（机械电子工程专业论文）基于gprs通信技术的智能阀门远程监控系统的研究.pdf

摘要 本论文研发了基于g p r s 通信技术的智能阀门远程监控管理系统。由远程监 控中心、通信系统和智能阀门集控中心为主组成的远程监控系统，软件开发上使 用标准的s o c k e t 技术、数据库技术、串口通讯技术，硬件上通过串口连接现场 控制模块和g p r s 无线模块，从而搭建一个实用、易升级而且独立的数据传输管 理平台。本文设计的系统用于阀门流量监测。控制终端通过流量计可以精确采集 阀门注水信息，通过g p r s 将数据准确、快速的传送给上位机。上位机可以将数 据以图表形式直观地显示出来，并将数据储存在相应的数据库中。就此本文主要 开展了以下研究工作： l 、对远程数据传输方式的选取进行了分析，选择了基于通用分组无线业务 的g p r s 无线数据传输方式作为远程数据传输的通讯方式。文章详细介 绍了g p r s 无线通信的发展历程、主要特点、优势以及主要的应用领域： 2 、设计和介绍了智能阀门远程监控系统整体构成方案。它以数据传输的终 端设备为对象，将数据进行采集处理，通过g p r s 现代传输通讯技术送 到远端监控中心，为工作人员提供数据参考，从而得知远程设备的实时 运行情况，由远程监控中心、g p r s 无线通信网络和智能注水阀门集控 中心三大部分构成，阐述了系统各部分的主要功能； 3 、对系统的硬件设计部分做了说明，主要包括g p r s 模块接口电路、电机 控制电路、电源电路、数据采集电路、触摸屏模块及扩展接口等，详细 介绍了系统各部分和各模块的电路设计及其用到的芯片； 4 、系统各部分的软件设计及说明，包括集控中心的软件设计和远程监控中 心的软件设计。系统重点解决远程监控中心与阀门监控终端的通信问 题，采用g p r s 无线通信模块m c 5 5 实现两者的数据通信，通过a t 命 令来进行控制，数据传输采用短消息和s o c k e t 连接方式。集控中心采用 单片机实现g p r s 的s 0 c k e t 通讯和s m s 通讯，远程监控中心采用p c 机，借助于编程语言v c + + 6 o 编写上位机软件； 关键词：g p r s 通信技术智能阀门 远程监控 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e s 也ei n t e l l i g e n tv a l v em l d e rl o n g - r a n g em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d 0 ng p r sc o m m u n i c a t i o n 妣l l i l o l o 黟t h eb n g 一舳g em o n i 俩n gs y s t 锄c o n s i s t so f t l l el o n g r a n g em o n i t o r i n gm o d u l e ，c o m m 砌c a t i o ns y s t e m s 锄dt h ei n t e u i g e n tv a l v e w i 血c e n 仃a h z e dc o n t r o lm o d u l e u s i n gg p r st e c h n 0 1 0 9 y s o c k e tt e c h n o l o g y ， d a 讪勰et e c h n o l o g ya n ds 嘶a 1c o 删n u n i c a t i o nt e c h n o l o g ) ， i nt 1 1 es o r w a r e d e v e l o p m e n t ，w eb u i l dap r a c t i c a l ，i n d 印e n d e n t 仃a n s f 打p l a t f o r mw h i c hi se 嬲yt 0 u p g r a d e t h em e l l i g e n tv a l v ec o n 廿d lm o d u l ec o 越e c t s 也eg p r sm o d u l ei nh a r d w a r e 也r o u g h 也es e r i a lp o r t 1 1 1 i s $ s t e mi sd e s i g n e df o rm ev a l v en o wm o l l i t o 血g t h e c o n t r o l t e r m i n a lc a p t i l r e s 也ef i l l i i l gi n f o m a _ t i o na c c l l r a t e l yt 1 1 r o u 啦t 1 1 en o wm e t e ra i l d 仃纽s m i t st 0 也eh 0 s tc o m p u t e rq u i c h y t h e nt l l eh o s tc o n l p u t e rd i s p l a y st 1 1 ed a t a 鲫h i c l y ，a n dg t o r e s 也e mi nd 砒l b a s e 1 1 1 