（信号与信息处理专业论文）基于gprs的scada系统及其安全功能的设计与实现.pdf

东南人学顾l 学位论文 摘要 摘要 g p r s ( 通用分组无线业务，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) ，作为25 g 无线通信技术，是 在玑有g s m 系统上发展出来的一种新的数据承载业务，引入了分组概念，实现了移动高速 数据传输。g p r s 是建立在g s m 网络基础上的，因而具有广阔的覆盖面。 s c a d a ( 数据采集与监控系统， s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统， 是以计 算机网络为基础的生产过程控制与调度自动化系统。基于g p r s 的s c a d a 系统具有组网方 便，不受地形或地域的限制，传输数据实时性好，速率高，按流量计费和平均费率低的 优点。 本论文系统设计部分主要讨论了基于g p r s 了现有电力通信网监控管理系统的整体结构后， 提出了完整的数据终端的软硬件系统实现方案。 的s c a d a 系统的设计和研究。在分析研究 设计了嵌入式的基于g p r s 业务的通信系统 本论文终端部分主要研究了基于m p c 8 6 0 嵌入式平台下的数据终端硬件平台的实现利嵌 入y ：；l i n u x 下软件编程。硬件平台设计采用分层结构化设计思想，具有较好的灵活性利可配 置性。具体介绍了终端硬件平台的设计、嵌入式软件的移植以及应用软件的开发。 本论文通信服务器部分主要讨论了基于w i n d o w s2 0 0 0 的通信服务器n 勺分层设计。 本论文应用部分简单介绍了使用该g p r s 数据传输系统构成的零售终端设备和远程图象 采集系统。并且还给出了在实际环境中的一些测试指标。 关键词：g p r ss c a d a 嵌入式系统l i n u x 操作系统 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) a sat e c h n o l o g yo f2 5 gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i sa n e wk i n do fd a t as e r v i c eb a s e do nt h ec u r r e n tg s ms y s t e m i ti n t r o d u c e st h e p a c k e t - b a s e d c o n c e p t i o na n di m p l e m e n t st h eh i g h - s p e e dm o b i i ed a t at r a n s f e r g p r si sb u i l to nt h eg s m n e t w o r k ， s oi tc o v e r sab r o a dr a n g e s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) i sa l lp r o c e s s c o n t r o la n da u t o a c h e d u l i n g s y s t e mb a s e do nc o m p u t e rn e t w o r k t h es c a d ab a s e do ng p r sh a st h ea d v a n t a g es u c ha st h e c o n v e n i e n c eo fb u i l d i n gn e t w o r k ，n ob o n d a g eo ft h et e r r a i n sa n da r e a s ，t h eh i g hp e r f o r m a n c eo f r e a l t i m ed a t at r a n s f e r , h i g h s p e e dd a t ar a t e ，a c c o u n ta c c o r d i n gt ot h ef l u x ，a n dt h el o wa v e r a g e c h a r g e t h ep a r to ft h es y s t e md e s i g ni nt h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h e s c a d ab a s e do ng p r s a f t e ra n a l y z i n gt h ei n t e g r a ls t r u c t u r eo ft h ec u r r e n tm o n i t o ra n dm a n a g e s y s t e mf o rt h ee l e c t r i cp o w e rt e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e sad e