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浙江工业大学硕士学位论文 塔式起重机远程数据传输及后期数据管理 摘要 随着城市人口密度的增加，高层建筑越来越成为流行趋势。从而使得塔式起重机的 运用日益频繁。随之而来的是塔机事故的发生率居高不下。因此急需研究出一种有效的 塔机安全监控系统。本文作为塔机安全监控项目的一部分，对其中两个重要环节一远程 数据传输和后期数据管理做了探讨和研究，并最终给出了详细的设计方案。主要的工作 包括： 根据塔机数据的特点，提出了基于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 ) 的无线数据 传输模式。并结合互联网通信技术、数据库技术、w 曲开发技术，提出了系统的总体设 计方案。实现塔机数据的高效、安全传输及合理、有效、便利的管理。 本文首先给出了g p r s 无线通信技术的原理及特点。并结合塔机监控系统的特点， 提出了三种类型的组网方式。 其次，根据无线传输终端的需求，给出了合理的软硬件设计。硬件部分完成了通信电 路、s i m 卡电路、电平转换电路、电源电路、晶振及边界扫描电路的设计。软件部分通 过g p r s 模块初始化、拨号上网、建立p p p ( p o i n tt op o i n tp r o t o c 0 1 ) 连接、s o c k e t 通信 完成塔机数据的传输。 然后，采用n e t 开发技术进行了塔机监控中心网站的开发。实现了塔机数据的在 线发布。其中，通过s q ls e n ，e r 完成了塔机数据库的设计，通过a d o n e t 技术完成了 塔机数据的连接工作，通过c s s ( c a s c a d i n gs t y l es h e e t ) 样式、母板页及导航功能完成 了网站的页面设计。并对用户登录、数据管理、塔机管理、用户管理做出了详细的设计。 最后，指出了系统的不足和有待改进的地方，并对系统的发展进行了展望。 关键词：塔式起重机，g p r s ，安全监控，w e b 开发 a b s t r a c t t h er e m o t ed a t at r a n s m i s s l o no ft o w e r c r a n ea n d t h em a n a g e m e n to f d a t a a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ep o p u l a t i o nd e n s i t y ，h i g h r i s eb u i l d i n g sb e c o m em o r ea n dm o r e p o p u l a r t h e np e o p l eu s et o w e rc r a n em o r em a nb e f o r e a n dt 1 1 e r e a r em o r ea c c i d e n t s h 印p e n e d s oa i le f l f e c t i v es y s t e mo fs a f e t ym o n i t o r i n gs h o u l db ed e s i g n e da ss o o na sp o s s i b l e 1 1 1 i sp a p e ra sp a r to ft h ep r q e c to ft 0 、e rc r a n es a f e t ym o n i t o r i n g ，r e s e a r c h e st 、v op a r t so fi t ： r e m o t ed a t at r a j l s m i s s i o na i l dt h em a n a g e m e n to ft h ed a t a t h er e s e a r c ha 1 1 dt h ed e s i g no ft h e s y s t e ma r e a sf o l l o w s ： 1 1 1 i sp 印e r g i v e sas o l u t i o no fd a t at r a n s m i s s i o nu s i n gg p r st h a ts u i t a b l ef o rt o w e rc r a n e a r l di tu s e si n t e m e tc o m m u l l i c a t i o nt e c h n o l o g y ，d a t a b a s et e c l u l o l o g y ，w e bd e v e l o p m e n t t e c h n o l o g yt or e a l i z e 锄e 伍c i e m ，s a f e 仃a n s m i s s i o na i l dr e a s o n a b l e ，e f f e c t i v e ，c o n v e n i e n t m a n a g e m e n t f i r s t ，i tg i v e st h ep r i n c i p l ea i l dc h a r a