金巧芳1，丁越峰2，韦玉生2
(1.绍兴职业技术学院，浙江 绍兴 312000；2.中广有线绍兴分公司,浙江 绍兴 312000)
摘要：介绍了一种基于GPRS的小区机房监控系统。本系统由数据采集模块、GPRS网络传输模块、监控服务器组成，采用自行设计的数据采集模块和监控通信协议，以较低的成本和较高的精度实现了小区机房的监控。本系统极大地提高了机房监控的实时性和连续性，能够真实地反映机房的情况，为广电机房的监控提供了实时可靠的数据依据。本系统运行和维护费用较低，能节省大量的财力、物力和人力，具有良好的应用价值。
关键词：GPRS；监控；通信协议；数据传输
0引言
感知技术、网络技术、通信技术和计算机技术的迅猛发展，将物联网应用推广到远程监控领域，使多种网络技术和远程监控系统相结合是当今物联网应用领域的一个发展趋势。远程监控系统是指在远离被控对象的情况下，能够及时获知被控对象的工作状况，必要时发出指令对其进行遥控的系统。远程监控系统的出现，使工作人员不需要到达现场，只要在监控中心就能够掌握全局，实时获取被控对象的详细情况，迅速作出决策并有效地执行，大大提高了工作效率，节省了人力物力，也提高了系统对突发事件的应变能力。
机房监控成熟的方案很多，一般均使用宽带专网的方式进行组网，在这里为什么要选择窄带的GPRS技术呢？这与监控对象的需求和整体投入费用等因素有关。
小区接入机房的特点是数量庞大，机房内设备少，或者仅仅是无源光分配机房，需监控项目很少，也不配备视频监控。在这种情况下若采用广电自有技术如Cable Modem、PON等来建成宽带专网，必然存在大材小用、浪费资源的问题，而且RJ45接口的监控主机价格较高，而若采用GPRS技术组网和单片机的控制，利用电信运营商的数据套餐，可实现低成本的组网［1］。一般地，用GPRS组网方式的设备投入建设费用可降到宽带网络的1/10,年网络租用费用约为宽带专网资源占用费的1/5。
另外用GPRS组网方式可以扩展到双向网络条件不具备的接入机房，地域适应性更强。
1监控网络组网及通信协议
图1所示为基于GPRS网络组网的小区接入机房监控组网图。左侧为接入机房的部分监控参量描述，这些参量通过单片机处理后通过RS232串口上传给GPRS模块，再通过GPRS网络、Internet后到达监控服务器［2］。数百上千个接入机房的参数就通过这种方式上传并汇聚到监控服务器。
同样，监控服务器的指令通过Internet、GPRS网络，再由GPRS模块的串口下达至指定单片机，由对应单片机进行相应的操作，如远程开启机房门、远程开灯关灯等。
通用分组无线业务（General Packet Service，GPRS）［34］是在GSM的基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。GPRS支持Internet上应用最广泛的IP协议和X.25协议。
由于本项目包含监控服务器与GPRS模块间的TCP/IP通信，监控服务器与单片机系统的数据通信、GPRS模块与单片机之间的串口通信；涉及Windows系统编程、单片机编程［5］以及单片机电路的设计制作调试等，专业领域跨度特别大，因此整个过程的设计和实施必须以通信协议为基础实现团队的分工合作。
考虑到实际通信协议内容较多，表1列举了部分内容作说明。 表1监控系统通信协议序号指令代码备注1开门onled12开灯onled23关灯offled24心跳ok!5读状态信息state服务器发、单片机接收指令，下发指令全部用小写字母序号信息代码备注1门已开启ONLED12已开灯ONLED23第一路正常KEY1=04第一路异常KEY1=15地址标识ADDR:XXXX单片机发、服务器接收信息，应答信息全部用大写字母
如单片机收到“onled2”，就要控制继电器接通照明灯，同时返回信息“ONLED2”；监控主机上电后，在TCP/IP链路创建成功后，单片机要向主机发送“ADDR:XXXX”，以告知监控服务器自己是XXXX（4位编号）机房，现已上线。
2监控服务器的配置及软件设计
由于监控服务器要接收通过Internet发来的IP数据包，小区接入机房的监控主机要以TCP/IP方式与之创建连接，因此监控主机需要规划一个固定的公网IP地址。作为建设期间临时调试阶段，也可采用临时公网IP或花生壳动态域名方式。
监控服务器需要实时记录每天每个机房实时上报的机房状态信息，记录小区机房人员进出开门记录等，供管理查询分析使用，所以服务器需安装数据库，根据需要可选用SQL Server 或MySQL。
本项目的软件设计采用我国自主知识产权的易语言平台开发，图2所示为监控服务器与小区机房监控主机联调时的测试界面截图。
图2中左侧为TCP/IP通信过程中实时传送的数据，可以验证程序是否按通信协议严格执行。图2右侧为机房监控参数状态的模拟显示。
3GPRS模块选型及TCP连接的创建
小区机房的监控主机采用嵌入式系统，由华为公司的EM310模块和单片机电路组成。EM310模块是一款内嵌TCP/IP通信协议的双频段GSM/GPRS模块，支持数据的透明传输。本项目中GPRS模块的任务就是与监控服务器创建可靠的TCP/IP透明传输通道。
