2023年基于GPRS 的轨道状态远程监测系统.doc

基于GPRS的轨道状态远程监测系统 崔文琪1，张文斌1，宋国杰2     摘  要：设计了基于GPRS (General Packet Radio Service)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     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。假设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开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，本钱比无线数传电台低，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系统上开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=38 400b/s设置通信波特率，默认值为9 600b/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，那么GPRS连接成功；如果返回ERROR，那么意味着GPRS失败；     (5)AT+CSQ为检查信号，假设返回(0，10~31)之间的信号数字，那么继续；如果信号数字是99，那么系统重复发送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假设返回为(0，1)，那么可以继续；假设返回(0，0)，那么返回第一步重来；     (7)AT+CGREG，系统循环调用GPRS网络注册命令和AT+CMEERROR GPRS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效劳期间的传输，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 号码为“x 99 x x x 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效劳器。     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3 PPP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Visual C++或Vi-sual Basic编程语言，Visual Basic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。监测中心软件根本流程如图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，还可以把本钱控制在较低的水平；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： [1]Xavier Iagrange.GSM网络与GPRS[M]．北京：电子工业出版社，2023. [2]里吉斯．通用分组无线业务(GPRS)技术与应用[M]．北京：人民邮电出版社，2023. [3]文志成．通用分组无线业务：GPRS[M]．北京：电子工业出版社，2023. [4]韩斌杰．GPRS原理及其网络优化[M]．北京：机械工业出版社，2023.