小區(qū)機房GPRS監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)

摘要：介紹了一種基于GPRS的小區(qū)機房監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、監(jiān)控服務(wù)器組成，采用自行設(shè)計的數(shù)據(jù)采集模塊和監(jiān) 控通信協(xié)議，以較低的成本和較高的精度實現(xiàn)了小區(qū)機房的監(jiān)控。本系統(tǒng)極大地提高了機房監(jiān)控的實時性和連續(xù)性，能夠真實地反映機房的情況，為廣電機房的監(jiān)控 提供了實時可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。本系統(tǒng)運行和維護費用較低，能節(jié)省大量的財力、物力和人力，具有良好的應(yīng)用價值。

0引言

感知技 術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推廣到遠程監(jiān)控領(lǐng)域，使多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合是當今物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的一個發(fā)展趨 勢。遠程監(jiān)控系統(tǒng)是指在遠離被控對象的情況下，能夠及時獲知被控對象的工作狀況，必要時發(fā)出指令對其進行遙控的系統(tǒng)。遠程監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)，使工作人員不需 要到達現(xiàn)場，只要在監(jiān)控中心就能夠掌握全局，實時獲取被控對象的詳細情況，迅速作出決策并有效地執(zhí)行，大大提高了工作效率，節(jié)省了人力物力，也提高了系統(tǒng) 對突發(fā)事件的應(yīng)變能力。

機房監(jiān)控成熟的方案很多，一般均使用寬帶專網(wǎng)的方式進行組網(wǎng)，在這里為什么要選擇窄帶的GPRS技術(shù)呢？這與監(jiān)控對象的需求和整體投入費用等因素有關(guān)。

小區(qū)接入機房的特點是數(shù)量龐大，機房內(nèi)設(shè)備少，或者僅僅是無源光分配機房，需監(jiān)控項目很少，也不配備視頻監(jiān)控。在這種情況下若采用廣電 自有技術(shù)如Cable Modem、PON等來建成寬帶專網(wǎng)，必然存在大材小用、浪費資源的問題，而且RJ45接口的監(jiān)控主機價格較高，而若采用GPRS技術(shù)組網(wǎng)和單片機的控 制，利用電信運營商的數(shù)據(jù)套餐，可實現(xiàn)低成本的組網(wǎng)［1］。一般地，用GPRS組網(wǎng)方式的設(shè)備投入建設(shè)費用可降到寬帶網(wǎng)絡(luò)的1/10,年網(wǎng)絡(luò)租用費用約為 寬帶專網(wǎng)資源占用費的1/5。

另外用GPRS組網(wǎng)方式可以擴展到雙向網(wǎng)絡(luò)條件不具備的接入機房，地域適應(yīng)性更強。

1監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及通信協(xié)議

圖 1所示為基于GPRS網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的小區(qū)接入機房監(jiān)控組網(wǎng)圖。左側(cè)為接入機房的部分監(jiān)控參量描述，這些參量通過單片機處理后通過RS232串口上傳給GPRS 模塊，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)、Internet后到達監(jiān)控服務(wù)器［2］。數(shù)百上千個接入機房的參數(shù)就通過這種方式上傳并匯聚到監(jiān)控服務(wù)器。

同樣，監(jiān)控服務(wù)器的指令通過Internet、GPRS網(wǎng)絡(luò)，再由GPRS模塊的串口下達至指定單片機，由對應(yīng)單片機進行相應(yīng)的操作，如遠程開啟機房門、遠程開燈關(guān)燈等。

通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Service，GPRS）［34］是在GSM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種分組交換的數(shù)據(jù)承載和傳輸方式。GPRS支持Internet上應(yīng)用最廣泛的IP協(xié)議和X.25協(xié)議。

由于本項目包含監(jiān)控服務(wù)器與GPRS模塊間的TCP/IP通信，監(jiān)控服務(wù)器與單片機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、GPRS模塊與單片機之間的串口通 信；涉及Windows系統(tǒng)編程、單片機編程［5］以及單片機電路的設(shè)計制作調(diào)試等，專業(yè)領(lǐng)域跨度特別大，因此整個過程的設(shè)計和實施必須以通信協(xié)議為基礎(chǔ) 實現(xiàn)團隊的分工合作。

考慮到實際通信協(xié)議內(nèi)容較多，表1列舉了部分內(nèi)容作說明。 表1監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議序號指令代碼備注1開門onled12開燈onled23關(guān)燈offled24心跳ok!5讀狀態(tài)信息state服務(wù)器發(fā)、單片機接 收指令，下發(fā)指令全部用小寫字母序號信息代碼備注1門已開啟ONLED12已開燈ONLED23第一路正常KEY1=04第一路異常KEY1=15地址標 識ADDR:XXXX單片機發(fā)、服務(wù)器接收信息，應(yīng)答信息全部用大寫字母

