基于GPRS技术的中波台远程监控系统设计

摘要：随着通信技术的发展，无线通信网络在工业数据传输中的应用日益增多。目前在工业数据传输领域大多采用有线的通信方式进行，虽然经济实用，但在很大程度上限制了应用场合的拓展。GPRS网络具有网络覆盖率高、永远在线等优势，使远距离的数据传输实现更灵活方便，已广泛应用于电力、铁路、石油等行业，这必将成为工业控制及远程监测等领域的发展趋势。本文阐述了GPRS技术在中波台远程监控系统的设计，实现了数据中心与传输终端的数据透明传输。
关键词：通用分组无线业务技术；中波台；数据终端；远程

1 概述
1．1 GPRS概述
    GPRS作为移动通信2．5代的技术，是GSM移动电话系统向第三代移动通信迈进的一个重要步骤。GPRS是通用分组无线业务(General Pac-ket Radio Service)的简称，它突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。
    GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。2002年5月17日世界电信日，中国移动正式推出了GPRS的试商用，至今覆盖率已接近GSM网。
1．2 GPRS技术特点
    覆盖面广-目前GPRS信号已经基本覆盖所有GSM网络，偏远地区已不再成为数据传输的盲区；
    永远在线-不象传统拨号上网那样，断线后需要重新拨号，才能上网冲浪。客户随时都与网络保持联系，即使没有数据传送时，客户仍然在网上与网络之间还保持一种连接；
    可靠传输-系统具有纠错、重发机制，保证数据的完整性和正确性；
    数据安全-系统在数据传输过程中提供了加密机制，数据可以安全在公网上传输；
    快速登录-连接时间很快。GPRS无线终端一开机，就已经与GPRS网络建立了连接，每次登录互联网，只需要一个激活过程，一般仅需1到3秒；
    高速传输-由于GPRS网络采取了先进的分组交换技术，数据传输最高理论值可达171．2kb／s；
    按量收费-GPRS网络按照客户接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时，客户即使在线，也不收费；
    可移动性-企业对系统所有设备有自主权，无需与运营商交涉，可以自由分配；
    自动恢复-系统具有自动拨号、断点续传功能，在GPRS网络状况不稳定时，保证系统稳定工作，无需人为干预；
    无人职守-系统实现了双向传输，可以达到远程控制，实现无人职守；
    便捷通用-系统可以直接与专业数据采集设备相连，无需二次开发；
    数据备份-系统可以在不可抗力下所造成的损坏提供数据存储；
    透明传输-系统针对专业数据传输的特殊性设计，适合野外恶劣环境安装。
1．3 GPRS系统结构
    由于GPRS是GSM系统中提供分组业务的一种方式，所以它能广泛应用于IP域。其移动终端通过GSM网络提供的寻址方案和运营商的具体网间互通协议实现全球网间通信。
    GPRS网络是在现有GSM网络中增加GGSN和SGSN来实现的，使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。其系统结构如图l所示。


    GPRS在一个发送实体和一个或多个接收实体之间提供数据传送能力。这些实体可以是移动用户或终端设备，后者被连接到一个GPRS网络或一个外部的数据网络。
    GPRS是基于现有的GSM网络实现的，需要在现有的GSM网络中增加一些节点：网关GPRS支持节点GGSN,(Gateway GPRS Supporting Node)、服务GPRS支持节点SGSN(serring GPRS Supporting Node)。GGSN在GPRS网络和公用数据网之间起关口站的作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN和LAN等。SGSN记录移动台的当前位置信息，并在移动台和各种数据网络之间完成移动分组数据的发送和接收，为服务区内所有用户提供双向的分组路由。系统共用GSM基站，但基站要进行软件更新，并采用新的GPRS移动台。GPRS要增加新的移动性管理程序，通过路由器实现GPRS骨干网互联。
1．4 GPRS无线数据传输原理
    利用GPRS数据传输网络进行现场数据的监测。在工业现场利用各种传感器进行信号采集或对设备已存在的数据或模拟信号进行分析，GPRS Modem可通过标准RS232接口与各种数据采集仪器仪表相连。在正常工作模式下GPRS传输模块将仪器仪表的数据通过移动通信分组网络(GPRS网络)传递给数据管理服务器，数据服务器可通过DDN专线、ADSL、ISDN连接等形式连接到企业内部网络上，在控制中心的服务器上建立一个中央数据库，对收到的数据进行整理贮存，产生相应的报表和指示。并可以在其上开发分析决策模块，判断要监控对象的工作状态(如是否正常工作，有何异常事件)，并对该情况作出相应指令，传回数据终端侧执行，或通过短信发送给管理和维护人员。从而实现了对现场设备运行状态的实时监控，实现了数据在人员、控制中心和设备间的互通互传，使技术人员和管理人员无论在任何地方都可以得到每个监控点的数据，并可以进行及时响应。
    GPRS无线数据处理原理图，如图2所示。


    数据中心接入互联网，通过Soeket通讯与GPRSmodem建立TCP或UDP连接。GPRS modem通过PPP拨号方式与基站建立连接，通过身份验证，获得IP地址，并接入Internet。GPRS Modem从串口获得数据采集终端的数据，以UDP或TCP包形式发送至数据中心，并将数据中心下传的UDP或TCP包转换为串口数据传至终端设备。

