（检测技术与自动化装置专业论文）流量计远程维护系统的设计.pdfVIP

浙江大学硕士学位论文 摘要 流量计在生产生活中有着广泛的应用，对流量计进行远程维护具有重要的 意义。然而传统的流量计维护方法存在着众多的局限，维护起来不方面，浪费了 大量的人力、物力和财力。所以需要探索流量计远程维护的新方法。 本文在分析各种仪表通信方法的基础上，结合国内外仪表维护的现状，设计 了一套基于g p r s 网络和i n t e m e t 网的流量计远程维护系统。该系统由远程维护 计算机、通信网络、无线通信网关和现场流量计四部分组成。该系统能够通过 g p r s 网络和i n t e m e t 对流量计进行维护。 本文的主要内容如下； 介绍了流量计在生产生活中的重要作用，提出了对流量计进行维护的意 义，比较了各种通信方法在仪表维护中的优缺点。 提出了系统的基本设计思路，对g p r s 技术进行了详细的介绍，并对如 何利用0 p r s 网络接入i n t e m e t 进行了分析，给出了g p r s 技术当前的发展状况 和具体应用。 基于m s p 4 3 0 单片机和m c 5 5g p r s 手机模块设计了无线通信网关，并 详细介绍和分析了单片机外围电路和手机模块外围电路的设计。 利用专家系统，对流量计的故障进行判别。 对无线通信网关、远程维护计算机以及现场流量计的程序进行了规划和 设计。并提出了i a p 技术在流量计远程维护上的应用，扩展了软件远程升级的 新思路。 关键词：g p r s 、m s p 4 3 0 、l a p 、流量计、远程维护 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t f l o wm e t e r sp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c i n g ，s ot h em a i n t e n a n c e o ff l o wm e t e r si sm e a n i n g f u l h o w e v e r , t h e r ea l em a n ys h o r t c o m i n g si nt r a d i t i o n a l m a i n t e n a n c em e t h o d , s u c ha sm c o n v c n i e n c c e al o to fm o n e y , h u m a nr e s o u r c ea n d p o w e rw a s t e d b a s e d0 1 1t h ea n a l y s e so fd i f f e r e n tm e t e rc o m m u n i c a t i o nw a y s ，c o m b i n e dw i t ht h e h i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to fm e t e rm a i n t e n a n c ei nc h i n aa n da b r o a d ，t h i sd i s s e r t a t i o n d e s i g n e dt h er c m o t of l o wm e t e rm a i n t e n a n c es y s t e m , w h i c hi sc o m p o s e do f f o u rp a r t s ： t h er e m o t es u p e r v i s i n gc o m p u t e r , t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , t h ew i r e l e s sg a t e w a y a n dt h ef l o wm e t e r si nf i e l d 1 1 璩m a i nc o n t e n to f d i s s e r t a t i o ni s 觞f o l l o w s , g a v ea ni n t r o d u c t i o no ft h ea p p l i c a t i o no ff l o wm e t e ra n dt h em e a n i n go ff l o w m e t e rr e m o t em a i n t e n a n c e ，c o m p a r e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fa l lt h e m a i n t e n a n c em e t h o d s p r e s e n t e dt h eb a s i cs y s t e md e s i g n i n gt h o u g h t s , a n a l y z e dt h eg p r st e c h n o l o g y , a n di n t r o d u c e dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e ng p r sn e t w o r ka n di n t e m e ta n ds o m