（通信与信息系统专业论文）水上交通安全保障系统的关键技术研究.pdf

摘要 摘要 论文依托福建省科技计划重点项目“水上交通安全保障系统关键技术的研究 ( 项目编号：2 0 0 8 h 0 0 2 2 ) ( 下面简称，水上安保系统) 而确定的。本文在对目前国 内外水上安保系统的发展现状与趋势进行了充分调研和分析的情况下，针对目前水 上安保系统存在的问题如设备类型的差异巨大，测量参数的繁多，各种报警现象的 频繁等问题，从终端的适用性，多种设备协议的兼容性、故障诊断等方面进行比较 深入的研究，完成了水上安保系统的设计和初步应用。系统在海南的运行情况表明： 终端上传的数据稳定可靠，系统的功能达到预期要求。 论文详细介绍了分布式测控终端的设计方案，采用主从分布式、功能类型化方 式设计远程终端，提高终端的适用性；远程终端由主控制器、前端采集控制器( 模拟 型、蓄电池型、数字型、协议转换器) 和r s - 4 8 5 现场总线构成。采用基于特征字符 集的数据帧多协议解析方法设计服务器，以解决多种设备协议的兼容性问题，使服 务器的数据解析具有良好的通用性、适用性和扩充性。针对实际中出现终端通讯超 时、灯质或电压异常等问题，结合多种参数，查询历史数据，采用基于规则推理、 模糊识别的方式实施系统的故障诊断。 论文最后，对本课题的研究的内容进行了总结，提出了本课题进一步研究的方 向。 关键词主控制器，前端采集控制器，多协议数据帧，故障诊断 福建师范大学吴燕硕士学位论文 llylllllilllltlllllqlltllllllllllllllllllllllll9 9 8 8 3 1 9 硼 y 1 a b s t r a c t t h et h e s i sw a sf u n d e db y r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g yo fw a t e r b o r n et r a n s p o r t s e c u r i t ys y s t e m o ft h ef u j i a ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yk e yp r o j e c t ( i t e mn u m b e r ： 2 0 0 8 h 0 0 2 2 ) af u r t h e rr e s e a r c hw a sf u l f i l l e d ，w h i c hc o v e r ss o m ea s p e c t ss u c h 嬲 a p p l i c a b i l i t yo ft h et 踟- n i n a l ，c o m p a t i b i l i t yo fm u l t i p l ee q u i p m e n t sp r o t o c o la n df a u l t d i a g n o s i s ，a f t e raf u l l ys t u d ya n da n a l y s i so f b o t hd o m e s t i ca n df o r e i 驴d e v e l o p m e n ta n d t r e n do fw a t e r b o r n es e c u r i t ys y s t e m ，c o m b i n gw i n lt h ee x p e r i e n c eo fa c t u a lp r o j e c ta n d f o c u s i n go nt h ee x i s t i n gt r o u b l eo fw a t e r b o r n es e c u r i t ys y s t e ms u c h 懿h u g ed i f f e r e n c e s o fd e v i c et y p e ，v a r i o u sm e a $ u r e r n e n tp a r a m e t e r sa n df r e q u e n ta l a r mp h e n o m e n o n sa n ds o o n t h ed e s i g na n dp r e l i m i n a r ya p p l i c a t i o no fw a t e r b o r n et r a n s p o r ts e c u r i t ys y s t e mw a s c o m p l e t e d t h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e ma th a n n a ns h o w st h a t ：d a t ao f t h et e r m i n a ls y s t e m i ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，s y s t e ma c h i e v ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t s