（电工理论与新技术专业论文）储能电池组远程监控系统研究与设计.pdf

a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m r e q u i r e m e n to fi n d u s t r i a lc o n t r o lg r o w sr a p i d l y c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lw i r e d n e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m ，t h ew i r e l e s sn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p r s o v e r c o m e st h es h o r t c o m i n g so ft h eb i gi n v e s t m e n to fi n i t i a ln e t w o r k a n dt h e c o n s t r a i n t si ng e o g r a p h i c a l ，e n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i cc o n d i t i o n s ，i ts a v e sal o to f m a n p o w e r , m a t e r i a la n df i n a n c i a lr e s o u r c e s a tt h es a m et i m e w i t ht h ei n t e r n e t d e v e l o p i n g ，t h eg p r sw i r e l e s sn e t w o r ka n di n t e r a c tc o m b i n e dt oa c h i e v er e m o t e m o n i t o r i n gh a sb e c o m eah o tr e s e a r c hf i e l d i nm i sd i s s e r t a t i o n a no n 1 i n er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e r nb a s e do ng p r si s d e s i g n e dw h i c hi su s e dt om o n i t o rt h eo p e r a t i n gs t a t e so fl e a d a c i db a t t e r yg r o u p si n t e l e c o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o n sl o c a t e di nr e m o t ea r e a s t om e e tt h em a i n t e n a n c e n e e d so fb o t hl c a d a c i db a t t e r ym a n u f a c t u r e r sa n dt h eu s e r s t h ed i s s e r t a t i o n a n a l y z e da n dd e t e r m i n e dt h eo v e r a l ls y s t e md e s i g n es c h e m e u n d e rt h eg u i d i n g i d e o l o g yo fs c h e m e ，t h es y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：o n s i t ec o l l e c t i o nn o d e ， g p r st e r m i n a lu n i ta n dd a t am o n i t o r i n gc e n t e r , c l a s s i f i e da c c o r d i n gt of u n c t i o n t h e d e s i g no fe a c hp a r ti sw e l li n t r o d u c e db r o t hf r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e r ea r et w ok i n do fo n s i t ec o l l e c t i o nn o d e ，o n ei sv o l t a g e t e m p e r a t u r en o d e ， a n dt h eo t h e ri sc u r r e n tn o d e ，b o t ho ft h e mu s ec 8 0 51f 3 5 0a sc o r ep r o c e s s o rt ob u i l d u pt