（通信与信息系统专业论文）基于gprs的环保网络信息数据传输系统研究.pdf

中北大学学位论文 基于6 p r $ 的环保网络信息系统研究 摘要 人类对生存环境直非常重视，目前已经有了许多环境监测手段。处理分布在各处 环境监测点的数据传输问题一直是构建环境监测系统的难点。传统的通信方式都存在着 需要投入庞大的建设、运营费用高且难于维护和扩展的问题。而现在的g p r s 网络正是 一种数据传输速率高、覆盖范围广、实时在线、稳定的通信方式。针对这些问题，基于 g p r s 网络这种高效，可靠的通信通道，本文设计了一套环保网络信息系统对环境进行 实时监控。 根据现有监测网络情况，本文设计了基于g p r s 环保网络信息系统的总体结构，研 究了其实现方案。该系统主要由监控中心和采集终端通过i n t e r n e t 和g p r s 网联系起来 以实现通信。信息系统包括控制中心系统、传输系统、数据库系统、和信息发布系统等， 能实现数据的传输、存储、处理以及发布。采集终端通过g p r sm o d e m 将数据发送到g p r s 网上。本系统采用的g p r sm o d e m 内嵌了完整的t c p i p 协议，并提供标准的r s 一2 3 2 串 行接口，用户可以通过此接口使用a l 命令来完成对模块的操作。针对本系统采用的通 信方式，本文还研究了相关的g p r s 通信协议。 监控中心的软件采用了功能强大的c + 十b u i l d e r 编写，主要利用其负责管理服务器 端的s o c k e t 连接的s e r v e rs o c k e t 控件来进行数据的传输，完成了监控软件的初步设 计。通过调试本系统实现了数据的即时收发，达到了预期目标，证明了本系统的可行性。 关键词：g p r s ，环保网络信息系统，a t 命令，c + + b u d e r 主j ! 查兰堂垒堡茎 e n vir o n m e n t alp r o t e c t io nn e t w o r k in f o r m a tio ns y s t e m b a s e d0 1 3g p r s a b s t r a c t t h eh u m a np a yc o n t i n u o u s l ya t t e n t i o nt o t h es u r v i v a le n v i r o n m e n ta n da t d r e s e n ta i r e a d yh a so w n e dm a n ye n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gm e t h o d s f o ral o n gt i m e , h o wt od e a lw i t ht h ed a t at r a n s m i s s i o ni nt h ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o t i n gs y s t e m d i s t r i b u t e di ne a c he n v i r o n m e n tc h e c k i n gp o i n ti sad i f f i c u l tp r o b l e m t h e r e a r es o 【ed r o b l e m si nt r a d i t i o n a lc o m m u n ic a t i o n s ， e g h u g 色i n v e s t i g a t i o no f c o n s t r u c t i o n ，h i g ho p e r a t i o ne x p e n s ea n dt h ed i f f i c u l t i e si n t h em a i n t a i n i n g a n de x d a n s i o n b u t t h ep r e s e n tg p r sn e t w o r k is p r e c is e l y o n ek i n do fd a t a t r a n s m i s s i o nw i t ht h ea d v a n t a g e so fh ig hs p e e d ，b r o a ds c o p e ，o n l i n e ，a n ds t a b l e 】r lv i e wo ft h e s eq u e s tj o n s ，t h i sa r t i c l ed e s i g n e d o n ek i n do fe n v i r o n m e n t a l d r o t e c t i o nn e t w o r ki n f o r m a t i o ns y s t e m t oc a r r yo nt h ee n v i r o n m e n tr e a l t l m e m o n it o r in g a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gm o n i