摘　要: 結合具體項目實際需求，提出了一套采用多傳輸方式實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆植际綌?shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設計方案。此方案可以方便全面地將各個分散地震前兆采集點的數(shù)據(jù)納入整個監(jiān)測系統(tǒng)，并有升級成本低、可靠性高、運行速度快、可擴展性強等優(yōu)勢，適宜實際推廣實施。
　　關鍵詞: 數(shù)據(jù)傳輸 協(xié)議轉換 GPRS" title="GPRS">GPRS 遠程監(jiān)控

　　分布在全國各地的地震監(jiān)測臺站采集點數(shù)量多、范圍廣，并且很大一部分地處偏僻位置，條件惡劣，布線困難。目前有相當大一部分監(jiān)測臺站在數(shù)據(jù)采集傳輸方面仍采用人工現(xiàn)場記錄或者電話撥號傳輸?shù)姆绞?sup>[1]，不僅傳輸效率低下，而且也無法完成多前兆儀器數(shù)據(jù)的實時處理及跟蹤前兆信息的最新變化,對地震的下一步發(fā)展趨勢就缺少了重要的判斷依據(jù)^[2]。由于傳輸方式不得力，許多關鍵地區(qū)前兆數(shù)據(jù)缺失嚴重已成為一個亟待解決的問題。所以現(xiàn)在急需尋找一種更好的設計方案，以解決臺站數(shù)據(jù)缺失的問題，同時，又能實現(xiàn)實時傳輸，并且投資小、方便維護。
1 總體設計與工作原理
　　本系統(tǒng)設計針對山東省地震局各臺站的實際情況，綜合有線傳輸與無線傳輸?shù)膬?yōu)缺點，在保持原有已投資設備的基礎上，通過添加外部模塊進行混合組網(wǎng)，對原數(shù)據(jù)傳輸方式進行升級，完成對系統(tǒng)臺站數(shù)據(jù)的遠程高速采集。本系統(tǒng)對沒有有線網(wǎng)絡覆蓋的偏遠監(jiān)測點、移動監(jiān)測點的實時數(shù)據(jù)采集使用GPS、GPRS技術^[3]；而對固定監(jiān)測點使用基于TCP／IP的有線網(wǎng)絡技術^[4]。通過不同協(xié)議的轉換，在保證傳輸速率的同時拓寬了臺站監(jiān)測點的監(jiān)測范圍，并且節(jié)省了大量人力物力資源，為全省地震測控系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通和信息資源共享提供了統(tǒng)一的平臺。
　　系統(tǒng)整體基于客戶端/服務器模式設計，采用星狀點對多點通信，以達到分布式處理的目的。本數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、通信服務器模塊和數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊組成，其總體結構設計如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊自動完成數(shù)據(jù)的采集、封裝，能夠響應數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊的控制指令并反饋信息；數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)采集模塊傳來的數(shù)據(jù)封裝成IP包并傳送至通信服務器模塊；通信服務器模塊根據(jù)傳輸方式的不同采用相應的接收機制自動接收解析數(shù)據(jù)信息，并能接受并轉發(fā)數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊的監(jiān)控指令；數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊負責數(shù)據(jù)的處理和存儲。四個模塊協(xié)調工作最終實現(xiàn)分散數(shù)據(jù)采集和集中監(jiān)視處理的分布式管理，加之客戶端/服務器模式交互性強，能提供更安全的存取模式并有效降低網(wǎng)絡通信量，所以特別適用于采集點分散、數(shù)據(jù)量大、條件惡劣、干擾大的工業(yè)測控、數(shù)據(jù)采集場合。

2 系統(tǒng)模塊設計
2.1 通信服務器模塊
　　通信服務器模塊作為網(wǎng)關服務器負責數(shù)據(jù)接收，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)透明傳輸和觀測臺數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊的命令轉發(fā)。通信服務器模塊可安裝在任何具有真正的IP 地址的聯(lián)網(wǎng)計算機上，以方便分布在各個地區(qū)的多觀測臺進行數(shù)據(jù)讀取和管理。