i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e s 日1 ef o l l o w i l 唱 c o m e n to fs e v e r a la s p e c t s ： 1 a n a l y z e 也es e l e c t i o no fm e 砌皿o t ed a 【协们n 锄i s s i o n 觚dt 1 1 e nc h 0 0 s e 也e g p r s 咖1 e s sd a t a 仃乏m 锄i s s i o nw 1 1 i c hb a s e do nt 1 1 eg e n e r a lp a c k e t 谢i o s e n ，i c ea si t sm e 也o d t h ep a p e ri n 仃d d u c 懿也ed e v e l o p m e n tc o u r s e ，m a i n c h a r a c t e r i s t i c s ，a d v a n t a g e s 锄dm a i n 印p l i c 撕o n 丘e l d so f t l l eg p r sw n l e s s t r a n s m i s s i o ni nd e t a i l ： 2 d e s i g na n di n 仃0 d u c et l l eo v e m uc o i l s 协j c t i o np r o g r a mo ft 1 1 ei n t e u i g 哪 v a l v eu n d e rl o n g r a n g em o n i t o 血培s y s t e m nc h o o s et e m 血1 a 1e q u i p m e n to f t l l ed a t a 仃a n s m i s s i o na st 1 1 eo b j e c t ，a c q u 打ea n dp r o c e s st l l ed a t a ，s e n dt 0 r e m o t e m o n i t o r i n g c e n t e r t h r o u g hm eg p r sm o d 锄仃a n s m i s s i o n c o 衄u j l i c a t i o nt e c h n o l o g y ，p r o v i d i i l gr e f e r e n c eo ft 1 1 ed a t af o rt e c c i a n s ， 也u sc a ng e tt h eo p e r a t i o no f 也er e m o t ee q u i p m e n ti nr e a l t i m e t h es y s t 锄 c o n s i s t so fr e m o t em o n i t 0 血gc c n t e r ，g p r sw i r e l e s sc o m m l m i c a t i o n n e 铆o t k 锄di n t e l i i g e n tw a t e r 画e c t i o nv a 】v ew i 也c 锄i 仃a i i z e dc o n t r 0 1 m o d u l e a n d 也ea n i c l ee ) 【p o l l n d st h em a i l l 如n c t i o i l so fe a c hp a r t ； 3 i n t r o d u c et l l eh 衲a r ed e s i g no ft h e 锣s t e m ；m a i n l yi n c l u d i n gg p r sm o d u l e 血e r f a c ec 面c u i t m o t o rc o n t r o l c i r c u i t ，t l l ep o w e rs u p p l yc i r c u i t ，d a t a a c q u i s i t i o nc i r 饥l i t ，t o u c h8 c r e 铋m o m l l ea n de x t e n s i o ni n t e i f a c e 1 1 1 昀d u c e e a c hp a r to f 也es y s t e i n 趾dm o d u l ei nc i r c 肛“d e s i 弘a n dc h i p st l l a th a v e b e e n u s e di nd “l ； 4 t h es o 脚a r ed e s i 弘勰dd e s 嘶p t i o no ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gc e n 廿al i z e d c o n t r o lm o d u l es o r l ) i ，a r ed e s i g na n dr e r n o t em o n i t o r i n gc e n t e rs o f w a r e d e s i 弘t h ek e yp o 血o f t 1 1 es y s t e mi st 0s 0 1 v et