（检测技术与自动化装置专业论文）城市供水网的无线测控系统的研究.pdf

长春工业大学硕士学位论文 摘要 城市供水是城市发展的命脉产业，是保障人民生活、发展生产建设必不可少的物 质基础，它与城市道路一样，是城市中物质流与信息流的脉络。由于水的不可替代性， 供水问题往往成为个城市发展的根本性制约因素。 目前，国内城市供水监测调度系统中采用的数据通信可简单分为有线和无线两大 类。其中，无线数据通信具有组网灵活、投资较少、建设周期短、维护简单、性价比 高等优点，因此无线数据通信逐渐成为城市供水调度中的主要数据传输方式。针对我 国中小城市供水状况以及城市供水调度系统中各管网监测点分布范围广、数量多、距 离远、不集中的特点。结合公共无线通信技术的应用和发展形势，本文提出了一种基 于g s m 短信息业务的远程无线数据采集及控制方案。 本系统主要由数据采集及控制终端设备、与g s m 移动通信网络连接的传输网络部 分、生产调度中心( 也称监测调度中心) 几个部分组成。本文的主要工作有以下几个 方面： 1 监测中心主机与短信模块之间的通信。监测中心通过短信模块实现与下位机的 通信，从而实现监测数据的接收与控制命令的发送。 2 下位机单片机控制短信模块收发短消息。将数据采集控制终端采集到的数据传 送给上位机的短信模块，并接收上位机发送的监控命令。 3 现场数据采集系统。用单片机系统实现压力、流量等数据的采集，同时按一定 格式存入数据存储区，供传送数据时取用。 4 监测软件的设计。通过简单直观的人机界面显示反映系统的工艺流程，便于工 作人员进行操作。 本文分析了基于g s m 的短消息传输原理；解决了城市供水监测调度系统中数据的 无线传输及通信协议的选择等问题。系统采用现代化管理模式，大大降低了生产经营 成本；节省了大量的人力资源；减少了由于突发故障引起的水资源浪费。因此该系统 具有一定的经济效益和社会效益。 关键词：城市供水短消息服务无线数据传输单片机 长春工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t u r b a nw a t e rs u p p l yi st h el i f ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ec i t y i ti st h ea b s o l u t e l y n e c e s s a r i l ym a t e r i a le l e m e n t st og u a r a n t e ep e o p l el i f ea n dd e v e l o pm a n u f a c t u r e s i m i l a rt 0 t h ec i t y sr o a d ，u r b a nw a t e rs u p p l yi st h ev e n a t i o no ft h es u b s t a n c ea n di n f o r m a t i o n o n a c e o b n to ft h ew a t e ri su n - s u b s t i t u t e d , t h ep r o b l e mo fw a t e rs u p p l ya l w a y sc a nb eap r i m a r y c o n d i t i o n a lf a c t o rf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h ec i t y a tp r e s e n t ，t h ew i r e l i n ea n dw i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o n sc o u l db ea d o p t e db y d o m e s t i cu r b a nw a t e r s u p p l ym a n a g e m e n ts y s t e m a m o n gt h e m ，w i r e l e s s d a t a c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i t haf l e x i b l e ，l e s si n v e s t m e n t ，s h o r t e rc o n s t r u c t i o np e r i o da n d e a s ym a i n t e n a n c e ，h i g hp e r f o r m a n c e - p r i c er a t i o 。