考了低分以后数学以后

2006年 第 5期 (第 34卷) 黑 龙 江 水 利 科 技 Heilongjiang Science and Teclnology of Water Conservancy No．5．2oo6 (Todal No．34) 文章编号：1007—7596(2006)05—0005—03 桥梁检测数据的GPRS无线传输 孙玉滨 ，叶 柳 (1．哈尔滨市公路勘察院，哈尔滨 150001；2．黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080) 摘 要：介绍了GPRS技术的特点及目前的部署状况；利用西门子公司的GPRS模块，重点提出了一种基于GPRS实现桥梁检测远程 数据传输系统的设计和方法；具体说明了系统实现中的难点和关键技术，克服了传统方法的缺点，实验测试取得 良好效果， 同时展望了该技术广泛的应用前景。 关键词：GPRS；SMS：远程数据传输；桥梁检测 中图分类号：TN92 文献标识码：A 长期以来，由于技术水平以及环境等因素的限制，人们 对大型桥梁的检测一直以人工方法为主。一般都是由专业 技术人员定期到现场对桥梁进行检查，将获得的数据拿回实 验室进行分析，然后再给出结论。这种方法一方面不能及时 掌握桥梁的运行状况，另一方面需要具有很高专业知识的技 术人员，浪费人力、物力。近年来，随着科学技术的发展，尤 其是通信技术、计算机技术和传感器技术的发展 ，使人们对 桥梁的实时远程检测成为现实。使用这种技术，技术人员可 以不用到桥梁现场，就可以设置数据采集系统的各个状态参 数 ，采集到的数据经预处理后通过通信系统送到远离桥梁的 控制中心，数据经过系统分析软件进一步分析处理 ，得到桥 梁的状况评估、损伤分析、剩余寿命评估 、维修决策等结论。 这样，不但可以大大减轻专业技术人员 的劳动强度，而且控 制中心可以随时掌握桥梁的运行状况，及时发现问题并采取 相应措施 ，避免恶性事故发生。 l GPRS技术简介 通用 分 组 无 线 业 务 (General Packet Radio Service， GPRS)是在现有 GSM系统上发展起来的一种承载业务，目的 是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS抛弃了传 统的独占电路交换模式 ，采用分组交换技术，每个用户可同 时占用多个无线信道，同一无线信道又可以有多个用户共 享，有效地利用了信道资源，带宽最高可达 171．2Kb／s。目前 中国移动的 GPRS覆盖范围在中心城市几乎达到了 100％， 在边远地区也达到 了 80％ 以上，实际应用带宽大约在 20— 40Kb／s，特别适合远程检测行业的通信需求，能够完全取代 过去传统的有线 MODEM．X．25、数传电台、短信等通信方式。 GPRS通信方式更适合于桥梁数据采集传输业务，目前 各桥梁检测站与各采集点采用电话线传送数据或手工抄录， 实时性差、误差大 、费用也不便宜。GPRS无线传输数据有以 下优势：(1)GPRS用户可随意分布和移动 自己的网点 ，无需 担心线路的维护或线路在移机时导致的通讯中断。建设新 的监测点无需进行拉线 、埋线等工作。较光纤或专线系统投 资较少 ，设备安装方便；(2)终端价格比较低，与 DDN相 比较 DTU或 DDN专线 Modem其终端价格便宜；(3)GPRS资费便 宜，计费合理。GPRS数据业务资费包月比有线电话网络资 费还便宜。GPRS还可根据通信的数据量和提供的服务质量 进行计费。在 GPRS网中，用户只需与网络建立一次连接，就 可长时间的保持这种连接 ，并只在传输数据时才占用信道并 被计费 ，保持时不 占用信道不计费。这样，检测点既不用频 繁建立连接 ，也不必支付传输间隙时的费用；(4)GPRS能最 好地支持频繁的、少量突发型数据业务。通信质量稳定可 靠，永不掉线 ；(5)GPRS网络接入速度快 ，提供了与现有数据 网的无缝连接。由于 GPRS网本身就是一个分组型数据 网， 支持 TCP／IP X．