基于GPRS的搅拌站动态数据远程监控系统
摘要：提出了一种基于GPRS的搅拌站动态数据监控系统，以实现实时监控搅拌站生产混凝土过程中的质量控制、达到间接控制工程施工质量的目的。系统利用控制反转、三层架构、Socket通讯以及Windows服务技术进行开发。具体功能包含搅拌站PLC数据的获取和发送、服务器接收、网站监控客户端的开发，并且使用了低耦合的配置模式搭建系统的核心架构。通过此系统，搅拌站上级管理部门可以清楚监控到每个搅拌站的实时监测数据，并能对数据进行深入分析，验证其配料组成的合理性。
关键词：控制系统，搅拌站，GPRS，Windows服务，级配。
本文源自《电子技术》2019, 48(01): 54-56.《电子技术》是由上海市科学协会主管，上海市电子学会和上海市通信学会主办的技术性月刊，1963年创刊，是中国最早的电子类期刊之一，也是目前国内最具权威性、发行量最大的电子技术月刊。
随着计算机技术的普及,信息系统和管理系统已广泛应用于路面施工过程,生产质量的动态化管理已势在必行。随着高速公路建设的快速发展，质量隐患频有发生。因此，有必要对沥青路面施工过程进行远程监控。混凝土搅拌站是土建工程的基本生产设备。在混凝土的生产中，配料的称量精度、配料的施工配比、原材料的含水率与供水量等直接影响混凝土的质量。为了能够实时监控搅拌站的生产配料情况，保证公路建造的高质量，本文讲述了一种基于GPRS的搅拌站动态数据监控系统，以实现对搅拌站生产过程的实时监控，达到间接控制公路施工质量的目的。通过这个系统，上级管理部门可以远程监控公路质量一致性，提前发现工程质量隐患，防止不合格工程的出现。
1 项目背景
搅拌站是土建工程的基本生产设备,由搅拌主机、物料称量系统、物料输送系统、物料贮存系统、控制系统五大系统及其他附属设施组成的建筑材料制造设备，主要功能是以水泥为胶结材料，将砂石、石灰、煤渣等原料进行混合搅拌，最后制作成混凝土，作为墙体材料投入建设生产。混凝土或沥青搅拌站自投入使用以来，在我国建筑建材业一直发挥着重要作用，当然这也是混凝土或沥青搅拌站本身所具备的优越的特性所决定。
采用自动控制、检测技术，对混凝土或沥青生产过程中的各个环节实现精确连续控制已非难事，可以很方便地采集沥青的配方，了解级配的各种信息。由于目前各搅拌站单位使用搅拌站自动化控制的主要目的在于生产管理便利，然而，为了对整个路段的沥青质量全程监控，上级主管部门有必要对各搅拌站单位进行不间断的信息采集、监控。
通常，搅拌站大多设置在新建高速公路附近，在偏远地区施工时，基本没有宽带网信号，信息交互只能通过移动信号覆盖，GPRS[1]是野外信息交互的唯一方式。通用分组无线业务(General Packet Radio Service，GPRS)是一种以全球手机系统(GSM)为基础的数据传输技术。GPRS与在频道上连续传输方式(如GSM)不同，其信息交互以分包(packet)、共享信道的形式来传输，需要的时候才有数据包产生。用户可以随时进行数据传输，而不是每次都需要拨号上网。
可以通过GPRS的信号，将搅拌站生产数据以确定的周期，定期发送到主管部门。如此，在当前批次的混凝土或沥青浇注之前，就已经获知了当前批次的混凝土或沥青的生产流水号，及其搅拌投料配合比等真实数据;此外，通过定期获取的数据对已浇注路段的商品混凝土或沥青的施工及质量效果实现准确追踪。混凝土搅拌站数据实时采集试验的开发成功，确保了搅拌站生产投料数据的真实性和可追踪性，搭建起了商品混凝土的质量监管平台。利用现代的管理理念和先进的管理手段，将质量管理、质量监督的管理程序实现了前移，是实现建设工程质量监控的一次新的尝试。
2 系统架构
