（系统工程专业论文）基于GPRS的路灯远程测控系统研究和设计.pdf

南京理丁大学硕卜学位论文摹干g p r s 的路灯远程删拧系统研究和设计 摘要 传统的路灯照明系统的控制方式存在效率低、成本高、无法监控等问题，已经无 法满足现代化城市的需要。采用先进的路灯远程测控系统具有自动化程度高、运行可 靠、高效节电、使用维护方便等特点，能够很好的弥补传统路灯照明系统的缺点。本 文在研究了路灯远程测控系统的工作原理、实现的功能及特点之后针对其中的传统 通讯方式所存在的不足，设计了一种基于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 ) 无线通 讯技术的路灯远程测控系统。 本文中详细研究了g p r s 通讯技术的原理、网络结构及技术优势等方面的内容， 设计了主要由分站点测控及通讯系统( 下位机) 、g p r s 通讯网络和中心监控系统组 成的路灯远程测控系统。在这基础之上，具体设计并实现了以t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 型单片机作为主控制器、以m o t o r o l a 公司的g 2 0 作为g p r s 通讯模块的下位机 的软硬件，并在实验室中完成了下位机系统的调试工作。另外。本文还对监控中心的 配置方案以及实现的功能进行了初步的研究。 实际调试结果证明，本文所设计的路灯远程测控系统的下位机部分能够正常，稳 定、准确、可靠地完成信号测量、开关控制和通讯等功能，完全可以满足路灯远程测 控系统的要求。 关键词：远程测控，通讯，g p r s ，m s p 4 3 0 ，g 2 0 摘要砌 论文 a b s t r a c t t h ec o n t r o l l i n gm e t h o df o rt r a d i t i o n a ls t r e e tl a m pl i g h t i n gs y s t e mc a n n o ts a t i s f yt h e n e e d so fm o d e mc i t y , f o rt h eq u e s t i o n se x i t i n gi ni ts u c h l o we f f i c i e n c y , h i g hc o s t ， u n a b l et om o n i t o r t h ec h a r a e t e r so fa d v a n c e ds t r e e t l a m pr e m o t em e a s u r i n g a n d c o n t r o l l i n gs y s t e ma r ea u t o m a t i c ，r e l i a b l e ，e f f e c t i v e ，s a v i n ga n dc o n v e n i e n t ，w h i c hc a l l r e m e d yt h e s ed e f e c t s i nt h i sp a p e r , a f t e rs t u d i n gt h ew o r k i n gp r i n e i p l e s ，f u n c t i o n sa n d c h a r a c t e r so ft h es t r e e tl a m pr e m o t em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ，an e ws t r e e tl a m p r e m o t em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e do nt h eg p r sc o m m u n i c a t i o nw a s d e s i g n e d ，w h i c hi m p r o v e dt h ei n s u f f i c i e n c yi nt r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y g r e a t l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e ，n e t w o r ks t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g ys u p e r i o r i t yo f g p r sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yi nd e t a i l ，d e s i g n e dt h es t r e e tl a m pr e m o t em e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e mc o m p o s e d o ft h e s e p a r a t es t a t i o n sm e a s u r i n g 、 c o n t r o l l i n ga