基于3G无线网络的工业监控系统设计

随着现代工业生产规模的不断扩大，生产设备由就地分散的局部自动控制逐渐向综合自动化体系发展，而一般工业控制系统地域跨越性较大, 相当一部分设备工作在户外，一些作业点分散，环境恶劣，因此需要无人职守远传控制，对各种设备的运行状态、温度、压力、流量等指标做到实时监控。随着无线技术的日益发展，其安装方便、灵活性强、性价比高等特性使得更多行业的监控系统采用无线监控方式，建立被监控点和监控中心之间的连接。目前，主要的无线监控方案有[1]：(1)基于卫星通信；(2)通过架设微波设备；(3)基于无线局域网；(4)借助移动公网传输。
其中基于卫星通信、架设微波设备、无线局域网的监控方式容易受传输距离、覆盖角度及周边环境的影响，要想达到更好的监控状态就需要中继设备、增益天线等，设备架设费用高。这些传统方式存在覆盖范围、实时性、投资及运行费用等问题，同时对工控设备的无人值守运行存在较大困难。
借助移动公网进行数据传输的监控方式充分利用现有的移动通信网络，网络建设和维护都由运营商承担，运营费用低，且覆盖面广、传输速率高，大幅节省了人力物力，提高了工业控制的自动化水平。
1 系统技术方案
基于3G无线网络的工业监控系统,将现场数据通过3G网络以流量方式实时传送到手机,并将控制命令下发到现场设备。本系统使用便携手机替代计算机作为监控终端，无论身在何处，都可以实时监测和管理工业现场。
系统框图如图1所示，MCU将工业现场设备数据采集上来，经过相应处理后送到3G无线通信模块，再通过3G无线网络，将数据以UDP/TCP包形式发送至数据中心，并将数据中心下传的UDP/TCP包转换为串口数据传至终端设备。手机端监控软件通过发送HTTP请求和数据中心建立连接通路，获取实时数据，并向数据中心发送控制信息。

3G模块与单片机间通过标准的RS232/485接口通信，支持AT命令，可设置工作方式和数据传输方式(UDP/TCP）,手机与服务器之间的连接可以采用HTTP和Socket，考虑到目前并不是所有手机都支持Socket通信，但都支持HTTP协议，所以在本系统中手机与服务器之间采用HTTP通信方式来传输数据。
手机端采用多线程工作方式，将接收到的数据处理之后以数据或图像的方式清晰呈现给监控人员，人机界面友好，同时监控人员简单的操作按键就可将控制命令传回服务器，实现对现场设备的监测和管理。提供用户权限认证，只有通过验证才开放控制管理功能。用户可在手机上直接对监测参数及其范围进行设置，当现场设备的参数值超出设定的正常范围时，产生报警。如果用户未启动手机端监控软件，现场设备发生异常时，监控前端设备也会主动向指定手机发送报警信息。
2 硬件设计
　用户终端设备通过串口或无线方式连接到GPRS数据终端上，然后将数据打成IP包，再通过GPRS空中接口接入到GPRS网络，最终通过各种网关和路由到达系统数据中心。
　本系统的终端设备硬件设计结构框图如图2所示，以单片机为主处理芯片，实现数据的采集、发送以及远程控制命令的接收。

　采集到的模拟参数经过信号调理单元处理后(放大、滤波等)送入A/D转换器，最后送入单片机。通过单片机扩展存储器的TCP/IP协议栈打包处理，再由GPRS模块将数据传输到GPRS网络。系统采用的GPRS通信模块集成了标准的SIM接口，提供标准的 RS232/485/422接口，可与多种终端无缝连接，为用户提供简便实用的GPRS通信解决方案。
3 软件设计
3.1 设备端软件设计
数据传输过程如下：(1)GPRS模块通过串行接口从单片机获得上传数据；(2)处理后以GPRS分组数据的形式发送到GSM基站(BTS)；(3)分组数据经SGSN封装后，发送到GPRS IP骨干网； (4)若分组数据是发送到另一GPRS终端，则先发送到目的SGSN，再经BSS发送到GPRS终端；若分组数据是发送到外部网络(如Internet),则将分组数据包经GGSN进行协议转换后，再发送到外部网络，送达监控中心。
GPRS模块与单片机间通过串口进行通信，模块与控制器间的通信协议是AT命令集，除了串口发送、串口接收之外，单片机与GPRS模块之间还有一些硬件握手信号。硬件连接完成后，在进行GPRS上网操作之前，首先要对GPRS模块进行一定的设置。主要的设置工作有：设置通信波特率、接入网关、移动终端的类别、测试GPRS服务是否开通等。
GPRS模块可以通过拨号登录到GGSN(网关支持节点)上动态分配到Internet网的IP地址。其间GPRS模块与网关的通信要符合PPP点对点协议，模块向网关发送PPP报文都会传送到Internet网中相应的地址，而从Internet传送过来的应答帧也同样会根据IP地址传送到GPRS模块,从而实现采集数据和Internet网络通过GPRS模块的透明传输。
要注意的是，GSM网络无静态IP地址，故其他通信设备不能向它提出建立连接请求，服务器必须拥有一个固定的IP，以便监测终端可以在登录GSM网络后通过该IP找到服务器。
　GPRS模块登录上GSM网络后，自动连接到数据中心，向数据中心报告其IP地址，并保持和维护数据链路的连接。GPRS监测链路的连接情况，一旦发生异常，GPRS模块自动重新建立链路，数据中心和GPRS模块之间就可以通过IP地址通过UDP/TCP协议进行双向通信，实现透明的可靠数据传输。
3.2 服务器软件设计
服务器接收GPRS模块传来的数据，经过相应的处理后存入数据库，供客户端提取数据的同时备份以便查询。
手机与服务器之间的连接可以采用HTTP和Socket，考虑到目前并不是所有手机都支持Socket通信，但都支持HTTP协议，所以在本系统中手机与服务器之间采用HTTP通信方式来传输数据。在服务器Servlet中采用输出流的方式向请求端发送数据。Servlet具有独立于平台和协议的特性,它担当客户请求与服务器响应的中间层。