c t e r i s t i c so fg p r st r a n s m i s s i o n ，a n dd e v e l o p st h r e e t y p e so fn e t w o r km o d e s e c o n d ，i td e v e l o p sr e a s o n a b l es o 矗船a n dh a r d w a r ed e s i g na c c o r d i n gt ot h ed e m a n do f t h et r a n s m i s s i o nt e r m i n a l i nt h eh a r d w a r ep a r t ，i tg i v e sc o m 删c a t i o nc i r c u i t ，s i mc a r d c i r c u i t ，c o n v e r s i o nc i r c u i t ，p o w e rc i r c u i t ，c r y s t a lc i r c u i ta i l ds c a n l l i n gc i r c u i t i nt h es o 小v a r e p a r t ，i tu s e sg p r sm o d u l ei n i t i a l i z a t i o n ，d i a l u p ，e s t a b l i s hp p pl i n k ，s o c k e tc o m m u n i c a t i o n t 0 c o m p l e t et h et r a n s m i s s i o no f t l l et o w e rc r a n ed a _ t a t h i r d ，i tu s e s n e tt e c l l i l o l o g yt od e v e l o pt h ew e b s i t ed e s i g n ，i no r d e rt or e l e a s et h e i n f o n i l a t i o nt h et o 、e rc r a n e a n dt h ed a _ t a b a s ei sd e s i g n e db ys q ls e r v e r ，d a t al i m ( i s d e s i g n e db ya d o n e t ，p a g ed e s i g ni sd e v e l o p e db yc s s ，m a s t e rp a g ea i l dn a v i g a t i o n a l s o ， i tg i v e sd e t a i l e dd e s i g nf o rl o g i n ，d a t am a n a g e m e n t ，t o 、rc r a n em a n a g e m e n ta i l du s e r m a n a g e m e n t f o u r m ，t h ed i s a d v a n t a g e s 锄de x t e n s i o n so ft h es y s t e ma r ep r e s e n t e d i i k e yw o r d s ： t o w e rc r a n e ，g p r s ，s a f e t ym o i l i t o r i n g ，w e bd e v e l o p m e n t 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景与意义 第1 章绪论 塔式起重机( 简称塔机) 是工业和民用建筑施工中的重要设备，具有工作效率高， 使用范围广，操作容易，安装拆卸简便等特点。近年来，建筑业的迅速发展，为塔式 起重机的发展创造了前所未有的发展机会，但同时也提出了挑战，塔机安全事故随着 起重机数量的猛增而频繁发生。为此，各类实时监控系统也随之产生【1 1 。 数据通讯是塔机实时监控系统不可缺少的重要组成部分。为减少塔机事故、提高 塔机安全性能和作业效率，防止和及时处理塔机故障，塔机实时监控系统必须有一个 可靠的通信系统。目前大多数安全监控系统是在传统的有线通信网络基础上搭建的。 有线通信需要通过传输介质才能进行数据的传输，因此会增加许多额外的工作。如线 路的规划、通信接口的预留、通信路线的检测等，而且它们还存在许多缺点，如浪费 借口、检修困难、扩展困难、需对建筑进行破坏等【2 】。而且，塔机的工作环境是布线 较为困难的建筑工地，这也为有线通信传输带来了很大的难度。此外，由于现代化的 发展，城市中的高层建筑越来越密集，塔机安全监控不仅需要对自身的故障做出监测， 还要对障碍物规避等情况做出报警提示。这就使得塔机安全监控需要具有更为良好的 通信方式。采取传统的有线方式，以明显无法达到要求。而无线传输方式具有安装方 便、维护简单、性价比高等一系列优点。非常适合用于替换传统的数据传输。同时， 随着经济的发展，多塔机联合工作的场合越来越多，将多塔机通过网络联系起来，通 过网络将塔机数据送入监控中心，可以对塔机的历史数据进行统一管理，并且可以保 证数据的安全性。 