基于CDMA 1X的無線通信監(jiān)控方案設計 - 全文

1 引言

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、有線光纖、有線電纜等，數(shù)字微波和數(shù)傳電臺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絡成本較高，不適合監(jiān)控點非常分散及傳輸距離較遠的情況下使用。

針對監(jiān)控對象分散、各監(jiān)控節(jié)點間缺乏有機聯(lián)系、監(jiān)控信息量相對較少，實時性要求較低等特點，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)據傳輸，網絡部分引入分組交換，可支持移動IP業(yè)務，是在現(xiàn)有CDMA IS-95系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務，目的是為CDMA用戶提供分組形式的數(shù)據業(yè)務。

由于CDMA 1X采用了反向相干解調，快速前向功控、發(fā)送分集、Turbo編碼等新技術，其容量比IS-95大為提高，從理論分析結果來看，如果用于傳送語音業(yè)務，CDMA 1X系統(tǒng)的總容量是IS-95系統(tǒng)的2倍，如果用于傳送數(shù)據業(yè)務，CDMA 1X系統(tǒng)的總容量是IS-95系統(tǒng)的3.2倍，CDMA 1X理論帶寬可達300kb/s，目前的實際應用帶寬大約在100kb/s左右（雙向對稱傳輸），在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于Internet連接、數(shù)據傳輸?shù)葢谩?/p>

2 基于CDMA 1X的無線通信

2.1 組網方案

無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)一般由數(shù)據業(yè)務中心、通信網絡和數(shù)據終端組成，綜合考慮業(yè)務數(shù)據量、安全性、可靠性、網絡狀況與成本等因素，采用下述組網方式：通信服務器以公網固定IP或固定的域名接入Internet，CDMA數(shù)據終端單元（DTU）上電后，主動與通信服務器建立連接，如果通信服務器沒有固定IP，可以通過安裝花生殼軟件獲得固定的域名，此方案具有成本低、通信質量穩(wěn)定、安全性適中、運行可靠等特點。

2.2 無線數(shù)據傳輸原理

根據上述組網方案，數(shù)據的上行傳輸原理如下：

（1）下位機通過RS232串口將數(shù)據傳給DTU；

（2）DTU將數(shù)據打成TCP/IP包，發(fā)送到無線網絡；

（3）TCP/IP數(shù)據包經系統(tǒng)分組數(shù)據服務節(jié)點，傳輸至Internet上并且去尋找在Internet上的一個指定的數(shù)據服務中心（通信服務器）；

（4）通信服務器將數(shù)據傳給上位機并存儲到歷史數(shù)據庫。

3 系統(tǒng)設計

3.1 上位機設計

上位機包括實時監(jiān)控系統(tǒng)和歷史數(shù)據庫兩部分。

實時監(jiān)控系統(tǒng)選用Wonderware公司的InTouch系統(tǒng)，主要實現(xiàn)以下功能：系統(tǒng)管理功能；數(shù)據處理功能：包括數(shù)據查詢功能、數(shù)據存儲功能、數(shù)據定時上報功能；告警功能：包括實時響應功能、告警聯(lián)動處理功能、告警設置功能、告警確認功能、告警存儲功能，操作控制功能，歷史數(shù)據庫選用Wonderware公司的Industrial SQL Server，主要實現(xiàn)以下功能：數(shù)據統(tǒng)計、報表功能、歷史數(shù)據查詢功能、歷史數(shù)據曲線圖、打印功能。

3.2 下位機設計

下位機選用ABB AC31系列PLC，包括CPU模塊和I/O模塊，CPU接收一個或多個指定監(jiān)控中心對設備的操作控制命令，通過I/O模塊對有關設備執(zhí)行相應的操作控制動作，并向監(jiān)控中心返回操作結果，下位機主要實現(xiàn)以下功能：

數(shù)據采集功能，數(shù)據查詢功能，定時上報功能，操作控制功能。

3.3 CDMA數(shù)據傳輸中斷

CDMA數(shù)據傳輸中斷選用深圳宏電技術開發(fā)有限公司的CDMA H7710 DTU該終端具有如下特點：

（1）H7710 DTU直接提供RS232/422/485接口，為用戶的數(shù)據設備提供透明、全雙工、對等的數(shù)據傳輸通道。

（2）普通GPRS/CDMA Modem通常需要附著在PC機上虛擬撥號上網，利用PC機的資源進行數(shù)據收發(fā)和協(xié)議轉換，H7710 DTU內置自動網絡連接和協(xié)議處理模塊，無需后臺計算機支持。

（3）H7710 DTU可以實現(xiàn)點-點、點-多點、中心-多點的對等數(shù)據傳輸，傳輸時延一般小于1s。

（4）H7710 DTU一開始就能自動附著到GPRS或CDMA網絡上，并與您的數(shù)據中心建立通信鏈路，隨時收發(fā)用戶數(shù)據設備的數(shù)據。

