GPRS无线数传实现监测系统的远程数据传输

        摘要：

        数据传输是大坝安全监测、桥梁监测、水情测报 等监测系统重要组成部分，如图1所示。随着技术的进步和监测系统的发展，对数据传输也提出了更 高的要求，原有的数据传输已不能满足分布式、数据处理分析和网络共享及移动性要求。

        水利水电工程和岩土工程中常用监测系统的特点以及对数据传输系统的要求：

        ①测点分布比较分散，测点到监控中心的布线很困难;

        ②各个测点的地理位置相距较远，如天津、南京、广州等，监测周期较长，每个测点设1个监控中心不太现实，成本较高，只能设1个监控中心;

        ③监控中心可以移动，监测人员可以随时随地对各个测点进行数据采集和控制。

        设计了基于GPRS数据传输的监测系统， 有如下特点：

        ①能够较好地满足监测系统的需求

        ②对原有监测系统作增量升级，对原来的硬件和软件不作改动，适用于现存监控系统的升级;

        ③适用范围宽，可以应用于大坝安全监测、水情测报、污染源监测等领域。该系统已经在某桥梁监测系统中投入使用。

        一、数据传输方式的选择

        目前大坝安全监测、桥梁监测、水情测报等监测系统的数据传输方式主要有有线和无线2种方式。

        1.1有线数据传输方式

        有线方式采用屏蔽双绞线、光纤、公用电话线等作为传输介质，现存的监测系统应用非常广泛，但也存在如下不足：①有些测点处在深山峡谷等地方，

        图1监测系统重要组成框图

        布线比较困难;②系统的测点比较分散时，布线难度也很大;③由于传输介质为有线介质，花费较多，运行管理也比较困难;④系统运行不灵活，监控中

        心只能在固定地点，通信距离不远。

        1.2无线数据传输方式

        目前常用的无线方式主要分为2类：超短波无线电台和公用移动网络。

        1.2.1超短波无线电台

        现存的监测系统应用非常广泛，但也存在如下不足：①通信距离有限，一般用于30 km内的数据传输;②通信速率不高，抗干扰能力不足;③测点和监控中心都要配置电台，成本较高。

        1.2.2 公用移动网络

        利用公网进行数据传输是监测系统发展的一个重要方向，以中国移动的网络为例，利用公用移动网络进行数据传输的方式有3种：短消息SMS、电路交换数据业务CSD模式、GPRS模式。

        (1)短消息SMS

        应用非常广泛，但也存在如下不足：①通信延迟较长，无线信道容易发生拥塞;②一次传输的信息量有限，小于160个字节，当数据包大于160个字节时，要进行分组传输;③按短信息条数进行收费，

        花费较多;④测点和监控中心都要配置短消息数据传输模块，成本较高。

        (2)电路交换数据业务CSD模式

        传输数据与电话通讯类似，现存的监测系统中应用的不多，存在如下不足：①费率是以使用时间的长短来计算，当测点和监控中心不在同一城市时，按长途收费，花费较多;②通信速率不高，一般为9600 bps;③测点和监控中心都要配置手机模块，成本较高。

        (3)GPRS模式

        GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)是一种采用分组交换的高效率数据传输方式。每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又由多个用户共享，资源被有效地利用，数据传输速率高达170 kbps，使用GPRS技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。其特点突出表现为：①实时性强，由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，可很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求;②测点布置灵活，GPRS网络已经覆盖绝大部分地区，基本不存在盲区，可实现大范围的监测;③监控中心可以灵活移动，只要能接人Internet，就可以对测点进行监控;④一次传输的信息量可达1 024个字节;⑤通信速率高，可达40 kbps;⑥采用GPRS公网平台，无需建设网络，只需在测点安装GPRS数据传输模块，建设成本低。通过以上分析，结合监测系统的需求，选择GPRS作为系统的数据传输方式。

        二、基于GPRS的监测系统结构

        基于GPRS的监测系统结构如图2所示，由3个部分组成：数据采集单元MCU、GPRS数据传输系统、监控中心计算机。

        2.1数据采集单元MCU

        数据采集单元MCU的主要功能是：①在监控中心计算机的控制下完成各个传感器的测量和测量数据的上传;②自动定时测量各个传感器，并把数据存在MCU中，等待监控中心计算机的读取。

