（检测技术与自动化装置专业论文）基于gprs网络的远程数据传输.pdf

摘要 摘要 随着汽车的普及和道路的建设，城际间的经济交流越来越频繁，交通运输 的压力也越来越大，如何对车辆进行有效地管理和控制、如何使道路更加畅通 地进行运输，已经成为社会的热点问题之二。因此，各种各样的智能交通系统 和监控系统就应运而生了，该系统是将计算机技术、无线通信技术、自动控制 技术等相结合的高科技的综合系统。远程监控系统在工业控制领域中有着十分 重要的意义，在许多工业场合，尤其是对于一些分散的、无人值守的现场显得 尤为重要。 在智能交通监控系统中，无线数据传输技术有着举足轻重的地位，在对当 前的几种无线数据传输技术进行比较的基础上，本文选择了建网范围广、网络 覆盖范围全的g p r s ( 通用分组无线业务) 网络进行通信，从而设计了一种基 于g p r s 网络的智能交通灯监控系统。 本系统终端设备采用自编制的可编程控制器作为控制单元，该控制器控制 交通灯的亮和灭。监控中心的计算机处理经过g p r s 模块接收到控制器的反馈 信息和车辆检测器所采集到的车辆流量信息，并经过模糊控制处理，得到一个 比较优化的时间，最后将该控制信息下发到可编程控制器来对交通灯进行实时 的控制，改善道路的通行能力。采用g p r s 网络作为数据通信的平台，可以充 分利用g p r s 业务数据传输的优点：数据传输速率高，较低的误码率，传输流 量大，通信费用较低，克服电路交换型通信方式资源利用率差的缺点。 关键词：g p r s ；v i s u a lc + + 网络编程；智能交通；模糊控制算法 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ea u t o m o b i l ep o p u l a r i z i n ga n dt h er o a dc o n s t r u c t i o n ，e c o n o m y e x c h a n g e sb e t w e e nc i t i e sa lem o r ef r e q u e n t l y , t r a f f i ci sa l s om o r ea n d m o r ec r o w d ，i t i st h eo n eo ft h es o c i e t y sh o ts p o tp r o b l e mt h a th o wt om a n a g ea n dc o n t r o lt h e t r a n s p o r t a t i o na n dh o w t ou s i n gar o a de f f e c t i v e l yt ob ei np r o g r e s s t h e r e f o r e ，a l l k i n d so fi n t e l l i g e n c et r a f f i cs y s t e ma n ds u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mh a v ea r i s e na tt h e h i s t o r i cm o m e n t ，t h a ts y s t e mw i t ht e c h n o l o g yo fc o m p u t e r , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i n g a n da u t o m a t i o nt e c h n o l o g ya n ds oo n l o n g r a n g es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mh a s v e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei ni n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d ，i nal o to f i n d u s t r i a lo c c a s i o n ， e s p e c i a l l yt h es c e n et h a td i s p e r s e da n du n m a n n e dv a l u eg u a r d sa p p e a r s t h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yh a sd e c i s i v ep o s i t i o ni ni n t e l l i g e n c e t r a f f i cs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ；b a s eo nc o m p a r ec u r r e n ts e v e r a lk i n d sw i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , i nt h i sa r t i c l e ，ih a v i n gc h o s e nt h em e t h o do fg p r s ( g e n e r a lp r o t o c o lr a d i os y s t e m ) w h i c hh a v eb r o a dm e s h i n gr a n g ea n dc o m p l e t e l y n e t w o r kc o v e r a g er a n g e ，t h e nic o u l dd e s i g n e do n ek i n do fm o n i t o r ss y s t e mo w i n gt o n e t w o r kg p r si n t e l l i g e n c et r a f f i cl i g h t t h ec o n t r o le l e m e n tu n i ti sp r o g r a m m i n gc o n t r o l l e rt h a t s e l fw e a v e sw h i c h c o n t r o lt r a f f i cl i g h tb r i g h ta n dg oo u t t h ec e n t r ec o m p u t e ro fm o n i t o rt r e a t m e n t f e e d b a c ki n f o r m a t i o nw h i c hc o m ef r o mt h em o d u l e0 fg p r st oc o n t r o l l e ra n d v e h i c l er a t eo ff l o wi n f o r m a t i o nw h i c hc o m ef r o mv e h i c l ed e t e c t o r , a n dm i xu p t h r o u g hc o n t r o l l i n gt r e a t m e n tt h e ng e tat i m eo p t i m i z i n gc o m p a r a t i v e l ya n dt r a n s m i t t op r o g r a m m i n gc o n t r o l l e rt h a tc o n t r o lt h et r a f f i cl i g h t s s oi tw o u l di m p r o v et h e r o a dt r a f f i cc a p a c i t y a d o p tt h eg p r sn e t w o r kt ob et h ed a t ac o m m u n i c a t i o n p l a t f o r m ，i tw o u l df u l l yu t i l i z eg p r s b u s i n e s s sm e r i t s ：t h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t ei s h j g h ，l o w e rm i s t a k ey a r dr a t e ，t h eb i gt r a n s m i s s i o nr a t eo ff l o w , t h el o w e rc o s t c o m m u n i c a t i n g o v e r c o m et h es h o r t c o m i n gt h a tc i r c u i te x c h a n g ec o m m u n i c a t i o n w a s t er e s o u r c e k e yw o r d s ：g p r s ；t h en e t w o r kp r o g r a mo f v i s u a lc + + ；i n t e l l i g e n c et r a f f i c ； m i xu pc o n t r o la l g o r i t h m 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究 成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成 果，均在文中以明确方式表明。本人依法享有和承担由此论 文而产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：灰雅 砌7 年6 只玉e l 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 日期：矽7 年占月j 日 日期：乃少年乡励一日 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀。下匕 现代社会是一个高速发展的社会，现代远程通信也已经从原始的点火信号 发展到了非常快的全球数据交换。在远程通信领域中，专家们通常将其服务划 分为三类：语音、视频和数据。“语音远程通信 是指使用电信号跨长距离传输 人类语音的任何方式，如电话和无线电广播；“视频远程通信 是指以电子方式 在一定距离上传输移动的图片和声音，如电视广播或向网络计算机屏幕发送事 件的现场情况；“数据远程通信 是指使用电信号在计算机设备之问在一定距离 上交换经过编码的信息。 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 ) 技术即通用分组无线业务，是g s m p h a s e 2 + 阶段引入的内容之一，是g s m 网络向第三代移动通信演进的第一步。 