基于GPRS/Web/WAP服务的远程监控系统设计

刘克中，熊 迹，吕植勇，杜 柯，赵华伟

(1．武汉理工大学航运学院，湖北 武汉 430063;2．武汉理工大学智能运输系统研究中心，湖北 武汉 430063;3．武汉理工大学计算机科学与技术学院，湖北 武汉 430063)

近年来，船舶载运货物的事故时常发生，因此加强对船舶载运货物的远程监控已经成为一个日益重要的问题。目前船舶集成远程监控系统主要是通过海事卫星实现数据同步通信的，在经济投入方面相对较大。随着无线蜂窝通信技术逐步成熟，其在相同信息传输量上的费用只有海事卫星的1/4，而且技术上要求更低。因此基于GPRS技术的远程监控系统［1－4］已经成为当前研究的热点之一，并已有许多研究成果应用于实践。但是，现有的系统未将GPRS网络与大规模有线网络如Internet有机结合起来，融合多种异构网络系统的优点在设计上也尚不完整，未能充分挖掘网络的广泛应用为系统业务带来的增值空间［5－7］。

针对船载货物状态，笔者提出了一种基于GPRS通信技术与Web/WAP网络服务相结合的远程监控系统构架，将无线网络与大规模有线网络互联，扩展了通信网络的应用范围，提高了整个系统的灵活性和稳定性［8］。同时，该系统结合B/S网络浏览模式，使系统结构更加完整，对货物状态远程监控设备的管理更加方便和灵活。

1 系统总统设计

将基于GPRS和Web/WAP的远程监控系统分为远程监控终端(remote monitoring terminal，RMT)和网络监控平台(Web monitoring flat，WMF)2个部分。系统结构如图1所示，虚线左边是RMT，包含了GPS接收模块、传感器采集模块、GPRS传输模块、图像采集模块，以及基于LPC2368芯片的控制模块;虚线右边所示为网络监控平台应用B/S网络模式对SQL Server数据库进行操作并将数据库中所采集的数据进行显示，同时也可以通过B/S形式对图像采集模块进行控制。

图1 远程监控系统

2 船载货物状态数据采集与处理

2．1 船载货物状态数据采集

数据采集模块结构如图2所示。在当前采集的数据存储的同时，交由数据分析处理模块进行数据处理。

图2 数据采集模块示意图

船舶货物状态数据根据大宗货物类型可以分为集装箱、散杂货和液货。因此，货物状态数据采集根据这3种不同类型货物进行。①集装箱货物状态数据:对集装箱船舶货物状态的动态数据可由电子积载图来明确表示;②杂散货物状态数据:对大宗散货(粮食、化肥、工业原料等)，在货舱安装温度和湿度传感器以监视散状货物状态;③液化气和油品数据:专用液化气船和油船都有本船监控系统，包括油/气舱监控系统、油气浓度监控系统等。通过数据接口获取数据，主要有:各舱室的油/气温度、压力、液位和惰性气体浓度等。

2．2 数据分析处理

数据分析处理模块结构示意图如图3所示。数据有效性检验的实质是滤除非法数据和无效数据。有效性检验包括:数据时效的准确性检验、数据量值的范围检验、异常数据检验。数据格式转换是将不同量纲的数据一律转换成标准量纲数据，以及统一数据类型。数字数据的分类与标识按照数据功能实现不同分类。

图3 数据分析处理模块结构示意图

2．3 数据传输控制

数据传输控制结构示意图如图4所示。数据传输控制系统是将数据分类后需要传输到监控中心的数据进行加密、压缩和打包，然后通过无线通信终端(GPRS系统)发送到监控中心。同时对图像数据进行流控制，实现透明传输。

图4 数据传输控制结构示意图

3 远程监控终端硬件设计

RMT主要完成船载货物状态的传感数据收集、分析、过滤和传输工作。它主要包括传感数据采集模块、图像采集模块、CAN总线模块、GPS定位模块、数据处理控制模块和GPRS传输模块6个部分。

系统硬件结构框图如图5所示。图5中以STC12C5A32S2芯片为主要处理器的数据采集模块为前端采集监测单元，部署在各个监测点，负责船舶货物状态数据的收集与过滤，前端采集监测单元通过CAN总线模块将采集到的数据和GPS模块的定位数据传输给以主处理器为LPC2368的数据处理控制单元，通过这个控制单元将前端数据采集监测单元所收集到的货物状态数据通过GPRS模块传送到网络监控平台的网页界面上。

