基于GPRS的锅炉远程监测预警系统

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PPP登录子程序工作过程:
1)启动GPRS模块
在ARM微处理器控制下，把GPRS模块PWKEY管脚的信号拉低SOms
以上，GPRS模块开机。
2> GPRS模块初始化
第一步:ARM微处理器发送AT指令来测试AT指令能否可用，若返回
OK则AT指令可用;若返回ERROR则不可用，表示模块不能正常工作或是
未工作。
第二步:ARM微处理器发送指令AT+CSMINS来检查是否插好SIM卡。
第三步:ARM微处理器发送指令AT+C GRE G来检查GPRS网络注册状
态。
第四步:ARM微处理器发送指令AT+CGDCONT=1, "IP" , "CMNET",
把GPRS模块注册到GPRS网关CMNET o

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3 ) PPP建立过程
第一步:ARM微处理器发送指令ATD*99#，返回“CONNECT”时表明
GPRS模块己经连接到GPRS网络，进入PPP链接的建立阶段。
第二步:LCP配置协议协商，当协议协商完成后，则进入认证阶段，若
认证失败则返回链路状态;若认证成功则进行PAP/CHAP协议协商。
第三步:PAP/CHAP协议认证，若认证失败则返回链路状态;若认证成
功则进行NCP配置阶段。
第四步:NCP配置协议协商，若协商没通过则返回链路状态，若通过则
GPRS模块获取分配的动态IP地址，即说明锅炉数据采集仪己经登录到GPRS
网络，可以和监测预警平台进行远程通信。
数据传输子程序工作流程:ARM微处理器定时的向监测预警平台发送工
业锅炉实时运行参数，设计每隔Ss发送一次实时运行参数。若Ss定时器时
间到，ARM微处理器将A/D转换后的数据和开关量数据发送给GPRS模块，
再将其数据封装成IP数据包，最后将此包发送至监测预警平台。数据传输子
程序流程如图3.16所示。

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HMI是一种智能化控制显示装置。
面，该系列人机界面通过组态软件HMI
MiniHMI-SO1C是一种中小型人机界
Developer Suite(简称HDS)进行项
目开发，灵活高效、稳定可靠，且允许运行用户脚本，使工程设计更加灵活，
非常适用于装备制造、机械加工、电力监控、过程控制等领域。MiniHMI-501 C
采用高达400MHz的32位RIS C(精简指令集)微控制器，数据处理速度快，
配备实时数据库，方便数据存储，内置256MB存储空间，采用高对比度、
高亮度真彩TFT显示器:LCD支持26万色，清晰度高、功耗低、使用寿命
长。其上还集成了一个RS485接口，一个RS232接口，一个工业以太网接口
及8个自定义触摸按键，用户可通过组态随意设置按键功能。MiniHMI-5 O 1 C
支持市场上主流PLC和数据采集模块，如三菱、西门子、松下、欧姆龙和永
宏等品牌，同时支持Modbus TCP, Modbus ASCII, Modbus RTU,  CANopen,
iCAN和J1939等多种通信协议。
文中HMI主要起两个作用:一是从PLC中读取工业锅炉实时运行参数
通过DTU传输至监测预警平台，二是将工业锅炉实时运行参数在现场显示
出来。
HMI采用组态软件HMI Developer  Suite(简称HDS)进行软件开发。
HMI与PLC之间采用下载电缆进行连接。HMI根据要求直接读取PLC中数
据，内部集成了与PLC的通讯协议，因此不需要编写与PLC的通讯程序，
只需选择PLC制造商和通讯协议，运行时就可实现通讯。本文在西门子
57-200、三菱FXOS  14MR上都己实现通讯。在设计时，HMI直接指定读取
存储工业锅炉运行参数对应的PLC寄存器(R)和中间寄存器(M)的地址，
通过对HMI进行组态软件开发，就能直接读取出来，显示在HMI界面上，
并可通过HMI自定义协议将采集的数据经DTU发送至监测预警平台。自定
义协议是系统通信应用层协议，具体是指监测预警平台与锅炉数据采集仪两
者之间的通信约定。协议详见3.3.4章节。

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需配置的参数主要有:
(1)本地设置
本地设置包括设备名称、SIM卡号、工作模式和DTU模式。
设备名称和SIM卡号都是DTU身份识别码，方便在监测预警平台识别
DTU终端。
工作模式包括三种方式:永远在线、空闲下线和空闲掉电。本文选择永
远在线模式，该模式下，DTU上电后会主动连接预先设定好的监测预警平台
服务器，并一直维持在线状态，随时都可快速的进行数据远程传输。
DTU模式包括四种:普通客户端模式、服务器模式、点对点客户端模式，
点对点服务器端模式。本文选择普通客户端模式，DTU将作为客户端主动连
接监测预警平台服务器。
   (2)目标设置
   目标设置包括数据中心数量、主数据中心主站IP地址、主数据中心主站
域名、主数据中心端口号、主数据中心连接模式、备用数据中心主站IP地址、
备用数据中心主站域名、备用数据中心端口号和备用数据中心连接模式。这
里与主数据中心连接模式和备数据中心连接模式都选用TCP连接。主数据中
心主站IP地址是指服务器连接Internet获得的公网IP地址。IP地址是用于
识别网络上的各个网络设备(如电脑)，端口号用于区别运行于同一网络设
备上的不同软件。系统连接主数据中心失效不通或出现异常时，将自动切换，
把数据传输至备用数据中心。
   (3)传输控制
传输控制包括串口波特率、数据位长度、校验类型、停止位长度及流控
制。各参数根据HMI而定，本系统HMI的串口参数为:波特率9600bps }  8
位数据位，偶校验位，1位停止位，无流控。

