（机械制造及其自动化专业论文）离散型设备无线集控平台的研究与实现.pdf

摘要制造领域的数字化、集成化、网络化和智能化是先进制造技术的发展趋势与特色。目前，在许多工作场合存在多台设备离散分布在大范围区域内工作，这些设备离控制中心所在位置较远，有些需要监控的设备本身就安置在移动的列车、轮船等装置上。它们没有布线的条件或布线成本过高，有时甚至无法布置物理连线进行监控，不适合应用传统的有线网络监控模式对这些设备进行监控。本文结合当前先进的数字芯片技术、w a p 技术、无线通信技术、无线短消息以及网络安全等技术，依托目前国内成熟的g s m g p r s 移动通信承载网络，研究实现了一个对上述远距离离散型分布设备及移动设备进行远程移动集中监控的平台。该平台以g s m g p r s 无线通信网络为数据传输承载网络、以w a p 协议格式压缩传输数据、以无线短消息为数据单元以及先进的w t l s 和i p s e c 技术保障平台的网络安全。平台为五层结构，分别为现场设备层、数掘采集与校验层、数据处理层、数据传输层以及应用层。文中建立了平台的模型，确定平台为闭环离散时间控制系统；定义了平台每层的功能、数据传输协议以及相应工作规范；研究分析了平台中的关键技术，并进行了系统设计实现。在分析平台数据传输网络安全问题的基础上，提出了在平台传输网络的有线网络和无线网络部分分段安全控制的解决方案：设计了应用于移动控制终端的w a p 浏览器。本平台具有对远距离甚至超远距离离散型工作设备的数据传输、报警、起停控制以及巡检自动化和无人值守等功能，工作人员可以在国内任何有g s m 网络信号的地方远程监控设备运行状况。平台具有投资少、实施简便快速、运行稳定及屏蔽设各类型、控制终端可完全移动等特点，在实际应用中可以减少人为因素造成的损失、降低人员劳动强度，有良好的应用前景。关键词：离散型：无线控制：集控平台；网络安全a b s t r a c tt h ei n t e g r a t eo fd i g i t i z e ，c o m p e r h e n s i v i z a t i o n ，n e t w o r k i n ga n di n t e l l i g e n c ea r et h ed o v e l o p i n gt r e n da n dc h a r a c t e r so fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y n o wt h e r ea r em a n ye q u i p m e n t sl o c a t e di nw i d ea r e ad i s c r e t e l y s o m ea r ef a ra w a yf r o mt h ec o n t r o lc e n t e r ，s o m ea r ef i x e di nm o v i n gc a r r i e r ss u c ha st r a i n ，s h i pe t c b e c a u s eo ft h e s ee q u i p m e n t sl o c a t e dd i s c r e t e l ya n df a ra w a yf r o me a c ho t h e r ，i t sd i f f i c u l to re v e nc o u l d n td i s p l a yt h ed a t at r a n s p o r t i n gw i r e t h u st h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm o d ew i t hw i r ed o e s n ta d a p tt oi t b a s e do nc u r r e n ta d v a n c e dt e c h n o l o g i e so fd i g i t a lc h i p ，w a p , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n ds h o r tm e s s a g es e r v i c e ，d e p e n d i n go nd o m e s t i cg s m g p r sc a r r i e rn e t w o r k ，t h i sp a p e rf o c u so nt h es t u d ya n da c c o m p l i s h m e n to ft h er e m o t ew i r e l e s si n t e g r a t e dc o n t r o lp l a t f o r ma b o u td i s c r e t ed i s t r i b u t i o ne q u i p m e n t s i nt h ep l a t f o r m ，t h ed a t a - t r a n s p o r t i n gc a r r i e ri sd o m e s t i cs t a b i l eg s m g p r sw i r e l e