（机械电子工程专业论文）基于组态技术供水管网gprs无线数传监视系统.pdf

摘要 摘要 我国是一个缺水的国家，同时水资源浪费又非常严重，作为水资源相对丰 富的江西省，近年来也是连年大旱，赣江水位屡创新低，9 0 万人饮水困难，因 此，通过提高众多中小企业供水系统的管理水平，及时发现故障，消除隐患， 实现对水资源的合理利用和提高日常生产的管理水平非常有现实和应用意义， 目前，除少数大型供水企业和大型生产企业，已经建成了各自的供水监控系统， 大多数中小型企业供水系统还存在着通讯方式落后、各部门间相对封闭、资源 利用率低、自动化水平有限等缺陷。本课题研究的目的就是提出了一种适用于 中小企业的基于g p i 峪业务的供水管网远程无线数据采集、传输、监测系统， 该系统己在南昌某印纱厂应用。 本文通过比较有线通信以及无线通信方式，选择了g p r s 作为本系统的通 信方式，不需要搭建新网络，免网络架设和维护费用，具有高安全性、灵活性。 同时，基于中国移动成熟的网络，稳定性也有可靠保障。而且平时运行维护的 费用也相对低廉，后期维护容易、网络用户容易迁移和增加，这在很大程度上 降低了成本。 本文利用工控软件组态王进行供水监控系统设计，以可编程控制器作为下 位机实现供水管网的自动动态采集信号，对监控参数进行动态管理，生成各站 点历史数据报表，历史数据曲线图，总表与分表对比曲线图，各种故障的实时 报警和报表自动生成及打印等功能，基本满足了用户的需求。 该系统己投入使用，试运行近一年，从实际应用情况来看，系统运行稳定、 可靠，达到了预期的效果。 关键词：供水管网；g p r s ：p l c ；组态王：监视系统 a b s t r a c t a b s t r a c t c h i n ai saw a t e r s h o r tc o u n t r y ，w h i c hw a t e rr e s o u r c e sh a v ea l s ob e e nw a s t e d v e r ys e r i o u s l y j i a n g x ip r o v i n c e ，a sar e l a t i v e l ya b u n d a n tw a t e rr e s o u r c e i sa l s oi n d r o u g h ty e a ra f t e ry e a r ，i nw h i c hg a nr i v e rw a t e rl e v e lh a sb e e nf a l l i n gc o n t i n u o u s l y t ot h el o w e s tp o i n ti nh i s t o r ya n do v e r9 0t h o u s a n dp e o p l eh a db e e ni nt h ep r o b l e mo f d r i n k i n gw a t e r t h e r e f o r e ，i ft h en u m b e ro fs m e si nt h ew a t e rs u p p l ys y s t e m m a n a g e m e n tl e v e li si n c r e a s e d t h ef a i l u r ei st i m e l yd e t e c t e da n dt h eh i d d e nd a n g e r s i se l i m i n a t e d ，i tw i l lb ef u r t h e rp r a c t i c a lm e a n i n go fa c h i e v i n gt h er a t i o n a lu s eo f w a t e rr e s o u r c e sa n di m p r o v i n gt h em a n a g e m e n tl e v e lo f d a i l yp r o d u c t i o n a tp r e s e n t ， e x c e p tf o raf e wl a r g e s c a l ew a t e rs u p p l ye n t e r p r i s e sa n dp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e s ， o t h e r sh a v eb u i l tt h e i ro w nw a t e rs u p p l ys y s t e m h o w e v e r , t h ew a t e rs u p p l ys y s t e m s i nm o s ts m a l la n dm e d i u me n t e r p r i s e s ，t h e r ea r es t i l ld e f e c t sa b o u tt h eb a c k w a r d m e a n so fc o m m u n i c a t i o n ，r e l a t i v e l yc l o s e di n t e r - d e p a r t m e n t a l t h e1 0 w e ro fr e