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无线千放监控系统的研究与设计 无线干放监控系统的研究与设计 摘要 随着移动通信的迅速发展，同一电信运营商将拥有多张不同的通 信网。对不同网内的不同厂家的基站和干放设备的监控成了当前研究 的热点。在一个监控平台上，使用不同的数据传输技术实现对不同网 内的干放设备的监控，其强大的功能和广阔的市场前景，是现代干放 监控技术发展的新动向。 本课题的目的就是设计一种采用无线网络和电话网混合传输数据 的无线干放监控系统。本文主要介绍该系统的数据采集单元和数据传 输单元的设计和实现。 本论文首先介绍了监控系统、g p r s 技术和p p p 协议，在分析了 不同数据传输方式的基础上，提出了无线干放监控系统的总体设计方 案；然后根据监控系统的技术功能要求，提出了无线干放监控系统的 软、硬件设计方案；最后重点介绍了使用c 8 0 5 1 f 0 2 0 、西门子m c 3 5 i g p r s 模块和p h 8 8 1 0 电话模块的前端机的设计与实现，给出了电路 设计、软件程序流程图及部分源代码。 基于本课题研究的p h s 干放监控系统已成功地进行了系统软硬件 联调，取得了良好的效果。 关键词：干放，监控系统，g p r s ，数据传输 浙江工业大学硕士研究生论文 无线干放监控系统的研究与设计 ar e s e a r c ha n dd e s i g no nt h e s u p e r s o r ya n dc o n t r o ls y s t e mo f w i r e l e s st r u n ka m p l i f i e r a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，t h es a m e t e l e c o m m u n i c a t i o no p e r a t o rw i l lo w ns e v e r a ld i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s t h e s u p e r v i s i o no f b a s e s t a t i o n sa n dw i r e l e s st r u n ka m p l i f i e r s ( w t a ) o fd i f f e r e n t m a n u f a c t u r e sf r o md i f f e r e n tn e t w o r k sh a sb e c o m et h ef o c u so fc u r r e n tr e s e a r c h t h e i m p l e m e n t a t i o no fs u p e r v i s i o no nw t a o fd i f f e r e n tn e t w o r k st h r o u g hd i f f e r e n td a t a t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yo nt l l es a m es u p e r v i s o r ya n dc o n t r o lp l a t f o 姗i st h en e w t e n d e n c yo ft h ed e v e l o p m e n to fm o d e mw t as u p e r v i s o r yt e c h n i q u ed u et o i t s p o w e r f u lf u n c t i o n sa n dp r o m i s i n gm a r k e tp o t e n t i a l ，n l ep u r p o s eo ft h ea b o v ep r o j e c ti st od e s i g naw t a s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o l s y s t e mw h i c hw i l lt r a n s m i td a t ab ym e a n so ft h eh y b r i do fw i r e l e s sn e t w o r ka n d t e l e p h o n en e t w o r k a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ep r o j e c t ，t h ep r e s e n tt h e s i si s t o i n t r o d u c et h ed a t aa c q u i s i t i o nu n i to ft h ew t as y s t e ma n di t sd e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o n f i r s to fa l l t h et h e s i si n t r o d u c e st h es