t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g no fd i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e r m i n a l t h er e m o t et e r m i n a lw a sd e s i g n e db ym a s t e r - s l a v ed i s t r i b u t e da n df u n c t i o nc l a s s i f y m e t h o d ，c o n s i s t i n go ft h em a i nc o n t r o l l e r , f r o n t e n da c q u i s i t i o nc o n t r o l l e r ( a n a l o gt y p e ， b a t t e r yt y p e ，d i g i t a lt y p ea n dp r o t o c o lc o n v e r t e r ) ，a n dr s 一4 8 5f i e l db u s ，w h i c hc a n i m p r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft e r m i n a l t h es o l v e rw a sa c c o m p l i s h e db ya n a l y s i sm e t h o do f d a t af r a m em u l t i - p r o t o c o l sb a s e do nc h a r a c t e r i s t i cc h a r a c t e r si no r d e rt o s o l v et h ep r o b l e m o fc o m p a t i b i l i t yo fm u l t i e q u i p m e n t sp r o t o c 0 1 i tc a ne n h a n c eu n i v e r s a l i t y , a p p l i c a b i l i t y , a n ds c a l a b i l i t yo ft h ed a t aa n a l y s i so fs o lv e r a c c o r d i n gt os o m ep h e n o m e n o no ft h e t e r m i n a ls u c h 鹪c o m m u n i c a t i o nt i m c o u t ，a b n o r m a ll i g h to rv o l t a g e ，t h ef a u l td i a g n o s i s h a sb e e na c h i e v e db yr u l er e a s o n i n ga n df u z z yi d e n t i f i c a t i o nw a y , c o m b i n e dw i 廿l m u l t i p a r a m e t e r sa n dq u e r y i n gh i s t o r i c a ld a t a f i n a l l y , t h i sp r o j e c ti ss u m m a r i z e d ，a n daf u r t h e rs t u d yd i r e c t i o no nt h et o p i ci s p u t t e df o r w a r d k e yw o r d s ：t h em a i nc o n t r o l l e r , f r o n t e n da c q u i s i t i o nc o n t r o l l e r , m u l t i - p r o t o c o ld a t a f l a m e ，f a u l td i a g n o s i s i l l 福建师范大学吴燕硕士学位论文 i v 中文文摘 中文文摘 为切实保障水上公共交通安全，国家发改委在其发布的产业结构调整指导目 录( 2 0 0 7 年本) 把水上交通安全保障系统列入其中，以期推动交通信息化，最终 达到提高安全保障能力的目的。本论文依托福建省科技计划重点项目“水上交通安 全保障系统关键技术的研究( 项目编号：2 0 0 8 h 0 0 2 2 ) 而确定的。论文深入研究了 分布式测控终端的设计方案；论述了基于特征字符集的数据帧多协议解析方法；采 用基于精确推理、模糊识别的方法对故障进行诊断，提高水上安保系统的可靠性与 稳定性。 绪论首先阐述了论文选题的理由和意义；其次，介绍并比较了国内外水上安 保系统的发展和研究现状，详细阐述了我国目前水上安保系统的现状和趋势；进而 提出了本文所要研究的主要内容以及需要解决的关键技术。 第1 章介绍了整个系统的设计方案，及系统的功能需求，包括远程终端需完成 的功能，服务器端与g i s 客户端需完成的功能，以及远程终端的工作模式分类。 