n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，g p r sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dc e n t r a lm o n i t o r i n gs y s t e m o n t h eb a s i so f t h i s ，s o , w a r ea n dh a r d w a r eo f t h e p 批s t a t i o n sm e a s u r i n g ，c o n t r o l l i n ga n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i nw h i c hu s et i ss i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o rm s p 4 3 0 f 1 4 9a st h e m a i nc o n t r o l l e r , a n du s em o t o r o l a sg 2 0a st h eg p r se o m m t m i c a t i o nm o d u l e w e r e d e s i g n e da n dr e a l i z e dc o n c r e t e l y b e s i d e s ，t h ep i l o ts t u d yo ft h ed i s p o s i t i o np l a na n dt h e r e a l i z a t i o nf u n c t i o no f t h em o n i t o r i n gc e n t e rw a sd o n e t h ed e h n g g i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e e tl a m pr e m o t em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n g s y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e rc a na c c o m p l i s ht h es i g n a lm e a s u r i n g 、s w i t c hc o n t r o l l i n ga n d c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n sw e l l - b a l a n c e d 、s t a b l y 、e x a c t l ya n dc r e d i b l y a l lt h e s ec a ns a t i s f y t h en e e d so f t h es t r e e tl a m pr e m o t em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mc o m p l e t e l y k e y w o r d ：r e m o t em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n g ，c o m m u n i c a t i o n ，g p r s ，m s p 4 3 0 ，g 2 0 n 南京理工大学硕士学位论文 摹于g p r s 的路灯远程棚拧系统研究和设计 1 绪论 1 1 路灯控制系统的发展和现状 1 1 1 路灯远程测控系统产生的背景 一直以来，城市路灯照明系统都是城市建设不可缺少的公用设备。城市路灯照明 系统由电力变压器将高压供电电源降至三相3 8 0 v 或单相2 2 0 v 照明用电、经低压架 空线或地下电缆送至各路灯供电，路灯开关控制则可由变压器一次或二次侧的开关设 备实现。开关设在变压器一次侧可避免白天变压器空载损耗，但高压开关价格昂贵且 使用维护不便，故多采用在变压器二次侧设开关柜，由自动控制装置实现路灯的开关 控制。国内大多数城市都采用时钟、光电控制的方式对路灯进行低压侧开关控制，通 过人工巡视的办法对路灯工作状况进行监控i l l 。 传统路灯照明的控制方式主要存在以下的问题： 1 ) 传统的路灯照明控制方式由于没有远程数据采集和通讯功能，无法实现集中 监控，所以运行、操作结果不能集中监视、记录和统计，设备是否正确动作、工作是 否正常等无法及时知道，只有靠大量工作人员巡视、市民报修电话等手段了解工作异 常的设备【2 1 。 2 ) 设备的运行状况主要靠人工巡视，工作量太大。由于城市近年来路灯、景观 灯总数的快速扩展，所以设备巡视的工作量非常大，在节假日及特殊情况需要保证全 市亮化率的时刻，路灯处全处人员上线巡视尚满足不了要求，工作相当被动。 3 ) 处理故障效率低。人工巡视存在巡视周期问题，因此处理故障的效率很低， 体现不了现代化城市路灯照明管理的科技水平。 4 ) 管理、统计功能较弱。没有实时、准确的数据采集与记录，只能做简单的模 糊统计工作，达不到量化管理的要求。 