GPRS技術(shù)在尾礦庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：利用尾礦壩安全監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控是尾礦壩安全監(jiān)測(cè)與管理的發(fā)展方向。在分析GPRS技術(shù)以及相關(guān)的TCP／IP技術(shù)的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的角度闡述了基于GPRS分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端的軟硬件設(shè)計(jì)、監(jiān)控中心的軟件設(shè)計(jì)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集與傳輸?shù)?。有助于礦山應(yīng)急部門(mén)和相關(guān)單位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、監(jiān)視和預(yù)測(cè)尾礦的變化，為尾礦潰壩的應(yīng)急指揮提供一種準(zhǔn)確實(shí)時(shí)、成本低廉、全天候的監(jiān)測(cè)手段。
關(guān)鍵詞：通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)；模數(shù)轉(zhuǎn)換；傳感器；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)傳輸

0 引言
    金屬或非金屬礦山開(kāi)采出的礦石，經(jīng)選廠選出有價(jià)值的精礦后產(chǎn)生砂一樣的“廢渣”，叫做尾礦。尾礦庫(kù)是金屬與非金屬礦山安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，也是該領(lǐng)域的重大危險(xiǎn)源之一，作為具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源，其一旦發(fā)生事故，將會(huì)給下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大損失，給當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成嚴(yán)重污染，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定也帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)面影響。尾礦庫(kù)的安全監(jiān)測(cè)對(duì)于加強(qiáng)尾礦庫(kù)的安全監(jiān)管，把握尾礦庫(kù)的安全現(xiàn)狀，減少尾礦庫(kù)的事故發(fā)生等具有重要意義。當(dāng)前，我國(guó)尾礦庫(kù)安全運(yùn)行的主要技術(shù)參數(shù)如壩體形變位移、庫(kù)水位、浸潤(rùn)線(xiàn)埋深等，均由人工定期用傳統(tǒng)儀器到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，安全監(jiān)測(cè)工作量大、受天氣、人工、現(xiàn)場(chǎng)條件等許多因素的影響，存在一定的系統(tǒng)誤差和人工誤差。同時(shí)，人工監(jiān)測(cè)還存在不能及時(shí)監(jiān)測(cè)尾礦庫(kù)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，難以及時(shí)掌握尾礦庫(kù)各項(xiàng)安全技術(shù)指標(biāo)等缺點(diǎn)，這些都將影響尾礦庫(kù)的安全生產(chǎn)和安全管理水平。

1 系統(tǒng)的總體框圖
1．1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的參數(shù)
    系統(tǒng)可以分別進(jìn)行浸潤(rùn)線(xiàn)監(jiān)測(cè)、壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)、水位監(jiān)測(cè)、降雨量監(jiān)測(cè)。
1．2 系統(tǒng)框圖
    在礦部控制中心內(nèi)，配置GSM調(diào)制解調(diào)器1臺(tái)、監(jiān)控主機(jī)1臺(tái)、管理主機(jī)1臺(tái)，管理主機(jī)內(nèi)安裝信息管理軟件及數(shù)據(jù)分析軟件，監(jiān)控主機(jī)內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集軟件。前端采集設(shè)備通過(guò)公網(wǎng)到監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行通訊，將所有傳感器的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控主機(jī)，管理主機(jī)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、管理，如圖1所示。

    本設(shè)計(jì)系統(tǒng)是利用MCS-51單片機(jī)，通過(guò)溫度、位移、水位等傳感器采集的信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，將信息傳送到GPRS移動(dòng)通信的基站。它通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)互聯(lián)。GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)或信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，而后Internet基于IP協(xié)議，通過(guò)路由將數(shù)據(jù)包直接傳送到指定IP的礦部控制中心的監(jiān)控主機(jī)上。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接收到信息后及時(shí)顯示且將數(shù)據(jù)貯存到指定的數(shù)據(jù)庫(kù)文件中。

