1 引言
本文僅對基于GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與之相應(yīng)的嵌入式GPRS無線數(shù)據(jù)數(shù)傳設(shè)備(DTU)的應(yīng)用特征及在遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用作介紹，并以城市輸水管道的無線水壓監(jiān)測系統(tǒng)與石油管線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及PLC遠(yuǎn)程系統(tǒng)應(yīng)用等方案作分析說明。
2 先從GPRS技術(shù)的嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備(DTU)基本理念人手
DTU是構(gòu)建遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要設(shè)備，其主要功能就是為用戶的串口設(shè)備與遠(yuǎn)程的電腦之間建立一個(gè)透明的數(shù)據(jù)通道。DTU通常具有一個(gè)串行接口(UART、CAN-bus等)，工作現(xiàn)場的用戶設(shè)備通過DTU的串口與位于監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)進(jìn)行透明數(shù)據(jù)通信，從而可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。DTU按接口形式可分為RS232接口、RS485/422接口、CAN—bus接口、UART-TTL接口等。按設(shè)備形式可分為嵌入式模塊和獨(dú)立設(shè)備等。按功能劃分可分為基本型、增強(qiáng)型和低功耗型等。
2.1 DTU所具有的優(yōu)勢有三
其一、有獨(dú)具"連線時(shí)機(jī)可控"功能：在網(wǎng)絡(luò)信號不好，或者數(shù)據(jù)中心服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，目標(biāo)服務(wù)器的連接可能會(huì)變得比較困難，而普通DTU的連接時(shí)機(jī)不可控的，在這種情況下，如果DTU不斷嘗試連接，將會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)流量，增加費(fèi)用支出。而GPRS技術(shù)的DTU具有連接次數(shù)可控、連接間隔可控、以及連接中斷間隔可控功能，為用戶節(jié)約流量開銷。
其二、可支持短信配置一不用電腦也能迸行配置：當(dāng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器出現(xiàn)故障，DTU無法連接服務(wù)器時(shí)，可用手機(jī)以短信方式配置DTU，使其連接其他數(shù)據(jù)中心或使DTU復(fù)位。配置成功后，DTU會(huì)發(fā)送應(yīng)答短信，表示配置成功。
其三、支持短信和電話配置一喚醒方式更加活：當(dāng)DTU工作在空閑下線模式時(shí)，有三種方式可以喚醒DTU，使其重新連接數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。第一種是本地喚睡式，即，向DTU串口發(fā)送數(shù)據(jù)使其喚醒;后兩種是遠(yuǎn)程喚醒方式，即通過給DUT發(fā)送喚醒短信或撥打電話，使其恢復(fù)與數(shù)據(jù)中心的連接。
2.2 DTU應(yīng)用中所關(guān)心的問題
*串口設(shè)備與DTU之間如何通信，有通信協(xié)議嗎？回答：沒有。串口設(shè)備與DTU之間采用全透明方式傳輸。簡單的例子就是串口設(shè)備發(fā)出數(shù)據(jù)"1"，那么在接收端就會(huì)收到數(shù)據(jù)"1"。圖1為用戶設(shè)備與服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸過程。
圖1為用戶設(shè)備與服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸過程
那如何在計(jì)算機(jī)上獲取到DTU發(fā)出的數(shù)據(jù)。GPRS DTU發(fā)出的數(shù)據(jù)包為標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包可以在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和Intemet上傳輸，所以只要計(jì)算機(jī)能連接移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或Intemet就可以接收到DTU發(fā)出的數(shù)據(jù)包。
那如何在計(jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取。使用常見的開發(fā)平臺即可非常簡單的開發(fā)出上位機(jī)軟件。并且我們提供完整的通訊例子和源碼供用戶參考。
現(xiàn)有的系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)使用串口與設(shè)備直接通信，若希望改為無線方式，并不需要做大的改動(dòng)。使用虛擬串口方式，把遠(yuǎn)端DTU的串口虛擬成為您計(jì)算機(jī)上的串口，因此您無需對上位機(jī)軟件做任何改動(dòng)，就可以將您現(xiàn)在的有線通信方式升級為無線方式。
3 嵌入式GPRS數(shù)傳設(shè)備(DTU) 在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