s sn e t w o r k ，t h ed a t ac o m p a c tf o r m a ti sw a p , t h ed a t ac e l li ss h o r tm e s s a g ea n dt h en e t w o r ks e c u r i t yg u a r a n t e ed e p e n d so nt h ea d v a n c e dw t l sa n di p s e c t h ep l a t f o r mi sd i v i d e di n t o f i v el a y e r sn a m e da sl o c a t ee q u i p m e n tl a y e r ，d a t ac o l l e c ta n dc h e c kl a y e r ，d a t at r a n s a c t i o nl a y e r ，d a t at r a n s p o r tl a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e r i nt h i sp a p e r ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep l a t f o r mi sc l o s e dl o o pd i s c r e t et i m ec o n t r o ls y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rg i v e sd e f i n i t i o na b o u te a c hl a y e r sf u n c t i o n ，d a t at r a n s p o r t i n gp r o t o c o la n dr e l a t e db e h a v i o r s ，b a s i n go nt h es t u d yo nt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ep l a t f o r m ，g i v e st h ed e c o m p o s i t i o ns c h e m e u s i n gd i f f e r e n tt e c h n o l o g ya td i f f e r e n ts e c t i o nt og u a r a n t e et h en e t w o r ks e c u r i t y ，a tl a s tg i v e st h ed e s i g na b o u tw a pb r o w s e ru s e di nm o b i l et e r m i n a l st h ep l a t f o r mh a st h ea b i l i t yo nd a t at r a n s p o r t i n g ，a u t o m a t i ca l a r m i n g ，w o r kw a k i n ga n du n a t t e n d e do p e r a t i o na b o u tr e m o t el o c a t e de q u i p m e n t s ，w h i c he n a b l et h ew o r k e r sm o n i t o rt h e s ee q u i p m e n t sr e m o t e l ya n df r e e l y t h ep l a t f o r mh a sf o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：c o s tl e s s ，b r i n gi n t oo p e r a t i o ne a s i l ya n dr a p i d l y ，w o r k i n gs t e a d y ，m o v e a b l ec o n t r o lt e r m i n a l s i tw i l lb r i n gg r e a tb e n e f i tt ou s e r sa n dm a k i n gt h el o s sl e s sa n dd e c r e a s et h ew o r k e r sd e f a u l ta n dh a sb r i g h ta p p l i c a t i o nf u t u r e k e yw o r d s ：d i s c r e t ed i s t r i b u t i o n ；w i r e l e s sc o n t r o l ；i n t e g r a t e dc o n t r o lp l a t f o r m ；n e t w o r ks e e u r i t yn湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：乡乡彳、日期佃噼4 肌日i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。