s ot h ew i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o ni s b e c o m i n gam a j o ru r b a nw a t e rm a n a g e m e n td a t at r a n s m i s s i o n s m a l la n dm e d i u m - s i z e d c i t i e si nc h i n e s eu r b a nw a t e rs u p p l ys i t u a t i o na n dt h en e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mt o m o n i t o rt h e d i s t r i b u t i o ni sb r o a di n s c o p e ，e x c e s s i v e ，f a r g o i n g ，d i s d r a c tf r o me a c h o t h e r c o m b i n i n gt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to f t h e s i t u a t i o n , t h i sp a p e rp r e s e n t sal o n g - r a n g ew i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o np r o g r a mb a s e do ng s m a n ds h o r tm e s s a g es e r v i c e 。 t h es y s t e mc o n s i s t so fad a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o lt e r m i n a le q u i p m e n t ，n e t w o r k c o n n e c t i v i t y a n dt h eg s mn e t w o r k ，p r o d u c t i o nc o n t r 0 1c e n t e r ( t h em o n i t o r i n ga n d d i s p a t c h i n gc e n t e r ) t h em a i np o i n t so f t h i sp a p e r a r ea sf o l l o w s 1 c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm o n i t o rc o m p u t e ra n ds m sb l o c k m o n i t o rc e n t e rr e a l i z e s t h es p o td a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o rc o m m a n d sl r a n s m i s s i o nb yc o m m u n i c a t i n gw i t ht h e l o w e r - c o m p u t e r 2 s i n g l e - c h i pc o m p u t e rc o n l r o l st h es m s b l o c kr e c e i v eo rs e n dt h es h o r tm e s s a g e t h i s p a r ts e n d ss p o td a t at os m s b l o c ko f u p p e r - c o m p u i e r ，a n dr e c e i v e st h em o n i t o rc o m m a n d s 3 d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m i tc a nr e a l i z et h ep a r a m e t e r sa c q u i s i t i o no fp i p en e t w o r k p r e s s u r ea n dt h ef l o wb ys i n g l e c h i pc o m p u t e rs y s t e m t h e nt h e s ed a t aa r es t o r e db yc e r t a i n f o r m a tf o rt r a n s m i s s i o n 4 s o f t w a r ed e s i g na b o u tm o n i t o rs y s t e m a c c o r d i n g 幻t h es i m p l ea n dd i r e c t l y p e r c e i v e dt e c h n o l o g i c a lp r o c e s sp i c t u r e s ，w o r k e r sc a l lo p e r a t ee a s i l y t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l eo ft h es h o r tm e s s a g et r a n s m i s s i o nb a s e do ng s m ， a n ds o l v e st h ep r o b l e m so fu r b a nw a t e rm a n a g e m e n ts y s t e mt om o n i t o rw i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o na n dt h ec h o i c eo