　　由于系統(tǒng)采用混合組網(wǎng)，所以通信服務器模塊需要應對從數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)出的不同協(xié)議數(shù)據(jù)包。針對這種情況，通信服務器模塊采用面向接口編程結合設計模式以實現(xiàn)較為靈活的設計^[5]，不僅能很好地支持現(xiàn)有的傳輸協(xié)議，而且為其他協(xié)議的擴展提供了很好的架構支持。
　　另外為了保證數(shù)據(jù)的安全性，通信服務器模塊采用了分級權限管理的設計，只有給定權限的數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊才能對通信服務器進行訪問。
2.1.1 有線通信軟件設計
　　在有線連接的條件下，數(shù)據(jù)傳輸模塊使用串口協(xié)議轉換模塊與通信服務器模塊建立TCP/IP協(xié)議通信。通信服務器模塊啟動后即根據(jù)各串口協(xié)議轉換模塊的IP地址與每一個串口協(xié)議轉換模塊建立SOCKET鏈接。一旦連接建立成功，通信服務器模塊就會保持此條SOCKET鏈接，并維護關于此SOCKET鏈接號與對應的前兆臺儀器編號的索引。為防止SOCKET鏈接斷線，通信服務器模塊每隔固定時間便檢測鏈路是否斷開，斷開則重新連接串口協(xié)議轉換模塊，從而保障鏈路的可靠性以及采集數(shù)據(jù)的完整性和實時性，減輕了串口協(xié)議轉換模塊的工作負擔。
2.1.2 無線通信軟件設計
　　在無線連接的條件下，數(shù)據(jù)傳輸模塊使用無線傳輸模塊與通信服務器通信。
　　無線傳輸模塊與通信服務器模塊建立通信鏈路遵循PPP協(xié)議^[6]。GPRS 設備啟動后, 它會自動進入到GPRS 網(wǎng)絡, 將其相關的信息(如GPRS設備在GPRS網(wǎng)中IP地址和端口號、設備的ID號、連接時間等)組成PPP報文通過GGSN網(wǎng)關轉發(fā)至Internet網(wǎng)中固定IP地址的通信服務器模塊上，通信服務器模塊會監(jiān)聽網(wǎng)絡端口, 一旦有注冊信息到達, 即維護一條SOCKET鏈接信息，并維護關于SOCKET鏈接號與對應前兆臺儀器編號的索引。無線傳輸模塊監(jiān)測鏈路的連接情況，一旦發(fā)生異常則會自動重新建立鏈路，保證其總是處于在線狀態(tài)。
　　GPRS網(wǎng)中IP地址、端口號和廣域網(wǎng)中的IP地址、端口號均由網(wǎng)絡動態(tài)分配, 它們隨時都有可能變化。為了保證通信服務器模塊在任何時段都能控制前兆采集模塊, 對無線傳輸模塊增加了“心跳”功能。一旦GPRS設備的IP地址和端口號發(fā)生了變化, 通信服務器模塊就會立即得到其新的IP地址和端口號, 更新索引，使通信服務器模塊與前兆儀器永久保持一條通信信道。
　　建立連接之后，通信服務器模塊和無線傳輸模塊之間通過UDP／IP協(xié)議進行雙向通信，實現(xiàn)透明數(shù)據(jù)傳輸。
　　該模塊采用多線程的工作模式實現(xiàn)整體多個終端的鏈路建立、維護以及數(shù)據(jù)收發(fā)、控制和相關處理，并能接受數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊權限驗證及命令下發(fā)。圖2為程序與數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)交互流程圖。其中I為無線傳輸方式數(shù)據(jù)收發(fā)線程，Ⅱ為有線方式數(shù)據(jù)收發(fā)線程。

2.2 觀測臺數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊
　　該模塊通過Internet與具有固定IP的通信服務器模塊進行數(shù)據(jù)交換、下發(fā)控制指令等，而不是直接與數(shù)據(jù)傳輸模塊通信。此設計模式有利于對大批量采集模塊的分布式管理。它是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部分，完成對采集數(shù)據(jù)的最終協(xié)議解析，得到能夠直接存儲和利用的ORG格式數(shù)據(jù)文件，同時將采集到的信息存入數(shù)據(jù)庫中，并為用戶提供友好的人機交互，顯示各采集模塊數(shù)據(jù)參數(shù)的走勢分布圖等信息。
