《電子技術(shù)應用》
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基于3G無線網(wǎng)絡的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設計
來源:電子技術(shù)應用2011年第8期
王盛學1,2, 李著信1, 何 平2
(1. 解放軍后勤工程學院,重慶400016; 2. 重慶和平自動化工程有限公司,重慶400039)
摘要: 設計了一種基于3G無線網(wǎng)絡工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng),把自動控制技術(shù)和先進的移動通信技術(shù)相結(jié)合,使用便攜手機作為監(jiān)控終端,利用3G無線網(wǎng)絡實時清晰地傳遞工業(yè)現(xiàn)場的動態(tài)信息,并將監(jiān)控人員控制命令下達給現(xiàn)場設備,管理設備運行,針對控制功能提供權(quán)限認證,當遇到異常情況時,及時發(fā)出報警信息。
關(guān)鍵詞: 3G 網(wǎng)絡 監(jiān)控
中圖分類號: TH836.3
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2011)08-075-03
Design of industrial monitoring and control system based on 3G wireless network
Wang Shengxue1,2, Li Zhuxin1, He Ping2
1. Logistics Engineering University PLA., Chongqing 400016, China; 2. Chongqing Heping Automation Co.,Ltd, Chongqing 400039, China
Abstract: Integrated with the technologies of automatic control and advanced mobile communications, using the portable phone as the monitoring terminal, an industrial monitoring system based on 3G wireless network was developed to transfer the dynamic real-time information on site clearly, to assign the control command of the monitors to the field equipments and manage the equipments, to provide authority for the control certification and to give a warning information timely when it is faced with abnormal conditions.
Key words : 3G; network; mornitoring


    隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大,生產(chǎn)設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, 相當一部分設備工作在戶外,一些作業(yè)點分散,環(huán)境惡劣,因此需要無人職守遠傳控制,對各種設備的運行狀態(tài)、溫度、壓力、流量等指標做到實時監(jiān)控。隨著無線技術(shù)的日益發(fā)展,其安裝方便、靈活性強、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)通過架設微波設備;(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、架設微波設備、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,要想達到更好的監(jiān)控狀態(tài)就需要中繼設備、增益天線等,設備架設費用高。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,同時對工控設備的無人值守運行存在較大困難。
    借助移動公網(wǎng)進行數(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,網(wǎng)絡建設和維護都由運營商承擔,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)絡的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng),將現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡以流量方式實時傳送到手機,并將控制命令下發(fā)到現(xiàn)場設備。本系統(tǒng)使用便攜手機替代計算機作為監(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)場設備數(shù)據(jù)采集上來,經(jīng)過相應處理后送到3G無線通信模塊,再通過3G無線網(wǎng)絡,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)傳至終端設備。手機端監(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模塊與單片機間通過標準的RS232/485接口通信,支持AT命令,可設置工作方式和數(shù)據(jù)傳輸方式(UDP/TCP),手機與服務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都支持Socket通信,但都支持HTTP協(xié)議,所以在本系統(tǒng)中手機與服務器之間采用HTTP通信方式來傳輸數(shù)據(jù)。
    手機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器,實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的監(jiān)測和管理。提供用戶權(quán)限認證,只有通過驗證才開放控制管理功能。用戶可在手機上直接對監(jiān)測參數(shù)及其范圍進行設置,當現(xiàn)場設備的參數(shù)值超出設定的正常范圍時,產(chǎn)生報警。如果用戶未啟動手機端監(jiān)控軟件,現(xiàn)場設備發(fā)生異常時,監(jiān)控前端設備也會主動向指定手機發(fā)送報警信息。
2 硬件設計
 用戶終端設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,最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到達系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心。
 本系統(tǒng)的終端設備硬件設計結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,以單片機為主處理芯片,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送以及遠程控制命令的接收。

 

 

 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。通過單片機擴展存儲器的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。系統(tǒng)采用的GPRS通信模塊集成了標準的SIM接口,提供標準的 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 軟件設計
3.1 設備端軟件設計