e a p p l i c a t i o ne x a m p l 懿 d e s i g n e dt h ec i r c u i t 璐i n gm s p 4 3 0m i c r o c o n t r o l l e ra n ds i e m e n sm c 5 5g p r s w i r e l e s sm o d u l e ，a n dd e b u g g e dt h e ms u c c e s s f u l l y e s t a b l i s h e da ne x p e r ts y s t e mt od i s t i n g u i s ht h em e t e rs t a t u s d e s i g n e dt h es o f t w a r ef r a m e w o r ko fr e m o t es u p e r v i s i n gc o m p u t e r , t h ew i r e l e s s g a t e w a ya n df l o wm e t e r s i nf i e l d s t l l i sd i s s e r t a t i o na l s op u tt h el a pu p d a t e t e c h n o l o g yi n t of l o wm e t e rm a i n t e n a n c ef i e l d s k e y w o r d s ：g p r s ，m s p 4 3 0 ，l a p , f l o wm e t e r , r e m o t em a i n t e n a n c e n 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 流量计在工业中的作用和对仪表进行维护的意义 1 1 1 流量计的作用 随着社会的发展，人们对流体的应用更加广泛，流量计已经成为生产生活中 的重要组成部分。 在工业应用中，无论是石油的开采、运输、炼冶加工，还是化工行业各个反 应物流量的计量，无论是电力行业，还是在钢铁冶金，都离不开流量检测，离不 开流量计。在工业检测和控制的温度、压力、流量、物位和成分检测的诸多仪表 中，流量仪表的数目约占总台数的2 0 ，费用则占到3 5 。目前全球流量仪表 的年产量都在3 5 0 万台以上。几个工业发达的国家都有相当数量的流量计生产厂 家。我国也有2 5 0 多家以上i l j 。 在农业上，诸如农田水利、气象风速，甚至有些农业机械，像机动喷雾机、 水泵的特性测试，同样需要流量计。 在民用事业上，与人们日常生活密切相关的自来水、煤气、天然气、油等都 大量的应用流量仪表计量。 仪表是工业生产的眼睛，而流量计是检测中重要、复杂的仪表，它与国民经 济、国防建设、科学研究有密切的关系。对于保证产品质量、提高生产效率、促 进科学技术的发展流量计都具有重要的作用。特别是在能源危机、工业生产自动 化程度愈来愈高的当今时代，流量计在国民经济中的地位与作用更加明显。 1 1 2 对流量计进行远程维护的意义 在工业生产过程中，特别是在流程工业的生产过程中，为了安全生产，保证 产品质量，使用了种类繁多、数量众多的仪器仪表，它们在生产控制过程中起着 至关重要的作用，一旦出了问题轻则产品质量下降，重则还会发生爆炸、毒气泄 漏等严重事件，由于这些仪表购买成本高、生产环境恶劣、数量多，管理比较复 杂，因此做好仪表的维护工作在整个生产过程中起着至关重要的作用。 目前，当流量计等仪表出现问题的时候，常常是客户先通知厂家，再由厂家 派技术人员到工业现场进行维修，有些问题能在工业现场得到解决，有些问题需 浙江大学硕士学位论文 要流量计返回厂家进行修复。这样使得厂家对流量计维护的滞后时间长、服务不 及时，而且厂家服务成本很高；有时厂家需要对流量计的软件改进缺陷、新增功 能，如果需要对已经在外地使用的流量计进行软件升级，则要付出很大的代价。 如何自动维护在现场运行的流量仪表一直是一个难题。以往全部依靠人工的 方式来对仪表进行维护，计算校验日期，记录日常的使用状况及维修情况，计算 机的利用很少，耗费大量的人力物力对仪表进行维护，人员流动困难，给安全生 产带来一定程度的隐患，因此对仪表采用远程的方式进行维护对于改进生产力， 加强生产生活的安全性，节约成本等方面都有着十分重要的意义。 1 2 流量计远程维护系统的要求 本文提出的流量计远程维护系统是供流量仪表生产厂家使用的，主要目的是 提高流量计生产厂家的产品管理水平；通过远程维护网络，及时发现在现场运行 的流量仪表故障状态，提高厂家对产品的服务质量，降低外派技术员进行维修的 各种费用。对该系统的要求如下； ( 1 ) 远程通信能力 由于厂商出产的流量计数量多，用户的分布不可能仅限在一个小的范围，在 现场运行的流量计可能分布在全国各地。要求该系统具备远程通信能力，即厂家 的服务器能够与现场流量仪表进行数据通信，需要通过有线或者无线的方式在流 量计和远程维护计算机之间建立网络互联。 这样厂家的维护人员通过本地服务器，实时收集流量计的运行信息，判断流 量计的运行状态，完成仪表故障的诊断和记录，并对部分故障进行远程修复，而 无须直接到达现场，足不出户就可以完成对流量计部分故障的维护工作。 ( 2 ) 可靠性的要求 在流量计远程维护系统中，流量计以及其他设备的工作环境有时是相当恶劣 的，现场设备通常需要不问断的运行，安全可靠是系统设计的首要目标。