基于无线数传技术的远程水井监控系统张峰，等 基于无线数传技术的远程水井监控系统 Ｒｅｍｏｔｅ Ｗｅｌｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｄａｔａ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 碑 石砚霹 （西安工业大学电子信息工程学院，陕西西安７１００３２） 摘要：无线数据传输技术作为无线通信方式的一种近年来得到了广泛的关注及应用。介绍了应用无线数传技术实现数据传输构 建的远程水井监控系统，该系统采用分布式结构，无线数传基于ＧＤ２３０Ｂ模块进行。对系统的组成、无线数传技术的应用、通信协议及 监控系统的软件设计思路进行了详细分析。该系统已得到成功的应用，有效提高了监控与管理的效率。 关键词：远程监控无线数传串口通信套接字协议 中图分类号：ＴＰ２７４．２ 文献标志码：Ｂ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｆｏｃｕｓｅｄ ａｎｄ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ．Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｍｏｔｅ ｗｅｌｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕ— ｔｅｄ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ；ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＧＤ２３０Ｂ ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｃｅｐｔ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｕｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｎｈａｎｃｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｅｒｉｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔａｉｏｎ Ｓｏｃｋｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ 管理调度系统 水井站点 控制单元ｌ 水井站点 控制单元２ Ｏ 引言 随着通信技术的发展，信息的获取与传输方式逐 无线数据传输 步从有线过渡到无线。作为无线通信方式的一种，无 线数传技术近年来得到了广泛关注及应用。相应的产 品也已渗透到社会生活的各个领域，如工业数据采集、 无线数据传输 ＝＝ 中心监控系统 ｌ 水并站点 ｌ ｌ控制单元Ⅳｌ 无线抄表、区域报警系统、城市路灯监控、水文监测、热 网与气网监控、环境监测等…。将无线数传技术用作 远程监控系统的通信手段，设计并实现了某化工集团 远程水井监控系统。该系统采用多级分布式结构，利 用无线数传电台进行监控信息的传输，有效地实现了 图１ 系统结构图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ 整个系统共由三个层次组成，具体功能介绍如下： ①水井站点控制单元。分布于各个水井，处于整 个监控系统最底层。作为现场控制单元，一方面采集 水井的运行参数并上报监控中心；另一方面根据监控 中心下达的控制指令控制水井的运行。 该集团多口地理位置分散的深水水井的统一监控与管 理，并且具有较高的数据传输效率和灵活性。 ②中心监控系统。位于监控中心，是整个系统的 １远程水井监控系统组成 远程水井监控系统主要用于对该化工深水水井的 中间层。作为整个监控系统的核心部分，它自动完成 各水井运行数据的定时采集，进而根据采集到的数据 和管理调度系统下达的调度命令完成对各水井运行的 监控。除此之外，中心监控系统还定时将井群的各项 运行参数进行统计上报管理调度系统。 运行参数进行集中监测，并且对各水井工作进行遥控， 同时为管理部门提供生产调度依据。系统采用多级分 布式的结构，其结构如图１所示。 修改稿收到日期：２Ｏ０７—１ｌ一２０。 ③管理调度系统。位于集团的管理部门，是整个 系统的最上层。作为管理系统，这部分对整个系统进 行宏观管理并对监控中心上报的数据进行管理分析， 然后进行调度计划和决策。 第一作者张峰，男，１９７９年生，２００３年毕业于西安工业大学控制理论 与控制工程专业，获硕士学位，现为西北工业大学水声工程专业在读博 士研究生，讲师；主要从事信号与信息处理、自动控制的研究。 ６４ ＰＲｏＣＥＳＳ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ ＶｏＩ．２９ Ｎｏ．１２ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２Ｏ０８ 基于无线数传技术的远程水井监控系统张峰，等 ２ 利用无线数传技术实现远程通信 远程水井监控系统中，信息的远程传输采用无线数 射频率不同。因此，要进行通信的两个节点必须使用 相同的信道。同时，由于监控中心与各水井站点的通 信、监控中心与管理调度部门的通信二者要开来。 因此，这两部分通信选择的信道必须不同。 要保证远程水井监控系统中各节点之间通信的有 效、可靠进行，需要制定通信协议，各节点都必须按照 协议的规程进行通信。通信协议的制定，既要保证数 传技术加以解决。无线数传技术是指利用射频模块及外 地理环境恶劣、覆盖范围较广的场合。无线数传的工作频 围控制电路在无线信道上完成数据的传输，特别适合于 ３．２通信协议格式 段一般在ＵＨＦ或ＶＨＦ，发射功率在数瓦至数十瓦之间，数 据传输速率在３００～１９ ２００ ｂｐｓ之间，覆盖范围数十公 里 。采用深圳固迪公司生产的ＧＩＹ２３０Ｂ数传模块完成 无线数据传输，该模块具有收发一体化的特性，采用频率 合成技术、双锁相环及双ＶＣＯ，提供高稳定、高可靠、低成 本的数据传输及话音通信，主要技术指标如下：工作频段 为２２３～２４０ ＭＨｚ；无线码速为１ ２００ ｂｐｓ；信道间隔为 ２５ ｋＩ－Ｉｚ；接口速率为９６００／４ ８００／２４００／１ ２００ ｂｐｓ（可编程设 置）；工作温度为一４０～７０ ｏＣ；天线阻抗为５０ ｌｑ；接口类型 为ＥＩＡ一２３２／ＥＩＡ－４８５／ｑＴＬ，异步传输；电源电压为１２ ＶＤＣ （１１～１４Ｖ）；信道总数为１６；频率容差为±２．５×１０～。 整个系统的通信分为监控中心与各水井站点的通 信、监控中心与管理调度部门之间的通信两个部分。 为保证整个系统的通信效率和可靠性，将两部分通信 开来，采用如图２所示的通信拓扑结构。 水井站点１ 数传电台 数传电台 水井站点』、ｒ 图２通信拓扑结构 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 监控中心是整个系统的核心，配备两部无线数传电 台：数传电台１用于与管理调度部门通信，构成点对点传 输；数传电台２用于和各水井站点的通信，构成点对多点 传输。ＧＤ２３０Ｂ数传模块数据传输采用透明传输方式。 ３数传模块使用中的问题 ３．１通信频率和信道选择 采用无线通信方式，通信频率的选择非常重要。 这里使用的数传模块工作于２２３～２４０ ＭＨｚ频段，为国 家业余频段，可以自由使用，无需申请。但如果希望长 期专用这一频段，则需要申请频谱许可证 。ＧＤ２３０Ｂ 数传模块共有ｌ６个信道，实际通信过程中，虽然可选 择设置任意一个信道进行通信，但由于不同的信道发 《自动化仪表》第２９卷第１２期２００８年ｌ２月 据传输的高效率，又要具有一定的抗干扰能力和容错 性…。通信协议格式如图３所示。 酋 Ｈｅａｄｅｒ ｌ ＳｏｕｒｃｅＡｄｄ ｌ ＤｅｓｔＡｄｄ Ｉ ＤａｔａＬｅｎ ｌ Ｄａｔａ Ｉ Ｃｈｅｃｋ 图３通信协议格式 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒｍａｔ 一 每个协议数据包共由六部分组成，各部分所代表 的内容如下： ①Ｈｅａｄｅｒ，数据包首字节，固定为０ｘＡＡ、０ｘ５５，接 收协议规定只接收以Ｈｅａｄｅｒ开始的数据包，这是因为 ０ｘＡＡ、０ｘ５５在噪声中不容易发生，能提高协议的抗干 扰性 。 ②ＳｏｕｒｃｅＡｄｄ，源地址字节，用以表明数据包来自 于系统中的哪个节点。 ③ＤｅｓｔＡｄｄ，目标地址字节，用以表明数据包的目 标地址，接收协议规定只处理目标地址与自身地址相 同的数据包。 ④ＤａｔａＬｅｎ，数据包长度字节，为除了Ｈｅａｄｅｒ之外 的所有字节的长度。 ⑤Ｄａｔａ，数据字节，为通信实际所要传输的数据。 ⑥Ｃｈｅｃｋ，校验和字节用于检错，采用循环冗余校验。 由于监控中心与管理调度部门的通信采用点对点 模式，因此，可以省去源地址和目标地址两个部分，以 提高数据传输效率。 ３．３数传模块与监控设备的接口 无线数传模块提供ＲＳ．２３２与ＲＳ．４８５两种接口与 其他设备通信。该系统中，数传模块与远程监控系统 中的监控设备之间的接口采用ＲＳ．２３２串行接口，异步 传输模式。其通信格式为：１个起始位、８个数据位、１ 个停止位 ］，波特率为１ ２００ ｂｐｓ。由于通信量较大，信 息内容较复杂，采用字符形式。这里要说明的是， ＧＤ２３０Ｂ虽然支持９ ６００／４ ８００／２ ４００／１ ２００ ｂｐｓ等几种 串口波特率，但其无线码速只有１ ２００ ｂｐｓ。所以串１３ 波特率不宜选择过高（特别当通信数据量较大时），以 防数据溢出，导致通信的不可靠。 ６５ 基于无线数传技术的远程水井监控系统张峰，等 式主要有两种： ４远程监控系统的软件设计 ４．