本人授权湖南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l 、保密口，在年解密后适用本授权书。2 、不保密团。悻蓉魄? 多1 纸i导师签名：ij j j ：2 0 0 4 年4 月1 5 】ij “j ：2 0 0 4 年4 月1 5 日一堡主兰篮垒苎1 1 研究背景第1 章绪论自动控制，就是在没有人参与的情况下，通过控制器或者控制装置来控制机器或者设备等物理装置，使得机器设备的受控物理量按照希望的规律变化，达到控制的目的“，。自人类使用工具开始，控制技术的应用也就随之产生了，对工作设备的控制研究口丁以追溯到第一次工业革命时期。控制理论从早期的经典控制理论经过现代控制理论，发展到了当前的智能控制理论【2 1 。如今自动控制技术广泛应用于工业、军事、农业、航海、核能源利用、太空技术等领域。在现代制造技术中，自动控制技术成为现代制造领域的关键技术之一，自动控制技术直接制约着制造的自动化程度。在工业领域中，工作设备按照分布的地域可以分为集中分布和离散分布，离散分布设备是指为完成某一任务所涉及的主要设备离散分布在较大区域，最大设备间距离通常在5 0 0 米以上，有时甚至达数千公里，简称为离散型设备；否则称之为集中分如设备。对离散型设备的控制出于控制中心距离设备较远，称之为远程控制。根据控制中心与设备的通信信道的不同，可以分为有线控制和无线控制，有线控制即通信信道是物理连线，包括电线、电缆以及光纤等，无线通信信道包括卫星线路、微波和短波等。由于设备的应用场合不同，某些设备用于收集关键信息，这些设备所收集的信息由于需要保密，我们称之为特定设备，如军事设备，国家高、精、尖技术设备，企业需要信息技术保密的设备，特殊科学考察设备等。这些设备工作情况可以分为以下几种：( 1 ) 设备远离控制中心，或者设备分散在某一大范围工作区域。例如，台风预报装置可能分布在远离陆地几百甚至上千公罩的岛上，通过在岛上的传感仪器来测出风速、气温、气压、空气湿度等参数，从而判定是否将有台风的袭击以及其强度，为沿岸预防工作赢得宝贵时间：又比如工作在野外的科考仪器工作在野外恶劣环境下，恶劣的工作环境对科考人员人生安全威胁较大：还有在我国一些江河流域经常受到洪灾侵袭，每次到洪灾来临时，各危险地段水位的监测在防洪工作中非常重要。( 2 ) 被测量设备安装在移动装置上。如用于火车、轮船安全运行的监控装置等。列车在运行过程中，列车上的某些关键设备可能会发生故障，从而带来人民生命和财产损失。由于列车在运行过程中，列车工作人员的检测条件有限，很难及时发现这些故障，从而带来安全隐患：在航行中的船舶上同样存在类似的问题。( 3 ) 1 作环境恶劣条件。如工作在矿山、油田、寒冷地区、野外科考等设备，离散型设备无线集控平台的研究与实现所处的工作环境恶劣，不适于工作人员长时间在现场监控。矿山机械工作环境通常非常恶劣，噪音大，粉尘大，有毒气体浓度高，在这种环境下工作，对人体健康影响较大。( 4 ) 事先没有迸行布线或者无法布线的场合，如旧建筑物、停车场、旧厂房、山地水域等。这些离敞型设备通常有以下特点：( 1 ) 设备运行比较稳定，不需要过多人工干预，适于进行远程监控，对控制延时时间要求较低；( 2 ) 设备执行动作比较固定、简单，因而控制指令也比较固定、简单：( 3 ) 设备工作地点相对固定，设备自身不需要在楣对移动的环境下工作；( 4 ) 设备不需要连续数据采集、实时监控，往往是定时或者条件触发采集数据，也不需要向控制中心连续传递数据：( 5 ) 传输的单个数据项的数据量较小，通常在几百个字节以内。对这楚设备进行监控包括两方面的内容，一方面是指获耿设备工作过程的现场参数，由于这些现场参数的变化情况直接体现设备的工作情况，故及时有效地获得现场参数显得尤为重要；另一方面是指对这些设备进行相应的指令控制，控制设备进行下一步工作，比如控制设备起停等。对这些设备进行监控的终端是完全移动的。传统的监控端是一台固定的设备，可能是计算机、电视墙或其他相关设备，这样就要求监控人员必须守候在监控设备前。工作人员往往希望监控端是一台移动终端( 手机或者p d a ) 。这样监控工作人员可以在移动的情况下进行设各监控，及时了解现场设备的工作情况，这将大大解放工作人员。对上述环境下工作的设备进行移动监控的一种理想的解决方案就是对这些设备进行远程监控。在传统的控制中，使用的是有线通信信道，有线网络高速稳定，对于距离问隔0 i 大、集中安放的工作设备进行监控有很好的效果，满足了大部分场场合的需要。在上行过程中，监控网络的目的是获得现场设备生产参数。此时，有线网络龄控通过安装在设备端的各种传感器收集数据，通过数据处理后，发送到r t u ( k e m o t et e r m i h a lu n i t ) 进行数据封装，r t u 将数据包发送到f i u ( f r o n ti n t e r f a c eu n i t ) ，f i u 将数据拆封后传到控制中心，控制中心向数据中心请求数据，从而了解现场设备生产参数。在下行过程中。监控网络的目的是根据获得的现场设备生， ：参数进行人工智能判断，触发各种控制指令以控制现场设备的动作。控制中心将控制指令传到数据中心等候处理，然后传给f i u 进行数据格式封装，再通过传输线路送给r t u 进行数据拆封，最后通过执行器控制工作设备。