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(dòng)控制逐漸向綜合自動(dòng)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(hù)外，一些作業(yè)點(diǎn)分散，環(huán)境惡劣，因此需要無(wú)人職守遠(yuǎn)傳控制，對(duì)各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、溫度、壓力、流量等指標(biāo)做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著無(wú)線技術(shù)的日益發(fā)展，其安裝方便、靈活性強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高等特性使得更多行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)采用無(wú)線監(jiān)控方式，建立被監(jiān)控點(diǎn)和監(jiān)控中心之間的連接。目前，主要的無(wú)線監(jiān)控方案有[1]：(1)基于衛(wèi)星通信；(2)通過(guò)架設(shè)微波設(shè)備；(3)基于無(wú)線局域網(wǎng)；(4)借助移動(dòng)公網(wǎng)傳輸。
    其中基于衛(wèi)星通信、架設(shè)微波設(shè)備、無(wú)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(fèi)用高。這些傳統(tǒng)方式存在覆蓋范圍、實(shí)時(shí)性、投資及運(yùn)行費(fèi)用等問(wèn)題，同時(shí)對(duì)工控設(shè)備的無(wú)人值守運(yùn)行存在較大困難。
    借助移動(dòng)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)都由運(yùn)營(yíng)商承擔(dān)，運(yùn)營(yíng)費(fèi)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(dòng)化水平。
1 系統(tǒng)技術(shù)方案
    基于3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng),將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)以流量方式實(shí)時(shí)傳送到手機(jī),并將控制命令下發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。本系統(tǒng)使用便攜手機(jī)替代計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控終端，無(wú)論身在何處，都可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。
    系統(tǒng)框圖如圖1所示，MCU將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集上來(lái)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理后送到3G無(wú)線通信模塊，再通過(guò)3G無(wú)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(guò)發(fā)送HTTP請(qǐng)求和數(shù)據(jù)中心建立連接通路，獲取實(shí)時(shí)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(guò)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(lái)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(shí)監(jiān)控人員簡(jiǎn)單的操作按鍵就可將控制命令傳回服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和管理。提供用戶(hù)權(quán)限認(rèn)證，只有通過(guò)驗(yàn)證才開(kāi)放控制管理功能。用戶(hù)可在手機(jī)上直接對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)及其范圍進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)值超出設(shè)定的正常范圍時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警。如果用戶(hù)未啟動(dòng)手機(jī)端監(jiān)控軟件，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)生異常時(shí)，監(jiān)控前端設(shè)備也會(huì)主動(dòng)向指定手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。
2 硬件設(shè)計(jì)
　用戶(hù)終端設(shè)備通過(guò)串口或無(wú)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(guò)GPRS空中接口接入到GPRS網(wǎng)絡(luò)，最終通過(guò)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(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，以單片機(jī)為主處理芯片，實(shí)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(guò)信號(hào)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(guò)單片機(jī)擴(kuò)展存儲(chǔ)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(wú)縫連接，為用戶(hù)提供簡(jiǎn)便實(shí)用的GPRS通信解決方案。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)備端軟件設(shè)計(jì)
      數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如下：(1)GPRS模塊通過(guò)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(guò)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(hào)。硬件連接完成后，在進(jìn)行GPRS上網(wǎng)操作之前，首先要對(duì)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(dòng)終端的類(lèi)別、測(cè)試GPRS服務(wù)是否開(kāi)通等。
    GPRS模塊可以通過(guò)撥號(hào)登錄到GGSN(網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn))上動(dòng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議，模塊向網(wǎng)關(guān)發(fā)送PPP報(bào)文都會(huì)傳送到Internet網(wǎng)中相應(yīng)的地址，而從Internet傳送過(guò)來(lái)的應(yīng)答幀也同樣會(huì)根據(jù)IP地址傳送到GPRS模塊,從而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和Internet網(wǎng)絡(luò)通過(guò)GPRS模塊的透明傳輸。
