（测试计量技术及仪器专业论文）基于sms的城市供水调度遥测系统的设计.pdf

昆叫蠼工大学1 ：| 亘| 士学位论文摘要 摘要 供水管网是供水系统的蓬要组成部分，它担负着把承安全可靠的配送铡用户，并满 足水量、水压、水艨的要求。城市供水管网的优化运乎亍取决于城市供水调艨监测系统的 运用，即对供水各环节监测点的数精采集。因此，对于供水管网参数遥测系统的研究具 商一定豹现实意义熬实爱价疆。 针对我豳中小城市供水状况以及城市供水调度系统中，各管网监测点分布范围广、 数爨多、鼯蓠运、不集中戆特点，缝合公共无线通信接拳浆应躅彝发震形势，本文提出 一种基于g s m 短信业务的逡程无线数据采集方案，即利用短消息进行数据传送来实现管 两参数静遥测。系统最大的优点就怒低成本，具体体现在一次侄投资建设箴本低，设备 成本低，系统运行成本低，系统维护费用低等几个方面。 谍题在分析了蘩于g s m 的短消息传输原理的基础上，黧点解决城市供水调度运营系 统中数据无线运传豹超题。最终实现监测数握的鸯淤采集、传送，为供承调度弱饯他运 行提供可靠的依据。具体来说，本文的工作主要集中在以下几个方面： l 、整测中心主壤与短傣模块懿遴售。簸溺中心遽过短穆模头实凌与下位槛懿逶信， 从而实现监测数据的接收与监测命令的发送。 2 、单片梳控制短信模块收发短消息。将现场采集静数攒传送戮上位褫的短信禳块， 并接收上位机发送的监测命令。 3 、现场数据采集系统。糟单片机系统实现管网压力、流量的数据采集，并按一定格 式存入数据存靖区，供传送数据时敬爝。 4 、监测软件的设计。通过简单艇观的人机界面盟示来及映系统的工艺流程，便于工 终人昃进弦各莘孛操作。 关键词：城市供水，短涪患服务，遥测，串行通信，a ：r 指令，单片杌 昆明理r t 人学坝上学位论文 a b s a c t a b s t r a c t p i p en e t w o r ka st h ei m p o r t a n tp a r to ft h eu r b a nw a t e rs u p p l yi n d u s t r y , t a k e sc h a r g eo f d i s t r i b u t i n gw a t e rt ou s e r s ，a n de n s u r e st h ew a t e rf l o w ，p r e s s u r ea n dq u a l i t y t h eo p t i m i z a t i o n f u n c t i o no ft h ep i p en e t w o r kl i e si nt h ea p p f i c a f i o no ft h em o n i t o ra n dm e a s u r es y s t e m t h a ti s t h ed a t aa c q u i s i t i o nt ot h ee v e r ym o n i t o r p o i n t s o ，t h i sp r o b l e m i sw o r t h yw h i l er e s e a r c h i n g a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i d ed i s t r i b u t i o na r e a ，l a r g eq u a n t i t y , l o n gd i s t a n ta n d s c a t t e ri nt h eu r b a nw a t e rs u p p l yi n d u s t r y , a n dt h ea p p f i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h i sp a p e r p r e s e n t sas y s t e mo fw i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o nb a s e do n s m s t h i ss y s t e mc a nr e a l i z et h ec o u e c t i o no fp i p en e t w o r kp a r a m e t e r sa u t o m a t i c a l l y t h e m o s ti m p o r t a n ta d v a n t a g eo ft h i ss y s t e mi sl o wc o s t t h i sa d v a n t a g ee m b o d i e si ns e v e r a lp o i n t s ， l o wi n v e s t m e n t ，l o we q u i p m e n t ，l o wc o n s u m p t i o na n dl o wm a i n t e n a n c ec o s te t c t h i sp a p e rm a i n l yr e s o l v e st h