1、基于GPRS的軌道狀態遠程監測系統崔文琪1，張文斌1，宋國杰2    摘  要：設計了基于GPRS (General Packet Radio Service)通用分組無線業務的軌道狀態遠程監測系統。詳細介紹了系統的組成，通過GPRS模塊建立GPRS連接的過程以及通過PPP協議實現數據傳送和監控的過程。該系統對于軌道狀態遠程監控的實現具有實際應用價值。    關鍵詞：溫度；位移；遠程監測；通用分組無線業務(GPRS)；數據傳輸    地鐵鋼軌受溫度變化而熱脹冷縮，由

2、此造成的長度變化會產生巨大的溫度應力作用。若鋼軌應力散放控制得不好，天熱時可能造成脹軌跑道，天冷時可能拉斷鋼軌。鋼軌左右振動的大小，對地鐵運行也有很大影響，振動量過大容易導致地鐵偏離跑道，造成事故。因此，軌溫監測工作非常重要。目前，我國的鐵路軌溫、振動監測主要靠人工定點定時測量完成。由此獲得的監測數據密度小，難以捕捉日、月、年內的最高軌溫和最低軌溫；占用勞動力多、測量誤差大、實時性差，因此難以為地鐵軌道工務作業提供及時、準確、科學的決策依據。本系統的應用對及時了解軌道溫度變化情況，指導和輔助軌道維護具有重要意義。    遠程監測的常用方式有有線網絡和無線

3、數傳電臺。有線網絡需鋪設大量線路，投資大、施工費用高、可靠性差；無線數傳電臺需占用專用的無線通信頻道，且購置無線數傳電臺也需要較大的一次性投資。    隨著移動通信的不斷發展和費用的迅速降低，一種利用公用移動通信網絡進行遠程監測的方式正在逐漸受到重視。它利用專用的GSM模塊，成本比無線數傳電臺低，且網絡覆蓋面廣，通信范圍更寬，可靠性更高。    一、GPRS技術及其特點    GPRS是在現有GSM系統上發展出來的一種新的分組數據承載業務。其與GSM語音系統最根本的區別是，G

4、SM是一種電路交換系統，而GPRS是一種分組交換系統，因此，GPRS特別適用于間斷的、突發的或頻繁的、少量的數據傳輸，以及偶爾的大數據量傳輸。這一特點正適合大多數移動互連的應用。另外，GPRS克服了電路交換速率低、資源利用率差等缺點，具有以下優點：(1)可以實現資源共享，頻率資源利用率高；(2)數據傳輸速率高，最高可達171.2kb/s；(3)用戶永遠在線，接入速度快；(4)支持X.25協議和IP協議，可與外部數據網互連；(5)計費合理，采用流量計費。    二、系統結構    地鐵軌道狀態遠程監測系統主要由智能傳

5、感器、單片機、無線收發機、以太網、計算機等組成，系統結構如圖1所示：    如圖1所示，單片機軌道數據采集模塊通過串口通信方式把采集到的數據經GPRS模塊發送到GPRS網中，監測中心通過任意方式上網，就可以把數據傳送到監測中心；也可以反過來，把監測中心的查詢命令或控制命令通過GPRS網發送到GPRS模塊，傳送給采集模塊進行操作。    三、遠程終端設計    軌道遠程監測系統以單片機系統為中心，采集系統將現場的各種軌道數據通過RS-232串口傳送到GPRS通信模塊，通過GPR

6、S網絡將數據送入因特網，實現軌道參數遠程傳輸、實時監控及異常報警。必要時，還可發送短消息，及時通知相關人員。遠程終端的監控軟件按功能可分為初始化模塊、現場數據采集模塊和GPRS遠程通信模塊。GPRS遠程通信模塊的主要任務是呼叫管理中心建立通信鏈路，在需要時依次傳送現場數據或事件報警信息。系統通過GPRS模塊實現數據上網，單片機通過一系列AT命令控制GPRS模塊建立通信鏈路及數據上網。建立連接的主要AT命令如下。    (1)AT+IPR=38 400b/s設置通信波特率，默認值為9 600b/s；    (2)AT

7、+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”設置接入網關，CMNET為移動夢網的接入網關；    (3)AT+CGCLASS=“B”設置移動終端的類別，B為同時監控多種業務；    (4)AT+CGACT=1測試是否開通，1命令激活GPRS功能，如果返回OK，則GPRS連接成功；如果返回ERROR，則意味著GPRS失敗；    (5)AT+CSQ為檢查信號，若返回(0，1031)之間的信號數字，則繼續；如果信號數字是99，則系統重復發送AT命令，不停地讓模塊去搜尋網絡，重試

8、次數超過預定次數，可定義其他方式發送錯誤報告；    (6)AT+CGREG?若返回為(0，1)，則可以繼續；若返回(0，0)，則返回第一步重來；    (7)AT+CGREG，系統循環調用GPRS網絡注冊命令和AT+CMEERROR GPRS相關的錯誤命令來檢查系統狀態。    一般情況下，當終端附著在GPRS網絡上時，系統將為其分配一個動態IP地址，通過AT+CGRADDR命令可以得到本地IP地址，然后將此地址按一定格式發送給預先設置好的數據中心IP地址和端口，即可實現與

9、中心的數據互通。    四、PPP協議的實現    由于GPRS是基于IP協議的，數據包在主機與GPRS服務期間的傳輸，使用的是基于IP的分組，故所有的數據報文都要基于IP包，一般使用PPP協議進行GPRS的傳輸。在中國移動的接入網關CM-NET中，使用PPP協議與GPRS終端進行協商通信，相應的電話號碼為“* 99 * * * 1#”，用戶名、密碼為空。PPP協議的幀結構如圖2所示，包起始符為標志字段；地址字段和控制字段不變，分別是OxFF和Ox03；協議符按協議種類變化，如IP協議字段為Ox0021；鏈路控制協

10、議字段為Oxc021；密碼認證協議字段為Oxc023。單片機微控制器的串口中斷接收程序，首先以包起始和結束符來判斷是否有完整的PPP包，并對其內容進行校驗，以確定數據包的完整J性和正確性。然后，進入PPP報文解析模塊。    五、監測中心軟件設計    監測中心以固定IP通過寬帶、ISDN、ADSL上網，可使用UNIX或Windows服務器。    監測中心軟件的主要功能是實現接收和發送UDP或TCP協議的IP數據包，以實現GPRS終端的IP協議通信。按圖3 PPP報文解析過程實現通信

11、后，監測中心軟件根據不同的數據格式與協議，實現遠程數據監控。   中心軟件的設計采用Visual C+或Vi-sual Basic編程語言，Visual Basic可以利用WinSock實現Socket套接字與Internet通信。C+語言應用靈活，對底層操作有很大的優越性，且對網絡編程有很大的支持。VC+的MFC類庫提供了CasyncSocket套接字庫，用它實現Socket編程是很方便的。監測中心軟件基本流程如圖4所示。    六、結束語    系統采用工業用智能傳感器，增加了參數測量的可靠性；采用無線收發，解決了地上軌道線上的數據傳輸問題，還可以把成本控制在較低的水平；在數據處理端，通過軌道參數分析，對異常情況及時報警，并可對所有監測到的數據進行年度、季度和月度分析。    基于GPRS的軌道狀態遠程監測系統以GPRS網絡作為數據通信平臺，充分發揮了通用分組無線業務(GPRS)數據傳輸的優勢，只需一次性投資遠程監控終端，日常的網絡管理及維護均由移動公司負責，因此具有覆蓋面廣、數據