3.1 電梯運(yùn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
值此以CAN—bus接口嵌入式無線數(shù)傳設(shè)備ZWG-23C型為例說明。
ZWG-23C具有CAN-bus接口的GPRS嵌入式無線數(shù)傳設(shè)備(DTU)。它可以很方便地接入到CAN BUS網(wǎng)絡(luò)中，在不需改變原有硬件結(jié)構(gòu)的前提下為CAN-bus網(wǎng)絡(luò)提供遠(yuǎn)程無線通信接口，實(shí)現(xiàn)CAN-bus網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊。其特點(diǎn)：用戶無需詳細(xì)了解CAN網(wǎng)絡(luò)知識，可支持CAN2.0A、CAN2.OB協(xié)議和支持透明轉(zhuǎn)換，內(nèi)置CAN控制器、CAN收發(fā)器，其工作溫度范圍為-20℃—+70℃，而CAN-bus支持51000Kbps共15種標(biāo)準(zhǔn)波特率,最高幀流量可達(dá)400幀/秒。
在電梯運(yùn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。如今電梯的安全使用及管理將直接關(guān)系到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，所以電梯系統(tǒng)的安全、規(guī)范和科學(xué)化管理勢在必行。
而電梯控制系統(tǒng)通常使用CAN-bus總線進(jìn)行通信,具有CAN-bus接口的ZWG-23C可以方便的接入CAN bus網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控方案(見圖2所示)，該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：能讓電梯生產(chǎn)廠商在管理中心足不出戶隨時(shí)了解電梯的運(yùn)行狀況，便于電梯后期的維護(hù);
當(dāng)?shù)仉娞萃ㄟ^GPRS及時(shí)將電梯所有故障(如：電梯停電、沖頂、撞底、超速等)主動(dòng)發(fā)送到管理機(jī)上 維修人員可以及時(shí)處理險(xiǎn)情;
在全國范圍內(nèi)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控所有出產(chǎn)的電梯，對銷售和市場情況了如指掌。圖2為具有CAN-bus接口的嵌入式GPRS數(shù)傳設(shè)備(DTU) ZWG-23C型作為電梯安全控制系統(tǒng)應(yīng)用示意圖。
圖2為嵌入式GPRS數(shù)傳設(shè)備(DTU) ZWG-23C型作為電梯安控系統(tǒng)應(yīng)用示意圖
3.2 嵌入式(智能型)無線測控設(shè)備的應(yīng)用
以嵌入式無線測控設(shè)備ZWG—5311L型為例說明
該ZWG—5311L型可用于各種物理信號的測量，并將測量結(jié)果通過GPRS通信方式發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。可以輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集功能，節(jié)省大量人力物力和寶貴的時(shí)間。
其特性為：有對電流、電壓、電阻、溫度、壓力等豐富的采集方式;可設(shè)置采樣值觸發(fā)上線、定時(shí)上線等靈活的上線機(jī)制;具有對GPRS數(shù)據(jù)報(bào)警、短信報(bào)警等多重報(bào)警方式;為5V—35V寬范圍供電，雙電源冗余的高可靠電源與<1mA低功耗休眠電流;支持本地、遠(yuǎn)程和短信配置而且配置便捷。
在石油管線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
石油生產(chǎn)及輸送設(shè)施是國家的命脈，但是卻一直被不法分子竊取破壞，造成了很大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。所以對石油設(shè)施的安全監(jiān)控成為政府和企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急，以往的監(jiān)控需要耗費(fèi)大量人力進(jìn)行巡檢，而且還存在反應(yīng)不及時(shí)、易漏檢的問題。
采用遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備后，相關(guān)工作人員可以實(shí)時(shí)了解到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，比如壓力、溫度等參數(shù)。并且可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備中設(shè)置報(bào)警值，如果管線出現(xiàn)異常情況，設(shè)備將啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制，監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)會(huì)收到相應(yīng)的報(bào)警數(shù)據(jù)包，同時(shí)工作人員的手機(jī)也會(huì)收到相關(guān)的報(bào)警短信，大大的提高了系統(tǒng)的可靠性。
此外該設(shè)備還具有低功耗休眠的功能，完全適合野外電池供電的場合。該系統(tǒng)同樣適用于城市供水、供暖等系統(tǒng)。圖3(a)為石油管線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)示意圖.