　　由于觀測臺僅關心自己管理范圍內(nèi)前兆儀器的數(shù)據(jù)采集情況，所以需要為不同的監(jiān)控模塊分配監(jiān)聽權限。本系統(tǒng)允許每個監(jiān)控模塊根據(jù)需要對不同地區(qū)不同編號的采集終端定制管理，從而實現(xiàn)了多觀測站監(jiān)控中心負責不同地區(qū)數(shù)據(jù)的管理機制，使系統(tǒng)的整體性能大為增強。
　　監(jiān)控模塊將接收的前兆采集數(shù)據(jù)按照原有前兆數(shù)據(jù)協(xié)議解析成東南西北四路原始檢測數(shù)據(jù)。按照需求生成ORG文件，同時配合ADO數(shù)據(jù)庫技術將提取出的時間點數(shù)據(jù)導入SQL SERVER數(shù)據(jù)庫中。為了滿足用戶定制查詢和分析監(jiān)控數(shù)據(jù)的需要，監(jiān)控模塊提供了一套數(shù)據(jù)分析接口，并借助第三方報表展示軟件以及其上的自定義擴展，提供了多種數(shù)據(jù)展示方式。這不僅可以滿足現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析需求，而且為后續(xù)版本擴展提供了很好的基礎。
　　由于網(wǎng)絡的不穩(wěn)定性, 在廣域網(wǎng)上進行數(shù)據(jù)傳輸存在著丟包的可能性。 為此在該模塊的軟件設計中增加了數(shù)據(jù)校驗錯誤重發(fā)的功能：前兆采集數(shù)據(jù)的幀長度固定不變，因此程序可以根據(jù)幀長及幀頭幀尾來判斷采集數(shù)據(jù)是否正確。在觀測臺監(jiān)控模塊自動收取數(shù)據(jù)時,每收取一幀數(shù)據(jù)即對其進行校驗，若發(fā)現(xiàn)錯誤則立刻提交重新發(fā)送控制指令，要求前兆采集模塊重新發(fā)送指定數(shù)據(jù)，同時進行狀態(tài)報告。通過這種措施, 使得數(shù)據(jù)的正確性得到了保障。監(jiān)控模塊的流程圖如圖3。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊
　　數(shù)據(jù)傳輸模塊是根據(jù)山東地震局實際情況，為保持原有設備投資而添加的。它為沒有TCP／IP協(xié)議棧的串口單片機數(shù)據(jù)采集設備和通信服務器模塊提供適配功能，以實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)通信。
　　一方面數(shù)據(jù)傳輸模塊把數(shù)據(jù)采集模塊傳來的串口數(shù)據(jù)封裝成IP包通過網(wǎng)絡發(fā)送至通信服務器模塊；另一方面從網(wǎng)絡中接收來自通信服務器模塊的UDP、TCP/IP包解析成相應的串口數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)采集模塊。
2.3.1 數(shù)據(jù)傳輸模塊協(xié)議
　　無線雖然自由，但是文件傳輸速度方面不是它的強項；有線雖然傳輸速度快而安全，但是受到網(wǎng)線和布局的制約。為了適應不同的采集環(huán)境，數(shù)據(jù)傳輸模塊分為針對有線方式的串口協(xié)議轉換模塊和針對無線傳輸?shù)臒o線傳輸模塊。
　　串口協(xié)議轉換模塊負責串口協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的轉換。串口協(xié)議轉換模塊有三種工作模式(UDP模式、TCP客戶模式和TCP服務器模式)，為保障其與通信服務器模塊之間的不間斷連接，系統(tǒng)設置為TCP服務器模式使用，在指定的TCP端口上監(jiān)聽通信服務器程序的連接請求。
　　無線傳輸模塊提供了串口協(xié)議與UDP協(xié)議的轉換。之所以選擇UDP協(xié)議實現(xiàn)GPRS通信是為了保持系統(tǒng)較小的開銷，提高網(wǎng)絡穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的實時性。由于UDP協(xié)議是面向無線連接的，會出現(xiàn)丟包問題，在數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊會采用差錯校驗作為彌補。
2.3.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件組成
　　(1) 串口協(xié)議轉換模塊