它的意义在于：一是在g s m 网络中引入分组交换的概念和能力；二是将传输 速率提升到1 0 0 k b p s 以上。作为第二代移动通信向第三代移动通信的过渡技术， 它是一种基于g s m 的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的i p 或者 x 2 5 的连接，俗称第2 5 代移动通信技术。 智能交通系统是采用信息技术、计算机技术、控制技术等手段对传统交通 运输系统进行改造，从而达到增强系统运行效率，提高系统的可靠性和安全性， 减少能源消耗和对自然界的污染等方面的目的。它与传统的交通管理系统一个 最显著的区别就是，将服务对象的重点由以往的管理者转向道路使用者，即用 先进的科技手段向道路用户提供必要的信息和便捷的服务，以减少交通堵塞， 从而达到提高道路通过能力的目的。 本论文所做的工作，中间涉及到的远程通信的知识，是处于数据远程通信 领域中的；所用到的远程数据通信技术，是采用g p r s 技术进行远程数据的传 输；而该g p r s 技术所使用的平台则是智能交通灯的监控系统，在此系统中使 用g p r s 技术进行数据的采集和发送。 1 1 论文的目的和意义 随着我国经济的发展，城市人口的增加，城市范围的扩大，城市公共交通 客运量大幅度增加，城市交通作为城市的重要的基础设施，无论在数量还是质 量上都存在一定的问题，如能源问题、城市环境问题、交通阻塞问题、交通效 率问题、交通安全问题等。 拱于g p r sm 络的远程数据f 输 如何解决这一系列问题，尤其是在我国已经加入w t o 的情况下，如何适 应大客流量的要求，适应国际间的交通交流，是城市得以快速健康的发展，多 修路已不再是缓解交通压力的最好方法。在此情况下，国内外的有识之士比较 同意的观点是：建立智能化信息管理系统，把汽车、司机以及道路有机的综合 一个人机结合的系统，有效利用各种交通设备和交通信息，使路网上的交通流 处于平稳的运输状态，从而使交通的安全性、通畅性得到很大的提高，能源消 耗和环境污染得到有效的降低与改善，即发展智能交通系统，才能从根本上解 决这一问题。 在智能交通系统中，定位导航和无线数据传输始终是主要的组成部分，也 是两个主要的技术。本论文针对该系统中的无线数据传输技术方面进行了探讨 和研究，把g p r s 技术融合到该系统中，实现智能交通系统中远程数据通信的 高速率和高准确性。 1 2 当前国际和国内城市智能交通的发展状况 城市道路交通自动控制技术的发展是和汽车工业并行发展的。在其各个发 展阶段，由于交通的各种矛盾不断出现，人们总是尽可能地把各个历史阶段当 时的最新科技成果应用到交通自动控制中来，从而促进了交通自动控制技术的 不断发展。2 0 世纪6 0 年代，自动控制理论和技术的发展已渐趋成熟，而人工 智能还只是个诞生不久的新兴技术。 这样使得智能交通系统的发展比较晚，世界上开始发展智能交通系统大约 是在2 0 世纪6 0 年代，这样经过半个世纪的发展，取得了一定的成果，但是总 体说来还不是很完善；尤其是我国，智能交通系统的研究才刚刚起步，全国范 围内的智能交通系统的研究计划还没有制定。 1 2 1 当前国际城市智能交通系统的发展状况 1 、2 0 世纪6 0 年代8 0 年代中期，信号控制系统与线路导航系统的研究 西方在6 0 年代后期迅速发展起来的高速公路己不能满足需要，交通堵塞严 重，交通状况日益恶化。随着科学技术的新发展，美、日、德、英、澳等固即 开始研究高新技术在道路交通上的应用，希望运用3 c 技术来改善交通阻塞、 事故频繁、能源浪费及交通污染严重等问题，开发了不少先进的交通信号控制 2 第一章绪论 系统和路线导航系统，以及与之配套的智能化交通电子设施，形成了一种新型 的交通治理措施与一个新生的交通管理产业。到8 0 年代，大量城市使用这些信 号控制系统，对改善城市交通状况收到了良好的效果，一般可提高车速2 0 k m h ， 降低停车与延误2 0 左右，如英国的s c o o t 系统、澳大利亚的s c a t 系统、 美国的u t c s 系统和日本的c a c s 系统等。在这些交通信号控制系统基础上， 又进一步研究了交通路线导航系统，如美国的p a t h f i n d e r 、英国的 a u t o g d i d e 日本的v i c a 、德国的a l i s c o u t 等。从8 0 年代开始，在上述 研究成果基础上，各国又提出了庞大的综合运用高新科技成果改善道路交通的 研究计划，并已取得成果。 2 、2 0 世纪8 0 年代中期9 0 年代，智能交通系统的进一步研究 欧盟在欧共体经济合作与发展组织的主持下，全欧洲研究各类导航系统的 国家进行了有效地合作。1 9 8 6 年，欧盟共组织了1 2 各国家的高校、研究中心 和企业，累计7 0 多个单位参加了车辆安全道路基础设施研究d r i v e ( d e d i c a t e d r o a di n f r a s t r u c t u r ef o rv e h i c l es a f e t yi ne u r o p e ) 计划；1 9 8 7 年由1 4 家欧洲汽车 商联合提出了高效安全的欧洲交通计划。 美国在1 9 8 9 年提出了长达3 0 年的智能车路系统i v h s ( i n t e l i g e n tv e h i c l e h i g h w a ys y s t e m ) 高科技战略研究计划，前2 0 年投资3 0 亿美元，众多部门投入 了该研究。