（测试计量技术及仪器专业论文）基于gsm的发电机氢气参数无线监测系统.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 摘要 为了提高发电效率，发电机系统多采用氢气作为冷却剂。氢气虽然是一种优 质的导热性冷却介质，但又是一种易燃易爆气体，综合监控发电机系统运行过程 中的氢气冷却剂的各项参数是保证电力安全、高效输出的必要条件。g s m 通讯 是近年提出的可应用于发电机氢气参数监测的新方式，具有数传电台通讯方式的 优点，又无申请频点和发射功率的限制，且无需组网，降低费用。因此采用g s m 方式对发电机自动化中量大面广的氢气参数进行监控，对电力部门来说是一种经 济可靠的选择。 本课题所研发的发电机氢气参数现场实时监测系统，综合应用现代计算机技 术和数字无线移动通讯技术，以原有的下位机分立检测仪表为基础，利用g s m 网络进行数据传送，自行定制了上下位机之间的通讯协议，能实时对发电机现场 的氢气参数实现遥测、遥控、运行故障的监视报警等功能。 本论文结合g s m 网络在s m s 通讯方式的实现机理和实现过程，重点介绍了 监测中心和监测站点的硬件部分设计及注意事项，系统的阐述了如何利用d e l p h i 语言和c 4 3 0 语言实现整个系统的收发短信息及判断、分类等工作流程。 关键词：g s m 终端单片机短信息a t 指令 m a s t e ro e g r e e bd i s s e r t a t i o no f z z u a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt oe n h a n c et h ee l e c t r i c i t yg e n e r a t i o ne f f i c i e n c y , t h eg e n e r a t o rs y s t e m u s e st h eh y d r o g e nt ot a k et h ec o o l i n ga g e n t t h o u g ht h eh y d r o g e ni so n el ( i n do f h i g h q u a l i t yt h e r m a lc o n d u c t i v i t yc o o l i n gm e d i u m ，i ti so n ek i n do ff l a m m a b l ee x p l o s i v e g a s ，s y n t h e s i z ee a c hp a r a m e t e ro fh y d r o g e nc o o l i n ga g e n ti nt h ep r o c e s s i n go f g e n e r a t o rm o n i t o r i n gs y s t e mi st h ee s s e n t i a lc o n d i t i o no f t h eg u a r a n t e et ot h es e c u r i t y a n dt h e h i g h l y e f f e c t i v e o u t p u t o ft h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e m t h eg s m c o m m u n i c a t i o n , p r o p o s e dr e c e n ty e a r s ，i st h en e ww a y m a ya p p l yt ot h eg e n e r a t o r h y d r o g e np a r a m e t e rm o n i t o r i th a s t h em e r i to ft h en u m b e rt o p a s so nt h e b r o a d c a s t i n gs t a t i o nc o m m u n i c a t i o nw a y , d o e sn o th a v et h el i m i to ff r e q u e n c y a p p l i c a t i o na n dt h ee m i s s i v ep o w e r , a n da l s od o e sn o tn e e dt ob u i l dn e t w o r k ，r e d u c e s t h ee x p e n s e t h e r e f o r es e l e c t st h eg s mt om o n i t o rt h eb i g - q u a n t i t ya n db r o a d - s u r f a c e h y d r o g e np a r a m e t e ro ft h eg e n e r a t o ra u t o m a t i o n ，i t so n ee c o n o m i c a lr e l i a b l ec h o i c e t ot h ee l e c