s o u r c e u t i l i z a t i o na n dl i m i t e dl e v e lo fa u t o m a t i o n t h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hp r o j e c ti st o p r o p o s es u i t a b l eg p r s - b a s e ds m e si nt h eb u s i n e s so fw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r ko f r e m o t ew i r e l e s sd a t a c o l l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o n , m o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hh a sb e e nu s e d i nac e r t a i np r i n t e de n t e r p r i s ei nn a n c h a n g i nt h i sp a p e r ，b yc o m p a r i n gt h ew i r e da n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w es e l e c t e d g p r sa sam e a n so fc o m m u n i c a t i o no ft h i ss y s t e mw h i c hd o e sn o tr e q u i r eb u i l d i n ga n e wn e t w o r k ，w h i c hi s 自e ef o rm a i n t e n a n c ea n dt os e tu pt h en e t w o r k ，a n di s w i t h l l i g hs e c u r i t ya n df l e x i b i l i t y m e a n w h i l e t h eg p r sw h i c hb a s e do nc h i n am o b i l e s m a t u r en e t w o r k ，a l s oh a sar e l i a b l eg u a r a n t e ea n ds t a b i l i t y ，a n di t su s u a lo p e r a t i o na n d m a i n t e n a n c ec o s t sa r er e l a t i v e l yl o wa n di ti se a s yf o rp o s t m a i n t e n a n c e ，f o ri n t e r n e t u s e r st om i g r a t ea n di n c r e a s e a l lt h o s ec o s t sa r et or e d u c et ol a r g ee x t e n t i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g na b o u ti n d u s t r i a lc o n t r o ls o f t w a r et o c o n d u c tw a t e r m o n i t o r i n gs y s t e mk i n g v i e wi su s e dt ob es i g n a l so fp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ra st h e n e x tc r e wt oa c h i e v et h ew a t e r s u p p l yp i p en e t w o r ko fa u t o m a t i cd y n a m i ca c q u i s i t i o n a 1 1t h ef u n c t i o n s t h ed y n a m i cm a n a g e m e n to fc o n t r o lp a r a m e t e r st o g e n e r a t et h e v a r i o u ss i t e so fh i s t o r i c a ld a t ar e p o r t sa n dh i s t o r i c a lt h ed a t ag r a p h ，s u m m a r yt a b l e i i a b s t r a c t w i t ht h es u b t a b l ec u r v ec o m p a r i s o n ，a l lk i n d so ft r o u b l ef o rr e a l - t i m ea l a r ma n d a u t o m a t i c a l l yg e n e r a t