作者：陶國正 單位：常州機電職業(yè)技術學院

1GPRS通信技術

GPRS是由“包交換(Packet-Switched)”的概念發(fā)展出的一套無線傳輸方式。包交換的概念是指首先將數(shù)據(jù)封裝成各個獨立的封裝包，接著依次將封裝包傳送出去，形式上有點類似于現(xiàn)實生活中的郵寄包裹。GPRS采用分組交換技術，即GPRS信息在傳輸前被分成既是彼此分離又是彼此相關的“數(shù)據(jù)包”，并在接收端重新組合。這種技術可以讓多個用戶一起分享某些固定的信道資源。由于只要有移動信號的地方就可以使用GPRS，因此GPRS網(wǎng)絡特別適合于應用在野外、偏僻地方來對測量儀表的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。另外由于使用分組交換技術，使得接入時間小于1s，這使GPRS能夠提供更加快速、及時的移動連接，極大地提高了進行遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等活動的效率，使Internet應用操作更加便捷、流暢。對使用GPRS用戶的計費方式通常以其所使用的數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)，對用戶來說，這是一種比較合理的計費方式，體現(xiàn)出“多用多付、少用少付”的原則，從而使得采用GPRS方式能夠有效降低運營費用，增加經(jīng)濟效益。該文所搭建的監(jiān)測系統(tǒng)的主要通訊方式就是利用GPRS的分組無線業(yè)務［4－6］，通過無線網(wǎng)絡連接到高速的IP網(wǎng)絡傳輸現(xiàn)場的測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡化采集和遠程傳輸，具有數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)測和存儲等功能。

2系統(tǒng)的整體方案

系統(tǒng)的整體思想:首先將農(nóng)業(yè)灌溉現(xiàn)場的流量、液位等參數(shù)通過傳感器采集后，經(jīng)過數(shù)據(jù)通信送入微處理器處理后，再經(jīng)過現(xiàn)場GPRS模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，監(jiān)控人員在控制室里對現(xiàn)場的實時測量數(shù)據(jù)進行綜合分析，采取手動或自動方式，啟動現(xiàn)場的執(zhí)行系統(tǒng)，網(wǎng)絡化地對農(nóng)業(yè)灌溉進行監(jiān)測。監(jiān)控中心通過GPRS無線網(wǎng)絡實現(xiàn)與現(xiàn)場測量設備之間的不間斷通信，登陸到互連網(wǎng)的任何有權限用戶都能夠通過瀏覽器隨時瀏覽、查詢、記錄以及打印整個灌溉區(qū)的實時和歷史記錄數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行抽樣調(diào)查，監(jiān)測現(xiàn)場狀況。

充分利用網(wǎng)絡在資源共享方面的優(yōu)勢，對分布在不同區(qū)域的各個監(jiān)測點實現(xiàn)實時監(jiān)測。系統(tǒng)總體設計方案如圖1所示。系統(tǒng)由現(xiàn)場模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、Web模塊、監(jiān)控中心5部分組成。作為上位機主要部分的監(jiān)控中心，其組成部分是由主要設備以及輔助設備組成。主要設備包括單臺電腦或者小型局域網(wǎng)組成，輔助設備包括電源、上網(wǎng)接口設備、打印機等。監(jiān)控中心監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)有兩種方式:一是實時監(jiān)測;二是定時或周期性監(jiān)測。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行實時或定時監(jiān)測，及時指導現(xiàn)場執(zhí)行系統(tǒng)完成相應的動作。通信模塊的主要任務是監(jiān)測并接受來自所有現(xiàn)場模塊的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)及時送入到監(jiān)控中心。同時，通信模塊還根據(jù)監(jiān)控中心的命令，給現(xiàn)場模塊發(fā)送指令要求。

Web模塊的主要作用是連接數(shù)據(jù)處理模塊和監(jiān)控中心。它提供Web服務給監(jiān)控中心，接受來自監(jiān)控中心的請求，從數(shù)據(jù)處理模塊獲取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)處理成所需的形式，并返回給監(jiān)控中心，使得監(jiān)控中心可以瀏覽所請求的數(shù)據(jù)。Web模塊可以直接向通信模塊提出請求，通信模塊根據(jù)Web服務模塊的請求向模塊現(xiàn)場發(fā)送命令。數(shù)據(jù)處理模塊的主要任務是儲存來自現(xiàn)場的測量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行相應的備份。現(xiàn)場模塊主要由各類傳感器、微處理器以及GPRS模塊組成。它的主要任務是根據(jù)監(jiān)控中心的要求檢測現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并將所獲得的數(shù)據(jù)傳送給通信模塊。