h ea c q u i s i t i o nh a r d w a r ep l a t f o r l t l t h ev o l t a g e t e m p e r a t u r ec o l l e c t i o nc i r c u i ta n d c u r r e n tc o l l e c t i o nc i r c u i ta r ep r e s e n t e d g p r st e r m i n a lu n i ta d o p t sp r o c e s s o r l p c 2l3 4 ( a r m 7 1a n dg p r sw i r e l e s sm o d e ms i m 3 0 0w h i c he m b e d d e dw i t h t c p i pp r o t o c o la st h ec o r ep a r tt ob u i l du pt h eh a r d w a r ep l a t f o r n l t h ee x t e r n a l i n t e r f a c ec i r c u i ta n dt h ed a t ac o m m u n i c a t i o np r o c e s so fs l m 3 0 0a r ei n t r o d u c e di n d e t a i l d a t am o n i t o t i n gc e n t e rd e v e l o p e db yv b 6 0s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m u s e sm i c r o s o rs q ls e r v e ra sb a c k e n dd a t a b a s e i i sa sw e bs e r v e r t h er e a l i z a t i o n o fs o c k e tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , d a t a b a s et e c h n o l o g ya n dw e b b a s e d d a t a b a s ea c c e s st e c h n o l o g ya r er e s e a r c h e d d a t am o n i t o r i n gc e n t e ra c h i e v e dt h e f u n c t i o no fd a t ac e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n dd a t ai n t e r n e tp u b l i s h i n gw i t ht h e a d v a n t a g eo fb sa r c h i t e c t u r e f i n a l l y , t h es y s t e mt e s t i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r i l lw a sc o n s t r u c t e dt o t e s tt h e p e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n a l i t yo ft h eo v e r a l ls y s t e m t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h e o n s i t en o d e sc a ng a t h e rt h ew o r k i n g s t a t ep a r a m e t e r so fl e a d a c i db a t t e r yw e l l ；t h e g p r sd a t ac o m m u n i c a t i o nl i n kb e t w e e ng p r st e r m i n a lu n i ta n dd a t am o n i t o r i n g c e n t e rw a sb u i l tu pf a s ta n ds t a b l e ；d a t am o n i t o t i n gc e n t e rr u n si ns t a b l e w i t ht h e b a s i cf u n c t i o n si nt e r m so fr e a l t i m ed a t a d i s p l a y , c h iv e ，r e p o r t ，a l a r ma n d i n f o r m a t i o nw e d p u b l i s h i n g k e yw o r d s ：g p r s ，r e m o t em o n i t o r i n g ，b sa r c h i t e c t u r e ，w e bt e c h n o l o g y l l 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 研究生签名： 菰宝莨 日期：垄u ! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：蔫i 交良导师签名： 日期：垄! 呈：乏 武汉理1 ：火学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着计算机技术的进步和通信技术的发展，特别是无线通信技术和i n t e m e t 网络通信技术的不断发展，无线通信技术和i n t e m e t 网络极大的促进了工业领域 及其它领域的网络化、自动化和信息化的发展。在工业监控领域，传统的监控 系统大多采用r s 4 8 5 4 2 2 、p r o f i b u s 以及c a n 等现场总线构成有线数据通信系 统。这种有线数据传输的监控方式针对现场分布不广、距离相距不远是经济适 用的，但是随着工业化的迅速发展，工业现场在地域上越来越分散，空间距离 上越来越大，且某些现场工作环境十分恶劣，要采集现场信息实现对分散的设 备进行状态监控以及设备的诊断维护【l 】，采用传统的有线监控方式在技术上和 经济上都不足取，因此对无线远程监控技术的需求日益突出。 2 0 0 0 年以来，移动通信技术和计算机i n t c 弦n e t 网络技术的快速发展是信息 技术发展的两大热点，尤其是以g s m g p r s c d m a 移动通信技术以及下一代 发展目标的3 g 技术为代表的无线通信技术的发展更是引人关注。其中已发展 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 ) 网络是在g s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n 全球手机通信系统) 网络的基础之上，主要新增两个节 点s g s n 和g g s n 而形成的无线移动分组数据网络【2 】。g p r s 的基本功能就是 在移动终端与计算机通信网络( 如e n t e m e t 网络) 的路由器之间提供分组数据传 递业务。g p r s 针对数据通信的特性对g s m 无线部分进行了改造，提高了无线 资源的利用率；骨干网部分吸纳了g s m 和m 技术的精华，不仅保留了良好的 移动性，又具备了i p 的灵活性。同时，g p r s 克服了g s m 电路交换型数据传 输速率低、资源利用率差的缺陷，也不像短消息那样无法适应大量数据应用而 仅适合于少量突发数据应用。g p r s 理论提供1 7 1 2 k b i t s 的传输速率，还具有 即时接入，网络覆盖面广，永远在线等优势，因此利用g p r s 无线网络构架资 源，可以为远程监控系统提供一种便捷的无线数据传输方案【3 】。 同时计算机i n t e m e t 网络及其相关技术的发展也极大地改变了工业监控方 式，使信息通信可以遍及全球。经过3 0 多年的发展特别是近1 0 多年的发展， 武汉理t 大学硕十学位论文 计算机i n t e m e t 网络在现代信息社会中的地位已不能由第二种方式取代。借助计 算机i n t e m e t 网络，企业可以从事各种各样的经营活动，人们可以访问全球信息、 娱乐和商务站点。计算机i n t e m e t 网络技术的发展使人类走进了信息时代，跨入 了网络社会，网络化使远程测量、远程信息反馈、远程控制成为可能。近年来， 基于i n t e m e t 网络的远程监控系统得到了设计人员的广泛重视，通过这种系统， 实现对分散在各地的设备进行监控，控制人员可以在i n t e m e t 网络的任意节点上 控制其他其他节点上的设备。而且随着i n t e m e t 网络技术的发展、成熟，相关技 术成本及运行费用也在不断的大幅度下降。因此，工业监控与计算机i n t e m e t 网络技术的结合将成为监控领域的一个新方向。i n t e m e t 信息网络正在把全球的 计算机网络、通信系统网络逐渐集成起来，这些都为远程监控提供了有利条件。 无线移动通信和作为信息时代主要信息载体的计算机i n t e m e t 网络技术，它 们的发展对工业自动化监控技术的冲击是必然的。现在，远程监控系统在信息 传输载体上不仅从有线方式发展到无线方式，同时在体系结构上从集中式、发 展到客户服务器( c s ) 方式到目前最新的浏览器服务器( b s ) 分布式，采用 b s 分布式用户无论在何时何地只需通过i n t e r n e t 使用w 曲浏览器便可和工业 现场进行通信，进行远程监控和故障诊断。这种基于b s 体系结构的无线远程 监控技术目前在石油输送管道监测、电网运行监测、桥梁隧道监测、交通实时 调度等领域都得到了应用，成为工业监控领域的研究热剧4 1 。这种远程监控系 统可以有效的提高工作效率和管理质量，提高系统管理层决策，把握全局事件 和处理能力；增强与办公自动化系统和信息管理系统之间的数据交换能力；尤 其应用与工业系统监控站点的w e b 页面，可将各现场子系统的实时信息有机的 组合起来，相应各控制浏览器的请求，把集成信息传递到需要的地方，控制人 员通过信息导航和分析，可快速做出决策，并对整个系统进行优化控制，以达 到高效、经济、节能、协调的系统运行状态。 