        2.2监控中心计算机

        监控中心计算机装有数据采集软件、数据库、数据中心软件、虚拟串口等其它支撑软件，主要功能是：数据采集、数据存储、过程线显示、报表输出等。监控中心计算机要能够接人Internet。

        2.3 GPRS数据传输系统

        GPRS数据传输系统是监控计算机和数据采集单元MCU通信的桥梁。GPRS DTU采用成熟的商业产品，具有如下功能：

        (1)内部集成TCP/IP协议栈

        图2基于GPRS的监测系统结构图

        内部封装了PPP拨号协议以及TCP/IP协议栈并且具有嵌入式操作系统，从硬件上，它可看作是嵌入式PC与无线GPRSMODEM的结合，它具备GPRS拨号上网以及TCP/IP数据通信的功能。

        (2)串口数据透明传输功能

        提供了串行通信接口，包括RS232，RS485等常用的串行通信方式，串口数据设计成“透明传输”的方式，即将串口上的原始数据转换成TCP/IP数据包进行传送，并把收到的TCP/IP数据包转换成串口上的数据。可以和各种使用串口通信的MCU进行连接，不需要对MCU作改动，适用于现存监控系统的升级。

        (3)支持自动心跳，保持永久在线

        GPRS网络的优点之一就是支持GPRS终端设备永久在线，GPRS DTU支持永久在线功能，包含了上电自动拨号、采用心跳包保持永久在线(当长时间没有数据通信时，移动网关将断开DTU与数据中心的连接，心跳包就是DTU与数据中心在连接被断开之前发送1个小数据包，以保持连接不被断开)、支持断线自动重连、自动重拨号等。

        2.4工作过程

        2.4.1通信链路的建立

        整个系统上电运行，启动监控中心计算机中的相关软件;

        GPRS DTU通过拔号接人GPRS网络，获得一个动态的IP地址，GPRS DTU接入GPRS网络，GPRS DTU能过移动网关GGSN可以接人lnternet;

        GPRS DTU作为客户端，以IP地址或域名方式与监控中心计算机的数据中心软件(作为服务器)建立连接，到此通信链路建立完毕。

        2.4.2数据传输过程

        监控中心计算机发出遥测遥控命令，数据通过GPRS无线通信方式传达到GPRS DTU; GPRS DTU通过RS485透明地将数据送给数据采集单元MCU; MCU解析指令执行控制命令，并把测量数据或应答回送给监控中心计算机，MCU返回的数据原路返回给监控中心计算机。

        2.5与非GPRS的监测系统结构比较

        屏蔽双绞线为通信介质的监测系统结构如图3 所示

        图3屏蔽双绞线为通信介质的监测系统结构图

        系统更新所需的硬件改动：①添加GPRS DTU，GPRS DTU安装的位置要有移动信号;②监控中心计算机要求能接人Intemet，通过Internet和MCU进行数据传输。

        系统更新后的优点：①监控中心计算机和MCU之间不再线缆连接;②监控中心计算机不要求与MCU处在同一地理位置，只要能接人Internet，就能采集到数据，提高了系统的灵活性。

        三、基于GPRS的监测系统软件组成

        基于GPRS的监测系统软件组成如图4所示。

        3.1 MCU系统软件

        配合数据采集单元MCU的硬件完成各个传感器的测量、测量数据的上传等功能。

        3.2 GPRS D FU系统软件

        内部封装了PPP拨号协议以及TCP/IP协议，能够完成：①拨号接入GPRS网络;②通过监控中 心计算机的域名与监控中心计算机建立TCP连接，支持自动心跳，保持永久在线;③完成监控中心计算机与MCU之间数据的透明传输。

        3.3动态域名解析客户端软件

        用于确保GPRS DTU能够和监控中心计算机通过域名建立TCP连接。无论监控中心计算机位于何处，只要能接人Internet，并且运行了动态域名解析客户端软件，GPRS DTU就能通过域名同建立监控中心计算机TCP连接。

        图4基于GPRS的监测系统软件组成图

        3.4数据采集软件

        通过串口和MCU进行数据传输，完成数据采集、数据存储、过程线显示、报表输出等。

        3.5虚拟串口软件

        现存监测系统的监控中心计算机(数据采集软件)大多使用串口与MCU进行数据传输。采用虚拟串口软件就是为了不对数据采集软件作任何改动，就可完成系统的升级。 虚拟串口软件就是通过一个虚拟的串口驱动程序，在计算机上虚拟出若干个串口，虚拟出来的串口对于应用层来说就是真的有这些串口硬件一样。虚拟串口软件示意图如图5所示。