2 系統(tǒng)通信的實(shí)現(xiàn)
2．1 建立系統(tǒng)通信的主要部件
    (1)MCS-51系列單片機(jī)功能強(qiáng)，內(nèi)存較大。
    (2)GPRS模塊。系統(tǒng)采用利事達(dá)信息技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的GPRS模塊LT8030，采用標(biāo)準(zhǔn)的RS 232接口，用戶(hù)可以通過(guò)單片機(jī)或其他CPU的UART口，使用相應(yīng)的AT命令對(duì)模塊進(jìn)行控制，達(dá)到輕松進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò)的目的。
    (3)服務(wù)器。建立SOCKET連接必須具有公網(wǎng)的IP地址，故應(yīng)保證礦部控制中心計(jì)算機(jī)連接到Internet并且取得公網(wǎng)IP地址。在單片機(jī)對(duì)GPRS模塊控制之前，服務(wù)器端需運(yùn)行SOCKET端口監(jiān)聽(tīng)程序，并且設(shè)為監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，端口號(hào)也要設(shè)定，例如port：1024。
2．2 系統(tǒng)通信的主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程
    (1)通過(guò)AT指令初始化GPRS無(wú)線(xiàn)模塊，使之附著在GPSR網(wǎng)絡(luò)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)分配的GPRS終端IP地址，并與目的終端建立連接。
    (2)通過(guò)串口0擴(kuò)展MAX232標(biāo)準(zhǔn)串口和外部控制器(例如數(shù)據(jù)采集端)連接，外部控制器端接出標(biāo)準(zhǔn)串口，按照約好的協(xié)議可很容易利用本設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行通信。
    (3)復(fù)用P1．2和P1．3，也就是串口1分別和GPRS模塊的TXD0和RXD0連接，通過(guò)軟件置位完成對(duì)MC35的初始化和控制GPRS模塊的收發(fā)數(shù)據(jù)。礦部控制中心的接收服務(wù)器支持兩種接入方式：一種是通過(guò)非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶(hù)線(xiàn)路(Asymmetrieal Digital Sub setiber Line，ADSL)／局域網(wǎng)(LAN)／公共交換電話(huà)網(wǎng)絡(luò)(Pu blic Swi tched Telephone Network，PSTN)／ISDN(Integrated services digital network)直接接入Internet。此時(shí)，發(fā)送接收服務(wù)器的動(dòng)態(tài)IP地址或固定IP地址。如果接收服務(wù)器處在局域網(wǎng)內(nèi)，可以使用第二種接入方式——即通過(guò)支持SOCKET的代理服務(wù)器接入Internet。此時(shí)發(fā)送的將是代理服務(wù)器的公網(wǎng)IP地址。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。

