基于GPRS的電梯在線監(jiān)控系統(tǒng)的設計

摘要：由于信號在CAN總線中有效傳輸距離有限，為此對采用CAN總線技術的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)，提出了一種基于嵌入式ARM處理器和GPRS無線通信技術的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的方案。通過由LPC2148和EM310組成的電梯終端將電梯的運行狀況和故障信息經GPRS網絡及時發(fā)送到遠程監(jiān)控中心，然后經由監(jiān)控中心上位機軟件的操作，實現了電梯的遠程監(jiān)控。解決了信號傳輸距離的問題。
關鍵詞：遠程監(jiān)控；GPRS；AT指令；EM310

    目前我國電梯擁有量隨著高層建筑的增多而迅猛增長，為生產與生活提供了極大的便利。而如何保證每臺電梯都能夠可靠運行，及時發(fā)現故障和排除故障，已成為提高物業(yè)管理水平和電梯技術進步的關鍵所在。電梯運行質量直接由監(jiān)控系統(tǒng)的功能決定，目前國內電梯的集中監(jiān)控系統(tǒng)多采用固定傳輸或CAN總線現場數據采集，而CAN總線最大傳輸距離為10 km，要在更大范圍內實現電梯的集中監(jiān)控，就需要增加系統(tǒng)硬件設備。為此本文設計了一種基于GPRS技術的遠程電梯監(jiān)測系統(tǒng)。由于無線GPRS網絡具有永遠在線和傳輸速率高等突出特點，此外能在保證數據傳輸及時、準確的前提下，能將系統(tǒng)運行維護費用降低到最低。

1 GPRS簡介
    GPRS是通用分組無線業(yè)務(General Packet Radio Service)的簡稱，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS在GSM系統(tǒng)中引入兩個新的網絡節(jié)點(GPRS服務支持節(jié)點SGSN和GPRS網關支持節(jié)點GGSN)并作軟件升級，能夠在終端設備和掛接在Internet上的服務器之間建立一條數據通信的鏈路。GPRS網絡的技術優(yōu)勢主要體現在兩個方面，用戶數據與無線網絡資源的結合和基于IP協議的數據透明傳送。與原有的GSM比較，GPRS在數據業(yè)務的承載和支持上具有明顯的優(yōu)勢：1)通過多個GSM時隙的復用，支持的數據傳輸的速率更高，理論峰值達17 Kbps；2)不同的網絡用戶共享同一組GPRS信道，但只有當某一個用戶需要發(fā)送或接收數據時才會占用信道資源。這樣，通過多用戶的業(yè)務復用，更有效地利用了信道資源，特別適合突發(fā)性、頻繁的小流量數據傳輸，很好地適應數據業(yè)務的突發(fā)性特點；3)GPRS計費方式更加靈活，支持按流量計費；4)與無線應用協議(WAP)技術不同，GPRS能夠隨時為用戶提供透明的IP通道，可直接訪問Internet中的所有站點和資源；5)采用信道復用技術，每一個GPRS用戶都能夠實現永遠在線；另外，GPRS還能支持在進行數據傳輸的同時進行語音通話等。

2 系統(tǒng)組成和原理
2．1 系統(tǒng)組成原理
    基于GPRS的電梯監(jiān)控系統(tǒng)翻的組成結構如圖1所示。系統(tǒng)由本地PLC、信息獲取終端、GPRS數據傳輸和遠程監(jiān)控中心組成。

    首先由終端設備的嵌入式微控制器與本地PLC進行數據通信，獲得電梯的運行狀態(tài)參數，把獲得的這些數據進行處理，然后通過串口把處理結果以協議數據幀的格式通過GPRS模塊發(fā)送到GPRS網絡中。由于GPRS網與互聯網都是基于IP協議的，且是互相連接的，終端的數據處理結果經由GPRS網絡透明地傳送到遠程監(jiān)控中心。監(jiān)控中心主機接入Internet，有一個固定IP地址，先由終端登陸GPRS，獲得IP地址，然后將這個IP地址發(fā)給主機監(jiān)控中心。由于終端機的IP地址是GPRS內網的IP地址，所以要經過GPRS網絡的NAT服務器進行網絡地址轉換，才能實現主機和終端機之間的雙向通信。當主機監(jiān)控中心接收到終端機發(fā)送過來的IP地址，終端機和監(jiān)控中心的網絡就已連接通，監(jiān)控中心的查詢命令或控制命令也就可以通過互聯網和GPRS網發(fā)送到GPRS模塊中，再由GPRS模塊傳送到終端設備，對它們進行操作，從而在嵌入式平臺上實現對電梯的遠程監(jiān)控。[!--empirenews.page--]
2．2 系統(tǒng)終端硬件設計
    MCU選用NXP公司的LPC21480。LPC2148是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32／16位ARM7 TDMI-S內核的微控制器，它具有高性能和低功耗的特性，帶有豐富的外設資源，可實現最大為60 MHz的CPU操作頻率。
    GPRS模塊選用華為的EM310。EM310是一款GSM／GPRS雙頻無線模塊，支持EGSM900和GSM1800雙頻；提供數據、語音、短信、傳真功能；標準協議的認證，兼容GSMphase2／2+協議標準：提供語音接口(低功耗)，支持FIR、EFR、HR和AMR的語音編碼；支持免提通話，提供回聲抑制功能；支持標準、擴展AT指令。此外，EM310模塊還內置了TCP／IP協議棧，由AT指令控制并使得應用程序可以很容易地接入網絡。這一方案的優(yōu)點在于它不需要應用程序廠商執(zhí)行自己的TCP／IP和PPP棧，這樣最小化了將網絡連接集成入一個新的或已存在的應用程序所需的成本和時間。EM310接口電路如圖2所示。要使EM310穩(wěn)定工作，電源電壓需在3．4～4．7 V之間，且電源的紋波要??；模塊啟動信號在IGT引腳端維持低電平的時間須大于50 ms。