随着城市建设的不断发展，对路灯系统从数量到质量上的要求都在提高，常规的 监控方式既耗费大量的人力、物力又不能达到准确和全面，已落后于城市发展的需要。 采用先进技术提高路灯自动化控制与管理水平，已成为城市路灯照明系统建设的当务 之急。 现代化的路灯远程测控系统就是在这样的背景之下产生的，它具有自动化程度 高、运行可靠、高效节电、使用维护方便的特点。 硕卜论文 1 1 2 路灯远程测控系统简介 在路灯远程测控系统中，街区路灯控制装置即分控点，与设在路灯管理处的监控 中心形成两级分布式计算机测控系统。分控点以高性能的单片机、传感器，接口等组 成为实时在线控制机，执行对路灯的开关控制，对路灯各支线的电流、电压及线路状 态等参数的检测，同时能在通讯功能无法实现的情况下自主工作。中心监控系统由高 性能微机、通讯接口及设备、显示器，模拟屏、打印机等组成，一般将它称作上位机。 位于主控室的上位机完成整个系统的数据集中处理和对各分控点统一发布命令p 】。 路灯远程测控系统的基本功能是能够实现对受控对象的自动控制和监测，具体 内容可分为以下几点： 1 ) 数据采集：分站实现对监控中心进行数据上报。上报的内容充分反映了该站 内灯具的运行状态，如电压、电流的动态数据、故障灯的详细情况等。 2 ) 巡查：系统自报各站点存储的各项数据，也可以手动召唤某一分站的任何所 需数据。 3 ) 报警：系统出现各种常见故障时可优先报警。在分站供电线路出现短路、开 路、保险丝熔断或接触器粘连、停电情况发生时，分站端主动向主站发出报警信号， 由监控中心计算机自动对报警信息进行存档、打印、以及声光提示值班人员。 4 ) 遥控：对网内灯具可按照预定程序实现面控( 某一地区) ，线控( 一条线路) ， 点控( 任一灯位) 。 5 ) 显示、打印：利用系统显示屏，可以即时动态显示路灯运行的各种工作状态， 并自动将状态数据曲线存储，可以以只报表和月报表的形式打印。 现代化的路灯控制系统具有以下特点： 1 ) 安全性 为了使路灯系统能够正常运行，以往的做法是投入大量的人力、物力进行检查， 维护，其工作是单调的重复性劳动。路灯远程测控系统能够完成复杂、艰巨而又单调 重复的工作，它不受人为因素的影响，自动地按照预先设置的程序完成每一步工作。 系统可以采用优先报警技术，对受控线路的电压电流等数据实时监控，可以确保灯具 的正常运行。 2 ) 简便性 路灯远程测控系统采用模块化管理，使整套系统商品化，将各个组成单位以模块 化形式组合起来，从而大大减少了工作难度，使施工变得更加简单。系统中所有的分 站点测控系统均设有自运行的功能，即使没有监控中心，自己也能运行。 2 南京理t 大学硕 学位论文摹于g p r s 的路灯远程测挣系镜研究和设计 3 ) 智能化 采用计算机作为监控设备，通过系统软件实现控制界面的可视化，控制环境的多 媒体化，可以方便地实现灵活机动的智能化控制。 4 ) 现代化 在优化软硬件结构的同时，进一步实现模块化，通过集中控制和信息交流，使得 整个系统自成体系【4 】。 1 1 3 路灯远程测控系统中存在的问题 从路灯远程测控系统产生时起，通讯就在其中起着十分重要的作用，它是实现远 程测控的基础。在路灯远程测控系统的发展过程中，许多不同的通讯方式被相继采用， 所取得的效果也各有不同。 从通讯方式上来说，主要分为有线通讯和无线通讯。有线通讯具有传输可靠和传 输容量大的特点1 5 l ，但有线通讯方式只适应于小范围小区域的监控系统，对大城市的 全局监控管理采用有线通讯方式几乎是不可能的，可以想象在一个大城市黾郝放一套 监控传输通讯网络将是一件多么费钱费力费时的事，而且，其固定性又无法解决城市 布局迅速发展变化的要求。 相比于各种有线通讯方式，无线通讯有其特有的适用于远程测控领域的优点1 6 1 。 1 ) 成本廉价：有线通信方式的建立必须架设电缆，或挖掘电缆沟，因此需要大 量的人力和物力；而采用无线通讯方式，则只需要在每个终端连接无线数传模块就可 以了。相比之下用无线通讯方式，节省了人力物力，投资是相当节省的。 2 ) 建设工程周期短：采用有线的方式，必须架设长距离的电缆或者挖掘漫长的 电缆沟，这个工程周期可能就需要数个月的时间，而用无线通讯的方式，工程周期只 需要几天或者几周就可以。 3 ) 适应性好：有线通讯的局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，比如遇到 山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是移动物体等靠线比较困难的应用环境时，将 对有线网络的布线工程有着极强的制约力，而用无线通讯方式将不受这些限制。 4 ) 扩展性好：在用户组建好一个通讯网络之后，常常因为系统的需要增加新的 设备。如果采用有线的方式，需要重新布线，施工比较麻烦，而且还有可能破坏原来 的通讯线路，但是如果采用无线通讯方式，只需将新增设备与无线数传模块相连接就 可以实现系统的扩充了。 5 ) 设备维护上更容易实现：有线通讯链路的维护需沿线路检查，出现故障时， 一般很难及时找出故障点，而采用无线通讯方式只需维护无线数传模块，出现故障时 则能快速找出原因，恢复线路正常运行。 硕i 论文 在远程测控系统中主要采用数传电台通讯、微波扩频通讯、g s m 短消息通讯等 无线通讯方式，下面就分别介绍一下。 