25，因此无需经过 PSTN等网络的转接 ， 直接与分组数据网(IP网或 x，25网)互通，接入速度仅几秒 钟 ，快于电路型数据业务。采用 TCP／IP协议 ，较 以前的无线 数据网络(集群、双向传呼、GSM短信息)而言，网络接入更加 直接方便、覆盖更好。 2 系统的组成和设计 2．1 系统组成 整个系统的结构如图 l所示。在整个系统 中由于外部 环境因素，数据传输系统安装在桥梁上会对数据传输的准确 性带来很多不利因素，为此先将桥梁检测数据通过近距离无 线传输设备，将采集的数据传输到附近的监测站，再将其通 过串口连接到 GPRS数据传输终端 ，GPRS数据传输终端按照 专用协议进行解析得到桥梁检测设备传来的数据后，将数据 依次进行 TCP封装一IP封装---~ppp封装 ，然后将数据发送到 GPRS网络，最终通过各种网关和路 由到达 监控 中心。当 GPRS网络出现故障时，GPRS数据 f々输终端切换到使用短消 息传送数据的模式，将采集到的数据和网络故障的信息发送 到短信报警／数据接收中心，再由短信报警／数据接收中心将 数据发送到数据监控中心。这样充分保证了重要的采集数 [收稿 日期]2006—03一l6 [作者简介】孙玉滨(1968一)，男，黑龙江哈尔滨人，助理工程师；叶柳(1968一)，男，福建福州人 ，工程师。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2006年 第 5期 (第34卷) 黑 龙 江 水 利 科 技 Heilongjiang Science and Teclnology of Water Conservancy No．5．20o6 (Todal No．34) 据不会丢失，极大的提高了系统的可靠性和稳定性。 2．2 系统设计 整个系统的设计包括近距离数据无线传输、GPRS 终端的硬件与软件的选择与设计、传输终端与用户设备的接 口、TCP／IP协议处理 、GPRS终端与数据中心的互联 、数据 中 心的网络接入与软件设置。 图 1 系统结构 桥梁检测设备为传统的具有 RS232／485接口的设备，如 位移计、倾角仪、压电加速度计等检测设备。桥梁检测设备 有两种工作方式 ：一是按事先设定好的时间间隔，周期性 的 采集桥梁状态数据，实时地传送到监控中心；二是实时的响 应监控中心的控制命令，按照监控中心发来的命令进行特定 的数据采集任务。这就要求作为数据传输模块 和终端设备 控制模块的GPRS终端能够实时地解析。处理各种控制命令 并向数据传输服务提供尽可能大的吞吐率，GPRS数据传输 终端的硬件组成和连接如 图 2所示。近距离无线传输用 nRF401组成数字收发电路，nRF401是一个单片 RF收发芯 片，工作在 433MHzISM频段和 315MHz频段，具有 FSK调制 和解调能力，抗干扰能力强，适合工业控制应用 ，采用 PLL合 成技术，频率稳定性好。在仪器仪表数据采集系统、无线抄 表系统 、无线数据通信 系统、计算机遥测遥控系统 中应用。 连接如图3所示。GPRS模块可使用目前比较流行的 WAVE— COM公司的 WISMO系列模块或者西门子公司的 MC35系列 模块。其中 WAVECOM的 2403A具有结构简单、使用方便、 功能强大且性价 比高的特点，成为本系统最终选用的通讯模 块。GPRS模块与 CPU之间通过串行口进行通讯，速率设置 为 115200bit／s。 3 远程数据传输 3．1 模块设置 要实现微处理器通过 GPRS模块上网，必须先对 GPRS 模块进行一系列的设置。微处理器与 GPRS模块之间使用 AT命令进行通讯 ，遵循“AT command set for GSM Mobile E— quipment(ME)(GSM07．07 version 6．4．0 Release1997)”协议 。对模块的初始化设置工作在系统加电、操作系统完成 各项初始化工作之后进行。主要的步骤和命令有：(1)AT+ CGCLASS=“B”：设置移动终端的类别为“B”类 ，即同一时间 只能运行一种业务，要么使用 GPRS上网，要么收发短消息或 使用 GSM的语音通信。