第2 章首先介绍了远程终端的整体设计思路，采用主从分布式设计，及功能类 型化设计远程终端的内部前端采集控制器，接着详细讲述各个模块的软件开发平台、 硬件设计与软件设计，如主控制器软件中的限时服务、m o d e m 模块、e e p r o m 配 置、串口通讯、主控制器与服务器之间的通信流程、主控制器与前端采集控制器之 间的通信流程等。 第3 章介绍了服务器的整体设计思路，完成数据动态交换的通信机制，如服务 器端与g i s 客户端的s o c k e t 通信，服务器端与远程终端的g p r s g s m 通信，p c 测 试的串口通信；阐述了实现系统功能而不可缺少的数据库的设计；详细讨论了基于 特征字符集的多协议数据帧的解析处理方法。 第4 章首先介绍系统的功能需求，接着阐述了模糊专家故障诊断系统的整体设 计思路，详细讨论了故障诊断的实现方法，如知识的获取、系统u m l 的建模等， 并简单介绍了实现故障诊断的软件流程和界面显示。 第5 章对本论文研究的系统进行了总结，提出了对下一步工作的展望。 本论文研究的内容具有以下几点创新和特色： ( 1 )针对在实际使用中，存在测量参数和设备的数量繁多、类型差异等问题， 采用模块化、通用化的方案设计远程终端，提高终端的适用性； v 福建师范大学吴燕硕士学位论文 ( 2 )针对设备类型差异带来的多种设备数据协议的兼容性问题，采用基于特征 字符型的数据流多协议解析方法对多种设施不同参数进行解析； ( 3 )在实际中出现终端通讯超时、灯质或电压异常等问题，涉及到整个系统的 正常运行情况，采用基于规则推理、模糊识别的方式进行故障诊断，提高整体系统 的可靠性和稳定性。 v i 绪论 绪论 1选题意义 本世纪初的二十年是我国社会经济发展的重要战略机遇期，国民经济的快速发 展，水上运输日益繁忙，航运日益成为影响我国能源安全、经济发展和国际安全的 重要因素。预计到2 0 2 0 年，我国港口总通过能力将达6 5 亿吨左右，其中码头集装 箱通过能力约2 4 亿吨；五级以上航道里程将达到3 5 0 0 0 k m 以上，其中三级以上航 道1 5 0 0 0 k m 1 1 ，为切实保障水上公共交通安全，必须建成与之相适应的能力充分、 组织协调、运行高效、服务优质、安全环保的水上交通安全保障系统【2 】( 下面简称， 水上安保系统) 。国家发改委在其发布的产业结构调整指导目录( 2 0 0 7 年本) 把 水上交通安全保障系统列入其中，以期推动交通信息化，最终达到提高安全保障能 力的目的。 水上交通安全保障系统的关键技术研究是依托福建省科技计划重点项目“水 上交通安全保障系统关键技术的研究( 项目编号：2 0 0 8 h 0 0 2 2 ) 而确定的。项目立 项之初，针对国内水上安保系统存在的一些问题，如设备类型、测量参数、灯器类 型、控制机构和使用环境上的巨大差异，造成监控终端适用性差；其次是智能设备 的协议多、差异大，不便于系统对数据的解析处理；三是设备异常状态如电压异常、 灯质异常等故障，直接影响着水上安保系统的稳定性和可靠性。 因此，本课题围绕以上问题，对影响水上安保系统的关键技术进行研究，拟解 决水上安保系统的监控终端适用性、多协议数据帧的解析、稳定性和可靠性等问题。 开展本课题的研究工作，可以提高水上安保系统的安全保障能力，为社会和经济发 展提供支持服务的能力，具有巨大社会效益和经济效益。 2 国内外研究现状 随着科技进步和航海技术的发展，水上交通安全保障系统不断更新换代，目前 已从传统的灯塔、灯桩、灯船、灯浮标、浮标、立标、导标等视觉航标系统，及气 雾号、电雾号、雾情探测器等音响航标，发展到雷达应答器( s e a r c ha n dr e s c u er a d a r t r a n s p o n d e r ，s a r t ) 、差分全球定位系统( d i f f e r e n t i a lg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ， d g p s ) 、船舶报告系统( v e s s e lr e p o r ts y s t e m ，s r s ) 、海事电视监控系统( c l o s e d c i r c u i tt e l e v i s i o n ，c c t v ) 、船舶交通管理系统( v e s s e lt r a f f i cs e r v i e e s ，v t s ) 、船 舶自动识别系统( a u t o m a t i ci n d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，a i s ) 等近、远程无线电导航、 福建师范大学吴燕硕士学位论文 监控设施，以及视觉航标系统与无线电助航的有机整合。 上世纪九十年代末，国际海事组织( i n t e r n a t i o n a lm a r i t i m eo r g a n i z a t i o n ，i m o ) 、 国际航标协会( i n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o no fl i g h t h o u s ea u t h o r i t i e s ，i a l a ) 和国际电 信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 等联合提出了a i s 后【3 】，每 年定期召开国际会议，围绕a i s 进行专项研究，并统一协调a i s 工作和进程。 