幻数传电台通讯 数传电台通讯简单的来说就是利用普通的无线数传电台，建立专用通信网，来进 行监控信号的实时、可靠的传输。它的优点为1 7 i ： 1 ) 传输距离较远，建网成本和运营成本较低，系统使用及站点扩展很方便，尤 其适用于大容量的分散式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 a a c q u i s i t i o n ) 系统l ”。 2 ) 具有极好的实时性。目前常用的v h f 无线数据通信网的传输速率为1 2 0 0 b p s ， 传输时日j 较短。另外，与公用通信网相比，其最显著的优点是接续时i 日j 短，般小于 0 5 秒，可以很好地满足监控系统的实时性要求。 但频率资源、带宽、功率、架设天线、接力、可维护性以及环境稳定性等无线大 容量私网难以解决的问题仍然是其应用中的最大难题。 b ) 微波扩频通讯 微波扩频通信技术也是一种无线数传技术。扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n ) 简称扩频通信，它的基本特征是使用比发送的信息数据速率高许多 倍的伪随机码，把载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率谱密 度的信号来发射。这种通信方式具有速率快、可靠性高、抗干扰性能好、保密性高， 安全性好、灵活性、移动性、可扩展性、可伸缩性、兼容性好等特点【9 j 。但微波扩频 通信在实际的工程应用中也存在自身的一些缺陷，由于微波扩频通信是一种在视距范 围内进行直线传播的通信方式，所以对于通信距离，现场周围的环境等因素存在一些 限制，故而不是很适合运用在城市中的大范围远程测控系统中。 c ) g s m 短消息通讯 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 ) 技术最早是由欧洲四国提出并 在欧洲境内组网的数字蜂窝通信系纠1 0 1 。g s m 技术的出现使得蜂窝通信容量得到很 大扩充，数据通信变得容易、可靠。个人手机正是利用g s m 蜂窝网实现收发传真、 语音通信、收发短消息( s m s ) 以及i n t e r n e t 接入的一个g s m 手持移动终端设备。 g s m 技术的出现使得传统无线控制技术发生了迅速而深刻的变化，基于g s m 通信技 术的无线测控系统具有通用性好、地理覆盖面广、免调试维护、运营费用低和控制方 式灵活等特点。基于g s m 通信技术的无线测控系统有着使用传统无线通信手段完成 测控任务的应用系统所不可比拟的优势，非常适合在数据流量不大、大范围、多测点 的工程领域应用。作为g s m 通信网络的一部分，g s m 模块是提供给用户使用的g s m 移动终端。终端可以完成传真、通话、短信息、i n t e r n e 无线接入等业务。理论上来说， 基于g s m 技术的无线测控系统可采用g s m 模块提供的四种通信方式中的任何一个 4 南京理工大学颂 学位论文摹于g p r s 的路灯远程删控系统研究和设计 来完成数据、指令的传送。但在实际的控制系统中考虑到费用、安全和数据流量，绝 大部分的测控数据和指令都是使用s m s ( s h o r tm e s s a g i n gs e r v i c e ，短消息服务) 方式传送的。 短消息通过无线控制信道进行传输，经短消息业务中心完成存储和前转功能。它 的传递是可靠的。每条短消息的信息量限制为1 4 0 个八位组( 7 比特编码，1 6 0 个字 符) ，大约与l s 的语音呼叫所占用的空间相当，故而其通讯费用十分低廉。通常测控 系统使用字符串来完成测控任务，一条s m s 包含1 6 0 个字符的容量己经能够满足数 据流量不大的测控场合【1 1 】。在系统维护调试时可启用语音通道完成通信联络【1 2 1 。 利用短消息技术来传输数据具有传输快捷、出错率低、价格低廉等优点。但同时 它也有不足之处，它的传输存在不同程度的延迟，特别是在节假日等短信高峰时期。 而且在频繁传输大量数据的情况下，它的价格优势就不复存在了【1 引。 综上所述，在路灯远程测控系统中采用有线通讯方式存在着许多难以避免的问 题，而数传电台、扩频通讯、短消息通讯等无线通讯技术又都有一些不足之处。 1 2 本课题所做的工作 本文提出了一种基于g p r s 无线数据传输技术的路灯远程测控系统的实现方案。 。，； 具体的来说主要完成了以下工作： 1 ) 研究了路灯远程测控系统的产生背景、工作原理、所要实现的功能和具有的 特点。 ， 2 ) 分析了路灯远程测控系统中几种传统的通讯方式，并指出这些通讯方式的优 点和不足之处。 3 ) 研究了g p r s 无线通讯技术的基本原理、网络结构和技术优势等方面的内容， 并将它与几种有线和无线的通讯方式进行了详细的比较，从而证明了它在远程测控领 域中有着独特的优势。 4 ) 根据路灯远程测控系统的工作原理和具有的功能，并遵循远程测控系统的设 计原则，设计出了一个基于g p r s 无线通讯技术的路灯远程测控系统，并在本文中给 出了该系统具体的设计方案。 5 ) 具体设计并实现了分站点测控及通讯系统( 下位机) 。