本课题是根据蓄电池制造商售后远程维护和服务的实际需要提出的。对于 出售给网络和电信运营商作为通信基站的备用电源的蓄电池，长期处于无人监 测的状态，使用过程中可能出现如下问题：( 1 ) 因过充电或过放电缩短蓄电池组 的使用寿命；( 2 ) 单体蓄电池的故障引起整个蓄电池组使用效率的下降。通过对 蓄电池组运行状态进行实时在线监控，记录和分析蓄电池组运行参数，可实现： ( 1 ) 避免电池组过充电或过放电；( 2 ) 对蓄电池组进行预先维护和维修，提高电源 系统的可靠性。然而由于各个通信基站之间分布广泛，有的基站可能地处偏远 2 武汉理一i ：人学硕十学位论文 的高山之上，环境恶劣，长期处于无人职守的状态，传统的维护方法是维护人 员定期的到各个基站检查各个蓄电池的运行状态，这种方法对实现蓄电池组的 有效维护和预见故障效果微弱，且花费了大量的人力、物力和财力。因此采用 基于w 曲方式的无线远程监控系统实现对蓄电池组的运行状态的在线实时远程 监控，可以有效预测、诊断各个蓄电池的工作状态，提高工作效率，大大降低 了蓄电池制造商售后维护成本，实现了基站备用电源的高可靠性。 1 2 监控系统的发展现状及问题 进入现代工业社会以来，人们更加迫切的需要了解自身环境的变化情况， 特别是在科学实验和工业生产过程中，一方面需要对描述被控对象特征的某些 参数进行“检测”或“监测 ，获得表征它们的有关信息，以便对被测对象进行 定性了解和定量掌握；另一方面根据检测的结果采用一定的策略去“控制 描 述被控对象特征的某些参数，稳定、快速、准确的达到人们预想的目标，监测 的目的是为了更好的控制，控制的结果需要监测的检验，这种反馈的系统被称 为监控系统。进入2 l 世纪，随着自动化技术、计算机技术、通信技术的迅速发 展，监控系统发生了深刻的变革，正向着数字化、网络化和综合自动化方向发 展【5 1 ，在实现各种最优控制和经济指标、保证生产的质量和产量、提高经济效 益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保证生产安全、保护环境等方面 发挥着越来越巨大的作用。 在监控系统发展的历程中，生产过程的检测需求、控制理论的开拓以及监 测技术工具和手段的进展三者相互影响、相互促进，推动了监控系统的不断的 向前发展。早期的监控系统是一种人工的非实时、非在线的监控方式，而现在 的监控系统则是一种实时在线的监控方式，通过借助于通信技术、计算机技术、 i n t e r n e t 网络，用户可以依靠安装在现场的各种信号采集设备，通过有线或无线 的方法将信息传输到监控中心，实时的对现场设备进行监控与诊断【6 1 。纵观监 控系统的发展历史大致经历了以下几个阶段： 2 0 世纪4 0 年代，大多数工业生产设备均处于手工操作状态，只有少量的 检测仪表用于生产过程，操作人员主要根据观测到的反映生产过程的关键参数， 凭经验或简单的分析用人工的方式来改变操作条件，这个过程包含了很多的人 为误差因素，这是最原始的方式。 武汉理f ：人学硕士学位论文 2 0 世纪4 0 年代术至5 0 年代，部分产生设备实现了仪表化和局部自动化。 在这期间，监控系统的结构多为单输入、单输出系统，即对温度、压力、流量、 液位等参数为监测变量的简单控制系统，这时的监控系统普遍采用的是基地式 仪表和部分单元组合仪表，以反馈控制为代表的经典控制理论为广泛应用于这 时的监控系统。 2 0 世纪5 0 年代末到7 0 年代，随着工业生产规模的扩大，先后出现了电子 管、晶体管、集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪表两大系列，这时的 监控系统通常以双绞线为传输介质，信号被送到集中控制室( 通常成为仪表室 或机房) 后，操作员可以坐在控制室内观察各个生产设备的工作状态参数。由 于单元组合仪表具有统一的输入输出信号标准，在此阶段的监控系统可以根据 生产设备需要，将各种功能单元进行组合，完成各种复杂系统的监控。 2 0 世纪8 0 年代初，计算机、微处理器和并行处理技术的发展，使得依靠 一对一物理连接的模拟信号的监控系统在速度和数量上越来越无法满足大型、 复杂系统的要求，模拟信号的抗干扰能力也相对较差，人们开始使用数字信号 代替模拟信号，并研制直接数字监控系统，用数字计算机来代替控制室的所有 仪表，于是出现了集中式数字监控系统。这样，解决了信号传输及抗干扰问题。 由于当时的数字计算机的可靠性还不够高，一旦计算机出现某种故障，就会造 成监控系统崩溃。 随着计算机可靠性的提高和价格的下降，监控系统出现了新型的监控方案 集散式监控系统。当一台监控计算机处理出现故障，其他计算机立即接替 该计算机的工作，使整个监控系统继续正常运行。在集散监控系统中风险被分 散到多台计算机承担，避免了集中监控系统的高风险，提高了系统的可靠性， 因此，它被工业生产过程广泛接受。但是在这种集散监控系统形成的过程中， 由于受早期计算机发展的影响，各厂家的产品自成封闭体系，即使同一中协议 下仍然存在不同厂家的设备有不同的信号传输方式且不能互联的现象，因此实 现互换与互操作有一定的局限性。 