本文僅對基于GPRS網(wǎng)絡技術與之相應的嵌入式GPRS無線數(shù)據(jù)數(shù)傳設備(DTU)的應用特征及在遠程監(jiān)控中的應用作介紹，并以城市輸水管道的無線水壓監(jiān)測系統(tǒng)與石油管線遠程監(jiān)控系統(tǒng)及PLC遠程系統(tǒng)應用等方案作分析說明。

1 先從GPRS技術的嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸設備(DTU)基本理念人手

DTU是構建遠程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要設備，其主要功能就是為用戶的串口設備與遠程的電腦之間建立一個透明的數(shù)據(jù)通道。DTU通常具有一個串行接口(UART、CAN-bus等)，工作現(xiàn)場的用戶設備通過DTU的串口與位于監(jiān)控中心的計算機進行透明數(shù)據(jù)通信，從而可以實現(xiàn)設備的遠程監(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。按設備形式可分為嵌入式模塊和獨立設備等。按功能劃分可分為基本型、增強型和低功耗型等。

1.1 DTU所具有的優(yōu)勢有三

其一、有獨具"連線時機可控"功能：在網(wǎng)絡信號不好，或者數(shù)據(jù)中心服務器出現(xiàn)故障時，目標服務器的連接可能會變得比較困難，而普通DTU的連接時機不可控的，在這種情況下，如果DTU不斷嘗試連接，將會產生大量數(shù)據(jù)流量，增加費用支出。而GPRS技術的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：當數(shù)據(jù)中心服務器出現(xiàn)故障，DTU無法連接服務器時，可用手機以短信方式配置DTU，使其連接其他數(shù)據(jù)中心或使DTU復位。配置成功后，DTU會發(fā)送應答短信，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DTU工作在空閑下線模式時，有三種方式可以喚醒DTU，使其重新連接數(shù)據(jù)中心服務器。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，使其恢復與數(shù)據(jù)中心的連接。

1.2 DTU應用中所關心的問題

*串口設備與DTU之間如何通信，有通信協(xié)議嗎?回答：沒有。串口設備與DTU之間采用全透明方式傳輸。簡單的例子就是串口設備發(fā)出數(shù)據(jù)"1"，那么在接收端就會收到數(shù)據(jù)"1"。下圖為用戶設備與服務器數(shù)據(jù)傳輸過程。

圖為用戶設備與服務器數(shù)據(jù)傳輸過程

那如何在計算機上獲取到DTU發(fā)出的數(shù)據(jù)。GPRS DTU發(fā)出的數(shù)據(jù)包為標準的TCP/IP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包可以在移動網(wǎng)絡和Intemet上傳輸，所以只要計算機能連接移動網(wǎng)絡或Intemet就可以接收到DTU發(fā)出的數(shù)據(jù)包。

那如何在計算機上編程實現(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)是計算機使用串口與設備直接通信，若希望改為無線方式，并不需要做大的改動。使用虛擬串口方式，把遠端DTU的串口虛擬成為您計算機上的串口，因此您無需對上位機軟件做任何改動，就可以將您現(xiàn)在的有線通信方式升級為無線方式。

2 嵌入式GPRS數(shù)傳設備(DTU) 在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

2.1 電梯運行遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

值此以CAN—bus接口嵌入式無線數(shù)傳設備為例說明。

具有CAN-bus接口的GPRS嵌入式無線數(shù)傳設備(DTU)。它可以很方便地接入到CAN BUS網(wǎng)絡中，在不需改變原有硬件結構的前提下為CAN-bus網(wǎng)絡提供遠程無線通信接口，實現(xiàn)CAN-bus網(wǎng)絡與遠程計算機之間的數(shù)據(jù)通訊。其特點：用戶無需詳細了解CAN網(wǎng)絡知識，可支持CAN2.0A、CAN2.OB協(xié)議和支持透明轉換，內置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種標準波特率,最高幀流量可達400幀/秒。