人们希望在地面远程( 通过建立监控中心) 能够对塔机的运行状况进行监视，并 对塔机运行过程中的重要参数记录，一方面可以让工程监管人员了解塔机远行状况， 促进提高操作人员的安全意识，同时，监控中心记录的信息可作为塔机事故发生后， 事故责任的认定依据。并且安全评价人员希望提前知道塔机的安全运行状态，监控中 心数据处理后的评价的结果可以为安全评价人员提供一个参考依据。 本课题通过运用g p r s 无线传输技术和w 曲开发技术对塔机安全监控系统中的通 信部分及塔机数据的在线发布和管理进行了完善。具有明显的意义：首先，它为塔机 第l 章绪论 的安全监控系统提供了一种更为合理的通信模式。使得施工现场与监控中心的通信更 为高效、经济。使得塔机能够实现远程管理和在线发布信息。虽然系统的初期建设需 要一定资金的投入，但是与有线传输系统相比，它有效地节省了布线、维护等一系列 额外的费用。在经济层面上具有重大意义。此外，从技术层面出发，本课题结合了无 线通信技术、n e t 开发技术、数据库技术实现对一定范围内的塔机群进行安全监控。 不仅可以使监控人员很好的掌握塔机状态，还可通过监控中心记录的数据对已发生的 塔机事故进行全面的分析。对事故的预防具有重大意义。 1 2 国内外研究现状及发展 1 2 1 国际研究现状 在国外，主要有p o t a i n 、l i e b h e r r 、k o n i g 、w o l f f 、p e k 坦e t t 等几十家 塔式起重机制造商，其产品已经占据国际起重机市场的大部分份额，也代表了生产塔机 的最先进技术。这些厂家会根据自己的起重机，研制出配套的安全监控装置。他们的产 品，基本上反映了国外安全监控装置的发展历程、现状和趋势。 德国的l i e b h e i 冰起重机，采用激光装置查找起吊物的重心位置，依靠超声波传 感器引导取物装置抓取货物。大车和小车运行采用编码轨系统测定路径，起升高度采用 恒定张紧的测量索和角度发生器测定。起重机采用磁场变换器或激光达到高精度定位。 其t r 系列下回转快装塔机，采用遥控装置立塔。司机室和操作系统的设计遵循人机工 程学，追求人的舒适性，使操作者无单调感、疲劳感；综合液晶数字显示装置和电子监 控系统，不仅可以显示塔机工作过程各种参数的数字量，还可显示各参数变化的图形， 使操作者准确判断塔机的工作状态、及时掌握塔机的工作区域限制情况( 例如与高压线、 与周围障碍物的距离) 。起升机构有多速起升机构和变频无级调速起升机构两种形式， 通常由带涡流制动器的绕线电机( 或专用变频电机) 、联轴节、电磁离合器、液压制动器、 行星减速机、利巴斯( l e b u s ) 绳槽卷筒组成。其电磁离合器部分与国内现有的电磁离合器 不同，引用了汽车传动系统中驾驶员操纵离合器的相应原理，因而在电控系统、涡流和 电磁离合器的联合作用下实现了速度的平稳过渡，采用l i e b h e r r 专利技术l i r t i l o i c ， 操作者只需按一个按钮，就可以在相同工作状态下以较低的起升速度提升1 1 0 一1 2 0 的额定载荷【3 l 。 英国的起重机上安装了近场感应系统，可避免起重机之间的互相碰撞。采用无线遥 2 浙江工业大学硕士学位论文 控时载重称量也能在远控发射机上显示。起重机上还装有微机自诊断监控系统，该系统 能提供大部分常规维护检查内容，如钢丝绳状况，减速器油温油位，车轮轴承温度，起 重机载荷、应力和振动情况，制动器摩擦衬片的寿命及温度状况等【4 j 。 法国的p o t a i n 在其m d 系列塔机中，装设了微机辅助保养系统以及微机辅助驾驶 系统。能够记录5 3 种参数，对2 0 种故障与易损件磨耗程度和使用寿命直接相关的信息 进行储存处理。还可对有关电源供电条件、制动器和其他部件的技术状况相关的2 3 项 信息进行处理，如检测参数超出极限值，系统会向驾驶员发出灯光警示信号，并在荧屏 上显示应及时检修的项目或部位1 5 j 。 随着安全监视系统技术水平、可靠性日臻成熟，其对于遏制重大事故，减少一般事 故的关键性作用，欧洲、美国等发达国家己颁布相关技术法规，在塔机生产和施工环节 强制安装塔机安全监测系统，并且已实现大面积普及。 1 2 2 国内研究现状 与国外先进塔机相比，我国建筑安全方面研究投入严重不足，建筑安全生产监督管 理的手段落后，安全生产的技术含量低，施工现场安全防护技术陈旧等仍然是制约我国 建筑安全生产水平提高的重要因素，与发达国家相比，我国建筑安全防护技术，防护用 具和机械设备相当落后，标准化、定型化、工业化程度仍很低。8 0 年代初，一些塔机生 产厂家、科研院所和大专院校投入到塔机机械和电子力矩限位器产品的研究，在一定程 度上提高了塔机工作的安全系剡6 。 2 0 0 0 年1 2 通过建设部验收的“九五科技攻关专题“大型塔机安全监测保护系统 的研究 实现了对塔机起吊力矩、起重量、小车幅度，吊钩高度等参数进行实时测量。 该系统具有系统故障自诊功能。系统通电后对各传感器、触摸屏电路及连线进行自检。 若力矩等各路信号电压不在正常范围内，p l c ( 可编程控制技术) 将输出声光报警，触 摸屏中文信息条将提示司机对应信号回路有故障需要检修，防止因回路故障造成系统过 载而不能继电报警保护。该系统的缺点是成本较高，无远程监测功能，参数检测不完全 且精度较低和系统结构复杂，不易于施工实施，在施工现场的广泛应用比较困难。 