（电气工程专业论文）基于gprs的农村电力线防盗报警系统的设计与实现.pdf

重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a e t t h er u r a lp o w e rl i n e sh a v et h ec h a r a c t e r so fs e p a r a t e dd i s t r i b u t i o n , s oi ti sa l w a y s b e i n gs t o l e nr e c e n t l y , w h i c hn o to n l yc a u s e sg r e a te c o n o m i cd a m a g et ot h eg o v e r n m e n t a n do r g a n i z a t i o n , w i t l li n t e r f e r i n go r d e r so fs e r i o u s l y , b u ta l s od e s t r o y st h es a f e t yo f e l e c t r i cn e t w o r ka n dt h ea c h i e v e m e n t so fr u r a lp o w e rl i n e sr e f o r m e d t h u sh o wt o v a l i d l yp r o t e c tt h er u r a lp o w e rl i n e sf r o mb e i n gs t o l e nf a s ta n dr e l i a b l y , w h i c hh a s b e c o m ca ni m p o r t a n tt o p i ci nt h ee l e c t r i cn e t w o r km a n a g e m e n to f o u rc o u n t r y b a s e do n s u c hp h e n o m e n a , t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e lt h e f t - p r e v e n t i n gm e t h o db a s e do i lg p r s n e t , t h es y s t e mo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n di t sr e a l i t 口t i o nt h a ta 托d i s c u s s e di nd e t a i l 矗d m t h ee n g i n e e r i n gp o i i l to fv i e w a n dt h es y s t e mi sc o m p o s e do ft h r e ep a r t s ：l o c a l e m o n i t o r i n gu n i t s ，m a n a g e m e n tc e n t e ra n dm o b i l et e r m i n a lp o i n t l o c a l em o n i t o r i n gu n i t sp l a c e so np o w e rl i n e s ，w h i c ha d o p t sr u r a lp o w e rl i n e s c a r r i e rw i i v i ：c o m m u n i c a t i o nt om o n i t o rt h es t a t e so ft h e m t h e nl l s e sg p r sn e tt o t r a n s f e ri n f o r m a t i o no fa l a r m s ，a tt h es a n l et i m ea c c e d et oh e a ti n f r a r e di n d u e t i o na n d t a k i n gp h o t o g r a p h sm o d u l e s ，s ob st o 口l s u r et h es a f e t yo f t h ew h o l es y s t e m m o b i l et e r m i n a lp o i n t ，勰p a l r o l l i n gl i n e sl 把, r s o n sh a n d s e t , s c c $ t or e c e i v ee v e r y s h o r tm a s s a g e si n c l u d i n ga l a r m s ，o r d e r so fp a t r o l l i n gl i n e sa n ds oo ns e n tb yl o c a l e m o n i t o r i n gu n i t sa n dm a n a g e m e n tc e n t e r m a n a g e m e n tc e n t e ri