t r i cp o w e rd e p a r t m e n t t h eg e n e r a t o rh y d r o g e np a r a m e t e rs c 沱n er e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h i s t h e s i sr e s e a r c h e d ，s y n t h e s i z e st h ea p p l i c a t i o no fm o d e mc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h e d i 西t a lw i r e l e s sm i g r a t i o nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , b a s e do nt h em e a s u r i n g a p p l i a n c eo fl o w e rp o s i t i o nm a c h i n e ，u s i n gt h eg s mn e t w o r kt oc a r r yo nt h ed a t a t r a n s f e r , c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e f i n e db e t w e e nu p - c o m p u t e ra n dd o w n - c o m p u t e r , c a n r e a l t i m et or e a l i z et h eh y d r o g e np a r a m e t e ro fg e n e r a t o rs c e n e st e l e m e t e r , r e m o t e c o n t r o l ，m o v e m e n tb r e a k d o w nw a r n i n ga n ds oo n t h i sp a p e ru n i f i e st h eg s mn e t w o r ki nt h es m sc o m m u n i c a t i o nw a yr e a l i z a t i o n m e c h a n i s ma n dt h er e a l i z a t i o np r o c e s s ，p u te m p h a s i so nt h ei n t r o d u c i n go ft h e h a r d w a r ep a r t ya n dt h em a t t e r sn e e d i n ga t t e n t i o no ft h em o n i t o r - c e n t e ra n dt h e m o n i t o r - s t a n d ，a n dh o w t ou s et h ed e l p h il a n g u a g ea n dc 4 3 0l a n g u a g et or e a l i z et h e o v e r a l ls y s t e m sr e c e i v i n ga n dd i s p a t c h i n gs h o r ti n f o r m a t i o na n dj u d g i n g , c l a s s i f y i n g a n ds o o n k e yw o r d ：g s mt e n u i n a l ；s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r , s m s ；a tc o m m a n d 郑州大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 1 1 氢冷发电机系统简介 电力是现代化经济发展的动力源泉。随着现代科技突飞猛进的发展，对电 力的需求越来越大，这就对发电系统能量的输出要求越来越高了，并以此为基础 才能保持电厂的高效状态下运行。发电机容量的增大，应该主要是依靠它的线负 荷的增加。当定子尺寸受到限制时，只有增加电流密度，绕组的电流密度增大， 则它上面的散热量也越大，因此改善发电机的冷却，才能增加功率的可能。所以 为了保持发电机最大的输出效率必须使用优质的冷却剂，以冷却绕组和定子以及 转子的其它部件。 冷却剂有空气、水、氢气、油、氟利昂等，其中氢气应用最广，是因为氢气 具有导热性好( 导热系数是空气的8 4 倍) ，比重小，扩散快等优点，用氢气冷 却的效果好，容易输送并可循环使用。氢气的缺点是渗透性强，容易从设备中泄 漏出来。由于氢气与氧气混合后的爆炸范围广，氧气含氢5 - 9 5 、空气中含氢 4 1 一7 4 2 均有爆炸危险，因此应特别注意防火防爆【l 】。 氢气是一种无色、无味的气体，在标准状况下的密度是o 0 8 9 8 7 9 l ，仅是空 气的2 2 9 ，是世界上最轻的物质。