因此， 在设计的时候我们应该选择高性能的设备，以保证系统的长时间可靠运行：并优 化软硬件结构，使系统更加稳定；选择可靠性高的无线通信网络，减少不必要的 故障。所以流量计远程维护系统本身要有更加可靠的要求，只有这样才能保证流 量计的可靠运行。 ( 3 ) 远程故障诊断的要求 由于本系统是对流量计进行远程维护，所以系统要能够根据通信参数对流量 计的运行状态进行判别，当流量计出现故障或者运行异常的时候，系统能够识别 出故障的原因，并采取相应的处理办法以确保流量计能够正常的运转。 ( 4 ) 可扩展性的要求 可扩展性也是流量计远程维护系统的一个重要的要求。对于维护系统而言， 2 浙江大学颈士学位论文 要把流量计数目的增加和维护网络的扩展性考虑在内，采取分布式的设计方法， 以便功能的改善，系统的升级和容量的扩充。 ( 5 ) 完善的数据库功能 在服务器上运行实时数据库程序，不仅可以对某个流量计的生产信息、性能 指标、用户、维修记录、运行状态、标定参数进行查询；自动生成故障报告单、 以及包含维修建议的维修任务单等功能。 ( 6 ) 实时信息反馈功能 当系统检测到现场运行的流量计发生故障，而该故障无法通过系统远程自动 修复时，需要根据流量计的编号，通过数据库得到相关负责人的联系方式，把发 生故障流量计的信息( 安装地点、放障类型) 和处理意见等内容以自动发短信和 邮件的方式告诉相关负责人，以便及时处理，把生产安全隐患消灭在萌芽状态。 1 3 国内外仪表设备远程维护的发展情况 近年来，新一代检测仪表和控制系统装置，跨入真正数字化、智能化、网 络化时代。生产企业系统的控制管理集成化程度越来越高，国内外投入远程维护 系统的公司越来越多，不少企业都开发了对于不同设备的远程维护系统，在国内 的一些公司的产品都配备了远程维护系统例如： 海尔在每一台大型商用空调上安装一个模拟接收站，同时与海尔远程控制系 统接轨。只要登陆远程控制系统，所有产品运行情况一目了然，大大方便日常的 维护保养。 富尔达开发出国内第一个无线远程监控系统，通过于g s m 短信息，对机组 实施远程测控，直接观察用户的操作情况和测控分析机组的运行状态。国内另一 燃气空调企业远大也开发了电话联网监控系统，通过网络技术的运用和电话线数 据传送，确保每台机组在良好的状态下运行1 2 j 。 远程维护系统也得到了一些国外知名的控制系统公司的重视，例如： 2 0 0 4 年9 月，艾默生过程管理公司在北京港澳中心召开了安全仪表及a m s s u i t e 设备管理系统新品发布会，宣布在其新颖的智能化安全仪表系统( s i s ) 中 采用可以自动故障检测的控制系统。通过远程控制的方式把阀门的故障降低到最 小，采用了具有在线诊断和部分行程动作功能的f i s h e rd v c 6 0 0 0 e s d 装置，能 够预测和鉴别许多可能妨碍e s d 阀门正常工作的常见问题。通过v a l v c l i n k 软件 来控制测试自动进行1 3 】。 2 0 0 6 年7 月2 0 日，霍尼韦尔宣布了一项新型服务，为纸浆和造纸公司提 供霍尼韦尔质量控制系统( q c s ) 远程监控，协助客户降低维护成本，同时确保 质控设备顺利运行。q c s 远程监控服务支持霍尼韦尔d a v i n e i ( t m ) 与m x o p e n ( t m ) 系统，可让霍尼韦尔技术人员对客户的扫描设备和诊断故障实施可靠的远程监 浙江大学硕士学位论文 控，从而节省维护费用并减少故障停机时问。该方案通过安全可靠的v p n ( s l 】a l p r i v a t e n e t w o r k ，虚拟专用网络) ，以客户和霍尼韦尔预先设定的标准为基础，持 续主动地监控系统性能，探测并通知相关人员，以帮助技术人员尽快做出响应， 节省客户的时间与经济成本。霍尼韦尔技术人员不需登陆系统便可获取报警 q c s 远程控制可通过纸张、电子邮件或文本信息发送报警1 4 j 。 s o n y 公司开发了基于网络技术的远程维护与监测系统( r m m s ) 可用于实 现用户或索尼技术服务中心对用户设备的远程监测管理和远程维护检查。采用了 s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c a l ，简单网络管理协议) 以实现网络 内设备的有效管理；同时采用m i b ( m a n a g e m e n tl i b r a r yb a s e ，管理信息库) 技 术，创建专业设备管理信息库( p r o - a vm m m m 2 ) 。用户可通过本系统中局域 网络直接监测管理用户系统内连接入网络的所有相关设备，包括具备i s r 功能 的各种格式录像机、c n u 、p f v 、b d x 、监视器等；在与索尼技术支持中心联 网时，各用户系统还可通过互联网络借由v p n 技术获得索尼技术支持服务中心 的直接远程维护和检查。 - 1 4 智能仪表通信的各种方式 要对流量计等仪表进行远程维护，换句话说就是要实现和维护端和流量计之 间的数据通信，只有在维护端和仪表之间建立可靠的通信线路，才能把仪表的运 行状态和实时情况反应给维护端，才能及时采取各种各样的措施，来避免和减少 生产的损失。所以要构建流量计远程维护系统，首先要对智能仪表的各种通信方 式进行一下全面的了解，并根据流量计远程维护系统的设计要求来选择可靠性 好，效率高的通信方式作为本系统的通信中枢。 