t o rn e t w o r ks i t u a t i o n ，t h i s a r t i c l eh a s d e s i g n e da n ds t u d i e dt h er e a l i z a t i o np l a n b a s e do nt h eg p r se n v i r o n m e n t a l d r o t e e t i o nn e t w o r ki n f o r m a t io ns y s t e m t h ec o r r e s p o n d e n c ow a sr e a l i z e db yt h e r e l a t i o nb e t w e e nt h ei n t e r n e ta n dt h eg p r sn e tw h i c ha r em a i n l yc o n n e c t e dw i t h t h em o n i t o r i n gc e n t e r a n dg a t h e r i n gt e r m in a l t h i si n f o r m a t i o ns y s t e m h a s i n c l u d e dt h ec o n t r o lc e n t e rs y s t e m ，t h et r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h ed a t a b a s es y 8 t c m ， t h e n f o r i i 】a t i 。nd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，a n df r o mt h e s es y s t e m s ，d a t at r a n s m i s s i o n ， m e 【o r va n dd r o c e s s i n gc a nb er e a l i z e d t h ed a t aw e r e t r a n s m i t t e dt ot h eg p r s t h r o u g hg p r sm o d e mb yt h eg a t h e r i n gt e r m i n a l f h i ss y s t e mu s e sg p r sm o d e m w h i c h h a se m b e d d e di n t e g r i t yt c p l pp r o t o c o la n dp r o v i d e st h es t a n d a r dr s 一2 3 2s e r i a l 中北大学学位论文 i n t e r f a c e ，s ot h eu s e r sc a nc o m p l e t et h em o d u l eo p e r a t i o nw f t ha te o r n m a n dt h r o u g h t h es e r i a l n t e rf a c e i nv i o wo fc o m m u n i c a t i o n su s e di nt h i sa r t i c l e ，w eh a v e s t u d ie dt h er e l a t e dg p r sc o rr e s p t m l d e n c ep r o t o c 0 1 a d o p t i n gt h ep o w o r i l u ic + + b u i l d e ri nm o n i t o r i n gc e n t e r ，w em a i n l yu s et h e s e tv e rs o c k e tc o n n e c t e dh y t h es o c k e t ，w h i c hi sr e s p o n s i b l ef o rm a n a g i n gt h e s e r v e r ，c a r r y i n go nt h ed a t at h et r a n s m i s s i o na n dd o i n gt h ep r e l m in a r yd e s i g n t om o n i1o rs o f t w a r e t h r o u g hd e b u g g in gt h i ss y s t e m ，t h ed a t ar e c e i v i n ga n d d i s p a t c h i n gw e r er e a l i z e di n k e dl a t e l y ，a c h i e v i n g t i l ea n t i c jp ar e dt a r g e ta n d p r o v i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h i ss y s t e m k e y w o r d ： g p r s ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nn e t w o r k i n f o r m a t i o ns y s t e m ，a t c o m m a n d ci b u i l d e r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，悬本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的法律责 主由本人 承担。 