氢气的分子运动速率最快，从而有最大的扩散 速度和导热性，纯氢气的表面散热系统是空气的1 5 1 倍，导热系数为空气的6 6 9 倍。因此，在大型发电机组中普遍采用氢气制冷，一方面因为它与其它冷却剂相 比粘度最低，能降低转子的阻力，使发电机通风损耗可以减少6 9 5 ，转子表面 的摩擦损失只有空气冷却介质的1 1 0 ；另一方面因为它是一种优异的热传导介 质，同等情况下，使用氢气冷却发电机的效率可提高o 7 o 9 【l 】。氢气冷却 剂中含0 2 量很少，低于2 时，不助燃， 会有着火的危险。在发电机运行过程中， 即使发电机内部发生断路故障时，也不 能够保持氢气的纯度接近1 0 0 是对冷 却优化的要求，这会最大限度地提高发电机的效率，但是当氢气纯度过高( 高于 9 8 ) ，则对氢气的消耗量比较大，从经济的角度来讲是不合理的；而纯度过低 ( 低于9 5 ) ，发电机的效率会降低，同时机内的含氧量相应增加，容易和相关 气体形成爆炸性混合气体，不安全。所以发电机内氢气纯度保持在9 6 - 一9 8 为 郑州大学硕士学位论文第一章引言 最佳工况，综合性能和经济分析，氢内冷仍是最有前途的一种冷却方式，所以解 决发电机内部氢气参数问题尤为重要。 氢冷机组的运行一般分为三个阶段：启动、正常运行和关机，必须防止潜在 危险的发生。随着氢气纯度的降低，发电机效率也会降低，这主要是因为高粘度 和低热导。另一个问题是氢气中水汽的冷凝，湿气能够通过各种方式进入发电机， 引起发电机工作元件的腐蚀，导致停机。 在氢冷机组的启动阶段，发电机的充氢过程一般是通过气体置换法来完成 的。空的冷却管和发电机内部会含有空气，在氢气进入之前必须排走空气，防止 空气和氢气的比例达到爆炸范围。可以利用一种惰性气体，如二氧化碳或者氮气 来置换发电机中的空气。在发电机启动时，二氧化碳( 或者氮气) 从发电机底部 的管路进入发电机，让空气从顶部排走。在电机顶部进行气体取样，当取样气体 中二氧化碳纯度达到9 5 时，停止充二氧化碳。接着采用氢气置换机内的二氧化 碳，氢气是从发电机的顶部加入，二氧化碳从发电机的底部排出，当机内氢气纯 度达到9 5 以上，结束充氢。 在正常运行时，氢气通过发电机的中空冷却管在发电机中循环，当氢气通过 发电机时带走热量。然后氢气进入冷却管中冷却，通常使用水冷或其它的换热器。 密封油和循环管线中的泄漏会导致氢气纯度的下降，因为空气会渗入氢气中以及 氢气会向外泄漏。由于任何泄漏都会引起电力输出的降低，所以连续分析氢气纯 度以监测氢气的损失和空气的进入是绝对必要的。 发电机经常按照计划每年检修，在停机阶段，发电机中氢气必须排出，以防 止潜在的燃烧危险。再有必须注入惰性气体以防止空气和氢气易燃混合气的存 在。二氧化碳可被用于这个过程以驱除发电机中的氢气，这样发电机才能够停机。 为了准备停机，二氧化碳从底部进入发电机，把氯气从发电机项部排出。加入大 量的二氧化碳直到氢气的浓度低于5 。这时可以打开发电机的外壳并使用风扇 驱散剩余的二氧化碳和氢气。这种驱散方法也可以防止氢气和二氧化碳的窒息效 应，此效应会对操作工人有害。 由于氢气是易燃易爆的气体，系统的安全运行不容忽视。氢气作为发电机的 一种冷却介质，气体置换过程中的氢气各参数的监测，以及运行机内的氢气压力、 温度、纯度和湿度等参数的变化将直接影响到发电机是否能正常、平稳、高效地 2 郑州大学硕士学位论文 第一章引言 运行，因此对氢气各项参数进行分析与监测成为氢冷发电机系统氢气控制系统的 重要组成部分，必须设置一套完善的监测系统，能够准确可靠的监测氢气各个参 数。 1 2 影响氢冷发电机系统运行的参数 发电机系统一般由制氢站和发电机组两大部分组成。氢冷发电机系统制氢 站的设置主要是由于氢冷机组对氢气冷却剂的用量非常大，并且对氢气的参数指 标( 如纯度和湿度等) 要求严格，大量的采购和运输氢气不切合实际，因此，相 应地设置制氢站，电解制氢并存储于专用的贮氢罐中。整个系统的运行流程从总 体上可以分为三部分：制氢站的电解水制氢过程，氢气的存储和运输过程，以及 发电机组在氢气作为冷却剂的环境下运行过程。为了保证发电机系统的安全、高 效地运行，必须对其中存在的多个待测氢气参数指标进行实时监测。制氢站和发 电机组的运行流程和待测氢气参数的工位分布图分别如图i 和图2 所示。 图1 制氢站参数工位分布图 3 郑州大学硕士学位论文 第一章引言 汽辅 i i 1 0 0 0 弼安全区域 图2 发电机参数工位分布图 电力行业标准d l t 6 5 1 - - 1 9 9 8 氢冷发电机氢气湿度技术要求 3 1 ( - f 称新 标准) 于1 9 9 8 年3 月颁布实施，对发电机及制氢站所供新鲜氢气的湿度等控制 指标、监测方式、测试仪器及测试方法等都做了规定。新标准的制定广泛参 考了国际发达国家的情况，湿度采用露点温度表示法代替传统的绝对湿度表示 法。按照新标准采用露点温度表示湿度，这也是规范各类湿度测试仪表减少 差错和换算工作的先决条件。新标准规定，发电机氢气湿度在机内压力下应 低于露点温度0 c ，并且不应低于露点温度2 5 ( 下限) f 4 l ，规定下限是为了防止 湿度过低造成绝缘部件开裂。这也是与过去的标准不同之处。 氢冷发电机系统的监控对象主要是系统冷却剂氢气品质和系统安全，主要包 括氢气中氧气含量、氧气中氢气含量、氢气的纯度、氢气的湿度、氢压和漏氢含 量等( 其中多包含多点测量) 。