基于GPRS网络技术与之相应的嵌入式无线设备在远程安全监控中的应用

1、    基于GPRS网络技术与之相应的嵌入式无线设备在远程安全监控中的应用    基于GPRS网络技术与之相应的嵌入式无线设备在远程安全监控中的应用    类别：通信网络      1 前言 传统的工业无线通信往往面临新的挑战，那就是：为分布各地的设备如何联网而烦恼、为延绵数公里的通信线缆如何铺设而费神、为如何与移动的设备通信而苦恼、是否能对分布在现场的仪器仪表迸行远程智能监控、是否能对改变现有的通信方式而无需大动干

2、戈等。 而如今的基于GPRS网络技术与嵌入式设备或模块的远程监控技术带来了的机迂可应对上述挑战。这是因为随着无线通信技术的发展，GPRS产品在数据传输领域的应用日益广泛。尤其是嵌入式GPRS设备或模块的出现，更加促进了GPRS通信方式的应用及其业务的发展。 因通过GPRS无线网络技术，可实现现场信号的实时无线传输，用户可通过因特网，访问GPRS服务器，随时查看现场数据。GPRS是通用分组无线业务，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务。GPRS理论带宽可达171.2kb/s，实际应用带宽约70kb/s，在此信道上提供TCP/IP连接，可用于Internet连接、数据传输等应用。GPRS

3、采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可由多个用户共享，资源被有效的利用，数据传输速率高达171.2kb/s。这项技术可使我国在线分析的应用水平提高一个台阶，从而可达到国际水平，为生产装置创造更大的经济效益。 为此，本文仅对基于GPRS网络技术与之相应的嵌入式GPRS无线数据数传设备(DTU)的应用特征及在远程安全监控中的应用作介绍，并以城市输水管道的无线水压监测系统与石油管线远程安全监控系统及PLC远程系统应用等方案作分析说明。 2 先从GPRS技术的嵌入式无线数据传输设备(DTU)基本理念人手 DTU是构建远程无线数据采集系统的重要设备，其主要功能就是为用户的串口

4、设备与远程的电脑之间建立一个透明的数据通道。DTU通常具有一个串行接口（UART、CAN-bus等），工作现场的用户设备通过DTU的串口与位于监控中心的计算机进行透明数据通信，从而可以实现设备的远程监控。DTU按接口形式可分为RS232接口、RS485/422接口、CAN-bus接口、UART-TTL接口等。按设备形式可分为嵌入式模块和独立设备等。按功能划分可分为基本型、增强型和低功耗型等。 2.1 DTU所具有的优势 (1)有独具“连线时机可控”功能。在网络信号不好，或者数据中心服务器出现故障时，目标服务器的连接可能会变得比较困难，而普通DTU的连接时机不可控时，在这种情况下，如果DTU不断

5、尝试连接，将会产生大量数据流量，增加费用支出。而GPRS技术的DTU具有连接次数可控、连接间隔可控、以及连接中断间隔可控功能，为用户节约流量开销。 (2)可支持短信配置不用电脑也能迸行配置。当数据中心服务器出现故障，DTU无法连接服务器时，可用手机以短信方式配置DTU，使其连接其他数据中心或使DTU复位。配置成功后，DTU会发送应答短信，表示配置成功。 (3)支持短信和电话配置唤醒方式更加活。当DTU工作在空闲下线模式时，有三种方式可以唤醒DTU，使其重新连接数据中心服务器。第一种是本地唤醒式，即，向DTU串口发送数据使其唤醒；后两种是远程唤醒方式，即通过给DUT发送唤醒短信或拨打电话，使其恢

6、复与数据中心的连接。 2.2 DTU应用中所关心的问题 串口设备与DTU之间如何通信，有通信协议吗？回答：没有。串口设备与DTU之间采用全透明方式传输。简单的例子就是串口设备发出数据“1”，那么在接收端就会收到数据“1”。图1为用户设备与服务器数据传输过程。 图1 用户设备与服务器数据传输过程 如何在计算机上获取到DTU发出的数据。GPRS DTU发出的数据包为标准的TCP/IP网络数据包，该数据包可以在移动网络和Intemet上传输，所以只要计算机能连接移动网络或Intemet就可以接收到DTU发出的数据包。 如何在计算机上编程实现数据的获取。使用常见的开发平台即可非常简单的开发出上位机软件