美、英、法、日等航运大国，充分利用电子、通讯和计算机等现代科学技术， 建立了国家级别的水上交通安全保障系统系统。如2 0 世纪8 0 年代中期，s 投入 使用，9 0 年代末期，a i s 投入运行。进入2 1 世纪后，为提升航运的信息服务和管 理服务，大力提升v t s 、a i s 系统信息融合和应用能力。 我国海事科技起步比较晚，但发展迅速。1 9 5 8 年，我国首次在北方沿海的大连 港进行了岸基雷达导航试验 4 】。1 9 8 2 年，我国在宁波建设了第一个v t s 系统。进入 2 0 世纪9 0 年代之后，我国v t s 建设进入了一个快速发展期，截至2 0 0 7 年l o 月， 我国沿海及长江水域建成并已正式运行的s 系统( 中心) 有2 5 个，正在规划和建 设的还有1 0 余个，共设置雷达站8 6 个，覆盖水域达到8 4 3 0 0 平方公里。我国已成 为世界上建成s 最多的国家，占全世界v t s 系统总数的1 3 以上。v t s 己成为 海事部门实施水上监管和实现监管现代化的不可缺少的重要手段，在保障船舶交通 安全，特别是改善通航秩序、提高交通效率等方面发挥了极其重要的作用【5 】。 近5 年来，a i s 作为一种新型的水上安保系统，已进入实质性的强制安装普及 阶段。2 0 0 3 年1 2 月，中国海事局开始全面启动a i s 建设，建成了渤海湾、长江口、 珠江口、琼州海峡岸基a i s 6 1 。2 0 0 4 年海事系统工作会议确立了“到2 0 2 0 年基本建 成全方位覆盖、全天候运行、快速反应的现代化水上交通安全保障系统 的战略目 标【7 1 。2 0 0 5 年，我国己完成沿海a i s 骨干网建设，建成a i s 基站5 0 个，作用距离 4 0 6 0 海里，基本覆盖中国沿海及长江江苏段的主要港口和重要水域【6 1 。a i s 系统在 f 通信信道采用自组织时分多址技术哺1 ( s d f - o r g a n i z c dt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，s o t d m a ) ，实现相邻船舶之间的数据动态交换，在实施船舶导航和船舶通 信，及较少船舶碰撞等方面起到至关重要的作用，从而保障了船舶的安全运行和长 效管理【9 1 。 0 3 年以来，我国开始对传统视觉航标开展信息化遥测监控的研究工作，如利用 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 、无线通信技术( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ，g p r s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a 等) 和地理信息系统( g e o g r a p h i c 绪论 i n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 技术研究的船舶监控系统【1 0 - 1 4 】；利用g p s 定位、卫星通 信和g i s 技术研究的远洋船舶监控系统【1 5 】；在通信不畅的地区，利用g p s 定位、 北斗世广卫星通信和g i s 技术研究的船舶监控系统【4 】【1 6 】；实现了船舶的动态监控和 信息共享。 0 6 年，文献 1 7 】研制的船舶动态监控系统，使用d g p s 对船舶实现高精度定位， 利用a i s 技术获取整个海区内所有装配a i s 设备的船舶的实时动态信息，再以适当 的比例将这些信息显示在电子海图上，并将这些有用的信息进行压缩编码，通过 g p r s 网络送入企业内部网络。然后，企业内部网络将得到的数据进行解析处理， 再存入数据库中。 0 8 年，文献 1 8 】在对目前国内外船舶交通管理理论和技术应用现状进行了充分 了解和分析的情况下，结合实际需要，提出了智能船舶交通管理系统( i n t e l l i g e n t v e s s e lt r a f f i cs e r v i e e s ，i v t s ) ，它不仅能完成现有的船舶交通管理和服务工作，更 能提供智能分析和专家辅助决策支持，并在事故预防、应急反应、救助打捞等安保 方面提供更多帮助。文献【1 9 研制的基于光电技术的新c c t v 监控系统弥补了v t s 盲区的检测能力不够的限制，其提供了准确而清晰的航道视频信息，使管理人员及 时客观地了解水上交通的现场状况，以便能够正确、迅速地采取有效的应对措施。 0 9 年，文献 2 0 为解决内河及沿海非公约适用船舶的避碰和安全航行问题，弥 补基于v h f 通信方式的a i s 系统的不足，提出了基于公共无线网络移动口的船舶 自动识别模型- m 口a i s ，能够满足当前沿海和内河船舶的自动识别需求，功能 和性能均能满足国际标准。 