【正文】 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)隨著Internet 網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展而得到廣泛應(yīng)用，如遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、Internet 網(wǎng)絡(luò)的家電接入、遠(yuǎn)程故障診斷、網(wǎng)上考試等，利用Internet 網(wǎng)絡(luò)可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個地方。對于許多監(jiān)控現(xiàn)場，由于需要監(jiān)控的區(qū)域廣、監(jiān)控的對象種類繁多，因而需要花費大量的人力、物力和財力進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)。同時，在許多條件惡劣、人們不易到達(dá)或不能時刻停留的地方偶爾采集一些現(xiàn)場數(shù)據(jù)，這時如果進(jìn)行大量的布線工作則是不經(jīng)濟(jì)、不合理的。正是基于以上考慮，本文提出并設(shè)計了一種基于GPRS 網(wǎng)絡(luò)通信的、使用低功耗MSP430 單片機的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件設(shè)計的核心采用美國TI 公司生產(chǎn)的MSP430F149 系列單片機和德國SIEMENS 公司生產(chǎn)的MC35 數(shù)據(jù)通信模塊，軟件使用Visual Basic 及C 語言編寫。這種終端采集系統(tǒng)可以大量地布控于用戶現(xiàn)場，不需要布線，可以隨意移動?；贕PRS 業(yè)務(wù)的各種應(yīng)用也蓬勃發(fā)展起來。以GPRS 網(wǎng)絡(luò)作為無線傳輸平臺可以開發(fā)出多種應(yīng)用領(lǐng)域，這一設(shè)計方案的提出，將為煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)和日常管理上臺階、上水平以及事故急救帶來新的契機。對今年發(fā)生煤與瓦斯突出傷亡事故的8個國有重點煤炭企業(yè):水城礦業(yè)(集團(tuán))公司汪家寨煤礦、窯街煤電公司金河煤業(yè)公司一號井、邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶二煤礦、峰峰礦業(yè)集團(tuán)公司大淑村煤礦、湖南省煤業(yè)集團(tuán)金竹山礦業(yè)公司一平硐煤礦、四川煤業(yè)集團(tuán)芙蓉公司白皎煤礦、盤江煤電集團(tuán)公司金佳煤礦、晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦等發(fā)生煤與瓦斯突出的原因、特點、防治、對策等逐一進(jìn)行了分析、研究。采取的煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標(biāo)和臨界值沒有根據(jù)本礦的煤層地質(zhì)條件進(jìn)行實際考察。本次調(diào)查的所有的突出事故均為預(yù)測指標(biāo)超標(biāo),執(zhí)行防突措施后檢驗指標(biāo)不超標(biāo)的情況下發(fā)生突出的。因此,預(yù)測人員的素質(zhì)對預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要的影響,要求突出預(yù)測與效果檢驗人員有較高的素質(zhì)。但按現(xiàn)有的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn),只有已經(jīng)發(fā)生了動力現(xiàn)象的煤礦才必須進(jìn)行煤與瓦斯突出鑒定,不能將那些盡管還沒有發(fā)生煤與瓦斯突出,但已經(jīng)有突出危險的礦井鑒定為突出礦井, 并按突出礦井進(jìn)行管理,防患于未然。大淑村礦已鑒定為突出礦井,而陶二礦卻未能進(jìn)行煤層突出危險性鑒定,仍為高瓦斯礦井,以致發(fā)生了突出傷亡事故。以上情況一個是因為工作人員素質(zhì)較低，一個是信息不能共享導(dǎo)致嚴(yán)重的煤礦事故，為了防止這種事故再次發(fā)生，很多人開始著手開發(fā)無線監(jiān)控系統(tǒng)，便于使官方更多掌握各煤礦的資料。GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱，是在現(xiàn)有的第二代移動通信GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一種基于分組交換傳輸數(shù)據(jù)的高效率方式，提供廣域、無縫、直接的Internet無線IP連接。GPRS在一個發(fā)送實體和另一個或多個發(fā)送實體之間提供數(shù)據(jù)傳輸，這些實體可以是連接到一個GPRS網(wǎng)絡(luò)或一個外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的終端設(shè)備。