ep r o b l e mo fw i r e l e s sr e m o t et r a n s m i s s i o no fd a t ab a s e do n t h ea n a l y s i so ft h et h e o r ya b o u ts h o r tm e s s a g et r a n s m i s s i o n t h er e a l i z a t i o no fd a t aa u t o m a t e d a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o nw i l lp r o v i d et h eb a s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o nf u n c t i o no fu r b a nw a t e r s u p p l yi n d u s t r y t h em a i np o i n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s 1 c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm o n i t o rc o m p u t e ra n ds m sb l o c k m o n i t o rc e n t e rr e a l i z e st h e s p o td a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o rc o m m a n d st r a n s m i s s i o nb yc o m m u n i c a t i n gw i t ht h el o w e r - c o m p u t e r 2 s i n g l e c h i pc o m p u t e rc o n t r o l st h es m sb l o c kr e c e i v eo rs e n dt h es h o r tm e s s a g e t h i s p a r ts e n d ss p o td a t at os m s b l o c ko fu p p e r - c o m p u t e r , a n dr e c e i v e st h em o n i t o rc o m m a n d s 3 d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m i tc a nr e a l i z et h ep a r a m e t e r sa c q u i s i t i o no fp i p en e t w o r k p r e s s u r ea n dt h ef l o wb ys i n g l e c h i pc o m p u t e rs y s t e m t h e nt h e s ed a t aa l es t o r e db yc e r t a i n f o r m a tf o rt r a n s m i s s i o n 4 s o f t w a r ed e s i g na b o u tm o n i t o rs y s t e m a c c o r d i n gt ot h es i m p l ea n dd i r e c t l yp e r c e i v e d t e c h n o l o g i c a lp r o c e s sp i c t u r e s ，w o r k e r sc a no p e r a t ee a s i l y k e y w o r d s ：u r b a nw a t e rs u p p l yi n d u s t r y ，s m s ，r e m o t em e a s u r e m e n t ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，a tc o m m a n d ，s i n g l e c h i pc o m p u t e r 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或我个 人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本 声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 和氘霞 日 期：2 赵年华月2 。日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：蓝! 叁 论文作者签名：隼赵餐 昆明理工火学硕士学位论文第一章绪论 1 1 谍题研究的背景“ 第一章绪论 求蹩人类生活鞠社会经济发鼹不霹缺少戆基本羧溪条 孛，城枣供求产渡与供毫、供气、 供热等产业月属城市重要城枣鼹务蛙基础设慈，怼城枣享主会露经济发展其夺先导瞧终震。 