如單片機收到“onled2”，就要控制繼電器接通照明燈，同時返回信息“ONLED2”；監(jiān)控主機上電后，在TCP/IP鏈路創(chuàng)建成功后，單片機要向主機發(fā)送“ADDR:XXXX”，以告知監(jiān)控服務(wù)器自己是XXXX（4位編號）機房，現(xiàn)已上線。

2監(jiān)控服務(wù)器的配置及軟件設(shè)計

由于監(jiān)控服務(wù)器要接收通過Internet發(fā)來的IP數(shù)據(jù)包，小區(qū)接入機房的監(jiān)控主機要以TCP/IP方式與之創(chuàng)建連接，因此監(jiān)控主機需要規(guī)劃一個固定的公網(wǎng)IP地址。作為建設(shè)期間臨時調(diào)試階段，也可采用臨時公網(wǎng)IP或花生殼動態(tài)域名方式。

監(jiān)控服務(wù)器需要實時記錄每天每個機房實時上報的機房狀態(tài)信息，記錄小區(qū)機房人員進出開門記錄等，供管理查詢分析使用，所以服務(wù)器需安裝數(shù)據(jù)庫，根據(jù)需要可選用SQL Server 或MySQL。

本項目的軟件設(shè)計采用我國自主知識產(chǎn)權(quán)的易語言平臺開發(fā)，圖2所示為監(jiān)控服務(wù)器與小區(qū)機房監(jiān)控主機聯(lián)調(diào)時的測試界面截圖。

圖2中左側(cè)為TCP/IP通信過程中實時傳送的數(shù)據(jù)，可以驗證程序是否按通信協(xié)議嚴格執(zhí)行。圖2右側(cè)為機房監(jiān)控參數(shù)狀態(tài)的模擬顯示。

3GPRS模塊選型及TCP連接的創(chuàng)建

小區(qū)機房的監(jiān)控主機采用嵌入式系統(tǒng)，由華為公司的EM310模塊和單片機電路組成。EM310模塊是一款內(nèi)嵌TCP/IP通信協(xié)議的雙頻段GSM/GPRS模塊，支持數(shù)據(jù)的透明傳輸。本項目中GPRS模塊的任務(wù)就是與監(jiān)控服務(wù)器創(chuàng)建可靠的TCP/IP透明傳輸通道。

創(chuàng)建TCP/IP通道使用AT指令，調(diào)試時可使用串口調(diào)試助手進行。建立TCP連接的基本步驟如下：

AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET"

//設(shè)置APN無線接入點，成功返回OK

AT%ETCPIP="",""

//進行PPP撥號，成功返回OK

AT%IOMODE=1//對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，成功返回OK

AT%IPOPEN="TCP","120.199.217.155",9876

//以TCP方式連接監(jiān)控服務(wù)器的IP和端口，成功返回CONNECT

AT%TPS=1 //進入透傳模式，成功返回“>”號

GPRS模塊是本項目組網(wǎng)的核心部件，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性也取決于該模塊創(chuàng)建的TCP/IP連接的可靠性及異常中斷下的快速恢復(fù)能力。所以對GPRS模塊連接的可靠性測試十分重要，特別是模塊選型時，主要包括以下幾項內(nèi)容：

（1）在線空閑測試。即不發(fā)心跳包或數(shù)據(jù)，檢測能否維持平均1 h以上的鏈路而不中斷。維持時間越長越好。

（2）頻繁雙向小數(shù)據(jù)量測試。相當于模擬日常運行中的小數(shù)據(jù)包，加快速度測試，檢查中斷情況。

（3）雙向大數(shù)據(jù)壓力測試。本項目雖然不涉及大數(shù)據(jù)傳輸，但此方法可反映出模塊的穩(wěn)定性。

（4）去天線測試。檢測當GPRS/GSM信號臨時中斷或變?nèi)鯐r是否會產(chǎn)生中斷。

上述測試可在串口調(diào)試助手下進行，但真正完整的測試還需要由單片機編程來測試，其中一項很重要的內(nèi)容是上述產(chǎn)生TCP連接中斷后多長時間恢復(fù)連接。

4單片機外圍電路設(shè)計及軟件設(shè)計

單 片機系統(tǒng)是小區(qū)機房監(jiān)控主機檢測參數(shù)、執(zhí)行指令及與監(jiān)控服務(wù)器聯(lián)絡(luò)的綜合單元，作為本項目的研發(fā)，采用了8051系列單片機制作了一個最小系統(tǒng)，包含4個 按鈕輸入、4個指示燈、1個溫度芯片和1個RS232串口。用按鈕輸入代替報警信號輸入（如市電斷電、機房進水等），指示燈代表控制輸出（如遠程開門、遠 程開風(fēng)扇通風(fēng)等）。單片機芯片使用STC公司的STC89C52RC芯片，可利用RS232串口在線直接下載程序。