2 0 世纪末，信息技术飞速发展。现场总线监控系统的出现，引起了监控系 统体系结构和功能结构上的重大变革。它突破了集散式监控系统中通信有专用 网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基 于公开化、标准化的解决方案，即可以将来自不同厂商而遵守同一协议规范的 自动化设备通过现场通信网络连成系统，实现自动化监控系统的各种功能。 4 武汉理工大学硕士学位论文 进入2 1 世纪初，生产全球化的发展，生产现场在地域上发布越来越广，空 间上相距越来越远，如果采用传统的有线网络监控系统，种方式在网络铺设上 投资巨大，受空间距离限制，各监控点之间的距离越远铺网的投资就要上升， 需投资大量的人力、物力和财力，而且在有些工作环境特别艰苦的行业很难普 及发展。同时目前国内的监控系统主要是基于现场的控制系统，内部个相关控 制系各成体系，没有充分利用现有网络资源。如何将现有的控制策略与网络技 术结合起来实现远程监控，使控制系统具有更好的分布性及可操作性，将是否 能很好实现管理与控制一体化的关键【7 羽。然而随着无线通信技术和计算机网络 技术的迅猛发展，将无线通信网络和计算机i n t e r n e t 网络相结合组成新型的基于 w e b 的无线网络化监控系统逐渐成为监控研究领域的热点。这突破了传统监控 系统在地域上及体系结构上的限制。 目前无线通信网络的实现主要有两种实现方案：一种是单独构建私有无线 网络，另一种是利用现有的公网g s m 。第一种方案需要自己进行网络构建包括 传输设备、中继站和传输协议的制定等，工作量非常大、成本也非常高，因此 可行性比较差。第二种是直接利用用现有的g s m 网络实现，这类监控的通信 方式依托遍布全球的g s m 网，利用构架于g s m 网络的g p r s 数据业务接入 i n t e m e t 进行数据通信，它的最大特点是打破了距离的限制，可实现全国乃至全 球监控【9 1 。g p r s 技术传输速度快，永远在线，用g p r s 技术实现的监控系统实 时性强、安全可靠、按流量计费经济、合理。利用g p r s 进行远程监控，既避 免了构架开发新的无线频率资源，又开辟了远程监控的新领域。该系统具有网 络覆盖范围广、系统抗干扰能力强、通信速度快、通信误码率低等优点，完全 利用g p r s 移动通信网络，建设和运行成本低。随着g p r s 网络技术的不断发 展，构筑在g p r s 网上的无线监控系统必然能与移动通信技术的发展同步，因 而具有广阔的前景【l o 】。 而基于w e b 的远程监控系统是随着网络技术的飞速发展，特别是i n t e m e t 的发展，以及与自动化技术的相结合应运而生的。随着w w w 的迅猛发展，基 于w e b 的应用由于其良好的开放性和可操作性越来越受到欢迎，浏览器服务 器( b r o w s e s e r v e r ，b s ) 模式业已成为当今软件开发的重要方面。通过使用现 场无线或有线监控网络挂接i n t e m e t 的方案，让使用者可以通过浏览器来实现远 程的监控，提高数据的共享性。同时，是可以实现客户端程序的“零”安装， 便于维护和管理，这时所有的数据交互，传递功能均在w e b 服务器完成【。2 1 。 武汉理工人学硕士学位论文 目前美国华盛顿大学谈自忠教授在实验室已经研制出基于w e b 的机器人远 程监控系统，并在基于网络监控的无人工人及具有危险性的场合开始初步使用。 值得提的是，p a u lgb a c k e s 等建造的w i t s ( w o r l di n t e r g r a t e dt r a d es o l u t i o n ， 世界集成贸易方案) 系统，分布在美国各州的美国宇航局专家使用该系统进行 火星探路者的状态监测和任务规划与控制。国内的一些高校和企业也进行了积 极的研究。合肥工业大学提出了将i n t e r n e t 技术与现场监控系统结合起来，从而 形成一种新的基于w e b 模式的工业信息监控系统。西安交通大学开发的基于 i n t e r n e t 的快速成型和快速加工技术，只要用户安装w w w 浏览器，就可以通 过h t t p 获得远程服务部( t e l s e r v e r - b u r e a u ，t s b ) 在先技术支持和数据交换。 比如提供3 dc a d 文件和物理模型，加工测试数据反馈给t s b 等。现在，基于 w 曲的远程监控系统已经投入到很多实际应用领域，如深海探测、井下作业和 空间探测等，并取得很的经济效益，其应用前景十分广阔。 1 3 课题的主要研究工作 针对通信基站备用电源蓄电池组运行状况，设计和研究了一套基于g p r s 技术的储能电池组远程监控系统。该系统采用g p r s 方式实现现场监控网络与 i n t e r n e t 网络的互联，并以w e b 方式实现数据的网络发布。以下为本文的主要 工作。 ( 1 ) 分析远程监控多种实现方案，选择g p r s 技术作为无线数据通信方式。 ( 2 ) 完成现场数据采集节点和g p r s 通信终端的硬件和软件设计， ( 3 ) 对系统应用层通信协议进行研究和设计，实现蓄电池运行状态参数数 据的采集以及和数据监控中心之间数据的接收与上传。 ( 4 ) 对数据监控中心体系结构进行研究，完成数据监控中心的软件平台开 发，采用基于w e b 的b s 体系结构的信息发布方案，支持授权用户在i n t e r n e t 环境下通过浏览器浏览以w e b 方式发布各个被监控蓄电池的运行参数。 根据课题的主要研究工作安排论文结构如下： 第1 章简述了课题研究的背景及意义，介绍了远程监控系统的发展现状及 问题。 第2 章对系统的总体设计方案进行了介绍，并阐述了系统的工作流程，且 对从阀控铅酸蓄电池的特性及g p r s 相关技术对系统的相关技术背景进行了简 6 武汉理工人学硕士学位论文 要介绍。 第3 章对系统的硬件进行了设计主要有：( 1 ) 现场采集节点的硬件设计， 包括电压温度采集节点和电流采集节点的设计( 2 ) g p r s 站点终端的硬件设计。 第4 章对系统的软件进行了设计，包括电压温度采集节点软件设计，电流 采集节点软件设计，g p r s 站点终端软件设计以及数据监控中心的软件平台设 计。 第5 章搭建远程监控系统测试实验平台，通过测试验证系统的设计。 第6 章对全文进行了总结并给出了课题的进一步研究展望。 7 武汉理j 1 = 大学硕士学位论文 第2 章储能电池组远程监控系统总体方案设计 2 1 系统总体方案设计 2 1 1 远程监控系统技术需求 本储能电池组远程监控系统受蓄电池制造商委托而设计研发，其提出的相 关技术指标需求如下： ( 1 ) 对各个单体蓄电池的电压、温度和工作电流进行监测，电压值要求保 留到小数点后三位，误差2 0 m v ，温度值要求保留到小数点后两位，误差 0 1 a ，电流值要求保留n d , 数点后两位，误差1 ； ( 2 ) 系统应具有蓄电池参数的历史数据、曲线的查询及报表功能： ( 3 ) 系统应具有对蓄电池过充电进行断电控制和报警； ( 4 ) 系统应具有对蓄电池运行状态自动诊断功能，提供维护建议报告； 2 1 2 总体设计方案比较与选择 ( 1 ) 数据传输方案 由于通信基站分布范围广，每个通信基站之间又相距一定的很长的距离， 如果采用传统的有线数据传输的监控方式实现对每个基站的备用紧急电源蓄电 池组参数的传输，即每个通信基站都需要一根电缆或光缆与数据监控中心通信， 一般通信基站分布范围遍及全国甚至全球，在实现上基本上是不可行的。因此 采用无线的方式实现对各个蓄电池参数的数据传输是可行之策。在绪论中已经 介绍，无线数据传输网的实现目前有两种方式，一种是自己构架私有无线网络 包括传输设备、中继站和传输协议的制定等，工作量非常大、成本也非常高， 且稳定性都比较差。第二种就是直接利用现有g p r s 无线网络构架无线远程监 控系统，实现数据的无线传输。由于g p r s 技术已经比较成熟，网络遍及全球， 使用成本低，且性能优良。因此毫无疑问就目前而言，选择使用基于g p r s 的 无线网络实现远程数据传输是最好的方案。 ( 2 ) 数据监控中心体系结构方案 武汉理j ：火学硕十学位论文 数据监控中心的体系结构随着计算机网络和数据库技术的发展，网络环境 中的数据库体系结构和应用环境也在不断的发展。目前应用体系结构主要有终 端主机( t e r m i n a l m a i n f r a m e ) 结构、文件服务器结构( f i l e s e r v e r ) 、客户机 服务器结构( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 及浏览器朋艮务器结构( b r o w s e r s e r v e r ，b s ) 【1 4 】。终端主机结构由于硬件选择有限，硬件投资得不到保证，已被逐步淘汰。 文件服务器模式只适用小规模的局域网，对于用户多、数据量大的网络就会产 生网络瓶颈，特别在互联网上不能满足用户要求。因此本数据监控中心应用系 统开发平台的体系结构主要考虑c s 结构和b s 结构。 c s 体系结构将负责网络应用和用户界面相分离，将大量的数据运算交给 了后台去完成，提高了用户交互反应的速度；应用开发简单，对网络数据库的 应用起到了较大的推动作用。但是随着信息技术的发展，c s 体系结构暴露出 一些问题。由于c s 结构中客户端同时承担了表达逻辑和业务逻辑两部分功能， 两者之间界限不明显，无论在功能划分上还是具体程序表现上，两个层面往往 交织在一起。因而客户端需要安装大量的软件，机器需要较高的配置，客户端 维护频繁，系统的鲁棒性下降，用户也需要进行专门的培训才能操作。这样， 运行成本一直呈上升趋势，从某种程度上限制了应用范围。而且随着信息管理 的复杂化、网络系统的高度化发展，其逐渐显示了它的局限性。 b s 体系结构有三个部分组成：浏览器、w 曲服务器和数据库服务器。由于 c s 结构的上述不足，在传统的c s 结构的中间加上一层，把原来客户机所负 责的功能交给中间层来实现，这个中间层即为w e b 服务器层。这样，客户端就不 负责原来的数据存取，只需在客户端安装浏览器即可。