u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e m g p r s t e c h n o l o g ya n dp p pp r o t o c o la n dp u t sf o r w a r dt h et o t a ls o l u t i o no ft h ew t a s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e mo nt h eb a s i so fd i f f e r e n td a t at r a n s m i s s i o nm e a n s n e x t ， i tp u tf o r w a r d st h es o l u t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h ew t a s u p e r v i s o r y a n dc o n t r o ls y s t e m f i n a l l y , t h et h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f p r o p r o c e s sc o m p u t e rw h i c hm a k e su s eo fc 8 0 51f 0 2 0m o d u l e ，s i e m e n sm c 35 i g p r sm o d u l ea n dp h 8 810t e l e p h o n em o d u l e ：i ta l s op r o v i d e st h ec i r c u i td e s i g n t h e s o f t w a r ep r o g r a mf l o wc h a r ta n ds o m es o u r c ec o d e s t h es y s t e m a t i cs o f t w a r ea n dh a r d w a r eu n i t ed e b u go ft h ep h sw 勿s u p e r v i s o r y a n dc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h ep r e s e n tt h e s i sh a sb e e ns u c c e s s f u l l y c o n d u c t e d k e yw o r d s ：t r u n ka m p l i f i e r s ，s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e m ，g p r s ， d a t at r a n s m i s s i o n 2 浙江工业大学硕士研究生论文无线干放监控系统的研究与设计 符号说明 s c a d a ： 数据采集与监视控制系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ) r t u ：远方终端装置( r o m o t et e r m i n a lu n i t ) f c s 现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) d c u ： 数据采集单元( d a t a a c q u i s i t i o nu n i t ) d t u ：数据传输单元( d a t at r a n s m i tu n i t ) s o c ： 片上系统( s y s t e mo nc h i p ) d t m f ：双音多频( d u a lt o n em u l t i - f r e q u e n c y ) d c d ： 数据载波检测( d a t ac a r d e rd e t e c t ) d t r ： 数据终端准备( d a t at e r m i n a lr e a d y ) s m s ： 短消息( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) p d u ： 协议数据单元( p r o t o c o ld a t au n i t ) t d m a ：时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) p p p 点对点协议( p o i n tt op o i n tp r o t o c 0 1 ) l c p ： 链路控制协议( l i n kc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) n c p ： 网络控制协议( n e t w o r kc o n t r o lp r o t o c o l s ) 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 ) g s m ： 欧洲的泛欧数字移动通信网( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) s