１软件功能的分布 ①采用ＡｃｔｉｖｅＸ控件ＭＳＣｏｍｍ编程。Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ（以下简称ＭＳＣｏｍｍ）是Ｍｉ— ｃｒｏｓｏｆｔ公司提供的简化Ｗｉｎｄｏｗｓ下串行通信编程的 整个软件系统分为监控管理和监控通信两大部 分。其中监控管理功能主要完成监控信息的显示、存 储及管理，并完成和用户的交互，这一部分软件面向用 ＡｃｔｉｖｅＸ控件，它为应用程序提供了通过串行接口收 发数据的简便方法。在使用它之前，应将控件加在 应用程序的对话框上，然后再生成相应的对象。这 户、强调功能，对效率的要求不是很高；而监控通信程 序主要完成监控信息的通信传输与控制，要求具有较 种方法编程简单，但通信效率较低，并且必须在对话 高的效率和可靠性。为保证整个监控系统的软件效 框中进行 。 率，对软件功能进行分布，分为监控管理程序和监控通 ②调用Ｗｉｎｄｏｗｓ的ＡＰＩ函数进行编程。Ｗｉｎｄｏｗｓ 信程序，这样就可以将整个系统的软件功能分布在多 封装了Ｗｉｎｄｏｗｓ的通信机制，这种方式称为通信ＡＰＩ， 台主机上运行并互不干扰，保证效率和可靠性。同时， Ｗｉｎｄｏｗｓ程序员可以利用Ｗｉｎｄｏｗｓ通信ＡＰＩ进行编 对于两部分程序还可根据各自的特点选择不同的开发 程，不用对硬件直接进行操作。在Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０环 工具，提高程序开发的效率。该系统中，监控管理程序 境下可通过调用这些ＡＰＩ函数完成串口通信的编程， 采用Ｄｅｌｐｈｉ ８．０进行编写，而监控通信软件采用Ｖｉｓｕａｌ 并且具有较高的通信效率 。这种方式虽然编程较为 ｃ＋＋６．０进行编写，兼顾程序效率和开发效率。 复杂，但使用灵活。 ４．２应用程序间的通信接口 由于远程水井监控系统中，设备问的有效通信是 软件的设计采用分布式结构，由多个应用程序共 完成整个监控功能的基础。因此，采用第二种方式进 同完成整个远程监控系统的监控功能。因此，应用程 行串口编程，建立自定义的通信类实现串行通信。 序间如何进行高效、便捷的信息交互通信就成为一个 需要认真考虑的问题。应用程序间通信目前有很多方 ５结束语 式，如共享文件的方式、ＤＤＥ方式、基于Ｗｉｎｄｏｗｓ消息 本文所设计的远程水井监控系统，由于通信量大、 机制的方式、Ｓｏｃｋｅｔｓ方式、剪切板方式等。在这些应用 传输距离较远、工作条件较为恶劣，因此远程通信的有 程序间通信技术中，Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｓｏｃｋｅｔｓ是一套开放的、支 效实现就成为系统设计的关键。系统设计中，利用了 持多种协议的网络编程接口。通过Ｓｏｃｋｅｔ，用户所开发 无线数传技术作为通信手段，具体应用的实践表明，这 的应用程序可以通过网络与其他Ｓｏｃｋｅｔ应用程序通信。 种实现方式能够很好地实现数据的实时准确传输，达 本系统采用Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｓｏｃｋｅｔｓ实现监控程序间的通信。 到远程监控的目的。同时，合理规划设计监控系统软 使用基于Ｓｏｃｋｅｔ的方式，不仅通信可靠性强、开发便捷， 件，将整个监控系统的任务分布在不同层次的不同监 更重要的是其支持网络功能，便于监控程序进一步以网 控主机上实现，大大提高了监控效率和灵活性。目前， 络方式分布在多台监控主机上以提高效率，也便于系统 该系统已经得到了成功应用，有效地提高了该化工集 扩展监控节点。基于Ｓｏｃｋｅｔ的软件结构如图４所示。 团水资源监控、调度与管理的效率。 参考文献 ［１］张爱玲，仇润鹤．无线数传模块在远程环境监测系统中的应 用［Ｊ］．微计算机信息，２００４（１０）：６１—６４． ［２］邬春学，李冠宇，余镇危，等．基于无线数传技术的现场参数自 动巡检系统［Ｊ］．电脑开发与应用，２００５（６）：６—８． ［３］李现勇．Ｖｉｓｕａｌ ｃ＋＋串口通信技术与工程实践［Ｍ］．北京：人民 邮电出版，２００４． 图４基于Ｓｏｃｋｅｔ的监控软件结构 ［４］刘福财，张海良，王冬云．基于ＶＣ和无线数传模块的光伏电站 Ｆｉｇ．４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ 远程监控系统的设计［Ｊ］．工业控制计算机，２００６（５）：１１—１４． ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｏｃｋｅｔ ［５］徐立新，陈震，李庆亮．无线数传技术在远程心电监护系统中的 ４．３串口通信的编程方式 应用［Ｊ］．微计算机信息，２００５（７）：７—９． ［６］岑红蕾，李江全，吴延祥．基于无线数传技术的农田灌溉机井集 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