摘 要：针对远程复杂环境下RTU设备与SCADA系统数据中心的通信问题，提出了一种基于GPRS网络的SCADA系统的实现方案。简要介绍了GPRS、SCADA的基本知识，描述了GPRS无线传输应用于SCADA系统的组网方案。
关键词：GPRS；SCADA；AT91SAM9261；抗分组丢失

　随着信息技术、特别是无线网络通信技术的迅猛发展，信息的传递以及人与人之间的交流更加方便和快捷。在许多领域的SCADA系统中需要对大范围的RTU设备进行自动、及时的数据采集、传输、处理以及控制指令的下达，以便及时掌握和控制现场情况。而这些RTU设备大多分布范围广、数量多、分布零散、距离远且地域复杂。当前SCADA系统使用最广的有线或短距离无线通信方式，显然已经不能满足要求。基于GPRS无线网络的SCADA系统可以摆脱线缆的束缚，具有安装周期短、维护方便、扩容能力强、成本回收快等特点。而无线GPRS网络所具有的永远在线、按流量计费和传输速率高等突出特点，特别适合于SCADA系统这样间断、突发性的或者频繁、中小流量的数据传输系统。无线网络由网络提供商维护，遵循全球统一的技术标准和通信协议，可跨地域实现对RTU设备的监测与控制，是SCADA系统发展的趋势。
1 GPRS技术、SCADA简介
　通用分组无线业务GPRS(General Packet Radio Service)是在现有GSM系统上发展起来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。GPRS充分利用共享无线信道，实现了与标准Internet的无缝连接，采用IP Over PPP实现数据终端的高速、远程接入。GPRS理论上可提供高达171 kb/s的传输速率(实际应用中大约为20~40 kb/s)。无线GPRS网络所具有的永远在线、按流量计费、传输速率高以及支持X.25 和IP协议等突出特点，特别适合于SCADA系统这样间断、突发性的或者频繁、中小流量的数据传输。
　SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域(在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统)。 SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等功能。

2 系统的组网方案
　现场RTU设备采集到数据后，通过GPRS模块将数据发送到监控中心。而GPRS模块与监控中心的连接总体上有两种方案：GPRS+Internet连接和GPRS内网连接。由于GPRS内网连接的组网方式存在着运营成本较高等缺点，在本文中采用GPRS+Internet连接的组网方式。系统拓扑结构图如图1所示。

　在该方案中监控中心采用Internet接入，其接入方式也有多种形式，只要是能够获取公网IP地址即可。这种组网方式较GPRS内网连接的组网方式安全级别低，但是可以通过由移动运营商经VPN隧道连接至监控中心的服务器，这样可以大大提高系统的安全级别并且可以减少时延。由于实验条件的限制，本监控中心服务器采用ADSL的接入方式。由于这种接入方式服务器的IP地址是随机的，而在RTU设备上配置的是服务器某一时刻的IP地址，因此一旦监控中心服务器的IP地址发生了变化，除非马上重配置RTU设备(实际很难做到)，否则就没有办法访问监控中心的服务器，系统不能工作。针对这种情况国内已提出两种解决方案——动态域名技术和端口映射技术。本文采用的是动态域名的解决方案。所谓动态域名就是当主机的IP地址发生了变化，此域名(不会变)就对应这个变化的IP地址。动态域名技术的工作原理：为接入Internet的主机申请一个动态域名，然后在主机上安装一个软件，随时检测主机的IP变化情况，一旦有变化就访问域名服务器，把当前IP地址更新到域名服务器相应数据库表单中，这样对方只要根据这个域名到分布在Internet上的域名服务器上查找就可知当前对应的主机IP地址。
3 系统的实现
3.1 终端部分
　RTU设备在SCADA系统中的主要作用就是实现对现场数据获取、监控中心指令执行以及数据的传输。该部分主要由数据采集模块、控制执行模块、电源管理模块、微处理器和GPRS模块等部分组成。数据采集模块主要完成现场温度、湿度、光度、设备运行状态参数以及现场视场图片信息等数据的采集，并经过微处理器处理后经由GPRS模块发送到系统监控中心服务器。控制执行模块主要完成系统监控中心发送的执行指令，包括调控设备运行状态、调控现场温度等操作。电源管理模块主要是对RTU设备各模块供电，并采用太阳能电池板加蓄电池的设计方案，以实现设备在复杂恶劣环境下的自生存能力，采用先进的电源管理方案，实现系统的低功耗设计。GPRS模块的主要功能是实现RTU设备与监控中心服务器之间的数据传输。RTU设备终端硬件结构框图如图2所示。