在電梯運行遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應用。如今電梯的安全使用及管理將直接關系到人民的生命財產安全，所以電梯系統(tǒng)的安全、規(guī)范和科學化管理勢在必行。而電梯控制系統(tǒng)通常使用CAN-bus總線進行通信,具有CAN-bus接口的DTU可以方便的接入CAN bus網(wǎng)絡中，實現(xiàn)電梯運行遠程監(jiān)控方案(見圖所示)，該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：能讓電梯生產廠商在管理中心足不出戶隨時了解電梯的運行狀況，便于電梯后期的維護;當?shù)仉娞萃ㄟ^GPRS及時將電梯所有故障(如：電梯停電、沖頂、撞底、超速等)主動發(fā)送到管理機上 維修人員可以及時處理險情;在全國范圍內聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控所有出產的電梯，對銷售和市場情況了如指掌。下圖為具有CAN-bus接口的嵌入式GPRS數(shù)傳設備(DTU) 作為電梯安全控制系統(tǒng)應用示意圖。

圖為嵌入式GPRS數(shù)傳設備(DTU) 作為電梯安控系統(tǒng)應用示意圖

2.2 嵌入式(智能型)無線測控設備的應用

以嵌入式無線測控設備為例說明

該DTU可用于各種物理信號的測量，并將測量結果通過GPRS通信方式發(fā)送至遠程數(shù)據(jù)中心。可以輕松實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集功能，節(jié)省大量人力物力和寶貴的時間。其特性為：有對電流、電壓、電阻、溫度、壓力等豐富的采集方式;可設置采樣值觸發(fā)上線、定時上線等靈活的上線機制;具有對GPRS數(shù)據(jù)報警、短信報警等多重報警方式;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、遠程和短信配置而且配置便捷。

在石油管線遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

石油生產及輸送設施是國家的命脈，但是卻一直被不法分子竊取破壞，造成了很大的生命和財產損失。所以對石油設施的安全監(jiān)控成為政府和企業(yè)的當務之急，以往的監(jiān)控需要耗費大量人力進行巡檢，而且還存在反應不及時、易漏檢的問題。采用遠程監(jiān)控設備后，相關工作人員可以實時了解到各個節(jié)點的信息，比如壓力、溫度等參數(shù)。并且可以在遠程監(jiān)控設備中設置報警值，如果管線出現(xiàn)異常情況，設備將啟動報警機制，監(jiān)控中心的計算機會收到相應的報警數(shù)據(jù)包，同時工作人員的手機也會收到相關的報警短信，大大的提高了系統(tǒng)的可靠性。此外該設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)。下圖為石油管線遠程監(jiān)控系統(tǒng)示意圖。

圖為石油管線遠程監(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)應用實例

對城市輸水管道進行監(jiān)控。一旦管道出現(xiàn)破損，第一時間判斷出管道受損位置及指示維修隊伍立即趕到現(xiàn)場。如下圖3，在每個井內安裝一個監(jiān)測水壓的無線設備，除了正常向數(shù)據(jù)中心報告水壓數(shù)據(jù)外，一旦水壓超過預定上限值或低干預定下限或是變化超過預定時，立即報警。下圖為輸水管道的無線水壓監(jiān)測系統(tǒng)應用示意圖。

圖為輸水管道的無線水壓監(jiān)測系統(tǒng)應用示意圖

3 嵌入式GPRS無線數(shù)傳模塊的應用

如GPRS DTU-02型。DTU是構建遠程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要設備，其主要功能就是為用戶的串口設備與遠程的電腦之間建立一個透明的數(shù)據(jù)通道。GPRS DTU-02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用方式，可以非常方便的嵌入到用戶的設備中，使您的設備具有GPRS無線通信功能。該模塊同時提供配置串口和通信串口，使用便捷。在的基礎上增加I/O和AD功能，可實現(xiàn)遠程控制。

嵌入式GPRS無線數(shù)傳模塊DTU在電力抄表中的應用

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)中心服務器發(fā)送數(shù)據(jù)。服務器收到數(shù)據(jù)后返回應答信號，并進行下一步處理。整個過程中，集中器不需要對DTU進行任何撥號操作和其它額外的狀態(tài)機管理，只需檢查DTU是否在線，即：是否和服務器保持連接。完全可以把DTU當成一個"無線的串口"來使用，這個"無線串口"沒有任何協(xié)議，完全透明傳輸。可以根據(jù)用戶的要求對產品的接口形式和功能進行修改。下圖為嵌入式DTU在電力抄表中的應用方案示意圖。

4、基于GPRS網(wǎng)絡技術的PLC遠程系統(tǒng)設計方案

利用GPRS技術無線通信的優(yōu)點,并結合PLC在工業(yè)控制上抗干擾性強的優(yōu)勢,可應用于等實時遙控系統(tǒng)領域。值此以一個對海上的燈塔迸行實時遙控系統(tǒng)的具體設計方案為例作分析。