其中，鉴于远程测控系 统对经济性、可靠性、可操作性和可维护性等方面的要求，以及路灯远程测控系统自 身的特点，本课题中选用1 r i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 型单片机作为下位机的主控制器， 用m o t o r o l a 公司的g 2 0 模块作为g p r s 通讯模块。该下位机系统具有信号测量、完 成控制命令、执行键盘操作、液晶显示及g p r s 通讯等功能。 6 ) 在实验室环境和户外环境下分别对下位机系统的测控、现场操作及通讯等功 绪论硕十论文 能进行了实际的调试，解决了调试过程中出现的各种问题，最终使得下位机系统能够 正常、稳定、准确、可靠地运行。 7 ) 对监控中心的硬件构成、操作系统的选择、应用软件的开发和要实现的具体 功能进行了初步的研究。 8 ) 总结了本课题的工作情况和课题现有工作所取得的成果，并指出了下一步工 作的重点和方向。 6 南京理t 大学颂十学位论史摹于g p r s 的路灯远程洲控系统研究和设计 2 基于g p r s 通讯的系统总体设计 2 1 系统的总体设计原则 2 1 1 测控系统的一般设计要求 1 ) 经济性要求：由于测控系统是为实际工程需要所设计的，所以必须考虑经济 性指标。为了获得较高的性价比，设计时不应该盲目追求复杂高级的方案，在满足性 能指标的前提下，应尽可能采用简单的方案【1 4 】，从而节省工程的实际开支。 2 ) 可靠性要求：应该保证测控系统能长时间可靠、稳定的运行。在遇到一些问 题时仍然能够正常工作。从硬件上来说，元器件应该选取质量好、结构工艺出色并且 在各种特定的工作环境均能正常稳定工作的。在必要的地方应该采用冗余结构以保证 长时j 日j 的连续工作。在软件方面，采用摸块化设计，以减少故障率和提高软件的可靠 性。 3 ) 操作和维护要求：测控系统必须具备很强的可操作性，应该使工作人员能够 简单方便的进行现场操作和中心监控操作。从维护要求上说，系统必须具备一定的故 障诊断能力。 在本系统的设计中，必须遵循以上几点要求，才能设计出满足实际应用需要的路 灯远程测控系统。具体的来说，在器件的选取、系统的配置以及运行方式上应做充分 的考虑，以满足经济性的要求；从可靠性的角度考虑，在硬件设计中要充分考虑到各 种元器件的性能、硬件配置情况和抗干扰措施等问题，而且要尽量设计出能够稳定可 靠运行的系统软件；另外，在本系统的设计过程中，还要具有人性化的设计理念，设 计出便于操作和维护的系统。 2 1 2 路灯远程测控系统的设计要求 以上分析了一般测控系统的设计要求，但路灯远程测控系统还具有其独特的设计 原则。 由于本系统具有实际工程应用的价值，所以本课题中设计出的系统必须符合路灯 远程测控系统的实际要求，即能够实现路灯远程测控系统的各种功能。具体的来说， 主要包括以下几点： 1 ) 根据监控中心发出的命令，下位机能够准确执行开、关灯等操作。 2 ) 下位机能实时的将所控线路电压、电流值、路灯工作状态等参数上报给监控 7 摹fg p r s 通讯的系统总体设计 硕仁论文 中心。 3 ) 当g p r s 无线通讯由于特殊原因受到干扰时，下位机能按实时时钟自主运行， 按内存中存储的系统运行的参数执行歼、关灯操作及数据的采集、贮存等基本功能， 将通信故障的影响减到最小。 4 ) 能实现半夜灯、全夜灯和时段灯功能之间的即时切换，达到节电增效的目的。 5 ) 具备停电运行功能。即使在停电的情况下，下位机系统仍能正常运行。 6 ) 具备现场操作功能。可以在现场读到该站点运行的各种参数信息，并可以在 现场设置各种参数。 7 ) 监控中心能够对各个分站点进行遥控、遥测和遥信，能够提供给操作人员友 善的人机界面，能够记录、分析并存储整个系统运行过程中的各种数据。 在对路灯远程测控系统的需求情况进行了详细分析之后，也就明确了本系统将要 完成的主要任务，为以后的工作奠定了峰实的基础。 2 1 3 路灯远程测控系统中的性能指标 鉴于实际应用中的需要，本系统的设计应该满足以下的一些性能指标： 1 ) 由于每条路灯支路上可接有5 0 1 0 0 支路灯，而所测支路的电流将反应该支 路的亮灯率，所以要求信号测量的精度将必须达到l ，才能够准确的统计亮灯的情 况，同时，这也对a d 转换的测量精度也提出了要求。 2 ) 由于系统的工作过程中有可能出现停电的情况，这将会影响到监控中心对故 障的判断，所以，要求供电系统在路灯线路出现故障或停电的情况下必须具备一定时 f b j 的持续供电能力。 3 ) 为了对线路的电流和电压进行现场检测，必须使l c d 显示的数据具有一定的 精度范围，至少可以达n d , 数点之后一位。 4 ) 虽然在软件程序中将考虑到下位机系统附着g p r s 网络失败后重新附着的办 法，但为了不影响到下位机系统的工作效率，必须保证g p r s 网络的附着成功率在 9 0 以上。 5 ) 为了实现g p r s 的“永远在线”的技术优势，以更好的为本系统服务，必须 始终维持下位机与监控中心的网络连接不断开。 6 ) 因为监控中心将对分站点进行轮询，如果通讯的传输延迟太长的话，将会影 响到监控中心轮询的效率，所以，要求g p r s 网络的数据传输必须具有较短的延迟。 7 ) 为了保证通讯的效率和正确性，所以，要求将g p r s 通讯的误码率控制在一 个很低的范围里。 