基于b s 模式的结构将 w 曲与数据库相结合，形成的基于数据库的w e b 计算模式，并将该模式应用到 i n t e m e t 或i n t r a n e t 中，最终形成了三层客户一服务器应用结构，三层结构将应 用系统的三个功能层面进行了明确的分割，使其在逻辑上各自独立。相对c s 结构而言，采用b s 结构是一次深刻变革，它具有如下突出特点： 1 ) 客户端不再负责数据库的存取和复杂数据计算等的任务，只需要其进行 显示，充分发挥了服务器的强大作用，这样就大大降低了对客户端的要求，降 低了投资和使用成本。 2 ) 易于维护、升级。维护人员不再为程序的维护工作奔波，而把主要精力 放在服务器功能上。由于用户端无须专用软件，当企业对网络应用进行升级时， 只需更新服务器端的软件，减轻了系统维护与升级的成本与工作量。 9 武汉理一i ：人学硕士学位论文 3 ) 用户操作使用简便。b s 结构的客户端只是一个提供友好界面的浏览器， 通过鼠标编辑可实现远程控制，用户无须培训便可直接使用，利于推广。 4 ) 易于实现跨平台的应用，解决了不同系统下不兼容的情况。 因此通过对c s 结构和b s 结构的优缺点比较，最终选择了b s 体系结构 作为数据监控中心的开发体系结构。 ( 3 ) 系统结构图 储能电池组远程监控系统的结构如图2 1 所示。g p r s 站点终端通过r s 4 8 5 总线与现场采集节点通信，数据监控中心通过i n t e m e t 网络和g p r s 无线网络和 g p r s 站点终端通信。 g p r s 站点终端2 li 堡! 竺竺兰! r s 4 8 5 总线l 电流采集节点 电压温度 采集节点1 电压温度ii 电压一温度 采集节点2li 采集节点1 1 图2 1 储能电池组远程监控系统结构图 2 1 3g p r s 无线网络应用系统构架设计 应用g p r s 无线网络实现数据传输的组网方案很多，在实际应用中可以使 用公网静态i p 、动态域名解析、a p n 专线接入、s m s 通讯等组网方案【1 3 1 。用 户应根据需求和实际的条件和应用环境的不同，选择合适的方案进行网络构架。 ( 1 ) 系统g p r s 无线网络构架方案介绍 方案一：数据监控中心采用终端接入获得动态口，使用注册服务器协助数 1 0 武汉理一i ：人学硕士学位论文 据监控中心与数据采集移动终端建立通信。 s g s n 主要负责移动终端和g p r s 网络之间的通信，并记录移动终端当前 的位置信息。g g s n 在g p r s 网络和外部分组数据交换网例如( m 、x 2 5 之间) 起网关的作用，它将从外部网进入的分组路由到正确的s g s n 上以便到达指定 的移动终端。所有的数据采集移动终端m s 使用动态i p ，在拨号上网成功后必 须将获得的动态口向注册服务器进行注册，数据监控中心则从注册服务器上获 得数据采集移动终端m s 的i p 地址，从而实现数据监控中心至数据采集移动终 端m s 的下行通信。数据采集终端接收到数据监控中心的包后，从头中获得数 据监控中心的口地址，从而实现上行通信。系统g p r s 无线网络构架方案一如 图2 2 所示。 图2 - 2 系统g p r s 无线网络构架方案一 该方案注册服务器使用公网固定口或公网动态口+ d n s 解析服务，用来协 助通信双方建立连接，若中途m s 因某种原因掉线重拨导致i p 地址改变，则在 注册服务器的协助下可以重新建立通信。由于除了下行通信建立阶段外，其它 的数据传输全部在g p r s 网络内部进行，因此该方案具有安全性高，时延小特 点。该方案采用公网上的注册服务器协助建立通信，费用较低，在价格方面有 利于g p r s 无线数据传输系统业务的推广。但由于数据监控中心采用终端拨号 上网，带宽较小，使得本方案比较适合于轮询方式的小批量数据传输。 方案二：数据监控中心采用移动a p n ( a c e sp o i n tn a m e ) 专网固定讲。 该方案需向移动运营商申请a p n 专网业务，移动运营商分配专用的a p n ， 通过绑定的a p n 专用s i m 卡以获得使用a p n 业务。获得a p n 后，可以给数 据监控中心和数据采集移动终端m s 分配g p r s 网络的固定内部口。由于申请 武汉理r 大学硕士学位论文 到固定i p ，该方案无需注册服务器协助建立连接，减少了中间环节，稳定性加 强。此外所有数据都在的内网传输，无需通过公网，安全性增强而且此方案无 需负担公网月租费及a p n 专线月租费。系统g p r s 无线网络构架方案二如图 2 3 所示。 图2 - 3 系统g p r s 无线网络构架方案二 与方案一相比，由于数据监控中心采用g p r s 无线接入，带宽还是比较有 限，且费用显然比方案一要高，在条件允许的情况下使用本方案在性能上如系 统的稳定性、安全性、传输效率等要比方案一好很多。 方案三：数据监控中心宽带接入i n t e m e t 公网，使用公网静态i p 或公网动 态i p + d n s 解析服务。系统g p r s 无线网络构架方案三如图2 - 4 所示。 图2 - 4 系统g p r s 无线网络构架方案三 该方案由于数据监控中心采用宽带接入，因此相比前两个方案带宽要大很 多，系统能够扩展较多的数据采集端m s ，提高系统容量。