i n ga n dp r i n t i n gr e p o r t s ，b a s i c a l l ym e e tt h en e e d so f u s e r s t h es y s t e mh a sb e e np u ti n t ou s ef o rn e a r l yay e a ra n da c h i e v e dt h ed e s i r e d r e s u l t s ，f o rp r a c t i c a l l yt h es y s t e mi sr u n n i n gs t a b l ya n dr e l i a b l y k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l yn e t w o r k ；p l c ；g p r s ；k i n g v i e w ；m o n i t o r i n gs y s t e m i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：v 洲l 签字日期：如呷年lf 月弓b 日 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全 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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：y 乞可导师签名：易小价 签字日期：一年1 月弓u 日签字日期：叼年 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 水是生命的源泉，是人类社会发展的基础性自然资源和战略性经济资源， 也是社会经济发展的命脉，是一切生命的源泉，是城市生产建设和人居生活不 可缺少的物质条件。没有水，人类就不能生存，没有水，人类就不能发展。水 是不可替代的资源，世界上许多事物是不可替代的，比如照明，没有电灯，可 以点蜡烛，可以点松明火把，连火把也没有，可以静静的等待黑夜过去。但没 有水，一切生命都将消失。 我国疆域广大，水资源总量较为丰富，约为2 8 亿立方米，列世界第四位， 但人均占有量仅有2 2 0 0 立方米。随着我国社会经济快速发展，水资源短缺的问 题越来越突出。如果解决不好水资源短缺的问题，那水将成为制约经济发展和 人民生活的瓶颈。 节约用水是可持续发展的必然要求，党中央、国务院历来十分重视节约用 水工作。胡锦涛总书记指出：“要把节水作为一项必须长期坚持的战略方针，把 节水工作贯穿于国民经济发展和群众生活的全过程”。对于生产企业来说，节约 用水，能产生巨大的经济效益。由于水的不可代替性，供水系统己成为我国可 持续性发展和建设的重要制约因素，直接关系到工业生产和群众生活的需要， 牵动着城市各行各业、千家万户，可见供水系统具有极其重要的地位。保证供 水系统运行的安全、可靠，是保障市民的基本生活、城市功能正常运行的一个 重要环节。 1 。2 课题背景 供水管网系统是一个结构复杂、规模庞大、用水随机性强、运行控制为多 目标的网络系统【l 】【7 】，具有隐蔽分散又不能间断运行的特点【2 】这使得管网日常 运行管理、维护、紧急爆管漏水事故处理以及管网的更新、改造、规划的实施 都有相当大的难度，靠人工管理显然已经不能满足管网现代化管理的要求。在 这种背景下，采用何种技术手段来实现供水管网系统的科学管理成了纵多用水 企业解决的实际问题。在这一过程中，g i s ，s c a d a 和管网建模是给水管网现 第一章绪论 代化管理最莺要的手段之一例。特别是s c a d a 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 q u i s i t i o ns y s t e m s ，监控和数据采集系统) ，在给水管网调度系统中已经得 到了广泛的应用，是给水管网调度系统中关键的一部分。s c a d a 系统应用现代 信息技术( 包括自动检测、现代通信、计算机和自动控制等高新技术) ，对影 响配水全过程各环节的主要设备、运行参数进行实时监测、分析，动态地掌握 整个给水系统的实际运行情况，为自动控制、管网调度提供不可或缺的实时资 料和决策依据。s c a d a 系统在自动化、信息化管理系统中起着承上启下的重要 作用【4 1 。但早期的s c a d a 系统通讯方式落后，系统相对封闭，数据共享能力差。 因此建立起一套全方位、动态的全企业远程共享的实时监测系统对企业的生产 和管理调度保障有着非常现实的意义。供水行业及其发展历程造就了其管网的 复杂性，不同年代的管网同时存在，管网各段的状态，基本参数、位置、走向、 周边环境等数据以不同的数据形态保管和存在，有的企业甚至己将许多老管网 的历史数据和图纸丢失。这对查询获取相关数据及管网的施工、改造、维修、 突发抢修工程造成了极大的不便。因此，目前迫切需要在充分利用已有投资的 基础上，进一步扩展已建系统的功能，为了安全、稳定、可靠地管理好供水管 网，一定要有一个满足其企业特点的、现代化的、先进的企业综合自动化系统。 