fc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h e s y s t e m i l s e sm o d e r n m a n a g e m e n tm o d e la n dg r e a t l yr e d u c et h ep r o d u c t i o na n do p e r a t i o nc o s t s ；s a v eal o to f h u m a nr e s o u r c e s ：r e d u c et h ew a s t eo fw a t e rr e s o u r c e sd u et oas u d d e nf a i l u r e t h u s ，t h e i i 长春工业大学硕士学位论文 s y s t e mh a sa c c r t a i nd e g r e eo f e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d s ：u r b a nw a t e rs u p p l y , s m s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , s i n g l e - c h i pc o m p u t e r i 长春工业大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不舍任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品或成果。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。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 孑轫 日期： 2 ，。7 年；月节日 长春工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 水是人类生活和社会经济发展不可缺少的基本物质条件，城市供水产业与供电、 供气、供热等产业同属城市重要的服务性基础设施，对城市的社会和经济发展具有先 导性作用。随着国民经济的飞跃前进，我国供水事业得到了快速的发展。 随着社会经济的不断发展，必然要求供水系统供水水平的不断提高。面对日益复 杂的城市供水系统，在满足供水水量、水压及水质要求前提下，最大限度的提高供水 系统的经济效益和社会效益，即不仅要尽量减少工作中的人员浪费，还要尽量降低设 备的安装和维修费用以及供水过程中的水资源浪费。这是2 1 世纪初摆在所有水务设计、 研究、制造、管理专家面前的重要课题。 供水管网是供水系统的重要组成部分，它担负着把水安全的配送到用户，并满足 水量、水压、水质的要求。管网一旦出现事故，将给人民生活带来极大的不便，给社 会生产带来极大的损失。因此，供水管网优化运行对于合理供水和节约能源起到了至 关重要的作用。而城市供水管网的优化运行则取决于城市监测调度系统的运用【2 】。 进入二十一世纪以来，计算机网络、通信技术、自动化技术以及大规模集成电路 都有了飞速的发展，而其中最为引人瞩目的当是无线通信技术及无线通信网络的迅速 普及和应用。现今，无论国外还是国内通用的、覆盖广泛的无线网络都已基本建设完 成，例如中国移动的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 s ，全球移动通讯 系统) 网可实现全国及全球漫游，使手机等无线终端设备得以快速普及，可以说世界 已经进入无线的时代。而无线通信不仅可以传输话音信号，从本质讲，它是数据通信 技术与移动通信技术结合的产物，数据通信才是无线传输的核心内容。近年来，移动 通信的数据业务获得了迅猛的发展，其年增长率远远高于电话业务，广阔的市场前景 使得各大通信制造业巨头们纷纷投入移动数据业务的竞争中。作为数字蜂窝系统的典 范，g s m 系统已在全球获得了巨大的成功，其广阔的覆盖范围和良好的漫游性、安全 性，再加上各种基于g s m 的数据传输技术的不断发展，使得在g s m 上进行数据通信 成为当前最好的手段之一【3 】。 由于g s m 网络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，用户不 需要另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵的组网费用和维护 费用。同时，它对用户的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大， 维护费用高，且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。比起传统的集群系统它 在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势，为远距离数据传输和监控设备的通信提供了 一个强大的支持平台。 在g s m 数据业务中，短消息业务比较适合应用到数据采集点分散、数据量较小的 系统中。s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ，短消息服务) 是g s m 通信网络对用户提供的 长春工业大学硕士学位论文 一种数据传送服务。