圖3(a) 為石油管線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)示意圖
在城市輸水管道的無線水壓監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例
對城市輸水管道進(jìn)行監(jiān)控。一旦管道出現(xiàn)破損，第一時(shí)間判斷出管道受損位置及指示維修隊(duì)伍立即趕到現(xiàn)場。如下圖3(b)，在每個(gè)井內(nèi)安裝一個(gè)監(jiān)測水壓的無線設(shè)備，除了正常向數(shù)據(jù)中心報(bào)告水壓數(shù)據(jù)外，一旦水壓超過預(yù)定上限值或低干預(yù)定下限或是變化超過預(yù)定時(shí)，立即報(bào)警。圖3(b)為輸水管道的無線水壓監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用示意圖。
圖3(b) 為輸水管道的無線水壓監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用示意圖
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如ZWG—23DP/ZWG—23DPS型。DTU是構(gòu)建遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要設(shè)備，其主要功能就是為用戶的串口設(shè)備與遠(yuǎn)程的電腦之間建立一個(gè)透明的數(shù)據(jù)通道。ZWG-23DP是一款嵌入式GPRS無線數(shù)傳模塊，它具有小巧的體積和靈活的應(yīng)用方式，可以非常方便的嵌入到用戶的設(shè)備中，使您的設(shè)備具有GPRS無線通信功能。該模塊同時(shí)提供配置串口和通信串口，使用便捷。ZWG-23DPS在ZWG-23DP的基礎(chǔ)上增加I/O和AD功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
嵌入式GPRS無線數(shù)傳模塊DTU在電力抄表中的應(yīng)用
電力載波集中器通過電力貓定期讀取載波電表的用電量(即：抄表)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議封包和加密。前期處理工作完成后，集中器開始檢測GPRS DTU在線狀態(tài)(通過檢查串口DCD上線指示信號是否為低電平)，當(dāng)檢測到上線后，即可通過DTU向管理工作站的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后返回應(yīng)答信號，并進(jìn)行下一步處理。
整個(gè)過程中，集中器不需要對DTU進(jìn)行任何撥號操作和其它額外的狀態(tài)機(jī)管理，只需檢查DTU是否在線，即：是否和服務(wù)器保持連接。完全可以把DTU當(dāng)成一個(gè)"無線的串口"來使用，這個(gè)"無線串口"沒有任何協(xié)議，完全透明傳輸。可以根據(jù)用戶的要求對產(chǎn)品的接口形式和功能進(jìn)行修改。圖4為嵌入式DTU在電力抄表中的應(yīng)用方案示意圖.
圖4 嵌入式DTU在電力抄表中的應(yīng)用方案示意圖
5 基于GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的PLC遠(yuǎn)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
利用GPRS技術(shù)無線通信的優(yōu)點(diǎn),并結(jié)合PLC在工業(yè)控制上抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)勢,可應(yīng)用于等實(shí)時(shí)遙控系統(tǒng)領(lǐng)域。值此以一個(gè)對海上的燈塔迸行實(shí)時(shí)遙控系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案為例作分析。
5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
PLC遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)遙控系統(tǒng)由系統(tǒng)用戶監(jiān)控中心和通信網(wǎng)絡(luò)與終端設(shè)備組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)湟妶D5所示。PLC遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)遙控系統(tǒng)分布上由GPRS終端設(shè)備和中心服務(wù)軟件組成,系統(tǒng)通過配置可以對多個(gè)設(shè)備迸行狀態(tài)和數(shù)據(jù)監(jiān)控,也可以通過中心服務(wù)軟件僅對單個(gè)終端設(shè)備迸行遠(yuǎn)程調(diào)試和通信數(shù)據(jù)的應(yīng)答和轉(zhuǎn)發(fā)。
圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D
GPRS終端設(shè)備的設(shè)計(jì)
GPRS終端設(shè)備通過通信口與PLC現(xiàn)場設(shè)備連接,它負(fù)責(zé)采集PLC設(shè)備的各種信息數(shù)據(jù),并通過IP鏈路方式或GSM短信方式送至系統(tǒng)監(jiān)控中心或控制手機(jī)。另外，將控制手機(jī)或系統(tǒng)中心服務(wù)軟件發(fā)送過來的各種有效的控制指令和PLC遠(yuǎn)程調(diào)試關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)送給現(xiàn)場PLC設(shè)備。