济南微控科技发展有限公司生产的t s c m s 系列塔式起重机监测管理系统，通过对 塔机工作载荷、位移信号的采集和额定工作参数的录入，利用液晶显示屏实时向操作者 显示塔机的当前工作参数及与额定参数的对比状况，有效避免盲目操作，预防事故发生； 实时记录并储存每一工作循环的工况参数，为设备管理提供可靠数据；为安全生产监督 3 第l 章绪论 提供管理数据。 深圳市测力佳控制技术有限公司h d c 系列力矩限制器，仿照日本石川岛建机株式 会社的技术，能够显示臂杆长度、角度、工作半径、实重、限重、吊高等信息，并通过 声光报警，超负荷时自动停止危险动作。工作地区温差可达8 0 ，但技术上缺少创新， 而且实践证明，质量不稳定，返修效率高【7 1 。 大连工程机械研究所的a ml u 1 型力矩限制器，采用p hi l l i p s 起重机安全智 能监控系统公司的高性能八位单片机8 0 c 5 5 2 作为主机，该单片机与i n t e l 公司的 m c s 5 1 系列单片机完全兼容，但功能更强，带有八路十位a d ，w d t 监视定时器， 并具有六个八位i o 口；采用通用可编程单片机外围接口p s d 3 1 1 ，提高了系统集成 度；设置了自检程序帮助操作员及时发现故障；自检对象包括存储器、各检测信号通 道、显示器及报警指示灯等。 1 3 本文研究的内容 第一章绪论。主要介绍了本课题的研究背景和现状，并阐述了对于数据传输模块 和后期处理模块的改进所具有的重要意义。 第二章给出了系统中几个关键的部分的方案选择，并就所选方法和技术进行了详 细的介绍。 第三章进行了系统的总体设计。包含系统目标的设计，指出了系统需解决的问题 和实现的功能。给出了系统的总体设计方案、硬件总体方案和软件总体方案。 第四章进行了g p r s 无线传输模块的软硬件设计。硬件部分包含了主芯片的选择 及各个模块电路的设计，如m c 5 5 通信电路、s i m 卡电路、电平转换电路等。软件设 计部分包含g p r s 模块的初始化、终端拨号上网、p p p 链路建立及最终的数据传输设 计。 第五章数据管理部分的设计。主要通过架设塔机监控中心网站的方式，在线发布 塔机监控数据。主要工作包含：系统概要设计、数据访问方式设计、网站页面设计及 各模块的详细设计。 第六章对全文的工作进行了总结，并提出系统功能进一步完善和改进所需要做的 一些工作。 4 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章系统关键技术介绍与方案选择 2 1 数据通讯方式 2 1 1 通讯方式选择 国内外监控系统产品以及目前正在研究的各种工业监控系统中采用的通信方式， 一般可分为有线通讯方式，电台方式，g s m ( g l o b a ls y s t e mo fm o b i l ec o m m u i l i c a t i o n ) 短消息通信方式，g p r s 通信方式。 有线通讯方式有线通讯方式是指通过架设光缆、铺设电缆、租用专用电话线或 公众电话网进行监控终端与监控中心间的数据传输的方式。目前有线通讯方式主 要应用在楼宇火灾自动报警监控联网系统和一些工业现场小范围的监控系统中。 电台方式采用电台传输方式是指监测系统通过调制解调器把采集到的数字信息 转换成音频信号，通过特定频率的电台发射出去，接收端解调恢复原来的信号的 方式。电台传输方式是传统上无线监控系统应用最广泛的的通讯方式。 g s m 短消息通讯方式g s m 短消息通讯方式是指充分利用移动公网资源，通过 g s m 通信模块发送和接收有限长度的文本信息，实现对远程设备的监控的通信方 式。相对集群通讯方式而言，它可以大大节约建设投资，降低维护成本。目前， 短消息通讯方式主要应用在一些数据量传输不是很大，实时性要求不是很高的场 合。如定时远程监控远程报警系统、定位服务、办公自动化等方面。 g p r s 的通讯方式g p r s 的通讯方式是指监控系统通过g p r s 网络完成远程数据 传输和远程终端监控的通讯方式。g p r s 突破了g s m 只能提供电路交换的思维定 式，只须通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组 交换。相比以上各种通信方式，g p r s 的数据传输速度相对较高，所以当前对g p r s 在无线监控方面的开发，可谓如火如茶。 由于g p r s 具有实时在线、按量计费、快捷登录、告诉传输、接入范围广等优点， 所以它特别适合应用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适合于偶尔 的大数据量传输。而本系统中的塔机监控数据正是具有以上特点的数据，因此本系统 选用g p r s 作为数据传输的方式。 第2 章系统关键技术介绍与方案选择 2 1 2g p r s 通讯技术 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e i c e ) 是通用分组无线业务的简称，是在现在的第二代 移动通信g s m 系统的基础上发展起来的一种基于分组交换传输数据的高效率方式，提供 广域、无缝、直接的i n t e m e t 无线i p 连接【8 】。