孙利民，梁江涛，魏 然

(郑州大学工程力学系，河南 郑州450001)

0 引言

目前的监控系统存在以下问题:

(1)传统数据采集系统通过有线传输将采集到的数据传输到处理器，导致系统成本增加.在一些恶劣的自然环境进行数据采集时，根本没有办法在作业现场布置有线网络，所以传统数据采集受现场环境限制约;

(2)现场采集的数据信号在传送过程中会衰减、失真，甚至混入干扰信号，从而产生误差，不便于长距离传输;

(3)目前的数据采集系统一般要人工长时间值守，在一定程度上造成了人力资源的浪费.

GPRS受GSM网络信号质量的影响，在传输数据的过程中存在一定的延时.若采用这种方式同时进行多个点的数据采集时，各个采集点接受采集命令的时间有误差，因此无法完成多个采集点的数据同步采集.

ZigBee网络成本低、可靠性好、时延短、网络容量大、覆盖范围广、安全性高.ZigBee网络组网方便，其网络信号质量基本不受外界影响，当其向各个ZigBee终端发送采集命令时，各个终端能同时收到采集命令，从而实现多采集点的同步数据采集［1］.

GSM网络中的GPRS传输与ZigBee网络的结合，既实现了远距离无线数据传输，又解决了多采集点的同步数据采集问题.基于以上考虑，笔者开发了一种全新的基于GPRS的远程分散多点监控系统.系统框图如图1所示.

图1 系统框架图Fig.1 System diagram

1 数据采集终端

数据采集终端负责各个检测点的数据采集.通过传感器不断地进行数据采集，并将采集的信息存储在存储模块，以备远程服务器查询以往的设备状态.当采集终端收到数据中转中心的Zig-Bee模块(FFD)发来的查询命令时，MCU可将远程服务器所要查询的信息，通过 ZigBee模块(RFD)在ZigBee网络中将采集的数据传送到数据中转中心.另外，数据采集终端的数据预处理主要对数据进行初步判断，当遇到系统设定的敏感数据时，将会向数据中转中心发出危险信息，请求将此刻各点的数据信息发送至远程服务器.采集终端框架图如图2所示.

图2 采集终端框架图Fig.2 Data capture terminal diagram

ZigBee是一种低成本、低功耗，可靠高效的近距离无线组网通讯技术，在2.4 GHz和868/928 MHz频率段工作，能抵抗现场的各种电磁干扰，主要适合用于工业的自动控制和远程控制领域.

在ZigBee无线网络中主要有两个设备:Zig-Bee全功能设备(FFD)与 ZigBee精简设备(RFD).RFD设备占用资源少、存储容量小、成本较低、功能简单.RFD只能与FFD进行通信，而不能和网络中的其它RFD进行直接通信.

ZigBee网络的拓扑结构主要为:星形网、网状网和混合网.

根据本系统的需求，笔者采用星形网络.星形网络是一个辐射状的结构，所有设备都与中心设备进行通信，终端设备之间的通信也要通过网络协调器转发.在各个采集终端使用RFD设备用于采集节点数据信息，并将信息汇总至FFD.FFD设备作为网络协调器放置于数据中转中心，主要完成网络中的数据转发功能.本系统采用星形网络，采集终端采用RFD设备，负责将采集到的数据信息发送给网络协调器.在各个检测点只需要一个微型的采集终端，不仅简化了检测点的设备，还降低了系统的成本.数据中转中心的FFD设备作为星形网络中的网络协调器，由于ZigBee的短时延特性，能够同时采集各点在同一时刻的性能状态，保证了分散多点监控的实时性［2］.

2 数据中转中心

数据中转中心主要负责接收来自远程服务器的采集命令，数据采集完毕后将采集到的数据传送至远程服务器.数据中转中心不仅要负责GPRS模块与远程服务器的远程通信，还要负责完成ZigBee模块(FFD)与ZigBee模块(RFD)之间的通信.数据中转中心框架图如图3所示.

图3 数据中转中心框架图Fig.3 Data transfer nodes diagram

在本结点中主要部件为GPRS模块和ZigBee模块(FFD).GPRS通用无线分组业务，是在现有的GSM系统基础上发展出来的一种无线分组交换技术，利用GSM系统中未使用的TDMA信道，提供数据传递.它其实是叠加在现有GSM网络的另一网络.GPRS支持TCP/IP协议，可以与Internet网络直接互连.由于GPRS是在现有的GSM网络的升级，可充分利用全国范围的电信网络，因此GPRS网络覆盖范围广泛，用户可以随时随地方便、快速地使用GPRS业务进行远程网络接入［3，4］.

