基于CDMA 1X的远程监控系统设计

    作者：刘作炜，吉国力（厦门大学 福建 361005）

    1  引言

    在现有的工业监控系统中，常用的信息传输方式有：数字微波、数传电台、有线光纤、有线电缆等，数字微波和数传电台将受到传输距离及频率许可的限制，而有线光纤和有线电缆的网络成本较高，不适合监控点非常分散及传输距离较远的情况下使用。

    针对监控对象分散、各监控节点间缺乏有机联系、监控信息量相对较少，实时性要求较低等特点，CDMA1X提供了一种很好的信息传输方式。

    CDMA1X愿意是指CDMA2000的第一阶段（速率高于IS-95，低于2MB/s），可支持308kb/s的数据传输，网络部分引入分组交换，可支持移动ip业务，是在现有CDMAIS-95系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为CDMA用户提供分组形式的数据业务。

    由于CDMA1X采用了反向相干解调，快速前向功控、发送分集、Turbo编码等新技术，其容量比IS-95大为提高，从理论分析结果来看，假如用于传送语音业务，CDMA1X系统的总容量是IS-95系统的2倍，假如用于传送数据业务，CDMA1X系统的总容量是IS-95系统的3.2倍，CDMA 1X理论带宽可达300kb/s，目前的实际应用带宽大约在100kb/s左右（双向对称传输），在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于Internet连接、数据传输等应用。

    2  基于CDMA1X的无线通信

    2.1组网方案

    无线数据传输系统一般由数据业务中心、通信网络和数据终端组成，综合考虑业务数据量、安全性、可靠性、网络状况与成本等因素，采用下述组网方式：通信服务器以公网固定IP或固定的域名接入Internet，CDMA数据终端单元（DTU）上电后，主动与通信服务器建立连接，假如通信服务器没有固定IP，可以通过安装花生壳软件获得固定的域名，此方案具有成本低、通信质量稳定、安全性适中、运行可靠等特点。

    2.2无线数据传输原理

    根据上述组网方案，数据的上行传输原理如下：

    （1）下位机通过RS232串口将数据传给DTU；

    （2）DTU将数据打成TCP/IP包，发送到无线网络；

    （3）TCP/IP数据包经系统分组数据服务节点，传输至Internet上并且去寻找在Internet上的一个指定的数据服务中心（通信服务器）；

    （4）通信服务器将数据传给上位机并存储到历史数据库。

    数据的下行传输与上述过程相反，不再赘述，系统通信结构图如图1所示。

    3  系统设计

    3.1上位机设计

    上位机包括实时监控系统和历史数据库两部分。

    实时监控系统选用Wonderware公司的InToUCh系统，主要实现以下功能：系统治理功能；数据处理功能：包括数据查询功能、数据存储功能、数据定时上报功能；告警功能：包括实时响应功能、告警联动处理功能、告警设置功能、告警确认功能、告警存储功能，操作控制功能，历史数据库选用Wonderware公司的IndustrialSQLServer，主要实现以下功能：数据统计、报表功能、历史数据查询功能、历史数据曲线图、打印功能。

    3.2下位机设计

    下位机选用ABBAC31系列PLC，包括CPU模块和I/O模块，CPU接收一个或多个指定监控中心对设备的操作控制命令，通过I/O模块对有关设备执行相应的操作控制动作，并向监控中心返回操作结果,下位机主要实现以下功能：

    数据采集功能，数据查询功能，定时上报功能，操作控制功能。

    3.3CDMA数据传输中断

    CDMA数据传输中断选用深圳宏电技术开发有限公司的CDMAH7710DTU该终端具有如下特点：

    （1）H7710DTU直接提供RS232/422/485接口，为用户的数据设备提供透明、全双工、对等的数据传输通道。

    （2）普通GPRS/CDMAModem通常需要附着在PC机上虚拟拨号上网，利用PC机的资源进行数据收发和协议转换，H7710DTU内置自动网络连接和协议处理模块，无需后台计算机支持。

    （3）H7710DTU可以实现点-点、点-多点、中心-多点的对等数据传输，传输时延一般小于1s。

    （4）H7710DTU一开始就能自动附着到GPRS或CDMA网络上，并与您的数据中心建立通信链路，随时收发用户数据设备的数据。

    （5）H7000移动数据通信可以不依靠于运营商交换中心的数据接口设备，通过Internet网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络。

    CDMAH7710DTU在使用前必须设定出事参数：CDMA1X网络登陆用户名和密码，通信接口参数、通信服务器的固定IP地址和端口或者通信服务器的域名、DTU的在线工作方式等等。

    3.4通信服务器的设计与实现

    通讯服务器是整个系统的枢纽，主要实现不同协议之间的数据传输，通信服务器的设计基于OPC标准，OPC可理解为过程控制的对象连接和嵌入（OLCforProcessControl）是在微软操作系统下开发的用于应用程序接口的一种技术，基于Client/Server模式，为了实现整个系统的通讯，在通讯服务器上需要装3个软件；Wonderware公司的OPClink，IOServer公司的IOServer，CDMA Server。通讯服务器的工作过程及各软件之间的治理如图2所示。