随麓国民经济的飞跃前进，我国供水事业碍到了怏速豹发疑。摆建设郏1 9 9 6 年统计年报， 在我国现有的6 6 6 个城市中，建设系统内已有水厂20 3 2 个( 全社会为40 0 0 个) ，综台 供水能力为1 06 1 7 1 0 4m 3 d ( 全社会供水能力为1 99 9 4 4 6 ) 归属位置寄存器h l r ：用于永久存储由s m s c 产生的管理用户和服务记录的重要 数据库。s m s 网关与h l r 之间的协议使前者可以要求h l r 搜索可找到的用户地址。它 与m s c 、h l r 之间的协议一起，能在移动台因超出覆盖区而丢失报文、随后又找到时， 加以提示； 访问位置寄存器v l r ：含有用户临时信息的数据库，以便交换中心服务访问用户 时使用这些信息。 2 2 3 短消息流程 1 短消息发送 移动始发的短消息从移动台接入系统开始，到收到短消息中心发来的发送成功为止。 全过程如图2 4 所示。 图2 4发送短消息流程 当某移动用户发送一条短消息时，处理该移动用户请求的移动业务中心( m s c ) 则从访 问位置寄存器( v l r ) 中获得用户的相关信息。当v l r 返回相关信息后，m s c 向交互移动 业务中一已, ( r w m s c ) 转发短消息。通过i w m s c ，把短消息送至s c 。s c 接收到短消息后， 给i w m s c 发一确认消息，随后i w m s c 向m s c 发送转发完成的确认消息，最后m s c 告知移动用户短消息已转发完成。 2 短消息接收 昆明理工人学硕士学位论文第二章基于g s m 网络的s m s 传输原理 移动终结短消息的过程与移动用户被呼叫的过程类似。短消息中心s m s c 将收到的 短消息发送至关口g m s c ，g m s c 根据所收到的短消息内容向h l r 查询，取得发送短消 息所必须的路由信息，然后将短信传送给短信接收者所在的m s c 。然后，m s c 向v l r 申请要接收短消息用户的信息，v l r 接到此消息后，则开始寻呼( 或寻找) 移动用户过程： 首先，v l r 通过m s c 在其区域内寻呼移动用户，一旦用户被找着，m s c 就收到寻呼响 应信息，并向v l r 返回寻找用户确认消息，v l r 得到此消息后，回送给m s c 申请用户 信息的确认。m s c 收到该消息后，则开始向用户转发短消息。转发完后，用户发一确认 消息至m s c 。然后，m s c 给g m s c 回一确认消息，最后g m s c 向s m s c 送确认信息， 表明短消息已成功转发。接收短消息的流程如图2 5 所示。 图2 5接收短消息流程 2 2 4s m s 的优点和局限陛 1 s m s 的优点 s m s 的优点很多，从用户角度来讲主要有以下几点： 开通方便。人们已经厌倦了开通新业务时繁琐的手续，而短信息服务不需要申请， 所有的全球通手机都支持。用户只需要按动几个键，做一些简单的设定，就可以享受这 项服务了。 收费低廉。对于消费者而言，资费始终是首要关心的问题。不管是长途还是市内， 每发送一条短消息仅0 1 元，而且接收免费。虽然话音业务的资费在不断下调，但与双 向收费都是0 4 元分钟的话音业务相比，s m s 的价格优势不言而喻。 1 4 昆明理工大学硕j ：学位论文第二章基于g s ml 叫络的s m s 传输原理 随时随地。短信息和电话不一样，打电话要求接听方同时在另一端，而短信息用 户可以随时随地发送短信，不必担心对方没有开机或是不在服务区，因此，可以随时随 地建立连接。 文字的特殊魅力。现代社会的通信发展使人们习惯于打电话，逐渐疏于传统的用 文字来交流的方式，在某些场合，文字有着语音无法替代的效果。 从技术角度来看，还有如下几个优点： 能够保障传输中的安全。如果用户使用s t k 卡，那么短信息在发送之前，可以通 过s t k 卡将信息加密后进行传输。在到达目的地后由接收者将信息解密，实现了点到点 的信息安全保障。 可以实现推( p u s h ) 和拉( p u l l ) 两种不同的工作模式。用户定制信息就是一种 p u s h 的工作方式，服务提供商将用户定制的信息直接推送给用户；而用户点播信息则是 一种p u l l 的工作方式，接受方服务提供商立即响应用户的请求。 能承载多种数据。 2 s m s 的局限性 由于s m s 属于g s m 第一阶段的标准，不可避免地存在局限性，主要包括以下几点： 消息长度有限。由于c s m 的协议规范规定，s m s 消息长度不得超过1 6 0 个字符， 如果发送的服务信息太长，则需要拆分成多个消息分段。分段的结果就使得s m s 较其它 同类服务的成本高。 接口规范混乱。很多s m s 运营商和应用开发商采用的都是专有协议，这显然不利 于短信息市场的发展，为了实现不同的s m s 中心之间的互操作，需要统一许多不同的接 口规范。 g s m 0 3 4 0 中定义的s m s 协议数据单元固定了各种首部域，效率不高，使s m s 的适应能力大打折扣。 数据传输率低，等待时间较长。