st h ec o m p u t e r sp l a c e df o rr t m l l i n gd e p a r t m e n t s ，w h i c hi , i 船s v i s u a lb a s i c 6 0e x p o r t e rb ，m i c r o s o f ta st o o la n ds q ls e r v e r 2 0 0 0a sd a t a b a s e m a n a g e m e n ti nb a c k g r o u n d , s t i m u l ig a t h e r sa n dm a n a g e st h ei n f o r m a t i o no fl o c a l e m o n i t o ru n i t s ，勰w e l l 瑟s u p p l i e sf u n c t i o nf o rm o n i t o r i n ge a c hp o 硫a n dd a t a m a n a g e m e n tf o rm i s s i o n a r i e s t h i ss y s t e mi ss u i t a b l ef o rt h e f t - p r e v e n t i n gi nd i s t r i b u t e dr u r a lp o w e rl i n e sa n d c o m m u n i c a t e sw i t hm a n a g e m e n tc e n t e ra n dm o b i l et e r m i n a lp o i mi m m e d i a t e l y , a tt h e s a l n ct i m ep r o v i d e sc o m p l e t e rp l a nf o ra u t o m a t i cc o n t r o lo f r u r a lp o w e r 鲥d m o r e o v e r , t h em e t h o dp r o p o s e si nt h i sp a p e rc a na l s ou 舱i no t h e rs u p e r v i s i o ns y s t e m s s oi th a sa w i l ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e y w o r d s = g p r sn e t ；p r o t e c t i n gr u r a lp o w e rl i n e sf r o mb e i n gs t o l e n ；r u r a lp o w e rl i n e s c a r l i e l w a v ec o m m u n i c a t i o n ；i n f o r m a t i o na l l e m a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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，也不包含为获得重鏖太堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名：j 昆纠毋 签字日期：仞吖年z 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：彻 导师签名： 签字日期：v 俨c 月p 日 闰中 签字日期：矿叩7 年z 月严e t 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 近年来，随着有色金属价格的上涨，使得盗割运行中的电力架空线以及电力 变压器的事件时有发生，而且有越演越烈之势。电力线或变压器被盗，不仅使电 力系统遭到破坏，电力物资和设备遭受损失，更严重的是它会使部分用电地区停 电，影响人们正常的工作、生活和学习，造成一定的精神损失，使部分工厂停工， 造成经济损失，甚至还有可能带来政治上的影响，后果是无法估计的。 由于盗窃电力设备的事件时常发生，使得电力部门以及各科研机构行动起来， 关注并研究预防电力设备被盗的方法。低压架空导线广泛分布于农村地区，相当 一部分位于偏僻地域，电压相对较低，导线的回收价格较高，加之农村用电用户 相对较少，必然造成电力线路在很长的一段距离上没有居住人口，使得电力线路 被盗割的可能性加大，更严重的变压器整台被盗的情况也时有发生。低压导线被 盗后直接造成停电，影响正常供电，因盗窃停电发生的产品报废，死鱼死虾的情 况屡见不鲜，更严重的是断电后电源直接接触地面，如保护开关失灵，则危及人 身安全。因此，在目前警力和治安人员相对缺乏的情况下，如何加强配电网自身 的防盗能力，至关重要。 1 2 电力线防盗研究意义及研究现状 农村供电具有环境复杂、点多面广、负荷分散等特点，长期以来，由于受到 农电管理体制、投资体制以及农村电网处于大电网末端等因素的影响，农村电网 在建设发展、技术装备和供电能力等方面的整体水平显得比较落后。