水上安保系统包括软硬件系统、基础设施、辅助信息、法规标准等多方面，以 g i s 为平台，集成g p s 技术、数据处理技术和通讯技术，获取船舶、助航设施的动 态数据信息，为保障上水交通安全提供基础信息支持。软硬件系统包括软件系统、 硬件支持平台、通讯链路；基础设施包括各种航行安全保障设施，如a i s 、v t s 、 s r s 、d g p s 、c c t v 、水文潮汐、气象观测、海道测量、传统航标等；辅助信息包 括从社会上获取的各种信息，如港口、航道设施及发展规划信息等；法规标准包括 统一的数据格式、信息对外发布管理办法等。 目前，水上安保系统的基本构成如图1 所示【2 1 1 - 2 6 】，由远程终端( r e m o t e t e r m i n a lu n i t ，i 测) 、g i s 客户端和服务器等组成。其基本工作原理是是利用g p s 天线和接收模块获得r t u 的定位数据( 经纬度) ，通过传感器采集r t u 的工作状态 福建师范大学吴燕硕士学位论文 和各类参数，而定位信息和状态参数经过嵌入式微处理器处理后，通过g p r s g s m 模块按照预先设定的方式和时间传送到服务器，服务器采用收发设备、d g p s 技术 对这些信息进行收发、解析处理，再经网络通信送至g i s 平台进行适当的处理、交 换、整合，直观地显示在电子海图上，并提供检索、统计、打印和分析等功能，同 时，服务器还负责r t u 和用户的管理及对r t u 进行遥控( 设置r t u 的参数、控制 灯亮灭等) 。这种组件式结构，具有良好的通用性和可扩充性。 磐；吣盆盘禽爹r r 、v 无线通信 g p r s g s m 公网 躲一烹 输n ；一 息 滓译 固准站 图1 水上交通监控系统的大体框图 f i g 1s c h e m a t i co fw a t e rt r a f f i cm o n i t o r i n gs y s t e m 3 研究内容 针对目前水上安保系统存在的一些问题，主要解决以下的关键技术问题： ( 1 ) 分布式测控终端系统的设计 目前，水上安保系统的测量参数越来越多，有模拟量、有数字量，还有多种灯 器的测量参数，如旋转周期、灯泡数量等；这些设备类型、测量参数、灯器类型、 控制机构和使用环境上的巨大差异，给远程终端的适用性设计带来了很大的障碍， 因此本文研究分布式测控终端的设计方案，采用主从分布式设计远程终端，及功能 类型化设计远程终端的内部前端采集控制器，提高远程终端的适用性。 ( 2 ) 基于特征字符集的数据帧多协议解析方法 因水上安保系统的参数繁多，设备类型复杂，且这些设备的数据协议均有差异， 这无疑增加了数据流的解析和转换处理的难度。本文采用基于特征字符集的数据帧 多协议解析方法设计服务器，以解决设备类型差异带来的多种设备数据协议的兼容 性问题，使服务器的数据解析具有良好的通用性、适用性和扩充性。 ( 3 ) 系统的故障诊断 绪论 一旦水上安保系统的终端发生故障，其维护工作量、维护周期和维护费用将是 一个非常严重的问题，且严重影响着船舶的安全运行，因此提高系统的可靠性和稳 定性是水上安保系统的重点研究方向。本论文针对实际中出现设备异常状态如电压 异常、灯质异常等故障，实施水上安保系统的故障诊断研究。 福建师范大学吴燕硕士学位论文 6 第1 章系统的总体设计方案 第1 章系统的总体设计方案 1 1 需求分析 水上安保系统作为船舶航行安全的重要保障，其主要用于自动监控远程终端的 工作状态和参数，使水上安保系统的管理人员能够及时地掌握水上安保系统的运行 状态并作出相应的措施。本文研究的水上安保系统应能达到以下几项功能： ( 1 ) 远程终端 数据采集：自动采集r t u 的工作状态和参数，如电压、电流，工作环 境温度，位置信息等，并进行相应的处理，如解析、组包、分包、校验和存储 等。 响应服务器的命令，定时、定序的打包r t u 的数据信息并上传给服务 器，并按照设置指令的要求，自动实现对r t u 的工作状态的遥控。 具备数据存储功能 具备多参数配置功能 ( 2 ) 服务器端与g i s 客户端 用户管理：包括用户的创建与删除，登录与注册，以及用户密码修改等。 数据查询和统计：可以通过登录系统查询各个r t u 的状态信息，如当 前的工作状态、历史数据信息、维护信息等，并可以打印相应的报表信息。 与r t u 进行通信，接收r t u 的状态信息，并对这些信息进行管理，建 立动态数据库，生成各种报表供用户查询以及打印。 可通过无线通信网( g p r s g s m ) 发送控制命令对各个r t u 进行遥控。 数据诊断和报警，能对r t u 的状态信息进行自动诊断，将故障及时地 告知管理人员。 远程终端的工作模式分为： ( 1 ) 定时发送模式：指在规定的时间内，定时给服务器上传终端的实时数 据；每次上传数据给服务器的时间间隔存储在远程终端的e e p r o m 中，此时 间的间隔大小可以通过软件来设置。 ( 2 ) 响应指令模式：指由远程终端在接收到服务器的设置指令时，响应此 指令并向服务器发送响应后的结果。 