因为s m s 使用的是速率较慢的信令信道，所以传 输速率低。 2 3 短消息数据传输原理及实现“9 在介绍了s m s 系统原理的基础上，下面我们将通过实例说明p d u 模式下短消息的发 送和接收。短消息的发送和接收是通过发送一系列的a t 指令来实现的，因此，我们首先 介绍与之相关的a t 指令集。 1 5 昆明理1 = 大学硕士学位论文第二章基于g s m 网络的s m s 传输原理 2 3 1 常用a t 指令介绍 g s m 0 7 0 5 规定的a t 指令集是欧洲通信技术委员会( e t s i ) 发布的。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) ，模块将有对应的一些信息提示，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。利用短信模块的串行接口收发一系列的a t 命令，就能达到控制手机模块收发短 信的目的。g s m 0 7 0 5 中用于短信收发控制的主要a t 命令见下表2 1 。 表2 1 相关的g s ma t 指令 a t 指令功能 a t + c m g c s e n d a ns m sc o m m a n d ( 发出一条短消息命令) a t + c m g s s e n ds m s m e s s a g e ( 发送短消息) a t + c m g l l i 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 删卡中的短 消息：o 一未读，1 一己读，2 一待发，3 一已发，4 一全部的短消 息) a t 卜c m g r r e a ds m sm e s s a g e ( 读短消息) a t + c m g d d 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 + c m g f s e l e c ts m sm e s s a g ef o r m ( 选择短消息信息格式：o - p d u 模式；l 一文本模式) a t + c m g w w r i t es m sm e s s a g et om e m o r y ( 向s m 内存中写入待发的 短消息) a t + c m s s s e n ds m s m e s s a g ef r o ms t o r a g e ( 从s m 内存中发送短消 息) a t + c n m i n 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 s p 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 ec e n t e ra d d r e s s ( 短消息中心地址) a t + c s c b s e l e c tc e l lb r o a d c a s tm e s s a g e s ( 选择蜂窝广播消息) a t + c s d ps e t s m st e x t m o d e p a r a m e t e r s ( 设置短消息文本模式参数) a t + c s m s s e l e c tm e s s a g es e r v i c e ( 选择短消息服务) 2 3 2p d u 模式下短消息的接收与发送 根据g s m0 7 0 5 的定义，短信模块通过异步通信接口实现对s m s 的控制共有三种接入 协议：b l o c k m o d e ，t e x t m o d e 和p d u m o d e 。b l o c k m o d e 目前已经很少用，趋于淘汰。 t e x tm o d e 是纯文本方式，可使用不同的字符集，主要用于欧美地区。从技术上来说也可 用来发送中文短消息，但国内手机基本不支持。p d um o d e 被所有手机支持，应用最为广 1 6 昆明理工大学硕士学位论文 第二章基于g s m 网络的s m s 传输艨i 理 泛，基本土全国所有的电信局郯提供支持p d um o d e 的短消息业务。为了俣诞系统具蠢广 泛的适用性，本设计中我们采用p d u 模式收发短消息。 p d u 相当予一个数据包，袭面上是串a s c i i 码，幽0 一一9 、a c f ，这些数字和字 母组成。p d u 串作为一种数据单元，不仅包含可显示的消息本身，还包含很多其它信息， 如短信服务中心号码、源目的地址、保护( 有效) 时间、数据格式、协议类型，它们都 以十六进制表示。p d u 串的结构根据短消息由移动终端发起或以移动终端为目的而不同： 溺由移动终端发起时，p d u 的格式为： 娄爨移动终端蕊嚣懿辩，p d u 熬格式蔻： 其中，s m s c 为短消息业务中心地址，d a o a 为源目的地址，p i d 为协议识别，d c s 为数据编码，u d l 为用户数据长度，u d 为用户数据，v p 为有效时间，m r 指明是发出信 息，s c t s 指明短消息到达业务中心的时间。 