有线网络控制原理如图1 1 所示。图1 1 有线网络监控原理示意图但是，有线网络监系统控对于远距离甚至超远距离的离散型设备进行监控存在以下障碍：( 1 ) 有线网络只能沿着一维的线路传输数据，而传输要物理介质，因而势必带来稚线规划、预设接口、线路检测、线路扩容等一系列和传输途径有关的工作困难，并且这些工作不可避免地具有破坏建筑、浪费接口、检修困难、扩展困难的弊病；( 2 ) 由于线路长，很容易由于各种因素造成线路老化、损坏和信号衰竭，造成线路检修、维护困难或者控制信号弱甚至线路中断。因此，无线网络就成为非常有效、便捷和经济的解决方案；( 3 ) 但当通信线路很长，又要穿过一些高山、丛林时，敷设线缆不仅价格昂贵而且施工也很困难，对于处在沼泽、水域或者移动的列车、船舶等载体上的设备，无法布线，因而无法使用有线网络来远程监控：( 4 ) 由于有物理连线，控制端大范围移动始终无法实现。于是人们自然想到了通过无线网络对这些设备进行远程监控。随着无线网络通信技术的发展，无线控制技术同益成熟。无线通信对在远距离、恶劣环境下的设备进行监控有它特有的优势。常用的无线信道主要包括地面微波、卫星线路、短波等。目自d 应用中的系统大多用的是微波通信 4 1 。无线网络向三维空间传送数据，因此可以全方位进行数据传输；中问无需传输介质，可以在有线网络无法到达的区域进行通信，对于远距离的通信不需要十分高昂的布线费用，只要在无线网络覆盖区域安装接收设备，就可以自由接入网络；另外无线网络那些事先没有布线的i f t 厂房、旧建筑物可以很方便地组网。因此，在网络建设的灵活性、便捷性、扩展性方面、成本控制、线路维护、升级改造等方面无线网络都有独特的优势，可以很好地克服有线网络的缺陷。1 2 国内外研究水平与发展现状目前，随着无线网络技术的r 益成熟，使得无线远程控制有了很好的传输信道，因此国内外对离散型设各远程监控的研究较多，国外很多公司都已经拥有或正在研究丌发自己的产品。国内许多公司也正在研制该类产品，但大多数是在国外技术基础上进行二次开发。可以预见，随着相关技术的进一步发展，该领域的研究在未来的几年将会持续升温。离散型设备无线集控平台的研究与实现在远程掩制技术中无线网络传输标准方面，目前国内外普遍应用的是第二代移动通信技术，即数字式时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术。时分多址系统主要有美国的d a m p s 、同本的p d g 和欧洲的g s m 三种【5 】。我国所采用的是数字式蜂窝移动通信系统，是由欧洲c e p t 移动通信特别小组于1 9 8 8 年完成技术标准制订、1 9 9 0 年开始投入商用、被称为全球移动通信系统和发展史中最快的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 ) ，由于系统已被许多国家广泛采用，实际上己成为第二代数字移动通信系统的通用标准。第二类数字式窄带c d m a 产品主要有美国的q c d m a 和欧洲爱立信的b c d m a 系统，但应用普及程度远不如第一类g s m 。第二代移动通信技术的缺点是数据通信速度太慢，数据速率仅为9 6 k b p s ，另外通信费用较高。g s m 中短消息技术由于费用较低，实施简单，不需要另外增加昂贵的硬件设备，因而在控制中使用较为普遍。于是又推出3 g ( 第三代移动通信技术) ，3 g 的主要特性包括提供全球无缝覆盖和漫游；提供远比2 g 先进的话音和数据业务；高速无线数据传输。高速移动时的数据速率要达到1 4 4 k b p s ，慢速移动时速率达到3 8 4 k b p s ，室内静止环境下达到2 m b p s ；适应多种业务环境：蜂窝、无绳、卫星移动、p s t n 、数据网、i p 等：具有单一个人通信号码，按需分配带宽，频谱利用率高，容量大；网络结构能适用无线、有线多种业务要求hj 。由于3 g 与2 g 差异过大，建置3 g 系统所需花费惊人，人们又发展出2 ，5 g 或2 7 g 等过渡系统。被称为2 5 g 的o p r s ，由于建置较为容易，全球大部分的g s m皆选择其作为升级至3 g 的过渡系统【7 1 。3 g 还是有其局限性。由于受到多用户干扰，c d m a 难以达到很高的通信速率。目前4 g 的研发已在多个跨国公司问展开。4 g 预计会比其现有的3 g 服务快2 6 0 倍，提供2 0 m b p s 的上行链路和1 0 0 m b p s 的下行链路速率，能直接向无线设备提供高清晰度电视服务1 ”。目前国外的无线远程控制系统已经逐渐从第二代移动通信技术升级到2 5 0 ，有些产品甚至应用3 g 技术。法国w a v e c o m 公司、美国得洲仪器公司、美国微芯公司等都已经成功研制出了基于2 g 、2 5 g 的相关产品并应用在广泛应用于移动办公、移动电f 商务、工业控制、智能家电等行业中。目的无线通信技术应用最普遍的是同本、韩国、美固和欧洲。日本n t td o c o m o公司于1 9 9 9 年推出的移动电话i n t e r n e t 信息服务i m o d e ，目前在日本的应用已深入到各行备业中，法国电信、芬兰电信、香港电信以及许多网络服务商都推出了移动i n t e m e t 服务。