基于3G無線網絡的工業監控系統設計

隨著現代工業生產規模的不斷擴大，生產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展，而一般工業控制系統地域跨越性較大, 相當一部分設備工作在戶外，一些作業點分散，環境惡劣，因此需要無人職守遠傳控制，對各種設備的運行狀態、溫度、壓力、流量等指標做到實時監控。隨著無線技術的日益發展，其安裝方便、靈活性強、性價比高等特性使得更多行業的監控系統采用無線監控方式，建立被監控點和監控中心之間的連接。目前，主要的無線監控方案有[1]：(1)基于衛星通信；(2)通過架設微波設備；(3)基于無線局域網；(4)借助移動公網傳輸。
其中基于衛星通信、架設微波設備、無線局域網的監控方式容易受傳輸距離、覆蓋角度及周邊環境的影響，要想達到更好的監控狀態就需要中繼設備、增益天線等，設備架設費用高。這些傳統方式存在覆蓋范圍、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。
借助移動公網進行數據傳輸的監控方式充分利用現有的移動通信網絡，網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，大幅節省了人力物力，提高了工業控制的自動化水平。
1 系統技術方案
基于3G無線網絡的工業監控系統,將現場數據通過3G網絡以流量方式實時傳送到手機,并將控制命令下發到現場設備。本系統使用便攜手機替代計算機作為監控終端，無論身在何處，都可以實時監測和管理工業現場。
系統框圖如圖1所示，MCU將工業現場設備數據采集上來，經過相應處理后送到3G無線通信模塊，再通過3G無線網絡，將數據以UDP/TCP包形式發送至數據中心，并將數據中心下傳的UDP/TCP包轉換為串口數據傳至終端設備。手機端監控軟件通過發送HTTP請求和數據中心建立連接通路，獲取實時數據，并向數據中心發送控制信息。

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據傳輸方式(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協議，所以在本系統中手機與服務器之間采用HTTP通信方式來傳輸數據。
手機端采用多線程工作方式，將接收到的數據處理之后以數據或圖像的方式清晰呈現給監控人員，人機界面友好，同時監控人員簡單的操作按鍵就可將控制命令傳回服務器，實現對現場設備的監測和管理。提供用戶權限認證，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測參數及其范圍進行設置，當現場設備的參數值超出設定的正常范圍時，產生報警。如果用戶未啟動手機端監控軟件，現場設備發生異常時，監控前端設備也會主動向指定手機發送報警信息。
2 硬件設計
　用戶終端設備通過串口或無線方式連接到GPRS數據終端上，然后將數據打成IP包，再通過GPRS空中接口接入到GPRS網絡，最終通過各種網關和路由到達系統數據中心。
　本系統的終端設備硬件設計結構框圖如圖2所示，以單片機為主處理芯片，實現數據的采集、發送以及遠程控制命令的接收。

　采集到的模擬參數經過信號調理單元處理后(放大、濾波等)送入A/D轉換器，最后送入單片機。通過單片機擴展存儲器的TCP/IP協議棧打包處理，再由GPRS模塊將數據傳輸到GPRS網絡。系統采用的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
數據傳輸過程如下：(1)GPRS模塊通過串行接口從單片機獲得上傳數據；(2)處理后以GPRS分組數據的形式發送到GSM基站(BTS)；(3)分組數據經SGSN封裝后，發送到GPRS IP骨干網； (4)若分組數據是發送到另一GPRS終端，則先發送到目的SGSN，再經BSS發送到GPRS終端；若分組數據是發送到外部網絡(如Internet),則將分組數據包經GGSN進行協議轉換后，再發送到外部網絡，送達監控中心。
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議是AT命令集，除了串口發送、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、接入網關、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(網關支持節點)上動態分配到Internet網的IP地址。其間GPRS模塊與網關的通信要符合PPP點對點協議，模塊向網關發送PPP報文都會傳送到Internet網中相應的地址，而從Internet傳送過來的應答幀也同樣會根據IP地址傳送到GPRS模塊,從而實現采集數據和Internet網絡通過GPRS模塊的透明傳輸。
要注意的是，GSM網絡無靜態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，以便監測終端可以在登錄GSM網絡后通過該IP找到服務器。
　GPRS模塊登錄上GSM網絡后，自動連接到數據中心，向數據中心報告其IP地址，并保持和維護數據鏈路的連接。GPRS監測鏈路的連接情況，一旦發生異常，GPRS模塊自動重新建立鏈路，數據中心和GPRS模塊之間就可以通過IP地址通過UDP/TCP協議進行雙向通信，實現透明的可靠數據傳輸。
3.2 服務器軟件設計
服務器接收GPRS模塊傳來的數據，經過相應的處理后存入數據庫，供客戶端提取數據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協議，所以在本系統中手機與服務器之間采用HTTP通信方式來傳輸數據。在服務器Servlet中采用輸出流的方式向請求端發送數據。Servlet具有獨立于平臺和協議的特性,它擔當客戶請求與服務器響應的中間層。