    數據存儲芯片采用CATALYS公司的串行CMOSE2PROM——AT24C02，先進的CMOS技術實質上減少了器件的功耗。該器件含有256個8位字節(jié)存儲空間，有一個16字節(jié)頁寫緩沖器。AT24C02支持IC，總線數據傳送協議IC，總線協議規(guī)定任何將數據傳送到總線的器件作為發(fā)送器，任何從總線接收數據的器件為接收器。數據傳送是由產生串行時鐘和所有起始停止信號的主器件控制的。主器件和從器件都可以作為發(fā)送器或接收器，但由主器件控制傳送數據(發(fā)送或接收)的模式。AT24C02接口電路如圖3所示。[!--empirenews.page--]

3 軟件設計與實現
3．1 AT指令
    AT指令集是從終端設備(Terminal Equipmen，TE)或數據終端設備(Data TerminalEquipment，DTE)向終端適配器(Terminal Adapter，TA)或數據電路終端設備(Data Circuit Terminal Equipment，DCE)發(fā)送的。通過TA，TE發(fā)送AT指令來控制移動臺(Mobile Station，MS)的功能，與GSM網絡業(yè)務進行交互。用戶可以通過AT指令進行呼叫、短信、電話本、數據業(yè)務、傳真等方面的控制。
    AT指令是一個接口標準，其指令格式都比較固定。指令是以AT或者at為前綴，以回車符<CR>結尾。指令不區(qū)分大小寫，但其參數對大小寫敏感。AT指令包括4種類型，見表1。

3．2 EM310連接到監(jiān)控中心AT指令設計實現
    EM310中內嵌了TCP／IP協議，并且以AT指令的形式給控制模塊(本設計才用LPC2148)提供接入GPRS網絡進而接入Internet的API接口。通過EM310連接到監(jiān)控中心一般要經過以下幾步(如無特別說明，AT指令返回OK表示成功，返回ERROR表示失敗)：
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3．3 終端軟件設計
    由ARM微處理器編程實現IP模塊相關指令及GPRS模塊相關指令。完成終端的上網、建立連接、發(fā)送數據等功能。使用C語言和IAR for ARM編譯環(huán)境進行軟件開發(fā)。程序分為主程序、終端串口通信程序和電梯信號采集／控制程序。主程序完成GPRS模塊初始化與網絡連接等操作，串口通信程序完成GPRS模塊和監(jiān)控中心計算機之間的數據傳輸，電梯信號采集／控制程序完成電梯運行狀態(tài)和故障信息的收集以及解析監(jiān)控中心命令，操作電梯的運行。結合終端機的功能需求設計了幾個功能模塊，分別如下：
    1)參數配置模塊，實現本地終端的功能配置，系統(tǒng)初始化、設備號、監(jiān)控中心IP地址和心跳包時間的設置。
    2)本地控制模塊，接受監(jiān)控中心的指令，通過終端機與本地PLC間通信把電梯運行指令傳遞到PLC以實現遠程操作電梯的運行。
    3)GPRS通信傳輸模塊，實現數據“透明傳輸”功能。終端將待上傳的數據暫存在一個1 024 B的緩沖區(qū)中，主循環(huán)程序檢測到上傳數據標識置位則啟動數據上傳模塊。對于接收到的來自監(jiān)控中心的數據，采用主循環(huán)程序中直接發(fā)送AT讀指令的方法來提取數據。
    4)GPRS線路維護模塊，在每次心跳包時間到的時候，向監(jiān)控服務器發(fā)送一固定數據幀，然后判斷接收到已定義的握手數據包，或者若是接收超時的情況，重新登陸GPRS，實現終端和服務器間網絡連接斷開后的重新連接。
    下位機軟件流程如圖4所示。

3．4 監(jiān)控中心系統(tǒng)
    監(jiān)控中心服務器的配置也是本系統(tǒng)中的關鍵一環(huán)，具有終端查詢、控制、報警和數據保存打印等功能，負責監(jiān)視多個遠程終端通過因特網發(fā)送過來的數據，并定時將重要數據保存到中心數據庫中。監(jiān)控中心的功能龐大且復雜。由于系統(tǒng)是基于IP地址和因特網，所以為保護網絡中通信數據的安全性，還需要對通信數據進行加密。

4 結束語
    為實現信號在電梯監(jiān)控系統(tǒng)中的遠距離傳輸，提出一種基于GPRS網絡通信技術和計算機控制技術的監(jiān)控系統(tǒng)，給出構建結合無線通信網絡和ARM嵌入式的系統(tǒng)框架的方法，分析系統(tǒng)的軟硬件設計及各部分功能設計?；?strong>GPRS通信技術的遠程監(jiān)控系統(tǒng)將會有更廣泛的應用前景。