s i g no fe m b e d d e d c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do i lg p r sa n dp r e s e n t sah a r d w a r e & s o f t w a r es o l u t i o nf o rt h eg p r s r e m o t et e r m i n a l t h e p a r to f t h e t e r m i n a li nt h i sp a p e r p r i m a r i l yg i v e sr e s e a r c ho nt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ed a t a t e r m i n a lh a r d w a r e p l a t f o r m b a s e do nt h em p c 8 6 0e m b e d d e d p l a t f o r m a n dt h es o f t w a r e p r o g r a m m i n g o ne m b e d d e dl i n u x t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mi n t r o d u c e st h et h i n k i n go f s t r a t i f i c u l a t es t r u c t u r ew h i c hm a k e st h ed e s i g nm o r ef l e x i b l ea n dc o n f i g u r a b l e f u r t h e r m o r e ，t h i s p a r td e t a i l e d l yd e s c r i b e st h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h et r a n s p l a n to ft h ee m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n to f t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h ep a r to ft h ec o m m u n i c a t i o ns e r v e ri nt h i s p a l ：i e r d i s c u s s e st h es t r a t i f i e d d e s i g n o ft h e c o m m u n i c a t i o ns e r v e rs o f t w a r eb a s e do nt h ew i n d o w s 2 ko s t h e p a r to f t h ea p p l i c a t i o ns i m p l yi n t r o d u c e sh o wt ou t i l i z et h et e r m i n a ld e v i c e m o r e o v e r , t h e p a r tp r e s e n t ss o m et e s ti n d i c e si nt h er e a le n v i r o n m e n tw h i c hw o u l dd os o m eg o o dt ot h ef u r t h e r r e s e a r c h k e yw o r d s ：g p r s s c a d ae m b e d d e d s y s t e m l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m 2 东南大学学位论文独创性声明 y 6 9 4 1 40 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：趟出止!日期：匕盟垒! ! ：! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：也壁! ! 量尘：导师签名 日期：伊逍到 查壹尘兰塑_ 上堂焦堡苎 一l ! ! 堡 1 绪论 伴随着计算机技术的飞速发展及工业自动化水平的不断提高，致使计算机网络对工业控 制领域的渗透曰益深入，由此也出现了大量的无人职守的远程自动化终端。传统意义上的有 线组网方式已经不能够满足广地域、大数量的组网需求。此时，具有高覆盖率，组网灵活的 g p r s 业务的出现，为中低带宽的数据应用提供了良好的解决方案。 1 ig p r s 技术背景和发展现状 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是在现有g s m 系 统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分组形式的数据业务，能提供比 现有g s m 网9 6 k b i t s 更高的数据速率。