    下面分别讲述通讯服务器上的3个通讯软件的功能及应用。

    3.4.1OPClink

    OPClink是工作在Windows平台下的应用软件，主要作用是通过协议转换来实现OPC服务器和InTouch吴志剑的数据传输。OPCLink可以与现地或者远程的OPC服务器端软件（如IOServer，RSLinx）进行连接，他将InTouch的命令转换成OPC协议然后发送到OPC服务器端软件，并从OPC服务器端软件读取数据，返回到InTouch。同样，OPCLink也可以连接到现地或者远程的InTouch。

    3.4.2IOServer

    IOServer的作用是实现不同协议间的数据传输，IOServer支持以下14种协议：Modbus协议，AB协议、ASCII协议、Courier协议、DNP协议、GE协议、HR6000协议、IEC103协议、KingFisher协议、LoopBack协议、Melsec协议、Omron协议、TI505协议、UCA2协议。在本系统中，ABBPLC采用的是Modbus协议、因此，IOServer从CDMAServer上读取ABBPLC的数据，并转换成TCP/IP协议，传送给OPCLink。

    IOServer的配置主要包含以下3部分：

    （1）Board（接口配置）：IOServer支持多种接口，其中最常用的是TCP/IP和串口，在配置接口的时候，需要定义所连接设备的协议；

    （2）OPCEXPlorer：提供内部测试的平台，也可进行数据观察和监视。

    （3）OPCGateway：答应基于不同协议的各OPC服务器之间的数据传输，以及IOServer和某个控制单元之间的数据传输。

    3.4.3CDMAServer

    在本系统中，使用VisualC++6.0编写CDMAServer软件，CDMAServer作为整个系统的通讯枢纽，包括两部分功能：与IOServer进行通讯，与DTU进行通讯。

    CDMAServer与IOServer的通讯基于SOCKET编程，采用TCP/IP协议进行传输，需要设置端口和IP地址，IOServer通过此端口和IP地址与CDMAServer建立通讯。

    CDMAServer和DTU之间的通讯使用开发包中动态库wcomm_dll.dll，该文件包括和DTU通讯所需要的全部API函数，包括服务的启动、数据发送、数据接收、关闭服务等。

    OPCServer与DTU的通信设计是基于开发工具包的用户程序接口,即动态链接库cdmagprs.dll，该库包括了与DTU通信所需要的全部API函数，例如：

    start_gprs_server：该函数用于启动底层服务，服务启动后和DTU通讯，启动该服务后，主窗口中要有响应消息的函数，以便和底层服务通讯。

    stop_gprs_server：停止服务；

    do_read_proc：读数据。底层服务接收到DTU发送的数据后，会向启动服务函数中指定的DSC的窗口发送消息，该窗口中的消息响应函数应立即调用读数据函数将DBU发送过来的数据读出；

    do_send_user_data：向DTU发送数据；

    da_close_one_user：关闭一个DTU终端，令其下线；

    do_close_all_user：关闭所有的在线DTU终端，一般停止服务前执行该API。

    由于Windows基于消息驱动的，底层服务接收到远端DTU的数据后，会向启动函数的窗口发送一个消息，因此，我们可以在程序中定义一个消息响应函数来处理中心与DTU的数据传输，消息响应函数中，通过调用动态链接库中的数据接收函数和数据发送函数来传输数据，当数据传输结束后，调用关闭服务函数来结束通讯。

    4  实验及结果分析

    实验步骤如下：

    （1）设置DTU主要参数：

    DTU身份识别码：139********

    在线报告时间间隔：40s

    本地通讯端口：5001

    最大传输包长：1000B

    主DSCIP地址：219.229.3.24

    （2）在CDMAServer上添加用户，如图3所示，其中终端端口与DTU上设置一致，为5001。网关出口端口，即CDMAServer与IOServer连接端口设置为5002。

    （3）在IOServer上添加端口与设备，如图4所示，在本系统中，由于IOServer和CDMAServer装在同一台机子上，因此IP地址设为127.0.0.1，端口号与CDMAServer提供的端口对应，即5002。

    经过上述步骤，已建立起IOServer和DTU之间的通讯，接下去只需要IOServer和OPCLink上配置具体的Group和Item即可，在此不再赘述。

    本系统已应用到实际项目，与有线数据采集系统相比，本系统具有以下优点：

    （1）降低了通讯线路的建设成本和维护成本；

    （2）提高了系统的灵活性，监控范围不受地域限制，节点控制目标可以任意扩充。

    （3）通讯线路比较稳定，不易发生通讯故障，就算出现问题，也能迅速发现和排除。

    5 结论

    相信随着CDMA无线通信的高速发展和3G牌照的发布，必将引领无线通讯的潮流，而基于CDMA无线通信的远程监控系统，将会有更加广泛的应用。