基于3G無線網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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)備工作在戶外，一些作業(yè)點(diǎn)分散，環(huán)境惡劣，因此需要無人職守遠(yuǎn)傳控制，對各種設(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。隨著無線技術(shù)的日益發(fā)展，其安裝方便、靈活性強(qiáng)、性價(jià)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(diǎn)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(shè)微波設(shè)備；(3)基于無線局域網(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)用等問題，同時(shí)對工控設(shè)備的無人值守運(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)營商承擔(dān)，運(yùn)營費(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無線網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng),將現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過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，無論身在何處，都可以實(shí)時(shí)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(shè)備數(shù)據(jù)采集上來，經(jīng)過相應(yīng)處理后送到3G無線通信模塊，再通過3G無線網(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)控軟件通過發(fā)送HTTP請求和數(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)控人員簡單的操作按鍵就可將控制命令傳回服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)測和管理。提供用戶權(quán)限認(rèn)證，只有通過驗(yàn)證才開放控制管理功能。用戶可在手機(jī)上直接對監(jiān)測參數(shù)及其范圍進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)現(xiàn)場設(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。如果用戶未啟動(dòng)手機(jī)端監(jiān)控軟件，現(xiàn)場設(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)
　用戶終端設(shè)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(luò)，最終通過各種網(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，可與多種終端無縫連接，為用戶提供簡便實(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)傳輸過程如下：(1)GPRS模塊通過串行接口從單片機(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)終端的類別、測試GPRS服務(wù)是否開通等。
GPRS模塊可以通過撥號(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傳送過來的應(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GPRS模塊的透明傳輸。
要注意的是，GSM網(wǎng)絡(luò)無靜態(tài)IP地址，故其他通信設(shè)備不能向它提出建立連接請求，服務(wù)器必須擁有一個(gè)固定的IP，以便監(jiān)測終端可以在登錄GSM網(wǎng)絡(luò)后通過該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IP地址通過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模塊傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應(yīng)的處理后存入數(shù)據(jù)庫，供客戶端提取數(shù)據(jù)的同時(shí)備份以便查詢。
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通信方式來傳輸數(shù)據(jù)。在服務(wù)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(dú)立于平臺(tái)和協(xié)議的特性,它擔(dān)當(dāng)客戶請求與服務(wù)器響應(yīng)的中間層。