另外，实时时钟的精度和温度传感器的测量精度也是非常重要的性能指标。 南京理工大学硕t 学位论文摹于g p r s 的路灯远程侧拧系统研究和设计 2 2g p r s 通讯技术介绍 为了满足路灯远程测控系统对通讯功能的要求，本系统中采用g p r s 无线通讯技 术来完成分站点和监控中心的通讯任务。首先对g p r s 通讯技术进行分析，以充分证 明它适合于路灯远程测控系统。 2 2 1g p r s 概述 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 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 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 别适用于问断的、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【1 5 1 。g p r s 理论带宽可达1 7 1 2 k b s ，实际应用带宽大约在1 肚7 0 k b s ，在此信道上 提供了t c p 佃连接，可以用于i n t e m e t 连接、数据传输等场合。 g p r s 是一种新的移动数据通信业务，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 。g p r s 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多 个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，数据传输速 率高达1 6 0 k b p s 。使用g p r s 技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量 计费，迅速降低了服务成本。g p r s 移动数据传输系统有很大的应用范围，几乎所有 中低速率的数据传输业务都可以应用，如城市配电网络自动化、自来水、煤气管道自 动化、商业p o s 机、i n t e r a c t 接入、个人信息、股票信息、金融、交通、公安等【1 6 1 。 在我国，中国移动公司从1 9 9 9 年就开始进行了g p r s 的试验和测试阶段，随后 在商用建设阶段，g p r s 一期工程就完成了1 6 个省2 5 个城市的商用建设，而目前中 国移动g p r s 网络已覆盖全国3 1 个省2 4 0 多个城市，容量达到2 1 0 万，而且可以与 香港、台湾、新加坡等地进行g p r s 通信。 2 2 2g p r s 的网络结构 图2 2 2 1 表示g p r s 的网络结构， g p r s 骨干网、本地位置寄存器h l r 、 g p r s 网络主要实体包括g p r s 支持节点、 短消息业务网关移动交换中，6 , ( s m s g m s c ) 9 摹fg p r s 通讯的系统总体设计硕t 论文 和短消息业务互通移动交换中一o ( s m s i w m s c ) 、移动台、移动交换中心( m s c ) 、拜 访位置寄存器( v l r ) 、分组数据网络( p d n ) 等【l 7 l 。 g p r s 网络是在现有g s m 网络中通过增加g g s n 和s g s n 这两个网络节点来实 现的，g p r s 服务支持节点s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 的主要功能是对 移动终端进行鉴权和移动性管理，建立移动终端到g g s n 的传输通道，接收从b s s 图2 2 2 1g p r s 的网络结构 传送来的移动终端分组数据，通过g p r s 骨干网传送给g g s n 或者将分组发送到同 一服务区内的移动终端。s g s n 还可以集成计费网关、边缘网关( 负责实现g p r s 网 络之间的互连) 和防火墙的功能。 g p r s 网关支持节点g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) 是连接g p r s 网络与 外部数据网络的节点。对于外部数据网络来说，它就是一个路由器，负责存储已经激 活的g p r s 用户的路由信息。g g s n 接收移动终端发送来的数据，转发至相应的外部 网络，或接收来自外部数据网络的数据，通过隧道( t u n n e l ) 技术，传送给相应的s g s n 。 另外g g s n 还可具有地址分配、计费、防火墙功能。 s g s n 和g g s n 两节点可分可合，即它们的功能既可以由一个物理节点全部实 现，也可以由不同的物理节点来实现。每个g g s n 和s g s n 都至少拥有一个网内固 定i p 地址【l 耵，它们部应有i p 路由功能，并能与i p 路由器互连。g p r s 骨干网络是 i p 的网络，提供g p r s 内部和g p r s 之间的通信。对外部数据网络来说，g p r s 系统 中的g g s n 就是一个路由器，实现g p r s 骨干网和外部数据网络( x 2 5 网、帧中继 网或a 1 r m 网) 之日j 的路由寻址功能。