基于CDMA 1X的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中，常用的信息傳輸方式有：數(shù)字微波、數(shù)傳電臺(tái)、有線光纖、有線電纜等，數(shù)字微波和數(shù)傳電臺(tái)將受到傳輸距離及頻率許可的限制，而有線光纖和有線電纜的網(wǎng)絡(luò)成本較高，不適合監(jiān)控點(diǎn)非常分散及傳輸距離較遠(yuǎn)的情況下使用。

針對(duì)監(jiān)控對(duì)象分散、各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)間缺乏有機(jī)聯(lián)系、監(jiān)控信息量相對(duì)較少，實(shí)時(shí)性要求較低等特點(diǎn)，CDMA 1X提供了一種很好的信息傳輸方式。

CDMA 1X愿意是指CDMA 2000的第一階段（速率高于IS-95，低于2MB/s），可支持308kb/s的數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)部分引入分組交換，可支持移動(dòng)IP業(yè)務(wù)，是在現(xiàn)有CDMA IS-95系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為CDMA用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

由于CDMA 1X采用了反向相干解調(diào)，快速前向功控、發(fā)送分集、Turbo編碼等新技術(shù)，其容量比IS-95大為提高，從理論分析結(jié)果來(lái)看，如果用于傳送語(yǔ)音業(yè)務(wù)，CDMA 1X系統(tǒng)的總?cè)萘渴荌S-95系統(tǒng)的2倍，如果用于傳送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，CDMA 1X系統(tǒng)的總?cè)萘渴荌S-95系統(tǒng)的3.2倍，CDMA 1X理論帶寬可達(dá)300kb/s，目前的實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在100kb/s左右（雙向?qū)ΨQ傳輸），在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸等應(yīng)用。

2 基于CDMA 1X的無(wú)線通信

2.1 組網(wǎng)方案

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中心、通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)終端組成，綜合考慮業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量、安全性、可靠性、網(wǎng)絡(luò)狀況與成本等因素，采用下述組網(wǎng)方式：通信服務(wù)器以公網(wǎng)固定IP或固定的域名接入Internet，CDMA數(shù)據(jù)終端單元（DTU）上電后，主動(dòng)與通信服務(wù)器建立連接，如果通信服務(wù)器沒(méi)有固定IP，可以通過(guò)安裝花生殼軟件獲得固定的域名，此方案具有成本低、通信質(zhì)量穩(wěn)定、安全性適中、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。

2.2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸原理

根據(jù)上述組網(wǎng)方案，數(shù)據(jù)的上行傳輸原理如下：

（1）下位機(jī)通過(guò)RS232串口將數(shù)據(jù)傳給DTU；

（2）DTU將數(shù)據(jù)打成TCP/IP包，發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；

（3）TCP/IP數(shù)據(jù)包經(jīng)系統(tǒng)分組數(shù)據(jù)服務(wù)節(jié)點(diǎn)，傳輸至Internet上并且去尋找在Internet上的一個(gè)指定的數(shù)據(jù)服務(wù)中心（通信服務(wù)器）；

（4）通信服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)并存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)的下行傳輸與上述過(guò)程相反，不再贅述，系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)包括實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分。

實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)選用Wonderware公司的InTouch系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：系統(tǒng)管理功能；數(shù)據(jù)處理功能：包括數(shù)據(jù)查詢功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、數(shù)據(jù)定時(shí)上報(bào)功能；告警功能：包括實(shí)時(shí)響應(yīng)功能、告警聯(lián)動(dòng)處理功能、告警設(shè)置功能、告警確認(rèn)功能、告警存儲(chǔ)功能，操作控制功能，歷史數(shù)據(jù)庫(kù)選用Wonderware公司的Industrial SQL Server，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)表功能、歷史數(shù)據(jù)查詢功能、歷史數(shù)據(jù)曲線圖、打印功能。

3.2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)選用ABB AC31系列PLC，包括CPU模塊和I/O模塊，CPU接收一個(gè)或多個(gè)指定監(jiān)控中心對(duì)設(shè)備的操作控制命令，通過(guò)I/O模塊對(duì)有關(guān)設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的操作控制動(dòng)作，并向監(jiān)控中心返回操作結(jié)果,下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

