摘　要: 結合具體項目實際需求，提出了一套采用多傳輸方式實現遠程數據傳輸的分布式數據監控系統設計方案。此方案可以方便全面地將各個分散地震前兆采集點的數據納入整個監測系統，并有升級成本低、可靠性高、運行速度快、可擴展性強等優勢，適宜實際推廣實施。
　　關鍵詞: 數據傳輸 協議轉換 GPRS" title="GPRS">GPRS 遠程監控

　　分布在全國各地的地震監測臺站采集點數量多、范圍廣，并且很大一部分地處偏僻位置，條件惡劣，布線困難。目前有相當大一部分監測臺站在數據采集傳輸方面仍采用人工現場記錄或者電話撥號傳輸的方式^[1]，不僅傳輸效率低下，而且也無法完成多前兆儀器數據的實時處理及跟蹤前兆信息的最新變化,對地震的下一步發展趨勢就缺少了重要的判斷依據^[2]。由于傳輸方式不得力，許多關鍵地區前兆數據缺失嚴重已成為一個亟待解決的問題。所以現在急需尋找一種更好的設計方案，以解決臺站數據缺失的問題，同時，又能實現實時傳輸，并且投資小、方便維護。
1 總體設計與工作原理
　　本系統設計針對山東省地震局各臺站的實際情況，綜合有線傳輸與無線傳輸的優缺點，在保持原有已投資設備的基礎上，通過添加外部模塊進行混合組網，對原數據傳輸方式進行升級，完成對系統臺站數據的遠程高速采集。本系統對沒有有線網絡覆蓋的偏遠監測點、移動監測點的實時數據采集使用GPS、GPRS技術^[3]；而對固定監測點使用基于TCP／IP的有線網絡技術^[4]。通過不同協議的轉換，在保證傳輸速率的同時拓寬了臺站監測點的監測范圍，并且節省了大量人力物力資源，為全省地震測控系統之間的互聯互通和信息資源共享提供了統一的平臺。
　　系統整體基于客戶端/服務器模式設計，采用星狀點對多點通信，以達到分布式處理的目的。本數據監控系統由數據采集模塊、數據傳輸模塊、通信服務器模塊和數據監控模塊組成，其總體結構設計如圖1所示。數據采集模塊自動完成數據的采集、封裝，能夠響應數據監控模塊的控制指令并反饋信息；數據傳輸模塊將數據采集模塊傳來的數據封裝成IP包并傳送至通信服務器模塊；通信服務器模塊根據傳輸方式的不同采用相應的接收機制自動接收解析數據信息，并能接受并轉發數據監控模塊的監控指令；數據監控模塊負責數據的處理和存儲。四個模塊協調工作最終實現分散數據采集和集中監視處理的分布式管理，加之客戶端/服務器模式交互性強，能提供更安全的存取模式并有效降低網絡通信量，所以特別適用于采集點分散、數據量大、條件惡劣、干擾大的工業測控、數據采集場合。