　　串口協(xié)議轉換模塊提供了一種全新的網(wǎng)絡構架模式:無需更改原有系統(tǒng)的應用程序，即可以讓傳統(tǒng)的RS-232或RS-422/485串行設備立即轉換成具備網(wǎng)絡界面的網(wǎng)絡設備，而且轉換成本極低。本系統(tǒng)采用臺灣MOXA公司的串口服務器。串口協(xié)議轉換器結構示意圖如圖4所示，不同公司的產(chǎn)品稍有不同。

　　(2) 無線傳輸模塊
　　無線傳輸模塊的工作原理是將串口數(shù)據(jù)拆成分組并通過移動網(wǎng)關和路由送至公網(wǎng)固定IP 地址的通信服務器模塊。無線傳輸模塊主要由TCP/IP協(xié)議處理模塊和GPRS模塊組成，生產(chǎn)GPRS模塊的主要有Motorola、SIEMENS和WAVE2COM等公司。本系統(tǒng)采用SIEMENS公司的MC35 GPRS模塊和嵌入TCP/IP協(xié)議的8051內(nèi)核MSC1210Y5單片機來組建無線傳輸模塊。為了方便移動采集設備的數(shù)據(jù)采集和定位，通過串口擴展芯片(GM1823)擴展了GPS模塊，使得無線傳輸方式可以同步傳輸自身的地理位置信息(GPS定位信息)。同時也可根據(jù)需求擴展完善此無線傳輸模塊的功能，其結構如圖5所示。

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊
　　數(shù)據(jù)采集模塊為山東省地震局原有設備，是各前兆臺站負責實時檢測采集周圍環(huán)境參數(shù)(如溫度、濕度、壓力、地磁參數(shù)等)的基礎設施。它以十六進制的形式通過串行物理接口(此類工業(yè)控制器大都采用標準的RS232/485接口)向外發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。
　　該模塊具有數(shù)據(jù)存儲的功能，能夠存儲一定時間內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，并且有豐富的指令集可接受控制命令(如改變上傳數(shù)據(jù)的時間間隔,改變本地設備的編號等)。數(shù)據(jù)采集模塊直接連接數(shù)據(jù)傳輸模塊，可以采用主動或被動的方式把保存的歷史數(shù)據(jù)或實時數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送至通信服務器模塊。
　　本系統(tǒng)是與山東省地震局合作開發(fā)的一個實際工程項目，項目的完成是理論與實際需求緊密結合的結果。本文利用網(wǎng)絡通信和GPRS遠程控制技術，緊密結合目前地震系統(tǒng)前兆參數(shù)的采集現(xiàn)狀，方便、全面地將各個分散前兆采集點的數(shù)據(jù)納入整個監(jiān)測系統(tǒng)。筆者在聊城、膠州、臨沂、菏澤等多個地區(qū)的采集點增加了數(shù)據(jù)傳輸模塊，組成了跨地區(qū)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡。經(jīng)過三個月的系統(tǒng)運行實驗,對數(shù)據(jù)傳輸模塊與監(jiān)控中心通信時發(fā)生的數(shù)據(jù)包錯誤情況進行了測試。隨機選取的5個采集點的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，收取錯誤數(shù)據(jù)包的比例約為1%，經(jīng)校驗重發(fā)后數(shù)據(jù)包錯誤率基本為0；數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊下發(fā)控制指令平均響應時間為3s，取得了滿意的效果。
　　實驗結果表明,此系統(tǒng)應用狀況良好，符合現(xiàn)場采集需要，接收數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，優(yōu)點如下：(1)成本低，占用資源少，數(shù)據(jù)可靠；(2)運行速度快，批量檢測仍能滿足性能要求；(3)自動定時或手動接收數(shù)據(jù)準確自如，歷史、故障信息完整，節(jié)省人力資源；(4)整個系統(tǒng)采用靈活的架構設計，為今后的維護擴展提供了有力的支持。該系統(tǒng)還適用于電力系統(tǒng)自動化、工業(yè)監(jiān)控、交通管理、實時氣象、金融證卷、環(huán)境監(jiān)測、煤礦以及石油等行業(yè)遠程數(shù)據(jù)采集同步傳輸。
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