因为采用相同的协议，g p r s 可以看作是i n t e r a c t 的子网，能够使用g p r s 的移动终端可以视为移动主机。每一个g p r s 终端都有一个 自己的i p 地址，并可以依据此寻址。 1 0 南京理t 大学硕十学位论文摹于g p r s 的路灯远程删控系统研究和设计 2 2 3g p r s 的技术优势 g p r s 通讯技术具有如下的优点； 1 ) 价格合理，资源利用率高。g p r s 引入了分组交换的传输模式，使得用户只有 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 通讯采取按流量计费的方式，体现了“得到多 少、支付多少”的原则。 2 ) 传输速率高，实时性好，数据量大。g p r s 可提供高达1 1 5 k b i t s 的传输速率。 3 ) 接入时间短。分组交换接入时间少于1 秒，能提供快速及时的连接，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 m e t 应用 ( 如e m a i l 、网页浏览等) 操作更加便捷、流畅。 4 ) 基于i p 协议，可提供强大的i n t e r n e t 接入能力1 1 9 】。 5 ) 永远在线，可靠性高，抗干扰能力强。 下面我们以列表的形式从实际应用中非常关心的几个方面来将g p r s 通讯技术与 其他的有线和无线的通讯技术进行一下比较，表2 2 3 1 为g p r s 通讯方式与有线数 据通讯的比较，表2 2 3 2 为g p r s 通讯方式与其他无线数据通讯的比较。 表2 2 3 1g p r s 与有线数据通讯的比较 i 未裳三 g p r s 有线拨号方式有线专线方式 比较内容、 覆盖范围全国全国区域 建设费用一般较低较高 施工难度较低 一般 较高 施工周期较短一般较长 计费方式流量，无月租时间加次数租赁 运行费用较低较高较高 通信速率较高一般 较高 可靠性较高 一般较高 实时性较高极低较高 维护成本 极低 一般较高 应用场合分散、实时对实时无要求较大数据 数据传输的场合实时传输 基于g p r s 通讯的系统总体设计 硕e 论文 表2 2 3 2g p r s 与无线数据通讯的比较 、垡输方式 g p r s 短消息无线数传电台 比较内蕃 覆盖范围全国全国不大于2 0 k m 建设费用 一股低高 施工难度较低低 高 施工周期较短较短 一般 计费方式流量，无月租0 1 元条占频费 运行费用 较低较高一股 通信速率2 0 k b p s1 2 k b p s 可靠性较高一般一般 传输时延短不确定短 维护成本低 低高 通过以上客观分析可以看出，无论从建设周期、建设费用和运行费用，还是系统 的可靠性、稳定性和技术的先进性等用户比较关心的角度而著，g p r s 技术在远程的 分散数据采集应用领域具有很大的优越性。g p r s 无线通讯方式具有覆盖范围大、实 时性好、免网络维护、传输速率快、数据量大、按流量计费和可以接入i n t e m e t 等优 点，因此，在分布范围较广，数据采集点多，实时性要求较高的场合，g p r s 通讯技 术比较合适【1 6 l ，同时它也符合远程测控领域的发展趋势，那就是测控网络和信息网络 的融合。 2 3 系统的总体设计方案 2 3 1 系统的总体设计方案 按照路灯远程测控系统的设计要求和要实现的功能，将本系统大体分为三个功能 部分；分站点测控及通讯系统( 下位机) 、通讯网络和监控中心。由于本系统中的通 讯网络基本上是由g p r s 网络和i n t e r n e t 网络所组成，所以不需要在本课题中进行设 计，这也就是说，本系统的主要设计任务是完成下位机系统和监控中心的设计。 在将整个系统划分为三个大的部分之后，就要遵循由整体到局部的设计原则，对 下位机和监控中心进行具体设计，以形成一个成型且具有实际应用价值的路灯远程测 控系统。本文侧重于下位机系统的软硬件设计、实现和调试，其中，调试的过程是一 个对系统不断完善和更新的过程，有着极其重要的意义。 1 2 j，jj1iji 南京理t 大学硕 学位论文摹于g p r s 的路灯远程罚拧系统研究和设计 2 3 2g p r s 通讯的传输层协议选择 g p r s 通讯是基于t c p i p 协议的网络通讯，它支持两种不同的传输层协议，分 别是面向连接的t c p 协议和无连接的u d p 协议。t c p 和u d p 的主要区别在于1 2 0 1 ： 1 ) 从对系统资源的要求上看，t c p 较多，u d p 少。 2 ) u d p 程序结构较简单。 3 ) t c p 是基于流模式的，u d p 是基于数据报模式的。 4 ) t c p 保证数据正确性和数据的顺序，u d p 可能会丢包，数据顺序也没有保证。 另外，结合g p r s 网络的情况具体谈一下它们的区别： 1 ) t c p 传输存在一定的延时，大概是1 6 0 0 m s ，u d p 响应速度稍微快一些。 2 ) 从协议的包头结构来看，t c p 包头至少有2 0 字节，u d p 的包头则小很多。 确实如此，因为u d p 是非可靠连接，设计初衷就是尽可能快的将数据包发送出去， 所以u d p 协议显得非常精简。 3 ) 从g p r s 网络端口资源分析，u d p 十分紧缺，变化很快。