认为i v h s 可以促进全国交通运输业和汽车工业的发展，并且现有 路网将被有效的使用，旅行者的出行将更安全、方便、通畅、舒适，能源将大 大节约，环境将得到改善，一条自由化的交通公路可以提高通行能力3 _ 4 倍， 并可避免各种碰撞事故。若单计降低交通拥挤损失及产品市场效益两项，3 5 0 亿美元的研究经费一年即可收回。 日本由于国土狭窄，利用增加车道的方法提高通行能力困难很大，实现智 能交通其意义尤为重要。1 9 9 3 年日本将成功开发的车辆信息通讯系统 v i e s ( v e h i c l ei n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 在东京试运行，获得成功， 1 9 9 3 年在全国推广。1 9 9 3 年提出全球交通管理系统研究计划u t m s ，全面开展 了i t s 研究，内容包括：集成交通控制系统、运行控制系统、动态路线导航系统、 公共交通优先系统、环境保护管理系统和自动收费系统等。 目前世界上己形成了北美( 荚、加两因参加) ，欧洲( 1 9 个国家参加) 和同本 3 基于g p r sm 络的远程数据传输 三大研究集体，每个研究集体均组织了上百个跨部门的企业、高校和研究机构， 积极进行各项子系统的开发研究，预计在本世纪初可实现智能车路系统运行。 1 2 2 当前国内城市智能交通系统的发展状况 一、发展状况 中国的智能交通研究开始于7 0 年代术，首先是在北京、上海和广州等几个 大城市进行的交通信号控制的研究与开发；8 0 年代后期，我国开始了智能交通 系统基础性的研究和开发工作，包括优化道路交通管理、交通信号采集、驾驶 员考试系统、车辆动态识别等；9 0 年代开始建设交通控制中心和交通指挥中心， 并开展了驾驶员信号系统、城市交通管理的诱导技术等方面研究。 近几年来，我国的科学研究院所和大专院校对智能交通系统的几个方面做 了一些初步研究工作，如城市交通控制系统、高速公路监视系统、汽车防撞系 统、自动驾驶系统、多功能显示系统和诱导系统等，有的已取得了一定的成果。 但目前还没有提到智能化的高度，特别是缺乏一个能按照智能化的需求进行总 体规划和指导的中心，且研究经费严重不足，使我国对智能交通的研究远远落 后于其他国家。 二、发展策略 开发智能交通系统要适合我国的交通特点，结合我国的国情，研究中国的 智能交通系统( c i z s ) 。我国的交通特点是：( 1 ) 机动车与非机动车混行；( 2 ) 自 行车数量大；( 3 ) 机动车数量增长快；( 4 ) 国产机动车速度、路网容纳能力和交 通宣传力度都非常有限等。因而我国的交通发展策略应该是智能交通与科学管 理相结合，在有步骤地建立智能交通的同时，加强动态和静态交通的管理，增 强人们的现代交通意识，使现代科学管理发挥更好的社会效益。7 目前，大城市的u t c 系统已经初具规模，但需要进一步开发和完善，比如， 可以充分利用信号控制系统的检测器收集交通数据建立数据库，作为未来交通 发展和决策的依据。利用电视监控系统的图像信息，经过数据处理，记录违章 车辆，纠正闯红灯，超速等行为，增加系统的使用功能。 今后，道路的建设将会向立体交通发展，高速公路将成为连接城市问的纽 带。智能交通将提供电子路标、信息提示、紧急电话、气象预告等服务，形成 一个安全畅通的道路网络。智能化将是未来交通科技的发展趋势，而智能车路 4 第一章绪论 系统作为当前国际公路交通科技发展重点，正在世界各国不断地发展和完善。 1 3 本论文研究的主要内容及关键技术 本论文研究的主要是基于g p r s 技术的交通灯监控系统中心软件，主要内 容为路口交通灯实时显示、各路口车辆流量和延时时间显示、报警设置以及各 种信息查询。主要涉及的关键技术有：整个系统的架构、各部分功能、数据传 输和延时时间设定。 利用可编程远程协议控制器、模拟路口和监控系统中心软件实现整个系统 的架构；通过v i s u a lc + + 的编程技术，实现上述各部分功能；利用s o c k e t 编程， 实现数据的传输；采用模糊控制算法，对采集到的车辆信息进行分析，优化交 通灯的显示时间。 5 基于g p r s 网络的远程数据传输 第二章智能交通灯和监控系统总体架构 2 1 智能交通灯控制器的组成 应用于本系统的智能交通灯控制器，需要对交通灯的各种状况进行监测和 控制：监测该时段各路口的交通灯的状况，检查该交通有没有出现其他未知状 况，并通过通信系统将该状态反馈给监控系统，有利于对整体交通系统拥挤程 度的把握；控制各个交通灯的开关，迅速有效地执行从上位机上下传的控制命 令，以利于交通更好更快的疏通，保持路段的持续畅通。因此对于该控制器的 选择，必须从它的监控功能入手，综合各方面的因素，考虑到实际使用效果， 我们选择可编程控制器来作为该监控系统的下位机智能交通灯控制器。下 面就可编程控制器及其原理做一下简要的介绍。 2 1 1 可编程控制器简介 所谓可编程控制器，就是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算 操作的电子系统，它采用一种可编程序的存储器，在其内部存储并执行逻辑运 算、顺序控制、定时、记数和算术操作的指令，通过数字量或模拟量的输入输 出来控制各种类型的机械设备或生产过程。随着可编程控制器的发展，它不仅 能完成编辑、运算、控制，而且能实现模拟量、数字量的算术运算。 