它通过信令信道传输数据，具有通信灵活可靠、保密性强、初期 投入费用低的优点，适用于小量数据的实时传输。这些特点将使它可以在城市供水监 测调度系统中为实现数据采集、传输充分发挥作用。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 我国城市供水的发展 我国城市供水监测调度系统在上世纪七十年代以前大部分还在采用人工方式进行 工作。在这种情况下，数据采集控制终端必须安排专人进行二十四小时值班看守。而 调度中心只能通过电话与其联系来获取管网压力、流量、电机状态等物理量的数据， 然后根据情况和以往经验来指挥水厂的工作。这种调度方式是以保证不缺水和维持j 下 常运行为目的，谈不上优化调度。因其具有收集信息数量少、处理速度慢、传递迟等 缺点，在遇到爆管等突发事故时很可能会由于处理不及时而扩大损失。 到了上世纪八十年代，科学技术有了很大的发展，国内一些科研单位和高校研制 出供水调度实时自动采集控制系统。其主要由管网终端机、数传电台、远传压力表、 中心台控制器以及模拟屏等几部分组成，以实现数据自动采集和传输。但是由于系统 结构复杂、故障率高，其可用性和可维护性都比较差，因此没有得到广泛应用 4 1 。 九十年代以来，微型计算机技术的发展带来了新的s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n ，数据采集与监视控制系统) 系统，并应用于供水调度系统中，成 为调度人员获取实时管网数据的重要手段【5 】。这种系统的组成结构采用了更加可靠的微 机及单片机来取代集成电路芯片控制器，使得系统可靠性大大提高，方便的实现了数 据的存储和传输。 近些年来，我国城市供水行业有了很大的发展，各方面成就显著。但仍然存在一 些问题，与发达国家相比还有一定差距。主要问题有： 1 发展不平衡，国内一些大城市运用了较先进的s c a d a 系统，而大多数自来水 公司还采取原始供水调度方法，西部一些地区的供水则更加落后。 2 行业管理水平不高，企业经营机制落后。 3 城市供水水质标准不高，监管措施还不够有力。 1 2 2 国外发达国家城市供水的研究现状 国外一些发达国家自六十年代就开始了将计算机用于供水系统控制管理的探索。 比如象美国的费城、丹佛以及加拿大的多伦多等城市，就是采用远程监测设备将管网 中控制点的压力和流量、水厂出厂压力、出厂流量、水位、功率等实际运行参数自动 实时的传送到中心控制室，并对异常现象作出自动报警。尤其是上世纪八十年代以来， 随着微电子等现代科技高速发展，水工业专用检测仪表与装备不断发展与完善，相应 的推动供水系统的自动监控技术有了质的飞跃，加之西方发达国家雄厚的经济实力与 2 长春工业大学硕士学位论文 技术基础，供水的自动监控己得到普遍应用。一些水厂已经实现了监测调度的全自动 化运行【3 1 。 现在国外的供水调度运营普遍利用计算机系统完成。其功能是通过远程通信系统， 把应保证的供水系统的关键点的实际压力和流量值采集到调度中心，利用计算机进行 计算、预测和决策，然后对水厂的供水情况进行遥控和调度。同时在供水系统发生如 爆管、漏水等事故时，可以自动的进行分析做出合理的处理决策，以保证供水系统安 全、经济的运营。目前，在美国、英国、日本等地的一些城市小区已基本实现了供水 系统的计算机优化管理，并取得了显著的经济效益和社会效益。 目前国内许多大城市水厂也采用了计算机监控调度系统，但其运营水平较低。由 于国外设备价格偏高，应用软件汉化程度不高使得相应运行成本高、使用难、维护难， 因此，国内一般水厂难以承受。 1 3 课题的来源 该课题来源于长春市水务集团的城市二次供水系统项目。 长春市水务集团承担着为市民的生活、生产、建设供水的任务。提高城市供水服 务质量是供水部门的迫切需要。目前，自来水公司存在部分工艺和设备相对比较落后， 运行成本高，部分管网老化，漏水较严重，爆管频率较高，维修响应不敏捷，输配水 能力不足，管理手段落后，机构部门之间信息难于共享，信息来源多渠道，数据的真 实性、准确性、一致性较差，数据格式不规范等一系列问题。导致决策层无法及时掌 握生产经营信息，难于形成正确的决策和进行及时有效的指挥。更谈不上在水质、水 量、水压、服务等方面达到用户的高要求。这些都直接影响企业的经济效益和社会效 益及政府形象。特别是在政府决定将长春市二次供水泵站由水务集团集中管理以来， 随着收回泵站数量的增加，派人常驻死看死守或定时巡检等常规方法已经显得力不从 心，一方面需要的泵站管理人员、巡检车辆激增给企业造成很大的生产成本，另一方 面由于泵站管理员的职业素质、责任心参差不齐，靠定时手工抄送的泵站运行数据也 不一定能准确的反映泵站的运行状况，一些运行隐患不能被及时发现，泵站还不同程 度的存在储水箱溢出导致的水质污染等现象的发生。 长春市水务集团为了加强供水管理的信息化，提高城市供水系统的科学性、合理 性，更好的为市民服务，拟建立一套供水监测调度信息系统。该系统对供水管网、水 厂水源、大用户水表、二次供水泵站等信息监测点的压力、流量、水位、电机运行状 态等参数进行远程监测和控制，帮助调度人员对供水资源进行有效合理的安排；提高 对用水大户的监督力度，改善对大用户水表的管理和维护手段；初步实现供水泵站无 人值守；保证供水系统良好运行；提高公司生产、调度及管理的自动化水平。 1 4 课题设计的总体方案 本设计是通过数据采集模块采集各供水点现场的压力、流量、电机状态、水质情 长春工业大学硕士学位论文 况等物理数据，然后利用g s m 公共无线通信网络，通过发送短消息实时的将数据传输 至自来水公司生产调度中心。