    (1)AT89C52單片機(jī)是一個(gè)低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8 KB的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器(EPROM)和128 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用美國(guó)Atmel公司的高密度、不易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C52提供了高性?xún)r(jià)比的解決方案。本設(shè)計(jì)采用11．059 2 MHz晶體振蕩器，通過(guò)定時(shí)器設(shè)置使之與GPRS模塊的通信頻率(9 600 Hz)一致。
    (2)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)采集。ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可與AT89C52單片機(jī)直接相連。ADC0809轉(zhuǎn)換器的片選信號(hào)右P2．7線(xiàn)選控制，其通道地址INO～I(xiàn)N7分別為7FF8H～7FFFH。當(dāng)單片機(jī)產(chǎn)生寫(xiě)信號(hào)時(shí)，則由一個(gè)或非門(mén)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)信號(hào)START和地址鎖存信號(hào)ALE(高電平有效)，同時(shí)將地址總線(xiàn)送出的通道地址A，B，C鎖存，模擬量通過(guò)被選中的通道送到A／D轉(zhuǎn)換器，并在START下降沿時(shí)開(kāi)始逐位轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC變成高電平，經(jīng)反相器后，可向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求。當(dāng)單片機(jī)產(chǎn)生讀信號(hào)時(shí)，則由一個(gè)或非門(mén)產(chǎn)生OE輸出允許信號(hào)(高電平有效)，將A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入單片機(jī)。
    (3)GPRS模塊。設(shè)計(jì)中所采用的是LT8030 GPRS IP Modem。LT8030基于SIEMENS的MC35 GPRS模塊，并且內(nèi)嵌了完整的TCP／IP協(xié)議，為用戶(hù)提供更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)接口。LT8030采用的GPRS技術(shù)無(wú)縫覆蓋、永遠(yuǎn)在線(xiàn)和按流量計(jì)費(fèi)。
    LT8030內(nèi)部包含兩個(gè)主要部分：IP部分和GPRS模塊。他們之間是串口連接(Serial 2)。用戶(hù)上位機(jī)與LT8030也是串口連接(Serial 1)。這兩個(gè)串口連接可以進(jìn)行獨(dú)立配置和操作，LT8030內(nèi)嵌了完整的TCP／IP協(xié)議族，包括TCP，UDP，F(xiàn)TP，PPP，TELNET，HTTP，Web Server，SMTP，POP3等。內(nèi)嵌的TCP／IP使LT8030有了訪(fǎng)問(wèn)Internet的能力。
    LT8030有兩種傳輸模式通過(guò)軟件切換。LT8030在處于不同的傳輸模式時(shí)，數(shù)據(jù)的流向也有所不同。當(dāng)用戶(hù)使用AT指令集時(shí)，LT8030自動(dòng)進(jìn)入透明傳輸模，用戶(hù)應(yīng)用可以直接訪(fǎng)問(wèn)GPRS模塊，用戶(hù)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Serial 2直接進(jìn)入GPRS模塊；當(dāng)用戶(hù)使用AT+i指令集時(shí)，LT8030自動(dòng)進(jìn)入非透明傳輸方式，用戶(hù)數(shù)據(jù)從Serial 1進(jìn)入LT8030后，由IP部分打成TCP／IP包，再經(jīng)Serial 2發(fā)送給GPRS模塊，GPRS再包裝成GPRS數(shù)據(jù)包傳送到GPRS無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。在遠(yuǎn)程終端，用戶(hù)數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集并處理后送入LT8030(通過(guò)AT+i命令接口)。
    LT8030首先將數(shù)據(jù)打包成TCP／IP數(shù)據(jù)包，再轉(zhuǎn)換成GPRS數(shù)據(jù)包，通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路傳送到無(wú)限數(shù)據(jù)交換中心(MDEC)。MDEC剝離GPRS數(shù)據(jù)包，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)將TCP／IP數(shù)據(jù)包傳送到Internet。中心通過(guò)Socket套接字接受TCP／IP數(shù)據(jù)包，并把它還原成原始數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)由中心到終端方向時(shí)，情況是一樣的。
    (4)LT8030的連接：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路MAX232與GPRS模塊連接，MAX232用于串行通信接口與RS 232通信接口之間的電平轉(zhuǎn)換。

4 軟件部分的設(shè)計(jì)
4．1 軟件實(shí)現(xiàn)流程
    本系統(tǒng)的前端機(jī)的軟件設(shè)計(jì)采用C51編程，服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)軟件是采用C語(yǔ)言編程，數(shù)據(jù)庫(kù)是采用微軟的Access數(shù)據(jù)庫(kù)。軟件實(shí)現(xiàn)首先是通過(guò)對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)的初始化，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并在數(shù)碼管中顯示出數(shù)據(jù)。最后通過(guò)AT指令，建立連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。
4．2 有關(guān)的GPRS AT指令介紹
    (1)基本設(shè)置
   
    (2)SOCKET設(shè)置
    下面是建立一個(gè)TCP通訊的例子。

5 結(jié)語(yǔ)
    基于GPRS的尾礦庫(kù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)傳感器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電壓(0～5 V)傳輸?shù)紸DC0809中，進(jìn)行采樣和量化，轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)貯存到單片機(jī)中，通過(guò)單片機(jī)通信串口傳輸給GPRS模塊，單片機(jī)通過(guò)AT指令初始化GPRS無(wú)線(xiàn)模塊，使之附著在GPRS網(wǎng)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)分配給GPRS終端的IP地址，并與目的終端或服務(wù)器之間建立連接，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)為尾礦潰壩的應(yīng)急指揮提供一種準(zhǔn)確實(shí)時(shí)、成本低廉、全天候的監(jiān)測(cè)手段。