论文作者签名：i i i i ! 逸! 日期：一五盈一! l 一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印绺：学校可 以采用彩印、缩印或其它复制手段复制并缳存学位论文；学校霹允许学 位论文梭查阅或借澜：学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全郝或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名：一叠i 璧主垒二一一日期：丝互：生生一 导师签名：一j 珐：v 苣 i 啊日期：一拯i ：； 一 中北大学学位论文 1 1 背景介绍 第一章绪论 环境监测是指人们对影响人类和其他生物生存和发展的环境质量状况进行监视性 测定的活动。它是通过对环境质量某些代表值进行长时间的测定，以掌握环境污染状况 和判明环境质量的好坏。环境保护是我国的一项基本国策。党的十六大明确了全面建设 小康社会的奋斗目标，把增强可持续发展能力、改善生态环境作为全面建设小康社会的 四项重要目标之一“。 为治理环境，保护环境，维护生态平衡，不但需要依法治理，还需要严密、科学、 先进的环境监测技术。因此，开发一套环保远程网络系统，对环境污染源进行实时监控， 不但可以遏制环境污染的发生，而且可以为政府部门做出正确决策提供一些科学依掘； 同时，可以方便污染排放单位看到自己对环境造成的后果，从而适当调整策略，减少污 染，共同促进对环境的保护，维护生态平衡。 针对上述情况，本课题开发研制了这套“基于g p r s 的环保远程网络信息系统”， 环保网络信息系统监测监控的点有几万个，采用其它任何通信方式，将这几万个点同控 制中心连接起来，投资都非常巨大，并受环境条件的限制。g p r s 网是国家搭建的公用 无线传输平台，利用这个平台，省去了主要的通信设备，不需要多大投资、不受环境和 地域的限制，就可以将整个系统连接起来。所以本系统提供的是种基于g p r s 的远程 监测监控系统技术方案，它可以大大降低环保监测监控系统的数据传送成本。设计的技 术方案是：基于g p r s 的远程监测监控系统包括：多个设置于数据采集点的数据采集和 发送装置，一个控制中心，其工作流程是：数据采集点将采集到的温度、湿度、气压、 污染指数等数据通过发送装置发到g p r s 网，通过g p r s 网将数据传输给i n t e r n e t 网络 再传输到控制中心，控制中心也通过g p r s 网及i n t e r n e t 向各数据采集和发送装置发送 控制数据。由于g p r s 按数据流量收费，根据中国移动通信集团公司2 0 0 4 年报价，包月 最高限价是2 0 0 元。而被测点的数据流一般只有几个字节，所以费用很低，并且可以实 时在线。由于g p r s 网是国家公网，用户没有建设投资和维护费用。g p r s 传输数据可靠 中北大学学位论文 很高，所以，应用本设计既安全可靠又经济。 本系统的开发必将为环保设备及排污指标的管理监控系统化、标准化、自动化起到 一定的作用，为环保部门及时掌握有关企业的环保设备工作状况及污染物的排放情况， 为各种管理和决策提供可靠的数据。使企业污染物的排放量控制在规定的指标内，为基 本控制控制环境污染和生态破坏做出贡献。 1 2 国内外发展现状 西方发达国家的现代环境信息系统建设始于6 0 年代中期，到7 0 年代末这些国家几 乎都建成了为环境管理提供支持的环境信息系统。美国在先进的通信技术和计算机技术 的基础上，建立了各种环境数据库，实现了采集、管理、共享的高度协调发展。美国的 环境数据库包括：大气( a i r s ) 、水( w a t e r ) ，处理( t r e a t m e n t ) 等数据库。美国的信息系 统的数据覆盖面非常广、所能提供的服务功能强、访问的方式也多种多样，但对使用者 的要求较高。系统过于分散复杂、缺乏统一性。另外西方些发达的工业国家在环保监 控方面和数据传输通信方而的技术非常先进。但这类的设备价格比较昂贵，而且体积比 较庞大，需要专业维护，这些产品不符合我国的环保体制和经济发展状况“1 。 科学技术的迅猛发展，使许多国家都建立了立体环境监测系统第三世界的诸多国 家也都相继建成或正在建设现代化的能够长期业务运行的监测站或设备，其主要特点 是： ( 1 ) 将其他领域大量的新技术和新成果及时的注入海洋监测技术中，如微电子技 术、计算机技术、现代通讯技术等。 ( 2 ) 主要环境参数都实现了自动监测能够提供各种实时监测资料数据。 ( 3 ) 模块化、集成化和网络化的原理设计自动监测系统，便于操作和管理。 对于我国环境监测系统的发展，该类系统在项目指标、综合能力、可靠性、稳定性、 通用性等方面与国外同类产品之间存在着一定的差距。