1 4 1 有线的智能仪表通信方式 ( 1 ) r s - 2 3 2 串行通信接口标准嘲 技术的产生和发展：r s - 2 3 2 接口是在1 9 7 0 年由美国电子工业协会( e i a ) 联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通信 的标准。最初是用于d t e ( d i g i t a lt e r m i n a t ee q u i m e n t ，数据终端设备) 和d c e ( d i g i t a lc o m m u n i c a t i o ne q u i m e n t ，数据通信设备) 之间的串行数据通信而制定 的，为仪表的远程通信创造了条件。目前r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最 广泛的一种串行接口。 原理和特点：r s - 2 3 2 中定义了2 0 根信号线，使用2 5 芯d 型连接器( d b 2 5 ) 实现，其中除了用于全双工串行通信的两根信号线外，标准还定义了若干“握手 线”，后来还出现了简化的9 芯d 型连接器。r s - 2 3 2 采取不平衡传输方式，即所 4 浙江大学硕士学位论文 谓单端通讯，接收器对一个信号电压和一个被所有信号使用的通用地线之间的电 压做出响应。 优点：抗干扰的能力特别强，特别适合用在工业现场；并作为工业标准，以 保证不同厂家产品之问的兼容，而且不少设备还嵌入了r s 2 3 2 接口；对硬件和 软件编程要求比较简单，价格便宜。 缺点：通信距离短( 1 5 m ) 、速率低( 2 0 k b s ) ，而且在一个连接中不能超 过两台以上的设备。 ( 2 ) r s - 4 2 2 和r s - 4 8 5 总线的通信方式嘲 技术的产生和发展：鉴于l 塔- 2 3 2 标准的诸多缺点，1 9 7 7 年e n 公布了新的 标准接口r s - 4 4 9 作为r s - 2 3 2 的替代标准。r s - 4 4 9 接口采用差分信号进行数据 传输，使用双绞线作为通信线路，通信距离达1 2 0 0 m ，速率达9 0 k b p s 。r s - 4 2 2 是r s 4 4 9 的标准的子集，r s - 4 8 5 是r s - 4 2 2 的变形，r s 4 2 2 为全双工工作方式， 可以同时发送和接收数据，而r s - 4 8 5 则为半双工工作方式，r s - 4 8 5 是一种多发 送器的电路标准，它扩展了r s - 4 2 2 a 的性能，r s - 4 8 5 以其优秀的特性、较低的 实现成本在工业控制领域得到了广泛的应用。 原理和特点：r s 4 2 2 、r s - 4 8 5 与r s - 2 3 2 不一样，数据信号采用差分传输方 式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，每个信号都有专用的导线对一个导线 上的电压等于另一导线上的电压取反或者取补，接收器对这些电压之间的压差做 出反应，r s _ 4 8 5 接口采用半双工通信方式，只需要两根线就能完成双向通信， 很方便地构成一点对多点通信网络。 优点：r s - 4 8 5 总线结构比较简单、成熟、易于实现，对仪表要求不高，且 总线传输速率高( 1 0 m b p s ) ，可靠性好，传输距离长1 5 k m ( 当波特率为1 2 0 0 b p s 时) ；一个r s - 4 8 5 最多可以连接2 5 6 个节点；成本低，驱动器和接收器价格便宜。 缺点：r s - 4 8 5 总线控制系统施工布线工作量大，网线容易受到人为破坏， 故障点不易查找和易受雷击和过电压的影响等缺点，这些缺点决定了其不使用在 一些特殊场合。 ( 3 ) 低压电力线载波方式r 玎 技术的产生和发展：低压电力线载波方式，俗称：“电力线上网”，主要是指 利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。通过电力线通讯已经有几十年 的发展历史，最早出现于上世纪二十年代初期。在我国，二十世纪四十年代已有 日本生产的载波机在东北，作为长距离调度的通信手段。近年来，随着 n t e r n e t 技术的飞速发展，利用2 2 0 v 低压电力线传输高速数据的价值越来越为人们所重 视，被认为是提供“最后一公里”解决方案最具竞争力的技术之一。由于电力线上 网的潜在市场空间，包括我国在内世界许多国家纷纷投入研究和开发。早在1 9 9 0 年英国n o r w e b 通讯公司就开始对电力线载波通讯进行研究。1 9 9 5 年，该公司又 浙江大学硕士学位论文 与加拿大北电网络联手，共同开发这项新技术。1 9 9 8 年就己成功地进行了采用 传统的输电线路进行i n t e m e t 接入的试验【8 j 。 原理和特点：电力载波方式是一种利用现有的电力网进行远程控制的方式， 其原理是把仪表设备的数据通过采集终端设备将数据调制后，通过电力线进行传 送，在接收端还原成数据信号，在同一台配电变压供电方位内用户统一编址，并 由采集器巡回读写。 优点：电力线载波方式具有无需额外布线、安装使用比较方便，利用现有的 物理链路，无需线路投资，而且无需支付数据传输的费用等优点，而且通信可靠 性高，与电网建设同步，覆盖范围广。 