g s n ：g p r s 服务支持接点( s e r v i n g g p r ss u p p o r t i n gn o d e ) g g s n ：g p r s 网关支持接点( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) b s s ：基站系统( b a s es t a t i o ns y s t e m ) b s c ：基站控制器( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) b t s ：基站收发信机( b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ) m s c ：移动交换中心( m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ) 浙江工业大学硕士研究生论文无线干放监控系统的研究与设计 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：谢乃受互日期疹诉堋7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密d 在三年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：爰箝厶建孑，日期p 世，a 月。7 日 导师签名：孙迭酗日期：姗1 2 - 月二7 日 浙江工业大学硕士研究生论文无线干放监控系统的研究与设计 第一章绪论 随着移动通信的迅速发展，在用户数量急剧增长的同时，无线信号的覆盖面 积也不断增大，由于城市的建筑物密集，盲区多，因此需要大量的基站及干线放 大器( 以下简称干放) 设备，这些设备多为不同的设备供应商提供。为了给用户 提供优质的、不间断的服务，就需要及时发现有故障的设备，并进行相应的处理。 同时为了了解设备的日常运行情况，就需要对设备的许多物理量、状态参数、特 性参数进行实时检测、监督管理。 1 1 课题研究的目的和意义 随着第三代通信系统( 3 g ) 时代的到来，同一个移动运营商将拥有多张不同 的网络资源。由于不同的运营商拥有的资源不同，不同的通信系统采用的技术不 同，为了在一个统一的监控平台上对不同设备进行监控，最大限度的利用现有资 源和减少通信费用，监控系统就需要采取灵活的数据传输方式。 中国电信和中国网通目前同时拥有固定电话网和p h s ( d , 灵通) 网，p h s 网由 于技术和投资考虑主要集中在城市中。由于p h s 网的基站功率低，随着用户的增 加，为了提高覆盖率和接通率，就需要大量的基站和干线放大器，对这些设备进 行有效的管理和维护的需求就逐渐凸现出来。同时，由于历史的原因，各个厂家 的设备并没有一个统一的监控接口。对这些测量点较集中的现场和固定电话网能 够覆盖到的地方，就可以采用有线连接的数据通信方式。而对于中国联通和中国 移动，基站和干线放大器的数目相对于p h s 网就小多了，同时也比较分散。他们 在绝大部分地区只拥有无线资源，就可以基于现在提供的短消息和g p r s 业务进 行数据传输。 目前，国内外现在的基站和干放监控系统只是单一的采用一种数据传输技术， 本课题在无线干放监控系统中应用了有线和无线两种传输技术，将二者很好的结 合在一起，在一个统一的平台上对不同的设备进行监控。使得系统应用更灵活、 并且大大降低了成本。 本课题的完成解决了一套实用新型先进的远程数据传输技术，对不同的客户， 浙江工业大学硕士研究生论文无线干放监控系统的研究与设计 区别只在于数据传输方式的不同，数据采集和后台处理是通用的，就可以减少开 发时间，节约成本。同时本系统也可以应用到其他方面的监控，对工业测控、环境 监测以及国防技术均有重要的价值。 1 2 监控系统综述 1 2 1 基本概念和内涵 监控系统即数据采集与监视控制系统，又称s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t a a c q u i s i t i o n ) 系统。监控系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度管理自 动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控 制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。 监控系统主要由控制主站、通信系统和远方终端装置( r 1 r u ) 三部分构成。 控制主站包括主机、备用主机( 可选) 、人机接口、通信接口等；通信系统包括 m o d e m 、无线网、局域网、广域网等；r t u 由通信接口、数字i o 模块、模拟 i o 模块、计算机、当地控制台、自诊断测试、数据库维护等构成。 s c a d a 系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、 化工、移动通信网等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电 力系统以及电气化铁道上又称远动系统。