基于ＧＰＲＳ的无线远程监测系统的研究和设计

祁耀斌　韩亚东

摘要：文章设计了一种基于GPRS的无线远程监测系统，阐述了其软硬件实现及其应用。使用GPRS网络作为无线传输网络，通过TCP/IP协议进行上位机和现场机之间的无线数据传输。该系统具有分布范围广、自动化监控、实时数据传输、费用低廉等特点，特别适合突发性且频繁的小流量数据传输。

关键词：GPRS；TCP/IP；无线远程监测；系统设计；数据传输

中图分类号：TP274 文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）15-0003-02

随着科技的飞速发展和人类需求的不断增加，监测系统在人们的生产和生活中扮演着越来越重要的角色。目前的监测系统主要是基于有线通讯方式，但是对于地处偏远和分布分散的监测目标采用有线方式显然不经济。鉴于此，本文设计了一种基于GPRS的无线监测系统。

GPRS是通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的英文简称，是一种新的分组数据承载业务。作为第二代移动通信向第三代过渡的技术，GPRS与现有的GSM语音系统最根本的区别是，GSM是一种电路交换系统，而GPRS是一种分组交换系统。因此，GPRS特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。相对原来GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS是分组交换技术，具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的优点。

一、系统总体结构

基于GPRS的远程监测系统由现场机系统、GPRS移动通信网络和远程监测中心三部分组成。系统总体结构如图1所示：

图1系统总体结构图

现场机系统由数据采集设备和GPRS DTU（GPRS数据传输单元）两部分组成，数据采集设备负责现场数据的采集，然后由GPRS DTU通过GPRS网络传输到监测中心。GPRS网络为现场机系统和监测中心提高了数据传输的通道，它支持TCP/IP协议。监测中心由以下部分组成：一台接入GPRS网络的PC机作为前置机，负责接收GPRS DTU传输过来的数据；一套双机备份的服务器系统，用于数据的存储和管理；若干监测台，装有监控软件，用于对现场设备的监测。以下我们详细介绍这两部分的构成。

二、系统硬件设计

（一）GPRS DTU

由上一节的介绍我们可知现场机系统主要由数据采集设备和GPRS DTU两部分组成，由于不同的监测目标所需的数据采集设备也不同，这里我们主要介绍GPRS DTU的设计。

该GPRS DTU主要由微处理器单元、GPRS通信模块单元、电源单元以及JTAG接口单元组成，硬件框图如图2所示：

图2GPRS DTU硬件结构图

该系统终端采用了基于ARM核RISC结构的LPC2210微处理器。通过GPRS通讯模块，进行基于GPRS网络的移动数据通信；扩展了Flash程序存储器和SDRAM，Flash存储器可存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其它在系统掉电后需要保存的用户数据等；串口通讯模块用于调试及与终端设备进行通信，JTAG接口可用于对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行调试、编程等；另外，还有电源单元等。LPC2210使用UART1口与GPRS模块连接，并通过向GPRS模块发送AT命令来控制其工作。

（二）远程监测中心

远程监测中心包括前置机及其数据接收软件，数据库系统，若干监测台。前置机将接收到的数据通过以太网传输到数据库中保存，然后数据库对数据进行处理、分类、存档。监测台从数据库中读取数据，并通过监控软件做出相应响应。

监测中心以无线方式接入GPRS网络，其IP地址和ISM卡号绑定。监测中心具有GPRS内网的静态IP地址。此种方案客户需先与移动申请APN专网业务。移动为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡仅开通该专用APN，限制使用其他APN。得到APN后，给所有监控点及中心分配移动内部固定IP。监测中心采用主副两个GPRS-DTU作接收端，冗余备份，提高系统稳定性。其接入方案如图3所示：

图3监测中心接入方案图

三、无线数据传输实现

本系统现场机和监测中心上位机之间采用TCP/IP协议进行数据通信，双方在数据传输前建立握手，保证数据传输的稳定可靠。系统运行时，先通过LPC2210向GPRS无线模块（本系统采用BENQ公司生产的M22模块）发送AT指令控制其与监测中心上位机建立连接。建立连接的步骤如下：