        图5虚拟串口软件示意图

        本机监听端口和本机目标端口是UDP协议中的端口，本机目标端口不被虚拟串口软件占用，它实际上就是数据中心软件中的虚拟串口监听端口，详见本文3.6节数据中心软件。虚拟串口软件安装运行后，本机就有了一个虚拟的串口——COMx，数据采集软件对COMX进行操作，也就是对虚拟串口进行操作。数据采集软件写COMX时，数据就会写到本机目标端口中，监听本机目标端口的软件(即本文3.6节数据中心软件)就可以获得该数据。当有应用程序(即本文3.6节数据中心软件)往本机监听端口中写数据时，数据就会写入虚拟串口COMX中，数据采集软件读COMX，就可以获得该数据。

        3.6数据中心软件

        数据中心软件作为TCP连接的服务器端与GPRS DTU系统软件中的TCP客户端进行连接，并把MCU通过GPRS DTU传来的测量数据通过虚拟串口传到数据采集软件，或者把数据采集软件通过虚拟串口传来的测量指令传到GPRS DTU，进而传到MCU。数据中心软件示意图如图6所示。

        图6数据中心软件示意图

        DTU服务端口是用于和GPRS DTU建立TCP连接，用于数据中心软件和GPRS DTU之间传输信息。

        DTU和虚拟串口连接信息表用于存储DTU和虚拟串口之间的连接信息，把某个DTU和某个虚拟串口连接起来，即某个DTU传来的数据要写到某个虚拟串口中去，从某个虚拟串口收到的数据要传给某个DTU传来。当整个系统中有2个GPRS DTU 时，就要建立2个虚拟串口，并且DTU和虚拟串口连接信息表中存储2条信息。 虚拟串口监听端口是UDP协议中的端口，用于接收虚拟串口传来的数据(实质上是数据采集软件写到虚拟串口中的数据)，数据中心软件根据DTU和虚拟串口连接信息表的连接信息把收到的数据通过TCP连接传给相应的GPRS DTU，进而传给MCU。

        当DTU服务端口收到GPRS DTU传来的数据(实质上是MCU传给GPRS DTU的测量数据)时， 数据中心软件根据DTU和虚拟串口连接信息表的连接信息把收到的数据写入相应虚拟串口中的本机监听端口(见本文3.5节虚拟串口软件)中，进而传给数据采集软件。

        3.7与非GPRS的监测系统软件组成比较

        非GPRS的监测系统软件组成如图7所示。 系统更新所需的软件改动：

        (1)增加GPRS DTU系统软件，由于购买了商用DTU，这个软件已经存在;

        图7非GPRS的监测系统软件组成图

        (2)增加动态域名解析客户端软件，这是为了提高系统的灵活性，而且存在免费的域名申请和动态域名解析服务，即使用收费的服务，成本也不高，另外如果监控中心计算机能有固定的IP地址，可以设置DTU直接使用IP地址同监控中心计算机建立TCP连接，不用增加动态域名解析客户端软件;

        (3)增加虚拟串口软件，这个软件是为了不改动现存的数据采集软件(该软件使用串口与MCU进行数据传输)而增加的，而且存在免费的虚拟串口软件，如果方便改动现存的数据采集软件的话，不用增加虚拟串口软件;

        (4)增加数据中心软件，借助商用DTU提供的API函数编写这个软件不算复杂，有的商用DTU厂家有可能会提供数据中心软件，如果方便改动现存的数据采集软件的话，可以把这个软件的功能集成编写在数据采集软件中，不用增加中心软件。

        (5)对软件系统所做的更新可以是针对现存的软件系统的增量更新，适用于现存监控系统的升级。 系统更新后的好处不再赘述。

        四、结 论

        本文提出了一种基于无线公网GPRS网络的监测系统，并详细介绍了方案的设计与实现，已在某桥梁监测项目上运行。运行实践表明该系统能够较好满足桥梁监测的需求，稳定可靠，灵活性好，设计和运行成本低。该方案也可以应用到大坝安全监测、水情测报等监测系统中，能够方便地对现存系统进行升级改造。