7、。并且提供完整的通讯例子和源码供用户参考。 现有的系统是计算机使用串口与设备直接通信，若希望改为无线方式，并不需要做大的改动。使用虚拟串口方式，把远端DTU的串口虚拟成为计算机上的串口，因此无需对上位机软件做任何改动，就可以将现在的有线通信方式升级为无线方式。 3 嵌入式GPRS数传设备(DTU)在远程监控系统中的应用 3.1 电梯运行远程监控系统中的应用 值此以CAN-bus接口嵌入式无线数传设备ZWG-23C型为例作说明。 ZWG-23C具有CAN-bus接口的GPRS嵌入式无线数传设备(DTU)。它可以很方便地接入到CAN BUS网络中，在不需改变原有硬件结构的前提下为CAN-bus网络

8、提供远程无线通信接口，实现CAN-bus网络与远程计算机之间的数据通讯。其特点是：用户无需详细了解CAN网络知识，可支持CAN2.0A、CAN2.OB协议和支持透明转换，内置CAN控制器、CAN收发器，其工作温度范围为-20+70，而CAN-bus支持51000Kbps共15种标准波特率，最高帧流量可达400帧/秒。 在电梯运行远程监控系统中的应用。如今电梯的安全使用及管理将直接关系到人民的生命财产安全，所以电梯系统的安全、规范和科学化管理势在必行。而电梯控制系统通常使用CAN-bus总线进行通信,具有CAN-bus接口的ZWG-23C可以方便的接入CAN bus网络中，实现电梯运行远程监控方

9、案（见图2所示），该系统具有如下优点：能让电梯生产厂商在管理中心足不出户随时了解电梯的运行状况，便于电梯后期的维护；当地电梯通过GPRS及时将电梯所有故障（如：电梯停电、冲顶、撞底、超速等）主动发送到管理机上，维修人员可以及时处理险情；在全国范围内联网监控所有出产的电梯，对销售和市场情况了如指掌。图2为具有CAN-bus接口的嵌入式GPRS数传设备(DTU) ZWG-23C型作为电梯安全控制系统应用示意图。 图2 嵌入式GPRS数传设备(DTU) ZWG-23C型作为电梯安全控制系统应用示意图 3.2 嵌入式(智能型)无线测控设备的应用 (1)以嵌入式无线测控设备ZWG5311L 该ZWG-5

10、311L型可用于各种物理信号的测量，并将测量结果通过GPRS通信方式发送至远程数据中心。可以轻松实现远程数据采集功能，节省大量人力物力和宝贵的时间。其特性为：具有对电流、电压、电阻、温度、压力等丰富的采集方式；可设置采样值触发上线、定时上线等灵活的上线机制；具有对GPRS数据报警、短信报警等多重报警方式；为5V-35V宽范围供电，双电源冗余的高可靠电源与<1mA低功耗休眠电流；支持本地、远程和短信配置而且配置便捷。 (2)在石油管线远程安全监控系统中的应用 石油生产及输送设施是国家的命脉，但是却一直被不法分子窃取破坏，造成了很大的生命和财产损失。所以，对石油设施的安全监控成为政府和企业的

11、当务之急。以往的监控需要耗费大量人力进行巡检，而且还存在反应不及时、易漏检的问题。采用远程监控设备后，相关工作人员可以实时了解到各个节点的信息，比如压力、温度等参数。并且可以在远程监控设备中设置报警，如果管线出现异常情况，设备将启动报警机制，监控中心的计算机会收到相应的报警数据包，同时工作人员的手机也会收到相关的报警短信，大大提高了系统的可靠性。此外，该设备还具有低功耗休眠功能，完全适合野外电池供电的场合。该系统同样适用于城市供水、供暖等系统。图3(a)为石油管线远程安全监控系统示意图。 (a) 石油管线远程安全监控系统示意图 (b) 输水管道的无线水压监测系统应用示意图 图3 (3)在城市输

12、水管道的无线水压监测系统应用实例 对城市输水管道进行监控，一旦管道出现破损，第一时间判断出管道受损位置及指示维修队伍立即赶到现场。在每个井内安装一个监测水压的无线设备，除了正常向数据中心报告水压数据外，一旦水压超过预定上限值或低于预定下限或是变化超过预定时，立即报警。图3(b)为输水管道的无线水压监测系统应用示意图。 4 嵌入式GPRS无线数传模块的应用 如ZWG-23DP/ZWG-23DPS型。DTU是构建远程无线数据采集系统的重要设备，其主要功能就是为用户的串口设备与远程的电脑之间建立一个透明的数据通道。ZWG-23DP是一款嵌入式GPRS无线数传模块，它具有小巧的体积和灵活的应用方式，可