1．GPRS网络附着：AT＋CGATT＝1。

2．设置PDP上下文：AT＋CGDCONT＝1，“IP”，“APN”；//APN为所申请的APN专网的名称。

3．设定验证方式及用户名和密码：AT%CGPCO=1，“PAP，username，password”，1；//本系统采用专网方式，因而需要设定登陆名和密码。

4．指定要连接的接收端的IP地址并指定连接方式和接收端口号：AT$DESTINFO=“XX.XX.XX.XX”，（1，2），PORT；//XX.XX.XX.XX为接收端IP地址，1代表TCP连接，2代表UDP连接，PORT为端口号。

5．拨号建立连接：ATD*99#。

完成以上步骤并收到返回值CONNECT字符串时，说明已成功建立连接，数据终端和数据中心可以进行数据通信了。

为了监听GPRS DTU的连接请求、接收GPRS DTU传输过来的数据，上位机必须运行一个服务程序，本系统采用Windows Socket通信，GPRS DTU与上位机采用客户机/服务器模型。数据接收流程如图4所示：

图4数据接收流程图

当数据到达监测中心时，将触发Winsock控件的Data Arrival事件，在该事件中Winsock将通过Get Data方法接收所有到达的数据。将数据转换成字符串型后保存到一个字符串数组中，然后判断各个包是否完整，如不完整且不是最后一个数据包则通知发送端重发，若是最后一个没有接收完全的数据包时则保存这个数据包到下次接收事件完整接收后再处理，否则提取本数据包的源地址、数据长度、数据区的数据和CRC（循环校验码）值，计算数据区数据的CRC值并比较是否与接收到的CRC相等，如果不相等则通知发送端重发。当所有数据包都处理完毕后退出Data Arrival事件中断处理程序，等待下一次事件的到来。

四、在某钢厂水网监测系统中的应用

为了实现对水资源的信息化管理，适应企业未来发展的需要，某大型钢铁集团能源动力公司构建了水网监测系统。由于该钢厂水站分布分散，采用有线方式不太经济，故采用了本文提出的无线远程监测系统方案。该水网监测系统结构如图5所示：

图5水网监测系统结构图

该系统分为数据采集层和数据管理层两个层次。数据采集层相当于本文提出的无线远程监测系统的现场机系统和GPRS网络两部分，它使用OPC接口和Interbus现场总线实现数据采集，然后通过GPRS网络传输到监测中心；数据管理层即监测中心由两台工业数据库、一台Web服务器和若干监测台组成。两台数据库互为冗余，提高了系统的稳定性。监测台从Web服务器中读取数据，实现了基于B/S结构的监测系统。目前系统运行稳定，极大的提高了钢厂水资源的利用率和钢厂技术人员的工作效率。

五、结语

本文设计实现了基于GPRS的远程监测系统的一般方案，并介绍了其在钢厂水网监测系统中的应用实例。应用效果表明：该系统实时性强、成本低廉、性能优越，具有应用推广价值。随着技术的成熟，GPRS无线通信技术在各监测场合中将会得到越来越广泛的应用，其优势也将在应用中不断显现出来。

参考文献

[1]R.J.（Bud）Bates．通用分组无线业务（GPRS）技术与应用[M]．北京：人民邮电出版社，2004.

[2]左希庆，刘从新．工业GPRS DTU的设计及其应用研究[J]．三峡大学学报，2005，（1）．

[3]李博轩．Visua1C++6.0网络及Internet开发指南[M]．清华大学出版社，2000.

作者简介：祁耀斌（1966－），男，湖北黄冈人，武汉理工大学光纤传感技术研究中心硕士研究生导师，副教授，研究方向：光纤传感技术、自动化控制；韩亚东（1983－），男，山东滕州人，武汉理工大学光纤传感技术研究中心硕士研究生，研究方向：光纤传感技术、通信与信息系统。