可归纳为重要设备和关键过程中的应用 和地理分布的系统中的应用，重要设备和关键过程如发电厂、化工厂、移动通信 网、汽车生产线、工业自动化系统等；地理分布的系统如输电、配电系统、输油 输汽输水管线、铁路交通监控系统等。由于各个应用领域对s c a d a 的要求不同， 所以不同应用领域的s c a d a 系统发展也不完全相同。 在电力系统中，s c a d a 系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它作为 能量管理系统( e m s 系统) 的一个最主要的子系统，有着信息完整、提高效率、 正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现 已经成为电力调度不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济 效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水 平等方面有着不可替代的作用。 随着移动通信的迅速发展，对通信网内的设备进行监控的需求也逐渐凸现出 来。同时也出现了不同的监控系统，在保证通信网的安全可靠运行，提高服务质 2 浙江工业大学硕士研究生论文无线干放监控系统的研究与设计 量方面起到了很大的作用。在s c a d a 系统的发展过程中，随着计算机和单片机 的发展，不同时期有不同的产品。 1 2 2 监控的目的和技术 传统的生产方式中主要是通过人实现对生产过程或生产设备的监控。本世纪 8 0 年代初，随着科学技术的发展，生产过程的监控主要依靠计算机技术、自动化 控制技术实现，大大减少了人对过程的直接干预。监控技术己成为实现高效、安 全稳定生产的重要技术保障。 目前移动通信系统中的监控主要分为两部分，一部分是对单个设备的监控， 即局部设备的连续的监控，一方面监视设备的运行状态，检测设备是否发生故障， 并对故障系统的异常变化进行定量分析，判断异常变化的类型、时间、幅度、表 现形式、作用方式和影响程度，在必要时进行相应的维护措施；另一方面在线识 别设备的运行状态，分析运行中的问题，通过参数调节，提供可靠的服务。这部 分的监控主要是利用先进检测分析和控制技术( 包括传感检测技术、信号处理、 模式识别、人工智能、预报决策、控制工程、电子技术、计算机技术等) ，对设备 状态进行检测，做出是否有故障、故障种类、故障部位、故障严重程度、故障发 展变化趋势等诊断结果，判断设备性能劣化趋势，并制定出相应的处理对策。另 一部分是对移动通信系统的监控。主要目的是对系统中的离散事件进行控制以防 止系统进入某些特定的状态，或者是防止系统中某些状态的发生，如全网阻塞等 事件。 1 2 3 监控系统的研究对象、任务及内容 监控技术的主要研究对象是设备运行中的异常变化，特别是设备在连续的运 行过程中出现的各种突发性故障：基本任务是及时发现设备运行过程中的故障现 象并对故障进行分析和诊断以确保设备始终处于良好的工作状态。其研究内容涉 及设备运行中各个参数的检测、变化幅度的辨识、变化机理的诊断、故障影响的 分析以及针对故障应该采取的处理措施等。 对大多数连续运行的设备而言，监控通常包括以下4 个方面的内容： 1 异常变化检测：监视设备运行状态，检测设备运行规律或演化趋势是否在 某时间点或者该时间点之后发生了异常变化，并推断出发生变化的起始时间； 2 异常变化辨识：如果设备发生了异常变化，识别变化类型和变化的幅度， 3 浙江工业大学硕士研究生论文无线干放监控系统的研究与设计 以便对故障程度进行评估； 3 故障设备分离：判断设备的异常变化是由哪个部件或设备运行过程的哪个 环节引起的，以查明故障形成的原因； 4 设备故障对策：根据故障可能带来的不利影响，制定相应的处理对策，以 确保设备能正常运行或避免整个系统发生灾难性故障。 1 2 4无线干放监控系统的现状 无线干放监控是随着计算机控制技术以及网络通讯技术的发展而逐步发展起 来的监控领域的前沿技术。主要有远程监控与集中监控，集中监控即监控中心设 在某些干放周围，数据采集控制器与干放设备通过自制接口电路板实现通讯，数 据采集控制器通过网络与监控主站相连，实现数据传输，对干放的运行状态进行 动态实时监控管理，可随时掌握干放的运行状态、统计运行数据：远程监控一般是 通过电话网或无线网络进行数据传输的，干放监控系统采集端经过自制接口电路 板与电话网或无线网络连接，监控主站直接与电话网或无线网络相连。双方通过 各自的无线网络或电话线与电话网相连实现数据交换，传输数据时需拨叫对方电 话号码连接或登陆无线网络，接通后方可传输数据。 集中监控通过网络进行数据传输，数据传输稳定，实时数据传输速度快，可 同时监控附近的多个干放设备，而远程监控通过电话网或无线网传输数据，受网 络状况的影响，数据传输不可靠，需要纠错处理，而且通讯速度较慢，只能逐个 查看干放的运行数据。目前，我国己有一些厂家及科研单位开发干放监控系统， 而且已经投运于现场。由于研制干放监控要涉及到计算机控制、干放运行控制、 网络通讯、w i n d o w s 环境下高级语言的编程以及数据库等多方面的知识，所以存在 一定的难度。