3.1.1 终端硬件平台
　采用Atmel公司的工业级ARM9处理器AT91SAM9261，该处理器是以ARM926EJ-S ARM Thumb处理器为核心的完全的片上系统，ARM926EJ-S属于5TEJ版的ARM架构，针对的是多任务的应用，包括全储存器管理，高性能、小核心尺寸和低功耗都是其重要的特点。
3.1.2 终端软件平台
　本系统RTU终端软件采用嵌入式Linux系统架构实现对终端各设备的控制管理及数据的处理和存储，Linux提供了完成嵌入功能的基本内核和所需要的用户界面，能够处理嵌入式任务和用户界面。Linux作为嵌入式系统，是一个带有很多优势的新成员。Linux对许多CPU和硬件平台具有易移植、稳定、功能强大、易于开发的功能。嵌入式Linux操作系统的内核和文件系统都可配置，系统能够裁剪到足够小，以适应嵌入式系统运行和存储的空间限制。同时可通过补丁改进系统的实时性，实现操作系统的软实时性。
3.1.3 终端数据采集
　RTU设备的主要作用就是获取现场数据并通过一定的传输方式传送到SCADA系统的数据中心，以供分析与处理。RTU设备所要获取的数据包括设备现场有关设备运行状况、环境状态等参数数据以及设备现场的图像数据信息。由于图像信息数据量大，图像的处理、传输对硬件环境的要求相对较高，目前常用的处理方法有以下两种：(1)采用高速视频A/D转换器结合专用的同步信号提取芯片采集，这种方法的电路较为复杂；(2)使用专用的视频处理芯片实现模拟信号的数字化以及行、场同步信号的提取，然后送入处理器。这种方法的特点是处理器只需对专用芯片进行配置，而不参与采集过程。
　本文中图像信息的采集是通过USB摄像头实现的，因此需要将USB驱动加载到系统内核中。由于动态加载方式测试较为简单，该系统采用动态加载方式。系统使用v41实现对图像采集的控制。考虑到摄像头监测的是静态图像的视觉状况，是缓变信号，间隔时间较短的前后两幅图像具有很强的相似性，如果直接对单幅图像进行压缩就无法利用前面已经获知的信息，压缩效率低，故在该系统实现中采用对差值图像进行压缩的处理方法。系统接收到USB摄像头拍摄的实时图，首先将其与存储器中的基准图进行配准，然后以像素对应的方式相减；进行分块、DCT量化以及熵变化，并进行图像压缩。压缩后的数据流按最大256字节拆分，并将各帧通过GPRS网络依次发送出去。数据中心将接收到的图像数据依次经过熵解码、反量化、IDCT变换后恢复差值图像，并与基准图像进行矩阵相加，以恢复实时图像。
3.1.4 无线数据传输的实现与传输控制
　系统的无线数据传输是通过内嵌有TCP/IP协议的GPRS模块实现的。目前市场上提供的GPRS无线模块有WAVECOM的Q2403B，西门子的SIEMENS、MC35i、MC39i，摩托罗拉的G20等。本系统选用了西门子的SIEMENS300C。SIEMENS300C是高性能高稳定工业级的GSM/GPRS无线模块，适合长期连续工作，抗干扰能力强。SIEMENS300C是新一代的900 MHz/1 800 MHz双频自动选择的无线模块，内嵌有TCP/IP协议栈，无需微处理器的支持即可实现基于TCP/IP的数据传输。其支持标准的AT命令及增强的AT命令监护数据模式，功能强大、操作灵活方便。微处理器可以通过标准串口接口RS232与SIEMENS300C通信。它向用户提供了标准的AT命令接口，为数据传输提供了快速、可靠、安全的传输通道，方便用户进行实际应用的二次开发设计。
　由于GPRS网络的不稳定性且基于GPRS网络的IP信道存在着很多的干扰，丢包、不均匀延迟的情况时有发生。针对这一问题本文采用了一种无线传输的抗分组丢失算法对传输的数据做进一步的处理，以确保数据传输的可靠性。该算法的基本思想是：在编码效率η不变的前提下，将长数据分成若干短数据，分别进行RS编码，以获得随数据长度呈线性增长的编解码时间，但这样会减弱其抗突发干扰能力，因此，采用交织技术将行码序列变换为并码传输，使信道传输过程中产生的突发错误离散化，以达到原有RS纠删编码的纠删性能。算法由编码算法和解码算法构成，数据的发送与接收过程如图3、图4所示。

3.2 监控中心
　监控中心负责接收远程监控终端传回的实时数据，并对其进行分析、处理及储存，同时将监控中心的指令信息发送给终端的软件控制平台。远程监控终端的数据通过GPRS网络经由网关传到Internet，然后找到监控中心的主机。监控中心是SCADA系统的中枢，是整个系统可靠高效运行的关键。
监控中心的软件设计充分考虑了系统功能的完整性和扩展性以及系统的可靠性和兼容性。监控中心的软件系统主要由通信服务器、数据库服务器和Web服务器模块三部分组成。
　通信服务器程序采用VS2005进行开发，主要实现与远程终端的通信以接收RTU终端传回的实时数据，同时向RTU设备下达监控中心的控制指令等功能。该部分程序采用Socket编程，实现与RTU设备之间的TCP/IP连接以及数据的传输。同时嵌入了抗分组丢失算法的程序，实现对传输数据的控制功能。
数据库服务器采用SQL 2005进行设计，主要实现对RTU设备传回数据的管理、远程RTU设备的管理、系统管理人员数据的管理以及管理员权限的管理等功能。
　Web服务器采用ASP架构开发，主要是实现监控中心实时数据的发布、报表生成以及数据的分析等功能。系统采用B/S架构，管理人员只需通过浏览器登录Web服务器即可实现对SCADA系统的管理与维护，无需安装客户端软件。系统对管理人员权限的分级审查制度确保了系统数据的安全性和稳定性。
　采用GPRS无线传输技术进行数据传输的SCADA系统，其终端具有安装部署简单、工程建设周期短、扩充性强、可靠性高、传输速率高、实时性强等优点，从而解决了SCADA系统中监控点多而且分布范围广的监控难点。同时采用嵌入式高性能、低功耗的ARM9微处理器作为远程终端设备的微控制器，能够更好地利用终端资源，实现对设备现场的图像信息采集，给管理人员提供感观上的监测数据，同时可实现设备现场的防盗功能。
　无线GPRS网络所具有的永远在线、按流量计费、传输速率高、支持X.25和IP协议等突出特点，以及其终端设备安装方便、受外界环境干扰小等优点，使得在远程复杂SCADA系统中采用GPRS技术进行数据传输成为一种趋势。伴随着国家数字移动通信技术的不断推进与成熟，采用移动网络作为承载网络的SCADA系统将会得到更加广泛的应用，也必将成为一个新的研究热点。
参考文献
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