l l ec o m m u n i c “0 n 邮b l e m b e t w e e nt h er e m o t em o n i t 0 血培c e n t e ra n dv a l v em o n i t o rt e r m i l l a l w eu s e t 1 1 eg p r sw n l e s sc o m i 姗i c a t i o nm o d u l em c 5 5t 0a c h i e v e 也ed a t a c o 删c a t i o n t h es y s t c = mu s e 也ea rc o n l n l 锄dt o c o n 仃0 l ， s m s 锄d s o c k e tc o 珈a e c t i o nt 0n - a n s m j tc 瞰a c 咖a l i z e dc o n 仃o lm o d u l ec h o o s et l l e s i l l g l e - c 1 1 i pm i c r o c o m p u t e rf o r 也e s o c k e tc o m m u n i c a _ t i o na n ds m s c o m n l u 血c a t i o no fg p r s ，缸dt 1 1 er c m o t em o i l i t o r i i l gc e m e rm a l 汜u s eo f p r o g r a m m i i l gl a n g u a g ev c h6 0 i np ct 0w t e 也eu p p e rc o m p u t e r s o f l w a r e k e y w o r d s ：g p r sc o n l m l l n i c 撕o n t e c h n 0 1 0 9 y ；血e l l i g e n tv a l v e ；l o n g - 瑚g e m o i l i t 0 血g 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 工业是国民经济的主导，水、汽、油等流体与工业发展有着密切联系，而流 体在工业上的应用离不开管网系统，有管网必然有阀门，阀门是管道控制系统中 的重要组成部分，是用来截断和调节管道中介质的流量。它是石油、化工、电站、 长输管线、造船、核工业、各种低温工程、宇航以及海洋采油等国民经济各部门 不可缺少的流体控制设备。 在阀门的各种类型中，自动调节控制阀所占比例最大，将占市场总份额的 2 0 以上，世界自动化调节阀市场2 0 0 2 年为1 0 0 亿美元，2 0 0 8 年已达到2 3 0 亿 美元【1 1 。随着工业自动化的发展，传统的手工机械调节的方式在许多场合己不再 适用，要实现管网系统的工业自动化管理，离不开自动阀门这个管网系统中的执 行机构。在某些应用场合，对阀门的控制不仅仅是简单的开关控制，还涉及到开 度控制以及流量等各种关系控制，这对阀门电动执行机构控制器的智能性提出了 更高的要求。显然如果是在有毒、易爆或易燃介质的生产现场，人工现场控制就 极为危险，远距离集中控制在这类应用场合更为必要【2 】。 随着计算机网络技术的发展以及人们对自动控制水平要求的不断提高，计算 机网络技术日益向自动控制领域渗透，工业控制网络应运而生 3 】。无线技术的发 展使得无线通讯在工业中应用得越来越普遍。同时由于手机模块通讯的广泛性， 以及成本已经大幅下降的前提下，它在工业中也起着越来越重要的作用。g p r s 系统是目前我国发展最成熟的移动通讯系统。它是第二代移动通信技术g s m 向 第三代移动通信技术3 g 的过渡技术，经常被描述成2 5 g ，g p r s 是g s mp h a s e 2 1 规范实现的内容之一，是在现有的g s m 移动通信系统基础上发展起来的一种移 动分组数据业务。g p r s 网络经过多年的发展，拥有用户数量庞大，覆盖范围广 大，通信质量稳定可靠。g p r s 通过在g s m 数字移动通信网络中引入分组交换 功能实体，以交换采用分组方式进行的数据传输，利用现有g p r s 网络传送数据 具有很多优势 4 】o 第一章绪论 1 2 国内外远程数据传输的现状 由于许多监测对象距离较远或现场危险，只能在远距离的地方进行测量及传 输，便产生了远程数据采集系统。随着自动化程度的不断提高，对现场数据远程 采集与传输要求也日益提高。远程数据采集系统可使技术人员不需要到达生产现 场就能获取重要生产数据和设备运行状态，进行远程设备控制和故障诊断，这里， 远程数据传输技术是其实现的前提。目前，远程数据传输方式有小型大功率无线 电台、低压电力线载波、m o d e m 、以太网、g p r s 等【5 1 。 当今世界己进入了飞速发展的信息时代，信息产业己成为国民经济的主导产 业，通信则成为信息产业中发展最为迅速，进步最快的行业。而在通信领域中， 移动通信( g p r s ) 网则是这个领域中发展最积极最活跃最快的分支之一，利用现 有的g p r s 网络资源，发挥网络覆盖率高、永远在线等优势，为现有数据传输系 统提供一种便捷的无线传输方式。 