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    基于GPRS 的遠(yuǎn)程二十四節(jié)氣燈光控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    2022-07-11 01:13:42王維
    電子技術(shù)與軟件工程 2022年4期
    關(guān)鍵詞:發(fā)送給通訊指令

    王維

    (江蘇省科學(xué)技術(shù)館 江蘇省南京市 210013)

    1 系統(tǒng)開發(fā)背景及硬件架構(gòu)

    近年來,隨著室外科普展陳需求的發(fā)展,原本靜態(tài)的雕塑、造型以及單向傳播的多媒體屏幕已經(jīng)不能適合業(yè)主的要求,業(yè)主方會(huì)提出自己的一些智能化設(shè)想,而這些設(shè)想很多需要網(wǎng)絡(luò)的支撐,這一點(diǎn)卻因?yàn)槭姓仍虿痪邆鋵?shí)施的可能,而GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)的廣泛覆蓋給了我們一條便捷的解決路徑。

    本案例中,項(xiàng)目策劃方要在室外綠地區(qū)域(沒有局域網(wǎng)和無線Wi-Fi 信號(hào)覆蓋,只保障電力供應(yīng))設(shè)置一座24 節(jié)氣燈光演示燈塔,每個(gè)節(jié)氣用一組燈箱標(biāo)識(shí),(如圖1 所示)要求能夠用手機(jī)終端遠(yuǎn)程對(duì)燈塔上的每一個(gè)節(jié)氣燈組進(jìn)行控制,完成流水顯示,獨(dú)立起閉,當(dāng)日對(duì)應(yīng)節(jié)氣燈自動(dòng)亮起等功能,并具有手動(dòng)遙控亮燈功能。因現(xiàn)場(chǎng)沒有可用的局域網(wǎng)(無線網(wǎng))覆蓋,因此只能采用GPRS 通訊方式實(shí)現(xiàn)指令的傳輸,GPRS 通訊方式有著很廣泛的應(yīng)用范圍,幾乎可以覆蓋所有中低速率的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù),特別適合條件差的野外使用環(huán)境下的中小數(shù)據(jù)量的傳輸和手持設(shè)備的應(yīng)用,因此如何利用GPRS 實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制是這個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

    圖1:外觀效果圖

    GPRS 是通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio service)的英文簡(jiǎn)稱,是GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù),目的是為GSM 用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。它特別適用于間斷的、突發(fā)性的、頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸,也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS 理論帶寬可達(dá)171.2kb/s,實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在40~100kb/s。在此信道上提供TCP/IP 連接,可以用于Internet 連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。GSM-GPRS 通過在原GSM 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加一系列的功能實(shí)體來完成分組數(shù)據(jù)功能,新增功能實(shí)體組成GSM-GPRS網(wǎng)絡(luò),作為獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體對(duì)CSM 數(shù)據(jù)進(jìn)行旁路,完成GPRS 業(yè)務(wù),而原GSM 網(wǎng)絡(luò)則完成話音功能,盡量減少了對(duì)CSM 網(wǎng)絡(luò)的改動(dòng)。GPRS 網(wǎng)絡(luò)與GSM 原網(wǎng)絡(luò)通過一系列的接口協(xié)議共同完成對(duì)移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)管理功能。GPRS 新增了一些功能實(shí)體:服務(wù)GPRS 支持節(jié)點(diǎn)SCSN,網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)GCSN,點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)中心等,及一系列原有功能實(shí)體的軟件功能的增強(qiáng)。GPRS 大規(guī)模地借鑒及使用了數(shù)據(jù)通信技術(shù)及產(chǎn)品,包括幀中繼、路由器、接入網(wǎng)服務(wù)器、防火墻等。

    本系統(tǒng)由五個(gè)部分組成:終端執(zhí)行單元(PLC),數(shù)據(jù)終端單元(DTU),GPRS 網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)中心(服務(wù)器),操控單元(手機(jī)APP)。數(shù)據(jù)中心接收手機(jī)終端APP的操控指令,在處理之后將指令序列通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給DTU,DTU負(fù)責(zé)向數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù),建立網(wǎng)絡(luò)通訊鏈路,并將接受到的執(zhí)行指令轉(zhuǎn)換成串行指令發(fā)送給PLC,PLC 接受DTU 發(fā)送來的指令,執(zhí)行相應(yīng)的燈光控制操作。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示。