福建师范大学吴燕硕士学位论文 1 2 系统方案 系统由远程终端、无线通信、服务器、网络通信、g i s 客户端等组成，如图1 1 所示。 远程终端 图1 1 整体设计框图 f i g 1 1s c h e m a t i co f i n t e 耐d e s i s n 此系统可实现远程测量和控制的功能，符合分布式测控系统的特点：不仅可实 现集中监测、集中管理、集中操作、控制分散、危险分散及各个终端地理位置的分 散，还能完成整个系统的数据采集、过程控制、监控管理、运行显示等功能上的相 互分散、独立【2 7 】。其各部分的功能如下； 前端采集控制器：负责数据的采集，如现场传感器检测灯塔的工作状态及各种 参数，定时上传数据，响应服务器的设置指令等。 主控制器：实现前端采集控制器与服务器的数据、指令的传输通信。其与前端 采集控制器之间采用r s 4 8 5 现场总线进行通信；与服务器的通信，则定时通过 m o d e m 模块将数据发到移动通信基站，而移动中心再通过专网g p r sv p n g s m 将 数据传给服务器。 无线通信：实现主控制器与服务器的通信事务，采用g p r sv p n 专网与服务器 通信；当网络信号质量差的时候，采用g s m 短息作为辅助的通信手段，这种公网 的选择，可充分利用公共资源，就监测数据较短的特点，短息服务的1 4 0 字节可满 足数据传输要求，针对少数较长的数据可进行拆包处理。 服务器：采用v b 6 0 开发环境+ 大型关系数据库o r a c l e 技术实现功能，通过g p r s 或g s m + 前置机，实现与r t u 的通信，其负责将r t u 送来的数据进行数据转换， 存入o r a c l e 数据库中，并将参数送至界面显示，并将最新数据通过i n t e r n e t i n t r a n e t 网络发送给g i s 客户端；同时，可以通过此服务器的人机交互界面对r t u 的工作 第1 章系统的总体设计方案 状态和参数进行查询、设置等操作。 g i s 客户端：使用美国环境系统研究所( e n v i r o n m e n t a ls y s t e m sr e s e a r c h i n s t i t u t e ，e s r 0 的a c t i w x 地图控件m a po b j e c t 2 0 进行地图管理，通过 i n t o r n e t i n t r a n e t 网络的t c p 协议进行通信。其将数据库中的最新数据显示在与地理 位置对应的电子海图上，能提供检索和分析数据的功能；同时，也可以对r t u 的工 作状态和参数进行查询、设置等操作。 在图1 1 中，r t u 无疑是整个系统的基础平台，其适用性直接影响着整个系统 的可靠性。而本项目存在设备的测量参数及设备繁多、灯器类型差异巨大等特 点，给r t u 的开发、管理及维护等带来极大的困难，如r t u 的开发周期长、可用 性差、维护工作量大、成本高等问题。因此本文在现有水上安保系统的应用状况和 研究基础上，吸取优点，弥补不足，采用主从分布式设计r t u ，及功能类型化设计 r t u 的内部前端采集控制器，提高r t u 的适用性。采用基于特征字符集的数据帧 多协议解析方法处理多参数、多终端、多灯器类型带来的多协议问题；针对实际中 设备异常状态如电压异常、灯质异常等故障，采用基于规则推理、模糊识别的方式 实施系统的故障诊断。 福建师范大学吴燕硕士学位论文 1 0 第2 章分布式测控终端的设计 第2 章分布式测控终端的设计 2 1 系统设计方案 如图2 1 所示，r t u 由主控制器、前端采集控制器( 模拟型、蓄电池型、数字 型、协议转换器等) 和r s 4 8 5 现场总线构成，每个前端采集控制器都有独立的微 处理器，与主控制器的通讯互不影响，不会因某个前端采集控制器的故障而使整个 r t u 失去控制，不仅能提高系统的可用性，更便于维护。 主控制器 i 塔- 4 8 5 前端采 集控制器 f 心s sl 蹦l 呦：h i l l 月且 i 皿讯且兰e 【r s _ 4 e 5 jf 羊斌上再五i 、 霄t 广竹 t r 蕾霭器 图2 1r t u 的系统结构框图 f i g 2 1t h es c h e m a t i co f r t us y s t e ms t r u c t u r e 主控制器：负责定时、定序向前端采集控制器发送测控( 查询和设置) 指令， 并接收返回的应答数据，通过g p r s g s m 完成与图1 1 中的服务器通讯。 r s 4 8 5 现场总线：采用两线制就可实现点对多点的双向通信，构成分布式系统， 网络接线简单、抗干扰性能好、易维护等特性【2 8 】。因此选用半双工模式通信的r s 4 8 5 现场总线完成主控制器与前端采集控制器之间一主多从的通讯，结合m o d b u sa s c i i 通信协议，消息以冒号字符( a s c 码是3 a h ) 开始，以回车换行符结束( a s c 码是0 d h 和o a h ) 。 前端采集控制器：负责数据的采集，如现场传感器检测灯塔的工作状态及各种 参数，响应测控指令等。