(2)AT+CGDCONT=1，“IP”，“CM— NET”：设置接入网关为中国移动的网络。(3)AT+CSQ：检 — — 6 —— 测信号强度，若返回值为“99，99”，表示检测不到网络信号， 重复用户设定的检测次数，如果仍然检测不到，则软件复位 重启该传输终端。(4)AT+CGACT=1，1：测试终端是否已经 附着到 GPRS网络上，如果返回值为“OK”，表示附着成功，可 以使用 GPRS网络传输数据了；若返回值为“ERROR”，表示 附着网络失败 ，通过串口给出提示信息。这是用户应该检查 SIM卡的 GPRS业务是否已经开通。对 GPRS模块设置完成 之后 ，就可以使用 GPRS模块进行数据传输了。 ． CTS ． ’‘TXD SIICLK 1=RXD二 SI岫AT五 一 CPU —．RTS．． SI脓S下r SI h ’’DTR GPRS~块 SIlI1『C( ROM ：DSR二 RI～ 图2 GPRS数据传输终端的硬件组成和连接图 I 5 I 2船 1 毋 ．．L l — ! l 『 E辨 l ———__1 ． 【 --'-cll1 l ． =c6= 囹r DIH 啷 一 塑l9 1 坐 2 、9虹 D。【jT盱．m _-__一 — — I fu州皿I m ∞ 图 3 无线数字收发 电路 3．2 数据传输 GPRS网络物理层提供了数据传输 的途径，需要一种数 据链路层的协议对上层即网络层协议进行封装。由 GPRS是 基于 IP协议，数据以 IP分组的形式在终端与 GPRS服务器 群之间进行传输，为了保证传输的可靠性和实现对终端的身 份验证，中国移动采用了 PPP协议作为数据链路层使用的协 议。PPP协议在网络组件中实现，在这不做讨论。使用 PPP 拨号时 ，接入电话号码为“ 999 1#”，用户名和密码都为 空 ，开始 PPP拨号后，不断的轮 PPP状态机的状态，当状态为 OPENED时，表示 PPP协商成功 、连接建立，可以使用 GPRS 网络进行TCP／UDP传输。由于通过 GPRS拨号上网的终端 维普资讯 http://www.cqvip.com 孙玉滨，等：桥梁检测数据的GPRS无线传输 第 5期 连接上的是中国移动的 GPRS内网，它获得的 IP地址属于 GPRS内网址 ，初始状态下，数据中心不能直接用这个 IP地 址主动与终端设备进行通讯，所以通讯过程一般为：(1)终端 设通过 PPP拨号登录 GPRS网络，获得 GPRS内网的 IP地 址；(2)终端设备使用数据中心服务器的Intemet上的 IP地 址或 HTI'P地址与数据中心建立 TCP连接，这时 TCP握手请 求的IP封包通过 GPRS内网与 Intemet连接的网关路由至数 据中心；(3)数据中心收到握手请求后 ，发送的同步响应报文 经过上述 GPRS网关的 NAT转换递交到终设备 ；(4)完成握 手后，连接建立 ，开始数据传输。 在短消息数据传输时，微处理器通过串口使用相应的 AT命令控制 GPRS模块进行短消息的发送和接收。短消息 传输有两种方式 ：一种是文本方式，即该方式下可发送由可 见字符表示的文本信息；一种为 PDU方式 ，在该方式下，二进 制数据以一定的编码规则被发送。由于 PDU方式有表示范 围宽、传输效率高的优点，所 以终端采用 PDU方式进行短消 息数据的发送。由于 PDU的编码方式复杂，不利于理解和扩 展，在研究了 PDU的编码后．提出如下编码方式：首先将 取得的数据(以字节为单位 )的高 4位和低 4位拆分成两个 字节 ，再将得到的字节分别加上 0×30转换得到发送所需要 的“0～F”之间的可见字符，即可形成 PDU方式能够发送的 数据。接收过程中，进行逆向操作解码即可。主要的命令和 步骤有：(1)AT+CMGF=0，设置短消息发送方式为 PDU方 式；(2)AT+CMGS=“要发送数据编码前长度”，能使短消息 发送；(3)等待接收到 GPRS模块发回的“>”响应后，向串口 写入编码后的要发送数据，以 ～z结束。 3．