而t c p 采用可靠链 路传输，不存在端口变化的问题。 本系统中要求监控中心和g p r s 模块能相互的、实时的传输数据。t c p 本身就是 可靠链路传输，提供一个实时的双向的传输通道，能很好的满足这一要求。而对于 u d p 传输，在一段时间没有数据流量后，端口容易改变，产生的影响就是从监控中 心向g p r s 模块发送数据，g p r s 模块接收不到。从通讯的可靠性方面来说，不容许 传输过程中的数据丢失或者最大限度的要求数据的可靠性。否则，根本无法实现远程 监控。从这一点来看，很显然在无线数据传输过程中，t c p 比u d p 更能保证数据的 完整性、可靠性，存在更小的丢包率。从经济性的角度考虑，要求降低费用，和费用 直接相关的就是流量了，流量低，费用就低了。虽然t c p 本身的包头要比u d p 多， 但是u d p 在实际应用中往往需要维护双向通道，就必须要通过大量的心跳包数据来 维护端口资源。总的比较起来，u d p 的实际流量要比t c p 还要大。 基于对以上几点的考虑，本文认为t c p 传输更能满足本系统对通讯的要求，所 以在本系统的g p r s 通讯部分，选择了t c p 协议。 2 3 3g p r s 通讯模式选择 本系统中通讯模式的选择必须从两个方面考虑，一个是下位机g p r s 模块的通讯 模式，一个是监控中心的通讯模式。下面分别介绍： 首先介绍一下下位机g p r s 模块的几种主要的应用模式r 玎： 1 ) 永远在线模式 摹于g p r s 通讯的系统总体设计 硕仁论文 描述：保持g p r s 模块与监控中心的永久连接。 工作过程：g p r s 模块启动后自动连接g p r s 网络，根据监控中心的i p 地址自动 连接监控中心，并保持和维护链路的连接，当链路发生异常时，g p r s 模块自动重新 建立与监控中心的连接。 典型应用：公用事业、工业自动化系统和需要实时数据传输的场合。 2 ) 定时传输模式 描述：由g p r s 模块定时向中心发送数据。 工作过程：根据事先设置的发送数据间隔向监控中心发送数据和接收数据，数据 收发完毕，自动断线。 典型应用：水文监测、气象、集中抄表和环境保护。 3 ) 中心呼叫模式 描述：由数据中心发起数据传输请求，g p r s 模块应答并发送应答并发送接收数 据。 工作过程：当监控中心需要收集或发送数据时发出呼叫指令，g p r s 模块立即连 接g p r s 网络并登录监控中心网络，按照中心的指令传输数据或执行操作。 典型应用：人防系统、油井数据采集、水文、气象等。 4 ) 数据触发模式 描述：当有用户数据传输时，由g p r s 模块发起连接。 工作过程：当用户传输数据时，g p r s 模块连接g p r s 网络并登录监控中心，传 输数据。 典型应用：油井数据采集、水文、气象等。 在路灯远程测控系统中，监控中心采用轮询的方式对各个下位机进行查询和控 制，不适宜采用由g p r s 模块发起连接的方式。而且，对于轮询周期较短的情况下， 如果每次轮询都要重新建立连接，那样会十分影响效率。考虑到路灯远程测控系统要 求的是实时，双向的数据传输，而且g p r s 通讯是按数据流量计费的特点，在本系统 中选用永远在线的模式，即让下位机的g p r s 模块启动后就主动连接监控中心，并且 在以后的时间里一直维护链路的畅通，以保证通讯的正常进行。 监控中心的通讯模式也是一个不容忽视的环节，由于g p r s 网络和i n t e r a c t 网络 一样是基于t c p 8 p 协议的，并且它们是互通的。所以，监控中心的通讯模式就有两 种，一种是直接通过g p r sm o d e m 或者专线的方式接入到g p r s 网络中，从而与下 位机的g p r s 模块完成通讯；另外一种就是先接入i m e r n e t 网络，利用g p r s 网络与 i n t e m e t 网络互通的原理来实现与下位机g p r s 模块的连接。在本系统中，监控中心 以固定口连接的方式接入i n t e m e t 网络，通过g p r s 网关g g s n 接入g p r s 网络， 以这样的方式来组建远程测控网络。由于监控中心的i p 地址固定了，所以下位机在 1 4 南京理t 大学颂卜学位论丈摹于g p r s 的路灯远程测拧系统研究和设计 进入g p r s 网络之后，就可以连接这个固定地址来与监控中心建立无线的连接，从而 组建远程测控网络，进行基于t c p i p 协议的网络通讯。 2 3 4 系统的工作原理 在开始下位机系统的具体设计之前，先简要的介绍一下整个系统的工作原理。 下位机的测控部分完成对所控线路的交流信号的采集及处理、执行开关灯的具体 工作、通过l c d 和键盘对现场的参数进行测试和修改等任务，然后通过g p r s 模块 来完成和监控中心的通讯。当下位机系统启动后，测控系统就按照预先制定的软硬件 流程工作，同时将g p r s 模块登陆到g p r s 网络中，并和拥有固定i p 地址的监控中 心连接，在系统的运行过程中，始终保持这一连接不断开，一旦断开必须重新建立连 接，保证g p r s 模块“永远在线”。当要进行现场操作时，可以利用键盘和l c d 对内 存中的相关参数进行测试和必要的修改。 监控中心以固定i p 的形