金巧芳1，丁越峰2，韋玉生2
(1.紹興職業技術學院，浙江 紹興 312000；2.中廣有線紹興分公司,浙江 紹興 312000)
摘要：介紹了一種基于GPRS的小區機房監控系統。本系統由數據采集模塊、GPRS網絡傳輸模塊、監控服務器組成，采用自行設計的數據采集模塊和監控通信協議，以較低的成本和較高的精度實現了小區機房的監控。本系統極大地提高了機房監控的實時性和連續性，能夠真實地反映機房的情況，為廣電機房的監控提供了實時可靠的數據依據。本系統運行和維護費用較低，能節省大量的財力、物力和人力，具有良好的應用價值。
關鍵詞：GPRS；監控；通信協議；數據傳輸
0引言
感知技術、網絡技術、通信技術和計算機技術的迅猛發展，將物聯網應用推廣到遠程監控領域，使多種網絡技術和遠程監控系統相結合是當今物聯網應用領域的一個發展趨勢。遠程監控系統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，必要時發出指令對其進行遙控的系統。遠程監控系統的出現，使工作人員不需要到達現場，只要在監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行，大大提高了工作效率，節省了人力物力，也提高了系統對突發事件的應變能力。
機房監控成熟的方案很多，一般均使用寬帶專網的方式進行組網，在這里為什么要選擇窄帶的GPRS技術呢？這與監控對象的需求和整體投入費用等因素有關。
小區接入機房的特點是數量龐大，機房內設備少，或者僅僅是無源光分配機房，需監控項目很少，也不配備視頻監控。在這種情況下若采用廣電自有技術如Cable Modem、PON等來建成寬帶專網，必然存在大材小用、浪費資源的問題，而且RJ45接口的監控主機價格較高，而若采用GPRS技術組網和單片機的控制，利用電信運營商的數據套餐，可實現低成本的組網［1］。一般地，用GPRS組網方式的設備投入建設費用可降到寬帶網絡的1/10,年網絡租用費用約為寬帶專網資源占用費的1/5。
另外用GPRS組網方式可以擴展到雙向網絡條件不具備的接入機房，地域適應性更強。
1監控網絡組網及通信協議
圖1所示為基于GPRS網絡組網的小區接入機房監控組網圖。左側為接入機房的部分監控參量描述，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網絡、Internet后到達監控服務器［2］。數百上千個接入機房的參數就通過這種方式上傳并匯聚到監控服務器。
同樣，監控服務器的指令通過Internet、GPRS網絡，再由GPRS模塊的串口下達至指定單片機，由對應單片機進行相應的操作，如遠程開啟機房門、遠程開燈關燈等。
通用分組無線業務（General Packet Service，GPRS）［34］是在GSM的基礎上發展起來的一種分組交換的數據承載和傳輸方式。GPRS支持Internet上應用最廣泛的IP協議和X.25協議。
由于本項目包含監控服務器與GPRS模塊間的TCP/IP通信，監控服務器與單片機系統的數據通信、GPRS模塊與單片機之間的串口通信；涉及Windows系統編程、單片機編程［5］以及單片機電路的設計制作調試等，專業領域跨度特別大，因此整個過程的設計和實施必須以通信協議為基礎實現團隊的分工合作。
考慮到實際通信協議內容較多，表1列舉了部分內容作說明。 表1監控系統通信協議序號指令代碼備注1開門onled12開燈onled23關燈offled24心跳ok!5讀狀態信息state服務器發、單片機接收指令，下發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、服務器接收信息，應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”；監控主機上電后，在TCP/IP鏈路創建成功后，單片機要向主機發送“ADDR:XXXX”，以告知監控服務器自己是XXXX（4位編號）機房，現已上線。
2監控服務器的配置及軟件設計
由于監控服務器要接收通過Internet發來的IP數據包，小區接入機房的監控主機要以TCP/IP方式與之創建連接，因此監控主機需要規劃一個固定的公網IP地址。作為建設期間臨時調試階段，也可采用臨時公網IP或花生殼動態域名方式。
監控服務器需要實時記錄每天每個機房實時上報的機房狀態信息，記錄小區機房人員進出開門記錄等，供管理查詢分析使用，所以服務器需安裝數據庫，根據需要可選用SQL Server 或MySQL。
本項目的軟件設計采用我國自主知識產權的易語言平臺開發，圖2所示為監控服務器與小區機房監控主機聯調時的測試界面截圖。
圖2中左側為TCP/IP通信過程中實時傳送的數據，可以驗證程序是否按通信協議嚴格執行。圖2右側為機房監控參數狀態的模擬顯示。
3GPRS模塊選型及TCP連接的創建
小區機房的監控主機采用嵌入式系統，由華為公司的EM310模塊和單片機電路組成。EM310模塊是一款內嵌TCP/IP通信協議的雙頻段GSM/GPRS模塊，支持數據的透明傳輸。本項目中GPRS模塊的任務就是與監控服務器創建可靠的TCP/IP透明傳輸通道。