鉴于农村电 网的现状，近年来盗窃农村电力线的犯罪案件屡有发生，不仅给国家和集体经济 造成重大损失，严重干扰供用电秩序，而且破坏电网安全和农村电网改造成果l l j 。 目前的农村电力线防盗方法有：农村供电企业采取专业职守人员巡查、地下 敷设、采用电子仪器进行监测保护等。 ( 1 ) 专业职守人员巡查 这是电力部门最初在人员充足，电力线路有限并且技术力量不强的情况下采 取的一种防盗方式。在一定的电力覆盖范围内，电力部门指派专业职守人员对该 区域的电力线路及其他设备进行巡视，发现盗窃事件时，给出警示并上报保卫部 门。这种方法起到了一定的防盗保护作用。但随着生产力与科学技术的不断发展， 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 它暴露出很多不足。电力网络在不断的扩展，电力线路快速地增加，劳动力成本 也在增长，在这种情况下，利用增加专业职守人员的方法加强电力线路防盗监管 的力度，将只能导致事倍功半的结果。 ( 2 ) 地下敷设 把供电电力线套上保护用的硬塑管或穿在混凝土排管中埋敷于地下，由于地 下电力线有很好的隐蔽性和保护性，可起到很好的防盗作用。但埋敷地下电力线 工程量大，成本高，检查维护不便，因此只常用于农村大用户。 ( 3 ) 采用先进工艺 目前，电力系统的电力线杆、构架、拉线( 拉线棒) 等设施主要采用螺柱与 螺帽结合固定，防盗效果并不理想。文献1 2 】在传统工艺螺柱和螺帽进行固定基础上， 用一种不饱和树脂与无机填充料，将导拉棒( 或拉线、螺帽) 等电力设施浇固起 来，以达到耐锤、耐砍、耐锯的目的。但是这种方法也仅用于对被动的电力线防 盗的一种补充措施，不能从根本上解决问题。 ( 4 ) 电子仪器检测报警保护 该种方式是在电缆上装设检测报警仪器，当电缆被剪断时，仪器发出报警信 号通知有关人员及时制止盗窃行为并抓捕犯罪分子，以达到保护电力线路的作用。 目前电子仪器检测技术方法主要有下面几种。 电压电流检测法 电压电流检测法就是通过检测电缆是否带电来判断电缆是否被盗割的一种方 法。此种方法简单可靠，但只适用于长期通电的电缆。检测电缆是否带电的电路 多种多样，实施方案针对不同的系统与实际情况而有所不同。图1 1 表示出了一种 利用电压电流检测方法的电缆防盗报警系统的解决方案。 图1 1 基于电压电流检测的电缆防盗系统示意图 f i g1 1s t r u c t u r eo f at h e f t - p r e v e n t i n gs y s t e mf o rr u r a lp o w e rl i n e sb a s e do nt h ev o l t a g e c t u r e n t d e l e c t i o r l 2 重庆大学工程硕士学位论文l 绪论 从图1 1 可以看出，系统通过继电器i c 检测供电电缆上的电压电流值，当电 缆被盗割时，电缆失去电压电流，继电器i c 动作，从而达到检测电缆盗割事件的 发生作用。 电容探测法 该探测法是利用一对空置的电缆，将终端短路，始端接于报警器的多谐振荡 器上，如图l ，2 所示。 罩二岿 一 图1 2 电容检测法示意图 f i g1 2s t r u c t u r eo f c a p a c i t a n c ed e t e c t i o n 当电缆正常时，振荡器不起振，没有信号输出。当电缆被盗剪时，控制的电 缆成为一个电容，且容量的大小与被剪的位置有关，被剪位置不同，振荡器输出 的信号频率也不同，利用单片机对输出的方波脉冲进行计算，可准确测知被剪方 位。从其原理上可以看出，该种方法需要一对额外的空置电缆，加大了架线成本， 并且，如果盗窃电缆时没有剪断这对空置电缆，将造成漏报。 微波感应探测法【习 该方法是利用微波感应原理，感应有效范围内的移动物体并取得信号，进而 告知监控人员可能发生盗窃的杆塔或线路的具体信息，其构成如图1 3 所示。 图1 3 微波感应法结构图 f i g1 3s 加l c t l 睇o f m i c r o w a v ei n d u c t i o n 3 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 微波感应器又称微波雷达，利用电磁波的多普勒原理设计而成。任何电磁波 都具有反射特性，当一定频率的电磁波碰到阻挡物时，就会有一部分电磁波被反 射回来。如果阻挡物是静止的，反射波的波长就是恒定的；如果阻挡物向波源运 动，则反射波的波长比波源的波长短；如果阻挡物向远离波源的方向运动，则反 射波的波长比波源的波长要长。波长的变化意味着频率的变化，微波感应器基于 此原理，通过感应反射波的变化来判断有无运动物体逼近或远离波源。 微波感应法与电缆没有直接接触，并不判断电缆是否断电，将该装置安放在 杆塔上，通过微波方式检测杆塔周围微波检测的有效区域内是否有运动的物体， 因此，该设备不适合安装在人或动物活动频繁的区域，以免发生误报。 电力线载波通信法 低压电力线载波m l 是指在国家规定的低压( 3 8 0 v 2 2 0 v ) 载波频率范围内以电 力线作为载波通信的线路进行载波通信。载波信号电平一般在5 v 以下，不会对电 力线传输电能造成影响，从而使电力线成为一种能量传输和通信相结合的网络。 电力线载波通信的历史可追溯到2 0 世纪2 0 年代。