韩国的无线远程控制系统应用也相当普遍。法国t f i 公司为一家法围葡萄酒酿造公司提供了一套无线远程控制平台，以控制置放在森林中的葡萄酒桶的温度，使之保持在一定温度范围内，防止被霜冻坏川。法国a p i v e l a y公司为一家养蜂场提供了监视蜂蜜流量和控制蜜蜂食物储备的远程控制平台。美国农业服务中心的无线远程控制系统目前应用在一个1 6 0 0 英亩的农场，对农场的4堡主堂堡丝苎机械设备进行控制，同时监测农作物的生长环境。2 0 0 0 年1 1 月芬兰首都赫尔辛基市在芬兰全困率先向人们提供使用手机支付停车费的服务，该服务不仅为停车者提供了方便，而且安全可靠。随着2 5 g 技术，3 g 技术的到来，使得数据传输速度大大提高许多控制平台已经可以传输图像、声音等大容量数据，为无线控制技术提供广阔的市场。美国的幻觉眼微型直升机上带有全景照相机，这种直升机利用太5 u 能可以飞行2 0 小时以上，通过机上的照相机可以将图片传送到控制中心，目前已经投入在军事、测量、科考等领域。且前匿内的无线远程监控平台无线传输信道大多停留在2 g 移动通信技术上，在数据传输、响应时间上与国外有较大差距。目前国内该技术已经广泛应用在城市灯光监控系统l ，g p r s 人防无线警报控制系统，g p s 车辆监控系统中，警车、消防车、银行运钞车等特种车辆的g p s 监控系统- ，青海察尔汗盐湖卤水运动自动观测系统1 ，移动列车监控系统4 l 。城市供热系统，农田灌溉监控系统1 16 1 ，消防设备运行状况远程监控系统1 ，远程数据采集系统m - 9 1 以及无线自动报警系统等领域并取得了成功。目前在智能家电控制 2 0 1 、郊区无人值守加油站、野外山地海洋考察、停车场管理等领域的研究也比较多。在无线集控平台产品方面，国内很多公司也基于国外相关产品进行了二次开发。这些系统一般在远程终端设备端安装有各种传感器和p l c ( 可编程序逻辑控制器、，p l c 具有通信功能，可输入或输出开关量，可以控制设备的动作；传感器将数据收集后传给r t u ，然后r t u 将采集的数据通过m o d e m 将数据发送到控制中心m o d e m ，m o d e m 将数据传给f l u ，f l u 为前端接口设备，与控制中心设备相连。目前通用无线远程监控系统原理如图1 2 所示。图1 2 无线远程监控系统原理示意图上述方案解决一些实际工作中的远程监控问题，但是还存在以下不足：( 1 ) 剧户架设无线通信系统时，整个通信系统比较复杂，其复杂性在于空中接口的设计和移动性的支持，而这两个方面在有线网络中不必考虑i ；( 2 ) 对于远距离或者超远距离的传输，一般的微波或短波通信功率有限：( 3 ) 系统的软、硬件成本都要用户承担，费用较高：( 4 ) 控制端是相对固定的，无法实现远距离自动移动。离散型设备无线集控平台的研究与实现1 3 本文主要工作本文课题来源与国内企业横向课题，目的是解决实际应用中的问题，设计实现对离散型分布设备进行远程无线监控的集控平台，解决目前无线远程集控平台中的不足，该平台设计实现将达到以下目的：( 1 ) 简化无线通信系统的空中接口；( 2 ) 克服微波或短波通信功率有限的问题，实现对远程甚至超远距离设备的控制：( 3 ) 溅小应用过程中的成本；( 4 ) 实现控制端完全移动，使移动终端在任何有移动通信网络信号的地方随时查看设备上作状况；( 5 ) 能够屏蔽设备类型，具有广泛的通用性，可以广泛应用在军事、科考、工业控制、智能家电、移动商务等领域中。本文工作将从以下方面展开：( 1 ) 通过研究分析当前先进的无线通信技术、w a p 技术、无线短消息技术以及网络安全等关键技术，构建对远距离离散型分布设备进行无线远程集中监控的平台；( 2 ) 研究建立平台的体系结构及模型；( 3 ) 控制平台系统设计与实现；( 4 ) 分析平台的传输网络安全问题并提出解决方案；( 5 ) 发计移动控制终端上的w a p 浏览器，在w i n d o w s 平台上模拟实现；( 6 ) 基f 模拟程序进行实现模拟，验证平台的可行性。6硕士学位论文第2 章平台的关键技术传统的尤线移动网络只用于提供移动话音和简单的数据传输服务，而传统的i n t e r n e t 网络服务却只为用户提供网络接入和数据传输。在本平台中，为实现无线远程监控，将利用无线移动通信网络作为远程监控数据的承载网络。利用有线网络作为控制中心到无线网关之间数据的承载网络，这样就可以解决远程数据通信传输通道的问题。无线移动网络选用国内成熟的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 ) 网络，这样一来用户无须自己架设通信网络可以直接利用，大大降低了成本，并且目前g p r s 网络在潮内的覆盖面是同类通信网络中最广的，从而实现集控平台的应用场合最广。w a p 则是移动终端接入i n t e r n e t 从而实现数据服务的关键。w a p 移动终端用户无需拨号就能永远处在在线状态，g p r s 充分支持t c p i i p ，彻底解决了无线网络数据业务速度低的问题。