1 短消息接收 椴据设置不同，手机( 短信模浃) 将收到的短消息保存在缓存单元或存入s i m 卡，单 片机旗手梳( 短信模块) 中接收短消息实质上就麓觚s l m 或缓存中读出信惫。这主要稠 糟a t + c m g r 和a t + c m g 狮霹条指令来完成。 蠢予不阕静厂巍对嫦令集的解释代码耧晌癍信惑不一样，新潋善先装确认能孬与 手砉 l i ( 辍信模块) 建立怒逶信，一般弱期匿拯令完成效溃谈，然鹾黑蚺c 艇g 磁令选定 短瀵息豹数撂揍式，在收到手执鲍迮殡翻答爨l ；a 磺令完成读出功能。一般) 毛j a t + c m g r 读取以翦的信慰，农收到手机的r i n g ( 振铃) 数据对，用a t + c m g l = 0 读取实对信息。 以下是系统所用短信模块s i c m e n s 3 5 0 8 i 接收s m s 的个实例，它说明t p d u 模式的结 构和编排。s m s c 号码是+ 8 6 1 3 8 0 0 8 7 1 5 0 0 ，对方号粥是1 3 0 6 4 2 2 7 1 3 1 ，消息内容为“你好! ”。 接收到的p d u 串是： 0 8 9 1 6 8 3 1 0 8 8 0 1 7 0 5 f 0 0 4 0 d 9 1 6 8 3 1 6 0 2 4 7 2 3 1 f 1 0 0 0 8 4 0 0 1 6 0 3 2 9 2 0 5 2 3 0 6 4 f 6 0 5 9 7 d 0 0 2 1 对照规范，具体分析如下表2 2 。 昆明理工大学硕士攀位论文第= 章基予g s m 两络的s m s 抟输原理 表2 2接毂短游惠详维猎述 分段含义 说明 0 8s m s c 遮缝倍感懿长嶷8 令8 链字节( 篷牾9 1 ) 9 1s m s c 地址类型9 1 意味着国际格式号码 ( t o n n p i ) 6 8 3 1 0 8 鞠l 简5 瑚s m s e 篷娃 服务中心号码个数为奇数，替f 来凑成偶数个 0 4 基本参数s m s d e l i v e r 戆繁一令8 整 0 d 源地址数字个数发送号码的长度( 0 d h e x = 1 3 d e e ) 9 1 源地址格式( t o n n p i )潞地址为豳际格式号码 6 8 3 1 6 。2 4 7 2 3 l f l源遮疆( t p - o a )发送号褥，释f 凑藏稻数令 0 0 协议标识( t p p i d )普通g s m 类型，点到点方式 0 8 用户信息缓码方式u c s 2 编璐方式 ( t p d c s ) 4 0 0 1 6 0 0 1 9 2 0 5 2 3 时间戤( t p s a r s ) 2 0 0 4 - 1 0 - 61 0 ：2 9 ：5 0 ，2 3 为时区 0 6 霜产穰患长度( t p - u d l )实际长度6 字节 4 f 6 0 5 9 7 d 0 0 2 1 用户信息( t p - u d )“你好! ” 除了服务中心号码、发送号码和时间戳是十进制的半8 位编码外，所有的8 位都是十 六迸裂编褥。在p d u 攀兹缝熬部分惫会了一魏专六送稍鹣8 - b i t 数据，毽实辩主是7 - b i t 数据。 + 滏潮的半8 彼只需将高缓和低能交换就可褥羽实际的数值。铡翔： “6 8 3 1 6 0 2 4 7 2 3 1 f 1 ”到“8 6 1 3 0 6 4 2 2 7 1 3 1 f ”，因为电话号码为奇数，没办法组成8 位编礤， 所以使用f 来补齐。在解析时间戳的时候( “4 0 0 1 6 0 0 1 9 2 0 5 2 3 ”) ，前6 位代表日期， 嚣6 使代表时阕，最嚣嚣位悬孵区。 f d u 串的用户信息长度( 1 t - u d l ) ，在不同的编码方式下意义有所不同。7 - b i t 编码 辩，攒窳始短瀵悫懿字符个数，磊不是编羁居瓣字苓数；8 - b i t 编鹞薅，就是字繁数；u c s 2 编码时，也是字节数，等于原始短消息的字符数的两倍。 2 短清意发送 基本的发送短消息的命令怒a t + c m g s ，下砸是一个通过s i e m e n s 3 5 0 8 i 使用p d u 模 式发送短消息的例子，s m s c 号码是+ 8 6 1 3 8 0 0 8 7 1 5 0 0 ，对方号码是1 3 0 6 4 2 2 7 1 3 1 ，消息内 容为“h e l l o l ”。 a t + c m g f = 0设置p d u 模式 a t + c m g s = 2 1发送簿惠，2 l 令8 接睾( 苓惩括s m s c 逢疆及其长发) 0 8 9 1 6 8 3 1 0 8 8 0 1 7 0 5 f 0 1 1 0 ( 1 0 d 9 1 6 8 3 1 6 0 2 4 7 2 3 1 f 1 0 0 0 0 0 0 0 6 c 8 3 2 9 b f d o e o l 昆明理工大学醐士学位论文第二章基于g s m 网络的s m s 传输原理 具体分析见下袭2 3 。 