各个厂家和科研单位都有不同的做法，从硬件结构来看基本上有下 列几种方案： 1 远程i o 模块方案 远程i o 模块适合于小型干放群，i o 模块一端与设备接口相连，另一端通过网 络或电话线等方式与监控主站相连，i o 模块不能独立工作，按照上位机的指令采 集干放的运行数据并传输数据，所有的数据处理工作由上位机完成。这种方案巡 检速度慢，上位机数据处理负荷较重，不能胜任大量的数据处理。 2 p l c 控制方案 4 浙江工业大学硕士研究生论文无线干放监控系统的研究与设计 p l c 控制器一端与设备控制接口相连，另一端与监控主站相连，p l c 控制器按 照事先编好的程序采集干放运行数据，向上位机传送数据。这种方案虽然可以适 应多台干放设备的运行监控，但是编程、调试不便给开发带来一定的难度，而且 p l c 最主要的缺点是其专属性。一旦选择使用某家p l c 产品，你还得使用这家厂商 与p l c 相关的软硬件产品线。如：操作系统，编程方法，网络，处理器或其它周边 设备，这样就极大地限制了其系统的扩展，使系统不能适应新技术的发展。 3 现场总线方案 现场总线适应自动监控发展的方向，使得监控系统数字化、分散化、网络化。 通过现场总线把一定范围内分散的监控数据采集端连接起来，集中进行数据传输。 现场总线具有以下一些技术特点乜埘： 1 ) 现场通信网络现场总线把通信网络一直延伸到每个干放设备中，构成用 于监控自动化的现场设备的互连，信号传输全数字化，提高了信号转换的精度和 可靠性，避免了模拟信号传输过程中所存在的信号衰减、精度下降、干扰信号的 引入等长期难以解决的问题。 2 ) 现场设备互连现场设备在f c s ( 现场总线控制系统) 中己成为由微处理 器为控制核心的智能设备，彼此通过一对信号线互连，可以是双绞线、同轴电缆、 光纤等。 3 ) 互操作性一个通信网中的于放设备种类和生产厂家繁多，没有任何一 家制造商可以提供一个通信网中所需要的全部现场设备，所以互相连接不同制造 商的设备是不可避免的，由于遵守统一的通信协议及行业规范，因此可以将不同 厂家的性能价格比最优的产品集中在一起，实现“即插即用”。 4 ) 开放式互连网络现场总线是开放式的互联网络，既可以与同层网络互 联，也可与不同层网络互联，不同制造商的网络产品也应能互联。开放式互联网 络还体现在网络数据的共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态，将不同厂 商的网络和设备融为一体，用一个统一的监控平台进行监控。 本文提出一种基于现场总线方案、采用r s 4 8 5 总线把不同厂家的、不同型号的 干放设备的数据采集端连接起来，通过一个数据传输单元把采集的数据传送到后 端处理系统。同时通过r s 4 8 5 总线把后端处理机的控制命令发送到各个控制单元对 设备进行控制。 浙江工业大学硕士研究生论文 无线干放监控系统的研究与设计 1 3g p r s 技术及p p p 协议 1 3 1g p r s 技术概述 g p r s 的英文全称为g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，也叫通用分组无线业务， 是第二代移动通信技术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术，是g s mp h a s e + 2 ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一，是一种基于g s m 的移动分组数据业务。 g p r s 代表了移动网络的一个重大进步，它的主要改进是分组交换，对多数数据 应用来说比电路交换更有效【4 l 。 g p r s 与g s m 系统最根本的区别是，g s m 是一种电路交换系统，而g p r s 是一种分组交换系统。g p r s 把分组交换技术引入现有g s m 系统，为移动用户和 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 和x 2 5 服务。g p r s 以其”按流量计费”、”永远在线”等特点，倍受国内外电信业的青睐。 1 3 2 g p r s 的发展现状 目前全世界已有超过百个运营商开通了g p r s 商用系统、试商用系统或试验 系统。国际上有名的大型电信设备制造厂商也都在积极开发g p r s 的相关产品，提 出了一系列的解决方案，世界各地的移动网络运营商也纷纷响应，配合电信设备 制造厂商提供了大量的g p r s j 艮务试验区。在g p r s 设备开发中，现已开发出b 和c 类终端。同时相关的无线和网络设备都已推出，正在积极抢占市场。从1 9 9 9 年开 始，英国的b t c e l1 n e t ，荷兰的t e l f o r t 、中国香港的s m a t o n e 等多个国家和地 ，区的运营商，纷纷在其g s m 网叠加发展g p r s 。2 0 0 1 年各运营商有了非常大的发 展，2 0 0 2 年基本进入商用化嵋。 1 3 3g p r s 的主要特点 g p r s 使得用户能在端到端分组传送模式下发送和接收数据。由于时隙采用 动态分配方式，一个用户可以分配多个时隙，而同时一个时隙也可由多个m s 共 享，用户与网络一直保持连接，但仅当有数据传送时才占用无线信道资源。