2018年02月21日 | 基于GPRS的电梯在线监控系统的设计

    目前我国电梯拥有量随着高层建筑的增多而迅猛增长，为生产与生活提供了极大的便利。而如何保证每台电梯都能够可靠运行，及时发现故障和排除故障，已成为提高物业管理水平和电梯技术进步的关键所在。电梯运行质量直接由监控系统的功能决定，目前国内电梯的集中监控系统多采用固定传输或CAN总线现场数据采集，而CAN总线最大传输距离为10 km，要在更大范围内实现电梯的集中监控，就需要增加系统硬件设备。为此本文设计了一种基于GPRS技术的远程电梯监测系统。由于无线GPRS网络具有永远在线和传输速率高等突出特点，此外能在保证数据传输及时、准确的前提下，能将系统运行维护费用降低到最低。

1 GPRS简介
    GPRS是通用分组无线业务(General PACket Radio ServICe)的简称，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS在GSM系统中引入两个新的网络节点(GPRS服务支持节点SGSN和GPRS网关支持节点GGSN)并作软件升级，能够在终端设备和挂接在Internet上的服务器之间建立一条数据通信的链路。GPRS网络的技术优势主要体现在两个方面，用户数据与无线网络资源的结合和基于IP协议的数据透明传送。与原有的GSM比较，GPRS在数据业务的承载和支持上具有明显的优势：1)通过多个GSM时隙的复用，支持的数据传输的速率更高，理论峰值达17 Kbps；2)不同的网络用户共享同一组GPRS信道，但只有当某一个用户需要发送或接收数据时才会占用信道资源。这样，通过多用户的业务复用，更有效地利用了信道资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输，很好地适应数据业务的突发性特点；3)GPRS计费方式更加灵活，支持按流量计费；4)与无线应用协议(WAP)技术不同，GPRS能够随时为用户提供透明的IP通道，可直接访问Internet中的所有站点和资源；5)采用信道复用技术，每一个GPRS用户都能够实现永远在线；另外，GPRS还能支持在进行数据传输的同时进行语音通话等。

2 系统组成和原理
2．1 系统组成原理
    基于GPRS的电梯监控系统翻的组成结构如图1所示。系统由本地PLC、信息获取终端、GPRS数据传输和远程监控中心组成。

    首先由终端设备的嵌入式微控制器与本地PLC进行数据通信，获得电梯的运行状态参数，把获得的这些数据进行处理，然后通过串口把处理结果以协议数据帧的格式通过GPRS模块发送到GPRS网络中。由于GPRS网与互联网都是基于IP协议的，且是互相连接的，终端的数据处理结果经由GPRS网络透明地传送到远程监控中心。监控中心主机接入Internet，有一个固定IP地址，先由终端登陆GPRS，获得IP地址，然后将这个IP地址发给主机监控中心。由于终端机的IP地址是GPRS内网的IP地址，所以要经过GPRS网络的NAT服务器进行网络地址转换，才能实现主机和终端机之间的双向通信。当主机监控中心接收到终端机发送过来的IP地址，终端机和监控中心的网络就已连接通，监控中心的查询命令或控制命令也就可以通过互联网和GPRS网发送到GPRS模块中，再由GPRS模块传送到终端设备，对它们进行操作，从而在嵌入式平台上实现对电梯的远程监控。

2．2 系统终端硬件设计
    MCU选用NXP公司的LPC21480。LPC2148是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32／16位ARM7 TDMI-S内核的微控制器，它具有高性能和低功耗的特性，带有丰富的外设资源，可实现最大为60 MHz的CPU操作频率。
    GPRS模块选用华为的EM310。EM310是一款GSM／GPRS双频无线模块，支持EGSM900和GSM1800双频；提供数据、语音、短信、传真功能；标准协议的认证，兼容GSMphase2／2+协议标准：提供语音接口(低功耗)，支持FIR、EFR、HR和AMR的语音编码；支持免提通话，提供回声抑制功能；支持标准、扩展AT指令。此外，EM310模块还内置了TCP／IP协议栈，由AT指令控制并使得应用程序可以很容易地接入网络。这一方案的优点在于它不需要应用程序厂商执行自己的TCP／IP和PPP栈，这样最小化了将网络连接集成入一个新的或已存在的应用程序所需的成本和时间。EM310接口电路如图2所示。要使EM310稳定工作，电源电压需在3．4～4．7 V之间，且电源的纹波要小；模块启动信号在IGT引脚端维持低电平的时间须大于50 ms。