表2 3 发送雉涪惠详细摇述 分段含义说明 0 8 s m s c 缝整揍患瓣长瘦s m s c 琏缝长发麓8 审8 霞字节 9 1s m s c 地址类型( t o n n p i ) 9 1 代表阑际格式号码 6 8 3 1 0 8 8 0 1 7 n 5 f os m s c 地址地址号粥为8 6 1 3 8 0 0 8 7 1 5 0 0 l l 基本参数s m s s u b m i t 髂惠酶第一个8 使 0 0 消息基准值( t p m r ) 0 o 羚嚣标熄蛙数字个数共1 3 令十透割数 9 1 目标地址格式( t o n n p i )目标她址为国际格式号码 6 8 3 1 6 0 2 4 7 2 3 1 f 1目的地址号码8 6 1 3 0 6 4 2 2 7 1 3 1 0 0 协议糠谖( t p 1i d )蒋逶g s m 类羹 0 0 用户信息编码方式7 - b i t 编粥方式 ( t p d e s ) 0 0 有效期( t p v p )5 分钟 0 6用户储息长度( t p - u d l )实际长度为6 个字节 c 8 3 2 9 b 鞘d l 疆0 l 溪户僚悫内容( t p - u d ) “王王e l l o l ” 3 7 - b i 壤l 码方式 在p d u 模式中，可以采用三种编码方式对发送的内容进行编码，分别是7 - b i t 、8 - b i t 和u c s 2 编码。7 - b i t 编码用于发送普通的a s c i i 字符，它将一串 - b i t 的字符( 最高位为 o ) 编码成8 - b i t 的数据，每8 个字符可“压缩”威弘拿；8 小n 编鹳通零用于发送数据消 息，例如图片和铃声等 而u c s 2 编码用于发送u n i c o d e 字符。在这三种编码方式下， p d u 辜熬题户售熬( 秘彤羚) 段最大骞量( 霹疆发送豹短漕怠靛最大字棼数) 分裂憝1 6 0 、 1 4 0 和7 0 。 上述足释编礤方式孛，8 - b i t 缡褥较麓擎，莰骨么箕俸豹算法，在踅不秧过多奔缓。 u s c 2 编码是将每个字符( 1 - 2 字节) 按照i s o i e c l 0 6 4 6 的规定，转变为1 6 位的u n i c o d e 宽字符。在w i n d o w s 系统中，可淤简单遗调用a p i 函数实现编码和解码，但是没有系统 支持，例如在单片机控制短信模块收发短消息中，只能粟用查表法勰决。因此，这两种 编码方式我们都不采用。 摄据该系统数据转送魏特点，鼗爨采鹅 - b i t 编码薅礤方式。下嚣以一个其棼靛铡子 说明7 b i t 编码过程( 由予解码是编码的逆过程，所以我们仅对编码过程做介绍) 。 1 9 昆明理工大学硕士学位论文第二章 基于g s m 网络的s m s 传输原理 张串 湄十六进制 涩= 进制 犏码过程 目标= 进制 + h 。 1 4 1 。一 0 x 4 80 x 6 50 x 6 c0 x 6 c0 x 叫0 x 2 1 目标十六进制 0 ，0 t 3 20 2 9 80 x f l 】0 x 衄0 2 0 1 在我们的设计中，7 _ b i t 编码是按如下程序实现的。其中，p s t r 指向源字符串，而d s t r 指向目标串，l c n 为源串长度。 u c h a rs m s 7 b i te n c o d e ( u c h a rx d a t a + p s t r , u c h a rx d a t a d s t r , u c h a rl c n ) u c h a rn p s t r ；源字符串的计数值 u c h a rn d s t r ；目标编码串的计数值 u c h a rh u m ；当前正在处理的组内字符字节的序号 u c h a rn l c f t ；上一字节残余的数据 n p s t r = 0 ；n d s t r = 0 ； 计数值初始化 将源串每8 个字节分为一组，压缩成7 个字节 w h i l e ( n p s t r l e n ) n u m = n p s t r 7 ； 取源字符串的计数值的最低3 位 i f ( h u m = = 保存组内第一个字节，不做处理 n l c f t = 4 p s t r ；) e l s e ，组内其它字节，将其右边部分与残余数据相加，得到一个目标编码字节 + d s t r = p p s t r n u m ；保存该字节剩下的左边部分 d s t r + + ；修改目标串的指针和计数值 n d s t r + + ； p s t r + + ； 修改源串的指针和计数值 n p s t r + + ； ) r e t u r nn d s t r ； 返回目标串长度 ) 2 0 昆蛹理工丈擎戳七学位论文第三章系统方案设计 第兰章系统方案设计 文章前蕊部分阐述了一些理论及原理方面的内农，我们将从本章开始进入系统具体的 设计过程。其中包括上下位机的软硬件设计、上下位机的通信协议设计等等。在本窜中， 我髓酋先从恒压供农盼擐壤出发，提出整令系统静总体设计方案。然后在熙面兹掰牵中 分别展开讨论。 3 1 恒赝供水原理乜 传统供水方式下，为了把水安全可靠的配送到用户，并满足水餐、水压、水质的要求， 叁来水厂鬻矮拳泵大部分孵闫均褒额定受凝下运行，英设诗均按最大魇承受棼选择承泵。 