GPRS无线传输系统采用的是服务器/客户模式.在图4中可以看出GPRS网络实现的过程:首先由GPRS终端将要发送的数据进行处理，然后将处理后的分组数据发送到GSM基站，分组数据在GSM基站经SGSN(GPRS服务支持节点)封装，封装后通过GPRS骨干网和GGSN(网关支持节点)连通，GGSN对得到的分组数据进行转换为Internet网络数据，再发送到Internet网络.信息到达Internet网络的网关后进行域名解析，端口映射选择所提供服务的远程服务器，服务器成功与GPRS终端建立通信链路.

图4 网络实现原理图Fig.4 Network diagram

该结点的 GPRS模块采用了 MC55模块.MC55模块是Siemens公司生产的GPRS/GSM三频(GSM 900 MHz，GSM 1 800 MHz，GSM 1 900 MHz)无线通讯模块.MC55集成了高性能GSM/GPRS基带处理，完整的无线频率电路.MC55将GPRS管理软件存储于内置的静态RAM中.自带TCP/IP协议栈，用AT指令可以方便地驱动连接Internet的TCP/IP协议栈，简化了GPRS到Internet的连接，不用再自己定义TCP/IP协议栈.

在本系统中数据中转中心在接通电源后，向MC55模块发送AT指令，请求与远程服务器进行连接，通信链路接通以后一直处于在线状态随时等候远程服务器的命令.当收到远程服务器传来的采集指令后，MCU控制ZigBee模块(FFD)完成与ZigBee网络中的采集终端的通信，最后把处理结果返回远程服务器;在没有收到远程服务器命令的时候，通过ZigBee网络定时地采集各检测点的状态，一旦发现某个检测点发生异常，则立即与远程服务器通信，将检测点的异常数据发送至远程服务器，从而完成本系统的报警功能，减少了远程监控端的人员值守时间.

3 远程服务器

远程服务器主要作用是发送及接收来自数据中转中心的命令及数据.远程服务器在启动服务端程序后，开始等待GPRS终端的连接请求，在接收到服务请求后，要激活一个新的线程来处理这个GPRS终端请求.服务完成后，关闭此新进程与GPRS终端的通信链路，此时即完成一次GPRS通信［5］.

Winsock是Windows系统下开放的、支持多种协议的网络编程接口.Winsock规范定义并记录了如何使用API与Internet协议连接.应用程序主要是靠对Winsock层的API函数调用，实现通信功能［6］，其原理如图5所示.

图5 Winsock层的API函数调用Fig.5 Winsock method

远程服务器端应用程序开启，进行初始化处理，创建套接字，将本地IP和端口与套接字相连.此时开始提供链接给数据中转中心，并一直监听数据中转中心的连接请求，当收到连接请求后分配进程接收来自数据中转中心的数据.接收完数据后关闭连接，进行本地的数据处理，在远程振动测试的实验中，即将接收的数据进行数字抗混滤波、加窗和FFT(快速傅立叶变换)，得到振动信号的频谱，进行信号的频域分析［7］.

4 结论

该系统已完成试验现场对距离系统中数据中转中心100 m范围内的大型结构的远程振动监控.验证了该系统的成功应用.只要更改采集终端的传感器类型，就能完成对多种设备的各类远程监控.

笔者所论述的监控系统能够很好的实现对远程的分散多点监控点进行监控，不受环境、距离等因素的影响，不仅节约了远程监控的成本;还节省了人力资源，不用时刻有人值守;同时也解决了分散多点监控的实时性.

由于考虑到该系统的网络费用问题，采用了GPRS网络传输.随着3G网络的普及，3G网络费用的降低.可以把本系统中的GPRS模块换成3G模块［8］.就会解决GPRS网络的传输速度慢的问题.

［1］孙彩云，李世中，李丽丽，等.基于ZigBee技术的设备监控系统设计［J］.水电能源科学，2010，28(11):125-127.

［2］高海洲，胡国珍.基于双处理器的ZigBee无线网关的设计与实现［J］.煤矿机械，2010，3(10):219-221.

［3］张伟，王宏刚，程培温.基于GPRS的智能路灯远程监控系统的研究［J］.计算机测量与控制，2010，18(9):2014-2016.

［4］吴叶兰，廉小亲，张晓力，等.一种基于GPRS的无线数据采集终端设计［J］.微计算机信息，2010，26(7):55-57.

［5］陈余华，刘电霆.基于Internet远程控制仿真系统的研究［J］.微计算机信息，2010，26(12):218-220.

［6］张宏林主编.Visual C++6.0程序设计与开发技术大全［M］.北京:人民邮电出版社，2004.503～504.

［7］丁康，谢明.提高FFT和谱分析速度及精度的方法［J］.重庆大学学报:自然科学版，1992，15(2):51-56.

［8］郭佳，慕春棣.基于3G网络的移动视频监控系统设计［J］.微计算机信息，2011，27(3):137-139.