其中，模拟型主要测量主备灯的工作电压、主备灯的工作 电流、太阳能电池板的电压、环境温度及中间变量( 如工作时间、故障时间的累计 等) 等；蓄电池型主要测量数量繁多的蓄电池单体电压；数字型主要测量主备灯的 工作状态( 如亮或灭、旋转或非旋转等) 及控制主各灯的运行( 如控制灯亮或灭、 是否旋转等) 、蓄电池组的充放电状态等；协议转换器则主要负责对不同协议的各类 外围设备( 如雷达应答器、l m 3 0 0 型灯器等设备) 进行数据的协议转换，即将其外 福建师范大学吴燕硕士学位论文 围设备的数据转换成符合与主控制器通信的协议数据格式，完成主控制器与各类外 围设备的动态数据交换。 2 2 软件开发平台 本项目采用汇编语言编写部分与硬件相关的程序代码，最大限度地发挥硬件的 功能，能够根据特定的应用，而对代码做优化处理，从而提高程序的运行速度【2 9 1 。 软件开发的主体部分采用c 语言编写程序代码，如波特率的设置、资源重要变量的 初始化、数据的解析处理等，具有项目开发周期短、可读性强、可移植性好等特点 【3 0 1 。主控制器结合a d sv 1 2 开发环境实现软件设计；前端采集控制器( 模拟型、 蓄电池型、数字型) 结合m p l a b 开发环境实现软件设计；而协议转换器结合 u c o s i i 抢占式实时多任务操作系统、a d sv 1 2 开发环境实现软件设计。 2 3 主控制器 2 3 1 主控制器硬件设计 主控制器的硬件框图如图2 2 所示，嵌入式微处理器选用a r m 7 架构的 p h i l i p sl p c 2 3 6 8 ，片内资源丰富，自带的j t a g 接口可用于程序的单步调试及在 线烧写；串口0 用于调试和现场在 线升级( l p c 2 3 6 8 自带高达5 1 2 k b 的i s p l 廿f l a s h ) ，串口1 接m o d e m 模块，用于g p r s g s m 通讯，可实 现数据的传输及远程在线升级，通 过g p r s 网路传输相关升级程序代 码，具有断点续传功能，可降低系 统的维护成本洲；串口2 接g p s ， 主要用于终端的经纬度定位和授时 亘匠卜 虽叵 卜一a i 洲 匹圃仁目 l 外部看门狗i 擘= 司 图2 2 主控制器的硬件框图 f i g 2 2t h eh i t r d w m es c h e m a t i c o f m a i nc o n t r o l l e r ( 若终端未安装g p s 或g p s 工作异常，由a r m 7 内部的时钟自动接管，保证程序 正常运行) ；串口3 接r s 4 8 5 现场总线，用于连接前端采集控制器，可实现主控制 器与前端采集控制器的动态数据交换：外接e e p r o m 保存终端的有关配置信息如 远程口、历史数据等；外部看门狗功能的屏蔽和激活受控于微处理器，无需增加额 外芯片，具有结构简单、可靠性高等特点【3 2 1 。若微处理器处于升级维护、在线烧写、 低功耗模式等状态则屏蔽看门狗的功能；若微处理器处于程序正常运行状态则激活 第2 章分布式测控终端的设计 票一票 福建师范大学吴燕硕士学位论文 2 3 2 2 限时服务 结合嵌入式的中断机制，实施多任务架构的软件体系有许多的优点，如调度的 灵活性，程序的易读性、可扩展性等，但也存在一些问题，如同任务在执行时间 上，不加以约束；则容易因某个任务出现异常，而导致所使用的资源互相干扰，以 至于影响系统的正常运行【3 3 】【3 4 1 。因此，必须对多任务进行限时服务。 限时服务的设计流程如图2 4 所示，为每个需要限时操作的任务独立分配计时 单元和运行标志位，在定时中断服务程序中，依据任务标志位的状态独立计时；在 主程序循环中，任务的限时判断模块独立于原任务处理模块，对任务运行的时间进 行判断，如果任务运行时间超过了正常情况下最大运行时间，则将任务所使用的有 关资源恢复到任务开始前的初始状态，供下一次任务使用，从而实现了对任务的限 时服务，避免了任务之间的干扰。 图2 4 限时服务的设计流程图 f i g 2 4t h ed e s i g nf l o wc h a r to f l i m i t e ds e t v i c 圮 2 3 2 3m o d e m 模块 图1 1 中的主控制器与服务器之间的无线通讯采用g p r s 、g s m 两种通信方 式，以o p r s 为主要的通信方式，在移动信号较差的地方，才主动转为g s m 通信 方式。如图2 5 所示，为g p r s 的连接流程。 步骤说明如下： 步骤1 0 1 ：选择连接类型，如a t s i c s = 0 ，c o n t y p e ，g p r s 0 ： 步骤1 0 2 ：检测回送的应答信息，若未成功，延时后重新发送该指令； 第2 章分布式测控终端的设计 步骤1 0 3 - 选择类型的a t 指令最多发送3 次，超过次数仍未有正确的应答，就 选用默认值，进行下一步操作； 步骤10 4 ：配置a p n ，如a t s i c s = 0 ， a p n , c m n e t ： 步骤1 0 5 ：设置打开的服务类型 s o c k e t ，如a t s i s s = 0 ，s r v t y p e ，s o c k e t 及配置通讯的服务器地址，包括远端口， 远端端口号如a t a s i s s = 0 ，a d d r e s s ，s o c k t c p ：s h h b c v i c p ：n e t ：l3 0 0 ： 步骤1 0 6 ：打开i n t e r a c t 服务，如 妪a s i c s = 0 ； 步骤1 0 7 - 检测回送的应答信息： 步骤1 0 8 ：若应答g p r s 连接成功， 输出提示信息，如”g p r sl i i l ko k x r x a t 步骤1 0 9 ：若应答g p r s 未连接成功， 输出提示信息，如”g p r sl i n kf a i l ! ! ! 