基于GPRS的轨道状态远程监测系统

  仪器信息网 ·  2009-08-02 21:40  ·  12006 次点击
崔文琪1,张文斌1,宋国杰2
摘要:设计了基于GPRS(GeneralPacketRadioService)通用分组无线业务的轨道状态远程监测系统。详细介绍了系统的组成,通过GPRS模块建立GPRS连接的过程以及通过PPP协议实现数据传送和监控的过程。该系统对于轨道状态远程监控的实现具有实际应用价值。
关键词:温度;位移;远程监测;通用分组无线业务(GPRS);数据传输
中图分类号:TP277文献标识码:B
地铁钢轨受温度变化而热胀冷缩,由此造成的长度变化会产生巨大的温度应力作用。若钢轨应力散放控制得不好,天热时可能造成胀轨跑道,天冷时可能拉断钢轨。钢轨左右振动的大小,对地铁运行也有很大影响,振动量过大容易导致地铁偏离跑道,造成事故。因此,轨温监测工作非常重要。目前,我国的铁路轨温、振动监测主要靠人工定点定时测量完成。由此获得的监测数据密度小,难以捕捉日、月、年内的最高轨温和最低轨温;占用劳动力多、测量误差大、实时性差,因此难以为地铁轨道工务作业提供及时、准确、科学的决策依据。本系统的应用对及时了解轨道温度变化情况,指导和辅助轨道维护具有重要意义。
远程监测的常用方式有有线网络和无线数传电台。有线网络需铺设大量线路,投资大、施工费用高、可靠性差;无线数传电台需占用专用的无线通信频道,且购置无线数传电台也需要较大的一次性投资。
随着移动通信的不断发展和费用的迅速降低,一种利用公用移动通信网络进行远程监测的方式正在逐渐受到重视。它利用专用的GSM模块,成本比无线数传电台低,且网络覆盖面广,通信范围更宽,可靠性更高。
一、GPRS技术及其特点
GPRS是在现有GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。其与GSM语音系统最根本的区别是,GSM是一种电路交换系统,而GPRS是一种分组交换系统,因此,GPRS特别适用于间断的、突发的或频繁的、少量的数据传输,以及偶尔的大数据量传输。这一特点正适合大多数移动互连的应用。另外,GPRS克服了电路交换速率低、资源利用率差等缺点,具有以下优点:(1)可以实现资源共享,频率资源利用率高;(2)数据传输速率高,最高可达171.2kb/s;(3)用户永远在线,接入速度快;(4)支持X.25协议和IP协议,可与外部数据网互连;(5)计费合理,采用流量计费。
二、系统结构
地铁轨道状态远程监测系统主要由智能传感器、单片机、无线收发机、以太网、计算机等组成,系统结构如图1所示:
如图1所示,单片机轨道数据采集模块通过串口通信方式把采集到的数据经GPRS模块发送到GPRS网中,监测中心通过任意方式上网,就可以把数据传送到监测中心;也可以反过来,把监测中心的查询命令或控制命令通过GPRS网发送到GPRS模块,传送给采集模块进行操作。
三、远程终端设计
轨道远程监测系统以单片机系统为中心,采集系统将现场的各种轨道数据通过RS-232串口传送到GPRS通信模块,通过GPRS网络将数据送入因特网,实现轨道参数远程传输、实时监控及异常报警。必要时,还可发送短消息,及时通知相关人员。远程终端的监控软件按功能可分为初始化模块、现场数据采集模块和GPRS远程通信模块。GPRS远程通信模块的主要任务是呼叫管理中心建立通信链路,在需要时依次传送现场数据或事件报警信息。系统通过GPRS模块实现数据上网,单片机通过一系列AT命令控制GPRS模块建立通信链路及数据上网。建立连接的主要AT命令如下。
(1)AT+IPR=38400b/s设置通信波特率,默认值为9600b/s;
(2)AT+CGDCONT=1,“IP”,“CMNET”设置接入网关,CMNET为移动梦网的接入网关;
(3)AT+CGCLASS=“B”设置移动终端的类别,B为同时监控多种业务;
(4)AT+CGACT=1测试是否开通,1命令激活GPRS功能,如果返回OK,则GPRS连接成功;如果返回ERROR,则意味着GPRS失败;
(5)AT+CSQ为检查信号,若返回(0,10~31)之间的信号数字,则继续;如果信号数字是99,则系统重复发送AT命令,不停地让模块去搜寻网络,重试次数超过预定次数,可定义其他方式发送错误报告;
(6)AT+CGREG?若返回为(0,1),则可以继续;若返回(0,0),则返回第一步重来;
(7)AT+CGREG,系统循环调用GPRS网络注册命令和AT+CMEERRORGPRS相关的错误命令来检查系统状态。
一般情况下,当终端附着在GPRS网络上时,系统将为其分配一个动态IP地址,通过AT+CGRADDR命令可以得到本地IP地址,然后将此地址按一定格式发送给预先设置好的数据中心IP地址和端口,即可实现与中心的数据互通。
四、PPP协议的实现
由于GPRS是基于IP协议的,数据包在主机与GPRS服务期间的传输,使用的是基于IP的分组,故所有的数据报文都要基于IP包,一般使用PPP协议进行GPRS的传输。在中国移动的接入网关CM-NET中,使用PPP协议与GPRS终端进行协商通信,相应的电话号码为“*99***1#”,用户名、密码为空。PPP协议的帧结构如图2所示,包起始符为标志字段;地址字段和控制字段不变,分别是OxFF和Ox03;协议符按协议种类变化,如IP协议字段为Ox0021;链路控制协议字段为Oxc021;密码认证协议字段为Oxc023。单片机微控制器的串口中断接收程序,首先以包起始和结束符来判断是否有完整的PPP包,并对其内容进行校验,以确定数据包的完整J性和正确性。然后,进入PPP报文解析模块。
五、监测中心软件设计
监测中心以固定IP通过宽带、ISDN、ADSL上网,可使用UNIX或Windows服务器。
监测中心软件的主要功能是实现接收和发送UDP或TCP协议的IP数据包,以实现GPRS终端的IP协议通信。按图3PPP报文解析过程实现通信后,监测中心软件根据不同的数据格式与协议,实现远程数据监控。
中心软件的设计采用VisualC++或Vi-sualBasic编程语言,VisualBasic可以利用WinSock实现Socket套接字与Internet通信。C++语言应用灵活,对底层操作有很大的优越性,且对网络编程有很大的支持。VC++的MFC类库提供了CasyncSocket套接字库,用它实现Socket编程是很方便的。监测中心软件基本流程如图4所示。
六、结束语
系统采用工业用智能传感器,增加了参数测量的可靠性;采用无线收发,解决了地上轨道线上的数据传输问题,还可以把成本控制在较低的水平;在数据处理端,通过轨道参数分析,对异常情况及时报警,并可对所有监测到的数据进行年度、季度和月度分析。
基于GPRS的轨道状态远程监测系统以GPRS网络作为数据通信平台,充分发挥了通用分组无线业务(GPRS)数据传输的优势,只需一次性投资远程监控终端,日常的网络管理及维护均由移动公司负责,因此具有覆盖面广、数据传送可靠、营运费用低等优点,是一种相当经济的远程监控方案。
参考文献:
XavierIagrange.GSM网络与GPRS.北京:电子工业出版社,2002.
里吉斯.通用分组无线业务(GPRS)技术与应用.北京:人民邮电出版社,2004.
文志成.通用分组无线业务:GPRS.北京:电子工业出版社,2004.
韩斌杰.GPRS原理及其网络优化.北京:机械工业出版社,2003.

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