图5 系统硬件结构

STC12C5A32S2芯片工作频率为0～35 MHz;有最高可达62 k字节片内Flash程序存储器;1 280字节片内RAM数据存储器;8通道10位高速ADC;高速SPI串行通信端口;全双工异步串口(UART);通用I/O口(36个);符合前端监测单元的要求。控制单元核心处理器为LPC2368芯片，该芯片模块可以嵌套μCOS－II操作系统，操作系统可以对串口摄像头进行控制，并实施拍摄、存储、发送/传输等功能。当前端采集监测单元将收集到的数据通过CAN总线模块传输到数据处理控制单元时，数据处理控制单元根据传输协议要求给不同模块采集到的数据分配不同的格式，然后控制GPRS模块的MC55芯片将数据传输到Internet网络中，同时网络监控中心也可以通过Internet网络向控制单元发送控制命令，使LPC2368芯片能够通过串口控制摄像头的拍摄操作以及图像压缩存储功能。

GPRS模块和数据处理控制单元之间的数据通信主要是通过端口TXD0与TXD1之间、RXD0与RXD1之间的数据传输来完成的。

与GPRS模块的通信都是通过AT_COMMAD命令来完成的，向GPRS模块发送AT指令则会返回该条指令的回复信息。AT指令以“AT”开头，以＜CR＞＜LF＞结尾，不区分大小写。每条指令执行后返回的信息，包括接收到的来自另一方的信息都是以＜CR＞＜LF＞开头，以＜CR＞＜LF＞结尾。

GPRS模块内嵌了TCP/IP协议栈，使得通过命令驱动GPRS模块上Internet网络时将会变得十分方便。

4 系统软件设计

4．1 模块软件框架设计

软件采用标准的C语言构造，KeilC51编译器编译。系统软件设计包括两个部分:一是单片机对各个功能芯片的控制字的写入;二是GPRS数据接收发程序设计［9］。

4．1．1 图像采集程序设计

考虑到对图像采集模块的控制，选择的型号为GXT－M201的串口摄像头是一款具有视频采集和图像压缩功能的摄像头，具有30万像素CMOS摄像头，最大分辨率为640×480，是一个内含有拍摄控制、视频捕捉、图像数据采集、图像JPEG压缩和串口通信等功能齐全的图像采集设备。LPC控制单元通过串口以约定的协议对摄像头进行控制。LPC控制单元与摄像头是一种主从关系，摄像头的操作命令由LPC控制单元发出，LPC控制单元可以控制摄像头的输出格式、分辨率。摄像头向LPC控制单元发送响应消息。图像采集模块的采集流程图如图6所示。

缺钾发生原因：首先与土壤及气候因素有关，砂质土、红壤和冲积土等土壤钾的含量较低，砂质土壤或有机质含量低的土壤钾易于流失。其次，含钙、镁量高的土壤，由于钙和镁的颉颃作用，使钾的有效性降低。此外干旱也会导致土壤中钾的有效性降低。最后，柑橘园长期不施钾肥或钾肥用量不足，也会导致土壤中钾的缺乏。

摄像头输出的图像格式为JPEG。图像分辨率为 640×480、320×240、160×120。图像分辨率越高，则图像数据量越大。

4．1．2 GPRS 模块数据发送程序

图6 JPEG图像采集流程

LPC控制单元将GPS的地理位置信息和各监控节点的信息储存在RAM中。通过AT指令控制GPRS模块发送短信，将监控信息传给远程监控中心。限于篇幅只列出主要AT指令程序［10］。

打开TCP连接:

AT^SISO=1;//写入数据

AT^SISW=1，20;//要发送字节

12345678901234567890;//收到 20个数据后，MC55将自动发送出去

AT^SISC=1;//关闭TCP连接

4．2 网络监控系统软件框架设计

系统开发平台为μCOS－II操作系统，使用C语言进行开发。系统通过货物状态数据采集群采集到各个监控点的现场信息，并对其进行处理之后将处理结果通过Internet或GPRS发送至远程监控平台。软件结构图如图7所示。