在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 ) 、g p r s 网络的数据传输业务中，s m s ( s h o r t m e s s a g es e r v i c e s ) 是最普及的一种，可以很简单地实现信息的传递，所以小甲台利用s m ( s h o r t m e s s a g e ) 即短消息作为现场设备的监控数据载体。短消息业务实施简单，成本非常低，并且具有较高的可靠性。它的缺点是传输数据量较小，并且容易发生数据丢失的现象，因此，在平台中通过相关的协议确保数据的l 卜确到达，一旦发生数据丢失，可以进行再次传送，直到正确数据送到为止。在本文研究实现的无线集控平台中将综合无线通信技术、w a p 技术、无线短消息以及网络安全技术等，本章对平台的相关技术结合其在平台中的具体应用进行阐述。2 1g p r s 技术g p r s 是在g s m 系统的基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，采用分组交换技术，是一种新的g s m 数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入服务。g p r s 主要是在移动用户和远端的数据网络( 如支持t c p i p 等网络) 之间提供种连接，从而给移动用户提供高速无线业务。离散型设备无线集控平台的研究与实现g p r s 具有5 大独特优势：( 1 ) 永远在线，用户随时可与网络保持链接：( 2 )快速登录，g p r s 移动终端一打开，就已与g p r s 网络建立了链接；( 3 )高速传输，g p r s 手机采用先进的分组交换方式，数据传输理论值可达l71 2 k b p s ，平均速率达2 0 k 4 0 k b p s ；( 4 )按量收费，按照用户收发数据包的数量来收取费用：( 5 )自由切换，g p r s 移动终端可以一边使用其他服务，一边上网【2 2 】。g p r s 采f h 与g s m 相同的频段、相同的频带宽度、相同的无线调制标准，g p r s的分组数据功能并不对g s m 系统支持的服务产生影响，它们可以同处一网，所有它们互不影向。g p r s 能够提供两个移动终端( m s ) 之间或者m s 与g p r s 终端或外部终端之蚓的数据传送能力，它提供两类业务：( 1 ) 点到点业务。这种业务包括三种：点到点无连接业务、点到点连接业务和点到点短消息业务。( 2 ) 点到多点业务。它也包括三种：点到多点组播业务、点到多点群呼业务和i p 组播业务【3 l 。2 2w a p 关键技术2 1 1w a p 协议层w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c o l ，无线应用协议) 和g p r s 的结合将无线网络互联带入新的境界。w a p 是在数字移动终端、因特网或计算机应用之间进行通讯的开放全球标准，规定了服务器与客户浏览器交互的方式、规范，是由w a p论坛制定的套全球化无线应用协议标准m ，。它的目标是使互联网的内容和各种增值业务适吲于多种无线网络技术，并促使业界采用这种标准。其突出的优点是轻巧的w a p 增值服务适用于手机用户和各种无线设备用户，并创立一种全球化的无线应用协议，使其存储器的设计可使需要的带宽达到最小化，以适应无线网络传输，同时使w a p 能够适用于多种无线网络类型。w a p 的体系结构包括w a p 网关、w a p 终端和w a p 内容服务器三部分，如图2 1 所示。其中w a p 网关起着协议的“翻译”作用，转换w a p 格式的w m l ( w i r e l e s sm a r k u pl a n g u a g e ) 请求和内容格式与h t m l ( h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e ) 请求和内容格式：w a p 内容服务器则存储访问内容，以提供w a p 手机用户来访问、查询、浏览等。硕士学位论文内容服务器图2 1w a p 体系结构示意囝w a p 终端控制程序运行于无线终端，当无线终端发送一个控制信息时，该信息通过本机上的协议栈从高层协议栈传送到低层协议栈。然后发往g a t e w a y ( 网关) 。g a t e w a y 上有两个协议栈，一个是w a p 协议栈，一个是h t t p ( h y p r t e x tt r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 协议栈。g a t e w a y 进行了从w a p 协议到h t t p 协议的转化。然后将转化后的h t t p 请求发送到内容服务器。g a t e w a y 发回无线终端的信息是压缩过的信息，进行压缩的主要目的是为了减少接收和处理的数据量，满足移动终端小内存的要求。w a p 协议层如图2 2 所示( 2 5 】：图2 2w a p 协议层结构图w a p 建立在可升级的分层结构基础上，每一个层可独立于其它层，可以实现本层特有的服务和应用。这就使得在不需要对其它层改变的情况下就可以引进其它承载业务或使用新的传输方式。