但数据传输需要经 1 2 武汉理一i ：大学硕士学位论文 过g p r s 网络和n 锄e t 公网，数据传输质量受到公网情况的影响，并且延时加 大，而且公网上的数据传输安全性显然较差。因此本方案适合数据点比较多， 对安全性和实时性要求不是非常苛刻，而预算经费又有限的多数据点远程监控 系统。 方案四：a p n 专线接入，拥有固定移动内部口地址。系统g p r s 无线网 络构架方案四如图2 5 所示。 图2 5 系统g p r s 无线网络构架方桑四 数据监控中心通过数据专线方式直接接至移动运营商g p r s 网络的g g s n 上。移动运营商为用户分配专用的a p n ，并将信息存储于g g s n 上，从而在数 据监控中心和数据采集移动终端m s 之间构成一条无线虚拟专线( v p n ) 通道。 该方案和前面三个方案相比，该方案在安全性、实时性和稳定性上都有很 大的优势，适用于对安全性要求很高，实时性要求很高的应用系统。 ( 2 ) 系统g p r s 无线网络构架的确定 对系统无线网络构架的确定一般考虑的因素有：成本、网络容量、通信延 时、安全性等。表2 1 是上述四种方案在这几个方面的性能对比。 表2 1 四种g p r s 无线网络构架对比 要素 网络容量通信延时成本安全性 方案 方案一小小低一般 方案二小小 中等较高 方案三大稍大 最低低 方案四大小高高 本课题研究的应用背景是远程监控通信基站的蓄电池的工作状态，由于需 武汉理下大学硕+ 学位论文 要监控的蓄电池的数量可观，所以对网络的容量有一定的要求，同时成本也是 一个考虑的重要因素，所以综合考虑方案三是一个比较折中的方案，虽然方案 三通信延时可能稍大一点，但是还是在可以接受范围之内。 2 1 4 应用层通信协议的设计 应用层通信协议设计是指为整个系统所有的设备制定一个都能遵守并理解 的通信标准，就如国际会议大家都选用英语作为交流语言一样。本系统采用 m o d b u s 协议作为系统应用层数据通信的载体【1 5 。16 1 。m o d b u s 协议是应用于电子 控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络( 例 如以太网) 和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。利用m o d b u s 协议，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。 ( 1 ) g p r s 站点终端和采集节点通信帧协议 g p r s 站点终端和现场采集节点采用r s 4 8 5 总线进行通信，g p r s 站点终 端通过r s 4 8 5 总线发送符合m o d b u s 协议的节点参数采集帧，节点参数采集帧 格式如图2 6 所示，功能码0 4 。 地址码 址高位址低位数高位数低位 图2 - 6 节点参数采集帧 当现场采集节点接收到该采集帧时，先截取该数据帧的第一个字节a 与本 节点的地址码相比对，如果发现该数据帧是发给自己的，接着再对该数据帧的 前5 个字节进行c r c 计算，然后与该数据帧的最后两个字节的c r c 校验位进 行比对，如果c r c 校验正确，则将要采集的参数通过节点参数答应帧回发送给 g p r s 站点终端，否则直接丢弃该节点参数采集帧，不做任何回应动作。节点 参数答应帧格式如图2 7 所示，功能码0 4 。 l o w h i g h 二 f 工亘工玉丑至 二二丘 互工互 节点 功能码字节数一、_crc检验 地址码 有效蓄电池参数 图2 - 7 节点参数答应帧 1 4 武汉理工：大学硕十学位论文 当g p r s 站点终端接收到节点参数答应帧，对该数据帧进行c r c 校验，如 果c r c 校验通过，则根据该数据帧的第一个字节a 节点地址码将该数据帧中 有效蓄电池参数拷贝到内存开辟的参数数据池，按照“蓄电池的编号+ 电压值+ 电流值+ 温度值+ 采集时间 存放到参数数据池对应的分配位置；否则丢弃该返 回的节点参数答应帧。由于现场采集节点分成两种，一种是电压温度节点，一 种是电流节点，它们各自对应的节点参数答应帧中的“有效蓄电池参数”排列 不同。对于电压温度节点，“有效蓄电池参数”排列是前四个字节为电压值， 后两个字节为温度值；对于电流节点，前两个节点为无效的空值0 0 ，后四个电 流值。 ( 2 ) g p r s 站点和数据监控中心通信帧协议 当g p r s 站点终端和数据监控中心建立s o c k e t 通信连接后g p r s 站点终端 向数据监控中心发送第一帧数据：g p r s 站点终端i d 注册数据帧，该数据帧的 格式如图2 8 所示，功能码f f 。数据监控中心接收到该数据帧，完成对该g p r s 站点终端的注册。 l o w h i g h 团j 习二 臣二臣i 三 站点功能码c r c 检验 图2 - 8d 注册数据帧 g p r s 站点终端成功在数据监控中心注册后，数据监控中心根据设定的蓄 电池参数查询模式周期性的向g p r s 站点终端发送的站点参数查询帧，该数据 帧的格式如图2 - 9 所示，功能码0 4 。 l o w h i g h 至r 臣可j 丑f 工正 站点功能码起始地起始地寄存