与原 有的电路型业务相比较，用户使用g p r s 业务将具有连接时间短、数据传输速率 高、费用低等特点，而对于运营商来说，提供一定规模的数据业务服务，将会在 6 浙江工业大学硕士研究生论文无线干放监控系统的研究与设计 无线资源利用率上有一定的提高，业务上有新的增长点嫡3 7 1 og p r s 具有一下特点： 1 ) 以灵活的方式于g s m 语音业务共享无线与网络资源，采用了灵活的策略，实 现数据与语音业务共存； 2 ) 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； 3 ) g p r s 支持中、高速率突发数据传输，可提供最大为1 7 1 2 k b i d 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，定义了c s 一1 ，c s 2 ，c s 3 ，c s 一4 四种编码方案； 4 ) 在核心网络中引入g p r s 支持节点( g s s 0 ，s g s n 和g g s n 采用分组交换平台 i 方式，定义了基于t c p f l p 的g t p 方式来承载高层数据； 5 ) 通过g g s n 实现了与标准i n t e m e t 的无缝连接，在g g s n 可实现与外部i p 网 络的透明与非透明的连接，支持特定的点对点和点对多点服务，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； 6 ) 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l 到8 个无线接口时隙。时隙能为用户所共享，且上行链路和下行链路的分配是 独立的； 7 ) 用户数据在m s 和外部数据网络之间透明地传输，它使用封装和隧道技术：数 据包用特定的g p r s 协议信息打包并在m s 和g g s n 之间传输。用户数据能 够压缩，并有重传协议保护，因此数据传输高效且可靠； 8 ) g p r s 由于引入了分组交换的传输模式，它的资源利用率较高。同时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的计费功能，计费方式更加合 理，业务便于推广8 1 嘲n 们。 1 3 4 p p p 协议原理 从移动数据接入终端到i n t e m e t 网络或其它数据网的整个系统的各个设备间 所用的协议如图1 。1 ： 浙江工业大学硕士研究生论文 无线干放监控系统的研究与设计 图1 1g p r s 接入协议框架 从图1 - 1 可知，g p r s 业务是采用i po v e rp p p 实现数据终端的接入。下面 介绍p p p 协议。 1 3 4 1 p p p 协议f 1 1 1 p p p ( 点对点协议) 是在串行链路上传输i p ( 互联网协议) 以及其它多种 网络协议的一种机制，这些链路按顺序提供全双工的双向的同步数据包传输。p p p 包含三部份内容： ( 1 ) 内核部分，相当于驱动层，主要负责数据包的封装成帧，p p p 封装提供了不 同网络层协议同时通过统一链路的技术。 ( 2 ) 链路控制协议l c p ：用来建立、配置和测试数据链路连接。l c p 包有三类： 1 )链路配置包：用于建立和配置链路； 2 )链路结束包：用于结束一个链路； 3 )链路维护包：用于管理和测试一个链路。 ( 3 ) 网络控制协议n c p ：用来建立和配置不同的网络层协议。 在链路经过l c p 协商和建立之后，p p p 发送n c p 包选择和配置一个或多个 网络层协议。如果每个被选中的网络层协议都被配置，来自每个网络层协议的数 据报就能在链路上面传输。本系统只支持i p 协议。i p 控制协议( i p c p ) 负责建 立、使能和中止i p 模块。 1 3 4 2 p p p 的链路操作 为了在点对点连接上建立通信，每个p p p 端必须首先发送l c p 包以配置和检 测数据链接，在连接建立而且可选的选项都已经完成以后，p p p 必须发送n c p 包 用以选择和配置一个或多个网络层协议。在每层的协议配置完成后，就可以在链 路上进行通信了。在l c p 或n c p 显式地关闭链路以前连接一直保持。 浙江工业大学硕士研究生论文无线干放监控系统的研究与设计 图1 2p p p 链路连接过程 p p p 连接过程中所处的主要状态有死亡、建立、认证、网络和终止。当链路 是死亡时没有物理层连接，成功建立物理连接后链路变成建立。这时l c p 选项协 商开始，如果在l c p 阶段要求了认证，而且成功进入认证，现在就可以检查p e e r 的标志，然后进入网络阶段，采用相应的n c p 协议配置网络层。当完成数据传输 后，链路进入终止阶段，并返回死亡。其简要的流程如图1 2 所示n 甜。 1 4 本论文研究的任务 本论文研究基于g p r s 无线接入和电话网有线接入的无线干放监控系统。该无 线干放监控系统由数据采集系统，传输系统，后台处理系统三部分组成。数据采 集系统用于获取各种现场测量数据；传输系统是把采集的数据传送到后台计算机 进行处理。其中数据采集和传输是现代监控系统的基础，在以计算机作为监控系 统的核心中，需要采集各种信息并将其送入计算机内进行处理。因此作为获取信 息的重要工具，数据采集与传输系统目前正日益广泛的用于生产、科研的各个领 域。