待监控参数的具体的分类、分布以及参数正常运 行要求范围如下： 制氢站： ( 1 ) 、氧侧：氧中氢的含量标准在0 - 2 。 ( 2 ) 、氢侧：氢中氧的含量标准在0 - , - 1 。 ( 3 ) 、氢气的纯度：标准在9 9 0 o - - 1 0 0 。 ( 4 ) 、氢气的湿度：露点温度标准在一2 5 5 0 0 c 。 ( 5 ) 、氢气的检漏：氢气含量0 - 2 。 发电机组： 4 郑州大学硕士学位论文第一章引言 ( 1 ) 、氢气的纯度9 6 , - - 9 8 ( 保证安全、提高发电机效率要求) 。 ( 2 ) 、氢气的湿度2 5 5 ( 防止发电机定子绕组的绝缘强度降低的基本 要求) 。 ( 3 ) 、氢气检漏0 - - 2 ( 防止氢气泄漏，发生爆炸以及提高进入发电机组的 氢气的纯度的基本要求) 。 氢中氧含量和氧中氢含量主要是保证制氢站的氢气品质和安全的两个参数 指标。制氢站在电解制氢的过程中，所产生的副产品为0 2 气，若分离不彻底致 使氢气含氧量升高，如果氢气和氧气的含量比例在爆炸范围内，有可能引起爆炸 事故，给生产和人身安全带来威胁。所以在制氢站方面，无论是氢气中氧气含量 或者是氧气中氢气含量都是必要待测的指标。 氢气的纯度和湿度是氢气品质的两个重要的指标。首先，制氢站电解分离出 来的氢气的湿度和纯度必须符合一定的指标，才能进行存储，以备发电机组使用。 氢气的湿度的分析对氢冷发电机也非常重要。氢气湿度过高对发电机组的影响主 要表现在三个方面：一方面氢气湿度过高，氢气中有水分易形成凝露，降低了发 电机定予、转子绕组的绝缘水平，促使定予绝缘薄弱处发生相间短路事故。另一 方面降低转子绝缘水平，严重的匝间短路可导致轴振和机组磁化。第三方面，湿 度过高会使发电机转子护环产生应力腐蚀裂纹。另外，氢气湿度过低又可对机内 某些部件产生有害影响，例如定子端部垫块的收缩和支撑环的裂纹。总之，在对 氢气湿度的标定采用的是露点。因此，对氢冷发电机组生产过程中氢气纯度、湿 度的快速监测分析对提高生产效率、保证生产安全将很重要。 氢气泄漏量的监测主要是保证发电机系统运行的安全性能。一旦在氢气存储 和运输过程中或者在发电机在运行过程中发生氢气泄漏，比较严重的情况会导致 氢气含量和空气中氧气的含量达到其混合比例的爆炸范围内，其起爆的能量仅需 几个焦耳，相当危险。另外发电机组在运行过程中若出现氢气泄漏，将会导致氢 气冷却剂的纯度和湿度参数不合格的问题，为提高发电机氢气纯度和降低其湿 度，在运行中不得不频繁地进行大量“补排氢”的置换操作。这样做不但使大量 氢气白白丢失，而且氢气的纯度仍不能得到长期的保证，同时给制氢站带来极大 的压力。 郑州大学硕士学位论文第一章引言 1 3 氢冷发电机当前的监测系统的现状及特点 多年来，国内对氢冷发电机系统的氢气参数的监测通常采用人工取样，然后 采用若干固定的分析方法对样气的各项指标进行分析，例如传统方式下对氢气湿 度的检测主要采用干湿球法进行各项分析，主要控制的指标是氢气的相对湿度 值。这些方法存在的主要问题有1 5 1 ： 1 利用取样气体进行各项指标的分析时，分析和监测的指标单一。一般对取样 气体分析时，主要针对气体中氢气的纯度和湿度指标，而无法检测当前发电 机中氢气冷却剂压力、温度等指标。而这些指标与氢冷发电机系统的运行是 否处于最佳状态密切相关。 2 此种分析方法只片面的反映了氢气循环系统的运行情况，不能准确全面的反 映出当前氢气状况。一方面由于取样样本的不全面，在氢气循环系统中，各 处的氢气温度的不均衡，也会导致氢气的相对湿度等指标的不均衡。另外， 样品气体进行指标分析时，计算采用的是标准大气压力，这与实际发电机内 氢气压力值有一定的差值。所以测量指标根本无法反映发电机内氢参数的真 实值。 3 采用手工取样、人工分析的方法，一方面受环境及其它因素的影响，测量准 确度和精度较低，导致测量值与系统的真实值误差较大；另一方面需要大量 的人力资源来维护系统的监测，工作强度大，自动化进程比较慢。 4 气体取样存在安全问题，在取样时，通常将取样门开启排气4 5 m i n 后方可 取样，目的是使氢气管路内各处死角得以冲洗，保证取样时具有稳定的流速 和压力。但现场对于防火要求较为严格，每日数分钟的氢气排量本身就是一个 潜在事故隐患。因此，改变监测方式也是保证火电厂安全运行的重要措施之 一。 上述事实说明，由于受到取样方式、试验方法精度低、环境温度、压力无法 模拟系统真实状况等等条件限制，因此，离线分析手段已大大落后了。为了加强 对机组发电机氢气参数的监测及考核，就必须开展对发电机氢气的在线监测，以 反映出发电机氢气的真实状况，防止氢气湿度超标对发电机造成的严重危害。 近年来，随着检测仪表行业的发展，在线检测仪表和便携仪表逐渐的代替人 工取样、人工分析的传统方法，在电厂各参数的检测中得到了广泛地应用。但是 6 郑州大学硕士学位论文 第一章引言 在采用分立仪表对系统参数检测中，仍然是人工抄表，人工数据分析，并利用其 结果对系统进行控制。这种检测分析控制方法，速度慢，人为因素大，精度低， 存在严重的人为误差，实时性得不到保证以及人工采集数据重复劳动量大等缺 点，已不适应电力系统的飞速发展对气体参数实时监测分析的需要。 