3 可靠性保证 由于 GPRS网络 目前存在掉包率偏高 、经常掉线、链路不 稳定的特点，终端在设计时采取了以下几点措施保证数据传 输的稳定性：(1)当通讯过程中，TCP重传次数大于3次时， 认为 GPRS网络出错，若能使用短信备份功能，切换到定时按 事先设定好的命令采集数据 以短信发送的工作模式。切换 时，首先向 GPRS模块发送“+++”命令，从在线传输模式 切换到在线命令模式以响应短信发送的AT命令。在短信工 作模式下，每隔一段时间，开始 PPP拨号 ，若拨号成功，则将 工作模式切换回使用 GPRS网络传输。若不具备短消息备份 功能，则将终端重新启动。(2)为了保证永远在线 ，避免在应 用环境中由于链路空闲而被服务器强制断连，设备提供心跳 功能，主动发送心跳数据 ，维持链路。具体做法是，设置一个 心跳中心(可与数据中心使用相同的服务器)，终端每隔一段 时间，向心跳中心发送称为心跳的特定 UDP报文，该报文不 包含有意义的数据，仅表示模块在线。当中心一段时间后收 不到心跳信息时，可知模块已经脱离 GPRS网络 ，此时工作人 员可以通过拨打终端电话的形式 ，将传输终端软复位，本工 作过程为远程唤醒。远程唤醒的设置为用户提供 了更为完 善的使用功能。 为了方便用户的配置，传输终端实现并提供 了如下几种 友好的、多样化的配置界面 ：(1)内置了 HTI'P服务器，用户 对传输终端所有参数的设置操作可以通过浏览器对传输模 块在图形化界面下进行，提高了系统远程设置的易用性 ；(2) 带有命令行解析器，习惯 了使用 CISCO路由器的 CONSOLE 方式设置通讯设备的高级用户可 以使用与 CISCO命令兼容 的用户命令对传输终端进行设置，另外 ，本设备最大的特点 是支持 Telnet服务器和多级 Telnet客户连接，为用户的远程 设置进一步提供了方便；(3)针对使用串口配置的方式，专门 为本传输终端开发了运行于Windows环境下的设置工具，用 户可以使用该图形化工具方便快捷的进行现场设置。 4 结论 GPRS链路虽然理论速度高达 171．2Kb／s，但是实际应用 中的带宽一般只有 20—40Kb／s，是系统性能提升的瓶颈，因 此，如何提高信道的利用率，是建立高性能的数据传输系统 的关键。由于远程监控过程有突发性高 、数据量不大的特 点，导致 了有大量的小数据包在链路传输，这意味着链路上 的数据传输效率不高。为避免链路上大量小数据包的传输 ， 系统进行 了优化，指定串口接收的应用数据缓冲大小(缺省 为512字节 )，只有 当缓 冲被 填满 或接 收 超时 (缺 省 为 200ms)才会发送 ，大大提高了数据传输性能。目前在网络稳 定的情况下，系统能以35Kb／s左右的速率发送／接收 TCP数 据包 ，对信道的利用率达到了87．5％。 为了进一步提高系统的性能，可以采取以下的方法对本 系统进行改进 ：将射频模块换为 CDMA模块，使用更加稳定、 传输速率更高的 CDMA链路进行数据传输，以获得更高的数 据传输速率；将串口的驱动方式由中断方式改为 DMA成块 传送方式，提高串口的数据吞吐量。 综上所述，基于 GPRS的桥梁远程数据传输系统与传统 的解决方案相比较，降低了劳动强度，检测结果更为准确，可 以随时掌握桥梁的运行状况 ，并可以及时采取相应的修补措 施，有巨大的优势与向其它特定场合下的行业应用扩展的前 景。 参考文献： [1] 贺 丰 、GPRS的业 务定 位及 网 络建设 [J]、电信技 术， 2oo2，(3)． [2] 吕捷．GPRS技术[M]．北京：邮电大学出版社[M]，2oo1． [3] 韩冰 ．GPRS技术在数据采集与监控系统中的应用[J]'电信技 术，2oo3，(8)． [4] 袁万城，崔飞，张启伟 ．桥梁健康监测与状态评估的研究现状 与发展[J]．同济大学学报，1999，27(2)：184—188． [5] 马明建 ．数据采集与处理技术[M]．西安：西安交通大学出版 社 。2000． [6] 徐日昶，王博仪，赵家奎．桥梁检测[M]．北京：人民交通出版 社 。1989． [7] 高怀志，王君杰 ．桥梁检测与状态评估研究与应用[J]．世界 地震工程 。2000。16(2)：57～64． — — ，7 —— 维普资讯 http://www.cqvip.com