在生产调度管理部门的监铡调度中心的监控终端上，可 实现在线监控供水泵站、供水管网、大用户水表、水源等监测点的数据，如发现数据 出现异常情况，立即报警通知维护人员进行处理。自来水公司生产调度中心也可随时 通过发送短消息的方式来索取各供水点现场的各项物理数据并对其进行控制。 基于g s m 通信网络的城市供水监测调度系统包括数据采集及传输终端设备、与 g s m 移动通信网络连接的传输网络部分和生产调度中心。系统的示意图如图1 一l 所 示： 图1 - 1 系统示意图 1 5 课题研究的内容 本课题研究的主要内容是：在供水管网的各个监测点自动采集水压、流量和电机 运行状态等参数，实现基于s m s 的数据远程传输和监测系统的软硬件设计。 硬件部分主要研究：管网压力、流量等参数采集器件以及短信模块的选择；单片 机系统模块、通信接口模块的设计与实现。 软件部分主要研究上位机和下位机的软件开发，以及上下位机通信协议设计。其 4 长春工业大学硕士学位论文 中，下位机实现数据的采集和数据的传输；上位机实现系统界面设计、数据的存储和 管理、数据分析报表处理、报警处理。 文章共分为六章，各章节具体内容安排如下： 第一章绪论。介绍课题研究的背景及意义。 第二章系统方案的设计。简单介绍基于g s m 短消息业务的供水监测调度系统的 总体设计方案，并就系统的安全性和数据可靠性等进行讨论。 第三章无线数据传输方式。对系统的运用平台g s m 网络及s m s 的原理做简单介 绍，并通过实例分析短消息的发送和接收。 第四章上位机的功能及其实现。 第五章下位机的功能及其实现。 第六章总结。 长春工业大学硕士学位论文 第二章系统方案的设计 2 1 系统方案的总体设计 城市供水膝测调度系统设计的主要目的是解决自来水公司对供水各环节监测点的 数据采集和监控，以便进行优化调度。整个系统由监测调度中心和各个数据采集控制 终端构成，各个数据采集控制终端可以监视和采集压力、流量、电机状态等各种数据， 同时采用无线方式将数据传送到监测调度中心，供有关部门在进行分析和决策时取用。 与原有的城市供水监测调度系统相比，提高了整体的服务水平，减少了水资源的浪费， 实现了城市供水的信息化和现代化。系统示意图如图2 1 所示。 图2 1 系统示意图 2 1 1 监测调度中心 监测调度中心是整个管网系统的操作、维护、处理、分析和监管的中心。集中管 理和指挥整个调度系统的运行，并肩负着与其它管理网络的互联任务。监测中心的主 要硬件有监控计算机、通信模块、打印机等必需设备。计算机用来运行监测系统软件 ( 即上位机软件) ，通信模块负责收集各个监测点的数据信息，并整理形成数据库文件 供值班人员查用。 在监测调度中心运行的系统监测软件是整个监测系统的灵魂。监测系统软件协调 完成同各个现场数据的通信任务，把硬件系统采集的各种数据如压力、流量等经过计 算后以数据或图表的方式显示出来以供分析和使用，同时对告警信息发出相应声光告 警信号。值班人员即可根据数据监测平台的信息执行相应的命令，进行监控处理，执 长春工业大学硕士学位论文 行如开、停泵，阀门调节等控制。具体来说要能实现如下功能： 数据采集与监控：实时采集水厂集散式控制系统输出的所有参数和管网监测 点的流量、压力、电机状态、大用户流量计的流量等，并从计算机屏幕和模拟屏上加 以监视。 多种形式的报警方式：对系统采集的所有参数都可以灵活的设置上下限报警的界 值，当参数越界后系统综合其他参数的变化判断报警。如果确有异常，系统将自动推 出报警提示界面。同时系统会将报警信息以短消息的方式发送到管理员的移动电话上。 时段供水预测：对于未来一天时间内，任意时段的供水量作出预测，供调度系统 和调度员参考。 调度统计：对水厂的实时数据和管网测点实时数据进行统计，印出各种报表，同 时可以根据这些数据形成任意时间段内各参数的变化趋势曲线。 监控数据的查询：系统后台以大型数据库支持，存储原始数据。建立事故数据库， 记录各类错误、报警和事故等。 标准开放的接口服务：软件的开发内置了用于数据共享的o p c ( o l ef o rp r e s s c o n t r 0 1 ) 服务器，以后的决策系统等功能软件可以利用o p c 规范所提供的强大功能从 监控调度系统实时数据库中提取数据。 2 1 2 数据采集控制终端 数据采集控制终端是由g s m 短信模块、压力传感器、流量传感器以及单片机系统 组成的短信模块监测单元，如图2 2 所示。用单片机系统设计的数据采集控制终端价格 相对来说比较低廉。如选用进口的数据处理终端d t u ( d a t at r a n s a c tu n i t ) 和r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ，远程终端控制系统) 可能要花费几千元的高额费用。 多 g 监 叫压力传感器卜 路一叫a d 转换卜 萱 s 测 转 片 对 换 机 m 象 开 控 系 短 信 叫流量传感器卜_ _ + 关 制 统 模 模 块 块 图2 - 2 数据采集控制终端组成 现场数据采集控制终端主要实现三个功能：一是数据采集，即把现场仪表输入的 长春工业大学硕士学位论文 电信号转化成数字信息；二是数据通信，即把采集的数据通过短消息传送到监测中心 的计算机中，完成和上位机或其它设备的数据通信。