国外对发电机系统参数的监测的实时化和网络化作了深入的研究，其参数监 控系统的集成度、实时性和自动化程度都比较高。并且国外的自动监测系统对气 体成分进行监测可达到精度要求，稳定性强，其参数值也能够比较精确地逼近发 电机机系统内部运行参数的真实值。但是一方面由于国外的监控系统的整体设计 价格昂贵，另外一方面由于受到运行环境条件、安装应用环境和技术水平的限制， 使得国外技术在价格和售后的技术服务等方面存在不足。并且由于参数方面的不 同，有时国外技术的引进需要对原有的电力系统进行较大的调整，所以不适宜在 国内现有发电厂进行安装和推广使用。 1 4 实时监测系统设计构想 近年来，随着传感技术、光纤技术、计算机技术等的发展和应用，为在线监 测揭开了新的一篇。为了促进国内电力系统氢冷发电机氢气参数实时监测的自动 化程度，并尽可能的节省现有的人力和物力的投入，达到实时的自动监测，并且 进行必要的安全性能分析，保证系统工作在安全、高效的状态下。另外，电力系 统常规的预防性试验是在停电的状态下进行的，在线监测的发展可以认为有可能 逐步取代常规的停电预防性试验拍】。 首先要实现监测站点工作现场的无人监测。仪表数据从现场取样后直接传入 智能通信模块中进行处理。由于无论制氢站还是发电机组的运行参数都比较多， 监控仪表的输出有模拟量和数字量不等，而在软件上系统需要采用统一的协议模 式进行数据传输，在硬件上需要具有多功能的通信模块，可以同时采集数字和模 拟量，并按照选取的协议所要求的格式与上位机进行通信。为了使系统具有通用 性和兼容性，本系统设计了可以同时采集数字量和模拟量的智能通信模块。然后 要实现监测中心的无人控制。为方便查询和传输报警参数等信息，并实现其实时 性和远距离传输，系统加入了基于g s m 网络的无线通信部分，设计有无线通信 接口模块，采用手机短信的方式传输报警等重要的信息直接到监测中心，同时为 7 郑州大学硕士学位论文第一章引言 了方便查询和控制，利用d e l p h i 语言设计了可方便人机对话的监控中心操作界 面，并且利用数据库技术建立了合适的数据模型，实现信息的存储、查询、管理 等，并可实现历史数据曲线显示方便及时地发现问题并解决问题。为了提高系统 的安全性，在收发信息时设计7 一个接受、发送协议，即只接收符合协议的信息。 系统简图如图1 3 所示： 图1 3 系统简图 s 郑州大学硕士学位论文第二章g s m 系统简介 第二章g s m 系统简介 2 1g s m 的发展背景及应用现状 现代世界是一个高度自动化的世界，各式各样的设备都可以和计算机作联 机，而最简单的自动化联机方式就是使用串行接口通信乃。由于硬件上操作简单， 功能上易于扩展，这几年来，它不仅没被取代，反而成为计算机与调制解调器或 其它媒体相连的管道，使计算机可以与更外围的设备沟通，从而造就高速的信息 流时代。过去，要实现对远端设备的监控和操作一般利用有线的方式，比如电话。 这种方法往往成本较高而且并不方便。现在，随着第二代移动通信向第三代的迅 速过渡，以g s m 网为平台的各种业务的不断拓展，利用无线上网，无线传输图 像，无线传输数据和话音业务等，都得到越来越广泛的应用。尤其是刚开通不久 的短消息业务，一问世就因其低廉的价格。可靠的传输性能得到广大用户的青睐。 因此，将计算机串口通信同短消息业务相结合，利用g s m 公用网进行远端监控 已成为数据通信业务的一个新的热点。 为了实现远程监控，从机与监控中心之间的通信联系是必不可少的。但由于 远程监控系统的特殊性，无线通信是最佳的通信方式。从系统对频率资源的利用 及系统组网方式的角度来讲，监控系统所用的通信方式有以下几种：固定频率通 信方式、集群移动通信方式和蜂窝移动通信方式。其中前两种分别采用单一频率 和共用频率进行通信，实践证明，均有一定的缺陷，而蜂窝移动通信方式的核心 概念就是频率复用，即多个用户共用一组频率，同时，多组用户在不同的地方仍 可以使用该组频率进行通信，从而大大提高了频率的利用率。蜂窝移动通信己经 从第一代f d m a 方式的模拟体制经过第二代t d m a 方式发展到第三代c d m a 方式的数字体制。目前c d m a 通信网还处在发展阶段，用户也非常有限，因此 组建远程监控系统使用最广泛的是以t d m a 方式为核心的g s m 蜂窝网。g s m 蜂窝网系统集中了现代信源编码技术，信道编码、交织、均衡技术、数字调制技 术、话音编码技术以及慢跳频技术，同时在系统中引入了大量的计算机控制管理。 g s m 系统提供多种电信服务，包括话音、电文、图像、传真、计算机文件、短 消息等，它具有高频谱效率、安全性、稳定性好，以及集成度高，容量大( g s m 9 郑州丈学硕士学位论文 第二章g s m 系统简介 用户量比模拟蜂窝系统用户量多1 0 倍以上) ，开放性的接口，抗噪声性能强，覆 盖范围广等特点。鉴于g s m 蜂窝网的上述优点，以及短消息服务的经济实惠， 故非常适于远程监控系统的数据传输。 近年来基于公共网络的通讯手段在工业远程监控中得到初步应用，这些远程 通讯手段包括公共电话网、i n t e m e t 网络等。这些远程通讯方法具有投资少、免 维护、成本低、可靠性高等特点，在一些对操作和监控的实时性要求不高的情况 下具有很高的性价比。