s c a d a 系统广泛采用了以标准的工业计算机软、硬件平台构成d c s 集成 系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，即集散型控制系统) ，取代了以往成本高昂 的封闭式控制终端。d c s 系统的基本特征就是实现了集中管理和分散控制，具 有了易维护、易升级的开放性和扩展性。在这种系统中，要使计算机成为一种 控制系统，不但需要各种各样的硬件设备，控制软件也必不可少。因此，对日 益庞大的给水体系，选择合适的软件对整个管网运行的监控和管理是很关键的。 过去，我们采用面向对象的大型编程语言v i s u a lb a s i c ， v i s u a lc 抖，d e l p h i 等 进行监控软件的开发。开发的系统软件对象明确，可以实现对实时数据库、历 史数据库进行方便的查询和处理，数据报表的打印可以在线进行，对提高给水 管网运行管理水平有重要的作用。但是，这样的系统软件也存在许多不足：开 发投资大、开发周期长、工作量大、维护难、开放性差。设计出来的软件通用 性较差，软件功能可靠性也较低。所以，一旦硬件系统进行更新、改造或扩展， 软件便跟不上硬件的发展。而且从软件系统的用户角度来看，软件的操作对象 是一些工程技术人员、维护人员。而工程技术人员对传统的仪表控制方式很熟 悉，但往往缺乏专业的计算机知识；而专业的计算机技术人员又往往缺乏实际的 2 第一章绪论 控制经验。这样在计算机与控制之间就存在着一个巨大的障碍，软件系统提供 一个良好的人机界面就显得尤为重要了，可以使技术人员用最熟悉的方式操作 计算机。但要以非组态软件工具开发一个亲切的入机界面，实在是很费力的一 件事情。工欲善其事，必先利其器，组态软件正是针对以上情况而孕育而生。 组态软件是近年来在工控自动化领域兴起的一种新型软件开发技术，通常不需 要编制具体的指令和代码，只要利用组态软件包中的工具，通过硬件组态、数 据组态、图像组态等工作即可完成所需应用软件的开发工作。它一般具有如下 功能：强大的画面显示组态功能、通讯功能和良好的开放性、丰富的功能模块、 强大的数据库、周密的系统安全防范、仿真功能等它的优点是开发简便、开发 周期短、通用性强、可靠性高等1 5 】。在给水管网系统中引入组态软件技术，可避 开复杂的计算机软件代码编制问题，而重点解决对系统的数据进行处理、分析， 从而达到实时监视和控制的目标。目前比较流行的组态软件有r s v i e w 3 2 ，f i x ， i f i x ，i n t o u c h ，组态王、力控、m c g s 等。 1 3 课题研究的目的和意义 随着国家经济的飞速发展和国家鼓励集体和个人创业，中小型企业数量、 规模的不断扩大，许多中小型企业的用水量较大，不同企业所在的地理位置不 同，管网节点的分布也越来越广泛。调查表明，城市市区自来水管道渗漏率一 般都在3 0 以上相应地1 6 1 ，对于企业内部自来水管道的实时监测也显得越来越重 要。大量宝贵的水资源被白白浪费，一是无谓的消耗了资源；二来增加了用水 成本；第三，管道渗漏更可能存在安全隐患，第四，生产污水的渗漏有可能情 况严重水污染。 供水管网的正常运行对于印钞企业的生产运行也具有莺要意义，电镀、空 调等设备在运转过程中，离不开水的正常供应，生产过程中也不断地产生废水， 企业生产和管理者的生活和生产也离不开水，这些工作都需要供水管网完成。 因此供水管的正常运转对产品质量、安全生产十分重要。所以，必须建立一个 有效的监视系统，对自来水管网进行实时的数据测量与分析，以达到排除故障、 消除隐患、节约水资源的目的。 供水管网监测系统的工作就是获得分布在供水管网各节点的仪表所采集的 数据，并将其传回到监测中心，以进行存储，计算，分析，它的特点： 3 第一章绪论 ( 1 ) 监测点分散：不同生产厂区可能存在距离远，要求通信网络应该是覆 盖范围较广。 ( 2 ) 监测点存在增加的可能：随着企业发展，建设新的生产厂区，随时可 能增加监测点 ( 3 ) 每次传输的数据量比较大。 ( 4 ) 对通信的实时性要求很高：许多采样操作需要大量节点的数据在有限 时间内有效返回。 相对于城市供水企业和大型企业给水管网自动化管理系统的大力改造，中 小企业供水管网的监控和管理机制还是处于相当落后的状况。管网自动化监控 程度低，大部分企业的管理记录和统计都是手工操作，如果采用现有大型供水 企业和生产企业的供水调度监控系统，又存在一些问题，如工程量大，需要的 资金大，通讯质量差，响应速度慢，一次可传送数据量小等。因此，对中小企 业现有供水管网监控和管理进行改造和完善。向先进的自动监控管理方向发展， 提高水管网监测的精确性和可靠性，提高工作效率、工作质量及管理水平。本 课题利用计算机和g p r s 无线通信网络自动读取远程水压、流量计量表的数据 并加以分析、处理，实现供水管道压力和流量数据和实时状态的采集检测，处 理以及通过对历史数据的分析，总表与分表数据的对比，突发事件的预测，及 时对爆管、泄漏、恒压等问题做出处理，达到节水的日的，减少检修的时间， 提高工作效率，保证供水质量，减少经济损失，降低生产成本，具有重要的现 实意义。通过监测污水回收管的流量，若发现污水的泄漏，及时做出处理，避 免直接排放，减少了环境的污染，起到一定环保的作用。 1 4 课题的研究内容 本课题的任务就在于设计并且实现具有远程监控功能、数据采集及处理、 数据传送、实时控制，数据回溯和分析等功能的供水管网远程监控系统平台。 