可编程控制器是以微处理器为基础，利用计算机原理为顺序控制专门设计 的、通用的、使用方便的装置，是综合了计算机技术与自动化技术而开发的新 一代工业控制器。它采用了专门设计的硬件，而使用性能都是通过控制程序来 确定的。它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和震动等恶劣环境的特 点，己成为解决自动控制问题的最有效工具，在工业控制领域得到了广泛的应 用，是自动化的三大技术支柱( p l c 技术、机器人、c a d q 州) 之一。 可编程控制器之所有有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求， 即具有高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命等 优点。可编程控制器具有丰富的输入输出接口，并且具有较强的驱动能力，在 实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进 行设计编制，因此，用可编程控制器可以在恶劣环境中完成各种各样复杂程度 不同的工业控制任务。 6 第二章智能交通灯和监控系统总体粱构 2 1 2 可编程控制器的工作原理及应用 可编程控制器控制任务的完成是建立在其硬件的支持下，通过执行反映控 制要求的用户程序实现，因此，可编程控制器的工作原理是建立在计算机工作 原理基础上的。但是，可编程控制器并不是单纯的像普通计算机那样工作，而 是发展了一种巡回扫描的工作机制。就是用户程序的执行不是从头到尾只执行 一次，而是在执行一次之后，返回去执行第二次、第三次直到停机。可编 程控制器的工作主要就是对各种规定的操作项目进行扫描，即依次对所需要操 作的项目全部进行访问和处理。该控制器运行时，用户程序中有众多的操作需 要执行，但是一个c p u 每一个时刻只能执行_ 个操作而不能同时执行多个操 作，因此c p u 按程序的顺序依次执行各个操作。这种需要处理多个作业依次按 顺序处理的工作方式即为扫描工作方式，每扫描一个循环所用的时间为扫描周 期。常用的工作方式为顺序扫描，它简单直观，方便用户程序设计，一方面， 所扫描的指令被执行后其结果马上就可以被后面将要扫描的指令所利用；另一 方面，还可以通过c p u 设置定时器来监视每次扫描时间是否超过规定时间，避 免由于c p u 内部故障使程序执行进入死循环。 可编程控制器的工作过程基本上是按照用户程序的执行过程，即在系统软 件的控制下顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解算控制逻辑，然后顺序向 各个输出点发出相应的控制信号。除此之外，为提高工作的可靠性和及时地接 收外来的控制命令，每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理、与编程器、计 算机的通信请求，因此，可编程控制器的工作过程分为以下几步： ( 1 ) 自诊断 自诊断功能可是控制器系统防患于未然，而在发生故障时能尽快的修复， 为此控制器每次扫描用户程序以前都对c p u 、存储器、输入输出模块等进行故 障诊断。 ( 2 ) 与外设通信 自诊断正常后，控制器即扫描编程器、上位机等通信接口，如有通信请求 便响应处理。在与编程器等通信过程中，编程器把指令和修改参数发送给主机， 主机把要显示的状态、数据、错误码进行相应指示，编程器还可以向主机发送 运行、停止、清内存等监控命令。在与上位机通信过程中，编程器将接收上位 7 貉于g p r s | 】c ) 4 络的远程数据传输 机发出的指令进行相应的操作，把现场状态、编程器的内部工作状态、各种数 值参数发送给上位机以及执行启动、停机、修改参数等命令。 ( 3 ) 输入现场状态 完成前两步工作后，可编程控制器便扫描各个输入点，读入各点的状态和 数据，如开关的通断状态、形成现场的内存映象。这一过程也称为输入采样或 输入刷新，在一个扫描周期内内存映象的内容不变，即使外部实际开关状态已 经发生了变化也只能在下一个扫描过程中的输入采样时刷新，解算用户逻辑所 用的输入值是该输入值的内存映象值而不是当时现场的实际值。 ( 4 ) 解算用户逻辑 即执行用户程序，一般是从存储器的最低地址存放的第一条程序开始，在 无跳转的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程序，按用户程序进 行逻辑判断和算术运算，因此称为解算用户逻辑。解算过程中所用的计数器、 定时器、内部继电器等编程元件为相应存储单元的即时值，而输入继电器、输 出继电器则用的是内存映象值。在一个扫描周期内，某个输入信号的状态不管 外部实际情况是否已经改变，对整个用户程序是致的，不会造成结果混乱。 ( 5 ) 输出结果 将本次的扫描过程中解算最新结果送到输出模块取代前一次扫描结算结 果，也称为输出刷新。解算用户逻辑时，每一步所取得的输出信号被存入输出 信号寄存表但并未发送到输出模块，相当于输出信号被输出门阻隔，待全部解 算完成后打开输出门一并输出，所用输出信号由输出状态表送到输出模块。 在依次完成上述五个步骤操作后，控制器又开始下一次扫描。如此，不断 的反复循环扫描，实现对全过程及设备的连续控制，直至接收到停止命令、停 电或出现故障。