缺点：但是由于电力线载波通信质量主要受电力线的线路阻抗和噪声干扰的 影响，电网在传输数据过程中，经常会受无线电信号、电磁信号、脉冲信号的干 扰，导致传输数据错码、丢码。同时各种瞬间产生极大的电压，这些干扰信号都 叠加在电网上，造成数据传输结果与实际值的误差。 ( 4 ) 以太网的出现 5 1 技术的产生和发展：工业以太网是指应用于工业控制系统中的以太网技术， 进入2 0 世纪9 0 年代，以太网是目前应用最为广泛的局域网通信技术，随着其技 术的成熟和应用范围的不断扩展，相对于其他局域网技术具有越来越明显的优 势，如价格和开放性等。而且计算机控制系统所需要的信息量不断增大，现场总 线技术至今还没有统一的标准，这些因素都推动了以太网在工业控制领域的应 用。针对以太网存在的不确定性和实时性欠佳的问题，i e e e ( 电子电器工程师 协会) 、i a o n o ( 工业自动化开放联盟) 、o d v a ( d e v i c e n e t 供应商协会) 正在 致力于制定基于以太网的新标准，以开展以太网关键技术的研究，以太网进入智 能仪器仪表的远程通信领域式智能仪表的一个重要的发展趋势。 原理和特点：以太网采用了c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 协议， 每个设备在任何时候都能够发送数据，发送之前需要先检验通信信道中的载波信 号，如果没有监测到载波信号，则说明其他设备没有在发送数据，则可以发送， 如果不能发送，则等待一个随机时间后检测，直到能够发送数据。当两个以上设 备都没有监测到载波而同时发送产生冲突时，c s m a c d 立即停止数据帧的发 送，并向总线发送阻塞信号，各设备随机时间后继续检测，因此以太网通信更加 简洁，更加可靠。 优点：应用广泛，几乎所有的编程语言都支持以太网的开发；成本低廉，全 双工通信，通信速率高，最高可达l o l o o m ；支持几乎所有流行的网络协议，可 持续发展的潜力大。 缺点：是由于以太网采用总线式拓扑结构和多路侦听，碰撞检测通信方式， 在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，因而导致数 6 浙江大学硕士学位论文 据传输的“不确定性”；而且优先级技术、现场设备的总线供电、本质安全、远 距离通信等问题还有待解决。 ( 5 ) 现场总线控制系统的出现o , s l 技术的产生和发展：现场总线技术兴起于2 0 世纪9 0 年代，它采用了现场总 线作为系统的底层控制网络，来沟通生产过程中的仪表、控制设备以及更高的通 信管理层，是一种顺应智能现场仪表而发展起来的一种开放型的数字通信技术， 是现场通信网络与控制系统的集成，其发展的初衷是用数字通信代替4 2 0 m a 的 模拟信号，但随着现场总线技术的发展与智能仪表管理控制一体化( 仪表校调、 控制组太、诊断、报警、记录) 的发展，产生了现场总线控制系统。现场总线技 术是当今世界各国关注的热点课题，以现场总线为基础的全数字控制系统是2 l 世纪自动化控制系统的主流。世界各国的技术协会( 学会) 、各大公司、各国的 标准化组织，还有国际电工委员会及国际标准化组织对于本项技术的标准化工作 都给予了极大的关注，也使得目前现场总线国际标准化工作出现了复杂韵局面。 目前已开发出4 0 多种现场总线，其中最具影响力的有5 种，分别是f f 、p r o f i b u s 、 h a r t 、c a n 和l o n w o r k s 。 原理和特点：f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，现场总线控制系统) 是利用开放 的、可互操作的现场总线网络将现场控制器和现场智能仪表设备连接起来，采用 标准化现场总线接口在控制现场建立一条可靠的数据通信线路，实现各现场总线 智能仪表之间以及现场总线智能仪表与主控机之间的远程通信，把单个分散的现 场总线智能仪表变成网络节点。 优点：信号的传输实现全数字化；全分布式，废弃了d c s 系统中的输入 出单元和控制站把总线直接分配给仪表的特征；自诊断、节省布线及控制室空问、 多功能仪表、开放性与互操作性、现场设备智能化等特点。 缺点：现场总线标准本身尚处在发展中，尚没有统一的国际标准，这给现 场总线的产品开发带来了难度，相关的产品单一且价格昂贵；目前价格因素也是 制约现场总线在企业中使用的主要因素；最后现场总线控制系统成功的应用实例 不多、实际应用效果难以评估，习惯势力不愿意冒风险。 1 4 2 无线方式对仪表进行维护的方法 2 0 世纪9 0 年代以后，随着无线通信技术的发展，在智能仪器仪表领域应用 无线通信的技术开始出现。相对于有线通信，无线通信具有如下的优点1 1 0 , h i ： 第一，不受地理条件的限制，无线通信对于远距离、分散、移动或者物理布 线困难的地方，控制对象可以方便地实现数据通信；也克服了有线网络由于线路 故障而导致网络瘫痪的弊端。 第二，通信网络的经济性，无线接入成本与传输距离无关、对用户密度不敏 7 浙江大学硕士学位论文 感，在用户距离较长、用户密度不高及用户密度高，而有线接入一时难以扩容的 地方，具有较大优势。而且用户无线接入的投资可随用户业务量增长而增长，减 少了投资。 第三，网络的灵活性，无线接入组网灵活、安装方便、建设周期短，可大大 缩短提供电信业务的时间。因用户搬迁、业务改变而重新配置十分迅速，可方便 为临时性大型集会、会议提供业务。