以GPRS為基礎(chǔ)的無線數(shù)據(jù)應(yīng)用為實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸和實時監(jiān)控提供了一種新的技術(shù)手段 礦井安全監(jiān)控現(xiàn)狀在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)和管理中，大量的物理量、工藝數(shù)據(jù)、特性參數(shù)需要進(jìn)行實時檢測、監(jiān)督管理和自動控制。從單臺計算機的直接監(jiān)測控制到多級計算機監(jiān)測控制系統(tǒng)，以及分布式、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的系統(tǒng)，在各種企業(yè)中都有應(yīng)用。在該系統(tǒng)中，計算機實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的檢測、監(jiān)督和控制功能。為生產(chǎn)人員提供詳實的數(shù)據(jù)，幫助他們進(jìn)行分析，以便了解生產(chǎn)情況。(3)管理功能 利用己有的有效的數(shù)據(jù)、圖像、報表等對工作情況進(jìn)行分析、故障診斷、險情預(yù)測。(4)控制功能 在檢測的基礎(chǔ)上進(jìn)行信息加工，根據(jù)事先決定的控制策略形成控制輸出，直接作用于生產(chǎn)過程。但是如果生產(chǎn)或采集現(xiàn)場地理位置比較偏僻、氣候和其它一些條件比較惡劣時就無法在生產(chǎn)現(xiàn)場或數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場建立計算機監(jiān)控系統(tǒng)，這時就需要建立遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，另外，對于有許多地理位置分散的分廠或者分部的企業(yè)集團(tuán)，總公司為了能夠統(tǒng)一和全面管理各個分廠的生產(chǎn)，也需要建立一個計算機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。短距離長線監(jiān)控和通過自組網(wǎng)絡(luò)(CDPD 網(wǎng))首先要自行建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，建網(wǎng)初期投資巨大，運營期間自主維護(hù)耗費人力物力較大，信號質(zhì)量得以保證，效果好，相對運營費用高；通過市話網(wǎng)和Internet 方式以現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)為依托，無需自行建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，但是由于市話網(wǎng)和Internet 難以達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場覆蓋面，接入網(wǎng)絡(luò)受到限制，局限性很大，網(wǎng)絡(luò)運行效果取決于網(wǎng)絡(luò)運營商，線路安全不能得到保證，其通信效果好，信號量大，運營費用相對低廉；數(shù)傳電臺出現(xiàn)較早，應(yīng)用很廣泛，是一種不錯的無線數(shù)傳方式，但是建網(wǎng)初期投資巨大，數(shù)傳電臺的傳輸范圍有限，而且容易受到空間無線信號的干擾，信號不能得到保障，但是數(shù)傳電臺信號傳輸實時性好，運行費用低。(2)車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控 如車輛位置/時間，運動方向/速度監(jiān)控，遠(yuǎn)程控制車輛中的設(shè)備，車輛丟失的查找和監(jiān)控等。(4)對人體有害的環(huán)境下的遠(yuǎn)程監(jiān)控 化工廠周圍的空氣質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)控，噪聲嚴(yán)重區(qū)域的噪聲遠(yuǎn)程監(jiān)控和噪聲抑制；地震測試點的資料上傳，氣象監(jiān)控點的資料上傳。(6)水庫大壩、水閘、供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控 河流、湖泊、海潮的水位變化，水流量狀態(tài)等關(guān)系到災(zāi)害的發(fā)生和人民生命財產(chǎn)安全，水質(zhì)的變化對供水系統(tǒng)和人們的生活影響很大，遠(yuǎn)程實時監(jiān)控這些狀態(tài)數(shù)據(jù)意義重大。而目前這些監(jiān)控系統(tǒng)無論從成本、可靠性、穩(wěn)定性、使用方便性、還是維護(hù)的難易程度等方面都不能最大限度的使人滿意。