基于ＧＰＲＳ網絡實現對通信機房的智能監控

摘要：利用GPRS網絡作為無線智能監控的信息傳輸平臺是一種非常有效的方法，其原理簡單，安全保密性高，不需要組建專用網絡。GPRS網絡覆蓋面廣，可實現全球無縫覆蓋，與傳統的監控系統相比有著獨特的優勢。文章給出了基于GPRS網絡的機房智能監控系統的硬件結構組成和軟件工作流程。整個系統主要由終端采集系統和GPRS模塊構成。用于無人監守的通信機房遠程監控。

關鍵詞：通信機房智能監控；MC35；GPRS；MSP430F448

0引言

隨著計算機與通信技術的高速發展，新技術和智能設備層出不窮，使無線方式智能監控的實現成為可能。本文設計了一種運用GPRS網絡進行通信的機房監控系統，可廣泛地用在智能家居防盜、遠程監控、無人監守設備的維護及自動化生產線的監控等領域。傳統的監控系統通常都是一個以計算機為中心的監測控制與調度系統。而本文所闡述的智能監控系統是以一種通用模塊的形式來設計的，不僅可以用一般的PC機作為監控調度中心，而且可以直接使用手機作為監控中心。這樣就無需編寫監控中心的軟件，而是通過GPRS網絡便可完成對終端采集系統的通信和控制，從而達到監控的目的。如果配備GPRS無線Modem，無論何時何地，只要有一部可以接入Internet的電腦作為服務器就能實現對分布在各地的通信機房的監控；也能實現移動監控。

1系統總體結構

本文提出的機房監控系統由一個監控中心和若干個遠端采集系統組成，如圖1中虛線框中所示，并且通過中國移動的SIM卡接入GPRS網絡。

具體的數據傳輸流程為：

(1)GPRS終端通過串行接口從客戶系統中提取出用戶信息；

(2)終端將用戶信息以GPRS分組數據的形式發送到GSM基站；

(3)分組數據經SGSN封裝后，發送到GPRS-~骨干網。

若PC機服務器以撥號方式接入Intemet，即PC機為移動GPRS內部網分配動態IP地址，則分組數據先發送到目的SGSN，再經GSM基站發送到與PC機相連的GPRS終端；若PC機以專線接入因特網具有固定IP地址，則將分組數據包經GGSN進行協議轉換后，發送到Internet公共網絡。

2終端采集系統組成

本系統的終端設備如圖2所示。

一般情況下通信機房工作狀態參數主要有溫濕度、火警、煙霧、防盜及環境監測等。這些參數由各類傳感器將采集到的模擬參數送入各自的信號調理單元進行放大、濾波處理。調理后的信號經MUX多路開關進入12位A／D轉換器，最后送入MSP430F448單片機。由于參數較多，所以單片機通過控制MUX多路轉換開關并采用定時循環方式采集各個傳感器的參數；在異常時主動發出報警信息，同時存儲數據信息。基于MSP430單片機的GPRS通信管理模塊是服務器與現場控制器之間的數據傳輸橋梁，終端采集的參數通過GPRS網絡能夠及時傳送到服務器計算機上，并同時啟動視頻取證攝像頭，攝錄異常時的環境動態。通訊管理模塊主要由TI公司的16位低功耗單片機MSP430F448及外圍電路構成。GPRS模塊使用西門子公司的MC35。終端的GPRS無線上網主要通過單片機控制MC35來實現。單片機具有兩個可編程串行通訊口，其中UARTO工作在同步通信方式下，和DSP的SPI接口相連，DSP工作在主機模式。F448工作在從機模式。UARTl通過MAX232電平轉換芯片和MC35的串行數據口相連作為AT指令和數據的傳輸通道，單片機通過串行中斷程序及時處理GPRS終端收到上位機指令，并及時傳送給DSP。

F448帶有液晶驅動模塊，通過外接一個液晶顯示器和鍵盤，用戶就可以在現場手動進行各項參數的設置(包括視頻取證攝像頭的啟動、存錄)；外接flash數據存儲器AT45DB041，存儲容量為528KB，主要作為收發數據的暫存器。

3 TCP／IP協議的實現

在本系統中，需要利用TCP／IP協議來完成GPRS業務數據的裝幀和拆幀。我們采用在MSP430F448中嵌入TCP／IP協議棧UIP的方法來實現TCP／IP協議。協議數據通信分為三個階段：