远程传输主要包括：基于有线的远程传输和基于无线的远程传输【6 】o 其中专线 方式和电话线的远程传输应用比较广泛，主要是这两者初期建设的时间短，且在 短时间应用期间费用小，线路的维护费也比较低。随着传输系统规模的不断扩大， 现场环境越来越复杂，需要传输的目标形式也越来越多样化，同时传输系统的结 构也变得越来越分散化。目前的远程传输系统由于结构复杂、分布距离远，而且 要求集成网络中的不同平台，这些问题是有线的方法所难以解决的。随着计算机 硬件成本的降低、功能的日益强大，远程传输系统已开始倾向于使用计算机网络 系统。目前，计算机网络的传输介质基本上是有线介质，由电缆和光缆构成的有 线网络有其本质的缺陷：布线、改线工程量大；线路容易损坏；网络中的各站点 不可移动。特别是要把两个相距遥远远程控制站点接入网络时，如果采用电话线 路做传输媒体时，具有速率低、误码率高和线路可靠性差的问题；而铺设专用通 讯线路时，有布线施工难度大，费用多、耗时长等不足。这些问题都不同程度地 制约着远程传输的需求。而计算机无线局域网具有无需布线、安装周期短、后期 维护容易、网络用户容易迁移和增加的特点。所以弥补有线网络这一缺陷最迅速 和最有效的方法是采用计算机无线通信网络。 2 第一章绪论 1 3 课题的主要研究内容和途径 如何将分散的数据实时、可靠、便捷的传输是一个关键的技术问题。基于通 用分组无线业务的g p r s 无线数据传输方式是目前十分适合远程数据传输的一种 通讯方式，具有运行成本低、实时性好、可靠性高、不受地域限制等优点。最重 要的是g p r s 网络是由移动运营商投资，可以节省巨额的网络建设费用，达到环 保、节能、资源最大共享的目的，而且免除了网络的日常修改和维护，最大限度 地节省了投资。因此利用g p r s 无线通信网络实现远程数据传输，可使系统建设 及维护成本大大降低。 本课题主要研究基于g p r s 通信技术智能阀门远程监控系统的开发。对于由 远程监控中心、无线通信系统和集控中心为主组成的远程监控系统来说，采用 g p r s 技术后，软件开发使用标准的s o c k e t 技术，数据库技术，串口通讯技术， 现场控制模块在硬件上要通过串口连接g p r s 无线模块，搭建一个实用、易升级 而且独立的数据传输平台。本文设计的系统用于阀门流量监测，控制终端通过流 量计精确采集阀门注水信息，通过g p r s 网络将数据准确、快速的传送给上位机 软件，上位机可以将数据以图表形式直观地显示出来，并将数据储存在相应的数 据库中并随时提供打印。此外，本系统还设计了拓展阀门智能控制功能部分相应 的控制电路，主要通过单片机的脉宽调制模块程序的调节电机的转速，精确控制 阀门的开启与关闭。当然，本系统还可以用于自来水流量监测，煤矿瓦斯含量监 测，海水污染情况检测，远程抄表等，节省了大量的时间，方便、快捷，自动化 程度大大提高。作为一套工业应用的智能系统，设计中以可靠性为原则，以适用 于各种工业环境的应用需求，在较低的成本下实现了功能的最大化。将移动通信 技术应用于阀门的远程监控，对于提高工作效率，减少人员和降低经济损失，都 有重要的意义，因此具有广阔的应用前景。 综上所述，该论文的内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) g p r s 无线通信应用领域及其在本系统中相关技术的介绍； ( 2 ) 智能阀门远程监控系统整体构成方案设计和介绍； ( 3 ) 集控中心构成方案及相应的软硬件设计； ( 4 ) 远程监控中心上位机软件编程和相应技术详细说明： ( 5 ) 系统应用在工业场合的实际测试情况与总结。 3 第二章相关技术概述 第二章相关技术概述 2 1 通用分组无线服务技术 通用分组无线业务简称g p r s ( g c n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) ，是在g s m 基 础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。与原有的g s m 比较【1 7 1 ， g p r s 在数据业务的承载和支持上可以通过多个g s m 时隙的复用，支持的数据 传输速率更高，理论峰值达1 1 5 k b s ；不同的网络用户共享同一组g p r s 信道， 但只有当某一个用户需要发送或接收数据时才会占用信道资源。这样，通过多用 户的业务复用，更有效地利用无线网络信道资源，特别适合突发性、频繁的小流 量数据传输，很好地适应数据业务的突发性特点；g p r s 计费方式更加灵活，可 以支持按数据流量来进行计费；与无线应用协议( w a p ) 技术不同，g p r s 能够 随时为用户提供透明的p 通道，可直接访问i n t e m e t 中的所有站点和资源；采用 信道复用技术，每一个g p r s 用户都能够实现永远在线；另外，g p r s 还能支持 在进行数据传输的同时进行语音通话等等，而且相对于短消息等其它无线数据通 信业务，g p r s 的价格优势比较明显。目前，我国移动推出的g p r s 上网业务最 高每千字节也只有3 分钱，而且用户可以根据自己的需要，以月租、包月等多种 形式进一步降低g p r s 通信的费用。 2 1 1 通用分组无线业务的发展历程 计算机技术、网络及通信技术的高速发展推动了社会向前发展，具有网络通 信能力的嵌入式产品越来越受到重视。