    要注意的是，GSM網(wǎng)絡(luò)無(wú)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(qǐng)求，服務(wù)器必須擁有一個(gè)固定的IP，以便監(jiān)測(cè)終端可以在登錄GSM網(wǎng)絡(luò)后通過(guò)該IP找到服務(wù)器。
　GPRS模塊登錄上GSM網(wǎng)絡(luò)后，自動(dòng)連接到數(shù)據(jù)中心，向數(shù)據(jù)中心報(bào)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(cè)鏈路的連接情況，一旦發(fā)生異常，GPRS模塊自動(dòng)重新建立鏈路，數(shù)據(jù)中心和GPRS模塊之間就可以通過(guò)IP地址通過(guò)UDP/TCP協(xié)議進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)透明的可靠數(shù)據(jù)傳輸。
3.2 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)
    服務(wù)器接收GPRS模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，供客戶(hù)端提取數(shù)據(jù)的同時(shí)備份以便查詢(xún)。
    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(lái)傳輸數(shù)據(jù)。在服務(wù)器Servlet中采用輸出流的方式向請(qǐng)求端發(fā)送數(shù)據(jù)。Servlet具有獨(dú)立于平臺(tái)和協(xié)議的特性,它擔(dān)當(dāng)客戶(hù)請(qǐng)求與服務(wù)器響應(yīng)的中間層。
    在傳統(tǒng)的CGI中，每個(gè)請(qǐng)求都要啟動(dòng)一個(gè)新的進(jìn)程，如果CGI程序本身的執(zhí)行時(shí)間較短，則啟動(dòng)進(jìn)程所需要的開(kāi)銷(xiāo)很可能反而超過(guò)實(shí)際執(zhí)行時(shí)間。而在Servlet中，每個(gè)請(qǐng)求由一個(gè)輕量級(jí)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(lèi)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(dòng)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(fèi)的開(kāi)源Web 應(yīng)用服務(wù)器Tomcat，運(yùn)行時(shí)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(kāi)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(yùn)行Tomcat，即可監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端請(qǐng)求。
3.3 手機(jī)端軟件設(shè)計(jì)
    手機(jī)端采用多線程方式，提高效率。一方面啟動(dòng)線程通過(guò)HTTP協(xié)議訪問(wèn)服務(wù)器，獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。另一方面啟動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)和管理。
      手機(jī)端軟件流程圖如圖3所示。當(dāng)用戶(hù)啟動(dòng)監(jiān)控軟件時(shí)，軟件通過(guò)向服務(wù)器發(fā)送HTTP請(qǐng)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(hù)誤以為是死機(jī)現(xiàn)象。獲取數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)一定的處理，保存數(shù)據(jù)以便追溯分析，同時(shí)顯示數(shù)據(jù)并繪制實(shí)時(shí)曲線。如果數(shù)據(jù)超出報(bào)警設(shè)置范圍，則產(chǎn)生報(bào)警。當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到有用戶(hù)按鍵時(shí)，判斷按鍵類(lèi)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(hù)權(quán)限，要求用戶(hù)登錄。當(dāng)用戶(hù)輸入信息正確時(shí)，顯示相應(yīng)的設(shè)置或控制界面，開(kāi)放設(shè)置和控制功能，以后再次操作無(wú)需再登錄；當(dāng)用戶(hù)信息錯(cuò)誤時(shí)，給出提示并可再次輸入，當(dāng)錯(cuò)誤次數(shù)達(dá)到三次時(shí)，返回主界面并關(guān)閉登錄功能。

    用戶(hù)對(duì)參數(shù)報(bào)警門(mén)限、時(shí)長(zhǎng)以及曲線顯示范圍等進(jìn)行設(shè)置時(shí)，當(dāng)用戶(hù)按下確定按鍵，若輸入錯(cuò)誤則提示更改，正確則保存用戶(hù)數(shù)據(jù)，自動(dòng)返回上一界面并刷新。
    用戶(hù)通過(guò)手機(jī)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)選擇的控制項(xiàng)目，發(fā)送命令到服務(wù)器，再由服務(wù)器下發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。當(dāng)命令成功發(fā)送到服務(wù)器時(shí)，提示用戶(hù)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(shí)，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(lái)的實(shí)時(shí)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(duì)于用戶(hù)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(chǔ)的唯一途徑，RMS類(lèi)似于一個(gè)小型數(shù)據(jù)庫(kù)，Record Store相當(dāng)于數(shù)據(jù)庫(kù)的表，每個(gè)“表”由若干記錄(Record)構(gòu)成，一條記錄就是一個(gè)用int表示的記錄號(hào)和用byte[]表示的內(nèi)容。記錄號(hào)可以看作是“主鍵”，byte[]數(shù)組存儲(chǔ)內(nèi)容?？梢詫?duì)記錄進(jìn)行添加、修改、讀取和刪除等操作。
    概括起來(lái)，本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
　　(1)安裝簡(jiǎn)單：網(wǎng)絡(luò)架設(shè)方便，無(wú)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(méi)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(wú)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(fèi)：3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)按照客戶(hù)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來(lái)收取費(fèi)用,沒(méi)有數(shù)據(jù)流量的傳遞時(shí),客戶(hù)即使在線,也不收費(fèi)。

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