无线接入无需线路设施、维护量小、维护简 单、维护成本低。 鉴于无线通信的诸多优点，将是今后智能仪表进行通信的发展方向，下面将 介绍几种常用的无线通信方式，以便选择最有使用性的方式来构建流量计远程维 护系统。 ( 1 ) 电台方式 技术的产生和发展：无线电台是一种常用于军事上的指挥工具，它以无线电 波为载体，传输语音、字符和数据等信息。按照无线电波频率的变化特征，无线 电台可以分成“固频电台”和“跳频电台”两大类。电台数传方式是传统上无线 监控系统应用最广泛的通信方式，可广泛应用于：p l c ( f r o g r a m a b l el o g i c a l c o n t r o l l e r ，可编程控制器) 无线组网、移动数据库查询：热网监控、地震监测 网等。 原理和特点：采用电台数传方式是指监测系统通过调制解调器把采集到的数 字信息转换成音频信号，再通过特定频率的电台发射出去，接收端解调原来的信 号的方式。 优点：使用数传电台建立的是专网，同公网相比，具有在组网方便、数据量 大、实时性要求高、覆盖范围在5 0 公里以内建专网方式合算且不受制于人的优 点。因此这些特点也比较符合工业上应用的要求。 缺点：产品硬件部分成本高昂，开发成本较高，限制了客户发展空间；传输 距离短，传输距离都在1 0 0 公里以内，不利于长距离的数据传输，从而限制了应 用；数据可靠性较低；系统维护比较困难。而且需要申请频点使用权，如果频点 选择不合理，相邻两个信道会产生相互干扰，而且小型无线电电台的通信速率较 低，设备及安装成本较高，所以这种通信方式的使用场合有一定限制。 ( 2 ) 无线集群通信方式【9 l 技术的产生和发展：集群移动通信是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种较经济、 较灵活的移动通信系统，它是传统的专用无线电调度网的高级发展阶段。集群移 动通信是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种较经济、较灵活的移动通信系统，它是 传统的专用无线电调度网的高级发展阶段。2 0 世纪8 0 - 9 0 年代是集群移动通信在 专用无线电通信中占据比重较大的1 0 年，是与蜂窝移动通信齐头并进的一种先 进通信系统。以后曾一度衰落。近年来，集群移动通信系统再次兴起，发展前景 s 浙江大学硕士学位论文 十分广阔。 原理和特点：所谓集群，即使用多个无线信道为众多的用户服务，就是将有 线电话中继线的工作方式运用到无线电通信系统中，把有限的信道动态地、自动 地、迅速地和最佳地分配给整个系统的所有用户，以便在最大程度上利用整个系 统的信道的频率资源。它运用交换技术和计算机技术，为系统的全部用户提供了 很强的分组能力。 优点：更好的信道效率，所有信道被所有的用户分享，能够自动选择信道， 减少通道的拥挤；具有调度功能、组呼功能、快速呼叫建立、高可用性和安全性 等特点。 缺点：集群通信系统属于专用移动通信网，因此建设周期长，维护困难，开 发成本高；网络覆盖范围有限，主要用于无线对无线，无线对有线业务之间限制 较大。 ( 3 ) g s m 短消息通信方式 技术的产生和发展：g s m 短消息的通信方式是指充分利用移动公网资源， 通过g s m 通信模块发送和接收有限长度的文本信息，实现对远程设备的监控的 通信方式。主要应用在一些数据量传输不是很大，实时性要求不是很高的场合。 如定时远程监控、远程报警等。近两年来，移动通信迅猛发展的用户数及完善的 基础网络，为移动通信增值业务的发展提供了有利条件。在诸多增值业务中，短 消息服务因其价格低廉、使用方便、信息传递准确及时、存储转发离线通信等优 点而备受用户欢迎。 原理和特点：短消息业务和话音传输以及传真一样，是移动通信网络所提供 的一种重要电信业务，它通过无线信道进行传输，由特定的短消息业务中心完成 储存和转发功能。首先用户通过手机或其他设备，将短消息内容经由移动通信网 络中的基站等设备，发送到短消息业务中心，再由短消息业务中心将该短消息内 容转发到目标地址。 优点：每条短消息能够传输1 4 0 字节0 6 0 个t o i t 字符) 或7 0 个u n i c o d e 字符 ( 1 4 0 b y t e s ) 数据，完全满足小容量、低密度信息传输的需要，无需单独组网，可 充分利用现有的通讯资源，系统运行安全稳定，具有运行灵活、覆盖范围广、经 济可靠的优点。 缺点：传输延时较大，半双工通信方式，在网络繁忙时，容易发生信道堵塞， 导致通信不通畅，而且传输的数据量不大，只能用于小数据量的通信。 ( 4 ) c d m a 的通信方式1 2 川 技术的产生和发展：c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，码分多址) 它是 在数字技术的分支一扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技 术。我们目前所说的c d m a 即为c d m a1 x ，原意是指c d m a2 0 0 0 的第一阶段， 9 浙江大学硕士学位论文 实际传输速率大约在1 0 0k b p s 左右、网络部分引入分组交换，可支持移动口业 务；c d m al x 是在c d m ai s 9 5 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是 为c d m a 用户提供分组形式的数据业务，可以用于i n t e m e t 连接、数据传输等 应用。 