嵌入式通信设备的发展经历了从最初功能 单一的简单通信到实现多种复杂通信协议的完善系统，再到现在具有无线通信能 力并与i n t e m e t 相连的远程开放、互联高级系统。 移动通信是当前最活跃的通信领域之一，移动通信技术为推动全社会信息化 的进程发挥着越来越重要的作用。短短几年，移动通信己经从第一代模拟移动通 信( 1 g ) 发展到现在的第三代移动通信( 3 g ) ，从模拟信号发展到数字信号，从 语音业务发展到宽带数据传输【8 】。 第一代模拟移动通信网是从7 0 年代中期到8 0 年代中期蓬勃发展起来的，特 4 第二章相关技术概述 点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。蜂窝概念真正解 决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。这一阶段主要制式有 美国的先进移动电话系统( 脚s ) 、同本汽车电话系统( 删t s ) 、北欧四国 ( 瑞典、挪威、丹麦和冰岛) 开发出的n m t 4 5 0 移动通信网、英国的全地址通 信系统c t a c s 。我国采用的a 网和b 网是属于英国的t a c s 系统。a 网建在西 北五省和云南，而b 网则建在全国的其它地区。但是由于频谱利用率低、保密 性差、技术简单等缺点，第一代移动通信技术在很多地区尚未得到充分发展就退 出了历史的舞台。这一阶段的移动通信只是完成语音通信的功能，尚没有数据通 信的实现。 第二代移动通信技术是8 0 年代中期开始的，这是数字移动通信系统发展和 成熟的重要时期。这一阶段的标准主要有欧洲的泛欧数字移动通信( g s m ) 、美 国的数字先进移动电话系统( d 舢v 皿s ) ，即i s 1 3 6 ：c d m a o n e ，也即i s 9 5 或北 美c d m a ( n a c d m a ) 、日本的个人数字蜂窝( p d c ) 。 1 9 8 8 年，欧洲首先推出泛欧数字移动通信网( g s m ) 标准，泛欧网g s m 于 1 9 9 1 年7 月开始投入使用。g s m 网是目前的主流制式，拥有全球最大的用户。 我国采用g s m 网。我们平常讲的双频网络g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 都是g s m 标准。 两个系统功能相同，主要频率不同，g s m 9 0 0 工作在9 0 0 m h 2 ，d c s l 8 0 0 工作在 18 0 0 m h z 。 第二代移动通信网络的主流业务仍是语音通信，而且以电路交换为特点，同 时兼顾低速率数据业务如短消息、三类传真等，其最高数据速率只有9 6 k b p s 。 但是随着i n t 锄e t 的迅猛发展，人们对数据业务的需求快速增长，再加上城 市信息化智能化建设需要越来越多的设备进行数据通信，需要接入i n t 锄e t ，而 第二代移动通信系统所能提供的数据业务能力有限，这就迫使下一代移动通信系 统的开发9 】【l o 】。 第三代移动通信系统是目前在推广使用的系统，其基本的特征是提高系统容 量、实现多媒体数据通信和统一的标准和频段。3 g 的速率目标是在室外静止或 者行人步行速度下3 8 4 k b p s ；室外高速运动中提供1 4 4 k b p s ；室内提供最高数据 传输速率为2 m i b i l l d o l i s t e n ( ) a c c 印t 0 ，那 1 3 第二章相关技术概述 么在a c c e p t o 完了后，在s e e r 端将生成一个新的套接字，然后s e r v e r 将继续进 入a c c 印t o 状态，该如何用这个新的套接字来进行与c l i e m 端的通信呢，这就用 到了r e c v o 函数，而c l i e n t 端则是通过s e n d ( ) 函数来向服务器发信息的。 在客户端也是采取类似的过程，其调用w 删的c k 的过程如下： s o c k e t o - c 0 皿e c t o 一 s e n d ( ) 首先建立一个s o c k e t ，然后用c o 皿e c t ( ) 函数将其与s e n ，e r 端的s o c k e t 连接， 连接成功后调用s e n d ( ) 发送信息。 2 3 2 流式s o c k e t 的工作方式 远程监控中心服务器与集控中心客户端的应用程序就可以利用流式 s o c k “删进行通信。服务器程序监听特定端口，等待客户的连接请求，当一个连 接请求到达时，客户与服务器建立一条专用连接。在建立连接的过程中，服务器 与客户机都被分配一个本地端口，并将套接字绑定到各自的端口上，通过各自的 端口进行通信。它的工作流程如图6 1 所示。 r 一一一一一1 广一一”j l 一一一一一jl 一一一一一 图6 1 流式s o c k e t 的工作流程 如上图所示，远程监控中心服务器端首先启动，通过调用s o c k e t ( ) 函数建立 一个套接字，然后调用b i n d ( ) 函数将该套接字和本地网络地址联系在一起，再调 用l i 咖( ) 函数使套接字做好监听准备，然后调用a c c 印“) 函数来接收连接。在接 到集控中心客户端的连接请求时，服务器就为它建立一个连接，并把该连接的有 1 4 第二章相关技术概述 关信息加入到用户链表，服务器就可以利用此链表管理客户。