每个用户可以同时占有多个无线信道，大大 提高信息传输速率；采用“统计复用”的方式，多个用户可以动态共享一个信道，大大 提高了带宽资源的利用率，能够确保分组模式数据应用的成本效益和网络资源的有效利 用。g p r s 在一个发送实体和另一个或多个发送实体之间提供数据传输，这些实体可以 是连接到一个g p r s 网络或一个外部数据网的终端设备。以g p r s 为基础的无线数据应用 为实现远距离的数据传输和实时监测提供了一种新的技术手段。g p r s 系统可以看作是 在原有的g s m 电路交换系统的基础上进行的业务扩充，以支持移动用户利用分组数据移 动终端接入i n t e m e t 或其它分组数据网络的需求，是从2 g 向未来3 g 过渡的必经之路，与 联通公司的c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术同为2 5 g 技术。其系统结构如 下图2 1 所示。主要由移动台、基站子系统、网络子系统三部分组成。增加的主要部件 有：p c u ( 分组控制单元) 、s g s n ( 服务g p r s 支持节点) 、g g s n ( 网关g p r s 支持节点) 【9 - 1 1 1 。 b t s ：基站收发信机m s c ：移动交换中心 b s c ：基站控器v l r ：访问位置寄存器 s g s n ：业务支持节点h l r ：本地位置寄存器 g g s n ：网关支持节点 图2 1g p r s 网络结构 1 l i i i i l i 一 来自移动基站的语音业务采用电路交换业务通道，通过移动交换中心( m s c ) 连接到 语音网络上。而分组数据业务则经由基站和p c u 发送到s g s n ( g p r s 服务支持节点) ， 6 浙江工业大学硕士学位论文 s g s n 与g g s n ( g p r s 网关支持节点) 进行通信，g g s n 对分组数据进行相应的处理，再发 送到目的网络，如因特网或x 2 5 网络。另一方面，标识有来自移动基站的语音业务采用 电路交换业务通道，通过移动交换中心( m s c ) 连接到语音网络上。而分组数据业务则经 由基站和p c u 发送到s g s n ( g p r s 服务支持节点) ，s g s n 与g g s n ( g p r s 网关支持节点) 进行通信，g g s n 对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如因特网或x 2 5 网 络。另一方面，标识有移动台地址的i p 包，由g g s n 接收，再转发到s g s n ，继而传送到 移动台上。p c u 是在基站子系统中增加的主要部件，是为g p r s 数据业务的传输而增添 的，用于分组数据的信道管理和信道接入控制。s g s n 、g g s n 是在网络子系统中增加的 主要部件。在激活g p r s 业务时，s g s n 建立起一个移动性管理环境，包含关于这个移动 终端( m s ) 的移动性和安全性方面的信息，s g s n 的主要作用就是记录移动终端当前的位 置信息，并且在m s 和s g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。g g s n 通过配置一个 地址被分组数据网接入。它存储属于这个节点的g p r s 业务用户的路由信息，并根据该 信息将分组数据利用隧道技术发送到移动台当前的业务接入点，即s g s n 。g g s n 可以经 g c 接口从h l r 查询该移动用户当前的地址信息。g g s n 主要是起网关作用，又被称作 g p r s 路由器。g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转换，从而可以把这 些分组数据包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络。s g s n 和g g s n 利用g p r s 隧道协议( g t p ) 对i p 或x 2 5 分组进行封装，实现数据传输【1 2 舶】。 2 2 通讯协议 2 2 1 通信协议的选择 在监控系统中，无线传输终端和服务器需要大量且频繁地交换数据，这些数据是 实时测量值和控制参数。对于数据通信方式的选择，主要从安全性和实时性的角度考 虑。 一种方法是服务器端程序把数据写入到本地硬盘上，终端通过程序读取这些数据。 但是这种方式传输速度慢，需占用磁盘空间，无法满足控制的实时性要求。而且可靠 性和稳定性不高。 另外一种方法是采用直接通信的方式，即利用通信协议来实现客户端与服务器端 的计算机直接在内存中交换数据信息的方法，而过期的数据可以从内存中直接释放掉， 7 第2 章系统关键技术介绍与方案选择 所以实时性比较好。因此本系统中采用这种方式进行数据通信。 由于采用直接通信的方式，因此需找出一种合适的通信协议。通过研究发现 t c p i p 具有可靠性、抗毁性和开放性的特点，而且t c p 通过面向连接的、端到端的 可靠数据报发送来保证可靠性。并且t c p 的可靠机制允许设备处理丢失、延时、重复 及读错的包。超时机制允许设备监测丢失包并请求重发。所以本网络监控程序数据传 输采用面向连接的t c p i p 协议。在很大程度上保证了数据传输的可靠性。 