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   (    1 >  GPRS接入
GPRS接入是指向移动运行商申请APN服务，获得GPRS内部网固定的
IP地址，监测预警平台对多点的数据通信通过DTU与GPRS Modem拨号来
实现。
   C 2)  Internet接入
Internet接入是指监测预警平台通过路由器接入Internet网，GPRS终端
通过基站子系统接入GPRS网络，经GGSN网关汇集，通过移动公司内部防
火墙及路由器接入Internet锅炉数据采集仪采集的相关数据通过GRE隧道
实现信息的互通。这种接入方式根据不同形式的IP地址分为动态IP地址接
入及固定IP地址接入。动态IP地址接入是指监测预警平台IP地址不固定。
这种监测预警平台需要申请固定域名，当监测预警平台软件启动时，动态域
名服务器商就获得当前服务器IP地址，GPRS终端接入GPRS网络，从域名
服务器得到监测预警平台IP地址，从而实现通信。固定IP地址接入是指一
台服务器具有固定IP地址接入Internet网从而建立数据通道。
   (3)专线接入
专线接入是指监测预警平台通过数据专线接入到GGSN，在GGSN得到
移动运行商分配的一个专用APN接入点，在监测预警平台与GPRS终端之间
构建一条无线专网通道。
   (4)直接接入
直接接入是指GPRS终端通过基站子系统，接入GPRS网络，经GGSN
网关汇集，通过路由器及移动公司间的DDN专线接至监测预警平台。
考虑到直接接入和专线接入的成本高，GPRS接入需要申请APN服务，
且带宽受限等，本系统监测预警平台采用固定IP地址Internet接入方式。
综合上述，本监测预警系统选择的组网结构是中心对多点传输方式，
GPRS终端网络接入方式采用CMNET方式，监测预警平台接入GPRS网络
采用固定IP地址Internet方式。

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GPRS传输协议可分为UDP和TCP两种传输协议〔61]。这两种协议都属
于传输层上的传输协议，但有区别，用户可根据不同的应用特点采用不同的
协议。TCP协议是一种提供可靠的数据传输和面向连接的字节流协议。采用
TCP协议传输数据，在开始之前，要与对方建立一条TCP连接，一个TCP
连接必须通过三次握手机制来完成。TCP将数据打包成TCP报文，发送数据
时，启动一个定时器，接收端成功接收到数据将发回相应的确认信号，若发
送端在规定时间内未收到确认，相应的数据将会重传。每次数据报文分包传
输时，都需要建立TCP连接，会占用较长时间。TCP通信属于同步通信方式。
UDP协议提供一种不可靠的数据传输，是一种面向非连接的数据报文传输层
协议。UDP协议不管接收端是否接收到数据，也不管接收的数据是否完整，
只负责发送端己将数据发送，缺乏保障机制，但提高了数据传输的速率。UDP
通信属于异步通信方式。
综合上述可知，TCP方式具有通信可靠和稳定的优势，但通信速度上会
稍慢于UDP方式。UDP方式具有通信速度较快特点，但稳定性和数据可靠
J陛不如TCP方式。在GPRS环境下UDP方式存在不稳定、易丢包的问题，
考虑到系统数据传输的稳定性和可靠性，本文最终选择TCP协议作为传输协
议。

2万 · 2019-5-25 16:34

系统通信应用层协议是指监测预警平台与锅炉数据采集仪两者之间的
通信约定，是为了使监测预警平台与锅炉数据采集仪顺利的进行信息交换。
协议本身可以根据系统实现功能来自定义。
在无线传输系统中应用层协议的格式有两种:基于二进制格式及基于可
扩展知识语言(Extensible Markup Language XML)格式。GPRS网络是按
流量计费，基于二进制格式的协议具有数据传输量相对少的优点，可节约通
信成本;基于变送器输出的锅炉数据采集仪是以32位ARM微处理器为中心
的采集传输系统，所以应用层协议采用二进制格式。本文设计的自定义协议
数据包格式如图3.26所示。

2万 · 2019-5-25 16:38

本文自定义协议数据包的各字段解释如下:
   (1>锅炉数据采集仪终端号是指各个锅炉数据采集仪独一无二的编号，
这里必须是唯一的，用来区别不同的监测对象。
   (2)序号是指发送数据包的编号，每发送一次新数据包，该值加一，
用数据采集仪终端号和序号可以实现数据包的重复检测。
   (3)包类型说明该数据包是什么性质的包，本文中数据包类型具体规
定如表3.4所示。
   (4)帧数用来说明“数据”字段所包含的数据帧数，一般一帧数据就
是锅炉采集的一个采样数据帧或者是一条指令。

2万 · 2019-5-25 16:38

基于GPRS的锅炉远程监测预警系统

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