客户端在建立套接 字后可调用c 咖e c t ( ) 函数和服务器建立连接。连接一旦建立，客户端和服务器 就可以通过r e c e i v e ( ) 和s e n d ( ) 来接收和发送数据。等到数据发送完毕，用c l o s e ( ) 关闭套节字。本系统的服务器程序采用c + + 编写，主要实现技术如下【4 2 】： ( 1 ) 从c 触y n c s o c k e t 类派生出自己所需的w i i l s o c k 类； ( 2 ) w _ m s o c k 类与应用程序框架之间的关系； ( 3 ) 流式套接字的使用； ( 4 ) 网络事件的处理。 c a s y n c s 0 c k e t 类是在很低程度上对w m s o c ka p i 的封装，它提供的低级接口 几乎与w i l l s o c k a p i 的函数调用直接对应。c 触) ，n c s o c k e t 类是从c o b j e c t 类派生 而来的。当用户希望发送大量数据或希望发送的数据按顺序无重复地到达目的地 时，使用流式套接字是最方便的。 第三章系统总体方案设计 第三章系统总体方案设计 本课题在智能阀门远程监控设计上依托中国移动通信集团公司的g p r s 网 络，构建了一个无线的、实时的数据采集传输系统。它以数据传输的终端设备为 对象，将数据进行采集处理，通过g p r s 现代传输通讯技术送到远端监控中心， 为工作人员提供数据参考，从而得知远程设备的实时运行情况，实现阀门控制、 故障诊断、及时报警、数据储存和打印报表等功能。 3 1 系统总体结构设计 本系统由远程监控中心、g p r s 无线通信网络和智能注水阀门集控中心三大 部分构成。远程监控中心站主要由通过串口连接m c 5 5g p r s 模块的监控中心站 服务器、打印机等外围设备组成。智能注水阀门安装在配水间，控制每个注水管 的流量，主要由输入设备，处理芯片，显示设备等构成。一个配水间一般有1 0 个阀门，每个阀门通过流量计采集注水信息，控制各个注水管道的注水量。一个 配水间构成一个集控中心，集控中心位于注水值班室，主要是用于监控该配水间 的各注水阀门，由工控机、触摸屏、无线传输模块等组成。每个集控中心分别安 装有g p r s 无线模块，可将监测得到的数据实时传回远程控制中心，达到监控阀 门的目的。其中，集控中心无线传输模块主要由p i c l 6 f 8 7 7 单片机通过串口连接 m c 5 5 无线通信模块组成。通过扩展s i e m e n s 公司的m c 5 5g p r s 模块，从而 实现g p r s 业务的数据传输功能，远方服务器管理中心可以通过g p r s 网络与阀 门终端进行数据交换。g p r s 通信网络是数据采集集控中心分站与远程监控中心 之间数据传输的桥梁。通过g p r s 网络现场数据能够及时传送到监控中心计算机 中，同样监控中心的查询或控制命令也可以通过g p r s 网络发送给采集终端。远 程监控中心一方面通过g p r s 网络与现场采集终端进行双向通信，另一方面为用 户提供一个可视化界面，让用户实时了解现场设备运行状况。系统总体结构如图 3 1 所示： 1 6 第三章系统总体方案设计 、 土j ；了霞p 置i _ 圈。玉一一。，ri n t 锄缸、f j 、：一。国i | _ 1 誓一 兰芝泌孑、1l 齄蛳； 1 ) 短信通信方式 无线通信系统 ：) s o c k c t 通信方式 墓鞫 图3 1 系统总体结构图 无线传输模块硬件设计主要是指单片机芯片p i c l 6 f 8 7 7 与无线m o d e mm c 5 5 模块接口的设计，单片机主要实现整个系统所需的协议栈以及监测控制数据的采 集、中心主站命令的解析等；g p r s 模块则完成无线上网功能。m c 5 5 为s i 锄e n s 公司推出的被誉为当今世上最具价值、尺寸最小的三频g s m g p r s 模块，除 具有普通g s m 模块的通话、短信、电话簿管理、c s d ( 电路交换数据) 传输等功 能和无线m o d e m 的g p r s 连接功能外，内置完整的t c p p 协议栈，不仅支 持s o c k e t 连接下的t c p 切) p 数据传输，还支持h t t p ，f t p ，s m t p ，p o p 3 等上层应用协议。它支持标准i t i 卜t 的a t 命令集，可以通过串口对其进行控 制【4 3 】。 3 2 系统各部分的主要功能 3 2 1 智能注水阀门集控中心的功能 ( 1 ) 参数采集和处理功能。采集阀门注水信息参数和处理功能。 ( 2 ) 报警功能。在系统工作发生故障以及现场数据出现异常时发出报警并将 信息传送给远程监控中心。 ( 3 ) 参数设置。现场人员可以通过触摸屏对终端设备进行参数设置，方便操 作。 第三章系统总体方案设计 ( 4 ) 显示功能。现场人员可以通过阀门显示屏随时查看数据情况。 ( 5 ) 控制功能。可同时控制多个智能注水阀门，并将采集数据通过无线网络 发送给远程监控中心。 3 2 2g p r s 无线通信模块的功能 ( 1 ) 协议转换：待发数据送至g p r s 模块，g p r s 模块首先对数据进行t c p 】 p 协议转换，然后再将其封装成g p r s 分组数据包才能发送至远程监控中 心站。