2 2 2t c p i p 模型结构 t c p i p ( t r a l l s m i s s i o nc o n n 0 lp r o t o c o l i n t e m a lp r o t o c 0 1 ) 传输控制协议网际协议 是按照o s i 七层协议参考模型制定的，为了简化实现工艺，将t c p i p 协议简化成o s i 中对应的4 层，分别对应0 s i 协议的网络接口层、网络层、传输层、应用层【15 1 。如图 2 2 所示。 应用层 传输层 网络层 网络接口层 i g p r s 无线模块 i i n t e r n e t 远程监控中心 i t c p 彤d p 一一一一一一一叶一一一一 t c p ，u d p i p一一一一一一一j 一一一一i p l p p p p p p g p r s +p p p g p r s+g p r s + 网关协议 e t h e r n e t+ l 图2 2 系统协议层次模型图 t c p 为保证数据的正确，每发出一个包都要求接收方收到后发回一个确认包。同 时，发送端也要对接收到的包就行确认。由于数据包的包头本身就包含确认信息，所 以可以在发送数据包的同时确认已经收到对方的包就可以了。通常t c p 不是立即对所 接收到的信息进行确认，而是考虑采用将确认信息与其同向发送的数据包携带的方式。 它通过一定的延迟来实现这个目的。即如果在延迟时间内有信息发送到对方，则将确 认信息携带过去，否则在延迟到期时再回送确认信息。采用这种机制时，每次确认将 可能包含多个数据包的确认信息【1 6 】。 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 组网方式规划 g p r s 无线数据传输系统以中国移动g s m g p r s 网络为通信平台，采用g p r s 、 s m s 等承载方式【17 1 ，通过无线数据传输终端设备( g p r sd t u ) ，提供透明数据传输 通道，满足塔机数据传输需求。 系统组网单元包含： 数据终端设备( d t u ) 提供用于连接采集模块的r s 2 3 2 4 8 5 串行接口。 g p r s 1 x 网络 中国移动公司的无线公用数据传输网络，为设备提供透明的数据传输通道。 监控中心 命令接收发起，接收并处理数据终端的数据。 g p r sd t u 与数据采集模块问的组网比较简单，可直接通过r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口 连接。而g p r sd t u 与监控中心之间的组网相对较复杂。有多种方案可供选择。以下 根据塔机监控系统的实际需求，提出3 种方案。 1 ) i n t e m e t 接入方式 监控中心利用企业原本拥有的固定i p 连入i n t e m e t 。【1 5 】各个监控点通过d t u 直接 向监控中心发送连接请求。采取这种方案需要向互联网运营商提出公网固定i p 的申 请。实时性和稳定性相对较好。但费用较高。具体的方案图如图2 3 所示。 2 ) 动态i p + d n s 解析 对于没有固定i p 的应用系统，组网方式同“固定i p 接入”。解决问题的关键在监 控中心端。 在使用动态d n s 方式时，首先有几件事项要先准备。 第一是域名申请，要进行三级域名或二级域名的申请。 第二是必须在网络管理中心进行动态d n s 服务的指定。 当以上两项工作完成后，就可以从网络管理中心获得一个客户端软件，用于进行 动态i p 和域名的维护工作。监控中心的计算机开始进入工作状态时，就能获取动态i p ， 然后通过客户端软件和d n s 服务器进行域名的解析，从而实现网络连接【1 引。具体实 现方案如图2 4 所示。 9 第2 章系统关键技术介绍j 方案选择 。j l 。一 ￥ ； ： 堵机 i 量监拄_ n _ _ ”_ 。一 ，塔机 土监控点1 威、 图2 3 监控中心经由i n t e m e t 接入无线网 图2 4 监控中心通过动态i p 和d n s 解析联网 3 ) 中心采用专线接入 这种组网方式中，监控中心利用移动公司的a p n 专线连接到g p r s 网络。监控点 和监控中心采用私有的i p 地址进行连接。并利用防火墙过滤i p 地址和端口【1 9 】。确保 连接的安全性。这种方案在实时性、安全型和稳定性方面都很好，适用于安全性要求 较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。具体方案图如图2 5 所示： l o 叁叁 叁叁 浙江工业大学硕士学位论文 图2 5 a p n 专线接入方式 以上所述三种组网方式，各有优缺点，如专线接入方式的实时性能和安全性能相 较于i n t e m e t 接入方式而言，有一定的优势，但对于带宽要求较高的项目，就应当选 择i i l t e m e t 接入方式，而动态i p 方式在通信速度上比另两种方式低，但其通信费用相 对降低。所以从实时性，经济性安全性等多个角度综合考虑，最终决定本系统采用 i m e m e t 接入的方式。 2 4 网站开发技术 在塔机监控中心，服务器不断的接收到大量的塔机相关数据。如果没有一种合理 的管理方法，塔机数据不仅会占用大量的存储空间，更会影响到系统中其它功能的实 行，最终导致安全监控无法有效的实行。