2 系統模塊設計
2.1 通信服務器模塊
　　通信服務器模塊作為網關服務器負責數據接收，實現數據傳輸模塊的數據透明傳輸和觀測臺數據監控模塊的命令轉發。通信服務器模塊可安裝在任何具有真正的IP 地址的聯網計算機上，以方便分布在各個地區的多觀測臺進行數據讀取和管理。
　　由于系統采用混合組網，所以通信服務器模塊需要應對從數據傳輸模塊發出的不同協議數據包。針對這種情況，通信服務器模塊采用面向接口編程結合設計模式以實現較為靈活的設計^[5]，不僅能很好地支持現有的傳輸協議，而且為其他協議的擴展提供了很好的架構支持。
　　另外為了保證數據的安全性，通信服務器模塊采用了分級權限管理的設計，只有給定權限的數據監控模塊才能對通信服務器進行訪問。
2.1.1 有線通信軟件設計
　　在有線連接的條件下，數據傳輸模塊使用串口協議轉換模塊與通信服務器模塊建立TCP/IP協議通信。通信服務器模塊啟動后即根據各串口協議轉換模塊的IP地址與每一個串口協議轉換模塊建立SOCKET鏈接。一旦連接建立成功，通信服務器模塊就會保持此條SOCKET鏈接，并維護關于此SOCKET鏈接號與對應的前兆臺儀器編號的索引。為防止SOCKET鏈接斷線，通信服務器模塊每隔固定時間便檢測鏈路是否斷開，斷開則重新連接串口協議轉換模塊，從而保障鏈路的可靠性以及采集數據的完整性和實時性，減輕了串口協議轉換模塊的工作負擔。
2.1.2 無線通信軟件設計
　　在無線連接的條件下，數據傳輸模塊使用無線傳輸模塊與通信服務器通信。
　　無線傳輸模塊與通信服務器模塊建立通信鏈路遵循PPP協議^[6]。GPRS 設備啟動后, 它會自動進入到GPRS 網絡, 將其相關的信息(如GPRS設備在GPRS網中IP地址和端口號、設備的ID號、連接時間等)組成PPP報文通過GGSN網關轉發至Internet網中固定IP地址的通信服務器模塊上，通信服務器模塊會監聽網絡端口, 一旦有注冊信息到達, 即維護一條SOCKET鏈接信息，并維護關于SOCKET鏈接號與對應前兆臺儀器編號的索引。無線傳輸模塊監測鏈路的連接情況，一旦發生異常則會自動重新建立鏈路，保證其總是處于在線狀態。
　　GPRS網中IP地址、端口號和廣域網中的IP地址、端口號均由網絡動態分配, 它們隨時都有可能變化。為了保證通信服務器模塊在任何時段都能控制前兆采集模塊, 對無線傳輸模塊增加了“心跳”功能。一旦GPRS設備的IP地址和端口號發生了變化, 通信服務器模塊就會立即得到其新的IP地址和端口號, 更新索引，使通信服務器模塊與前兆儀器永久保持一條通信信道。
　　建立連接之后，通信服務器模塊和無線傳輸模塊之間通過UDP／IP協議進行雙向通信，實現透明數據傳輸。
　　該模塊采用多線程的工作模式實現整體多個終端的鏈路建立、維護以及數據收發、控制和相關處理，并能接受數據監控模塊權限驗證及命令下發。圖2為程序與數據傳輸模塊的數據交互流程圖。其中I為無線傳輸方式數據收發線程，Ⅱ為有線方式數據收發線程。

2.2 觀測臺數據監控模塊
　　該模塊通過Internet與具有固定IP的通信服務器模塊進行數據交換、下發控制指令等，而不是直接與數據傳輸模塊通信。此設計模式有利于對大批量采集模塊的分布式管理。它是系統的數據處理部分，完成對采集數據的最終協議解析，得到能夠直接存儲和利用的ORG格式數據文件，同時將采集到的信息存入數據庫中，并為用戶提供友好的人機交互，顯示各采集模塊數據參數的走勢分布圖等信息。
　　由于觀測臺僅關心自己管理范圍內前兆儀器的數據采集情況，所以需要為不同的監控模塊分配監聽權限。本系統允許每個監控模塊根據需要對不同地區不同編號的采集終端定制管理，從而實現了多觀測站監控中心負責不同地區數據的管理機制，使系統的整體性能大為增強。
　　監控模塊將接收的前兆采集數據按照原有前兆數據協議解析成東南西北四路原始檢測數據。按照需求生成ORG文件，同時配合ADO數據庫技術將提取出的時間點數據導入SQL SERVER數據庫中。為了滿足用戶定制查詢和分析監控數據的需要，監控模塊提供了一套數據分析接口，并借助第三方報表展示軟件以及其上的自定義擴展，提供了多種數據展示方式。這不僅可以滿足現有數據分析需求，而且為后續版本擴展提供了很好的基礎。
　　由于網絡的不穩定性, 在廣域網上進行數據傳輸存在著丟包的可能性。 為此在該模塊的軟件設計中增加了數據校驗錯誤重發的功能：前兆采集數據的幀長度固定不變，因此程序可以根據幀長及幀頭幀尾來判斷采集數據是否正確。在觀測臺監控模塊自動收取數據時,每收取一幀數據即對其進行校驗，若發現錯誤則立刻提交重新發送控制指令，要求前兆采集模塊重新發送指定數據，同時進行狀態報告。通過這種措施, 使得數據的正確性得到了保障。監控模塊的流程圖如圖3。