但熄每天2 4 小时中用水负荷变化很大，每天的高峰用水时问较短，这样水泵在很长一段 露阕痰有较大余量，不仅窳泵效率低，供窳歪力不稳，两鼹造成大量宅力、东资源酶浪 费。如果采用变频恒压供水，可根据用水激的大小变化，调节水裂转速，同时确保供水 篷力恒定。这样，不仅可节约大萤麓源，赋长设餐使用寿命，同辩又解决了承源：次污 染阅题。 恒压供水是指不管用户端用水鬣大小，总保持管网中水压基本恒定。这样，既可满足 各部门尽户对农懿鬟求，又不使宅毒睡空转，造成电楚鲍渡费。 恒压供水基本工作原理( 如图3 1 ) ：系统正常运行时，各段管网上的压力、流量传 惑搽对鬟承水压、承量送行数据采褥，势将莲力、流量售芍转换凳毫信号，绩输至p i d 调节器，然后与系统设定的压力值进行比较和运算，并将比较和遗算的结果转换为频率 调节信号帮水泵启动台数信号分剐送至交颗器和可编程控制器( p l c ) ；交颓器据议调节 水裂电机的电源频率，进而调整水泵的转速；可编程控制器根据p i d 调节器传输道来魄 水浆启动台数信号控制水泵的运转。通过对水泵的启动和停止台数及其中变频泵转速的 调节，憋系统警网中的水联恒移稳予系统预先设计蕊压力傻，饺供农泵组“提舞”靛拳 量与用户管网不断变化的用水量保持一致，达到“变量恒聪供水”的目的。当夜晚不用 窳辩，枣予篱霭压力已瞧宠，魏靖瞧极不转，求泵箨杰工作，系统处于等铸狭态。当自 天用水量增大，或圈、夜有用水量变化时，造成压力也跟随变化，从而达到恒压动态调 节承的流量。 本系统的设计围绕恒压供水的服理进行，系统自动采集器监测点的压力、流量，根据 2 1 昆明理工大学硕士学位论文第三带系统方案设计 这些参数的变化趋势，进行水资源的调度，保证用户水质、水量、水眶的要求。 銎3 1僵毯供求簌瑷框图 3 ，2 系统方案的总体设计强霹 蠛啻攥承鬣瓣遥测系统静主要嚣静蹩解决羹来承公司黠供求各嚣节整测点瓣数攘采 集和监测，以便进行优化调度。整个系统由监测中心和各个数据采集终端组成( 如图3 2 所示) ，各数据采集终端可盆筏和采集压力、流量等各稀数据，笄采焉无线方式将数掇传 输到监测中心，供有关部门分析和决簸时取用，以提赢工作效率，保证供水质量，满足 日益增长的用水量的需求。 图3 2 遥测系统示意图 城露供墩繁嬲遥测系统可以对远程粒用水状况进行整测，以实现蛰道压力、水流曩数 据的传送，便于工作人员及时迅速地了解远端管网的运行状况，以此降低故障率和提高 对系绞懿反应彝寸淘，缀少箨承次数。器釜测点瓣数据袋集终溃爵垂动采集管遴压力、永 冒回 昆明理工大学硕士学位论文第三三章系统方案设计 流量的实时数据，并将信息传输到自来水公司的监测中心，当一个远端出现故障时，监 测中心通过对传输回来的数据进行分析，可找到出故障的地点，能在最短的时间内解决 问题，恢复供水，提高整体的服务水平，从而实现了城市供水的信息化、现代化。 3 2 1 监测中心 监测中心是整个管网系统的操作、维护、处理、统计、分析和监管的中心，集中管 理和指挥楚个调度系统的运行，并肩负着与其它管理网络的互联任务。监测中心的主要 硬件有监控计算机、通信模块、打印机等必需的设备。计算机用来运行监测系统软件( 即 上位机软件) ，通信模块负责收集各个监测点的数据信息，并整理形成数据库文件供值班 人员查用。 在监测中心运行的系统监测软件是整个监测系统的灵魂，监测系统软件协调完成同各 个现场数据的通信任务，把硬件系统采集的各种数据如压力、流量等经过计算后以数据 或图表的方式显示出来以供分析和使用，同时对告警信息发出相应声光告警信号。值班 人员即可根据数据监测平台的信息执行相应的命令，进行监控处理，执行如开、停泵， 阀门调节等控制。具体来说要能实现如下功能： 第一、数据收集 管网运行数据采集：通过对管网运行实时信息的获得，进行管网压力平衡调控，不仅 可以减少管网的故障率、漏失率，提高服务质量，更重要的在于可以大量节省能源，提 高经济效益。有了足够数量的管网信息，才有可能进行管网实时运行状态分析，及时调 整配水方案，达到经济运行的目的。 第二、数据处理 监测中心主机对采集到的管网数据，进行筛选、计算、超限报警和数据存储，生成各 类调度生产报表，包括日报、月报、年报等。 第三、监视、报警功能 系统中各工作参数均设有上下限值，当超过其上下限值时，系统自动上报信号给监测 中心，监测中心发紧急告警信号等候工作人员做相应处理。当发生爆漏等紧急情况时， 系统可利用手机发短信的方式自动向维护人员告警，告警时维护人员手机的屏幕上可以 直观显示告警时间、地点、级别、类型等，以便及时维修，减少损失。 第四、实现“经验型”合理调度 结合系统建立之前人工配泵经验，与系统建立后不同的配泵方案比较，归纳出更合理 2 3 昆明理工人学坝士学位论文第三章系统方案设计 的”经验型”调度运行方式。 第五、实时调度 根据已制定的日给水计划和给水系统负荷变化情况，调度人员可以修正计划，并可随 时将修正后的计划下达到各水厂控制室。实现动态管网水量压力平衡基础上的计算机辅 助人工调度。初步实现管网经济运行，达到经济调度的目的。 3 2 2 数据采集终端 数据采集终端是由g s m 短信模块，压力、流量传感器及单片机系统组成的短信模块 监测单元，如图3 3 所示。与几千元的p l c 和上万元的进口r t u 相比，用单片机系统设 计的数据采集终端价格是比较低廉的。 