本文在分析了基于g p r s 传输原理的基础上，重点解决系统中数据无线远传的 问题，实现监测数据的自动采集、传送，为供水调度的优化运行提供可靠的依 据。通过该系统实现科学的管理，科学的操作，科学的维护，从而降低运行和 维护成本，减少故障损失。具体来说，本文的工作主要集中在以下几个方面： 1 ) 监测系统总体方案设计 4 第一章绪论 该系统设计的基本原则是：实时监控、动态管理：功能丰富，稳定可靠， 数据传输不会因断电等原因间断。 2 ) 通信方案选取 监控中心通过g p r s 公网实现与下位机的通信，从而实现监控数据的接收 与监控命令的发送。 3 ) 硬件选型 根据用户功能需求进行系统设备选型配置和系统结构设计。 4 ) 监测系统软件设计。 根据实际需要，选取合适的组态王软件，实现监视泵站状态和运行参数检 测、接收故障报警信息、分级报警功能、操作权限管理功能、数据库查询、趋 势曲线显示、报表统计和打印功能等。 5 ) 完成下位机软件编程和数据采集。 5 第二章通信方式方案比较 第二章通信方式方案比较 2 1 方案比较 供水管网调度监控系统采用的数据通信分为有线和无线两大类【l 。 有线通信主要包括架设光缆、电缆或租用电信电话线、d d n 、a d s l 等6 】【7 1 。 ( 1 ) a d s l 概述 a d s l ( 非对称数字环路) 是运行在普通电话线上的一种高速宽带技术。它 利用现有的电话线，为用户提供上、下行非对称的传输速率，非对称主要体现 在上行和下行传输速率不同。上行为低速传输，速率只有1m b s ；下行为高速传 输，速率可达8m b s 。a d s l 最初主要是针对视频点播! 业务开发的，随着技术 的发展，逐步成为一种较方便的宽带接入技术。a d s l 能够充分利用现有电话 网络，只要在线路两端加装a d s l 调制解调器即可为用户提供高速宽带服务， 是一种非常廉价的宽带网接入方式。 ( 2 ) 普通拨号上网及i s d n 普通拨号调制解调器最高传输速率为5 6 k b s ，i s d n 最高传输速率为 1 2 8 k b s ，现已很少使用。 ( 3 ) d d n d d n ( d i g i t a ld a t an e t w o r k ) 即数字数据网，是利用光纤、数字微波或卫星 等数字信道提供永久或半永久性电路，以传输数据信号为主的数字传输网络。 d d n 专线的优点：d d n 业务区别于传统模拟电话专线的显著特点是数字专线， 传输质量高，时延小，通信速率高并可根据需要在2 4 k b p s _ 2 m b p s 之间选择； 路由可以自动迂回，可靠性及可用率高，采用点对点或一点对多点的专用数据 线路，特别适用于业务量大、实时性强的用户，它的缺点是需架设专线，费用 l 商o ( 4 ) 有线电视网 有线电视网是广电系统普遍采用的宽带接入方式，由于原来敷设的有线电 视线缆即是高速宽带网，因此仅对入户线路进行改造，就可以提供理论上上行 8 m b s 、下行3 0m b s 的传输速率。目前，美国5 0 以上的宽带用户采用有线电 视网方式接入。它的缺点是采用共享结构，随着用户的增多，个人的接入速率 6 第二章通信方式方案比较 会有所下降，安全保密性也欠佳。 无线则包括短波通信、扩频通信、卫星通信、无线电台、集群通信系统、 微波通信g s m 短信g p r s 通信等【1 0 1 1 2 】 ( 1 ) 短波通信 短波通信是利用波长为1 0 0 c m 一1 0 m 的电磁波进行的无线电通信它利用地波 或低电离层进行几十公里到几百公里的中、近距离通信，利用电离层反射进行 数千乃至上万公里的远距离通信，短波通信可用较简单的设备实现远距离的通 信，造价低廉，使用灵活机动，坚固耐用，抗毁能力强。由于短波通信受电离 层的影响，通信质量差和信道稳定性差，受气候的影响大，在实际应用中己很 少采用。 ( 2 ) 卫星通信 卫星通讯是属于微波范围( 3 0 0 m e 一3 0 0 g o ) ，是一种视距通讯。因为，远距 离信号传送不仅要受到地面高山和地形阻隔的影响，而且要受到地球曲率的限 制。臂如天线高度为5 0 m 时，因受地球曲率的限制，其最大通信距离约5 0 k i n 。 提高通信距离的唯一办法，只有架设高空中继，地球卫星转接器就是最好的一 种中继形式。在高空适当位置分设三个与地球同步的静止卫星，其通信区域几 乎可以覆盖全球。卫星通信的传输质量好，传输距离不受限制，覆盖面积大， 受地形、气候的影响小，组网灵活，但卫星终端设备成本较高。 ( 3 ) 无线电台 无线电台利用对讲机和小型无线电台的通话功能来传递信息，是早期采用 的通信方式。使用的频率需要向国家有关部门申请，由于其频率固定，容易被 干扰和泄密，可靠性较差。它最大的缺陷是点对点通信，系统和每个目标之间 的通信包括呼叫、接通、信息传递和断开等过程，完成一个目标的监测起码需 几十秒甚至几分钟，实时性不强。 ( 4 ) 集群通信系统 集群通信系统是各种专用通信系统发展的高级阶段，它将基站和控制中心 统一配置，集中管理，由多用户群共用一组无线信道，并动态地使用这些信道。 它能将所有的话务量分配到所有可能使用的话音信道上，保证所有信道都以同 等的概率使用，最大限度地降低入网的平均等待时问，消除了用户等候使用信 道而同时其它信道空闲的情况。