方便地從手機(jī)上或連接到電腦上查看分析數(shù)據(jù)。對于用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)則采用記錄管理系統(tǒng)RMS(Record Management System)，它是J2ME應(yīng)用程序進(jìn)行持久性存儲的唯一途徑，RMS類似于一個小型數(shù)據(jù)庫，Record Store相當(dāng)于數(shù)據(jù)庫的表，每個“表”由若干記錄(Record)構(gòu)成，一條記錄就是一個用int表示的記錄號和用byte[]表示的內(nèi)容。記錄號可以看作是“主鍵”，byte[]數(shù)組存儲內(nèi)容?？梢詫τ涗涍M(jìn)行添加、修改、讀取和刪除等操作。
    概括起來，本系統(tǒng)具有以下特點：
　　(1)安裝簡單：網(wǎng)絡(luò)架設(shè)方便，無需進(jìn)行拉線，埋線等工作；
　　(2)永遠(yuǎn)在線：鏈路穩(wěn)定可靠，即使沒有數(shù)據(jù)傳輸，仍然與網(wǎng)絡(luò)保持連接；
　　(3)快速登錄：接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接；
　　(4)高速傳輸：數(shù)據(jù)傳輸速率上行128 Kb/s，下行最大可達(dá)2.8 Mb/s；
　　(5)按量收費：3G移動網(wǎng)絡(luò)按照客戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費用,沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時,客戶即使在線,也不收費。

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