当发生爆管等异常情况时，数据 采集控制终端采集的数据不在设定值范围内，则立即发送短消息到上位机并及时通知 调度人员；三是单片机控制功能，调度人员可以发送短消息通过单片机对阀门和电机 电源进行简单控制。 单片机系统作为数据采集控制终端的核心部分，在本系统的设计中也占有举足轻 重的地位。现在市面上单片机的种类比较多，考虑到课题设计的要求以及开发效率， 本系统采用s s t 8 9 e 5 6 4 单片机。它属于f l a s h f l e x 5 1 家族，具有实用性较好的特点， 可满足本系统的要求。因其不但和8 0 5 1 指令、管脚完全兼容，而且其片内程序存储器 是f l a s h 工艺的，这种工艺的存储器是用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。本系统 将以s s t 8 9 e 5 6 4 单片机为核心，进行a d 转换接口电路、串口通信接口的硬件设计和 软件编程。 2 1 3 系统通信协议的设计 系统的通信过程涉及三个方面，因此我们设计的通信协议也相应的包括三个部分： 上位机与短信模块的通信协议、下位机与短信模块的通信协议及上下位机之间的通信 协议。 系统中上位机与短信模块之问采用r s - 2 3 2 通信方式，下位机与短信模块的通信方 式选用u a r t 串行异步通信方式，波特率均为9 6 0 0 b p s ，数据传输格式为每字符l o 位， 一个起始位，八个数据位，一个停止位。因为它们的通信协议都要遵守短消息传输模 块的规范定义，所以这两部分的通信协议基本不用自己定义。 系统对上位机和下位机之间的通信协议作了简单的定义，主要是对数据传输格式 的定义。通过在数据包中的数据单元定义一些控制或者识别字节，来实现下位机的单 片机系统与上位机p c 系统之间的简单的通信协议，规定如下： 上下位机系统的通信双方遵照半双工通信方式，即数据传输是双向的，但在任一 时刻只能由其中的一方发送数据，一方接收数据。双方不能同时发送数据。 系统设下位机包含的前置码有槲和掌掌，其中制表示此短信息传送的数据为正常的 采集数据，一表示该短信息传送的是超限值报警信息。这样，用户数据单元的格式就 是：用户数据单元= 前置码( 槲或) + 数据。 同样，如果要实现上位机对下位机的某种控制功能，也要在用户数据单元定义一 些特定控制字节。上位机包含的前置码及其含义我们定义为： l 撑一发送下位机自动定时传送数据命令； 2 拌一发送手动数据采集命令； 3 牡一设置压力、流量的报警限值。 现场采集数据的存储和传送。现场数据采集后按存储区地址顺序存放，一个数据 长春工业大学硕士学位论文 占3 个字节采用压缩的b c d 码，高位字节在前，低位字节在后，压力与流量数据交替 存放。发送时以5 0 个数据( 1 5 0 个字节) 为一组进行传送数据。 2 2 系统安全性和数据可靠性 由于供水监测调度系统的特殊性，本系统需要一定的系统安全保障和可靠的运行。 通过g s m 网的短消息业务进行数据传输，其内容的安全性是可以得到一定保障的。但 由于系统本身借用的是公网，除系统自己的用户外，还有其它很多用户，这就可能对 系统造成有意或无意的干扰和破坏。 为了防止其它未授权用户入网，系统利用s i m ( s u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e ，用户 识别卡) 的唯一性，对用户s 1 m 卡手机号码进行鉴别授权。以短消息数据包中包含的 手机号码作为上位机与各个数据采集控制终端的地址识别码。当接到未授权用户发送 的短消息时，系统不予理会。也就是说，各数据采集控制终端只对监控中心和调度人 员移动电话发送来的短消息做出反应，而监控中心也只对各采集终端发送的短信息进 行处理。 另外，数据传输的完整、准确对于调度的决策也是至关重要的。如果所发送的数 据错误或者不完整将会引起工作人员的判断错误，从而导致操作上的错误。这就失去 了建立监测系统的意义。因此，我们考虑在传输过程中对数据进行校验。 所谓数据校验就是为了保证数据的准确性与完整性，用一种指定的的算法针对原 始数据计算出的一个校验值。接收方用同样的算法计算一次校验值，如果与发送数据 提供的校验值一样，则说明数据是基本准确完整的。比较常用的数据校验方法有奇偶 校验法、和校验法、c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c y c h e c k ，循环冗余校验法) 等等。这些校 验法分别有各自的优缺点，适用于不同的场合。奇偶校验法由于所加的冗余位仅仅能 够反映数据信息行与列的奇偶情况，所以这类检测方法对于行或列的偶数个错误不敏 感，漏判几率稍高。c r c 循环冗余校验法具有检错能力较强、漏判概率低等优势，但 是实现起来比较复杂，所以使用率也不高。综合考虑，我们最后选用了较为简单的和 校验法。和校验法的指导思想是增加冗余位，即发送方发送完数据后，再发送一累加 和，接收方在接收数据后计算累加和并与收到的累加和相比较，若两个累加和相等则 认为收到的数据正确，否则返回重发命令。计算累加和时我们实际求的是单字节数据 块的异或校验和，这对于上下位机实现起来都比较方便。因为g s m 的数据传输机制本 身也包含有数据校验，我们再进行一次简单的校验就可以使校准率大大提高。 在对数据进行传送时，发送方要发送数据，首先计算出校验码，然后随数据一起 发送。接收方收到数据后，按同样的方法计算校验码，与发送的校验码相比较。