    圖2:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    其中PLC 選用三菱FX5U-32MT,DTU 選用支持塔石LTE-364,服務(wù)器租用阿里云服務(wù)器,采用動(dòng)態(tài)域名技術(shù)和端口映射技術(shù)將服務(wù)器上服務(wù)映射到公網(wǎng)上,這樣DTU 每次啟動(dòng)之后,通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)訪問數(shù)據(jù)中心(服務(wù)器),數(shù)據(jù)中心與之通訊,形成完整的通訊鏈路,同樣,手機(jī)APP也通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)中心(服務(wù)器),發(fā)出控制指令。

    2 手機(jī)APP端控制程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    根據(jù)需求,該系統(tǒng)要能在手機(jī)端進(jìn)行操控,考慮到操控的便捷性,以及跨安卓、蘋果手機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用,擬采用微信小程序的形式開發(fā),主要用于GPRS 數(shù)據(jù)終端(DTU)的管理、測(cè)試,便于用戶在調(diào)試過程中靈活的改變相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行測(cè)試,并在服務(wù)器端及時(shí)得到執(zhí)行的結(jié)果。同時(shí)采用微信授權(quán)的形式,控制使用小程序的人員,實(shí)現(xiàn)控制終端的管控,APP 界面如圖3 所示。

    圖3:APP UI

    這里主要采用了WebSocket 通訊協(xié)議,WebSocket 是獨(dú)立的、創(chuàng)建在TCP 上的協(xié)議,該協(xié)議能更好的節(jié)省服務(wù)器資源和帶寬,更實(shí)時(shí)地進(jìn)行通訊,較少的控制開銷,始終保持連接狀態(tài)以及更好的二進(jìn)制支持,對(duì)于該項(xiàng)目的應(yīng)用適應(yīng)性高。WebSockets 可以在用戶的瀏覽器和服務(wù)器之間打開交互式通信會(huì)話。WebSocket 對(duì)象提供了用于創(chuàng)建和管理WebSocket 連接,以及可以通過該連接發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的API。

    2.1 建立通訊鏈路

    2.2 發(fā)送控制指令

    2.3 關(guān)閉鏈接

    3 數(shù)據(jù)中心服務(wù)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    數(shù)據(jù)中心(服務(wù)器)服務(wù)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵,數(shù)據(jù)中心接收手機(jī)終端APP 的操控指令,在處理之后將指令序列通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給DTU,最后執(zhí)行燈光操作。為了便于手機(jī)端APP 操控,服務(wù)器端設(shè)置多個(gè)演示觸發(fā)序列,在APP 上的一鍵操作可以實(shí)現(xiàn)一系列預(yù)設(shè)燈光操控序列。

    3.1 啟動(dòng)websocket服務(wù)

    3.2 接收小程序端控制命令

    3.3 啟動(dòng)Tcp Server

    4 PLC端的實(shí)現(xiàn)

    PLC 被設(shè)計(jì)成為獨(dú)立控制每一個(gè)燈組的起閉,當(dāng)DTU將串行指令發(fā)送給執(zhí)行終端PLC后,PLC根據(jù)指令執(zhí)行即可。串口初始化及跑馬燈代碼如下:

    5 結(jié)語

    該系統(tǒng)在軟硬件平臺(tái)搭建之后,進(jìn)行了多輪測(cè)試,在后場(chǎng)測(cè)試時(shí),系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運(yùn)行,在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下,偶爾出現(xiàn)指令時(shí)延和指令丟失現(xiàn)象,通過對(duì)服務(wù)器端的反饋信息分析,指令發(fā)出是穩(wěn)定的,故障原因與通訊基站信號(hào)傳輸相關(guān),隨著后期基站信號(hào)優(yōu)化后,該故障基本消失。該系統(tǒng)即將投入實(shí)際應(yīng)用,運(yùn)行狀況和使用效果預(yù)期良好,可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

    GPRS 的傳輸有多種組網(wǎng)結(jié)構(gòu),該系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)為PPP方式,后期根據(jù)系統(tǒng)需求,也可以設(shè)計(jì)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸,只要給DTU 端通訊增加設(shè)備索引,即可完成類似的多設(shè)備多點(diǎn)控制功能。

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