原理和特点：c d m a 技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定 信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原 数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随 机码，与接收的宽带信号做相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即 解扩，以实现信息通信。 优点：c d m a 有更好的保密性，因为通过宽带频谱传输的信号是很难被侦 测到的；按照需求分配带宽，降低了功耗；辐射较低，对人体的危害更小；数据 传输速度快，可支持理论3 0 8k b p s 的数据传输，实际传输的速率可达1 0 0 k b p s 左右，并支持m 业务，可以入i n t c r n c h 按流量计费，即一直在线，按照接收和 发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时不收费用，大大降低了成 本。 缺点：c d m a 模块费用较高，开发成本较高，网络覆盖率相对g p r s 较差。 ( 5 ) g p r s 通信方式【1 7 1g 1 9 】 技术的产生和发展：g p r s ( g e n 蹦a lp a c k ar a d i os y s t 锄，通用分组无线业务) 是一种基于分组交换传输数据的高效率方式。产生于2 0 世纪9 0 年代初，在2 0 0 0 年左右经过了长足的发展，目前全球的大部分地区都覆盖了g p r s 网络，是2 5 g 的通信方式，是向3 g 的发展的重要过渡。 原理和特点：g p r s 是通过在g s m 系统中增加s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t n o d e ，g p r s 服务支撑节点) 、g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ，g p r s 网关 支撑节点) 两个功能实体来实现的，从而使得用户能够在端到端的分组模式下能 够发送和接收数据，s g s n 是g s m 网络结构中的一个节点，它与m s c 处于网络 体系的同一层。s g s n 通过帧中继与b t s ( b a s et e l e e o ms t a t i o n ，基站) 相连， 是g s m 网络结构与移动台之间的接口。g g s n 通过基于i p 协议的g p r s 骨干网 连接到s g s n ，是连接g s m 网络和外部分组交换网( 如i n t e m e t 和l a n ) 的网 关。 优点：传输速度快，永远在线，按流量计费，登录快速。 缺点：工业应用相对较少。 1 0 浙江大学硕士学位论文 1 。5 远程通信方式的选择 1 5 1 远程通信方式的比较 对流量计进行远程维护，关键还是实现流量计和监控端之间的通信，因此需 要从众多的通信方式中选择合适的通信方式来构建本系统，选择较好的通信方 式，是本设计成败的关键。在上文介绍各种通信方式的基础上，本文将对各种通 信方式进行比较，以选择流量计远程维护系统的远程通信方式。 从无线和有线的角度考虑，由于本系统是为了解决流量计维护的困难，采用 无线方式具有物理布线不受环境条件限制、不存在通信设备受自然条件损坏、成 本较低、系统扩展容易的优势，所以流量计远程维护的通信方法将在无线仪表通 信的方式中选取。 在无线通信中g p r s 通信方式和电台方式、无线集群数传方式、g s m 短消 息通信方式、c d m a 通信方式等几种通信方式相比，都有明显的优势，下面从 开发成本、网络范围、传输性能及可靠性等方面，将g p r s 方式和其他方式进行 比较： ( 1 ) g p r s 方式和电台方式 成本方面：g p r s 方式通信需要用到g p r s 模块相对于电台模块来说价格便 宜很多，而且电台方式维修也比较困难，需要专业人士进行维修和维护，因此维 护费用比较大。 网络覆盖范围：从网络覆盖范围讲，g p r s 利用中国移动的公网资源，网络 覆盖广，性能稳定，而电台方式的传输距离都在1 0 0 k m 以内，范围有限。 传输性能及可靠性：g p r s 利用中国移动公网，传输可靠性高，运行可靠； 电台方式则容易受到各方面的干扰，特别是相邻频率的两个电台，相互干扰强烈， 小型电台的传输速率也没有g p r s 通信方式快。 ( 2 ) g p r s 方式和无线集群通信方式 成本：集群方式属于专用的移动通信网络，需要较高的成本，而且无线集群 保养和维护的成本也比较高。 网络覆盖范围：从网络覆盖范围来讲，无线集群属于专用的移动通信网络， 因此网络覆盖范围有限，不利于系统的扩展。而g p r s 网络覆盖范围很广，中国 移动的g p r s 网络基本覆盖了国内的大部分地区。 传输性能及可靠性：集群方式更好的利用了信道效率，能自动选择信道，而 g p r s 利用了成熟的公网资源，因此两者的传输性能都比较稳定，可靠性比较高。 ( 3 ) g p r s 和g s m 短消息方式 成本：成本来说g p r s 方式通信和短消息方式通信都需要g s m 模块，带有 浙江大学硕士学位论文 g p r s 功能的g s m 模块的价格相对于g s m 模块稍高，但不是很多。从传输的数 据角度讲，g p r s 按照流量收费，比相同信息量的短消息要便宜。 网络覆盖范围：国内g s m 网络的覆盖范围内都覆盖了g p r s 网络。 传输性能和可靠性：相对g p r s 而言，短消息通信方式的传输滞后较大，不 利于系统的实时性；传输速度上，短消息为半双工通信，g p r s 为全双工通信， 而且g p r s 的传输速率要高很多；从通信的信息量上来讲，每条段消息只能传送 1 4 0 字节( 1 6 0 个7 b i t 字符) 或7 0 个u m c o d e 字符( 1 4 0 b y t e o 数据，而g p r s 通信方 式则可以大量的传送数据；从可靠性的角度讲，g p r s 方式也更为可靠，短消息 方式通常在节假日等时期网络繁忙，而造成信道拥挤，造成严重滞后，而g p r s 通信方式不存在这个问题，而且g p r s 通信方式可以接入i n t 曲1 e t 。 ( 4 ) g p r s 和c d m a 通信方式 成本：从硬件的成本角度考虑，g p r s 模块的成本相对c d m a 模块的成本 来说要低很多；从通信的费用来看，都采用按照流量收费的方式，价格相当。 网络覆盖范围：就国内而言，g p r s 网络的覆盖范围要比c d m a 网络的覆 盖率稍高。 传输性能和可靠性：相对g p r s 方式而言c d m a 的传输速度较快，但g p r s 通信方式的传输速度足可以满足本系统的通信要求；从可靠性角度而言两者都很 不错。两者都支持i p 协议，可以接入h t e r n e t 。 综上所述，g p r s 向用户提供了一种高效、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。就本系统而言，g p r s 通信方式从成本、可靠性、性能等方面都可以满 足应用的要求，而且g p r s 通信方式可以和h t e r n e t 进行无缝连接，远程维护计 算机就可以直接通过h t e r n e t 网和无线通信网关进行通信了，这将大大方便系统 的开发，因此将采用g p r s 通信的方式来对流量计进行远程维护。 具体的实现方式是选取g p r s 手机模块作为无线通信网关的无线模块，通过 g p r s 手机模块使无线通信网关接入g p r s 网络和i n t e r n e t 网。g p r s 手机模块 通常提供一个通用的计算机接口来和处理器进行通信，并用a t 指令集进行控制， 很多著名的手机厂商都开始生产g p r s 手机模块，如m o t o r o l a ，s i e m e n s ， w a v e c o m 等，根据不同的应用，有很多型号的g p r s 手机模块选择。本文将 在第3 章详细介绍g p r s 手机模块的选型。 1 5 2g p r s 技术概述 g p r s 是一种基于分组交换传输数据的高效率方式，采用t d m a ( 币m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，时分多址) 的方式传输语音，采用分组的方式传输数 据的技术，通常简称2 5 g ，是g s m 朝着3 g 迈进的过渡系统。g p r s 不是在现 浙江大学硕士学位论文 有g s m 网络基础上叠加一个新的网络，而是充分利用了现有的移动通信网的设 备，在g s m 网络上增加一个些硬件设备和网络升级的一个新的网络实体，允许 用户在分组交换模式下发送和接收数据，从而提供了一种高效、低成本的无线分 组数据业务，与g s m 相比，g p r s 在数据业务的承载和支持上都具有明显的优 势，使得包括图片、话音和视频的多媒体业务成为现实。 图1 1g p r s 网络结构 g p r s 的网络结构如图1 1 所示，g p r s 是通过在g s m 系统中增加s g s n 、 g g s n 两个功能实体来实现的，从而使得用户能够在端到端的分组模式下能够发 送和接收数据，每载频的传输速率最高为1 6 0 k b p s 。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，包含关于这个移动终端的移动性和安全性方面的信 息。s g s n 的主要作用就是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和s g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。g g s n 主要是起网关作用，它可以和多种 不同的数据网络连接，如i s d n 、p s p d n 和l a n 等。有的文献中，把g g s n 称 为g p r s 路由器，g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转换， 从而可以把这些分组数据包传送到远端的t c p ，i p 或x 2 5 网络。s g s n 与g g s n 的功能既可以由一个物理节点全部实现，也可以在不同的物理节点上分别实现。 它们都应有i p 路由功能，并能与i p 路由器相连。当s g s n 与g g s n 位于不同的 p l m n ( p u b l