，承载网络( b e a r e r ) ：w a p 协议可以用于多种不同的服务，支持所有的网络技术和承载业务，包括短消息业务( s m s ) 、非结构式辅助业务数据( u s s d ) 、电路交换蜂窝移动数据( d s d ) 、蜂窝移动数字分组数据( c d p d ) 和通用分组无线业务( g p r s ) 等；承载网络的类型主要有：g s m 、g p r s 、i s 1 3 6 、c d m a 、c d p d 等。在本平台中我们选用国内成熟的g p r s 为承载网络，负责在现场设备9_r1，llj匿霞一划关一詈一冈离敷型设备无线集控平台的研究与实现和监控中心之间传递数据。w d p ( w i r e l e s sd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 即无线数据报协议，w d p 协议向上层的w a p 协议提供了一个通用接口，从而使安全层、会话层和应用层与底层的无线网络无关，这就使它们能够相对独立地进行工作，这些功能是通过让传输层适应底层承载网络的特征而实现的。在确保传输层接口和基本特征一致性的前提下，通过网关的 办【；c 转换，可以实现全球互通。w d p 提供的服务有按端口号区分应用、选择性分组和重组以及选择性错误检测，这些服务确保应用在不同的承载网络上透明的传输。无线传输协议的体系结构如图2 | 3 所示f 2 6 l 。w d pa 承载接ub 承载接u承载接【jn 承载接口a 承载网络b 承裁阿络承载碍络h 承载阿络物理层空中链路图2 3w d p 体系结构w t l s ( w i r e l e s st r a n s p o r tl a y e rs e c u r i t y ) 即无线传输安全层协议，它基于t l s协议，用于窄带通讯。它有三个以下特性，一是保持数据完整性，保证终端与应用服务器之问传输的数据是未改变和未被破坏的：二是保持数据传输的保密性，保证终端与应用服务器之间传输的数据不被第三方截取，在终端和应用服务器上进行认证；三是拒绝数据，拒绝不合法的数据1 2 7 l 。w t p ( w i r e l e s st r a n s a c t i o np r o t o c 0 1 ) 即无线事物协议，运行于数据报服务之上，它提供了轻量的面向处理的协议，因此它适用于瘦客户端f 2 s j 。它运行于安全的或不安全的无线数据报网络之上并提供了三个特性，一是提供三种处理服务，包括不可靠的单向清求、可靠的单向请求和可靠的双向请求回应处理：另外可选择的用户对用户的可靠性，w t p 用户向每一个请求做出应答，还可以进行异步处理啪 。w s p ( w i r e l e s ss e s s i o np r o t o c 0 1 ) 无线会话协议为w a e 提供了两种会话服务：种是基于事务处理协议w t p 的面向连接的服务；另一种是基于安全的或不安全的数据报服务的非连接服务。w s p 层定义了发送到w a e 层的数据类型，w s p h t t p l 1 内容报头用来进行内容协商、定义字符集编码和设定语言，包含了许多适合于浏览的服务，提供了h t t p 1 1 功能以及无线网上传输的语法，长时间的会话状态，会话转移时的会话暂停与继续，提供了数据推( d a t a p u s h ) 功能。0硕士学位论文即由内容服务器向客户端发消息，为了适应窄带传输介质，w s p 协议提供了低带宽和较高的延迟。w a e ( w i r c l e s sa p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t ) 层提供了应用程序的运行环境，主要有三个功能。( 1 ) 会话层接口。w m l 和无线电话应用( w t a ) 用户代理之间的通信，是利用无线会诵协议( w s p ) 在每个用户代理的一个或几个w s p 会话上进行。网络通信使用w s p h t t p l 1 报头和内容，会话管理实体负责生成和控制w s p 会话。在w a p 体系规范中，没有定义会话管理实体，会话管理实体是个特殊的实现。( 2 ) 基本的体系结构方案。w a e 用户代理应该实现h t t p l 1 规范中规定的基本鉴权。( 3 ) u r l ( u n i f o r mr e s o u r c el o c a t o r ，统一资源定位器) 方案。h t t p 这个方案定义了特殊的u r l 的语法，用于命名存储在h t t p 源服务器上的资源。h t t p方案的规范并不暗示在电话和网关中使用特殊的通讯协议，由u r l 指定的源服务器可通过w s p t o h t t p 网关( 或代理) 到达。作为选择，u r l 可以指定网络服务器，它可使w s p 网关的功能和源服务器合并成一体，在这种情况下，资源可通过w s p 协议直接访问 2 9 l 。w a e 在逻辑上主要分为两个层次，用户代理层，包括浏览器、电话本、信息编辑器等：服务与格式层，包含用户代理层可访问的普通的元素和格式，如w m l 、w m l s c r i p t 等。2 1 2w a pp u s h 技术p u s h ( 推) 技术是和p u l l ( 拉) 技术相对而言的，在通常的c s ( c l i e n t s e r v e r 客户端服务器) 模式中，用户首先向服务器发送请求，然后服务器接受请求，并将收集的信息反馈给用户。