同理，g p r s 模块接收到的数据包同样需要协议转换才能通过串 口进行接收处理。 ( 2 ) 数据传输：通过串口向阀门注水信息采集终端收发数据，通过g p r s 无线 通讯方式实现与远程监控中心站的通讯，完成数据向中心站的传输和接 收中心站控制命令的功能。 3 2 3 远程监控中心的功能 远程监控中心一方面与数据采集终端双向通信，实时接收从采集终端分站上 传的数据和报警信息，并记入数据库供查询；另一方面为管理人员提供一个友好 的可视化界面，实时地显示各个参数、报警信息、各项参数统计结果，并能以柱 形图或表格等形式表现出来，随时提供数据打印，使得管理人员可直观地了解现 场的运行状况。根据工作需要，可以发送相应的指令对终端设备进行控制。 3 3g p r s 在系统的应用 3 3 1 阀门监控系统对通信网络的要求 ( 1 ) 信号覆盖率：油井布点分散，通信网络必须能够基本覆盖整个油田，这 是衡量通信方案是否成功的关键因素。 ( 2 ) 通信实时性：服务器端监控系统要求数据能够进行实时的信息交互传送。 ( 3 ) 数据安全性：通信网络必须能够保证系统的数据和控制信息在网络传输 中的安全性，不会受到来意不明的攻击而导致数据传输不能顺利进行造 成事故的发生。 第三章系统总体方案设计 ( 4 ) 运行费用：信息采集所提供的通讯方式运行费用是系统组网的一个关键 问题，尤其对阀门控制终端所需设备。 ( 5 ) 技术的前瞻性：通讯技术的发展很快，所选用的通讯技术本身及其通讯 网络必须保证未来5 1 0 年不被淘汰，在技术层面上能平稳升级。 3 3 2g p r s 通信在系统中应用的可行性 g p r s 采用分组交换技术，数据传输速率高，它支持多种带宽，是对有效带 宽的高效利用，g p r s 网络满足系统中数据的通信速率的要求。g p r s 具有“永 远在线”的功能，当终端与g p r s 网络建立连接后，即使没有数据传送，终端也 一直与网络保持连接，再次进行数据传输时不需要重新连接，而网络容量只有在 实际进行传输时才被占用，从而保证了数据交换的实时性。g p r s 是以传输的数 据量，而不是以连接时间为基准来收费的，接入g p r s 网络但没有数据传输是不 收费的，这使得通信信道的使用费用大大降低。g p r s 网络是在现有的g s m 网 络系统的基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，在一次性投入和网络 维护上的开销小，可以节省耗费巨大的通信电缆材料和人工费用，而且免除了日 常检修和维护费用，同时具有高可靠性，扩展性和抗干扰性。综上所述，在智能 阀门远程监控管理系统中使用g p r s 通讯模块，充分利用覆盖面广，运行可靠、 费用低廉的g p r s 公用无线网络，实现g p r s 无线数据通讯功能进行数据传输， 达到数据管理的通讯要求，做到g p r s 在数据采集的实用化】。 3 3 3g p r s 在系统通信网络中应用模式 基于g p r s 的智能阀门远程监控管理系统通信网络是阀门远程管理终端中 的g p r s 无线终端与服务器端之间数据传输的通道，通信网络构成方案采用 g p r s 与i n t 锄e t 相结合的通信连接方式【4 5 1 。服务器端通过这种通信连接方式， 集中数据采集终端的数据信息。g p r s 无线终端需要安装移动通信公司的s i m 卡，并到移动通信公司申请开通普通的g p r s 业务，无需申请开通专门的g p r s 业务。g p r s 无线终端上电后，经过初始化操作、激活p d p 上下文、设定服务质 量等级、拨号呼叫连接后登录到g p r s 网络，再通过移动i n t e m e t 的接入点获得 外部p 地址，建立访问i n t 咖e t 的通道：具有独立d 地址的服务器监控端与 第三章系统总体方案设计 i n t e m e t 相连。这样远程监控中心主站与集控中心通过g p r s 与i n t 锄e t 网络进 行通信，实现集中监控管理的各项功能。 但是通过i n t 锄e t 会对数据传输的安全性带来一定的风险，这时可以考虑使 用虚拟专用网( n ) 技术建立企业网，并在中国移动申请接入点( a p n ) ，使g p r s 网传出的数据直接发送至n 而不通过i m e m e t 。这种通信网络是g p r s 和虚拟 专用网络删) 技术相结合的通信连接方式，虚拟专用网络采用隧道技术以及加 密、身份认证等方法，利用公共网络设施在远端用户之间提供类似专网的连接技 术，这样可以保护企业数据不被破坏，提高了系统的可靠性。 3 3 4g p r s 组网方案的选择 由于g p r s 无线数据终端与其它无线数据传输不同，它是基于t c p 口协议 进行数据传输，并且上位机( 数据中心) 是接入公网( i n t 锄鳓任何一台计算机。数 据中心具有动态或固定的公网口地址，或者是从中国移动中获取的数据专线接 入从而具有固定的移动子网d 地址。 使用向中国移动申请专线的方式来构建服务器与通信终端的通信链路，这种 方案的信息传递在中国移动内部即可完成。服务器数据中心需要也有一个手机模 块，服务器拥有移动子网的固定口地址，通信终端可以直接请求连接。