4.1系統(tǒng)結構組成

PLC遠程實時遙控系統(tǒng)由系統(tǒng)用戶監(jiān)控中心和通信網(wǎng)絡與終端設備組成。其系統(tǒng)結構拓撲見下圖所示。PLC遠程實時遙控系統(tǒng)分布上由GPRS終端設備和中心服務軟件組成,系統(tǒng)通過配置可以對多個設備迸行狀態(tài)和數(shù)據(jù)監(jiān)控,也可以通過中心服務軟件僅對單個終端設備迸行遠程調試和通信數(shù)據(jù)的應答和轉發(fā)。

GPRS終端設備的設計

GPRS終端設備通過通信口與PLC現(xiàn)場設備連接,它負責采集PLC設備的各種信息數(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。另外，將控制手機或系統(tǒng)中心服務軟件發(fā)送過來的各種有效的控制指令和PLC遠程調試關鍵數(shù)據(jù)發(fā)送給現(xiàn)場PLC設備。

而GPRS終端設組成包括嵌入式GPRS通信模塊、MCU處理模塊及其它附屬部件。GPRS終端設備是監(jiān)控中心服務器迸行業(yè)務、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工作的實時上傳和接收來自監(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。其硬件結構見下圖所示。

終端設備硬件結構組成

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)的類型迸行相應的處理，對于需要轉給PLC的數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制模塊。同時MCU微處理器將從PLC控制模塊中得到的數(shù)據(jù)進行相應的處理并由嵌入式GPRS模塊發(fā)送給監(jiān)控中心。觸摸屏實時監(jiān)視系統(tǒng)和設備的運行狀態(tài)，并可以進行現(xiàn)場設定設備運行的參數(shù)。由于GPRS終端設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的處理模塊以滿足其正常的工作。

關于系統(tǒng)中心服務軟件

系統(tǒng)中心服務軟件是整個系統(tǒng)的核心,其將來自GPRS終端設備的各種指令信息、數(shù)據(jù)轉發(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)送給遠程的GPRS終端設備。

4.2系統(tǒng)的運行

GPRS終端設備將采集的各種信息數(shù)據(jù)按照設定的協(xié)議送到系統(tǒng)中心服務軟件或用戶監(jiān)控手機上, 系統(tǒng)中心服務軟件判斷收到的數(shù)據(jù)是監(jiān)控還是調試轉發(fā)數(shù)據(jù)，按照不同的要求將數(shù)據(jù)迸行相應的處理，并根據(jù)設定的要求迸行接收確認。同時系統(tǒng)中心服務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備信息。當系統(tǒng)迸行遠程調試應用時，系統(tǒng)中心服務軟件可以對PLC已知的應答軟件迸行自動在線保持，僅將關鍵數(shù)據(jù)迸行遠程傳輸?shù)紾PRS終端設備迸行數(shù)據(jù)請求，同時GPRS終端設備對已請求到的設備指令發(fā)送到系統(tǒng)中心服務軟件，系統(tǒng)中心服務軟件再通過串口轉發(fā)送給遠程調試軟件。其中，關鍵數(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,又可以保證軟件調試的穩(wěn)定性。

4.3系統(tǒng)優(yōu)勢

該基于GPRS網(wǎng)絡技術的PLC遠程技術可應用于海上燈塔遙控系統(tǒng)設計方案，因為給出了數(shù)據(jù)傳輸實時性和可靠性關鍵問題的解決方法，通過應用GPRS無線通信技術，實現(xiàn)了PLC遠程實時監(jiān)控和調試。給工作人員對觀察燈塔設備運行的工作狀態(tài)帶來了極大的方便，也十分有利于對燈塔設備的異地控制和維護。

5 結束語

上述僅是基于GPRS網(wǎng)絡技術之相應的嵌入式無線設備在遠程監(jiān)控中的應用的幾種應用事例,但實際上它已經被廣泛使用于安防、市政、電梯、電力、金融、氣象、交通、汽車、煤礦石油等應用領域的通信方式，它基于移動運營商現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡，用來進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸對象可以是GPRS設備之間或者是GPRS設備與互聯(lián)網(wǎng)上的設備之間。通過這種方式，可以分布在全國各地無論遠近的設備，非常方便的實現(xiàn)遠程、無線、網(wǎng)絡化的通信。