g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频 带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构，这种新的分组数据信道与 当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站予系统( b s s ) 从一开始就可提 供全面的g p r s 覆盖。g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送利接收数据，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。特别适 用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。g p r s 理 论带宽可达1 7 1 2 k b s ，实际应用带宽大约在1 0 - 7 0 k b s ，在此信道上提 , j , k t c p i p 连接，可以用 于i n t e r n e t 连接、数据传输等应用。 g p r s 是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移 动用户提供高速无线i p 。g p r s 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同 一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，数据传输速率高达1 6 0 k b p s 。 g p r s 是g s mp h a s e2 + 阶段引入的一种基于分组的数据业务，它能够实现从空中接口到 外部网络之间的分组数据传输，g p r s 可以接入基于t c p i p 的外部网络s u x 2 5 网络。 g p r s 的主要特点是： g p r s 向用户提供从9 k b p s 到1 7 1 2 k b p s 的接入速率。 为更有效 的利用无线资源，可动态地向单个用户分配位于同一载频上的ln 8 个时隙。无线接口资源 可根据业务流量和运营者的选择在语音和数据业务之间共享。g p r s 支持上行和下行的非对 称传输，为有效地实现和i p 网络的互通。g p r s 从协议结构上提供了干1 1 1 p 网络的互通功能。 另夕- g p r s 可以更为便捷地实现和x 2 5 网络的互通。g p r s 能向用户提供i n t e m e t 所能提供 的一切功能，g p r s 对于i n t e r n e t 的其它组成部分来说，只是一个普通的子网。用户在拥有一 个电话号码的同时将拥有个固定的或动态分配的i p 地址。g p r s 用户的建立时问更短。 g p r s 运行者可以将用户的业务流量作为收费标准。g p r s 向用户提供比g s m 数据业务更为 丰富的业务( 还包括补充业务和短消息业务) ，支持四种q o s 。g p r s 在g s m 原有网络的 基础上叠加了一层网络组成g s m g p r s 网络，g p r s 在g s m 网络的基础上增加了s g s n 、 g g s n 、p c u 、计费网关( 可选) 、边缘网关( 可选) 等实体，同时通过g p r s 骨干网实现各 实体之间的连接。具体g p r s 系统图1 1 。 在g s m 系统中引入3 个主要组件： 第1 页共7 6 页 东南大学领土学位论文 1 、绪论 g p r s 抿务支持结点( s g s n ，s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) g p r s 网关支持结点( g g s n ，g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) 分组控制单元( p c u ) 图1 1 、g p r s 系统结构图 g p r s 传输数据分组( 用户平面) 的协议结构如图i - 2 所示 摊m 妒嚣 停檀嚣 鬯 筠弹纾o 秽 琳d c p甜 w l l c u o 巡哆 t c p u d r l c j p i p眦 b s s a m c h d 懈t n d _ 斜t t l t n 蝴o潞“r ft 赫懈ul l 粥 “ b 淞n “ c g “ a 图i 2 、g p r s 办议栈结构 其e p g a p ( g p r s 隧道办议) 是用于支持多科t | 力、议的分组在g p r s 骨干n j g s n 之间进行 传输的协议。s n d c p ( 子网相依的汇聚协议) 使得网络层的协议数据( 例如i p 、x 2 5 、c l n p 等) 可以透明地在移动终端与s g s n 之间传递。网络层协议的变化不致影响g p r s 的低层协议。 同时它还可提供数据压缩及协议头部压缩功能以提高信道利用率。