其主要特点是共用频率、按需分配信道、共享 覆盖区、共享时间，缺点是需要建设基站，技术复杂，投资较大。 7 第一章通信方式方案比较 ( 5 ) 微波通信 微波通信工作在3 0 0 m h z 3 0 0 g h z 频段，是利用分米波、厘米波和毫米波 作为载波传输信号的通信方式。可分为模拟微波通信和数字微波通信两种，由 于数字微波通信有诸多优点，近年来得到了快速发展。微波通信的容量较大， 传输速率一般为6 2 0 m b p s ，最高可达1 0 g b p s 。由于微波频率很高，方向性强， 所以信号的传输主要是利用微波在视线距离内的直线传播，其传输特性受地形、 地貌和大气层的影响。在大气层中，微波通信视距的一般传输距离大约是5 0 千 米，因此微波通信必须采用中继接力的方式传输。 ( 6 ) g s m g s m ( g l 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 ，全球移动通信系统) 号称 “全球通，是世界上最大的通信网络，用户数量非常庞大。g s m 网络的通信方 式是时分多址，即每个话音信道分为8 个时间片，能够同时通8 路话音，提高 了频率利用率。短消息则是在控制信道里传输的，当g s m 网络比较空闲时，短 消息的实时性很好，一般在几秒内即可到达。但如果g s m 网络繁忙，短消息的 延时就会达到几小时甚至几十小时，实时性很差。因此，短消息这种通信方式 不是实时监控系统理想的通信方式。 ( 7 ) c d m a 1 3 1 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 ，全称码分多址) ，c d m a 因采用以 拓频通信为基础的一种调制和多址通讯方式，其容量比模拟技术高8 1 0 倍，比 g s m 网络高约3 5 倍；并且可以实现模拟网和g s m 网均不能做到的提供图像、 视频和多媒体业务。同时c d m a 码址是伪随机码，共有4 4 万亿种可能的排列， 因此，要破解密码或窃听通话内容是十分困难的。 ( 8 ) g p r s g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) 是建立在g s m 网络之上，为用户提供高速分组数据业务的新的网络。它使用与g s m 相同的无 线接口，但传输的是网络协议数据报。它使移动设备和笔记本电脑能够无线接 入互联网，实现网页浏览、收发电子邮件、无线下载等各种网络应用。g p r s 采 用分组交换方式传输数据，可以灵活分配网络资源，仅在数据传送时才使用无 线信道，这样多个用户可以共享一条无线信道，大大提高资源利用率。g p r s 技 术是当今g s m 向3 g 过渡的关键技术，与g s m 相比具有许多新的特点和优点： 传输速率高 8 第二章通信方式方案比较 理论最高达1 7 0 k b p s ，实际使用中g p r s 的传输速率一般为几十k b p s ，大 大超过g s m 9 6 k b p s 的速率。 接入时间短 g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量 数据的传输。能在0 5 - 1 秒之内恢复数据的重新传输。 支持i p 协议和x 2 5 协议 g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5 网互联互通。 g s m 网络覆盖面广，使g p r s 能提供i n t e r n e t 和其它分组网络的全球性无线接 入。 网络安全性高 g p r s 网络内部传输数据采用隧道技术。隧道协议将其它协议的数据报重新 封装后通过隧道传输到特定地址，从而屏蔽私有网络地址。 ( 7 ) 3 g t 8 】【9 】 3 g ，全称为3 r dg e n e r a t i o n ，即第三代移动通信。目前，国际电信联盟( i t u ) 一共确定了全球四大3 g 标准。分别是w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 和 w i m a x 。与第二代移动通信相比，其主要特点可概括为：( 1 ) 能够促成全球 标准，同时容纳不同系统，实现全球普及无缝漫游。( 2 ) 能够同时提供实时语 音和宽带数据等多媒体业务，包括：支持新的基于分组交换的空中接口，实现 无线接入互联网及无线i p 技术，支持高质量语音、活动视频和高清晰图像等多 种多媒体业务。( 3 ) 支持高速传输及多种速率业务，包括低速寻呼、语音以及 与视像和文件传送有关的高速业务，传输速率能按需分配；具有支持上行和下 行数据速率不对称的能力。频率利用率高，安全保密性能良好。( 4 ) 可与各种 通信系统融合，能把现存的无绳、蜂窝、卫星移动等通信系统集合在统一的系 统中，以提供多种服务。( 5 ) 能够实现多个网络互联，包括与第二代移动通信 网、i s d n 及p d n 等互联。目前，中圉的3 g 移动通信才刚刚起步，网络建设 尚未完成，当前的3 g 业务，除了视频电话，几乎没有其他像样的业务。需要在 不断发展中进行自我完善。实际上3 g 技术所具备的功能绝大部分其实完全就可 以在目前第二代无线技术的基础上实现，特别是随着移动通信和因特网服务快 速发展而随之产生的移动数据通信要求。