创建TCP/IP通道使用AT指令，调试时可使用串口调试助手进行。建立TCP连接的基本步骤如下：
AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET"
//设置APN无线接入点，成功返回OK
AT%ETCPIP="",""
//进行PPP拨号，成功返回OK
AT%IOMODE=1//对数据进行转换，成功返回OK
AT%IPOPEN="TCP","120.199.217.155",9876
//以TCP方式连接监控服务器的IP和端口，成功返回CONNECT
AT%TPS=1 //进入透传模式，成功返回“>”号
GPRS模块是本项目组网的核心部件，网络的稳定性也取决于该模块创建的TCP/IP连接的可靠性及异常中断下的快速恢复能力。所以对GPRS模块连接的可靠性测试十分重要，特别是模块选型时，主要包括以下几项内容：
（1）在线空闲测试。即不发心跳包或数据，检测能否维持平均1 h以上的链路而不中断。维持时间越长越好。
（2）频繁双向小数据量测试。相当于模拟日常运行中的小数据包，加快速度测试，检查中断情况。
（3）双向大数据压力测试。本项目虽然不涉及大数据传输，但此方法可反映出模块的稳定性。
（4）去天线测试。检测当GPRS/GSM信号临时中断或变弱时是否会产生中断。
上述测试可在串口调试助手下进行，但真正完整的测试还需要由单片机编程来测试，其中一项很重要的内容是上述产生TCP连接中断后多长时间恢复连接。
4单片机外围电路设计及软件设计
单片机系统是小区机房监控主机检测参数、执行指令及与监控服务器联络的综合单元，作为本项目的研发，采用了8051系列单片机制作了一个最小系统，包含4个按钮输入、4个指示灯、1个温度芯片和1个RS232串口。用按钮输入代替报警信号输入（如市电断电、机房进水等），指示灯代表控制输出（如远程开门、远程开风扇通风等）。单片机芯片使用STC公司的STC89C52RC芯片，可利用RS232串口在线直接下载程序。
单片机编程采用C语言，通过Keil软件编译成8051单片机目标码和十六进制HEX文件，将HEX文件通过串口下载到芯片中。
单片机软件程序框图如图3所示。
由图3可看出，监控主机上电启动后，由单片机发出AT指令建立TCP/IP连接，而后监控主机并进入等待状态。在等待状态若发现有串口指令，则执行指令，并通过串口上报执行结果（如已开门、已开灯等）；若发现有机房告警，则将告警信息通过串口上报；机房温度是定时上传的，所以到上传时间时，则通过串口上报当前温度。
GPRS虽然号称永久在线，但实际情况并非如此，由于网络干扰、电路设计及其他一些原因，都会导致网络中断，而这些中断监控服务器往往无法及时发现，因此，快速发现网络异常并重新连接非常重要。
为保证TCP连接的可靠性，软件框图中增加了异常判断和处理的内容，即当出现心跳码超时没收到时，定时器溢出驱动电路重启监控主机；当由于干扰等因素导致单片机程序跑飞时，看门狗计数器溢出同样驱动电路重启监控主机，以使系统重新连接［6］。
5系统调试
系统调试分为模块单独调试和系统联调，要进行系统联调，要求各模块的功能基本正常。
监控服务器通信功能验证可在一台或多台PC上开启多个TCP/IP的客户端软件，按通信协议的格式向服务器端上报告警信息、当前温度或执行指令后的回复信息，查看服务器端是否能正常接收并以图形方式模拟显示；同样服务器端通过操作图形界面分别对不同的客户端发送指令，检查客户端收到的指令是否符合通信协议规范，以此方式验证监控服务器的通信功能。
GPRS模块的调试使用串口调试助手和通用的TCP/IP服务端软件，服务器端使用临时公网IP地址，端口为9876，验证TCP/IP连接是否成功，透明传输数据是否正常。
单片机的通信调试也使用串口调试助手进行。按照通信协议的规范，由串口调试助手向单片机系统发送指令，检测单片机收到的格式、执行情况和上报信息的格式是否正常；同时利用单片机的按键制造报警事件，看是否收到符合协议格式要求的报警。
在各模块单独调试正常（或部分功能正常）后，可进行相连模块或系统的联调。调试仍以通信协议为依据，检查收发数据是否有效传递和执行。
系统调试除保证通信功能正常外，最重要的内容是通过优化单片机软件来提升网络可靠性，以及异常（TCP中断）情况下的快速重新连接。
6结论
本监控项目为中广有线绍兴分公司与绍兴职业技术学院校企合作项目，是针对公司分布各处的600多个小区接入机房而设计、研发的项目。研发成果除可应用于公司小区机房监控外，也可应用于学院的教学。
由于本项目的监控是针对本地小区接入网机房，监控内容为动力环境参数，因此GPRS组网的整体流量有限，采用适当套餐后的网络费用也会在较低水平。但如果要在小区机房增加视频监控，一方面带宽的限制会导致图像不流畅，另外网络流量费用也会大增，因此本方案不适合视频监控场合。
参考文献
［1］ 郭锐，徐玉斌.一种基于GPRS 的远程监控系统［J］.太原科技大学学报，2006，27(5):352 357.
［2］ 张锋,刘美.基于嵌入式与物联网技术的城市绿化在线监控系统［J］.电子技术应用,2014,40(7):1316,20.