产生严重的后果。因此需要设计一种合适的 管理方法进行塔机数据的管理和安全信息的反馈。 2 4 1 开发技术的选择 可用于网站服务器端开发的技术主要有c g i 、a s p 、a sp n e t 、j s p 等。 c g i 全称为c o m m o ng a t e w a yi n t e 慨e( 公共网关接口c g i ) ，它是一种编程标 准，它规定了w 曲服务器调用其它可执行程序( c g i 程序) 的接口协议标准。c g i 程 式通过读取使用者的输入请求从而产生h t m l 网页。c g i 程序通常用于查询、搜索、 或其他的一些交互式的应用。目前，c g i 技术最为成熟，历史最为悠久，也得到了广 蝥 第2 章系统关键技术介绍与方案选择 泛应用( 尤其在u n i x 平台上) 。但c g i 程序的开发难度较大。 a s p 全称为a c t i v es e rv e rp a g e s ( 动态服务器主页) ，它一种应用程序环境，可以 利用v b s c r i p t 或j a v a s c r i p t 语言来设计，主要用于网络数据库的查询与管理。其工 作原理是当浏览者发出浏览请求的时候，服务器会自动将a s p 的程序码，解释为标 准h t m l 格式的网页内容，再送到浏览者浏览器上显示出来。利用a s p 生成的网 页，与h t m l 相比具有更大的灵活性。只要结构合理，一个a s p 页面就可以取代成 千上万个网页。虽然a s p 具有直观、简单易学等优点，但相对与一些新的技术，它在 工作效率方面存在一定的劣势。 j s p ( j a v as e r v e rp a g e s ) 与a s p 非常相似。不同之处在于a s p 的编程语言是 v b s c r i p t 之类的脚本语言，而js p 使用的是j a v a 。此外，a s p 与j sp 还有一个 更为本质的区别：两种语言引擎用完全不同的方式处理页面中嵌入的程序代码。在 a s p 下，v b s c r i p t 代码被a s p 引擎解释执行；在j s p 下，代码被编译成s e r v l e t 并 由j a v a 虚拟机执行。j s p 具有良好的健壮性、移植性。但由于j s p 是一项较新的技 术，国内采用的较少。 a sp n e t 是一个统一的w e b 开发模型，它包括了用尽可能少的代码生成企业级 w e b 应用程序所必需的各种服务。a sp n e t 作为n e tf r a m e w o r k 的一部分提供。 当编写a s p n e t 应用程序的代码时，可以访问n e t f r 锄e w o r k 中的类。也可以使用 与公共语言运行库( c l r ) 兼容的任何语言来编写应用程序的代码，这些语言包括 m i c r o s o rv i s u a lb a s i c 、c 拌、j s c r i p t n e t 和j f 。使用这些语言，可以开发利用公共语 言运行库、类型安全、继承等方面的优点的a s p n e t 应用程序。它是a s p 在n e t 框架下进行w e b 开发的继任者。a sp n e t 与j s p 一样，也是编译执行。 由于a sp n e t 开发方式具有程序结构清晰、开发简单、移植方便等其他开发方式 所无法比拟的优点，可大大提高网站的开发效率。因此监控中心网站采用a s p n e t 方 式进行开发。 2 4 2 n e t 开发平台介绍 微软的n e t 平台核心是一系列新的集合，称为n e tf r 锄e w o r k 。这个框架集提供 了一个即可快速开发基于w i n d o w s 的程序，也可快速开发w 曲应用程序的平台。 n e tf r 锄e w o r k 具有连个主要组成部分，即公共语言运行库( c l r ) 和n e t 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 f r 锄e w o r k 类库( 也叫框架类库f c l ) 。公共语言运行库提供了很多服务，用来简化代 码的开发和应用程序的部署( d e p l o y m e n t ) ，同时在可靠性和安全性方面也提供了大量 的服务。n e tf r 锄e w o r k 类库中包含了很多的基础类库，基于，n e t 的任何编程语言 都可以利用这些基础类库。并实现代码重用。 c l r 是为n e tf r 锄e w o r k 所编写的代码执行环境。c l r 管理着n e t 代码的执行， 包括内存的分配和垃圾的回收( 避免内存泄露问题) 、安全性( 包括对不同来源的代码 应用不同的信任度) 、线程管理、强类型和其他一些任务。只要是n e t 支持的语言， c l r 都能运行，所以不需要为每种语言搭配一种单独的运行库。每种n e t 语言被各 自的编译器编译成中间语言( i l ) 。在运行时，中间语言被c l r 实时编译( j i t ) 成本 机的机器语言( c l r 运行的机器) 。这种灵活的编译方法使我们可以在使用不同语言 写代码时仍然保持本机执行的速度。 n e t f r 锄e w o r k 类库是一系列可重用的面向对象的类，提供基本平台的功能，从 存取数据库的类a d o n e t ，到文件系统模块的类( 包括文件、目录和流等类) ，再到 允许我们方便的实现d n s 解析。