    数据存储芯片采用CATALYS公司的串行CMOSE2PROM——AT24C02，先进的CMOS技术实质上减少了器件的功耗。该器件含有256个8位字节存储空间，有一个16字节页写缓冲器。AT24C02支持IC，总线数据传送协议IC，总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据(发送或接收)的模式。AT24C02接口电路如图3所示。

3 软件设计与实现
3．1 AT指令
    AT指令集是从终端设备(Terminal EQUIPmen，TE)或数据终端设备(Data TerminalEquipment，DTE)向终端适配器(Terminal Adapter，TA)或数据电路终端设备(Data Circuit Terminal Equipment，DCE)发送的。通过TA，TE发送AT指令来控制移动台(Mobile Station，MS)的功能，与GSM网络业务进行交互。用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的控制。
    AT指令是一个接口标准，其指令格式都比较固定。指令是以AT或者at为前缀，以回车符结尾。指令不区分大小写，但其参数对大小写敏感。AT指令包括4种类型，见表1。

3．2 EM310连接到监控中心AT指令设计实现
    EM310中内嵌了TCP／IP协议，并且以AT指令的形式给控制模块(本设计才用LPC2148)提供接入GPRS网络进而接入Internet的API接口。通过EM310连接到监控中心一般要经过以下几步(如无特别说明，AT指令返回OK表示成功，返回ERROR表示失败)：

3．3 终端软件设计
    由ARM微处理器编程实现IP模块相关指令及GPRS模块相关指令。完成终端的上网、建立连接、发送数据等功能。使用C语言和IAR for ARM编译环境进行软件开发。程序分为主程序、终端串口通信程序和电梯信号采集／控制程序。主程序完成GPRS模块初始化与网络连接等操作，串口通信程序完成GPRS模块和监控中心计算机之间的数据传输，电梯信号采集／控制程序完成电梯运行状态和故障信息的收集以及解析监控中心命令，操作电梯的运行。结合终端机的功能需求设计了几个功能模块，分别如下：
    1)参数配置模块，实现本地终端的功能配置，系统初始化、设备号、监控中心IP地址和心跳包时间的设置。
    2)本地控制模块，接受监控中心的指令，通过终端机与本地PLC间通信把电梯运行指令传递到PLC以实现远程操作电梯的运行。
    3)GPRS通信传输模块，实现数据“透明传输”功能。终端将待上传的数据暂存在一个1 024 B的缓冲区中，主循环程序检测到上传数据标识置位则启动数据上传模块。对于接收到的来自监控中心的数据，采用主循环程序中直接发送AT读指令的方法来提取数据。
    4)GPRS线路维护模块，在每次心跳包时间到的时候，向监控服务器发送一固定数据帧，然后判断接收到已定义的握手数据包，或者若是接收超时的情况，重新登陆GPRS，实现终端和服务器间网络连接断开后的重新连接。
    下位机软件流程如图4所示。

3．4 监控中心系统
    监控中心服务器的配置也是本系统中的关键一环，具有终端查询、控制、报警和数据保存打印等功能，负责监视多个远程终端通过因特网发送过来的数据，并定时将重要数据保存到中心数据库中。监控中心的功能庞大且复杂。由于系统是基于IP地址和因特网，所以为保护网络中通信数据的安全性，还需要对通信数据进行加密。

4 结束语
    为实现信号在电梯监控系统中的远距离传输，提出一种基于GPRS网络通信技术和计算机控制技术的监控系统，给出构建结合无线通信网络和ARM嵌入式的系统框架的方法，分析系统的软硬件设计及各部分功能设计。基于GPRS通信技术的远程监控系统将会有更广泛的应用前景。