环境系统的数据传送方式追寻老 路子，成本大，消耗多，监测范围也受到众多因素的限制“1 。 2 中北大学学位论文 13 远程监测系统的通信信道 目前的远程监测系统的通信信道主要包括监控中心与集中器的通信信道和集中器 与采集终端的通信信道。系统采用分布式体系结构，这种结构分上下两层：底层( 集中 器与采集终端之间或采集终端与传感器之间) 数据的采集采用总线型结构；上层( 监控 中心与集中器或采集终端之间) 数据的采集采用星型结构“i6 “。 1 底层总线型通信方案 总线型通信方式是以一条串行总线连接各分散的采集器，实现各节点的互连。特点 是信道上节点较多，传输速率低( 与通信介质有关) ，传输距离短，不超过2 0 0 0 m ，因此 一般用于底层数据的采集。常用的模式有低压电力线载波通信、r s4 8 5 网和现场总线 等。 ( 1 ) r s4 8 5 网 e i ar s4 8 5 是c c i t t 标准化v 1 1 x 2 7 兼容的平衡式电气特性标准。该标准采 用集成电路，在一对平衡的互连电缆上传送差分信号，在接收端用差分接收器进行信号 判决。这种接口具有抑制共模干扰的能力，因此抗干扰性能很好，信号发送频率最高可 达i o m h z 。在使用双绞线，信号速率小于l o o k b p s 时，传输距离可达1 2 0 0 m ，通过中继 器还可以延伸传输距离、扩展系统。r s 一4 8 5 接口在一个通道上可进行半双工通信，所 以只需两根线便可双向通信，并可方便地构成一点对多点或多点之间的相互通信网络， 一般使用双绞线作为网络总线。总线上挂接的节点个数因选用的接口驱动芯片而异，最 多可接1 2 8 个节点。对要求较高的系统可考虑选用带光电隔离的、抗雷电及抗静电放 电冲击的收发器，在进行系统设计时应综合考虑这些因素。 ( 2 ) 低压电力线载波通信 低压电力线载波通信利用低压电力线作为系统前端的数据传输信道。基本原理是： 在发送数据时，先将数据调制到高频载波上，经功率放大后耦合到电力线上。此高频信 号经电力线路传输到接收方，接收机通过耦合电路将高频信号分离，滤去干扰信号后放 大，再经解调电路还原成二进制数字信号。电力线载波直接利用配电网络，免去了租用 线路或占用频段等问题，降低了传输成本，有利于运营管理，发展前景十分广阔。但是， 如何抑制电力线上的干扰，提高通信可靠性仍是亟待解决的问题。 3 中北大学学位论文 ( 3 ) 现场总线 底层电能数据的采集，除了采用低压电力线载波通信和r s 一4 8 5 网外，还有采用 c a n 、l o nw o r k s 等多种现场总线，特点是适合多种通讯介质，网络拓扑结构灵活，在通 讯速率、距离和可靠性上都有较强的优势，但其价格稍贵，目前国内已在此行业推广应 用，有较好的发展前景。除了远程监测领域，现场总线技术还广泛地应用于智能建筑、 工业控制、电力自动化、安全防范等领域。 2 上层星型通信方案 星型通信系统是以安装在供电部门管理中心的系统工作站为中心点，以发散的形式 分别通过通信信道与分散于各台变区域的集中器或采集器连接，形成一对多的连接形 式。特点是信道的通信数据量较大，要求有一定的传输速率和带宽。根据信道的介质可 分为光纤、电话线和无线三种模式。 ( 1 ) 光纤通信网 光纤通信具有很多优点，如频带宽、传输速率高、传输距离远，以及高抗干扰性等特 点，非常适合上层通信网的要求。因为光纤本身难以实现t 形连接，不能实现总线结构 ( 除非采用光纤环网技术) ，因此特别适合于星型连接。由于目前星型连接节点造价高，安 装费用也比较高，在远程监测系统中无法采用。随着光纤技术和网络的发展，不久以后在 远程监测系统中借用其它现有光纤通信网进行上层通信将是一种很好的选择。 ( 2 ) 电话线网 由于电话网在城镇的迅速普及，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管理中心主机各加装调制解调器( m o d e m ) 即可，其通信速率可达2 4 k b p s 、9 6 k b p s 甚至5 6 k b p s 。主机对集中器的呼叫可以通 过拨号由交换机自动完成，也可以租用专线，但费用较高。租用电话线方式进行数据通 信时，线路续按( 包括呼叫应答等) 时间较长，通常需几秒到几十秒。这一方面使得管理中 心无法对用户实时监控；另一方面当集中器数目较多时，租用电话线路多，其租用费用也 很可观，因此不适合大容量系统。 ( 3 ) 无晒信网 远程环保监测系统的无线通道可采用无线电台、c d p d 无线移动数据通信网、g s m 全球通信移动系统、c d m a 无线接入系统等。 4 中北大学学位论文 ( a ) 利用无线电波进行无线通信，对于范围广、布局分散的集中器进行数据通信， 是一种较好的选择。其特点是传输频带较宽，通信容量较大( 可达几千台) ，通信距离 长( 一般几十公里，还可通过中继站延伸到更远) 。使用这种通信方式，安装调试方便， 主要缺点是需申请频点使用权，如果频点选择不合理，相邻两个信道会产生相互干扰。 一般情况下，小型无线电台的通信速率较低，常用6 0 0 b p s 或1 2 0 0 b p s ，且设备及安装 成本较高，所以这种通信方式的使用场合有一定的限制，多用于大用户电力负荷的无线 电监控及用电管理系统中。 ( b ) g s m 是近年来发展迅速的数字式移动通讯网络，具有经济、可靠性高、覆盖范围 广等特点。尤其是它提供短消息业务，以其简便快捷的性能和相对低廉的收费为许多类 型的远程监控提供了技术手段。除此之外，近几年来渐渐兴起的g p r s 网络，在现有g s m 网络基础上采用基于分组交换传输数据的高效率方式，大大提高频率资源和网络传输资 源的利用率，提高了数据传输速率，也越来越多的应用于远程监控系统中。 g s m 网络的这两种数据传输业务，与常规方法相比，不需专门投资建网，不占用专门 频点，且不存在通讯盲区，传输数据误码率小，系统容量大，费用低廉，是一种非常值得 推广的监控手段。 ( c ) c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a 蜂窝数字包数据) 为第2 代无线短信网， 由于3 g 系统的出现，市场逐渐在萎缩，发展前景不大。目前g s m 传送数据业务的方 案h s c s d ，仍属电路交换方式，存在电路交换方式固有的缺憾，不适于传送突发性强的 或要求持续保持在网上的应用( 如监视、测量等) ，其优点是适于大数据量的传输。而 c d p d 与此相反，与其他的无线数据通信网间的关系是互为补充的，各有优缺点。c d p d 适 于移动终端的通信和处理短小、突发性的报文。 ( d ) 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 码分多址数字无线技术) 作为第三代通 信技术，具有通信能耗小、速率高、信号强、扩容方便、设备成本低等特点。c d m a 系统 的话音激活技术可以最大限度地提高信道容量的利用率。另外采用低发射功率谱密度技 术，使得c d m a 通信方式既不易受外界干扰伤害，又不明显干扰其它通信方式，特别适 应地处城市的地理环境。 表卜l 是几种有线无线网络业务的性能比较： 5 中北大学学位论文 表卜1g p r s 无线业务与其他网络业务的性价比较 文 通信方式建设运营监控 传输 操作实时性 成本成本范围速度方式 电话线电话线拨号 高 较低 窟 5 6 k b p s 轮寻差 a d s l a d s l 高较高 窄 5 1 2 k b p s 轮寻高 g s m 拨号 c s d g s m较低很高 较宽 1 4 4 k b p s 并行差 s m ss m s较低 较低较宽1 6 0 b yr e 并行 差 包不稳定 g p r sg p r s g s m s m s较低 较低较宽 2 1 4 8 5 6 并行 高 k b p s 3 远程环境监测系统中通信方案的选择 在上层通信方案的选用中无线6 s m 网络的传输方式是目前应用较多、前景较好的一 种。因为其覆盖范围大，并且可以全国漫游，特别是其提供的短消息业务，可以随时随 地、方便快捷的实现信息传输。但是，短消息时延问题是系统的瓶颈所在，特别是网络 短信中心负荷过重，严重阻塞时，远程监控系统的实时性能得不到保证。c d p d 网虽然传 输速度快，但其建网范围相对较小。综合了传输速率、频率利用率、网络时延、覆盖范 围等多方面的考虑，我们选用g p r s 网络作为上层通信平台，将g p r s 网络作为远程监 测系统的主要通信信道具有以下突出优点”1 ： ( 1 ) 实时性强：由于g p r s 具有实时在线特性，客户随时与网络保持联系，系统无 时延，无需轮寻就可以同步接收、处理所有数据采集点的数据。可很好的满足系统对数 据采集和传输实时性的要求。 ( 2 ) 系统的传输容量大：监控中心要和每一个数据采集点保持实时连接。由于数据 采集点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而g p r s 技术能很好地满足 传输突发性数据的需要。 ( 3 ) 数据传送速率高：每个数据采集点每次数据传输量在l o k b p s 之内。g p r s 理论 带宽可达1 7 1 2 k b i t s ，实际应用带宽大约在4 0 l o o k b p s ，完全能满足本系统数据传输 速率( 1 0 k b p s ) 的需求。 6 中北大学学位论文 ( 4 ) 快速登录：连接时间很快。g p r s 无线终端一开机，就已经与g p r s 网络建立了连 接，每次登录互联网，只需要一个激活过程，一般仅需l 到3 秒。 ( 5 ) 通信费用低：g p r s 网络按照客户接收和发送数据包的数量来收取费用，采用包 月计费方式，运营成本低。 ( 6 ) 范围广：g p r s 覆盖范围广，在无线g s m g p r s 网络的覆盖范围之内，都可以完成 对采集点的控制和管理。而且扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地 区的接入需求。这种特点能够满足采集点集中尤其是能满足采集点分散程度很大的监控 系统的要求。 ( 7 ) 建设成本低：由于采用g p r s 的无线公网平台，只需安装好设备就可以，需要为 远程监控系统进行专门布线，前期投资少、见效快，后期升级、维护成本低。