GPRS是在現(xiàn)有的GSM 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加一些硬件設(shè)備和軟件升級，形成一個新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實體。GPRS 把分組交換技術(shù)引入現(xiàn)有GSM 系統(tǒng)，使得移動通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)合二為一，具有“極速傳送”、“永遠(yuǎn)在線”、“價格實惠”等特點。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，GPRS也必將用于其他諸多領(lǐng)域。在以GPRS通信網(wǎng)承載的IP數(shù)據(jù)報形式傳輸數(shù)據(jù)時，信息終端和GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(GGSN)之間利用GPRS網(wǎng)絡(luò)無線傳輸；在GGSN和本地監(jiān)控之間采用有線(Intemet)傳輸。為現(xiàn)代測控技術(shù)提供了一個實時、高效、經(jīng)濟(jì)、安全的監(jiān)測手段。當(dāng)被監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)備正常工作的臨界值時報警觸發(fā)，信息終端自動將變化的報警信息上傳給本地監(jiān)控。論文首先給出系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，論述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成；然后對本地監(jiān)控站和遠(yuǎn)程監(jiān)控分站兩部分進(jìn)行硬件設(shè)計，搭建整個系統(tǒng)的硬件框架；最后對本地監(jiān)控站和遠(yuǎn)程監(jiān)控分站兩部分進(jìn)行軟件設(shè)計并進(jìn)行調(diào)試。課題的主要工作是單片機的合理選型及其外圍電路的設(shè)計、GPRS 模塊的選擇、外圍硬件設(shè)計和整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計；單片機采用美國TI 公司生產(chǎn)的MSP430F149 系列芯片，論文中將詳細(xì)講述這一系列單片機的特點；GPRS 模塊選擇德國西門子公司的MC35 模塊，通過標(biāo)準(zhǔn)AT 指令控制；系統(tǒng)的硬件設(shè)計是本論文的重點；整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括本地監(jiān)控站程序設(shè)計和遠(yuǎn)程監(jiān)控分站程序設(shè)計。遠(yuǎn)程監(jiān)控分站程序設(shè)計以IAR 公司為MSP430 系列單片機開發(fā)的Embedded Workbench 集成開發(fā)環(huán)境為開發(fā)平臺，其軟件包括單片機初始化、主程序、數(shù)據(jù)顯示程序、定時信號采集及處理子程序、數(shù)據(jù)收發(fā)子程序。第二章為GPRS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與工作原理，主要介紹GPRS 網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成及相關(guān)接口，并詳細(xì)講述GPRS 網(wǎng)路的工作原理，另外還詳細(xì)介紹了GPRS 的應(yīng)用。第四章為系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分，分本地監(jiān)控站和遠(yuǎn)程監(jiān)控分站兩部分進(jìn)行設(shè)計。遠(yuǎn)程監(jiān)控分站部分主要講述MSP430F149 單片機的特點，設(shè)計包括液晶顯示、鍵盤功能、串行通信、A/D 轉(zhuǎn)換等幾個功能模塊，GPRS 無線通信模塊MC35 的硬件特性并設(shè)計外圍電路。第五章為系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分，首先講述對于本系統(tǒng)很重要的軟件設(shè)計基礎(chǔ)，然后分本地監(jiān)控站和遠(yuǎn)程監(jiān)控分站兩個部分進(jìn)行軟件設(shè)計。遠(yuǎn)程監(jiān)控分站軟件設(shè)計部分首先給出主程序流程，GPRS 模塊的初始化流程，以及過程當(dāng)中的難點，然后對A/D 轉(zhuǎn)換部分程序進(jìn)行設(shè)計 第六章為總結(jié)和展望 敘述將來GPRS更大的用處第二章 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與工作原理 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信綜述GPRS 是通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的英文簡稱，是在現(xiàn)有的GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。