GPRS在遠(yuǎn)程監(jiān)控地鐵振動中的應(yīng)用

吳幫明，伍川輝

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

1 引 言

利用GPRS覆蓋廣、高效、經(jīng)濟(jì)的突出特點，該文介紹了一種采用GPRS通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，可供多用戶對車輛狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)控的系統(tǒng)，著重介紹了基于GPRS的組網(wǎng)方式和以C++Builder為開發(fā)平臺快速組建服務(wù)器、監(jiān)控端的軟件編程方法。

2 GPRS技術(shù)與組網(wǎng)方式

GPRS的理論帶寬171.2 Kb/s，實際帶寬約40~100 Kb/s，分組交換接入時間少于1 s，能夠提供快速即時的TCP/IP連接，它具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、計價按流量計算、實時在線的優(yōu)點，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸，完全滿足數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控的雙向數(shù)據(jù)信息傳輸。GPRS傳輸系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器接入Internet的不同方式，基于GPRS的傳輸系統(tǒng)有以下4種應(yīng)用組網(wǎng)方案：

圖1 GPRS傳輸系統(tǒng)示意圖

（1）數(shù)據(jù)中心服務(wù)器直接使用固定的IP地址；

（2）數(shù)據(jù)中心服務(wù)器沒有合法的IP地址，但連接的路由器有固定合法的IP地址；

（3）數(shù)據(jù)中心服務(wù)器采用動態(tài)IP地址；

（4）數(shù)據(jù)中心服務(wù)器通過專線方式直接連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)。

該文應(yīng)用的是第3種組網(wǎng)方式。這種組網(wǎng)方式的服務(wù)器端沒有固定的IP址，它通過ADSL等調(diào)制解調(diào)器連接到Internet獲得動態(tài)IP地址，這時服務(wù)器端就需要安裝動態(tài)域名解析服務(wù)程序，GPRS模塊上的服務(wù)端IP和端口號設(shè)置為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的域名和偵聽端口號。

采用這種方案，首先要聯(lián)系DNS服務(wù)商申請一個域名，服務(wù)器端接入Internet后，與DNS服務(wù)器進(jìn)行連接，將當(dāng)前獲得的動態(tài)IP報告給DNS服務(wù)器。GPRS模塊上電后，首先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到服務(wù)器公網(wǎng)動態(tài)IP，這樣就可以在兩者之間建立通信。

對于一些應(yīng)用相對簡單、終端數(shù)量的容量和實時性要求不高或者運行經(jīng)費有限的應(yīng)用，可采用動態(tài)IP的簡單網(wǎng)絡(luò)模式。

3 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器端和用戶監(jiān)控端3個單元組成。數(shù)據(jù)采集端的微處理器通過串口和GPRS模塊連接,將經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)（如振動加速度、位移、應(yīng)力等）按規(guī)定的協(xié)議組合為報文，通過GPRS模塊經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到Internet上具有IP地址的服務(wù)器上。服務(wù)器端通過網(wǎng)絡(luò)編程接收從Internet上發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)發(fā)給用戶監(jiān)控端。用戶監(jiān)控端也是通過網(wǎng)絡(luò)編程接收從服務(wù)器端發(fā)來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后將數(shù)據(jù)直觀地顯示在界面上，完成實時監(jiān)控。

對于開發(fā)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，監(jiān)控軟件只能自主開發(fā)，沒有現(xiàn)成的軟件可以使用。另外，該軟件自主開發(fā)后，對于系統(tǒng)后期優(yōu)化和調(diào)整以及升級換代較為有利。

4 監(jiān)控軟件設(shè)計與實現(xiàn)

服務(wù)器端軟件的主要功能是從網(wǎng)絡(luò)上接收來自GPRS模塊或監(jiān)控端傳來的數(shù)據(jù)報文，并解析報文得到原始數(shù)據(jù)，再根據(jù)使用需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理；監(jiān)控端軟件的主要功能是接受來自服務(wù)器端傳來的數(shù)據(jù)報文并進(jìn)行分析處理實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

編寫軟件使用的是C++Builder自帶的SrverSocket控件和ClientSocket控件，它們使用Socket（套接字）來實現(xiàn)信息的傳輸，利用這兩個控件就能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程。