图7 软件结构图

4．3 统一接口结构设计

系统使用主从式结构设计，其中包括统一接口设计、模块化设计。所谓主从式结构设计是以一台设备为主控设备，其他设备为从设备的结构，主控设备负责管理所有的从设备并负责与客户端交互，从设备负责采集监控点的现场信息并将这些信息处理后发送到主控设备。其优点是可以在主控设备不变动的前提下随意添加从设备，扩展性强，编程方便，与外界的通信全部由主控设备来完成，这样不必为每一个设备都配备一个通信设备，从而降低系统的成本。图8所示为统一接口结构图。

图8 统一接口设计结构图

该系统所有的监控中心(Web端、手机软件端、短信端)均使用相同的指令访问LPC控制单元设备，LPC控制单元负责监控中心和前端监测单元所有的数据通信，相当于一个数据中转服务器，将监控中心发来的命令经过解析后发送到前端监测单元，然后把前端监测单元反馈的信息转发给监控中心。

4．4 Web/WAP监控模块的实现

Web/WAP监控模块采用B/S模式进行设计，利用Web/WAP浏览器对多个监控点进行监控，将获取的货物状态数据放入数据库中，然后根据数据类型分类，以实现数据库查询和曲线拟合等功能。同时可实现对多个监控点的监控包括信息显示和远程控制两个功能。信息显示包括对多个监控场合的实时图片、时间、温度和湿度等信息的显示，当监控场合有异常时，相应的监控窗口会有文字闪烁、语音等报警信息。Web/WAP页面接受采集的图像和传感器的各种数据，更改监控场合的温度、湿度、烟雾和红外等报警参数。更改图像采集模块传送来图像的大小、清晰度和帧速等参数，更改短信报警的号码。监控中心软件体系结构如图9所示。

4．5 Web的应用平台

图9 监控中心软件体系结构

在WebGIS的开发平台上，采用B/S结构，极大地简化了客户机的工作，降低了对客户机性能的要求，不需要在客户端安装任何插件。无论是PC还是工作站，用户打开Web浏览器，就可以漫游地图、搜索地理信息和访问多种数据源数据等。

由于试验设备的限制，整个系统设备用公路移动载体为实验协作体，图10显示的是在Google地图上的B/S在线监控模式，图中的黑色细线条为远程监控终端的移动轨迹回放。

图10 基于Google地图的轨迹回放

5 结论

介绍了一种基于GPRS和Web/WAP的船载货物状态的远程监控系统，构建了结合移动网络与Internet网络的系统框架，对系统各组成部分的功能和设计进行了详细描述，并重点分析了远程监控系统的硬件和软件设计，随着GPRS技术的广泛应用，基于GPRS和Internet网络服务的远程监控系统将会有更大的应用前景和空间。

［1］ 贾靖，胡以怀，常勇，等．基于GPRS技术的船舶主机远程监控系统［J］．中国水运，2007，5(12):101 －102．

［2］ 周军．基于GPS/GPRS/GIS的危险品运输监控系统研究与设计［D］．西安:长安大学图书馆，2009．

［3］ 王朋，刘毅敏，徐望明．一种基于GPRS技术的远程水质检测系统［J］．微计算机信息，2010，7(1):78 －80．

［4］ 高璐，陈荣勇，王胜龙，等．基于GPRS模块的内河船舶管理［J］．电子测量技术，2008，31(9):136－139．

［5］ BATES R J．通用分组无线业务(GPRS)技术与应用［M］．朱洪波，译．北京:人民邮电出版社，2004:75－104．

［6］ YANG M S，ZHANG Y，CHEN R．Study on wireless remote monitoring system based on GPRS［C］//The International Conference on Wireless Communications，Networking and Mobile Computing．［S．l．］:［s．n．］，2008:1－4．

［7］ 龙光利．基于嵌入式系统的GPRS的设计［J］．微计算机信息，2008，5(2):50 －51．

［8］ 张文胜，徐切文，时砚会．TCP/IP协议栈在MSP430单片机上的实现［J］．山东师范大学学报，2006，21(2):40－42．

［9］ 李群芳，肖看．单片机原理、接口及应用:嵌入式系统技术基础［M］．北京:清华大学出版社，2005:17－55．

［10］ 杜向党，李淼，张继红．基于无线传感器网络和GPRS的无线远程监控系统设计［J］．机械与电子，2010(2):72－74．