l l c ( 逻辑链路控制1 用于实 第2 页共7 6 页 东南人学倾i 学似论文 1 、绪论 珧流控、顺序控制等功能。b s s g p ( b s sg p r s 协议) 用于在b s s ( 綦站了系统) 与s g s n 之间 传递路山, f i l q o s 相关信息。r l s ( 无线链路控制) 玎 于对l l c 的p d u 进行分段与重装，同时 根据q o s 的篮求进 j ：棚应的操作。m a c ( 媒体访问控制) 用于实现多个移动终端j 享尤线信 道( 【： 1 二信道) 的控制，以防l l 出现f ( | ! 掩。除了传输数据分纽外，g p r s 还规定了用十信令( 控 制平f f ) 的协议。信令丰要用于对g p r s 网络及业务的控制。 与用户1 面不同的是在信令平面叫1 ，在m s 与s g s n 的l l c 层以上是个l 3 m m ( 层3 移 动性骨。媸) 阱议层。它的功能丰要是支持移动性毹。胖。例如，g p r s 的接入与悦离、位置更新 平l i ! h 史新等。u m 接| i 的物弹层为射频接【吲i 分，而物群链路层则负责提供空中接i l 的各 利逻甜 信道。g s m ；- 4 - ：中接口的载频带宽为2 0 0 k h z ，一个载频分为8 个物州信道。如柴8 个 物耻信道都分配为传送g p r s 数据，则原始数据速率可达2 0 0k b i t s 。考虑前向纠错鹃开销， 则撮终数据速帛可达1 7 1 2k b i t s 左右。 m a c 为媒质接入控制屡。m a c 的丰要作用足定义利分配卒中接口的g p r s 逻辑信道， 使得这些信道能破不同的移动台共享。g p r s 的逻辑信道共有3 类，分别是公共挖制信道、 分组、世务信道 h g p r s 广播信道。公共控制信道用米传送数据通信的控制信令，具体又分为 q - i i 于和l 戊答等信道。分组业务信道用来传送分组数据。广播信道则是用束给移动台发送劂络 信息。l l c 层为逻辑链路控制层。它足一种基一j 二i 岛述数据链路规桴h d l c 的无线链路防 义。 l l c 层负责在高层s n d c 层的s n d c 数据单元上形成l l c 地址、帧字段，从而乍成完雅的 l l c 帧。另外，l l c 可以实现一点对多点的寻址平数据帧的重发控制。b s s 中的l l r 层是 逻辑链路传递层。这层负责转送m sf f t _ l s g s n 之问的l l c 帧。l l r 层对q - s n d c 数据单 j i 求 2 足透l “j 的。即不负责处理s n d c 数据。s n d c 被称为了网依赖结合层。它的丰要作用 足完成传送数据的分组、打包，确定t c p 1 p 地t i i ：3 h 力密方式。在s n d c 层，移动台十u s g s n 之间传送的数据被分割为一个或多个s n d c 数据包单元。s n d c 数据包单元牛成后破放置到 l l c 帧内。网络层的卧 义e | 前丰要是p h a s el 阶段提供自 , j t c p 1 p 和x 2 5 办议，这些| 办议对 于传统自, j g s m 刚络设备( o n b s s 和n s s 等设备) 是透明的。 g p r s 终端可分为二类： 类蹦a ：g p r s 分组业务和g s m 话占业务可以同时进彳= j ： 类别b ：j 用于g p r s 分组业务和g s m 话音业务，1 ：l l 两者不能亓：】时工作； 类别c ：姓能用于分组i p 务。 a 类终端能进行业务切换：p s - - c s - - p s ，p s 指数据业务，c s 指i 舌爵业务。例如 当a 类丁_ 机乱数拂；传送期问用普通下机拔打a 类丁机，a 类下机应能应答呼1 3 t i 并通话，通 活过程r n 继续保持数据传送。 b 类终端也能进行业务切换：p s - - c s - - p s 。类似地，当b 类下机在数据传送期间， 普通r 机也可拨打b 类下机，b 类下机会柯柑心的提示，应答后就切换至话立、i k 务，而数据 业务! j ! | j 被悬置。待话音业务结束后，义可切换网数据业务。 g p r s 采川分纰交换技术，每个崩户i l j - 同时古f h 多个无线信道，同一无线信道又日j 以由 多个j h 户j 0 享，资源被有效的利用。g p r s 信号传输有4 利，编码与。式( c s l c s 4 ) ，终端会根据 e | 前的网兰箨信号质量情7 兕自动调整，目前c m n e t 可以支持n c s 2 ，单一时隙的传输速率立卜： 第3 页兆7 6 页 东南大学颁l 学位论文1 、绪论 g p r s s p e e d ( k b p s ) n e td a t a t o t a li n f o r m a t i o n c s i9 0 51 ：2 c s 21 3 42 ：3 c s 31 5 63 ：4 c s 42 1 4l ：l 表1 1g p r s 单一时隙传输速率 另外根据终端的占用的时隙不同，可以分成多个等级，如无线通采用c l a s s1 0 的 m o d u l e ，其最快的传输速度为：g p r sm a x 8 5 6 k b p s ( d o w n l i n k ) g p r s ： m a x 4 2 8 k b p s ( u p l i n k ) 。 