相比g p r s ， 短消息的传输容量小，实时性较差，但因为其监控范围广、传输可靠、建设成本和运营 成本相对低廉，因此对于分散于不同区域、数据量小、实时性要求不高的大用户采用短 消息的方式就可满足需要，对于实时性要求较高，采集点较多的系统则主要采用g p r s 的方式。本系统充分利用g p r s 支持多种网络协议和能访问外部数据网的特点实现远程 传输。 1 4 本文的研究内容 本文研究的内容主要包括以下几个方面 1 、对各种通信技术进行比较后，根据g p r s 网络的特点和发展方向，选择了g p r s 技术作为数据传输的通信方式。 2 、基于g p r s 的环保网络信息系统的总体设计，主要是利用g p r s 通信方式解决环 境监测中的数据传输，达到无人值守和无线传送的目的。设计了数据采集系统 结构，监控服务器接收数据的方式以及软件的开发工具。 3 、针对基于g p r s 的环保网络信息系统采用的通信方式本文还研究了相关的g p r s 通信协议。 4 、设计了信息系统的结构包括了控制中心系统、传输系统、数据库系统、和信息 发布系统等实现数据的传输、存储、处理以及发布。 5 、选取利事达信息技术有限公司开发l t 8 0 3 0g p r si pm o d e m 作为本系统采集终端 7 中北大学学位论文 的g p r s 模块研究了l t 8 0 3 0 的内部结构以及传输模式并采用g p r s 模块完成 了有关a t a t + i 指令的实验，实现了g p r s 的通信。 6 、采用了功能强大的c + + b u i l d e r 编制了监控中心的软件来进行数据的传输， 实 现了监控软件的初步设计。 8 中北大学学位论文 2 1 系统目标 第二章系统总体方案设计 采用先进的通信技术、数据库技术、网络技术和分布式计算等技术，结合我国城市 环境管理业务和技术应用需要，设计环保监测系统，实现对环境空间信息的科学组织和 有效管理，实现环境信息共享，使环境管理人员能够方便的对各种环境信息进行空间化、 可视化管理，实现环境空间信息的查询、维护以及专题制图、专题分析、信息服务等功 能。同时，引入专题模型，对各种环境问题进行预测、评价、规划以及模拟等分析。1 。 22 系统设计原则 在环保网络信息系统设计中，应遵循如下设计原则“： 实用性 最大程度的满足环境保护管理部门业务需求，为环境管理人员和技术人员提供有效 的技术工具。要保证系统运行的稳定，数据提供准确迅速，界面友好，操作方便，功能 完善，系统维护性好。系统要具有优化的系统结构和完善的数据库系统，具备与其它系 统数据共享和协同工作的能力。 先进行 系统在技术要具有先进性，包括软、硬件的先进性、网络环境的先进性等，将现有 的先进技术尽可能的应用到系统中来。要充分考虑到由技术进步、系统升级和设备换代 引起的种问题，适应现代信息技术高速发展。 标准化 整个系统的建设需遵循标准化、统一性的原则，以支持系统的推厂一应用。系统在 数据分类编码、数据格式、数据接口、软件接口和系统开发等方面要严格执行国家与行 业相应的标准和规范。 开放性 系统需要采用开放式设计，可以在应用中不断由用户补充和更新功能，具备与其他 9 中北大学学位论文 系统的数据和功能的兼容能力。系统还需要具备统一的软件和数据接口，为以后续系统 的开发留出余地。 安全性 面对网络运行环境，建立完善的安全防护机制，保护合法用户能够方便的访问数据 和使用系统，阻止非法用户操作系统。 23 系统总体框架 基于g p r s 的环保网络信息系统包括多个设置于数据采集点的数据采集和发送装置 的采集终端，g p r s 数据传输部分、监控中心三个主要部分 下面分别介绍各个组成部分： l 、采集终端这部分是由g p r s 无线m o d e m 和数据采集装置构成，向下通过r s - 2 3 2 与 采集装置进行参数设置和数据读取，向上通过g p r sm o d e m 与控制中心进行数据通信。 2 、g p r $ 数据传输部分主要由g p r sm o d e m 、g p r s 无线移动网络信道、i n t e r n e t 及s i m 卡 组成。 g p r sm o d e m 采用带t c p i p 协议处理功能的g p r sm o d e m ，既支持短消息收发模式， 又支持g p r s 数据传输模式。g p r sm o d e m 包括了g p r s 通信模块、t c p i p 协议模块。 g p r s 通信网络是监控中心与采集器之间数据传输的桥梁，监控中心必须借助g p r s 无线m o d e m 拨号联入g p r s 网络，方可与采集终端进行远程通信。 g p r s 无线m o d e m 中必须插有开通带有被叫数据服务业务的s i m 卡，才能完成数 据传输的任务。s i m 卡也叫用户识别卡，其中存储着用户的数据、鉴权方法及密钥，供 g s m 系统对用户身份进行鉴别。同时，用户通过它完成与系统的连接和信息的交换。要 想连入g p r s 网络，s i m 卡必须开通g p r s 业务。由于不同的g p r s 运营商对g p r s 参 数的要求不尽相同，本系统中所涉及的参数设置只适用于中国移动的g p r s 网络。 3 、监控中心为数据接收和控制单元，与i n t e r n e t 相连接，并带有g p r sm o d e m 构成， 通过s o c k e t 网络接口或g p r s 网同采集终端进行g p r s 数据传输。 