那时，主要集中在1 l k v 以上的 高压远距离传输，工作频率为1 5 0 k h z 以下，该频段成为欧洲电技术标准化委员会 电力线通信的正式频段。到2 0 世纪5 0 年代，高压电力线通信技术已广泛用于监 控、远程指示、设备保护以及语音传输等领域。5 0 年代后至9 0 年代早期的3 0 多 年，电力线通信开始应用在中压和低压电网上。 t 蕾号置舛 一h - - - 、 昏狐 譬 l 竺h 塑h 输电线 图1 4 电力线载波通讯法进行电力线监测原理图 f i g1 4s c h e m a t i co f d 出c t i n gp o w e rl i n eb a s e do nl o wv o l t a g ep o w e rl i n e sc a 玎 日w a v e c o m m u n i c a t i o n 电力线载波通讯法既是在被测电力线上加载检测载波信号，一旦电力线被盗 剪，信号传输中断，报警器接收不到信号就会报警。图1 4 是利用电力线载波通讯 法进行电力线监测的实施方案及原理。电力线载波通讯法检测媒介全部通过现有 4 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 的电力线网络1 7 】，不需要额外增加通讯媒介，成本的节省是可观的；另外电力线不 传递其他信息，因此可以独享检测通道，做到实时监视控制。电力线载波通讯法 具有安装简便随意、侦测方法隐蔽，不受外界环境因素影响，不论电缆是否带电 均能监测等特点。其缺点是配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力线 载波信号不适宜在不同配电变压器的线网间传送，同时电力线上的高削减、高噪 声、高形变，使电力线不能作为理想的通讯媒介i s 。 目前现有的农村电力线防盗方法存在很大缺陷，很难真正起到有效监控、及 时报警的作用，且防盗设施本身也容易成为犯罪分子的偷盗目标，因此如何有效、 有力、快捷、可靠地搞好农村电网防盗工作，已经成为了我国农村电网管理中的 一个重要课题。电力线防盗报警系统正是为了适应电力系统生产运行管理部门这 一实际需求而研制开发的，它可以在第一时间及时、准确、可靠的发出报警信号， 提示护电人员及时检查处理可能或正在发生的盗窃行为。 1 3 本论文研究内容 本文的主要研究内容是基于g p r s 的电力线防盗系统研究，将低压电力线载 波通讯检测技术与g p r s 无线分组的通讯技术结合起来，开发出一套实时、有效 的电力线路防盗报警系统，完成硬件及软件的开发，并采用v i s u a lb a s i c 6 0 及 m i c r o s o f ts q ls e r v e r 2 0 0 0 等工具完成管理中心软件的设计 基于低压电力线载波通讯检测技术相对于其他线路检测技术，具有安装简便 随意、侦测方法隐蔽，不受外界环境因素影响，不论电缆是否带电均能监测等特 点。另外，系统采用g p r s 通讯技术，能够很方便地与各种移动终端及电力管理 中心进行通讯，及时的将电力线路状态发送给相关人员。由于客观条件的限制， 工作人员不可能对安装在现场的系统设备进行全天候监控。为保证设备本身安全 和正常运行，本系统采用图像技术对重要对象进行监控，以得到直观及时的信息， 同时可以作为现场的盗窃证据。 本文的研究内容具体为以下几个方面： ( 1 ) 构建整个电力线防盗系统，对硬件电路进行设计构建； ( 2 ) 实现g p r s 的数据通信，图像传输及j p e g 压缩格式的识别； ( 3 ) 利用高频载波方法实现对电力线断线的准确判断； ( 4 ) 采用热释电红外传感器，实现人员入侵的识别和摄像模块的启动； ( 5 ) 实现对电源及断电备用电源的设计： ( 6 ) 实现了系统软件的设计，系统管理中心的w e b 开发和数据库的设计。 5 重庆大学工程硕士学位论文 2 系统总体设计方案 2 系统总体设计方案 2 1 系统总体结构 电力线防盗系统是通过对各种偷盗电线案件状况的分析，将断线检测和报警 功能相结合，提出了基于g p r s 网络的电力线防盗系统的方案。本系统选用电力 线载波通讯法为检测方法，g p r s 无线技术为通讯方式。系统可以实现对电力线断 电状态的检测( 包括正常停电、断线断电) ，在发现电力线被盗后立即发送报警信 息，通知管理中心和工作人员，同时主站可以实现对防盗装置现场情况进行监视 ( 一旦发现不法分子对防盗装置的破坏行为，马上对现场情况进行摄像) ，及时确 定现场情况。 电力线防盗系统主要由线路检测单元( 终端检测装置，n 个检测信号发射装 置) 、管理中心及移动终端等三个部分组成，见图2 1 。 图2 1 电力线防盗系统结构图 f ，g2 1s b u c t u r eo f t o t a ls y s t e m 线路检测单元由终端检测装置和n 个检测信号发射装置组成。终端检测分机 装置由高频载波接收模块( k q 1 0 0 l ) 、熟释电红外传感器模块，摄像模块 ( h x 2 0 0 0 ) 、g p r s 通信模j 臭( e t p r 0 2 2 i a i ) 、控制单元( 单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 ) 、断电 检测模块和电源等六部分，放置在台区变压器下。