数据采集与传输系统由信息转换、数据通信和信息处理三部分组成，本文主 要对这一部分进行研究。 本论文的任务就是设计一套针对不同厂家、不同设备类型的统一监控系统。 这套监控系统的对象是无线干放或基站，也可以是其他设备。按照设计的要求， 需要实现： 1 利用r s 4 8 5 总线技术实现干放群的集中监控 为了使通信网的正常运行，就需要对干放和基站设备进行维护，由于干放的 有些故障信息无法保留，维护人员一般无法准确知道发生故障时的各种状态，而 这些数据对干放的维修和改进都有重要的参考价值。系统设计构想：用一个r s 4 8 5 9 浙江工业大学硕士研究生论文 无线于放监控系统的研究与设计 总线节点负责采集多台干放的数据，在中央监控室用一台服务器实现集中监控。 上位机软件不仅要具备监控的功能，还要有自己的通讯程序。 2 使用无线网络或电话网实现数据的传递 在一个统一的无线干放监控平台上，监控系统采取灵活的数据传输方式。同 时可以选择用无线网络的短消息或g p r s 功能进行监控数据的双向数据传送，也可 以通过电话网进行传递。对一些重要的设备进行监控时，为了确保数据传递的可 靠，同时使用两种数据传递方式。 3 后台计算机数据处理和控制功能 它根据事先安排好的程序，不断接受采集上来的数据并做出相应的处理。更 重要的是对告警数据的处理，不仅能发出声光告警，而且能从数据库中查出告警 设备的地理位置并通知相应地区的维护人员。根据操作人员的要求，发出控制指 令，对被监控的干放设备进行操作。 后台处理系统的信息记录数据库功能能够方便地使维护中心建立起一套干放 设备的运行、故障及维修档案库，被监控的干放的日常参数、何时出现故障、维 修人员何时到现场、干放何时恢复正常等数据都会记录在数据库中。所提供的数 据记录不是简单的数据列表，而是标准数据库文件。维护中心的操作员可以用相 关程序打开数据库，定期对数据库进行数据整理、统计、报表打印等工作。实现 干放的运行状态的实时反映及运行数据的科学管理。 本文提出并设计了一种基于有线和无线g p r s 网络混合传输的远程无线干放 监控系统，该系统数据采集和传输单元硬件设计的核心是c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机和西 门子m c 3 5 ig p r s 数据通信模块，软件使用c 5 1 编写。这种设计方案可以满足不 同运营商的干放设备监控需求。 1 5 论文的结构安排 本文的主要内容安排如下： 第一章：分析了远程监控系统的意义和需求，综述了监控系统现状和发展，对 g p r s 和p p p 协议做了介绍。并依此总结了提出基于有线和无线g p r s 网络监控系统 的必要性。 第二章：详细论述了监控系统的总体方案设计。介绍了系统设计遵循的原则、 l o 浙江工业大学硕士研究生论文无线干放监控系统的研究与设计 系统的功能、系统的工作原理。 第三章：无线干放监控系统的硬件设计，重点研究和设计了数据采集单元和数 据传输单元的硬件部分。 第四章：无线干放监控系统的软件设计。对系统的软件各个模块进行了分析和 设计，重点介绍了前端机的软件设计。 第五章：结论和展望。 浙江工业大学硕士研究生论文 无线干放监控系统的研究与设计 第二章无线干放监控系统的总体设计 2 1 无线干放监控系统设计遵循的原则 无线干放监控系统设计时主要遵循下面的原则： l 、规范性原则 应符合各项国标和国家标准规范，避免设计的盲目性，并为各项设计打下基 础。 2 、实用性原则 主要体现在以下方面： 以用户的现行业务量为基础，适当考虑发展的需要为依据来确定系统规模， 这也是对用户负责，保障用户投资不至于浪费的有效原则。 选择成熟、先进、维护量小、使用方便、利于二次开发的技术设备和措施， 既可避免使用中出现技术缺陷，又可有效地减少用户在维护、培训方面的费用， 从而提高系统的实用性。 3 、安全性和可靠性原则 系统在技术上力求采用当今成熟的软、硬件技术和网络技术，突出实用性， 使数据传输网络和监控现场区域相匹配，并规范管理程序。 4 、开放性和标准化原则 开放性和标准化是系统不断进步和发展的基础，也是保护用户投资的需要。 为此，设计时，将开放性好、标准化程度高的技术方案、设备、软件有机地融合 在一起，目的是为用户创造一个便于升级、利于发展、方便互连、组合灵活的开 放性、标准化系统，以保障系统不断适应新的技术发展。 根据以上系统设计原则，在充分考虑经济性的前提下，尽量选用可靠的设备 并通过相应的技术手段( 如容错技术、冗余设计、用户权限等) 使得系统更加安全和 可靠。 1 2 浙江工业大学硕士研究生论文无线干放监控系统的研究与设计 2 2无线干放监控系统方案 新型的无线干放监控系统不同于传统的监视系统主要表现在除了能完成常规 的对设备参数的采集、传输外，还增加了对干放设备的控制功能。在实际使用中， 考虑到监控系统建设的成本和周期，一般有两种方案：使用电话线传输和短消息 传输方案。早期的监控设备由于在网络中仅传送控制命令，现场检测数据和报警 等数据，这些数据量小，对带宽的要求不高。使用以上的两种方案就可以胜任数 据的传输任务。由于无线通信的迅速发展，为了提高服务质量，就需要更多的干 放设备进行无线信号覆盖，传统监控系统的点对点采集、传输数据已经不适合现 在的发展。 