其方法有两种：一是在以电话为主的 蜂窝移动通信系统中增加传送数据的能力；二是移动通信与因特网的结合。由 此产生了几种相关技术，如通用分组无线服务g p r s 技术；增强数据速率改进 9 第二章通信方式方案比较 e d g e 技术；i s 9 5 b 利用码聚集技术；c d m a2 0 0 0l x 技术、无线应用协议w a p 技术；蓝牙b l u e t o o t h 技术等。其中，g p r s 和c d m a 2 0 0 0l x ，特别是g p r s 作为基于g s m 的分组交换技术，格外引人注目，对我国来说也具有特别重要的 现实意义。 在本系统中，由于各管网监控点分布厂区各个角落，范围不集中，因此架 设光缆工程量大，不经济、铺设电缆难度大、增加了企业的负担，向电信部门 租用专用电话线又要申请很多电话线，而且采用电话线路时需要等待漫长的电 话拨号过程。速度慢，运营成本较高，总之监控系统采用有线通信方式建设周 期长、工作难度大、运行费用高，不便于采用；与之相比，无线通信方式则显 得非常灵活，它具有投资较少、建设周期短、运行维护简单、性价比高等优点。 在监控系统中，无线通信方式主要包括：超短波无线数传、扩频、卫星通信、 g s m c d m a 数字蜂窝通信系统等，其中卫星通信由于通信费用昂贵，只在一些 特殊的重要领域下使用，尚未得以普及；而扩频通信技术虽然速率高，但只能在 视距范围内传输，应用也受到限制。采用超短波数传电台作为传输信道具有组 网灵活、维修方便、运行费用低等优点，但由于系统工作于2 3 0 m h z 且多采用 普通间接调制的数传电台，这就造成系统易受外界干扰、通信速率低、误码率 高、数据传送量不大、信号覆盖范围小等缺点。经过比较分析，本系统最终采 用了中国移动的g p r s 系统作为管网压力监控系统的通信平台。目前，g s m 网 络经过电信部门的多年建设，覆盖范围不断扩大，已成为成熟、稳定、可靠的 通信网络，g p r s 是建立在g s m 网络之上，为用户提供高速分组数据业务的新 的网络。它使用与g s m 相同的无线接口，但传输的是网络协议数据报。 g s m g p r s 系统可提供广域的无线i p 连接。在移动通信公司的g p r s 业务平台 上构建供水管网监控系统，实现管网监控点的无线数据传输具有可充分利用现 有网络，缩短建设周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。 2 2g p r s 的概念1 1 0 l i l 4 l 【1 8 1 1 2 1 l g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是 在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分 组形式的数据业务。g p r s 是g s mp h a s e 2 + 阶段规定实现的内容之一，它的目标 是提供高1 0 0 k b i t s 以上速率的分组数据业务【1 5 】。g p r s 只是一项移动通信技术， 1 0 第二章通信方式方案比较 将它应用于今天的g s m 网络只是对g s m 网络的一个升级而已，也就是说g p r s 是对目前g s m 网络的补充，它不会取代目前g s m 网络支持的c s d 电路交换数 据和s m s 短消息等数据、i k 务，g p r s 是g s m 向3 g 系统演进的重要一环，它既 考虑了向第三代系统的过渡同时又兼顾了现有的第二代系统，是第二代g s m 系 统过渡到第三代w c d m a 系统必经之路，所以g p r s 也被称为2 5 代技术。 g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准同样的频带同样的突发结构同样的 跳频规则以及同样的t d m a 帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换 的话音业务信道极其相似，因此现有的基站子系统( b s s ) 从一开始就可提供全 面的g p r s 覆盖g p r s 理论带宽达1 7 1 2 k b p s 实际应用带宽大约在4 0 1 0 0 k b p s ， 在此信道上提供t c p i p 连接，可以用于i n t e m e t 连接数据传输等应用，在移动 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 或x 2 5 服务巨大 的吞吐量，改变了以往单一面向文本的无线数据应用，使得包括图片语音和视 频在内的多媒体业务成为现实。g p r s 采用分组交换方式仅在实际传送和接收数 据时才占用无线资谢1 6 1 1 1 7 1 ，使用g p r s 在一个小区内多个用户可以共享一条无 线信道，同时进行通信大大提高了信道的利用率，即用户可随时与网络保持联 系：比如用户用g p r s 访问互联网时当没有数据传输时就进入一种准休眠状态， 释放所用的无线频道给其他用户使用，这时网络与用户之间还保持一种逻辑上 的连接，当有数据传输时立即向网络请求无线频道用来传送数据，而不是像普 通拨号上网那样断线后还得重新拨号才能上网冲浪。 