它以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)，采用IP 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提高了現(xiàn)有的GSM 網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸速率，最高可達(dá)170kb/s。GPRS 與現(xiàn)有的GSM 語音系統(tǒng)最根本的區(qū)別是，GSM 是一種電路交換系統(tǒng)，而GPRS 是一種分組交換系統(tǒng)。 GPRS 現(xiàn)狀與發(fā)展在固定電信網(wǎng)上，許多國家數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)己經(jīng)超過了話音業(yè)務(wù)，我國在骨干傳輸網(wǎng)上，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)也己經(jīng)超過了話音業(yè)務(wù)。盡管由于缺少經(jīng)驗，特別是移動數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用千變?nèi)f化，如何開拓和規(guī)劃技術(shù)與市場，一直困擾著各移動運營商、設(shè)備供應(yīng)商和內(nèi)容提供商。而且，隨著我國電信體制的進(jìn)一步放開，電信增值業(yè)務(wù)會極大地促進(jìn)移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的開展，例如基于位置業(yè)務(wù)(LBS)，將帶來一大批新的應(yīng)用業(yè)務(wù)的開展，特別是移動電子商務(wù)的發(fā)展。從1999 年開始，英國的BTCellNET、荷蘭的TELFORT、中國香港的SMATONE 等多個國家和地區(qū)的運營商，紛紛在其GSM 網(wǎng)疊加發(fā)展GPRS。隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋的不斷擴大和用戶數(shù)量的不斷增加，中國移動和中國聯(lián)通也都在積極采用新技術(shù)，推出新業(yè)務(wù)。運營商們發(fā)現(xiàn)，一方面，短消息業(yè)務(wù)因其價格低廉、隨時隨地收發(fā)信息，不受關(guān)機影響的特點而倍受用戶青睞，發(fā)展態(tài)勢喜人；而另一方面，WAP 業(yè)務(wù)雖然宣傳描繪得很好，用戶也十分想用，但實際應(yīng)用卻并不理想。而現(xiàn)在人們移動上網(wǎng)的傳輸方式是基于電路交換的，需要撥號連接，占用固定通信時隙，對資源的利用不可動態(tài)調(diào)整，資源利用效率低，如Fax、Email、FTP 等，這種速度用于傳送靜態(tài)圖像還基本能滿足要求，但隨著因特網(wǎng)的飛速發(fā)展，用戶往往希望傳送高質(zhì)量的視頻和聲音。并且現(xiàn)在的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與話音業(yè)務(wù)計費方式一樣，用戶只要連接到網(wǎng)就要按時間付費。CSD 方式的明顯缺陷就是造成了無線資源的浪費和用戶費用較高，用戶對GSM 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的積極性就這樣被抑制了，即便使用WAP 業(yè)務(wù)也不能從根本上解決這一問題。從數(shù)據(jù)傳輸方式說： 現(xiàn)在主要存在2 種數(shù)據(jù)傳輸方式：電路交換(CS)方式與分組交換方式(PS)。通信期間，信道一直為通信雙方占用。端對端的物理電路由若干電路組成。分組交換方式(PS)：利用存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理，使不同終端的數(shù)據(jù)采用長度不大的等長標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，通過非專用的許多邏輯子信道進(jìn)行數(shù)據(jù)快速交換，即將信息分成為數(shù)據(jù)分組或信息包，再加上目的地址，分組編號，控制比特等的分組頭，沿不同的路由進(jìn)行傳送，收端可按分組編號重新組裝成原始信號?；诜纸M交換的GPRS 。時隙能為活動用戶所共享，且上行鏈路和下行鏈路的分配是獨立的，在上行鏈路上網(wǎng)絡(luò)需要對MS(移動臺)進(jìn)行爭搶判決，多個MS 可共享一個時隙的無線資源；在下行信道上采用排隊的機制，多個MS 可共享多時隙的下行資源。而且通過不同的編碼方式，支持不同速率的傳輸。(3)頻譜效率 由于采用分組交換方式，用戶只有在數(shù)據(jù)傳輸時才占用無線信道，無線資源可以同時被若干用戶共享，大大提高了頻段利用率，避免了資源的浪費。