13、以非常方便的嵌入到用户的设备中，使设备具有GPRS无线通信功能。该模块同时提供配置串口和通信串口，使用便捷。ZWG-23DPS在ZWG-23DP的基础上增加I/O和AD功能，可实现远程控制。 嵌入式GPRS无线数传模块DTU在电力抄表中的应用。电力载波集中器通过电力猫定期读取载波电表的用电量（即：抄表），并将数据进行协议封包和加密。前期处理工作完成后，集中器开始检测GPRS DTU在线状态（通过检查串口DCD上线指示信号是否为低电平），当检测到上线后，即可通过DTU向管理工作站的数据中心服务器发送数据。服务器收到数据后返回应答信号，并进行下一步处理。整个过程中，集中器不需要对DTU进行任何拨号

14、操作和其它额外的状态机管理，只需检查DTU是否在线，即是否和服务器保持连接。完全可以把DTU当成一个“无线的串口”来使用，这个“无线串口”没有任何协议，完全透明传输。可以根据用户的要求对产品的接口形式和功能进行修改。图4为嵌入式DTU在电力抄表中的应用方案示意图。 图4 嵌入式DTU在电力抄表中的应用方案示意图 5 基于GPRS网络技术的PAC远程系统设计方案 利用GPRS技术无线通信的优点，并结合PAC在工业控制上抗干扰性强的优势，可应用于实时遥控系统领域。值此以一个对海上的灯塔迸行实时遥控系统的具体设计方案为例作分析。 5.1 系统结构组成 PAC远程实时遥控系统由系统用户监控中心和通信网

15、络与终端设备组成。其系统结构拓扑见图5所示。PLC远程实时遥控系统分布上由GPRS终端设备和中心服务软件组成，系统通过配置可以对多个设备迸行状态和数据监控，也可以通过中心服务软件仅对单个终端设备迸行远程调试和通信数据的应答和转发。 图5 系统结构拓扑图 (1)GPRS终端设备的设计 GPRS终端设备通过通信口与PAC现场设备连接，它负责采集PLC设备的各种信息数据，并通过IP链路方式或GSM短信方式送至系统监控中心或控制手机。另外，将控制手机或系统中心服务软件发送过来的各种有效控制指令和PAC远程调试关键数据发送给现场PAC设备。 而GPRS终端设备组成包括：嵌入式GPRS通信模块、MCU处理

16、模块及其它附属部件。GPRS终端设备是监控中心服务器迸行业务、数据交互的接口，是系统数据采集和指令执行部分，完成将PLC工作的实时上传和接收来自监控中心的各种命令的执行工作。而GPRS终端硬件模块主要包括电源变换模块、嵌入式GPRS通信模块、MCU微处理器模块、PAC控制模块和现场显示控制触摸屏。其硬件结构见图6所示。 图6 终端设备硬件结构组成 嵌入式GPRS数据通信模块将从监控中心接收的数据送给MCU微处理器，MCU微处理器根据数据的类型迸行相应的处理，对于需要转给PAC的数据传输给PAC控制模块。同时MCU微处理器将从PAC控制模块中得到的数据进行相应的处理，并由嵌入式GPRS模块发送给

17、监控中心。触摸屏实时监视系统和设备的运行状态，并可以进行现场设定设备运行的参数。由于GPRS终端设备不同的模块所需要的电源参数不同，因此，需要利用电源变换模块将输入电源变换为不同的电压输入给相应的处理模块，以满足其正常的工作。 (2)关于系统中心服务软件 系统中心服务软件是整个系统的核心，其将来自GPRS终端设备的各种指令信息、数据转发给终端状态监控软件，接收来自终端状态软件的查询指令并发送给远程的GPRS终端设备。 5.2 系统的运行 GPRS终端设备将采集的各种信息数据，按照设定的协议送到系统中心服务软件或用户监控手机上，系统中心服务软件判断收到的数据是监控还是调试转发数据，按照不同的要求

18、将数据迸行相应的处理，并根据设定的要求迸行接收确认。同时，系统中心服务软件也可以按照操作人员的要求配置参数，有选择的查询必要的终端设备信息。当系统迸行远程调试应用时，系统中心服务软件可以对PLC已知的应答软件迸行自动在线保持，仅将关键数据迸行远程传输到GPRS终端设备迸行数据请求，同时GPRS终端设备对已请求到的设备指令发送到系统中心服务软件，系统中心服务软件再通过串口转发给远程调试软件。其中，关键数据指令的交互周期和等待周期可以由系统软件配置。这既可以有效的节省数据通信的流量，又可以保证软件调试的稳定性。 5.3 系统优势 该基于GPRS网络技术的PAC远程技术可应用于海上灯塔遥控系统设计方案，因为给出了数据传输实时性和可靠性关键问题的解决方法，通