2 3g p r s 的优点 第一、分组交换 分组交换的基本过程是把数据流先分成若干个小的数据包，通过不同的路 由转发、传送到目的端，然后再组装成完整的数据流。分组数据的传输基本上 不具有实时性，通常延时也不固定，最大的优点是可以使不同的数据“分享 传输信道。另一方面，分组交换可以在高层实现灵活的差错控制和流量控制， 以减少其他网络层不必要的开销，还可以在网络部分环节上增加控制，提高安 全性。另外，通过设置服务等级q o s 等方式，可以有效的控制和分配延时、带 宽等，所以分组交换非常适用于数据应用【1 7 1 。 第二、资源利用率高 第二章通信方式方案比较 在g s m 网络中，g p r s 首先引入了分组交换传输模式，使原来采用电路交 换模式的g s m 传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下 显得尤为重要。对于电路交换模式，在整个连接期内，用户无论是否传送数据 都将独自占有无线信道，在会话期问，许多应用往往有不少空闲时段如上i n t e r n e t 浏览，收发e m a i l 等等，对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间 才占用资源这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道从而提高了资源的 利用率，g p r s 用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了得到多少，支付 多少的原则。实际上，g p r s 用户可能连接的时问长达数小时，却只需支付相对 低廉的连接费用。 第三、传输速率高 g p r s 可提供高达11 5 k b s 的传输速率( 最高值为1 7 1 2 k b s ，不包括f e c ) ， 这意味着在数年内，通过便携式电脑，g p r s 用户能以与i s d n 用户一样快的速 度上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。 第四、接入时间短 分组交换接入时间缩短为少于1 秒，能提供快速即时的连接，可大幅度提 高一些事务( 如信用卡核对，远程监控等) 的效率，并可使已有的i n t e r n e t 应用 ( 如e m a i l 、网页浏览等) 操作更加便捷和流畅。 第五、支持i p 协议和x 2 5 协议，推动移动和数据网络的融合g p r s 支持 i n t e r n e t 上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协议，越来越多的公司将i n t e r n e t 作为职 员访问公司i n t r a n e t 的媒介，因此支持i p 协议显得尤为重要，由于存在大量的 分组数据网( p d n ) ，支持x 2 5 协议可使己存在的x 2 5 应用能在g s m 网络上 继续使用，由于g s m 网络覆盖面广，所以g p r s 能提供i n t e r n e t 和其它分组网 络的全球性无线接入可以认为，g p r s 加强了这种趋势，即移动和数据网络的融 合。 基于上述优点，g p r s 特别适合于远程无线的分布式测量控制系统，应用领 域主要有：运输业、g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m 全球定位系统) 汽车定位、无 线p o s ( p o i n to f s a l e s 销售点) 、无线a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 异步传 输模式) 等；气象、水文的s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n 数据采集与监视控制系统) ，对灾害进行遥测和报警；城市公用事业实时监控维 护系统，如水、电、气以及热水系统、污水管网等的实时监控和维护，电力农 网的配电自动化，石油井参数监控等。 1 2 第二章通信方式方案比较 2 4g p r s 网络结构i o i g p r s 的系统结构图如下圈所示 雷 倒l 并 图2 - i g p r s 网络结构模型 g p r s 网络并非是一种全新的网络，而是利用现在的g s m 基础并在此基 础上进行扩充和改进而成的。从圈2 - 1 可以看到。g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s y s t e m ) 网络是在现有g s m 网络中增加g g s n ( g a t eg p r ss u p p o r t i n gn o d e ， g p r s 网关支持节点) 和s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ，g p r s 服务支持 节点) 来实现的。 终端同g p r s 系统通信的过程如下： ( 1 ) 设备通过g p r s 无线通信模块同g p r s 基站通信，将数据发送到基站： ( 2 ) 基站接收到数据后，将数据转发到s g s n ； ( 3 ) s g s n 同g g