創建TCP/IP通道使用AT指令，調試時可使用串口調試助手進行。建立TCP連接的基本步驟如下：
AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET"
//設置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//對數據進行轉換，成功返回OK
AT%IPOPEN="TCP","120.199.217.155",9876
//以TCP方式連接監控服務器的IP和端口，成功返回CONNECT
AT%TPS=1 //進入透傳模式，成功返回“>”號
GPRS模塊是本項目組網的核心部件，網絡的穩定性也取決于該模塊創建的TCP/IP連接的可靠性及異常中斷下的快速恢復能力。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容：
（1）在線空閑測試。即不發心跳包或數據，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）頻繁雙向小數據量測試。相當于模擬日常運行中的小數據包，加快速度測試，檢查中斷情況。
（3）雙向大數據壓力測試。本項目雖然不涉及大數據傳輸，但此方法可反映出模塊的穩定性。
（4）去天線測試。檢測當GPRS/GSM信號臨時中斷或變弱時是否會產生中斷。
上述測試可在串口調試助手下進行，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容是上述產生TCP連接中斷后多長時間恢復連接。
4單片機外圍電路設計及軟件設計
單片機系統是小區機房監控主機檢測參數、執行指令及與監控服務器聯絡的綜合單元，作為本項目的研發，采用了8051系列單片機制作了一個最小系統，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、遠程開風扇通風等）。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，監控主機上電啟動后，由單片機發出AT指令建立TCP/IP連接，而后監控主機并進入等待狀態。在等待狀態若發現有串口指令，則執行指令，并通過串口上報執行結果（如已開門、已開燈等）；若發現有機房告警，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，由于網絡干擾、電路設計及其他一些原因，都會導致網絡中斷，而這些中斷監控服務器往往無法及時發現，因此，快速發現網絡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容，即當出現心跳碼超時沒收到時，定時器溢出驅動電路重啟監控主機；當由于干擾等因素導致單片機程序跑飛時，看門狗計數器溢出同樣驅動電路重啟監控主機，以使系統重新連接［6］。
5系統調試
系統調試分為模塊單獨調試和系統聯調，要進行系統聯調，要求各模塊的功能基本正常。
監控服務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，按通信協議的格式向服務器端上報告警信息、當前溫度或執行指令后的回復信息，查看服務器端是否能正常接收并以圖形方式模擬顯示；同樣服務器端通過操作圖形界面分別對不同的客戶端發送指令，檢查客戶端收到的指令是否符合通信協議規范，以此方式驗證監控服務器的通信功能。
GPRS模塊的調試使用串口調試助手和通用的TCP/IP服務端軟件，服務器端使用臨時公網IP地址，端口為9876，驗證TCP/IP連接是否成功，透明傳輸數據是否正常。
單片機的通信調試也使用串口調試助手進行。按照通信協議的規范，由串口調試助手向單片機系統發送指令，檢測單片機收到的格式、執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，看是否收到符合協議格式要求的報警。
在各模塊單獨調試正常（或部分功能正常）后，可進行相連模塊或系統的聯調。調試仍以通信協議為依據，檢查收發數據是否有效傳遞和執行。
系統調試除保證通信功能正常外，最重要的內容是通過優化單片機軟件來提升網絡可靠性，以及異常（TCP中斷）情況下的快速重新連接。
6結論
本監控項目為中廣有線紹興分公司與紹興職業技術學院校企合作項目，是針對公司分布各處的600多個小區接入機房而設計、研發的項目。研發成果除可應用于公司小區機房監控外，也可應用于學院的教學。
由于本項目的監控是針對本地小區接入網機房，監控內容為動力環境參數，因此GPRS組網的整體流量有限，采用適當套餐后的網絡費用也會在較低水平。但如果要在小區機房增加視頻監控，一方面帶寬的限制會導致圖像不流暢，另外網絡流量費用也會大增，因此本方案不適合視頻監控場合。
參考文獻
［1］ 郭銳，徐玉斌.一種基于GPRS 的遠程監控系統［J］.太原科技大學學報，2006，27(5):352 357.
［2］ 張鋒,劉美.基于嵌入式與物聯網技術的城市綠化在線監控系統［J］.電子技術應用,2014,40(7):1316,20.