基于搅拌站的动态数据监控系统，其核心技术内容是当前技术背景下的物联网概念，利用现代传感技术、结合现代网络通信技术，对搅拌站各批次混凝土或沥青的配比重量、温度等参数实现全天候实时监控，实时掌握质量变化情况，为搅拌站的高效工作和规范产出提供依据。系统由三部分构成：数据获取和GPRS发送，服务器端数据接收和通信，网站客户端实时监控，具体架构如图1所示。
系统整体采用.Net[2]，编程语言采用C#，其中数据采集和发送模块采用了Windows服务程序，服务端采用Socket网络通信技术，客户端采用ASP.NET技术[3]。为了更好地维护，软件架构采用IOC(控制反转技术)和三层架构系统[4]。
可以通过PLC获取搅拌站本地生产过程中的各项必要数据，经由为搅拌站本地PC开发的发送程序获取这些数据，最终通过网络发送至上位机。上位机通过数据接收程序获取数据后，存入服务器端数据库;此后，便可通过访问网站[5]来阅读、分析相关数据，从而达到监控目的。
动态数据远程监控本套系统的特点，大致有以下特点主要可归纳为以下几点。
(1)充分利用了互联网的便捷性，实现远程数据的即时传输。
(2)采用服务类型编写数据发送程序，既增强了程序的稳定性，又减小了系 统的负荷。
(3)使用Socket通信技术(TCP/IP)传送数据，有效地保证了数据传送的可靠性。
(4)网站开发采用了控制反转技术，有效地减小了系统的耦合度，增强了系统的可扩展性。
(5)使用B/S(Browser/Server)结构开发监控网站，比之客户端结构具有更好的移动性，仅需一台联网的计算机或移动终端即可进行监控操作。
(6)系统具有实时监控，查看警报数据，骨架密实判定，项目信息的管理，报警规则制定，级配参数配置等功能，可以满足公路局对搅拌站生产数据监控的需要。
3 模块设计
3.1 搅拌站数据获取及发送模块
使用windows服务作为本模块的数据发送程序类型。根据搅拌站本地PLC获得的数据，通过安装在PC中的服务程序(数据发送模块)经由DTU传输设备，通过移动网络将数据发送出去。
首先，搅拌站首先通过传感器获取原始数据，原始数据经再由PLC(可编程逻辑控制器)采样、加工后，传送至组态软件[6]，实现对混凝土生产过程中的各个环节实现精确连续的控制。生产时，物料仓按照配方中设定的配料值自动将物料投放到物料秤上，系统通过物料秤采集的重量值实现自动投放配料，物料秤向骨料斗放料时同样根据传送带电子秤采集到的重量值自动停止放料，两次放料保证配料量的精确。同时，系统采用在线计算冲量的方法，根据实际情况实时调节冲量大小，进一步保证了配料量的精确。根据实际值和设定值计算出的多余物料将会留在物料秤上，参与到下一盘配料，每一盘的数据都会存放至数据库Microsoft SQL Server中。
服务程序跟随计算机开机而启动。程序开启后，结合其中的计时功能，分时段对数据进行读取，并对数据施以相关的协议化处理后按字节发送(由于数据发送只支持按字节发送)。为了确保接收数据的准确性，将一组数据按相关协议处理，在接收端以协议化逆过程处理接收数据的方式。
完成数据协议化处理后，将进入数据发送进程。协议化后得到的string数据类型被转换成byte类型，经由COM串口发送。发送过程中，为了避免意外断电产生数据丢失，采用了双向通信的方式;即程序发送完一包数据后，系统并不是立即进入记录时间节点功能，而是等待接收方送出的确认接收信号，若在确定时间内未收到接收方的确认接收信号，程序将自动重发操作;反之，程序运行在正常进程。
3.2 数据接收模块设计
首先，对程序进行配置，配置完成以后，启动监听系统;与此同时与远程DTU保持一个Socket连接。在监听过程中，如果接收到由远程发送来的数据，监听程序会触发事件处理过程而转入数据接收功能。