但在一些场合下，如无人值守变电站、热电厂的小区热表、 农网中的一些运动开关等，应用上述的有线通信方式是很不经济的。随着手机应 用资费的不断下调及其通信网络的不断完善，应用手机短消息( s m s ) 来进行远程 监控具有很广阔的应用前景1 8 1 0 2 2g s m 系统概述 g s m ( g i o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 全球移动通信系统最初为一 个欧洲的移动通信标准。是第一个数字移动通信系统，能够在欧洲范围内进行国 际漫游。现在已经不仅局限于欧洲范围内，世界上许多国家也采用g s m 系统， 迄今为止已经成为商业化运营最为成功的移动通信系统。我国采用e t a c s 体制 9 0 0 m h z 频段作为我国蜂窝移动通信系统的标准。1 9 9 2 年g s m 系统由我国联通首 先引入广州，经过1 年左右的发展g s m 网络已经覆盖了全国大多数的城市和乡 镇其用户数量也在迅速与日俱增。 在g s m 系统的发展中，陆续发展出几个系列通信系统。最初的g s m 系统被 称为p g s m 系统( p g s m 系统的上行频带分配为8 9 0 m h z - 9 1 5 m h z ：下行频带为 9 3 5 m h z 9 6 0 m h z ) ，在此基础上通过频带的加宽又发展成为e g s m 系统( e g s m 系统的上行频带分配为8 8 0 m h z - 9 1 5 m h z ；下行频带为9 2 5 m h z - 9 6 0 m h z ) ，它的 工作频带比p g s m 的工作频带向下拓展了 o m h z 。只能在p g s m e g s m 系统工作 的手机称为单频手机( 例如m o t o r o l as t a r3 2 8 ；k r u n c h 3 3 8 ) - 对于一个移动通信 系统来说，在同一个小区范围内的用户数量可能很多，而用于通信的频率资源是 有限的，有时可能无法同时满足众多用户使用，为此通过改变g s m 的工作频率 建立t d c s ( d i g i t a lc o m m u n i - c a f i o ns y s t e m ) 系统。d c s 的上行频率为 1 7 1 0 m h z 1 7 8 5 m h z ，下行频率为1 8 0 5 m h z 1 8 8 0 m h z ，这样使手机在g s m 系统 1 0 郑州大学硕士学位论文第二章g s m 系统简介 和d c s 系统通信成为可能，及双频手机( 例如：m o t o r o l ac d 9 2 8 v9 8 8 等) 。在北美 一些国家还采用- j p c s 系统( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，它的上行频带为 1 8 5 0 n h z - 1 9 1 0 m h z ，下行频带为1 9 3 0 m h z 1 9 9 0 m h z ，这就是通常所说的三频， 即能够在g s m d c s p c s _ 三系统通信的手机叫三频手机( 如：m o t o r o l a l 2 0 0 0 l f 2 0 0 0 ：注：d c s 和p c s 在同一地区只能有一个存在1 。所有的g s m 系列的移 动通信系统只是工作频率和手机的发射功率有所不同，射频调制、解调方式则完 全相同。为此，g s m 系统己经发展成为一个庞大的通信系统家族，而我国目前 采用的仅仅是p g s m 系统和d c s 系统，但大多数城市只仅仅采用了p g s m 系统， 目前只有北京、上海、广州、天津等少数城市采用了双频系统【”。 图2 2g s m 网络的系统组成 如图2 1 所示：g s m d c s p s c 系统的主要组成基本相同，都是由m s ，b s s ， m s c 三部分组成。 2 2 1 移动台m s m o b i l es t a t i o n - - 移动台( 手机) ：手机是移动通信系统服务用户的终端设备，用户通 过手机进行通信并将用户语音、数据信号转换为能够传播的射频信号，同时进行 反方向传输。 2 2 2 移动交换中心m s c m o b i l es w i t c h i n gc e n t e 广移动交换中心：主要功能是负责整个移动通信系统 数据语音传输交换、网络管理、通信系统的连接、手机用户的身份确认与位置更 郑州大学硕士学位论文第二章g s m 系统简介 新、通信信道的选择等功能，以及系统提供的其他功能( 如：短信息等) 也需要m s c 来完成。 2 2 3 基站系统b s s b a s es t a t i o ns y s t e m - - 基站系统：b s s 的主要功能是负责将m s c 与m s 连接起 来，基站必须具备与m s c 的固定有线( 或无线) 连接方式，同时还要具备与m s 的 无线连接方式。每个基站覆盖一个蜂窝小区，小区中的手机都可以与基站通信。 基站对手机的通信的状态参数( 包括频率、功率、时序等) 进行控制和管理，当手 机移动到另一个基站小区时，将在基站的控制下进行越区切换。 2 3 g s m 短信业务 g s m 短信业务以数字蜂窝终端发送或接收字母数字消息的能力为基础，与 普通的寻呼业务不同的是，g s m 短消息的传递是有保证的。