系统总体框图见图2 1 所示 1 0 中北大学学位论文 图2 1 系统总体结构框图 g p r sm o d e m 连入6 p r s 网络并和监控中心建立连接后，监控中心发送命令给采集 终端，6 p r sm o d e m 接收后通过r s 一2 3 2 与采集装置进行通信，采集到的数据，通过g p r s m o d e m 内置的协议处理器对数据进行处理、协议封装，然后实时发送到g p r s 网络，该 数据经由中国移动通信公司的网络传递到i n t e r n e t ，再通过a d s l 或拨号网络或固定网 络传送到用户的控制中心。另外当控制中心服务器的网络参数( i p 地址或端口号) 改变， 6 p r s 模块无法找到上位机服务器时，可以通过短信的方式通知采集终端的g p r sm o d e m 修改g p r s 模块的网络参数，重新建立新的连接1 。 中北大学学位论文 24 系统方案设计 2 4 1 无线数据传输的两种方式 第一种：采集终端数据采集点将采集到的数据通过g p r sm o d e m 发到g p r s 网，控制 中心服务器也利用a t 命令通过串口设置g p r sm o d e m 从g p r s 网进行数据采集和向发送 装置发送控制数据。如图2 2 所示 一 手盎皇 图22 第一种无线传输方式示意图 第二种：客户机服务器模式 由于g p r s 嘲络工作方式是以i p 地址寻址为基础的，所以监控中心作为网络的服 务器端，需指定固定的i p 和端 j 号，各监测点作为客户机，只需要简单接入i n t e r n e t ， 并具备公网分配的i p 地址即可。同时，因为g p r s 终端产品本身由网络提供商动态地分 配i p 地址，在未进入连接待机状态时，其本身是不具备i p 地址的。客户机即各监测点 需主动向服务器发送数据，进行连接。当连接通道建立以后，服务器和终端设备就可以双 工地进行数据传输。”1 。 ( 1 ) 服务器端 服务器端程序一运行就在指定的端口进行监听，如果有客户机连接，则建立连接，并 接收客户机上传的数据。由于g p r s 网络是通过t c p i p 协议来传输数据的，服务器端 采用s o c k e t 很容易实现数据传输。 ( 2 ) 客户机端 客j r | 机一上电就按预先指定的i p 地址和端口号进行网络连接，与服务器建立通 1 2 圆圆 气 、。、j j 一 一嘲? 一 ，一 、 。 ，r 固，殴 中北大学学位论文 信。客户机端需装有具有g p r s 功能的无线m o d e m 。 对于短消息的方式，则不需区分服务器，客户机模式，两端是对等的，都需具备短 消息的收发功能。 图2 ，3 第二种无线传输方式示意图 本系统主要采用第二种传输方式，在上位机服务器不能正常接入i n t e r n e t 时采用 第一种传输方式。 2 42 数据传输过程 本系统使用的g p r sm o d e m 内嵌了完整的t c p i p 协议族，包括t c p ，u d p ，f t p ，p p p ， t e l n e t ，h t t p ，w e bs e r v e r ，s m t p ，p o p 3 等。内嵌的t c p i p 使g p r sm o d e m 有了访问 i n t e r n e t 的能力。这种能力与g p r s 的移动性相结合，扩展了产品的应用范围。 g p r sm o d e m 将数据打包成t c p i p 数据包，再转换成g p r s 数据包，通过无线链路传 送到无限数据交换中心( m d e c ) 。m d e c 剥离g p r s 数据包，并通过网关将t c p i p 数据包传 送到i n t e r n e t 。中心通过s o c k e t 套接字接受t c p i p 数据包，并把它还原成原始数据。 当数据由中心到终端方向时，情况是一样的。 1 3 中北大学学位论文 2 4 3 监控中心入网方式及l p 问题 在采集终端采集装置可直接通过r s 一2 3 2 接口连接g p r sm o d e 入网，监控中心的组 网略微复杂一些。结合g p r s 承载网络的特点，根据g p r s 应用领域，监控中心组网方 案有4 种应用形式可供用户选择。用户可根据业务数据量、可靠性要求、数据保密性、 网络状况来决定数据中心的组网形式“川“1 。 1 g p r s 接入方案( 常用于笔记本电脑等移动p c 的g p r s 无线上网) ( 1 ) 此种方案适用于没有接入i n t e r n e t 、而且对安全要求极高的用户。 ( 2 ) 适合总数据带宽需求不太大的应用，例如使用p o l l i n g 传输协议的数据采集 系统。 ( 3 ) 全部数据在g p r s 网内运行，所有g p r s 终端之间可以直接通讯。 ( 4 ) 数据中心的g p r s 数据终端接入点绑定固定i p 地址。( 即至少提供一个绑定固定 i p 地址的s i m 卡) 。 2 i n t e r n e t 接入方案 ( 1 ) 用户已有稳定的、永久的连接到i n t e r n e t 的接入。 ( 2 ) g r e 两端地址、r a d i u ss e r v e r 地址和用户路由器端口地址都必须是公有的。考虑 到i p 地址广播，用户路由器端口地址，g r e 隧道端地址，r a d i u ss e r v e r 地址应 由为该用户提供i n t e r n e t 连接的i s p 提供。 ( 3 ) 不存在跨区域的问题，用户数据中心服务器与中国移动g g s n 服务器不必在同一城 市。 3 专线接入方案 ( 1 ) 此种方案适于用户没有接入i n t e r n e t 或用户对安全方面考虑较高。 ( 1 ) 用户通过专线接入中国移动的路由器，用户端的接入路由器必须提供公有的i p 地 址。 4 ，直接接入方案 ( 1 ) 此种方案适用于没有接入i n t e r n e t 、而且对安全要求极高的用户。 ( 2 ) 用户在运营商一端放置g r e 路由器，路由器不经过g p r s 防火墙，直接接入g p r s 内部网络： 1 4 中北大学学位论文 ( 3 ) 此种方案对g p r s 网络构成一定程度安全威胁，目前暂不考虑。 图2 4 为4 种接入方案图： 图2 4 监控中心接入方案图 考虑到成本、技术以及用户的实际情况，本系统的通信方案采用的是方案2 ( i n t e r n e t 接入方式) ，即要求用户控制中心必须具有稳定的、永久的连接到i n t e r n e t 的接入即公网i p 地址。以便g p r s 模块在登陆g p r s 网络后可通过该i p 地址找到监 控中心。 用户接入i n t e r n e t 的方式有很多种，如拨号上网、i s d n 、a d s l 等，由于接入方 式的不同，i n t e r n e ti s p 服务商提供静态i p 和动态i p 两种不同的i p ，如拨号、a d s l 就为动态i p ，只有在申请时系统才动态分配i p 地址，连接断开后则自动回收。 由于g p r s 网络工作方式是以i p 地址寻址为基础的，所以服务器端理论上只需要接 入i n t e r n e t ，并具备公司( i n t e r n e t ) 分配的i p 地址即可。但是在实际系统应用中， 1 5 中北大学学位论文 如果服务器的拨号或a d s l 等接入方式，每次接八所获得的i p 地址不是固定的，而g p r s m o d e m 也是动态地获得i p 地址，两个动态的i p 地址设备在i n t e r n e t 上是无法直接通信 的。因此要求服务器具有静态i p 地址或通过其它方式中转。这样，服务器的接入方式 就受到一定限制。很多采用动态i p 的方式接入i n t e r n e t ，由于监控中心i p 的不固定， g p r s 模块静态无法主动和监控中心建立连接，此时就通过监控中心所接的g p r sm o d e m ， 把监控中心变化后的i p 通过短消息的方式通知下位机，即而和监控中心建立新的连接 i 印 中国移动开通的g p r s 服务中现阶段只提供点对多点的传输服务。点对多点传输方 式是接多个g p r s 无线终端把数据传输到一个固定的数据处理中心。g p r s 终端与终端间 的点对点传输理论上可行，但技术上还有待更好的解决。 2 5 系统关键技术1 i 、g p r s 模块同具有动态i p 监控中心的通信 由于g p r s 通信是通过i p 地址寻址，所以实现通信前必须先确定对方的i p 地址 和端口号，当监控中心采用动态i p 时，每次i p 变化后，监控中心无法和g p r s 模块 建立连接。为了解决动态i p 的问题，本系统在监控中心端利用短消息，将变化的i p 地 址以短信的方式发送给采集终端，从而保持连接的通畅。 2 、数据实现t c p i p 协议封装 用户数据是通过g p r s 移动装置连入i n t e r n e t 网，通过i n t e r n e t 网来传输数 据。而数据在i n t e r n e t 网络上传输必须符合t c p i p 协议，所以用户数据传送到 i n t e r n e t 网前先要封装为t c p u d p 数据包。如何进行t c p i p 协议封装就成为g p r $ 通信的一个关键问题。本系统是通过选择自带t c p i p 协议处理功能的g p r s 模块来解 决这个问题，在保证功能实现的前提下极大的降低了系统的开发成本。 3 、通讯协议的设计 通讯协议的设计也是本系统实现通信的一个关键部分。针对本系统支持短消息、 g p r s 的特点，设计了应用层的通讯规约。通过通讯规约的合理设计屏蔽了通信方式的 差异，实现了链路无关性。 4 、采用特定编码提高网络信道的利用率 1 6 中北大学学位论文 因为短消息本身最多只能传送1 6 0 个字符，环境数据量相对于短消息的容量较大， 所以为了最大限度利用资源，我们在数据打包的时候采取了g s m7 b i t 编码方式，并采 取了特定的预编码，使得一条短信可以携带更多数据信息。 2 6g p r s 数据采集系统 2 61 数据采集系统结构 数据采集系统组成框图如图2 5 所示。传感器接收被测信号经信号滤波、放大( 提 高信噪l t ) 电路后送入串行a d 转换器进行数据转换，转换后的信号由单片机处理后