GPRS 在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域獨有的技術(shù)優(yōu)勢為它贏得了廣泛的應(yīng)用，在數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、移動辦公、調(diào)度和定位等方面有很好的應(yīng)用前景。(6)業(yè)務(wù)豐富 GPRS 的設(shè)計使得它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)的傳輸[45]。GPRS可以實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)流量、業(yè)務(wù)類型及QoS 的計費功能，計費方式更加合理，用戶使用更加方便。系統(tǒng)共用GSM 基站，但基站要進(jìn)行軟件更新，并采用新的GPRS移動臺；GPRS 要增加新的移動性管理程序；通過路由器實現(xiàn)GPRS 骨干網(wǎng)互聯(lián)；GSM 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要進(jìn)行軟件更新和增加新的MAP 信令和GPRS 信令等。GPRS 網(wǎng)絡(luò)上增加了如下一些接口：無線接口Um 是移動臺(MS)與基站(BTS)之間的連接接口，GPRS 中接口標(biāo)準(zhǔn)遵循GSM 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。與GSM 系統(tǒng)不同的是在GPRS 系統(tǒng)中，一個物理信道既可以定義為一個邏輯信道，也可以定義為一個邏輯信道的一部分，即一個邏輯信道可以由一個或幾個物理信道構(gòu)成。Gb 口的功能是通過邏輯鏈路控制(LLC)協(xié)議建立SGSN 與MS 之間的連接，以進(jìn)行信令信息和用戶數(shù)據(jù)的交換，為MS 提供移動性管理(位置跟蹤)和安全管理功能。資源在用戶活動時(當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送或接收時)分配給用戶，而在活動結(jié)束時會馬上被收回并重新分配。SGSN 通過Gn 口和GGSN 相聯(lián)，通過GPRS 隧道協(xié)議(GTP)建立SGSN 和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)( 或IP)之間的通道，實現(xiàn)MS 和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的互聯(lián)。Gs 口用于SGSN 向MSC/VLR 發(fā)送地址信息，并從MSC/VLR 接收尋呼請求，實現(xiàn)分組型業(yè)務(wù)和非分組型業(yè)務(wù)的關(guān)聯(lián)。HLR 保存GPRS 用戶數(shù)據(jù)和路由信息(IMSI，SGSN 地址)，每個IMSI 還包含分組數(shù)據(jù)協(xié)議(PDP)信息，包括PDP 類型( 或IP)、PDP 地址及其QoS 等級以及路由信息。GGSN 通過口Gi 口實現(xiàn)GPRS 網(wǎng)和外部分組組數(shù)據(jù)網(wǎng)(PDN)的互聯(lián)。通過GGSN 與GPRS網(wǎng)互聯(lián)的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)可以是PSPDN 網(wǎng)，這時GPRS 支持ITU－T 和ITU－T 編號方案， 的快速選擇， 協(xié)議連接：也可以是Internet 網(wǎng)，基于IP 協(xié)議，在IP 數(shù)據(jù)報傳輸方式中，GPRS 支持TCP/IP 頭的壓縮功能。有了這個接口，短消息就可以通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳送，而不必占用GSM 的資源。設(shè)置它的目的是為了支持TE( Terminal Equipment)主機發(fā)起連接。如果連接是由外網(wǎng)主機發(fā)起的，信息到達(dá)GGSN 之后，GGSN 就需要通過Gc 接口查詢HLR：目的IP 對應(yīng)哪一個MS；這個MS 現(xiàn)在由哪一個SGSN 控制。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)工作原理 分組數(shù)據(jù)路由及傳輸GPRS 傳輸協(xié)議平臺如圖22 所示。下面我們就順序介紹在這個過程中所使用到的傳輸協(xié)議。與普通的路由器一樣，GGSN 利用現(xiàn)有的傳輸方法接收二層數(shù)據(jù)幀。分析該IP包的目的地址，恰為本地PDP 上下文所標(biāo)示的某一MS 地址，則將此數(shù)據(jù)包送至Gn 接口的軟件模塊，做進(jìn)一步處理。隧道有兩個優(yōu)點：一是便于MS 的移動，當(dāng)MS 由一個SGSN 轉(zhuǎn)