g p r sm u l t i s l o t m a x i m u mn u m b e ro fs l o t s m a xs u m ( a ts a m e c l a s s r x ( u p l i n k )t x ( d o w n l i n k ) t i m e ) c l a s s l1l2 c l a s s22l3 c l a s s 43l4 c l a s s632 4 c l a s s8415 c l a s s l 04 2 5 c l a s s l l435 c l a s s l 2445 表1 2g p r s 等级对应最大数目时隙 g p r s 具有以下优势： ( 1 ) g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络资源和无 线资源的利用。 ( 2 ) 定义了新的g p r s 无线信道，且分配方式十分灵活：每个t d m a 帧可分配1n 8 个 无线接! s i 时隙。时隙能为活动用户所共享，且上行链路和下行链路的分配是独立的。 ( 3 ) 支持中、高速率数据传输，可提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t s 的数据传输速率( 每用户) 。g p r s 采用了与g s m 不同的信道编码方案，定义t c s 一1 、c s 2 、c s 3 和c s 4 四种编码方案。 ( 4 ) g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。 ( 5 ) g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5 网互联互通。支持特 定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。g p r s 也允许短消息业 务( s m s ) 经g p r s 无线信道传输( 需要运营商支持) 。 ( 6 ) g p r s 的设计使得它既能支持间歇的突发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据的传 第4 页共7 6 页 东南火学倾l 学位论文1 、绪论 输。它支持四种不同的q o s 级别。g p r s 能在05 1 秒之内恢复数据的重新传输。g p r s 的 计费一般以数据传输量为依据。 ( 7 ) g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的计费功能，计费方式 更加合理，用户使用更加方便。 ( 8 ) g p r s 的核心网络层采用i p 技术，底层可使用多种传输技术，很方便地实现与高速发 展的i p 网无缝连接。 我国于2 0 0 2 年开通了g p r s 服务，目前绝大部分省份都已经为用户提供了g p r s 业务。 使用g p r s 技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成 本。g p r s 移动数据传输系统有很大的应用范围，几乎所有中低速率的数据传输业务都可以 应用，如城市配电网络自动化、油井测控、车辆调度、自来水、煤气管道自动化、商业p o s 机、 i n t e r n e t 接入、个人信息、股票信息、金融、交通、公安等。 1 2 基于g p r s 的s c a d a 系统的概念 s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统，即监视控制与数据采集系统， 将先进的计算机技术、工业控制技术利通信技术有机地结合在一起，既具有强大的现场测控 功能，又具有极强的组网通信能力，是自动化领域中广泛应用的重要系统之一。它将先进的 计算机技术、工业控制技术、和通信技术( 有线及无线通信) 紧密的结合在一起，采用先进 的计算机网络体系结构一客户机服务器结构，利用先进的网络设备和网络瓦联技术设计而 成。 基于g p r s 的s c a d a 系统就是采用g p r s 分组业务作为通信技术的监视控制与数据采 集系统，它利用广覆盖的移动通信网络作为计算机网络的接入方式，很好的解决了由于工业 领域终端数量大，分布零散的特点造成的组网困难的问题，从而为工业生产提供了快速、灵 活、低成本的解决方案。 g s c a d a 系统由以下几个部分组成 s c a d a 监控中心 g p r s 通信服务器 远程终端单元( r t u ) ：数据采集单元( d a u ) + 数据传输单元( d t u ) 1 2 1g s c a d a 系统监控中心 g s c a d a 系统监控中心是整个系统的主控中心，也是终端数据的终点。它可以提供有效 数据的存储以及终端的管理功能。 1 2 2g p r s 通信服务器 g p r s 通信服务器主要是为数据终端提供数据交换功能。