可编程控制器的工作过程如图所示： 8 第二章智能交通灯和：惯控系统总体架构 图2 1 扫描的过程 可编程控制器在工业方面获得广泛的应用，归根结底在于它使用的时候具 有优良的性能，在应用方面的优点主要有以下几点： 能适应工业现场的恶劣环境，能抗电磁干扰与电压冲击； 简单，易于使用，不必要求微机软硬件方面的知识，变成不需要高级语 一， 一 菌； 可靠性高，平均故障间隔时间超过2 0 0 0 0 小时； 编程或修改程序容易，程序可以保存和固化； 体积小，价格低； 可直接将数据送入处理器中，可直接连接到现场； 可在基本系统上扩展，系统容易配置，与负载最远距离可达1 0 0 0 0 英尺， 内存可以扩展； 有很强的通讯功能，可与多种支持设备连接； 系统化，有标准的外围接口模块： 9 基于g p r s 刚络的远程数据传输 系统在一种现场不需要时，仍可改在另一种现场上使用，即程序具有可 移植性等一系列优点。 用可编程控制器实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为可编程控制器 在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。 ( 1 ) 在硬件方面： 可编程控制器的输入输出电路与内部c p u 是电隔离。其信息靠光耦器件或 电磁器件传递。而且，c p u 板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保可编程控 制器程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。 可编程控制器使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不 太多，也为其可靠工作提供了物质基础。 在机械结构设计与制造工艺上，为使可编程控制器能安全可靠地工作，也 采取了很多措施，可确保可编程控制器耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达 摄氏5 0 多度，有的可高达8 0 9 0 度。 有的可编程控制器的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但 不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。 还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，c p u 、加模块、电源模块都冗 余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结 果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成 本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。 ( 2 ) 软件方面： 可编程控制器的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避 免继电控制系统常出现的“冒险竞争”，其控制结果总是确定的；而且又能应急 处理急于处理的控制，保证了可编程控制器对应急情况的及时响应，使控制器 能可靠地工作。 为监控可编程控制器运行程序是否正常，控制器系统都设餐了“看门狗” ( w a t c h i n g d o g ) 监控程序。运行用户程序开始时，先清“看门狗”定时器，并 开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值? 若超时( 一 般不超过l o o m s ) ，则报警；严重超时，还可使控制器停止工作。用户可依报警 信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，控 1 0 第二章智能交通灯和龄控系统总体架构 制器将正常工作。显然，有了这个“看门狗 监控程序，可保证控制器用户程 序的正常运行，可避免出现“死循环”而影响其工作的可靠性。 可编程控制器还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正 常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对控制器的工作状况，以及 它所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。 可编程控制器每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这 i 是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。 正是可编程控制器在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了它 具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出了故障平均 修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。 2 1 3 可编程控制器硬件组成 为了更好的将可编程控制器应用到本控制系统中，针对本监控系统的特点， 采用自制的可编程控制器来控制各个交通灯的状态。本系统中所用的可编程控 制器硬件电路采用双工双串口单片机8 0 c 3 2 0 做处理核心，外带扩展可擦写程 序存储器e 2 p r o m 和静态随机存储r a m 芯片，串口输出一路r s4 8 5 总线，一 路r s2 3 2 ，作为异种协议的输入输出；同时外带8 路信号量采集和1 6 路继电 器输出，可作外部数据采集和装置自动控制或保护；控制器通讯参数可由外部 拨码开关进行设置，外带看门狗复位芯片，系统可手动或软件自动复位功能。 