在进入数据接收功能处理进程中，由于接收到的是byte类型数据，首先须将该数据初步还原成以ASCII编码方式的字符类型，其次判断接收到的数据是否符合协议(协议由程序员自行定义)，如果符合，则将数据全盘接收，若不符，则过滤掉该次接收的数据。若接收数据符合协议，则该接收到的数据应该是一个大小为1 024bytes的数据包，需要依据约定算法对数据包进行解析，最后存入数据库。此处用到的算法是搅拌站数据获取模块中，数据发送功能所试用的算法的反序列化，能够完整还原原始数据。
由于程序是自动运行在服务器上的，通常不可能安排24h人员值班，所以引入了日志功能，为程序及数据管理提供便利。在程序运行过程中，可能会发生一些异常现象，由于这些异常现象用户无法查看，通过查阅日志，用户得以以文本格式查看运行过程中可能发生的异常性质、发生时间、发生异常的具体模块、以及详细说明。
3.3 网络客户端模块
通过无线发送的实时生产数据，被服务器获取后存入数据库，网络客户端可远程访问、查阅数据，并实时监管。数据模块中包括了实时监控、配合比参数设置、施工温度规范以及查看警报数据等，这些数据都关联到搅拌站动态质量监控的关键功能。
从搅拌站获取原始数据后，依据配合比参数，计算并得到级配数据,其后可以进行数据呈现。如图2所示，该图显示所表现的是级配曲线[7]，可明显看出搅拌站的配方情况。
此外，系统还提供了骨架密实判定模块，配合比参数设置模块、以及施工温度规范模块，这些模块需要进行专业设置，用以对生产数据进行实时分析，对异常情况实行报警[8]，并以短信方式通知项目监理工程师和相关人员，为及时采取相应措施提供了便利;实现了诸如沥青质量、级配、沥青温度、混合料温度、油石比、混合料温度等参量的严格控制，实现了由效率低的事后检测转化为高效率的实时监控，对提高沥青路面质量，提高管理效率，节约建设资金，保证监测数据的真实及可靠性，为提高路面质量管理提供了有效服务。
本文设计和实现了一种基于搅拌站的动态数据远程监控系统，其开发主要包括后台数据库的建立、监控数据的呈现方式、后台数据的管理以及页面的Web设计。系统实现了基于搅拌站的动态数据监控系统所应具有的基本功能模块，并且使用了低耦合的配置模式搭建系统的核心架构，并使用图形化处理数据。目前已有多家搅拌站公司在实际生产中应用了本论文建立的动态数据监控系统，大大改善搅拌站的工作效率，生产质量也得到极大的保证。
参考文献
[1] 路小俊,吴在军,郑建勇,胡敏强.基于GPRS通讯技术的新型配变远程监控系统[J].电力系统及其自动化学报,2005(03):82-86.
[2] 艾迪明..NET框架体系结构[J].计算机工程与应用,2003(02):174-176.
[3] 王洪猛.基于Web的远程监控系统开发技术研究[D].武汉大学,2005.
[4] 高扬.基于.NET平台的三层架构软件框架的设计与实现[J].计算机技术与发展,2011,21(02): 77-80+85.
[5] 鲍雪亚,赵强,顾德英.基于B/S和C/S混合架构的远程监控系统[J].仪器仪表学报,2004 (S2):591-593.
[6] 黄聪月,高锋阳,郭佑民.基于组态王和PLC的混凝土搅拌站监控系统的设计[J].自动化与仪器仪表,2009(04):21-24.
[7] 陈国明,谭忆秋,王哲人,张跃文.沥青混合料级配曲线走向的分形研究[J].公路交通科技, 2005(01):1-4.
[8] 钱静,孙越.数据监控系统应用中的关键问题探讨[J].微计算机信息,2010,26(22):6-7+116.
[9] 申时喜.新一代空管设备集中监控系统发展趋势[J].集成电路应用,2018,35(10):87-88.
[10] 林亮,钟成杰,宋通川,陈政.智能型负荷监测终端控制器的设计[J].集成电路应用,2019,36 (01):55-56.
[11] 段路强.温度对硅外延图形漂移的影响及监控[J].集成电路应用,2018,35(03):49-52.
[12] 孔文.智能算法使监控系统变得更加聪明[J].集成电路应用,2010(10):31-32.