即使一个目的蜂窝 终端不可达( 比如关机或者不在服务区内) ，网络也会保留发送给它的消息并当蜂 窝终端又出现在网络中后传递。短消息分为两类小区广播消息( c b s ) 和点到 点短消息( s m s ) 。在点到点短消息服务中，消息可以从一个移动台、从一个p c 到 一个移动台，或者相反。这些消息由短消息中，l , ( s m s c ) 来保存，并在可以传递 时转发消息。每个g s m 网络必须支持一个或多个s m s c 对消息进行分类和确定路 由。g s m 系统支持用户点对点的短消息( s m s p p ) 和小区广播型短消息( s m s c b ) 两种业务。s m s 网络结构的主要部分见图2 2 。在确定一个移动台总结短消息的 路由时，s m s c 把短消息发送到短消息业务网关移动交换中心 ( s m s g m s c ) s m s - - g m s c 向目的移动台的归属位置寄存器( h l r ) 询问路由信 息并把信息发送到合适的移动交换中，l 、( m s c ) ，由该m s c 把消息发给目的移动 台。相反，当确定一个移动台发起的短小路由时，移动台根据全球称i 胃( g l o b a l t i t l e ) 寻址到需要的s m s c o 如果是在外漫游，被访问的移动网把短消息路由到合适 的短消息业务，互联移动交换中一l , ( s m s i w m s c ) 。 s m s c 用加时间戳的方法来唯一地标识每个短消息。短消息到达s m s c 的时 间精确到秒，s m s c 必须确保给在同一秒内到达的两个或更多短消息赋予不同的 时间戳。 郑州大学硕士学位论文 第二章g s m 系统简介 2 4 g s m 通讯模块 图2 2s m s 网络结构 目前，g s m 通讯模块有多家公司生产和提供，如s i e m e n s 公司的t c 3 5 及t c 3 5 t 模块，w a v e c o n 公司的w a v e c o m g s m 调制解调器，以及上海贝尔公司的s b t 6 2 0 1 c m p t 模块等。g s m 引擎模块提供的命令接口符合g s m 0 7 0 5 和g s m 0 7 0 7 规范。 g s m 0 7 0 7 中定义的a tc o m m a n d 接口，提供了一种移动平台与数据终端设备之 问的通用接口；g s m 0 7 0 5 对短消息作了详细的规定，在短消息模块收到网络发 来的短消息时，能够通过串口发送指示消息，数据终端设备可以向g s m 模块发送 各种命令“”。 2 4 1t c 3 5 模块 在本课题研究的发电机氢气参数监测系统中，监测站点采用了s i e m e n s 公 司的t c 3 5 模块。t c 3 5 是s i e m e n s 公司新一代无线通信g s m 模块，他设计小 巧、功耗很低，其主要由g s m 基带处理器、g s m 无线模块、电源模块( a s i c ) 、 闪存、z i f 连接器、天线接1 = 1 6 部分组成【i l 】。西门子公司的t c 3 5 是一款双频 9 0 0 1 8 0 0 i v i h z 高度集成的g s m 模块。在g s m 网络日臻完善的今天，它易于集成， 使用方便。在远程监控和无线公话以及无线p o s 终端等领域应用很广。 在监测中心使用了l t 8 0 1 0 - g s m 短信王，作为一个终端产品它内置了t c 3 5 无线模块，集成了标准的r s 2 3 2 接口以及s i v l 卡，可以在p c 机上用a t 命令通 过串口对它进行设置。这使它成为在声音和数据通讯上通用的一个g s m 双频终 端产品，具有可传送话音、传真及数据，以及根据应用移植升级到g p r s 是该模 块的几大特点因此其在远程通讯，现场监控等诸多无线通讯领域应用非常广泛。 郑州大学硕士学位论文 第二章g s m 系统简介 2 4 2 t c 3 5 的a t 指令操作 监测站点g s m 装置采用s i m e n s 公司生产的t c 3 5 ，它与单片机之间通过标 准r s 2 3 2 串行口连接，通讯协议是a t ( a t e n t i o n ) 指令集。a t 指令集应属于m o d e m 自身通信的一套规则和标准。h a y e s 公司的s m a r tm o d e m 系列产品已经成为 m o d e m 事实上的标准。而几乎所有应用于计算机通信的m o d e m 均号称与 h a y e ss m a r tm o d e m 兼容。所i 胃h a y e s 兼容m o d e m ，主要是指它能识别并执行称 为a t 命令的某些命令和命令串。目前各种m o d e m 除了可执行最基本的h a y e s 命 令集外，还有自己特有的命令。在h a y e s 公司建立a t 命令之前，d t e ( d i g i t a l t e r m i n a le q u i p m e n t ) 与m o d e m 之间是通过硬件电路来实现直接控制的。