该可编程控制器具有如下特点： 1 、该控制器能智能识别通讯协议，并能实现多种协议之间的转换，目前市 场上尚未出现此类产品； 2 、可直接作为r s2 3 2 与r s4 8 5 接口转换器使用，r s2 3 2 和r s4 8 5 总线 均既可作输入又可作输出； 3 、实现双工双串口通讯，利用r s4 8 5 总线可进行远程数据采集和传输； 4 、该控制器应用灵活，可直接作为设备的数据采集和实时控制同时也可对 仪表的监控和协议转化及传输，作采集模块时采用m o d b u s 协议； 5 、对该控制器c p u 编程直接使用c 语言或汇编语言编程，以实现它采集 信息和控制继电器的功能。 其硬件结构框图设计如下图所示： 摹于g p r s 网络的远程数据化输 信掣囊建jl 扩e 展e p 单r o m 元 信号采集ii 孤展旱兀 瘩番彗凳k 二纠c p u 器盔元隔离单元卜叫处理单元 r a m 扩展单元 1 6 路 继电器输出 电平转换 隔离单元 下位机 通讯接口 图2 2 可编程控制器硬件结构框图 该可编程控制器的优势就是作品成本低、通用性强，应用范围十分广泛， 不仅可作为规约转换，还可作为小型的智能测试仪表，内部采用m o d b u s 通讯协 议，具有广阔的应用前景：例如可以使用到变电站监控系统、交通灯控制系统、 路灯电力监控系统等等。 2 2 监控系统通信硬件的组成 监控系统由于它的工作功能一监测和控制，必须同时拥有终端单元和控 制中心，很多时候终端单元和控制中心不在一起，那么就要求终端单元和控制 中心进行通信以保证双方信息的相互沟通。在本监控系统中，所使用的通信技 术主要是g p r s 网络通信，终端设备必须保证能够正确、及时的接收到信息， 因此我们选用厦门桑荣公司生产的g p r sd t u ( d a t at e r m i n a t eu n i t ，数据终端 单元) ，下面就简要的介绍该d t u 。 2 2 1s a r o3 13 0 pg p r sd t u 简介 厦门桑荣科技有限公司生产的s a r o3 1 3 0 pg p r sd t u 是专门为用户提供高 速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络，主要针对电力系统自 动化、工业监控、交通管理、气象、监测、环保、金融、煤矿、油田、证券等 行业的应用，利用g p r s 网络平台实现数据信息的透明传输，同时考虑到各应 用部门组网方面的需要，在网络结构上实现虚拟数据专用网。s a r o3 1 3 0 pg p r s d t u 是基于移动通信网络，针对数据通信而开发的，它与数据中心的接口设备 一起提供透明数据传输通道，组成用户专用数据网络。 1 2 第二章智能交通灯和盟控系统总体架构 该g p r sd t u 的系统由下列几个部分组成：1 6 位k u 8 0 l 1 8 8 e 处理器， 2 5 6 k bs r a m 5 1 2 k bm a s h ，s i e m e n sm c 3 5 i 工业g p r s 模块。对于g p r s 数据 能提供1 2 0 0 巧7 6 0 0 i ( b s 的传输速率，支持完善的a t 指令，编码方案为 c s l 一c s 4 ，该d t u 的硬件原理框架图如下： 图2 1s 2 u r o3 1 3 0 pg p r sd t u 原理框图 2 2 2s a r o3 1 3 0 pg p r sd t u 的使用 在进行数据传输之前，要先正确使用s a r o3 1 3 0 pg p r sd t u ，首先要按照 说明书的规定，按要求接好硬件设备，包括双频天线、r s 2 3 2 交叉线、电源以 及通过移动通信公司申办的专用于数据通信的s i m 卡。连接好电缆并检查无误， 连接天线，放入有效的s i m 卡，通过电源给s a r o3 1 3 0 pg p r sd t u 上电，此时 该d t u 上的p w r 指示灯亮，a c t 指示灯同时亮，表明d t u 工作正常；如果 a c t 灯闪亮表明用户数据口有数据输入或输出。 连接好硬件设施之后，要对该d t u 进行参数设置才能正常进行使用或者测 试，这时候就应该使用d t u 自带的参数设置软件进行参数的配置。具体设置步 骤如下： j 1 、按上面步骤连接硬件设备，将该d t u 通过r s 2 3 2 连接到电脑，但不要 给d t u 上电； 2 、打开桑荣“参数设置的软件，这时会打开如下的界面： 1 3 綦于g p r s 网络的远程数据传输 图2 2 产品参数配置软件主界面 3 、选定d t u 所用的c o m 口以及波特率和校验位( 默认的为c o m l ， 5 7 6 0 0 b p s ，无校验) ； 4 、给d t u 上电，在右侧的显示框中会提示“成功进入配置状态，请进行 参数配置! ”，这时就可以对d t u 进行配置了。 对d t u 进行配置的时候，涉及到它的很多参数，在服务器中心设定里面有 主中心地址以及中心端采用d n s 方式设置；在d t u 参数设置里有波特率修改、 数据校验位、工作模式以及设备i d 号；在网络参数设置里面有网络参数和远程 唤醒参数设置等。由于涉及到参数繁多，这里只介绍与本监控系统中有关的设 置。 