2.3 數據傳輸模塊
　　數據傳輸模塊是根據山東地震局實際情況，為保持原有設備投資而添加的。它為沒有TCP／IP協議棧的串口單片機數據采集設備和通信服務器模塊提供適配功能，以實現兩者之間的數據通信。
　　一方面數據傳輸模塊把數據采集模塊傳來的串口數據封裝成IP包通過網絡發送至通信服務器模塊；另一方面從網絡中接收來自通信服務器模塊的UDP、TCP/IP包解析成相應的串口數據傳送給數據采集模塊。
2.3.1 數據傳輸模塊協議
　　無線雖然自由，但是文件傳輸速度方面不是它的強項；有線雖然傳輸速度快而安全，但是受到網線和布局的制約。為了適應不同的采集環境，數據傳輸模塊分為針對有線方式的串口協議轉換模塊和針對無線傳輸的無線傳輸模塊。
　　串口協議轉換模塊負責串口協議與TCP/IP協議的轉換。串口協議轉換模塊有三種工作模式(UDP模式、TCP客戶模式和TCP服務器模式)，為保障其與通信服務器模塊之間的不間斷連接，系統設置為TCP服務器模式使用，在指定的TCP端口上監聽通信服務器程序的連接請求。
　　無線傳輸模塊提供了串口協議與UDP協議的轉換。之所以選擇UDP協議實現GPRS通信是為了保持系統較小的開銷，提高網絡穩定性和數據的實時性。由于UDP協議是面向無線連接的，會出現丟包問題，在數據監控模塊會采用差錯校驗作為彌補。
2.3.2 數據傳輸模塊硬件組成
　　(1) 串口協議轉換模塊
　　串口協議轉換模塊提供了一種全新的網絡構架模式:無需更改原有系統的應用程序，即可以讓傳統的RS-232或RS-422/485串行設備立即轉換成具備網絡界面的網絡設備，而且轉換成本極低。本系統采用臺灣MOXA公司的串口服務器。串口協議轉換器結構示意圖如圖4所示，不同公司的產品稍有不同。

　　(2) 無線傳輸模塊
　　無線傳輸模塊的工作原理是將串口數據拆成分組并通過移動網關和路由送至公網固定IP 地址的通信服務器模塊。無線傳輸模塊主要由TCP/IP協議處理模塊和GPRS模塊組成，生產GPRS模塊的主要有Motorola、SIEMENS和WAVE2COM等公司。本系統采用SIEMENS公司的MC35 GPRS模塊和嵌入TCP/IP協議的8051內核MSC1210Y5單片機來組建無線傳輸模塊。為了方便移動采集設備的數據采集和定位，通過串口擴展芯片(GM1823)擴展了GPS模塊，使得無線傳輸方式可以同步傳輸自身的地理位置信息(GPS定位信息)。同時也可根據需求擴展完善此無線傳輸模塊的功能，其結構如圖5所示。

2.4 數據采集模塊
　　數據采集模塊為山東省地震局原有設備，是各前兆臺站負責實時檢測采集周圍環境參數(如溫度、濕度、壓力、地磁參數等)的基礎設施。它以十六進制的形式通過串行物理接口(此類工業控制器大都采用標準的RS232/485接口)向外發送采集的數據。
　　該模塊具有數據存儲的功能，能夠存儲一定時間內的數據信息，并且有豐富的指令集可接受控制命令(如改變上傳數據的時間間隔,改變本地設備的編號等)。數據采集模塊直接連接數據傳輸模塊，可以采用主動或被動的方式把保存的歷史數據或實時數據交給數據傳輸模塊傳送至通信服務器模塊。
　　本系統是與山東省地震局合作開發的一個實際工程項目，項目的完成是理論與實際需求緊密結合的結果。本文利用網絡通信和GPRS遠程控制技術，緊密結合目前地震系統前兆參數的采集現狀，方便、全面地將各個分散前兆采集點的數據納入整個監測系統。筆者在聊城、膠州、臨沂、菏澤等多個地區的采集點增加了數據傳輸模塊，組成了跨地區現場數據采集網絡。經過三個月的系統運行實驗,對數據傳輸模塊與監控中心通信時發生的數據包錯誤情況進行了測試。隨機選取的5個采集點的數據統計顯示，收取錯誤數據包的比例約為1%，經校驗重發后數據包錯誤率基本為0；數據監控模塊下發控制指令平均響應時間為3s，取得了滿意的效果。
　　實驗結果表明,此系統應用狀況良好，符合現場采集需要，接收數據穩定可靠，優點如下：(1)成本低，占用資源少，數據可靠；(2)運行速度快，批量檢測仍能滿足性能要求；(3)自動定時或手動接收數據準確自如，歷史、故障信息完整，節省人力資源；(4)整個系統采用靈活的架構設計，為今后的維護擴展提供了有力的支持。該系統還適用于電力系統自動化、工業監控、交通管理、實時氣象、金融證卷、環境監測、煤礦以及石油等行業遠程數據采集同步傳輸。
參考文獻

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