检测信号发射装置包括高频载 波发送模块，控制单元、断电检测模块和电源组成。检测信号发射装置放在需检 测线路的末端，其安装个数根据需要检测的线路的条数来配置。 移动终端( 手机) 负责接收线路检测单元及管理中心发送的各种短消息( 报 6 重庆大学工程硕士学位论文2 系统总体设计方案 警信息、巡线命令) 和向系统和现场单元发送命令执行情况的返回短消息。 管理中心是安装在用电管理部门的计算机，采用微软公司的v i s u a lb a s i c 6 0 作 为开发工具及s q ls e r v e r 2 0 0 0 作为后台数据库管理。管理中心负责线路检测单元 信息的接收、汇总与管理，并提供给工作人员对各监控点进行检测及监控数据的 管理与维护等功能。 电力线防盗系统工作过程如下； ( 1 ) 在正常供电状态下，检测信号发射装置中的断电检测模块检测出电力线 有电信号，不发出载波信号；如果终端检测装置的断电检测模块检测出电力线也 有电信号，不发出断线报警信号，表明线路正常工作；同时对防盗装置安装现场 的情况进行监视。 ( 2 ) 在停电状态下，如果是正常停电，监测信号发射装置检测出缺电信号， 转由电池供电，并发送载波信号，由于线路在停电状态下，终端检测装置也转由 电池供电，开始接收载波信号，如果线路未断( 即载波通信信道畅通) ，发射装置 每隔l o 秒发一组载波信号，终端检测装置应接收到载波信号，表示线路未断，不 发报警信号；如果出现电力线断线或被盗割。信号发射端发送载波信号，由于中 途电线已断，电力线载波通信信道不通，终端检测装置收不到载波信号，分机启 动g p r s 模块发送消息报警。 ( 3 ) 终端检测模块安装在台区变压器下，当有可疑人员企图偷盗变压器或破 坏终端检测装置时，则进入红外热释感应模块的有效感应范围，摄像模块启动并 进行拍照，然后通过g p r s 模块将数据传输到管理中心。 2 2g p r s 通信技术 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 ，通用无线分组业务) 唧是在现有 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 ，全球移动通信系统) 【1 0 1 数字移动通 信系统基础上发展起来的一种移动分组业务，是g s m 在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重要阶段。g p r s 通过在g s m 网络 中引入分组交换的功能实体，以完成用分组方式进行的数据传输，将传输速率提 高到l o o k b i 以以上，同时支持口和x 2 5 两种分组数据网的协议。g p r s 系统可 以看作是在原有的g s m 电路交换系统的基础上进行的业务扩充，以支持移动用户 利用分组数据移动终端接入i n t e r n e t 或其他分组数据网络的需求 正是由于g p r s 与现有的其他无线通讯方式相比更为先进，基于g p r s 的无 线监控系统是目前最先进最稳定的无线监控管理系统。概括起来，基于g p r s 的 无线监控系统具有以下显著优点： 7 重庆大学工程硕士学位论文 2 系统总体设计方案 ( 1 ) 相对其它通讯方式来说，采用g p r s 技术可以充分利用中国移动公网资 源，将极大节约建设成本，缩短建设周期，整个系统的性能价格比高，系统建设 投资与建无线专网的投资相比估计可节约5 0 以上； ( 2 ) 数据传输速率与其它通讯技术相比最快，最高可达1 7 1 2 k b s ，通信传输 时延较小，最长不超过3 秒； ( 3 ) 监控覆盖范围广阔，系统规模扩展快速，例如整个北京市区和郊区的主 要区域都处于移动通讯网的有效覆盖范围之内； ( 4 ) 系统建成后，通信资费根据实际数据通信流量计算，通信费用低廉，每 个控制点的月通信费用可控制在百元以内； ( 5 ) 通信服务质量安全可靠，服务质量等级可根据用户的不同应用需求与运 营商协商确定； ( 6 ) 整个系统维护方便，系统升级简单快速。 随着无线通信技术的发展，g p r s 产品在数据传送领域的应用日益广泛。尤其 是g p r s 模块的出现更加促进了这种应用的发展。g p r s 通信模块内部集成了全部 手机功能和一些手机以外的功能。并且模块接口容易，使用方便，能缩短应用系 统的开发周期【1 1 】【1 2 1 。 f 一面硝h 一咽 图2 2g p r s 报警系统结构图 f 逗2 2s t r u c t u r eo f a l a r md e v i c eb a s e g p r s 图2 2 示出了基于g p r s 的报警系统结构图。基于g p r s 的报警模块不仅具有 o s m 的诸多优势，并且由于g p r s 的数据传输速率高的特点，可以在系统中加载 视频模块，利用g p r s 传输视频数据，管理中心可以通过视频数据判断警情的具 体情况，排除误报的警情。 ( 1 ) g p r s 的网络结构 g p r s 网络是在现有的g s m 网络中增加了g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n g n o d e ，g p r s 网关支持节点) 和s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ，g p r s 服务 支持节点) 两个节点来实现捧1 5 1 ；采用与g s m 相同的频段、频带宽度、突发结构、 无线调制标准、调频规则以及相同的t d m a ( t u n ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，时分 多址) 帧结构。g p r s 的网络结构如图2 3 所示： 8 重庆大学工程硕士学位论文2 系统总体设计方案 图2 3 g p r s 的网络结构 f t g2 3s t r u c t u r eo f g p r s n e t w o r k 从g p r s 的网络结构可以看出，g p r s 系统主要由m s ( m o b i l es t a t i o n ，移动台) 、 b s s ( b a s es t a t i o ns y s t e m ，基站子系统) 、m s c v l r ( m o b i l e s e r v i c es w i t c h i n g c e n t e r v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ，移动业务交换中心，拜访位置寄存器) 、 s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ，g p r s 服务支持节点) 、g g s n ( g a t e w a yg p r s s u p p o r t i n gn o d e ，g p r s 网关支持节点) ，h l r ( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ，归属位置 寄存器) 、e i r ( e q u i p m e n ti d e n t i f i c a t i o nr e g i s t e r ，设备识别寄存器) 、g m s c ( g a t e w a y m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ，移动交换中心网关) 等几部分组成。各部分的作用是： m s ( 移动台) ：它是接入移动通信系统的终端，主要由移动设备( m e - - m o b i l e e q m p m e n t ，通常指手机) 和用户身份模块( s i m ，s u b s c r i b e ri d e n t i f i c a t i o nm o d u l e ) 组 成。 b s s ( 基站子系统) ：它主要负责在一定区域内和移动台通信。主要由基站收 发信台t s ，b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ) 和基站台控制器( b s c ，b a s es t a t i o nc o n u o l l e r ) 组成。 m s c v l r ( 移动业务交换中心拜访位置寄存器) ：m s c 的主要功能是协调 去g s m 系统或来自g s m 系统的呼叫，它主要由交换机及支持呼叫所需的几个数 据库组成，它还是g s m 网和公共交换电话网p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n e n e t w o r k ) 之间的接口，并且完成由m s c 负责区域移动用户所有的交换和信令功能。 v l r 包含所有当前在服务m s c 中的移动用户的有关数据，这些数据包括：当前已 激活的特定、临时用户识别号( t m s i , t e m p o r a r ym o b i l es u b s c r i b e r i d e n t i t y ) 和移动台 在网络中的准确位置( 位置区域识别号) 。m s c 在处理入网出网呼叫时需要查询 v l r 中的有关信息，一个v l r 可以负责一个或若干个m s c 区域。通过v l r ，可 以完成：扎用户数据的存储；b 用户数据的检索；c 用户登记；d 移动台去话；e 9 重庆大学工程硕士学位论文2 系统总体设计方榘 用户鉴权；提供移动用户漫游号f m s r n ，m o b i l es u b s c r i b e rr o a m i n gn u m b e r ) ： g v l r 的恢复。为了建立从固定网至某个移动台的呼叫路由，固定网就通过关口 m s c ( g m s c ，g a t e w a ym s c ) ，由该g m s c 查询有关的归属位置寄存器h l r ，并 建立至移动台当前所属的m s c 的呼叫路由。 s g s n ( g p r s 服务支持节点) ：它是g p r s 骨干网与无线接入网之间的接口， 它是为移动台( m s ) 提供业务的节点。在激活g p r s 业务时，s g s n 建立起一个 移动性管理环境，包含关于这个移动台( m s ) 的移动性和安全性方面的信息。s g s n 的功能包括：乱将分组交换到正确的b s s ，建立数据到相应g g s n 的路由；b 对移 动台的加密、认证、移动性管理和逻辑链路管理；c 提供到h l r 等数据库的连接， 支持计费数据收集和话务管理。