对于第一版块服务器中心设定，要设置的是中心端地址里面的主中心 地址和主中心端口号，这对于该g p r sd t u 来说是至关重要的。迸行g p r s 数 据通信，首先要让该g p r s 网络和i n t e m e t 网络有可连的i p 地址和端口号，d t u 在这里是作为数据转发的平台，所以它必须要能分别找到要通信的上位机和下 位机，监控中心所处的地址就是它所需要寻找的地址。d t u 只要一上电，就会 1 4 第二章智能交通灯和监控系统总体架构 自动去寻找现在设置的主中心地址和主中心地址端口号，因此，这里的主中心 地址和主中心地址端口号一定要设定为监控中心所在主机的i p 地址，端口号的 设定要不与微软系统的端口号冲突就可以了，一般默认的是5 0 0 1 。 对于第二版块d t u 参数设置，这里需要设定的第一个就是修改波特 率，这个波特率是该d t u 与下位机( 也即智能交通灯控制器) 之间通信所需要 的，它的设定要求跟控制器联合起来设定成一致，否则在数据传输的时候会出 现乱码和误码，由于通信的数据不是很多，依次我们将波特率设定为2 4 0 0 b p s 。 另外在修改完波特率后不能马上对d t u 进行断电，需要将参数配置软件的波特 率也改成相同的波特率后，等信息显示框提示返回两次o k 后才可，否则将导 致d t u 内部程序紊乱。 第二个要设定的是数据、校验及停止位，这个参数的设置也是要跟下位机 联合起来设定的，关系到d t u 与控制器之间数据传输，也是需要d t u 与控制 器数据的一致性，一般的设定为：数据位8 位、校验位为无校验、停止位1 位。 第三个要设定的是工作模式，d t u 的工作模式有6 种，分别是：p r o t ( t c p 心跳包的全透明模式，最大数据包为1 4 5 0 个字节) 、t r n s ( 普通m o d e m 模式) 、 t i r n ( u d p 心跳包的全透明模式，最大数据包为1 4 5 0 个字节) 、t l n t ( t e l e n t 远程登陆模式) 、l o n g ( t c p 心跳包的大数据包传输模式，最大数据包为8 1 9 2 个字节) 、l n g t ( u d p 心跳包的大数据包传输模式，最大数据包为8 1 9 2 个字节) 。 第四个要设定的是设备i d 号和s i m 卡号码，因为这两个都表示对该设备 的识别，所以放在一起介绍。设备i d 号用于对d t u 设备进行编号，在多个d t u 进行通信的时候利用i d 号来进行设备的识别，号码取8 位，不足8 位的取0 ， 如该设备编号为1 ，则它的i d 号我们设定的时候要输入0 0 0 0 0 0 1 。因为有些组 态软件通过s i m 卡号码来识别下位机d t u ，因此专门开设s i m 卡号码，用于 对d t u 设备的s i m 卡进行编号，取标准1 1 位号码。 第五个设定的是调试信息等级，这个设定在我们调试、测试的时候是很有 用的，在正式使用之前，当设备出问题的时候，为了更好的找出问题的出处， 就需要该设备具体的返回信息；在正式使用之后，为了防止过多的冗余数据， 不需要设备的返回信息。这里的调试信息等级分为三级( 1 ，2 ，3 ) ，第一级： 打歼d t u 正常调试信息；第二级：打开d t u 详细调试信息；第三级：关闭所 基于g p r s 网络的远程数据传输 有d t u 调试信息。这样，在调试测试阶段的时候，我们可以将调试信息等级设 置成2 ，以方便查看故障；调试结束之后，在正式的使用过程中，我们可以将 调试信息等级设置成3 ，以减少其他无关数据对通信数据的影响，提高通信质 量。 对于第三版块网络参数设置，这里的a p n 、拨号中心号码、短信中心 号码在d t u 内部已经有默认的设置，如果该d t u 不是在厦门地区使用，则重 新设置该地区的号码即可。心跳包时间，是我们要经常使用的，设置了心跳包 时间后，d t u 会定时发一个字节( f e ) 的数据到监控中心，这里所说的定时， 指的是从上一个数据到现在所间隔的时间。比如，我们设置了心跳包时间为6 0 秒，那么d t u 检测到一个6 0 秒内，如果没有任何数据传输，它就会发一个字 节( f e ) ，以保持该链路的畅通。这样做，主要是为了防止该条链路过长时间 没有数据传输，移动运营商系统会断掉此链路；另外也可以用心跳包来检测该 d 1 1 j 有没有出故障，有没有在正常工作。 誓备毒中心设定ld t u 参煮设2i同络参嚣设定 修改竣崎事：从1 1 0 壅u j 5 7 6 0 0 ，广司 数据、控验及停止位：c 三抻：8 n 1 s e l 8 0 1 ，广”：1 工作瞰：t r n s p r o t i s r 习 设备d 号码：设备标识，匝定为州芷，厂一 设备s i m 素号码：对手动目由设置，碌i 宙1 饺r 一 诹媚息等镊：三种：0 1 2 广习 是否自动返畦中心：【1 为退回口不返回) r 一 内存扫描时阔默认2 1 x m $ ) 广一 图2 3 产品参数配置软件具体参数界面 将这些我们需要设置的参数输入到参数对应的配置框中，确认后点击“确 定进行配置 ，将在右侧显示框中提示哪些参数修改成功，哪些参数修改失败； 配置完成后，点击确认，将在右侧显示框中提示当前配置，以便确认参数是否 成功进行配置。若某些参数未配置成功，则单个参数再次配置，点击“清空配 置窗口，清空所有参数配置框的内容，再将需要修改的参数进行单个配置。确 认无误之后，重新启动该d t u ，则自动进