      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(如Internet),則將分組數(shù)據(jù)包經(jīng)GGSN進行協(xié)議轉(zhuǎn)換后,再發(fā)送到外部網(wǎng)絡,送達監(jiān)控中心。
    GPRS模塊與單片機間通過串口進行通信,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,在進行GPRS上網(wǎng)操作之前,首先要對GPRS模塊進行一定的設置。主要的設置工作有:設置通信波特率、接入網(wǎng)關(guān)、移動終端的類別、測試GPRS服務是否開通等。
    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)中相應的地址,而從Internet傳送過來的應答幀也同樣會根據(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)絡通過GPRS模塊的透明傳輸。
    要注意的是,GSM網(wǎng)絡無靜態(tài)IP地址,故其他通信設備不能向它提出建立連接請求,服務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)絡后通過該IP找到服務器。
 GPRS模塊登錄上GSM網(wǎng)絡后,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)議進行雙向通信,實現(xiàn)透明的可靠數(shù)據(jù)傳輸。
3.2 服務器軟件設計
    服務器接收GPRS模塊傳來的數(shù)據(jù),經(jīng)過相應的處理后存入數(shù)據(jù)庫,供客戶端提取數(shù)據(jù)的同時備份以便查詢。
    手機與服務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都支持Socket通信,但都支持HTTP協(xié)議,所以在本系統(tǒng)中手機與服務器之間采用HTTP通信方式來傳輸數(shù)據(jù)。在服務器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,它擔當客戶請求與服務器響應的中間層。
    在傳統(tǒng)的CGI中,每個請求都要啟動一個新的進程,如果CGI程序本身的執(zhí)行時間較短,則啟動進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,功能更強大,具有更好的可移植性,更節(jié)省投資。
    Servlet是位于Web 服務器內(nèi)部的服務器端的Java應用程序,與傳統(tǒng)的從命令行啟動的Java應用程序不同,Servlet由Web服務器進行加載,該Web服務器必須包含支持Servlet的Java虛擬機。系統(tǒng)選用免費的開源Web 應用服務器Tomcat,運行時占用的系統(tǒng)資源少,擴展性好,支持負載平衡與郵件服務等開發(fā)應用系統(tǒng)常用的功能,把Servlet部署到Tomcat,在服務器端運行Tomcat,即可監(jiān)聽客戶端請求。
3.3 手機端軟件設計
    手機端采用多線程方式,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)控人員給下位機下發(fā)的命令返回到服務器,從而實現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)測和管理。
      手機端軟件流程圖如圖3所示。當用戶啟動監(jiān)控軟件時,軟件通過向服務器發(fā)送HTTP請求獲取設備數(shù)據(jù),這需要短暫的等待,故顯示等待界面如連網(wǎng)進度條以防止用戶誤以為是死機現(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)超出報警設置范圍,則產(chǎn)生報警。當監(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;若為設置或控制命令,則設置有用戶權(quán)限,要求用戶登錄。當用戶輸入信息正確時,顯示相應的設置或控制界面,開放設置和控制功能,以后再次操作無需再登錄;當用戶信息錯誤時,給出提示并可再次輸入,當錯誤次數(shù)達到三次時,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行設置時,當用戶按下確定按鍵,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。
    用戶通過手機控制現(xiàn)場設備時,系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的控制項目,發(fā)送命令到服務器,再由服務器下發(fā)到現(xiàn)場設備。當命令成功發(fā)送到服務器時,提示用戶發(fā)送成功,否則發(fā)送失敗,設備端設置狀態(tài)反饋,當接收到控制命令時,響應命令并反饋。
    系統(tǒng)采用文件形式保存從服務器端取來的實時數(shù)據(jù),可編輯,可方便地從手機上或連接到電腦上查看分析數(shù)據(jù)。對于用戶設置的數(shù)據(jù)則采用記錄管理系統(tǒng)RMS(Record Management System),它是J2ME應用程序進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)絡架設方便,無需進行拉線,埋線等工作;
  (2)永遠在線: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2.8 Mb/s;
  (5)按量收費:3G移動網(wǎng)絡按照客戶接收和發(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。

參考文獻
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