若不 正确则向发送方返回重发命令，要求重发；若正确则进行数据处理等操作，不返回任 何信息，而接收方在规定时间内收不到重发命令则认为数据发送正确，进行下一次采 集和传送。 9 长春工业大学硕士学位论文 2 3 系统的优势 本设计的创新之处在于把s m s 技术运用在城市供水系统中用来实现数据的无线传 输。本系统与其它远程数据传输系统相比的主要优势有：系统成本低；系统覆盖范围 广；可靠性高。 1 系统成本低 ( 1 ) 网络建设投资成本低 系统通信链路借用g s m 移动通信网，而g s m 网络已在全国范围内建立，并在全 球范围内实现漫游，因此系统不需要再进行额外的网络建设。从而省去了网络建设费 用，也就省去了铺设电缆、光缆或租用电话线的费用。 ( 2 ) 系统设备成本低 系统现场数据采集部分使用单片机设计，其成本价格比较便宜。在系统的开发过 程中，我们尽量选用价格低、符合系统性能要求的芯片。其次，g s m 短信模块价格也 比较低，只有不到数传电台的5 0 ( 一般商用电台或电台模块价格都在1 0 0 0 到2 0 0 0 元之间) 。 ( 3 ) 系统运行费用低 由于短消息不需单独建立通信通道，不占用系统话路资源，因此费用较低。移动、 联通用户内部发短消息收费o 1 元，移动与联通之间互发收费o 1 5 。我们还可以选择包 月的形式，每月大约十几元就可以发送无限多条短消息。每条短消息可以传送1 6 0 个7 比特编码数据，或1 4 0 个8 比特编码数据，或7 0 个u n i c o d e 码。因此，在一些对数据 传输量及传输速度要求不是很高的测控系统中，可以利用g s m 短消息接口进行数据和 控制指令传输。由于供水系统中数据采集的频率不是很高，实时性要求也不是很高， 可以将一段时间内采集的数据打包发送，所以采用短信传输方式具有一定的优势。 ( 4 ) 系统维护费用低 系统借用g s m 公网，除了省去一次性投资外，还大大将低了系统的维护费用。工 作人员不必关心网络的维护，可以将注意力集中于上下位机的运行与维护。另外，系 统的设计中尽量使用了一些标准接口、标准控件以及一些简单常用的元器件，因此简 化了系统的维护。 2 覆盖范围广 本系统可以在所有g s m 移动通信网络业务覆盖的范围内工作。如前所述，g s m 网络已在全国范围内建立，并在全球范围内实现漫游，从而避免了集群系统只在区域 范围内提供服务的弊端。若有个别终端信号不好，我们可以采取拉出一根天线的方法。 3 可靠性高 由于g s m 网络本身具有完整的数据校验，错包重发机制，所以本系统数据传输的 可靠性高，可以避免由于系统原因造成的误报警、误动作。而一般商用电台都工作在 固定单一频点，电磁环境恶劣，数据传输的可靠性较低。 1 0 长春工业大学硕士学位论文 第三章无线数据传输方式 3 1 无线数据传输方式比较 针对城市供水网地理位置分布复杂、传输距离远等特点，我们要选用一种无线数 据传输方式作为本系统的通信组网。常用的无线数据传输方式主要有以下几种：电台 方式；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 ，蜂窝数字分组数据) 方式；g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 方式；蓝牙方式；g s m 方式。下面将对这 几种方式做一下简单的介绍和比较。 3 1 1 电台方式 采用电台方式的监测系统必须配备调制解调器m o d e m 。该调制解调器是用来把数 字信息转换成音频信号的，再通过电台发射出去，接收端再通过解调恢复原来的信号。 3 1 2 c d p d 方式 c d p d 系统主要由m d i s ( m a n u a ld a t ai n p u ts y s t e m ，移动数据中介系统) ，移动 数据基站及移动终端系统组成。c d p d 采用分组数据方式。它是建立在t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c o l ，传输控制协议网际协议) 基础上的一 种开放系统结构，将开放式接口、高传输速度、用户单元确定、空中链路加密、空中 数据加密、压缩数据纠错和重发、运用世界标准的口寻址模式无线接入有力的结合在 一起，提供同层网络的无缝连接、多协议网络服务。c d p d 具有速度快( 1 9 2 k b p s ) ， 数据安全性高等特点，它支持用户越区切换和全网漫游、广播和群呼，支持移动速度 达1 0 0 k m h 的数据用户，可与公用有线数据网络互联互通【6 】。 c d p d 利用尚未使用的蜂窝频道( 在8 0 0 到9 0 0 m h z 之间) ，用包来传输数据。 但它还不是全数字数据传输( 如g s m 、g p r s ) ，而是模拟传输与数字传输间的过渡。 3 1 3 蓝牙技术 随着i n t e r n e t 和移动通信的空前发展和相互融合，出现了许多新技术和新标准，蓝 牙就是其中一种短程无线通信标准，它能使网络中的数据和语音设备互相连通，实现 廉价的无线网络梦想。蓝牙技术的目标就是要建立一个全球统一的无线连接标准，使 不同厂家生产的各种移动计算和便携的设备，在近距离内都能不用电缆就可以很方便 的连接起来，实现相互操作与数据分享。它利用短程无线电链路取代专用电缆，它可 以在1 0 厘米到1 0 0 米的范围内使8 个最入蓝牙芯片的网络设备( 如手机和便携式电脑 等) 实现无缝的资源共享，达到相互操作和互用的目的1 7 。