單片機編程采用C語言，通過Keil軟件編譯成8051單片機目標碼和十六進制HEX文件，將HEX文件通過串口下載到芯片中。

單片機軟件程序框圖如圖3所示。

由圖3可看出，監(jiān)控主機上電啟動后，由單片機發(fā)出AT指令建立TCP/IP連接，而 后監(jiān)控主機并進入等待狀態(tài)。在等待狀態(tài)若發(fā)現(xiàn)有串口指令，則執(zhí)行指令，并通過串口上報執(zhí)行結(jié)果（如已開門、已開燈等）；若發(fā)現(xiàn)有機房告警，則將告警信息通 過串口上報；機房溫度是定時上傳的，所以到上傳時間時，則通過串口上報當前溫度。

GPRS雖然號稱永久在線，但實際情況并非如此，由于網(wǎng)絡(luò)干擾、電路設(shè)計及其他一些原因，都會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷，而這些中斷監(jiān)控服務(wù)器往往無法及時發(fā)現(xiàn)，因此，快速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常并重新連接非常重要。

為保證TCP連接的可靠性，軟件框圖中增加了異常判斷和處理的內(nèi)容，即當出現(xiàn)心跳碼超時沒收到時，定時器溢出驅(qū)動電路重啟監(jiān)控主機；當由于干擾等因素導(dǎo)致單片機程序跑飛時，看門狗計數(shù)器溢出同樣驅(qū)動電路重啟監(jiān)控主機，以使系統(tǒng)重新連接［6］。

5系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試分為模塊單獨調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，要進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，要求各模塊的功能基本正常。

監(jiān) 控服務(wù)器通信功能驗證可在一臺或多臺PC上開啟多個TCP/IP的客戶端軟件，按通信協(xié)議的格式向服務(wù)器端上報告警信息、當前溫度或執(zhí)行指令后的回復(fù)信 息，查看服務(wù)器端是否能正常接收并以圖形方式模擬顯示；同樣服務(wù)器端通過操作圖形界面分別對不同的客戶端發(fā)送指令，檢查客戶端收到的指令是否符合通信協(xié)議 規(guī)范，以此方式驗證監(jiān)控服務(wù)器的通信功能。

GPRS模塊的調(diào)試使用串口調(diào)試助手和通用的TCP/IP服務(wù)端軟件，服務(wù)器端使用臨時公網(wǎng)IP地址，端口為9876，驗證TCP/IP連接是否成功，透明傳輸數(shù)據(jù)是否正常。

單片機的通信調(diào)試也使用串口調(diào)試助手進行。按照通信協(xié)議的規(guī)范，由串口調(diào)試助手向單片機系統(tǒng)發(fā)送指令，檢測單片機收到的格式、執(zhí)行情況和上報信息的格式是否正常；同時利用單片機的按鍵制造報警事件，看是否收到符合協(xié)議格式要求的報警。

在各模塊單獨調(diào)試正常（或部分功能正常）后，可進行相連模塊或系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。調(diào)試仍以通信協(xié)議為依據(jù)，檢查收發(fā)數(shù)據(jù)是否有效傳遞和執(zhí)行。

系統(tǒng)調(diào)試除保證通信功能正常外，最重要的內(nèi)容是通過優(yōu)化單片機軟件來提升網(wǎng)絡(luò)可靠性，以及異常（TCP中斷）情況下的快速重新連接。

6結(jié)論

本監(jiān)控項目為中廣有線紹興分公司與紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院校企合作項目，是針對公司分布各處的600多個小區(qū)接入機房而設(shè)計、研發(fā)的項目。研發(fā)成果除可應(yīng)用于公司小區(qū)機房監(jiān)控外，也可應(yīng)用于學(xué)院的教學(xué)。

由 于本項目的監(jiān)控是針對本地小區(qū)接入網(wǎng)機房，監(jiān)控內(nèi)容為動力環(huán)境參數(shù)，因此GPRS組網(wǎng)的整體流量有限，采用適當套餐后的網(wǎng)絡(luò)費用也會在較低水平。但如果要 在小區(qū)機房增加視頻監(jiān)控，一方面帶寬的限制會導(dǎo)致圖像不流暢，另外網(wǎng)絡(luò)流量費用也會大增，因此本方案不適合視頻監(jiān)控場合。

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