由于普通g p r s 业务不提供终 端到终端的直接路由，所以直接的点到点通信无法实现。通过在公众计算机网络中架设通信 服务器，从而给s c a d a 系统的终端提供点对点通信的能力。 第5 页共7 6 页 东南大学硕士学位论文 1 、绪论 1 2 3 远程终端单元( r t u ) 远程终端单元是s c a d a 系统最基本的组成单元，它主要由数据采集单元( d a u ) 和数 据传输单元( d t u ) 构成。 1 2 4 主要应用领域 g p r s 业务具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性数据实时传输中 有不可比拟的优势，特别适合于频发小数据量的实时传输，因而g p r s q k 务在某些行业上有特 殊的应用，如： 焱工业遥信、遥测、遥控 卜无人值班机房监控和远程维护( 如移动基站、微波、光纤中继站等) 卜城市配电网自动化系统数据传输 卜自来水管道、闸门、泵站与水厂监控 卜煤气管道、闸门、与加压站监控 卜供热系统实时监控 卜水文监控 卜环境监控 卜其他无人值班站点( 如仓库、办公室等) 监控 焱金融、零售行业 卜车载移动银行 卜p o s 机联网、自动柜元机( a t m ) 焱公安交通行业 卜公安移动性数据查询 卜交通监控与城市路口交通信息发布 奄移动车辆监控调度系统 卜公安、1 1 0 、交警车输监控调度 卜银行运钞车、邮政运输车监控调度 卜出租车、公交车管理调度 1 3 本论文组织结构 本论文的主要任务是进行基于g p r s 的s c a d a 系统及其安全功能的设计，以及其中的数 据传输单元和通信服务器的实现。 论文内容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了什么是g p r s ，它技术背景以及在我国的发展现状，此夕 还 介绍了基于g p r s 的s c a d a 系统的概念。 第6 页共7 6 页 东南人学硕：学位论文1 、绪论 第二章是基于g p r s 的s c a d a 系统设计，主要从系统的角度具体的介绍了基于g p r s 的 s c a d a 系统的构成，根据具体应用场景的不同设计了不同的应用系统架构。 第二章是g p r s 数据传输终端的设计和实现，主要分为以下三个方面：1 、g p r s 数传终 端的构成。2 、g p r s 数传终端的嵌入式系统硬件实现。3 、嵌入式操作系统的移植。4 、g p r s 数传终端的应用软件实现。 第四章是g p r s 通信服务器的设计。首先从需求出发，介绍了g p r s 通信服务器所包括的 具体功能，然后介绍了功能模块的组织结构。 第五章是g p r s 传输系统的应用。这部分主要介绍了在实现了嵌入式的g p r s 传输终端 后，在此基础上进行的功能扩展，设计并实现的基于g p r s 的无线零售终端和基于g p r s 的 无线图象监控设备。 第六章是对g p r sd d n 系统进行的测试，主要测试了网络传输的延时以及设备造成的延 时。 第七章是总结。丰要分成两个部分，第部分总结了论文的工作；第二部分列举了系统 中还存在的问题，以及解决方案。 第7 页共7 6 页 东南大学硕士学位论文2 、基于g p r s 的s c a d a 系统设计 2 基于g p r s 的s c a d a 系统设计 无线通信在移动电话快速普及的背景下确立了其在通信领域的支柱地位，正是如此，移 动通信网络实现了高覆盖率，基本上可以实现在任何地点进行通信。所以从g s m 升级而来的 g p r s 业务，先天就具有广阔的接入范围的优势。而工业自动化领域存在着大量分布广泛的 监测端点，g p r s 的这种优势，正可以使这些零散的终端以快捷和廉价的方式纳入到整个监 控体系中来。 2 1 应用背景 无线数据业务具有非常广阔的发展前景，以目前的s m s 、w a p 、g p r s 、c d m a l x 到未 来的3 g 网络，移动终端设备, l ：l i n t e m e t 相结合将是信息时代的发展趋势。基于i p 的终端接入 方式给自组网带来极大的便利。但如何将g p r s 的无线数据传输业务应用于工业和监控领域 是一个非常具有现实意义的研究方向。 2 1 1g p r s 在工业和监控领域的应用 在一些分布范围比较广、地域分布比较复杂、而又需要实时对其所辖区域进行远程数据 监测和远程控制的领域，基于i p 接入方式的g p r s 业务提供了很好的解决方案。例如，电力管 理部门，需要实时监测电网的运行状态、变电所的运行状态、变压器的运行状态、用户的电 表读数等参数：热力、自来水、煤气等公用事业部门需要实时检测符网的运行状态、谰压泵 站的运行状态、环境状态、住户热表、水表、煤气表读数等参数；水利部门监测所辖区域内 各水闸的开启等状态，实时检测江河湖泊的水文、水位、水质情况；油田管理部门需要实时 检测输油管线的运行状态、采油机的工作状态、计量间的仪表读数等参数；城市净水供应系 统需要实时检测用户饮用水水质；金融、公交、商场也需要一种便携式移动终端能将现场的 刷卡数据及时传至相应的数据中心。