數(shù)據(jù)采集功能，數(shù)據(jù)查詢功能，定時(shí)上報(bào)功能，操作控制功能。

3.3 CDMA數(shù)據(jù)傳輸中斷

CDMA數(shù)據(jù)傳輸中斷選用深圳宏電技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司的CDMA H7710 DTU該終端具有如下特點(diǎn)：

（1）H7710 DTU直接提供RS232/422/485接口，為用戶的數(shù)據(jù)設(shè)備提供透明、全雙工、對(duì)等的數(shù)據(jù)傳輸通道。

（2）普通GPRS/CDMA Modem通常需要附著在PC機(jī)上虛擬撥號(hào)上網(wǎng)，利用PC機(jī)的資源進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換，H7710 DTU內(nèi)置自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接和協(xié)議處理模塊，無(wú)需后臺(tái)計(jì)算機(jī)支持。

（3）H7710 DTU可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-多點(diǎn)、中心-多點(diǎn)的對(duì)等數(shù)據(jù)傳輸，傳輸時(shí)延一般小于1s。

（4）H7710 DTU一開(kāi)始就能自動(dòng)附著到GPRS或CDMA網(wǎng)絡(luò)上，并與您的數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路，隨時(shí)收發(fā)用戶數(shù)據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù)。

（5）H7000移動(dòng)數(shù)據(jù)通信可以不依賴于運(yùn)營(yíng)商交換中心的數(shù)據(jù)接口設(shè)備，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地的構(gòu)建覆蓋全中國(guó)的虛擬移動(dòng)數(shù)據(jù)通信專用網(wǎng)絡(luò)。

CDMA H7710 DTU在使用前必須設(shè)定出事參數(shù)：CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)登陸用戶名和密碼，通信接口參數(shù)、通信服務(wù)器的固定IP地址和端口或者通信服務(wù)器的域名、DTU的在線工作方式等等。

3.4 通信服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通訊服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的樞紐，主要實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間的數(shù)據(jù)傳輸，通信服務(wù)器的設(shè)計(jì)基于OPC標(biāo)準(zhǔn)，OPC可理解為過(guò)程控制的對(duì)象連接和嵌入（OLC for Process Control）是在微軟操作系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)的用于應(yīng)用程序接口的一種技術(shù)，基于Client/Server模式，為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的通訊，在通訊服務(wù)器上需要裝3個(gè)軟件；Wonderware公司的OPClink，IOServer公司的IOServer，CDMA Server。通訊服務(wù)器的工作過(guò)程及各軟件之間的管理如圖2所示。

下面分別講述通訊服務(wù)器上的3個(gè)通訊軟件的功能及應(yīng)用。

3.4.1 OPClink

OPClink是工作在Windows平臺(tái)下的應(yīng)用軟件，主要作用是通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器和InTouch吳志劍的數(shù)據(jù)傳輸。OPCLink可以與現(xiàn)地或者遠(yuǎn)程的OPC服務(wù)器端軟件（如IOServer，RSLinx）進(jìn)行連接，他將InTouch的命令轉(zhuǎn)換成OPC協(xié)議然后發(fā)送到OPC服務(wù)器端軟件，并從OPC服務(wù)器端軟件讀取數(shù)據(jù)，返回到InTouch。同樣，OPCLink也可以連接到現(xiàn)地或者遠(yuǎn)程的InTouch。

3.4.2 IOServer

IOServer的作用是實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議間的數(shù)據(jù)傳輸，IOServer支持以下14種協(xié)議：Modbus協(xié)議，AB協(xié)議、ASCII協(xié)議、Courier協(xié)議、DNP協(xié)議、GE協(xié)議、HR6000協(xié)議、IEC103協(xié)議、KingFisher協(xié)議、LoopBack協(xié)議、Melsec協(xié)議、Omron協(xié)議、TI505協(xié)議、UCA2協(xié)議。在本系統(tǒng)中，ABB PLC采用的是Modbus協(xié)議、因此，IOServer從CDMA Server上讀取ABB PLC的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議，傳送給OPCLink。

IOServer的配置主要包含以下3部分：

（1）Board（接口配置）：IOServer支持多種接口，其中最常用的是TCP/IP和串口，在配置接口的時(shí)候，需要定義所連接設(shè)備的協(xié)議；

（2）OPC Explorer：提供內(nèi)部測(cè)試的平臺(tái)，也可進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察和監(jiān)視。

（3）OPC Gateway：允許基于不同協(xié)議的各OPC服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，以及IOServer和某個(gè)控制單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3.4.3 CDMA Server