而GPRS終端設(shè)組成包括嵌入式GPRS通信模塊、MCU處理模塊及其它附屬部件。GPRS終端設(shè)備是監(jiān)控中心服務(wù)器迸行業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)交互的接口，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和指令執(zhí)行部分，完成將PLC工作的實(shí)時(shí)上傳和接收來自監(jiān)控中心的各種命令的執(zhí)行工作。而GPRS終端硬件模塊主要包括電源變換模塊、嵌入式GPRS通信模塊、MCU微處理器模塊、PLC控制模塊和現(xiàn)場顯示控制觸摸智屏。其硬件結(jié)構(gòu)見圖6所示。
圖6 終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)組成
嵌入式GPRS數(shù)據(jù)通信模塊將從監(jiān)控中心接收的數(shù)據(jù)送給MCU微處理器，MCU微處理器根據(jù)數(shù)據(jù)的類型迸行相應(yīng)的處理，對于需要轉(zhuǎn)給PLC的數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制模塊。
同時(shí)MCU微處理器將從PLC控制模塊中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理并由嵌入式GPRS模塊發(fā)送給監(jiān)控中心。觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并可以進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)定設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)。
由于GPRS終端設(shè)備不同的模塊所需要的電源參數(shù)不同，因此，需要利用電源變換模塊將輸入電源變換為不同的電壓輸入給相應(yīng)的處理模塊以滿足其正常的工作。
關(guān)于系統(tǒng)中心服務(wù)軟件
系統(tǒng)中心服務(wù)軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心,其將來自GPRS終端設(shè)備的各種指令信息、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給終端狀態(tài)監(jiān)控軟件,接收來自終端狀態(tài)軟件的查詢指令并發(fā)送給遠(yuǎn)程的GPRS終端設(shè)備。
5.2系統(tǒng)的運(yùn)行
GPRS終端設(shè)備將采集的各種信息數(shù)據(jù)按照設(shè)定的協(xié)議送到系統(tǒng)中心服務(wù)軟件或用戶監(jiān)控手機(jī)上, 系統(tǒng)中心服務(wù)軟件判斷收到的數(shù)據(jù)是監(jiān)控還是調(diào)試轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),按照不同的要求將數(shù)據(jù)迸行相應(yīng)的處理,并根據(jù)設(shè)定的要求迸行接收確認(rèn)。同時(shí)系統(tǒng)中心服務(wù)軟件也可以按照操作人員的要求配置參數(shù),有選擇的查詢必要的終端設(shè)備信息。
當(dāng)系統(tǒng)迸行遠(yuǎn)程調(diào)試應(yīng)用時(shí),系統(tǒng)中心服務(wù)軟件可以對PLC已知的應(yīng)答軟件迸行自動(dòng)在線保持,僅將關(guān)鍵數(shù)據(jù)迸行遠(yuǎn)程傳輸?shù)紾PRS終端設(shè)備迸行數(shù)據(jù)請求，同時(shí)GPRS終端設(shè)備對已請求到的設(shè)備指令發(fā)送到系統(tǒng)中心服務(wù)軟件，系統(tǒng)中心服務(wù)軟件再通過串口轉(zhuǎn)發(fā)送給遠(yuǎn)程調(diào)試軟件。
其中, 關(guān)鍵數(shù)據(jù)指令的交互周期和等待周期可以由系統(tǒng)軟件配置。這既可以有效的節(jié)省數(shù)據(jù)通信的流量,又可以保證軟件調(diào)試的穩(wěn)定性。
5.3系統(tǒng)優(yōu)勢
該基于GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的PLC遠(yuǎn)程技術(shù)可應(yīng)用于海上燈塔遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，因?yàn)榻o出了數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性關(guān)鍵問題的解決方法，通過應(yīng)用GPRS無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PLC遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)試。給工作人員對觀察燈塔設(shè)備運(yùn)行的工作狀態(tài)帶來了極大的方便，也十分有利于對燈塔設(shè)備的異地控制和維護(hù)。
6 結(jié)束語
上述僅是基于GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之相應(yīng)的嵌入式無線設(shè)備在遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用的幾種應(yīng)用事例,但實(shí)際上它已經(jīng)被廣泛使用于安防、市政、電梯、電力、金融、氣象、交通、汽車、煤礦石油等應(yīng)用領(lǐng)域的通信方式，它基于移動(dòng)運(yùn)營商現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸對象可以是GPRS設(shè)備之間或者是GPRS設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)上的設(shè)備之間。
通過這種方式，可以分布在全國各地?zé)o論遠(yuǎn)近的設(shè)備，非常方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、無線、網(wǎng)絡(luò)化的通信。
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