硼短信橇块 图3 3 数据采集终端 现场数据采集终端主要实现两个功能：一是数据采集，把现场仪表输入的电信号转化 成数字信息；二是数据通信，把采集的数据通过短消息传送到监测中心的计算机中，完 成和上位机或其它设备的数据通信。当发生爆管等异常情况时，采集数据不在设定值范 围，立即发送短消息到上位机并通知维修人员。 单片机系统作为数据采集终端的核心部分，在本系统的设计中也占有举足轻重的地 位。现在市场上单片机的种类比较多，考虑到课题设计的要求以及开发效率，本系统采 用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 1 单片机。它价格低廉、实用、性能较好，可满足本系统的要 求。因它不但和8 0 5 1 指令、管脚完全兼容，而且其片内的4 k b 程序存储器是f l a s h 工 艺的，这种工艺的存储器使用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。我们将以a t 8 9 c 5 1 为 核心，进行a d 转换接口电路、串口通信接口的硬件设计和软件编程。 3 2 3 系统简单通信协议的设计 系统的通信过程涉及三个方面，因此我们设计的通信协议也相应的包括三个部分：上 位机与短信模块的通信协议、下位机与短信模块的通信协议及上下位机的通信协议。 2 4 昆明理工大学碳士学位论文 第兰章系统方案设计 土位梳与短信模决豹邋信采雳r s 一2 3 2 邋信方式，下位橇与短信模块静通信采掰串西 串行异步通信方式，波特率均为1 9 2 0 0 b p s ，数据传输格式为每字符1 0 位，1 个起始位， 8 个数据位，1 个停止位。铝们的邋信协议都遵守愆消息传输的规范定义，阂此这两部分 的邋信协议基本不用自己定义。 我们对上下位丰几问的通信协议徽了简单的定义，主要是对数据传输格式的定义。通过 在p 踟数攒趣中数数据单元定义一凝控制或谚 裂字苓，可以实瑷下经糗( 数据采集终端) 的单片机系统和上傲机系统简单的通信协议，我们所规定的协议如下： t 、上位舰系统鞭下整辍系统豹遥僖双方遴爨半双工遥麓方式，瓣鼗据铵输是双囱静。 但在任一时刻只能出其中的一方发送数据，一方接收数据。 2 、在p d u 数掰包串的胡户数攒单元，包含不湖的前鬣码表示耀户数播的不同意义。 在第二章中我们分析过，当下位机短信模块发送短消息时，p d u 的格式为： 戏们设下位机包含的前援码有# # 和料，其中# # 表示此短消息传送的数据为正常的采集 数攒，$ 宰表示该短消息传送的是超隈报警倍患。这样，用户数据单元( u d ) 的格式就是： 用户数擐单元u d = 兹漫码( # # 或料) + 数据 同样，如果要实现上位机对下位机的某种控制功能，也要在用户数据单元定义一些特 定捡铡字节。上链掇惫会熬1 l 蓼置玛及其含义我朝是这样定义戆： 1 # 一发送下位机自动定时传送数据命令； 2 茨送手秘数据采集命令； 3 # 一设置压力、流量的报警限值。 这样，上下位机可以根瓣前置码的不同做出相成的处理。 3 、现场采集数攒的存鼹积传送。现场数擐采集羼按存德区地址顺序存敖，一个数据 占用3 个字节采用压缩的b c d 码，赢位字节在前，低位在后，压力与流量数据交替存放。 发送避鼓5 0 个数撂( 1 5 0 个字节) 灸一堡遴抒传送。 3 ，2 。4 系统安全蠖摹曩数据霉靠性 蠹予供求调度鉴滚l 系统鲍特殊瞧，本系绞霉要一定懿系缓安全缳薅穗胃露熬运行。蕊 面我们提到，通过g s m 网的短信业务进行数据传输，其内容的安全性是可以得到定保 薄戆。整由予系统_ 奉身绩蔫豹是公潮，除系统鑫己豹臻户拜，还有其它许多薅户，这藐 有可能对系统造成有意和无滁的干扰和破坏。 昆明理工火学硕士学位论文 第三奄系统方案设计 为了防止其它未授权用户入网，我们利用s i m 卡的唯一性，对用户s l v l 卡手机母码 进行蘩潮授投。敬短游惠鼗摇氇中餐含翡手税号码俸为土位撬与各个数据采橥终端豹施 址识别码。当接到未授权用户发送的短消息时，系统将不予理会。这样，各数据采集终 端只对监控中心发送来的短倍做出反成，而靛控中心也只对番采集终端发送的短信逶行 处理。 另方面，数据传输的完熬、准确对于调度的决策起着至必重要的作用。如果所发数 据镫谈或者不宠整姆会弓| 起工作人员戆误判凝，扶嚣母致误搡终，失去了建立鳖测系统 的意义。因此，我们程数据传输的过稷中考虑进行数据校验。 掰糟数据梭验载楚为保涯数器熬潦确性与完整性，耩一静撂定懿算法对蘸始数据诗冀 出的一个校验值。接收方用同样的算法计算一次校验值，如果与随发送数据提供的校验 值一样，就说鞲数据怒准确完整的。皖较常需静数摇梭验方法有：奇偶校验法，校骚和 法，c r c 循环冗余校骏法等。这些校黢方法都有各自的优缺点，适予不同的场合。前面 两种方法，由于所加的冗余彼仅仅能够反映数据信息行与列的奇偶情况，所以这类裣测 方法对予行或捌粒偶数个错误不敏感，瀑判凡率鞘寰。c r c 缀环冗余校验法其有捡镄娆 力较强、误判概率低等优势，但是实现起来比较复杂，用时也多。综合考虑，我们遥是 选蠲了较蔻筵擎豹耧校验法。毅秀g s m 豹数瓣传辕掇簇中本隽也包含有