但是城市供水系统的地理位 置复杂、距离远，因此蓝牙技术对于本课题是不适用的。 长春工业大学硕士学位论文 3 1 4 g s m 方式 近年来，移动通信的数据业务获得了迅猛发展，其年增长率远远高于电话业务。 作为数字蜂窝系统的典范，g s m 系统已在全国获得了巨大的成功，其广阔的覆盖范围 和良好的漫游性、安全性，再加上各种基于g s m 的数据传输技术的不断发展，使得在 g s m 上进行数据通信成为最成熟稳定的一种手段。相比之下，当前城市供水监测调度 系统中使用的通信技术已经显得比较落后，主要有以下几个缺点：1 、使用无线电台， 需自己建网，成本高，工期长，需自己维护，一旦出现故障，会造成通信中断。2 、使 用电话线，工期长，使用费用高，系统扩展困难。3 、以上两种方式，通信速率低，而 且在一些偏远的地方短期内无法实现。因此本系统选用g s m 公网作为城市供水监测调 度系统的通信组网。 3 1 5g p r s 方式 相对于现有的g s m 拨号方式的电路交换数据传输方式，g p r s 是分组交换技术， 具有“高速”和“永远在线”的优点。电路交换数据业务速率为每秒9 6 k 比特，而g p r s 的最高速率可达每秒1 1 5 k 比特。除了速度上的优势，g p r s 还有“永远在线”的特点， 即用户随时与网络保持联系。例如，用户访问互联网时，点击一个超级连接，手机就 在无线信道上发送和接收数据。主页下载到本地后，没有数据传送，手机就进入一种“准 休眠”状态。手机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，当用户再次点击，手机立即向网络请求无线频道用来传送数据，而 不像普通拨号上网那样断线后还得重新拨号才能上网冲浪【8 】【9 1 。 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 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 ( t i m ed i v i s i o nm u l 却l e a d d r e s s ，时分多址) 帧结构 1 0 】。 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b s s ( b a s es t a t i o ns y s t e m ，基站子系统) 从一开始就可提供全面的g p r s 覆盖。g p r s 允 许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络 资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发 性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。 g p r s 无线数据传输方式对本系统来说无疑是更好的选择，但是目前由于g p r s 的费用太高，所以不被本系统采用。 3 2g s m 网络系统的发展及系统结构 3 2 1g s m 的发展历史 g s m 数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会 长春工业大学硕士学位论文 设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成的。蜂窝系统的概念和理论在二十世 纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统，尤其是实现 移动台的控制，直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集成电路器件和微处理 器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基 础。直到1 9 7 9 年美国在芝加哥开通了第一个a m p s ( 先进的移动电话业务) 模拟蜂窝 系统，而北欧也于1 9 8 1 年9 月在瑞典开通了n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e q h o n e ，n o r d i c 移动电话) 系统，接着欧洲先后在英国开通t a c s ( t o t a l a c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ， 全入网通信系统) 系统，在德国开通c - 4 5 0 系统等f 1 1 1 。 蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提高了频率 利用率并增大了系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的 服务范围【1 2 】。但上述模拟系统有四大缺点： 1 各系统间没有公共接口； 2 很难开展数据承载业务； 3 频谱利用率低无法适应大容量的需求； 4 安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。 针对第一代模拟移动通信系统具有诸多缺点和不便利的因素，1 9 8 2 年北欧国家向 c e p t ( c o n