(1)建立連接階段：使用OPEN命令幀控制MC35主動向服務器發起連接請求。服務器在本地偵聽端口，收到終端的請求后進行回應并建立連接，進入數據收發狀態。

(2)當連接建立后，就可以在這一條連接上進行數據收發。可以使用SEND命令幀控制MC35發送數據。發送時要指定連接號(由本地端口、目的IP地址和端口惟一確定)。

(3)數據發送完成后，不再需要這條連接時，系統就把連接斷開。

TCP／IP協議棧UIP是一種免費公開源代碼的小型TCP／IP協議棧，專門為8位和16位MCU編寫。UIP完全用c語言編寫，它采用一個事件驅動接口，通過調用應用程序響應事件。UIP的源代碼只有幾KB，RAM占用僅幾百字節，但實現了TCP／IP協議集的四個基本協議：ARP地址解析協議，IP網絡互聯協議，ICMP網絡控制報文協議和TCP傳輸控制協議。用戶可以方便地調用接口函數來實現TCP／IP協議。

UIP與系統底層的協議包括與設備驅動的接口和系統定時器的接口兩類。程序主循環中的底層接口程序循環，檢查是否收到數據包和周期定時器是否超時溢出。TCP／IP協議程序中主控程序流程如圖3所示。

UIP通過函數uip_input0和全局變量uip_buf，uip_len來實現與設備驅動的連接，在收發IP數據包時觸發應用程序接口事件。應用程序事件l主要是對數據包的處理：當數據來自MCU時則進行TCP／IP打包然后將CPRS模塊發送到Internet網絡；當收到來自GPRS模塊的數據時，則進行相應的解包處理——抽出數據，按發送前的順序還原，并加校驗，若發現錯誤，TCP／IP棧會要求重發，然后將數據送GPRS模塊。UIP協議棧提供了一系列接口函數供用戶程序調用，這使得我們不需要了解數據的具體處理過程，只需要調用相應的接口函數把數據送到上層應用程序即可。

系統定時器使用MSP430F448的16位定時器Timer_B作為時鐘基準，定時周期設為1s。定時器主要用于處理數據傳輸錯誤重發，應答延時，往返時間(RTT)估計等。應用程序事件2主要用于定時器超時后的處理。當TCP連接建立時，UIP周期性調用函數uip_periodicO來驅動TCP／IP協議定時器和重發事件。當數據發送后，轉發定時器進行減計數，如果在—個定時器周期內沒收到接受端的確認(ACK)消息，發送端就認為這個數據丟失，置標志位。應用程序檢查標志，產生上次發送的數據并重發。

為保證監控的實時性要求，對于對方主動發起TCP連接、對方發來數據、對方主動釋放TCP連接、GPRS斷線和重連成功等事件都可以通過中斷通知給F448單片機，以便單片機進行相應的處理和操作。這些事件必須及時進行處理，以便及時反映通信狀況，避免相關事件的緩沖區和數據緩沖區溢出。

由于無人監守機房地點偏遠、環境特殊，為保證設備的長期穩定工作，在軟件上設置了系統自動撥號、斷線重撥功能。在GPRS網絡狀態不穩定時，系統具有自動恢復通訊能力、無須人為干預。

4服務器的軟件設計

服務器的人機接口為用戶提供了一個可視化的監測界面。用戶可以直觀、方便、快捷地了解無人職守機房的狀態，并能及時發現處理異常、故障情況。軟件在C++Builder環境下開發。軟件由用戶界面子系統，數據管理子系統和網絡通信服務子系統組成，主要完成無線通訊處理、數據處理、各點監測數據統計等功能。

用戶界面子系統作為主要的人機交互界面，可以用于實時查詢各點機房的動態，對各點機房發出控制指令。

數據管理子系統主要處理各點機房采集的數據。可通過該系統查詢歷史記錄，實施權限修改、插入、報表打印等功能。

網絡通訊服務子程序采用C++Build~的Socket控件和多線程技術實現。

由于服務器采用一對多的通訊方式，為了防止多個終端同時和服務器通訊而發生信息阻塞，也為了保證通訊的實時性和可靠性，程序中使用了線程技術來處理服務器與每個終端的連接；當啟動GPRS并在初始化完成后，使用輔助線程來監聽Socket端口。當有數據到達時，輔助線程通過事件通知主線程處理收到的網絡協議數據包。主線程創建副線程來處理該次連接，在副線程中讀取數據并判斷是否正確。正確則保存數據，錯誤就將該數據包丟棄。數據處理完成后終止副線程，繼續監聽斷開。

5結束語

采用GPRS網絡遠程數據通訊比其它專線或射頻通訊方式有不可比擬的優越性。該系統具有連接方便、擴充性好、成本低、維護量小等優點。在其它領域的應用也將具有很好的發展前景。

(注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。)