这就是通常所说的p u l l 技术。通过浏览器访问i n t e r n e t就是p u l l 技术的典型应用。p u l l 和p u s h 原理区别见图2 4 。图2 4p u l l ( 图左) 和p u s h ( 图右) 技术结构示意图在用，。没有发起请求的情况下，由服务器主动向用户发送数据，这些数据通常由用户事先预定的。用户决定是否接收数据。p u s h 技术与p u l l 技术最大的区别在于p u s h 技术是由服务器主动传送数据，p u l l 技术是由用户主动请求数同h兰?冈h三磊离散型设备无线集控平台的研究与实现据。p u s h 技术中，服务器可以向多个用户发送数据。p u s h 技术的本质在于由信息主动找用户，而p u l l 技术的本质在与由用户主动请求数据。p u s h 技术与移动通信技术结合后有了良好的应用前景。w a p 2 0 协议增强了p u s h 技术和用户特性描述等应用m i 。在本控制平台中，通过该技术，服务器可以定时将控制人员定制的短消息p u s h 到控制人员的移动终端设备上而不需要控制人员请求该数据，尤其在设备数量多的情况下，避免控制人员由于请求数据而机械重复地发送短消息。它具有以f 优点：( 1 ) 移动设备终端( 手机、p d a 等) 体积小，携带方便，且手机在中国乃至世界绝大部分地区十分普及，并且作为通讯工具，可以方便携带，人们可以随时随地接收和发送短消息，可以随时掌握设备运行状况，并且不需要控制人员主动请求，丽是被动接收就可以了。( 2 ) p u s h 技术与s m s 短消息的结合使得移动通信技术克服了由于工作人员疏忽或者忙碌情况下忘记数掘请求的不便，而不用担心数据丢失。w a pp u s h 技术中，可以传送比s m s 数据量大得多的信息，内容不仅限于文本，还可以传送声音、图像和w m l 页面等。因此用户能取得更加丰富的信息，这在设备监控中非常实用，除了可以传送设备参数以外，还可以传送通过摄像机拍摄的简单图片或者一段录音。w a pp u s h 技术改变了工作人员通过主动请求数据的单一模式，可以更加灵活地通过无线网络进行多种业务处理。w a pp u s h 体系中主要包括p i ( p u s hi n i t i t a t o r ) 、p p g ( p u s hp r o x yg a t e w a y )和，a p 客尸l 端( w a pc l i e n t ) 三部分。技术原理如图2 5 所示。r 1w a 9llc l i e n tii ，一j遂田竺：田图2 5w a pp u s h 结构图在本平台中。p i 就是w a p 服务器，运行在i n t e r n e t 环境中，w a pc l i e n t ，就是移动控制终端，处于无线网络环境中，当一个p u s h 过程启动时，p i 主动向w a p 移动终端发出p u s h 信息，由于它们分别处于不同的网络环境，使用不同的传输协议无法直接进行通信，所有需要p p g 作为中介进行格式转换。当有信息从p ip u s h 到移动终端时，p i 首先创建p u s h 信息，通过向p p g 发送p u s h 请求，与p p g 进行信息交互。p p g 接收到从p i 发送过来的消息后，经过数据压缩、协议转换、安全认证等处理后，将短消息发送到移动终端。移动终端收到短消息后，解析消息内容。w a p 的p u s h 协议针对不同的用户需求，允许用户定制自己需要的短消息。1 2硕士学位论文2 3 短消息技术移动通信提供的短消息，就是通过g s m g p r s 网络传输的有限长度的文本( 1 6 0 个英文字母或7 0 个中文汉字) 信息。短信业务按其实现的方式可以分为点到点短信业务和小区广播短信业务，本平台中由于各台设备的信息内容值是离散分布的，所以采用点到点短信业务。点到点短信业务包括两种情况：一种是移动台接收点对点短信( s m s m t p p ) ；另一种是移动台发起点对点的短信业务( s m s - m o p p ) 。点对点短信业务即通过m o 和m t 将一条短信信息从一个实体发送到指定目的地址的业务。被发送的信息经过编码后信息长度为1 4 0 个字节，所以一条短信信息至多可以包含1 6 0 个英文字母或7 0 个中文汉字”。短信作为g s m g p r s 网的一个基本业务，与电路无关。这就决定了短信信息可以在数字移动通信网的控制信道中传输。又由于在数字移动通信网中，终端和发送端之间存在着数字通信信道，所以终端只要将编辑好的信息按一定的标准转换成编码的数字信号，并通过通信信道发出，便可以实现短信信息的发送。数字移动通信网支持m s ( m o v eu s e r ，移动用户) 点对点短信业务的发送和接收，既可在m s 处于呼叫状态时进行，也可在空闲状态下进行。s m s c ( s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t e r ，短消息服务中心) 直接通过信令网发送短信给用户。但当短信服务业务量很大时，全部短信都由s m s c 负责转发，造成该s m s c 负荷极大。为了解决这问题，引入了短信网