该方案 对用户来说是操作最简单的方案，性能稳定，可靠性高，但同时是初始费用及后 续费用最多的一个方案，适合大数据量的用户使用。 考虑到本系统对安全性、实时性等方面的要求和目前试验条件，可以采用公 网静态p 组网方案。在产品走向市场后，如果需要在实时性和安全性方面获得 更好的性能，也可以采用甜i n 专线接入组网方式。 具体连接过程如下：主机接入公网，具有固定i p 地址。在这种方式下，先 由集控中心g p r s 模块发起连接，终端登录g p r s 后获得口地址，将这个口地 址发送给远程监控中心主机。由于终端的i p 地址是g p r s 内网的i p 地址，所以 要经过g p r s 网络的n a t 服务器进行网络地址转换。之后，主机和终端机之间 就可以双向通信了，其结构如图3 2 所示： 第三章系统总体方案设计 ( h 更 、l 嬲n 晾1 舻、“0 远程监控中心 ，_ ，、厂、 g p r s 飞 。u 组网方案 爸 h 图3 2 公网固定口结构图 此种方案先向i n t e m e t 运营商申请a d s l 等宽带业务。其特点有：通信速度快、 组网简单、运行可靠稳定，可以利用现有网络资源，系统建设投资小，适合实时 性要求较高，安全性要求适中的应用场合。 2 l 第四章系统硬件设计 第四章系统硬件设计 本设计在以美国m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 f 8 7 7 单片机芯片为主控芯片的数据 传输管理终端上，通过扩展s i 卧伍n s 公司的m c 5 5g p r s 模块，从而实现g p r s 业务的数据传输功能，远程服务器管理中心可以通过g p r s 网络与阀门终端进行 数据交换。配以适当的外围接口电路来完成各项功能，主要包括：g p r s 模块接口 电路、电机控制电路、电源电路、数据采集电路、触摸屏模块及扩展接口等。本 设计中仅对g p r s 模块硬件电路以及实现数据传输和阀门控制部分进行介绍。 4 1g p r s 模块硬件介绍 4 1 1 硬件接口 ( 1 ) 电源接口输入电压必须保证在指定的范围之内，而且尽可能提供大的电 流输出能力。输入电流一般在待机状态下为5 m a ，在通话状态为2 0 0 m a ； 外接电源输入电压为5 v 。 ( 2 ) g p r sm o d e m 常用的通信接口有r s 2 3 2 、u s b 等，系统所用的是r s 2 3 2 接口。 ( 3 ) 3 v 活动s 蹦插槽。s i m 卡座接口外面用一个抽屉式插槽，保证了s i m 卡接触牢固，接口紧密，换卡时，需要用尖锐的物体( 如笔尖) 轻按s m 卡卡座弹出按钮。 ( 4 ) 高灵敏度天线。天线接口为标准s m a 公头，可以直接连接棒装天线或 吸盘天线。为保证良好的无线通信性能，建议采用9 0 0 1 8 0 0 m h z 吸盘天 线，增益为3 d b i 【蛔。 4 1 2g p r sm o d e m 电路 g p r sm o d e m 电路主要由g p r s 模块和其外围电路组成。g p r s 模块将g s m 射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立 的操作系统、g s m 射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。外围电路 由电阻、电容、二极管、三极管、电感、m c u 、稳压i c 、电平转换芯片、s i m 第四章系统硬件设计 卡座、d c 座、串口、u s b 等组成。内部电路板如图4 1 所示。 图4 1g p r sm o d e m 电路 4 2 串口通讯模块硬件设计 4 2 1 串口通讯方式的优势 从广义上讲，计算机通信可以分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被 称为并行总线和串行总线。并行通信时数据的各个位同时传送，可以字或字节为 单位并行进行，并行通信速度快，但用的通信线多、成本高，故不宜进行远距离 通信。串行通信是一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式，其特点如 下： ( 1 ) 数据位传送，传输按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成； ( 2 ) 成本低廉； ( 3 ) 传输速度较慢； ( 4 ) 串行通讯的距离可以从几米到几千米； ( 5 ) 根据信息的传送方向，串行通讯可以分为单工、半双工和全双工三种 由于单片机采集并传输的数据量不大，传输速率要求不高，且传输距离较短，为 了降低成本，选择了r s 2 3 2 标准的串行通信。单片机内部有一个可编程的全双 工的串行通信接口，通过软件编程它可以用作通用异步接受和发送器u 舢h ， 该串行口可设置为4 种工作方式，并可用软件设置波特率。因此系统采用 r s 2 3 2 串口标准也方便了硬件和软件的设计【4 7 1 。 第四章系统硬件设计 4 2 2m a ) 【2 3 2 驱动芯片的介绍 e 认r s 2 3 2 c 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定，在电 器特性上，r s