s g s n 的工作过程是这样的：接入外部数据网络的 节点，对于外部网络，它是一个子网路由器，g g s n 接收m s 发送的数据，选路到 相应的外部网络，或接收外部子网的数据，根据其地址选择g p r s 网内的传输通 道，传给相应的s g s n 。 g g s n ( g p r s 网关支持节点) ：它是外部数据网与g p r s 核心网之间的网关 节点。主要负责将外部网络的分组数据连到相应的s g s n ；将来自s g s n 的分组数 据连到相应的外部网络；提供到外部口网络的接口。g g s n 的工作过程如下：对 m s 用户进行鉴权和移动性管理，进行路由选择，建立m s 到g g s n 的传输通道， 接收b s s 透明传送来的m s 数据，进行协议转换后通过g p r s 骨干网传送给g g s n 或反向工作，并进行计费和业务统计。 h l r ( 归属位置寄存器) ：它主要存储该h l r 控制区域内所有移动用户的相 关数据。从逻辑上讲，每个移动网有一个h l r 。h l r 存储的用户信息分为两类： 一类是一些永久性的信息，例如用户类别、业务限制、电信业务、承载业务、补 充业务、用户的国际移动用户识别码( i m s i ，i n t e r n a t i o n a ls e r v i c e ss u b s c r i b e ri d e n t i f y ) 以及用户的保密参数等：另一类是有关用户当前位置的临时性信息，例如移动用 户漫游号( m s r n ，m o b i l e s u b s e r i b e rr o a m i n gn u m b e r ) 等，用于建立至移动台的呼 叫路由。 e i r ( 设备识别寄存器) ：它是存储有关移动台设备参数的数据库。e i r 实现 对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台使用。 g m s c ( 移动台交换中心网关) ：它是不同p l m n ( p u b l i c l a n d m o b i l e n e t w o r k ， 公共陆地移动网) 网络之间以及p l m n 网络与其它网络之间实现互联互通的接口 实体。 ( 2 ) g p r s 的数据传输方式1 1 6 l 基于g p r s 网络的数据传输通常有四种方式：基于短消息的数据传输：基于 d a t a 方式( 一种以电路交换为基础的传输方式) 的数据传输；基于语音方式的数 1 0 重庆大学工程硕士学位论文 2 系统总体设计方案 据传输：基于i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 方式的数据传输。 基于短消息的数据传输是通过短消息作为数据传输的载体，利用a t 指令对通 信模块控制，然后将数据按照短消息的格式发送给目标机。目标机接收到短消息 后，利用a t 指令将短消息读出并将信息还原，这样就完成一次数据通信。这种方 式的缺点是实时性差，数据容量较低( 1 0 7 ：0 l c s cc s 用哏 、， w e ，r d o e 图3 4s r a m 接口图 f i g3 4h t e r f a c eo f s r a m ( 2 ) 中断安排 单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 包含一个扩展的中断系统，支持2 2 个中断源，每个中断源 都有2 个优先级，有对应的中断允许位、标志位以及中断向量地址，并且可以利 用软件将任何一个中断标志设置为逻辑1 来模拟中断。结合单片机的中断优先级， 以及现场单元各功能模块的特点，现场单元中所使用的各种中断按优先级顺序安 排如表3 1 所示。 表3 1 中断资源的分配 t a b l e3 1i n t e r r u p tr e s o u r c 船a r r a n g e m e n t 编号中断类型说明 它与热释红外感应模块的输出连接，用来置位启动摄像模块拍摄现场 li n l f o 的窃电图像证据的标志。 2i n t l 与断电检测模块的输出相连，用来启动高频载波发送接收模块。 3u 舶旧 负责与通信模块通信，发送报警信息及拍摄的图片。 4u a r t l 负责与摄像模块通信，获取图像证据。 5s 耶u s 负责与实时时钟芯片s - 3 5 3 0 a 通信。 ( 3 ) 交叉开关 c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机最独特的改进是引入了数字交叉开关( 又称：优先权交叉 开关译码器) 。这是一个大的数字开关网络，它允许将内部数字系统资源按照优先 1 5 重庆大学工程硕士学位论文3 线路检测单元硬件设计 权的顺序映射到p 0 - p 3 端口的f o 引脚。交叉开关的结构如图3 5 所示。 嵩优菇玎一 i 蹇i 赫! 萋i 端 饭存嚣 丁面优先蕾 i 蛙优先麓 图3 5c 8 0 5 w 0 2 2 数字交叉开关原理框图 f i g3 5c 8 0 5 1 f 0 2 2d i g i t a lc r o s s b a rd i a g r a m 图中端口引脚的分配顺序是从p 0 0 开始，可以一直分配到p 3 7 ，其中u 舢 具有最高的优先权。