在以往，这些方面常常采用以下几种通信方式来解决传 输问题： i 、利用电话线传输方式 2 、利用光纤传输方式 3 、利用数字微波的传输方式 4 、利用集群通信方式 5 、利用电力载波通信方式 但以上几种方式存在着使用难度大、维护量大、控制范围小、抗干扰能力差、移动性差 等弱点，都不能从根本上解决监测点数量多、分布范围广、地域比较复杂、实时数据量比较 多的远程控制的通信问题。因此需要一种新的通信方式来解决传输闯题，而g p r s 网络的正式 投入商用，则可提供一种可靠、切实可行的传输通道。 第8 页共7 6 页 东南人学硕上学位论文2 、基于g p r s 的s c a d a 系统设计 组网方式电话线光纤数字微波电力载波 g p r s 组网难度一般 难 一般低低 建设费用低高高低一般 网络维护低高高 高低 传输速度慢快慢中等 一 使用费用高局 r e j 无低 网络变更差差简单差好 移动性无无无无支持 表2 1 丰要传输方式比较 2 1 2g p r s 在电力配电网中的应用 基于g p r s 的s c a d a 系统因为其独特的优势在某些行业上有特殊的应用。本次设计主 要是用于配电网自动化系统。配电网自动化就是在配电设备和配电管理上的自动化，即在自 动化的配电网架上，装配上与其相适应的开断设备，采取与其相配套的自动化管理手段，实 现对配电网故障区段的自动定位，迅速隔离，缩小停电范围：配电自动化系统是集计算机系 统、通讯系统、信息管理系统、控制系统于体，对配电网络实施监测、控制、管理的系统。 随着计算机技术、网络及通讯技术的发展，1 0 k v 配电网自动化技术作为提高电网供电可靠性 和电能质量的主要手段之一，逐渐得到了应用和发展。城市( 或乡村) 配电网络自动化系统 是电力部门改善供电质量提高供电能力的重要措施。分布在路边、电线杆上、大楼内的配电 开关、配电变压器、开闯所、公用及用户配电所的等配电控制与计量设备都需得到有效的监 视和控制，但配电网络的监测存在着：点多、分散，自动化信息的传输涉及面广等难点。使 用有线传输涉及到布线施工、建设成本、安全和可靠性等系列问题。自建无线数据传输网 络又存在着投资、频率资源、维护和网络覆盖等许多问题。而g p r s 的出现提供了一种崭新 的无线网络通道。 根据电力设备的分布特点，实现站点间数据传输的技术主要有：无线超短波、g s m 短信 ( s m s ) 和g p r s 。 无线超短波：可用于点对点或点对多点的工作环境，提供标准接口，可直接与计算机、 r t u 、p l c 等连接，实现透明传输，传输速率为1 2 0 0 1 9 2 k ，频点间隙为2 5 k ，采用工业频段 2 3 0 m h z 或4 0 0 m h z ，接收灵敏度较高，技术成熟组网时需要根据实际环境架设天线，中心站 一般要求2 0 3 0 米，分站在1 0 米左右，超短波受电台数量的限制，适合小规模应用( 比如各个 采油队的监控) 。采用这种方式时采油队与矿之间需要架设微波网络，实现大容量的数据传输。 g s m 短信( s m s ) ：利用g s m 网络实现数据采集设备、手机终端和监控中心之间的通 讯接口。由于s m s 存在延时和丢失这些不确定因素，这种方式只能用于数据流量较小或只在 异常情况下告警时。 g p r s ：一种分组交换系统，有实时在线，按量计费，快捷登录、高速传输等特点。这种 方式传输数据实时性好，传输速率高，不受地形或地域的限制，按数据流量计费，平均费率 第9 页共7 6 页 东南大学硕士学位论文2 、基于g p r s 的s c a d a 系统设计 低，适合大规模应用。 超短波短信( s m s )g p r s 传输速率 1 2 0 0 1 9 2 k 每条1 4 0 字节 4 0 1 0 0 k b s 传输距离1 0 k m 可靠传输不受限( 网络覆盖范围内) 覆盖范围受地理环境限制全围大部分地区 采用工业频段，需加微 传输费用0 0 l 元条0 0 l 元l k 数据 波管理费用 实时性实时性高实时性较高实时在线 可靠性一般高高 工业频段2 3 0 m h z 或 频率 4 0 0 m h z 9 0 0 m ，l8 0 0 m9 0 0 m ，l8 0 0 m 抗干扰较好抗干扰能力强 每台终端增加系统轮 终端数目 不受限( 基站负载能力范围内) 询时间3 s 左右 灵活方便，适合大规模 组网方式适合小规模应用可作为备用通道 应用 表2 2 电力配电网常用传输方式比较 比较可得，采用g p r s 作为配电自动化s c a d a 系统的传输通道是十分适合并具有显著 优势。 2 2 基于g p r s 的s c a d a 系统总体设计 2 2 1 系统功能 基于g p r s 的s c a d a 系统设计目标是通过移动通信网络将远端采集数据实时传输到数据 和监控中心。现代电网的电力调度，继电保护和运动数据要求实时的多媒体综合业务通信系 统。电力通信网应能将正确的信息，在准确的时间和地点送给正确的用户，以便使用户做出 正确的判决和决策。电力通信网监控管理系统是集监测、管理于体的分布式计算机系统， 可以对数字微波、光纤、程控交换机和载波机等多种通信设备及机房环境实现实时监控、设 备管理、运行统计和故障管理。