2 基于GPRS技术的中波台远程监控系统设计
    随着广播事业的发展，新闻媒体的竞争，广播听众对广播播出的要求日益提高，如何保证广播节目安全优质的播出，成为所有广播发射台的头等大事。运用新技术手段是保证系统正常运行重要手段。
2．1 基于GPRS技术的中波台远程监控系统组成
    系统主要由三大部分组成：终端检测设备、现场DTU和数据中心。
    终端设备是通过可编程逻辑控制器PLC是以微处理器为核心的自动控制装置，具有体积小、速度快、功能强、使用灵活、编程方便等特点，而且还能适应高温、振动冲击、强电子干扰等恶劣的工业环境。它不但能处理开关量，还能处理模拟量，而且还具有计算机通信功能，从而组成分布式控制网络。
    现场DTU是通过CMNET方式接入互联网，负责从接收数据中心发来的命令数据包，通过串口RS232将数据发给终端检测设备并接收终端检测设备的数据，再数据中心返回相关操作结果数据包。
    数据中心是基于TCP／IP网络协议的桌面客户端应用程序，与现场DTU一起构成C／S结构网络通信系统。它的工作流程是：首先，使用TCP协议向现场 DTU发送建立连接的数据包，经“三次握手”后，建立TCP连接，开始全双工模式的数据传输过程。数据中心程序在系统中的作用是，提供操作界面，数据中心的技术操作员可以通过它发送一些操作指令，如终端设备自检参数信息、重新启动终端设备和进行设备自检等，同时从数据中心接收终端检测设备发来的设备信息，通过对返回的参数信息进行分析，判断出设备是否存在故障。
    数据中心具有网络管理安全、高效，通过对上位机IP地址和网络数据库的设置，即可完成局域网内固定用户的浏览，同时，通过设置带宽固定IP、安装阻态软件，可以在Internet网上查看发射机运行情况，方便上级领导对发射台的管理。
2．2 控制系统功能
    (1)短信及数据中心开启发射机(也可通过数据中心预设临时播出时间进行自动开关发射机)。
    (2)短信及数据中心输出关机指令，2分钟内无信号时自动关闭发射机，有节目延长时要等到延长节目结束后无信号时才自动关机。
    (3)发射机发生故障时，20秒内自动倒备用发射机，并进行短信及数据中心报警。
    (4)主接收信号无信号时，并进行短信及数据中心报警，短信及数据中心倒备用接收信号。
    (5)备用信号故障时进行短信或GPRS报警，以防备用信号备不上的情况发生。
    (6)发射机供电电源中断再来电时，自动快开停电前所使用的发射机。
    (7)对发射机的模拟量，开关量进行采集。
    (8)发射机发生故障时进行声光报警。
2．3 监测显示系统功能
    (1)主控窗口：在上位机主控窗口中用数字实时显示每部发射机运行的工作频率及主要参数如功率、电压、电流的大小，主控窗口中没有人机对话功能，根据不同的权限可以打开不同的窗口。
    (2)信号监测功能：在主控窗口中用不同颜色光柱实时显示主备接收信号及输出信号调幅度大小。
    (3)工况图，实时显示每部发射机各取样点的工作情况，正常时用绿灯显示，故障时闪显故障部位并报警。
    (4)在上位机数据库中每隔一分钟记录发射机运行的主要参数，如三相电源、主整电压、功率、调幅度大小等，并可随时查询历史数据。
    (5)故障记录模块：对每部发射机的模拟量及开关量故障发生时间以及故障恢复时间进行记录，提高了故障记录的准确度。
    (6)历史曲线数据查询，上位机以图形方式实时显示发射机的模拟量数值，主要参数如三相电源、功率、主整电压、电流、调幅度等，直观明了、真实可靠，将人为因素降到最低，准确记录并显示故障发生时间。
    (7)报表打印功能，可设定间隔时间对发射机主要运行参数进行记录，根据实际情况随时进行打印。
    (8)参数设定模块：主要设定开关机时间、对不同发射机频率可以预置不同的开关机时间，也可以进行临时播出时间的设置。
    (9)用户管理模块：根据不同用户的权限设置不同的操作范围。
    (10)信息模块：为了加快值班员安全意识，提高值班人员技术水平，在信息模块中开辟了值机注意事项，应知应会等栏目，值班员可随时打开学习。
2．4 监测模板功能
    (1)检测PLC输出指令情况，并完成PLC故障情况下的开关机，提高系统的可靠性。
    (2)准确记录发射机故障部位，帮助维修人员分析故障，缩短维修时间，降低停播率。
    (3)对发射机的软、硬故障进行记录报警，提醒维修人员注意查看发射机故障隐患，使故障消灭在萌芽状态。
    (4)模拟发射机工作，解决只有在深夜停播后才能上机调试程序的困难，大大缩短程序调试时间。
2．5 电源监测模板功能
    (1)PLC对双路三相电源进行实时监测，在控制室内显示发射机所用电源及另一路电源的工作情况，以防发生备用电源备不上的问题。
    (2)PLC对三相电源的软故障进行记录并报警，提醒维修人员察看故障隐患。
    (3)PLC三相电源发生硬故障时进行快报警，并显示出是哪一相电源的问题，缩短维修时间。

3 结束语
    基于GPRS技术中波台监控系统可以高效快速获取远程中波台设备的运行状况，远程控制设备开关以及切换，及时获取设备的故障情况。为了适应事业发展和设备增加更新的要求，系统在硬件和软件上都留有扩展接口，中波机房自动化监控系统的完成对提高发射技术装备水平，减少操作事故，减轻值班人员的劳动强度和负担，为机房“无人值机，有人值守”新工作模式奠定了坚实的基础。