这一特点与具有标准复用数字i o 的微控制器不同，这种结构 可支持所有的功能组合。通过设置交叉开关控制寄存器( x b r 0 ，x b r i 和x b r 2 ) 将片内的计数器定时器，串行总线，硬件中断，a d c 转换启动输入，比较器输出 以及微控制器内部的其他数字信号配置为出现在端口的i o 引脚。这一特性允许用 户根据自己的特定应用选择通用端口i o 和所需要数字资源。 3 2 电力线高频载波模块 3 2 1 高频载波发送模块 在本防盗系统方案中，载波发送模块选用科强公司的k q 一1 0 0 f d 通信模块 1 1 9 1 2 0 。k q 1 0 0 f d 模块采用f s k 过零载波通讯方式，在电力线供电时利用了零点 传输抗干扰能力强的优点，而在断电时以1 2 0 0 b p s 的速率通信。当接入2 2 0 v 的电 1 6 重庆大学工程硕士学位论文3 线路检测单元硬什设计 力线时( 必须是同相) ，k q 1 0 0 f d 内的单片机通过市电基波的过零点检测电路在 过零点的瞬间快速收发数据；一旦2 2 0 v 停电时，k q 1 0 0 l 以1 2 0 0 b p s 的速度通过 停电的电力线通讯，从而将强抗干扰的优点保留又能在停电时不中断数据通讯， 且模块内部发送接收端装有3 6 v _ 3 9 v 瞬变抑制二极管具有抗雷击的功能。 k q - 1 0 0 f d 与控制单元的接1 ：3 图如图3 6 。 图3 6k q - 1 0 0 f d 接口图 f 远3 6i n t e r f a c eo f k q - 1 0 0 f dm o d u l e k q 1 0 0 f d 发送模块的微机控制端由r x 、t x 、r t 三个端口构成，全是r r l 电平，t x 接微控制器t x d 端发送数据，r x 接微控制器r x d 端接收数据，r t 为接收发送控制端，r t 为高电平时模块处于接收状态，r t 为低电平时处于发送 状态。+ 5 v 端接入+ 5 v 5 的直流电源，超过电压范围，将会影响接收性能。+ 5 v 耗电约4 5 m a ，v a a 端为发送功率电源端，连接用调压直流源，发送时电流约3 0 0 m a ( 不发送时为0m a ) ，v a a 为1 5 vd c ( 视需要而定，距离近或干扰小则采用 低压，反之则用高压，但不能超过1 8 v ) 。v a a 和+ 5 v 电源用两组电源分开供电， 防止发送部分工作时其尖峰脉冲对+ 5 v 供电端造成干扰，造成数据通信的紊乱和 影响可靠性。 在发送数据时。先置r t 为低电平，再用串行方式在t x 端输入o f f h ，再输 入同步码等欲发送的数据，在接收端检测同步码后接收数据，并校验其数据的正 确性。 3 2 2 高频载波接收模块 载波通信接收模块采用f s k 电力线载波接收方式，载波中心频率1 2 0 k h z 。参 考应用图如图3 7 ，图中接地端均为模拟地。 1 7 重庆大学工稃硕七学位论文3 线路检铡单元硬件设计 图3 7 载波接收电路图 f i g3 7s t r u c a t r eo f t h el o wv o l t a g ep o w e rl i n e 5e a l t i e rw a v er e c e i v i n g 图中电阻r 1 在接收本地强发射信号时可以有效衰减接收信号，电感l l 电容 c 3 组成并联谐振回路，谐振以中心频率为1 2 0 k h z 设计，完成对载波信号的带通 滤波，良好的选频回路可以有效提高载波接收灵敏度。如选择电容为c 6 = 1 5 n f ， 根据并联谐振公式3 1 计算后，即可以选择合适的电感值，以f = - 1 2 0 k h z 代入计算 得到l = i 1 7 m h 。 1 f = ：一 ( 3 1 ) 。 2 万c 二极管d 2 、d 3 的作用是将接收信号的电位钳制在士0 7 v ，电容c 4 的作用是隔 离直流电压。 3 3g p r s 通信模块 g p r s 通信模块e t p r 0 2 2 1 a i t 2 1 - 2 3 1 采用小型化设计，更能适应嵌入式集成应 用，简化了接口设计的g p r s 模块，并内嵌t c p i p 协议栈，可以实现h r r p ，f t p ， u d p ，p p p ，t e u 岖t ，sm ，r p ，p o p 3 ，d n s ，m i m e 等功能它分为口和g p r s 两部分。g p r s 部分采用工业级的s i e m e n sm c 3 5 ，i p 部分内嵌t c p i p 协议栈。 这两部分相对独立，但所有的标准a t 命令均通过m 模块透明地传给g p r s 模块 执行。通信模块e t p r 0 2 2 l 趟有非透明传输和透明传输两种传输模式。 e t p r 0 2 2 1 a i 适用于h o s t 主机没有t c p 佃协议栈，使用串口通讯的情况。 e t p r 0 2 2 l a i 的内核主体是m c 3 5 i 双频模块，支持e g s m 9 0 0 g s m l 8 0 0 的