3系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)中使用的GPRS通信模塊是西門子公司推出MC39i，其應用于許多無線高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。該模塊的主要特點:體積小、重量輕，支持永久在線連接、數(shù)據(jù)存儲迅速和更快的數(shù)據(jù)下載速度。可進行數(shù)據(jù)、語音、SMS和FAX各個方面的應用，且功耗低。它為用戶提供了永遠在線、高速度、更簡單的移動數(shù)據(jù)通信接入手段。其主要技術指標:40腳，標準雙向串口;工作電壓為3．3～4．8V，典型電壓為4．2V;最大工作電流為2A;功耗為1W或2W。系統(tǒng)要能夠?qū)崟r地處理各種控制命令并在數(shù)據(jù)傳輸時具有較大的吞吐率，并考慮到系統(tǒng)的可擴展性，硬件設計的時候選用的微處理器是PHILIPS公司生產(chǎn)的單片機P89C51RD2芯片作為CPU，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集和處理。P89C51RD2是在完全保留80C51指令系統(tǒng)和硬件結構的大框架外，進行了多方面的加強、擴展、翻新和創(chuàng)新。P89C51RD2將原有的對外部數(shù)據(jù)和程序存儲器的16位尋址機制加以利用，把片上的RAM擴展到1KB，片上的FLASHEPROM擴展到64KB，滿足嵌入式高級語言對片上大存儲器容量的需要。其主要技術指標:時鐘頻率0～33MHz;雙DPTR指針;新增加片內(nèi)16位尋址ERAM擴展RAM;模塊PCA支持上下沿捕捉PWM輸出軟件;定時器看門狗定時器等模式;全雙工UART串行口新增硬件幀檢錯和地址自動識別電路;嵌套中斷系統(tǒng)增強為7源4優(yōu)先級。圖2是現(xiàn)場模塊的主要組成部分。主要由微處理器、GPRS模塊、A/D轉(zhuǎn)化模塊、通訊接口、顯示和觸摸系統(tǒng)以及復位和時鐘電路。接口通訊采用RS-232協(xié)議，系統(tǒng)采用復位電路主要是為了保證現(xiàn)場模塊的可靠運行，增加系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)需要存儲的數(shù)據(jù)量較大，采用的存儲器是Atmel公司生產(chǎn)的串行大容量可擦寫的可編程存儲器AT24C512。芯片采用二線制總線結構，不需要地址線和并行數(shù)據(jù)線，減少了多余連線，簡化了硬件結構，使得系統(tǒng)的可靠性大大增強。其主要技術指標:內(nèi)部可以組織成512K位(64K×8位)存儲單元;符合雙向數(shù)據(jù)傳送I2C協(xié)議;具有硬件寫保護和軟件數(shù)據(jù)保護功能;具有按頁(128字節(jié))寫或按字節(jié)讀寫模式。

4系統(tǒng)軟件設計

4．1人員管理該部分的主要操作有增加、刪除用戶、用戶修改密碼以及用戶權限設置等。為有效地避免無權限的人登陸操作系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的安全，系統(tǒng)中對用戶實現(xiàn)分級管理。用戶分為一般性用戶、管理員級用戶和領導級用戶，一般性用戶允許進行的操作包括查詢數(shù)據(jù)庫中的信息、修改自身的密碼，但不能實施遠程控制和刪除其他用戶;管理員級用戶可以對用戶信息進行身份以及權限的編輯;領導級用戶則可以完成所有操作。

4．2通信管理當通信服務模塊上電后，打開通信服務器的一個端口，通信服務模塊與現(xiàn)場模塊進行通信，考慮到速度要求，采用用戶數(shù)據(jù)包(UDP)協(xié)議［7－10］作為其通信協(xié)議。

4．3數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)庫是SQLServer2000。系統(tǒng)需要進行將實時和歷史數(shù)據(jù)寫進數(shù)據(jù)庫、通過數(shù)據(jù)庫查詢數(shù)據(jù)等操作，因此需要對數(shù)據(jù)庫進行大量的操作，相應地對數(shù)據(jù)庫的要求也比較高。SQLServer2000作為現(xiàn)階段比較流行的數(shù)據(jù)庫，其不僅可以進行快速高效的數(shù)據(jù)讀寫操作，而且還可以對數(shù)據(jù)進行管理和備份，保證了數(shù)據(jù)存儲的安全。