4.1 服務(wù)器端軟件的實現(xiàn)

添加一個服務(wù)端Socket控件ServerSocket到Form就使應(yīng)用成為一個TCP/IP服務(wù)器。服務(wù)端ServerSocket的重要屬性、事件和方法使用如下：

（1）ServerSocket和ClientSocket都有Port（端口）屬性，需要一致才能互相通信；

（2）OnClientRead事件，當(dāng) ServerSocket受到?jīng)_擊消息時，在OnClientRead事件中可以獲得Client發(fā)送過來消息；

（3）ServerSocket使用 SocketServer-＞Socket-＞Connection[0]-＞ReceiveBuf（byte 類型的數(shù)組,信息長度）來接受數(shù)據(jù)；使用SocketServer-＞Socket-＞Connection[0]-＞SendBuf（byte類型的數(shù)組,信息長度）來發(fā)送數(shù)據(jù)。

為了運行可靠，可以在服務(wù)器端使用多個ServerSocket控件，并根據(jù)功能分為兩類。一類負(fù)責(zé)處理和GPRS模塊的通信，一類負(fù)責(zé)與監(jiān)控端的通信。該設(shè)計使用了兩個控件，ServerSocket1負(fù)責(zé)與GPRS通信，ServerSocket2負(fù)責(zé)與監(jiān)控端通信，要將GPRS傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控端，主程序片段如下：

4.2 監(jiān)控端軟件的實現(xiàn)

添加一個客戶端Socket控件 ClientSocket到Form就使應(yīng)用成為一個TCP/IP客戶?？蛻舳薈lientSocket的重要屬性、事件和方法使用如下：

（1）ClientSocket有 Port和 Address屬性，必須與指定服務(wù)器的端口和所在IP地址一致；

（2）OnRead事件，當(dāng)ClientSocket受到?jīng)_擊消息時，在OnRead事件中可以獲得Server發(fā)送過來消息；

（3）ClientSocket使用 SocketClient-＞Socket-＞ReceiveBuf（byte類型的數(shù)組，信息長度）來接收信息；使用 SocketClient-＞Socket-＞SendBuf（byte類型的數(shù)組,信息長度）來發(fā)送信息。

監(jiān)控端主要是接受來自服務(wù)器端從GPRS傳來的數(shù)據(jù)來進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，主程序片段如下：

5 數(shù)據(jù)報文分析

在數(shù)據(jù)傳輸中必須制定數(shù)據(jù)報文協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的報文協(xié)議如表1所示。

表1 系統(tǒng)中的報文協(xié)議

此外，還要設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸類型，該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集端采集的振動加速度、位移、應(yīng)力信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后是電壓值，最后是將電壓值轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制的編碼進(jìn)行傳送。因此，在接收到數(shù)據(jù)后，要將其還原為原來的電壓值，再根據(jù)每個通道的傳感器靈敏度值，經(jīng)過進(jìn)一步處理，得到最原始的物理量值。

C++Builder中的套接字以字節(jié)格式來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，所以通常先定義一個字節(jié)數(shù)組來存放接收到的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)處理就是將這個字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換成原始的物理量值。字節(jié)數(shù)組處理步驟如下：

（1）從數(shù)據(jù)流中取出兩字節(jié)，判斷是否為起始位標(biāo)識；

（2）從起始位后取出規(guī)定長度的數(shù)據(jù)，計算校驗和是否與最后一位的校驗碼相等；

（3）把各通道位的兩個字節(jié)還原為原來的數(shù)字，再進(jìn)一步處理得到具有物理意義的數(shù)值。

6 結(jié)束語

該設(shè)計方法為遠(yuǎn)程實時監(jiān)控中服務(wù)器端和監(jiān)控端軟件的設(shè)計提供了一般性方案，與數(shù)據(jù)采集端軟硬件相結(jié)合，可移植于各種應(yīng)用無線數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中。利用該思想構(gòu)建的應(yīng)用平臺已在廣州地鐵直線電機(jī)車輛振動追蹤試驗中測試通過，運行半年多來，總體上情況良好，運行穩(wěn)定，故障率低，數(shù)據(jù)可信度高，達(dá)到了實時監(jiān)控列車運行狀態(tài)的目的。

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