（5）H7000移動數(shù)據通信可以不依賴于運營商交換中心的數(shù)據接口設備，通過Internet網絡隨時隨地的構建覆蓋全中國的虛擬移動數(shù)據通信專用網絡。

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

3.4 通信服務器的設計與實現(xiàn)

通訊服務器是整個系統(tǒng)的樞紐，主要實現(xiàn)不同協(xié)議之間的數(shù)據傳輸，通信服務器的設計基于OPC標準，OPC可理解為過程控制的對象連接和嵌入（OLC for Process Control）是在微軟操作系統(tǒng)下開發(fā)的用于應用程序接口的一種技術，基于Client/Server模式，為了實現(xiàn)整個系統(tǒng)的通訊，在通訊服務器上需要裝3個軟件；Wonderware公司的OPClink，IOServer公司的IOServer，CDMA Server。通訊服務器的工作過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器上的3個通訊軟件的功能及應用。

3.4.1 OPClink

OPClink是工作在Windows平臺下的應用軟件，主要作用是通過協(xié)議轉換來實現(xiàn)OPC服務器和InTouch吳志劍的數(shù)據傳輸。OPCLink可以與現(xiàn)地或者遠程的OPC服務器端軟件（如IOServer，RSLinx）進行連接，他將InTouch的命令轉換成OPC協(xié)議然后發(fā)送到OPC服務器端軟件，并從OPC服務器端軟件讀取數(shù)據，返回到InTouch。同樣，OPCLink也可以連接到現(xiàn)地或者遠程的InTouch。

3.4.2 IOServer

IOServer的作用是實現(xiàn)不同協(xié)議間的數(shù)據傳輸，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，并轉換成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，在配置接口的時候，需要定義所連接設備的協(xié)議；

（2）OPC Explorer：提供內部測試的平臺，也可進行數(shù)據觀察和監(jiān)視。

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

3.4.3 CDMA Server

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

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

CDMA Server和DTU之間的通訊使用開發(fā)包中動態(tài)庫wcomm_dll.dll，該文件包括和DTU通訊所需要的全部API函數(shù)，包括服務的啟動、數(shù)據發(fā)送、數(shù)據接收、關閉服務等。

OPC Server與DTU的通信設計是基于開發(fā)工具包的用戶程序接口，即動態(tài)鏈接庫cdmagprs.dll，該庫包括了與DTU通信所需要的全部API函數(shù)，例如：

start_gprs_server：該函數(shù)用于啟動底層服務，服務啟動后和DTU通訊，啟動該服務后，主窗口中要有響應消息的函數(shù)，以便和底層服務通訊。

stop_gprs_server：停止服務；

do_read_proc：讀數(shù)據。底層服務接收到DTU發(fā)送的數(shù)據后，會向啟動服務函數(shù)中指定的DSC的窗口發(fā)送消息，該窗口中的消息響應函數(shù)應立即調用讀數(shù)據函數(shù)將DBU發(fā)送過來的數(shù)據讀出；

do_send_user_data：向DTU發(fā)送數(shù)據；

da_close_one_user：關閉一個DTU終端，令其下線；

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

由于Windows基于消息驅動的，底層服務接收到遠端DTU的數(shù)據后，會向啟動函數(shù)的窗口發(fā)送一個消息，因此，我們可以在程序中定義一個消息響應函數(shù)來處理中心與DTU的數(shù)據傳輸，消息響應函數(shù)中，通過調用動態(tài)鏈接庫中的數(shù)據接收函數(shù)和數(shù)據發(fā)送函數(shù)來傳輸數(shù)據，當數(shù)據傳輸結束后，調用關閉服務函數(shù)來結束通訊。

4 實驗及結果分析

實驗步驟如下：

（1）設置DTU主要參數(shù)：

DTU身份識別碼：139********

在線報告時間間隔：40s

本地通訊端口：5001

最大傳輸包長：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上設置一致，為5001。網關出口端口，即CDMA Server與IOServer連接端口設置為5002。

（3）在IOServer上添加端口與設備，如圖4所示，在本系統(tǒng)中，由于IOServer和CDMA Server裝在同一臺機子上，因此IP地址設為127.0.0.1，端口號與CDMA Server提供的端口對應，即5002。

經過上述步驟，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)已應用到實際項目，與有線數(shù)據采集系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

（1）降低了通訊線路的建設成本和維護成本；

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

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

5 結論

相信隨著CDMA無線通信的高速發(fā)展和3G牌照的發(fā)布，必將引領無線通訊的潮流，而基于CDMA無線通信的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，將會有更加廣泛的應用。