a t 命令 的建立使得d t e 解脱出来，振铃检测、载波检测、速率选择等等都可以由m o d e m 来完成，此时d ( t 和k x d 不仅仅传输数据，还传送a t 命令。d t e 发送a t 命令到 m o d e m 。m o d e m 执行后通过r x d 返回结果给d t e 。而我们这里的g s m 模块就 极类似一个无线的m o d e m t 旺】。 a t 命令集中几乎所有的指令都以a t 开始，以回车结尾。每个命令执行与成 功与否都有相应的返回( 返回结果码的类型，格式等可设置) 。其他一些非预期的 信息( 如有人拨号进来，线路无信号等) ，模块将有对应的些信息提示，接收端 可以做相应的处理。a t 指令集主要有常用命令，呼叫控制命令、网络服务命令、 安全命令、电话簿命令、短消息命令、数据和传真命令等。该g s m 远程无线监 控系统常用到的一些a t 命令主要见表2 1 t 捧1 4 1 。 g s m a t 指令功能 a t + c m g c s e n da ns m sc o m m a n d ( 发出一条短消息命令) a t + c m g dd e l e t es m sm e s s a g e ( 删除s i m 卡内存的短消息) a t 坨m g fs e l e c ts m s m e s s a g ef o r m a t ( 选择短消息信息格式： 1 - - - p d u ；2 - - - 3 毪1 s ：) a t 坨m g l “s ts m sm e s s a g ef r o mp r e f e r r e ds t o r e 列出s m s 卡中的短消息： o h r e cu n r e a d ”未读 l 一“r e cr e a d ”已读 2 - 一“s t ou n s e n t 待发 3 一“s t o s e n t 已发 4 一一“a l l ，全部的 1 4 郑州大学硕士学位论文第二章g s m 系统简介 a t + c m g rr e a ds m sm e s s a g e ( 读短消息) a t + c m g ss e n ds m sm e s s a g e ( 发送短消息) a t + c m g w w r i t e s m s m e s s a g e t o m e m o r y ( 向s i m 内存中写入待发的 短消息) a t 化m s ss e n ds m sm e s s a g ef r o ms t o r a g e ( 从s i m i 勾存中发送短消 息) a t + c n m in e ws m sm e s s a g ei n d i c a t i o n s ( 显示新收到的短消息) a t + c p m sp r e f e r r e ds m sm e s s a g es t o r a g e ( 选择短消息内存) a t + c s c as m ss e r v i c e c e n t e ra d d r e s s ( 短消息中心地址) 表2 1 常见a t 命令 因为a t 指令是作为一个接口标准，所以它的命令和返回的值和格式都是固 定的，总体上说a t 指令有四种形式： 1 无参数命令。它是一种单纯的命令，格式是a t 【+ f & 】 ，如开机、 显示当前设置列表等：a t + o n ，a t & v ” 2 查询命令。它用来查询该命令当前设置的值，格式是 a t + l & ? 如：a t + c s c a ? 3 帮助命令。它是用来列出该命令的可能参数，格式是 a 可+ j & 】 = ? ，如：a t + c m g l = ? 4 带参数命令。它是应用最广的一种格式，它为命令提供了强大的灵活性， 格式是 a tf + l & = ， , 作为返回值，其情况就比较 多样，但是返回值还是遵循一个大的框架格式： 【：er r o r 信, g 州7 】 2 4 3 控制s m s 的实现途径及示例 九十年代初，a t 指令仅被用于m o d e m 操作。由于没有控制移动电话文本消 息的先例，因此开发了一种叫s m sb l o c km o d e 的协议，通过终端设备f i e ) 或电 脑来完全控制s m s 。几年后，主要的移动电话生产厂商诺基亚、爱立信、摩托罗 拉和h p 共同为g s m 研制了一整套a t 指令，其中包含对s m s 的控制。a t 指令在 郑州大学硕士学位论文第二章g s m 系统简介 此基础上演化并被加入g s m0 7 0 5 标准，以及之后的g s m0 7 0 7 标准。对s m s 的 控制共有三种实现途径： 最初的b l o c km o d e ； 基于a t 指令的p d um o d e ； 基于a t 指令的t e x tm o d e ； 系统开发的关键和主要难点是短消息和接口开发。短消息的开发主要包括短 消息的用户数据区编码和解码、通信模式设定和联机测试、短消息的收发、收发 数据的关键命令字的模式匹配等。接口开发主要利用a t 指令集。 b l o c k 模式是二进制流命令格式，具有很强的检错、纠错能力，主要用在 通信链路不可靠的环境中，需要模块生产厂家提供驱动支持。t e x t 模式是基于字 符的，更具体地说是基