本文提出一种通过现场总线收集不同采集单元的数据，通过电话网和无线网 络混合传输数据的分层无线干放监控系统。其优点是多种设备的数据可以根据需 要选择在不同的网络同时传输，可以满足运营商对现场各种设备监控的要求，充 分利用运营商拥有的资源，提高网络的使用效率，方便以后的扩充，此方案也是 今后监控系统的发展方向。 2 2 1基于电话线传输数据的监控系统 对于基于电话网的监控系统方案基本模型如图2 1 所示，本地监控单元完成对 设备的数据采集和控制，采集数据和控制数据通过m o d e m ( 调制解调器) 传送到监 控主站的的m o d e m 进行解调。监控中心主站的主要功能为对各种设备的数据进行 统一处理和对设备进行控制。 吨三 ：磊： 监 | m o d 踟p 控 主 站 图2 - 1基于电话网的监控系统示意图 由于电话网的迅速普及，利用现有的电话网进行数据通信也是一个经济有效 的方案。利用电话网通信，只需在数据集中器和主机之间加调制解调器( m o d e m ) 1 3 浙江工业大学硕士研究生论文无线干放监控系统的研究与设计 即可，其通信速率可以是2 4 k b p s ，9 6 k b p s 甚至是5 6 k b p s 速率传输。 这种方案的监控系统优点是使用比较简单，技术也比较成熟，数据传输数据 也比较快：缺点是m o d e m 的连线握手时间比较长，通常需要几秒到几十秒，建立 速度慢，同时也要求在电话网的覆盖范围之内。 2 - 2 2 基于短消息传输数据的监控系统 如图2 2 所示，基于短消息传输的监控系统和基于电话网的监控系统，除了在 数据传输方式上有差别外，其他部分基本相同。 太 丫 地 阱一 监 控 刊s m s 单 _ 兀 6 9 71 2 0 9 lhlllh 6 9 71 3 3 6 2hllhl 6 9 71 4 7 7 3hllhh 7 7 01 2 0 9 4hlhll 7 7 0 1 3 3 65hl hlh 7 7 01 4 7 7 6hlhhl 8 5 2 1 2 0 97hlhhh 8 5 21 3 3 6 8hhlll 8 5 21 4 7 7 9hhllh 9 4 l1 3 3 6 0hhlhl 9 4 11 2 0 9 幸 hh lhh 9 4 11 4 7 7拌hhh l l 6 9 71 6 3 3 ahhhlh 7 7 01 6 3 3bh hhhl 8 5 21 6 3 3c h h hhh 9 4 l1 6 3 3dh llll a n yl高阻高阻高阻高阻 3 p h 8 8 1 0 模拟电话接口模块 电话接i = 1 的电路我们虽然可以用分立元件单独设计，但考虑到开发周期、成 本、可靠性、最终用户的使用方便性，所以在本系统中采用了集成d t m f 接收 ( h t 9 1 7 0 d ) 和发射( h t 9 2 0 0 ) 功能的p h 8 8 1 0 模拟电话接口模块，它是一种低 功耗设计、标准d i p 4 0 p 封装的模块。它还具有如下一些特点： 1 】自带振铃检测电路； 2 ) 配置摘、挂机控制端口： 3 ) 配置电话线断线检测端口； 4 ) 配置语音信号输出、输入或者d t m f 输出、输入各5 个信号口； 5 ) 音量自动增益调节电路； 6 ) 单一电源供电，功耗较低，兼容1 r l 电平，可以和大多数微处理器相连 7 ) 符合电信部门要求的d t m f 频率指标： 浙江工业大学硕士研究生论文 无线于放监控系统的研究与设计 p h 8 8 1 0 电话模块的功能框图如图3 - 6 所示，电话模块引脚说明如表3 3 ： 图3 - 6p h 8 8 1 0 电话模块功能框图 表3 3 电话模块引脚说明 引脚说明引脚说明 1g n d 电源地 2 lo e h t 9 1 7 0 数据输出有效端 2 p h o n e a 外接电话线输入 2 2d o h t 9 1 7 0 数据端d o 3 p h o n e b 外接电话线输入 2 3 d ih t 9 1 7 0 数据端d 1 4s w主通道通断控制2 4d 2h t 9 1 7 0 数据端d 2 5n c2 5n c 6n c2 6n c 7j c外接降压电容到p h o n e b2 7n c 8v c c 电源正5 v 2 8i n ld t m f 输入或语音输出 9 r i n g 振铃信号输出 2 9i n 2d t m f 输入或语音输出 1 0 o u t 4d t m f 输出或语音输入 3 0i n 3d t m f 输入或语音输出 1 l o u t 3d t m f 输出或语音输入 3 1i n 4d t m f 输入或语音输出 1 2 o u t 2d t m f 输出或语音输入3 2g n d电源地 1 3o u t ld t m f 输出或语音输入3 3t e s t 1 4n c3 4t e s t 1 5c e h t 9 2 0 0 片选端 3 5t e s t 1 6 d a t ah t 9 2 0 0 数据端 3 6n c 1 7c l kh t 9 2 0 0 时钟端3 7n c 1 8v c c电源正5 v3 8d x c电话线断线检测输出 1 9d 3 h t 9 1 7 0 数据端d 3 3 9n c 2 0d vh t 9 1 7 0 检测d t m f 有效端4 0v c c 电源正5 v 2 8 浙江