在本系統(tǒng)中，使用VisualC++6.0編寫CDMA Server軟件，CDMA Server作為整個(gè)系統(tǒng)的通訊樞紐，包括兩部分功能：與IOServer進(jìn)行通訊，與DTU進(jìn)行通訊。

CDMA Server與IOServer的通訊基于SOCKET編程，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸，需要設(shè)置端口和IP地址，IOServer通過(guò)此端口和IP地址與CDMA Server建立通訊。

CDMA Server和DTU之間的通訊使用開(kāi)發(fā)包中動(dòng)態(tài)庫(kù)wcomm_dll.dll，該文件包括和DTU通訊所需要的全部API函數(shù)，包括服務(wù)的啟動(dòng)、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、關(guān)閉服務(wù)等。

OPC Server與DTU的通信設(shè)計(jì)是基于開(kāi)發(fā)工具包的用戶程序接口,即動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)cdmagprs.dll，該庫(kù)包括了與DTU通信所需要的全部API函數(shù)，例如：

start_gprs_server：該函數(shù)用于啟動(dòng)底層服務(wù)，服務(wù)啟動(dòng)后和DTU通訊，啟動(dòng)該服務(wù)后，主窗口中要有響應(yīng)消息的函數(shù)，以便和底層服務(wù)通訊。

stop_gprs_server：停止服務(wù)；

do_read_proc：讀數(shù)據(jù)。底層服務(wù)接收到DTU發(fā)送的數(shù)據(jù)后，會(huì)向啟動(dòng)服務(wù)函數(shù)中指定的DSC的窗口發(fā)送消息，該窗口中的消息響應(yīng)函數(shù)應(yīng)立即調(diào)用讀數(shù)據(jù)函數(shù)將DBU發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)讀出；

do_send_user_data：向DTU發(fā)送數(shù)據(jù)；

da_close_one_user：關(guān)閉一個(gè)DTU終端，令其下線；

do_close_all_user：關(guān)閉所有的在線DTU終端，一般停止服務(wù)前執(zhí)行該API。

由于Windows基于消息驅(qū)動(dòng)的，底層服務(wù)接收到遠(yuǎn)端DTU的數(shù)據(jù)后，會(huì)向啟動(dòng)函數(shù)的窗口發(fā)送一個(gè)消息，因此，我們可以在程序中定義一個(gè)消息響應(yīng)函數(shù)來(lái)處理中心與DTU的數(shù)據(jù)傳輸，消息響應(yīng)函數(shù)中，通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的數(shù)據(jù)接收函數(shù)和數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，調(diào)用關(guān)閉服務(wù)函數(shù)來(lái)結(jié)束通訊。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）設(shè)置DTU主要參數(shù)：

DTU身份識(shí)別碼：139********

在線報(bào)告時(shí)間間隔：40s

本地通訊端口：5001

最大傳輸包長(zhǎng)：1000B

主DSC IP地址：219.229.3.24

（2）在CDMA Server上添加用戶，如圖3所示，其中終端端口與DTU上設(shè)置一致，為5001。網(wǎng)關(guān)出口端口，即CDMA Server與IOServer連接端口設(shè)置為5002。

（3）在IOServer上添加端口與設(shè)備，如圖4所示，在本系統(tǒng)中，由于IOServer和CDMA Server裝在同一臺(tái)機(jī)子上，因此IP地址設(shè)為127.0.0.1，端口號(hào)與CDMA Server提供的端口對(duì)應(yīng)，即5002。

經(jīng)過(guò)上述步驟，已建立起IOServer和DTU之間的通訊，接下去只需要IOServer和OPCLink上配置具體的Group和Item即可，在此不再贅述。

本系統(tǒng)已應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目，與有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）降低了通訊線路的建設(shè)成本和維護(hù)成本；

（2）提高了系統(tǒng)的靈活性，監(jiān)控范圍不受地域限制，節(jié)點(diǎn)控制目標(biāo)可以任意擴(kuò)充。

（3）通訊線路比較穩(wěn)定，不易發(fā)生通訊故障，就算出現(xiàn)問(wèn)題，也能迅速發(fā)現(xiàn)和排除。

5 結(jié)論

相信隨著CDMA無(wú)線通信的高速發(fā)展和3G牌照的發(fā)布，必將引領(lǐng)無(wú)線通訊的潮流，而基于CDMA無(wú)線通信的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，將會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用。