本s c a d a 系统采用g p r s 数据传输业务为通信方式，提供 了个可靠、经济、实用的通信平台，可以实现电力行业对配电网在正常及事故情况下的监 测、保护、控制、计量和供电部门的工作管理。 2 2 2 系统构成 从功能上划分，整个系统应该包括以下几个部分 第t 0 页共7 6 页 东南火学硕士学位论文2 、基于g p r s 的s c a d a 系统设计 终端数据采集器 g p r s 数据专用网络 - 数据和监控中心 终端数据采集器负责采集终端的开关信号和模拟信号，封包，根据收到的数据中心的控 制命令进行相应的操作；g p r s 数据专用网络给s c a d a 系统提供一个数据通道；数据和监控 中心负责整体的数据汇总和向终端发送控制指令。 作为s c a d a 系统数据通道的g p r s 数据专用网络( g p r sd d n ) 南二部分组成： 通信服务器： 数据传输通道( g p r s 网络1 ： 用户数据终端单元( g p r sd t u ) 。 串无自 【用户终端1 o 、 6 p r s l i ”“。 厂v y ：、 刎刍羔 服务措1 l 用户终端2 o s m = n r 。 ”削：塾 g m 镕# * 用户终端n o；a ： r 八 “ g p f s 教谢终坩胀务揣2 ， 图2 - 1 基于g p r s 的d d n 结构图 这里需要解释的一个问题是，为什么不能在中心端使用了g p r sd t u 连入i n t e r n e t 而节省了 一台通信服务器呢? 目前的情况是这样，纯粹的g p r s 网移动终端点对点的数据路由从理论上 是可行的，但对于普通用户，运营商尚未开通这项业务，所以现在直接的g p r s 终端对g p r s 终端的点对点通信无法成行。要支持点对点通信就一定需要在公众互联网上提供一个数据中 转的通信服务器。 由于系统采用i p 网络的接入方式，为了防止非法用户对服务器的恶意接入，所以终端单 元和通信服务器之间需要进行身份认证，而且通信中采用了无线的方式，所以应该对通信数 据进行加密以确保数据不被非法监听。 图2 - l 中用户终端即充当终端数据采集器，在这里将开关量信号和模拟信号进行采集封 帧，并且和数据中心进行协议交互来上传采集的数据。每个用户终端通过r s 2 3 2 串行端口和 g p r s 数据终端进行连接，g p r s 数据终端采用透传方式连接数据采集器和数据中心，形成一 个r s 2 3 2 网关，提供数据采集器的网络接入功能。由于使用了基于i p 的g p r s 接入方式，也 把整个采集系统从使用调制解调器直连的电路交换网改造成基于i p 的分组数据通信网络。最 右侧是一个通信服务器，它主要完成和终端进行网络通信的功能，然后接入原有的数据中心， 因此整个通信服务器在系统中起到了通信前置机的作用。通信服务器可以通过两种方式接入 第1 1 页共7 6 页 东南人学颂士学位沦文2 、基于g p r s 的s c a d a 系统设计 移动运营网：第一、可以使用电话线、a d s l 等方式接入公众互联网，数据从g p r s 骨干网经 公众互联网到达通信服务器；第二、从移动的运行网关使用专线连接，接入通信服务器。 2 2 3 用g p r s 改造现有电力配电网监控系统方案 为了使g p r sd d n 融入现有的电力配电网监控系统( 参照许继集团昌南通信有限公司提 供模型) ，我们考虑有三种方案： 第一种方案是将g p r s 通道融入配电s c a d a 系统。在终端侧，使用g p r s 数据传输设备 代替有线调制解调器，接入无线网络。在管理中心侧，将g p r s 通信服务器与后台通信前置 机合为一体，形成点对多点的分布式通信模式。这种组网方式充分利用了g p r s 组网的优势。 f u g p r s 通信服务器与后台通信前置机的融合具有一定的难度，涉及到后台服务程序的接口 问题，由于两者的结合需要涉及到原有设备的通信西议，而各种设备的通信协议和前台程序 又有所不同，所以这种方案在实际应用中缺乏灵活性。 一一赫丽匿玩 二至蔓至塑塑：ii 一：堕竺三生塑j i 扩7| i |、 g p r s 终端改各1 ( ；p r s 终端设备 g p r s 终端设备 蟮7j 垦 c a p i t a * , 表不逻辑数据通道表示实际数据通道 图2 2 电力通信网络监控及管理系统框图( 方案) 第二种方案是对现有的配电s c a d a 系统改造。在终端将原来使用的有线m o d e m 用 g p r sd t u 代替，在中心端在通信前置机前增加一台通信服务器，其余不变。相对而言， 第二种方案由于增加了一台通信服务器，相对增加了一些成本。但具体实施起来，对当前的 系统改动不大，而且可以适合各种系统。 第1 2 页共7 6 页 东南大学颁：l 学位论文2 、基于g p r s 的s c a d a 系统设计 审强雹墨墨强田争 表示逻辑数据通道 表示实际数据迎j 苴 图2 3 电力通信网络监控及管理系统框图( 方案二) 第三种方案是考虑到通信服务器作为一个基础单元，可以独立于原监控系统之外，同时 给多个系统提供数据交换服务。在终端将原来的有线m o d e m 替换成g