开发者可以直接使用这些基类或者继承这些类来实现 定制的功能。n e tf r a m e w o r k 类库当然也封装了所有a s p n e t 类。这包括了所有的 a s p n e t 内部对象的功能，除此之外还提供了更多的功能，像提供了丰富的缓存输出 和数据引擎，还有a sp n e t 服务器组件模型。这些功能模块使a sp n e t 很容易做到 以控件为基础开发。图2 6 给出了n e t 开发平台的框架。可以更直观的看出c l r 、n e t f r a m e w o r k 与系统及应用程序之间的关系。公共语言运行库与n e tf r a m e 、r k 类库， 对于a sp n e t 程序起到基础支撑作用，负责底层与系统之间的连接【2 0 抛】。 固 i a d o n e t l 图2 6 n e t 开发框架 第2 章系统关键技术介绍与方案选择 2 5 本章小结 本章就通讯方式、通讯协议、组网方式、网站开发技术给出了多种方案，根据系 统的特点和各项技术的优势进行了合理的选择并对所选的方法和技术进行了介绍和说 明。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 3 1 系统设计目标 第3 章系统总体设计 本文所要实现的目标是完成塔机安全监控系统中数据通信模块的设计及后期数据 管理系统的研究。利用g p r s 无线通信技术实现一定区域内多台塔机数据的高效、有 序的传输。利用w 曲开发技术建立塔机监控中心网站实现塔机数据的有效管理。需解 决的主要问题有： 系统实现方案设计。包括总体设计方案、硬件总体设计和软件总体设计。 g p r s 无线传输终端硬件电路的设计。完成主控芯片的选型，传输主电路的设 计及其他周边电路如s i m 卡电路、电源电路等的设计。 g p r s 无线传输终端软件的设计。实现终端的上网、数据传输等功能。 塔机监控中心网站的架设。包含塔机数据库的设计，数据库服务器中数据接 收功能的实现，数据库与w 曲服务器之间数据连接功能的实现及网站主要页 面的设计。 系统实现的功能主要包括： 终端自动上网功能：完成参数的设置后，无线终端可实现自动拨号上网功能。 与塔机监控中心进行数据传输。 塔机信息显示功能：在塔机监控中心网站在线显示各区域塔机的最新信息。 包含塔机采集信息、故障信息、历史信息等。 报警功能：当塔机发生故障或超负荷运作时，系统可自动或手动发出报警信 号，及时制止事故的发生。当负载接近临界值时，发出预报警信号。 数据存储功能：塔机历史数据自动存储。可实现下载、打印功能。 3 2 总体设计方案 本文所设计的数据传输模块和后期数据管理模块是基于无线通讯的塔机安全监控 系统的两个组成部分，整个监控系统包含三个部分，另一组成部分为塔机实时数据采 集模块。塔机安全监控系统的整体结构如图3 1 所示。 第3 章系统总体设计 图3 1 塔式起重机实时监控系统 实时数据采集模块通过各类传感元件实时监测塔式起重机运行过程中起重力矩、 起重量、变幅幅度、回转角度、起升高度、风速等参数。然后通过串口将采集到的数 据传送到无线传输模块。无线传输模块通过拨号连接到网络中，并通过互联网将数据 传输至远端的塔机监控中心。在监控中心，从数据的安全性和可靠性出发，分别设置 了数据库服务器和w 曲服务器。当有塔机数据传送到监控中心时，首先通过数据库服 务器中的应用软件进行数据的接收并保存至数据库管理系统。然后在在w 曲服务器中 建立监控中心网站，通过数据绑定的方式调用数据库中的塔机数据。当w 曲服务器接 收到来自于系统用户的请求时，服务器将绑定了塔机数据的页面发送至用户计算机。 这样，监控人员、管理人员和工程人员就可以随时随地查看塔机状态，管理塔机的相 关数据。不仅能有效的防止塔机事故的发生，还能通过对历史数据的分析研究做好塔 机事故的回溯。并且为工程人员进行设计、制造工作提供完备的数据基础。 3 3 硬件总体设计 g p r s 数据终端通过串行口与数据采集模块进行通信，获得塔机的相关数据后， 就立即将数据打成i p 包，然后通过g p r s 空中接口接入g p r s 网络，最终通过各种网 关和路由到达塔机数据管理中心。数据终端硬件结构采用模块化设计方法。包含中央 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 处理模块、串行接口模块、通信模块、电源模块和s i m 卡模块。硬件结构如图3 2 所 不。 图3 2 硬件结构图 其中中央处理模块不对t c p i p 协议进行处理，而只是负责参数的设置、网络连接 设置、系统上电、缓存处理等事务的管理。而塔机数据的打包处理等则是由通信模块 来完成的。通过各个模块的协调合作，完成塔机数据高效、安全的传输。 3 4 软件总体设计 系统软件部分包含通信终端软件和监控中心软件。在g p r s 无线终端，首先采用 a t 指令对终端进行初始化，然后设置自动拨号，成功连接到网络中后进行三次协商， 最后采用t c p 协议进行塔机数据的传输。而在塔机监控中心，首先应在数据库服务器 中进行塔机数据的接收，并自动存储到系统数据库中。然后在w r e b 服务器中进行数据 库访问的程序设计，将数据库中存储的塔机数据连接到用户浏