。 采用g p r s 模式发送数据的流程如图 图2 5 g p r s 的连接流程图 f 嘻2 5t h ed v s i g nf l o wc h a l to f g p r sc o n n e c t i o n 2 6 所示，由于g p r s 在一定时间内没有进行通讯时，连接会自动断开。因此，在 每次发送数据之前，都需要检查是否支持g p r s 服务，此时g p r s 是否处于在线状 态，若不在线，则需要重新连接；虽然g p r s 支持全双工通讯模式，但为了通信的 可靠性，还需检查g p r s 是否处于空闲状态，若是，则可发送缓冲区中的数据。 采用g s m 模式发送数据的流程如图2 7 所示，由于短信的长度有限制，在每 次发送数据之前，都需要检查数据的长度是否超过1 4 0 字节，若超过，则只截取前 1 4 0 字节的数据，然后对这些数据进行适当的编码，发送信息的次数最多为3 次， 不管发送成功或失败，均会输出相应的提示信息。 福建师范大学吴燕硕士学位论文 图2 6g p r s 模式发送数据的流程图 f i g 2 6t h ed e s i g nf l o wc h 眦o f s e n d i n gd a t ao f g p r sm o d e 2 3 2 4e e p r o m 配置 图2 7g s m 模式发送数据的流程图 f i g 2 7t h ed e s i g nf l o wc h a r to f n d i n gd a t ao f g s mm o d e 对于一个完整的软件来说，软件的配置信息是一个必不可少的组成部分，它有 助于提高软件的通用性、可操作性、灵活性和可维护性【3 5 1 。 嵌入式使用e e p r o m 实现的 配置流程如图2 8 所示，系统读取 配置信息的方法有三种【3 6 】：第一种 是在e e p r o m 失效后，程序可以 提供默认配置数据，以保证系统能 够正常运行；第二种是需要检查 e e p r o m 中指定地址区域是否写 有特殊标志( 类似于w i n d o w s 系统 的检查文件是否存在) ，如果特殊标 图2 8 e e p r o m 配置流程图 f i g 2 8t h ed e s i g nf l o wc h a r to f e e p r o mc o n f i g u r a t i o n 志存在，就说明e e p r o m 保存了配置数据，进行读取操作：第三种是如果没有特 殊标志，需要把默认配置写入到e e p r o m 中，作为软件运行的依据，同时，把特 殊标志保存到指定地址，标识系统已经配置。 第2 章分布式测控终端的设计 2 3 2 5 串口通讯 串口接收数据的流程如图2 9 所示； ( 1 ) 进入串口接收中断后，说明至少接收到一个以上的字符； ( 2 ) r x b u s y t i m e r 设置非零，说明正在接收状态； ( 3 ) 队列f i f o 后移，需要判断是否超过队列的最大范围： ( 4 ) 需要判断是否队列满； ( 5 ) 根据上述判断结果进行相关处理、设置相关标志位。 图2 9 串口接收数据的流程图 f i g 2 9t h ed e s i g nf l o wc h a r to fs e r i a lr e c e i v i n gd a t a 2 3 3 通讯流程 2 3 3 1 主控制器与服务器之间的通讯 ( 1 ) 服务器一主控制器 主控制器解析服务器指令的流程图如图2 1 0 所示，首先找到起始符和结束符 来确定是否是一条完整的数据包，然后判断一些重要的控制位( 如校验位、地址域、 包m 等) 是否有效，进而将此数据包放入缓冲区中，直到所有的数据包都接收完 成，才根据功能码进行相应的处理。如图2 1 1 所示为设置主控制器的自身参数的 处理流程图。 福建师范大学吴燕硕士学位论文 图2 1 0 主控制器解析服务器的数据流程 f i g 2 1 0t h ed e s i g nf l o wo f t h e m a i nc o n t r o l l e r 锄a l y 3 i sd a t ao fs e r v e r ( 2 ) 主控制器j 服务器 要实现主控制器与服务器的动态数据 交换，须将主控制器自身参数、前端采集 控制器的数据打包发送给服务器。因要配 合g s m 通信，所以，每包数据的最大字 节数为1 4 0 个，若数据的长度超出此范围， 则进行分包处理。 打包数据说明：为了便于解析处理， 主控制器的数据为一包，如图2 1 2 所示； 一个模拟型蓄电池型前端采集控制