（计算机应用技术专业论文）网络化城市供水监测与调度系统的研究与实现.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 在我国中小城市供水调度系统中，各管网监测点分布范围广、数量多、距离远、不集 中，并且基于数传电台的数据采集及传送易出错，所以传统的监测方式已经很难满足需求。 在调度供水时，由于没有高效的用水量预测方法，也很难给调度决策提供有力的支持。因 此实现无线远程数据采集和可靠传输以及采用一种高效的用水量预测方法变得十分必要。 本文首先对城市供水调度系统的现状进行了深入的研究和分析，并归纳了s m s 的几大 优点：开通方便、收费低廉、随时随地等。接着在对s m s 的实现原理进行了分析的前提下， 给出了网络化城市供水就监测与调度系统的总体方案，并对系统的硬件和软件部分分别进 行了设计。 然后在对城市用水量的规律进行研究和分析的基础上，结合混沌理论和人工神经网络 算法实现了用水量的预测。 最后，对本文的研究工作和创新点进行了总结，并进一步指出了下一步工作的研究方 向。 本文的创造性工作主要如下： 1 、系统通讯协议的设计。本文创新运用了利用在短信封装协议中设置短信序号以及 时标的方法，避免了短信发送过程中由于固有时延产生短信接收顺序错乱的问题。同时， 为了系统更稳定、更可靠地工作，设计了上位机模块和下位机模块以半双工方式进行通信 的协议。 2 、提出了一种新的用水量预测方法。针对城市用水量的混沌特性，提出了基于混沌 时间序列模型并结合人工神经网络算法对用水量预测的方法，利用该方法能够较为准确的 实现尺度为7 天的用水量预报。 本文重点解决了城市供水调度运营系统中数据稳定、可靠无线远传问题。通过对收集 数据的分析，应用基于混沌时间序列模型并结合人工神经网络算法对用水量进行预测，经 实验证实用水量预测误差率较低，为优化供水调度提供了新的手段。 关键词：短消息服务；城市供水；用水量预测；单片机；优化调度 网络化城市供水监测与调度系统的研究 a b s t r a c t t h eu r b a nw a t e rs u p p l yh a st h ed i s a d v a n t a g e so fw i d ed i s t r i b u t i o na r e a ，l a r g eq u a n t i t y , l o n gd i s t a n c e ， d i s p e r s i v et e r m i n a l s ，a n du n s t a b l e ，b l u n d e r i n gc o l l e c t i o no fd a t ab a s e do nb r o a d c a s t i n gs t a t i o n t r a n s m i s s i o n t h et r a d i t i o n a lm e t h o di sh a r dt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t a l s o ，t h ei n e f f e c t i v e p r e d i c t i o no fw a t e ru s a g ec a nn o tp r o v i d el i b e r a l l yf o rt h e c o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r e ，i ti sv e r y n e c e s s a r yt or e a l i z et h ew i r e l e s s ，l o n gr a n g ed a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o na n de m p l o ya n e f f e c t i v ew a yt op r e d i c tw a t e rc o n s u m p t i o n f i r s t l y , i tg i v e sad e e pr e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h eu r b a nw a t e rs u p p l ya n ds u m m a r i z e st h e a d v a n t a g e s ：c o n n e c tc o n v e n i e n c e ，l o w c o s t ，a n y t i m ea n da n y w h e r ee t c t h e n ，a f t e ra n a l y z i n gt h e t h e o r e mo na c c o m p l i s h m e n to fs m s ，w e p r o p o s e dt h ew h o l es c h e m eo fn e t w o r k i n gu r b a n w a t e r s u p p l ya n dd i s p a t c hs y s t e ma n dd e s i g n e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e ms e p a r a t e l y s e c o n d l y , b a s e do nt h es t u d ya n da n a l y s i so ft h eu r b a ns u p p l yw a t e r , c o n s u m p t i o nc a nb e p r e d i c t e da c c o r d i n gt ot h ei d e ao fc h a o sa n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h m f i n a l l y , t h er e s e a r c ha n di n n o v a t i o no ft h i st h e s i sa r es u m m a r i z e d ，a n dt h er e s e a r c ho fn e x t t h ek e yp o i n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h es y s t e mc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw a sd e s i g n e d t om a k et h es y s t e mo p e r a t ee f f i c i e n t l y a n ds t a b l y ，w ed e s i g nh a l f - d u p l e xc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h el o w e r - c o m p u t e ra n dt h e u p p e r - c o m p u t e r w h e nr e c e i v i n gt h es m s ，i tc a na v o i dt h ew r o n go r d e rb ys e t t i n gt h es m si d a n dt h et i m e f l a gi nt h es m s e n c a p s u l a t i o np r o t o c 0 1 2 an e wm e t h o do fw a t e rc o n s u m p t i o nf o r e c a s tw a sp r o p o s e d ，w h i c hw a sb a s e do nt h em o d e lo f t h ec h a o st i m e s e q u e n c ea n dc o m b i n e da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h m i tc a np r e d i c tt h e i n t e l l i g e n tw a t e rc o n s u m p t i o n t h em e t h o dc a np r e d i c t7 - d a y w a t e rc o n s u m p t i o ne f f e c t i v e l y t h er e s e a r c hm a i n l yr e s o l v e st h ep r o b l e mo fw i r e l e s sr e m o t et r a n s m i s s i o no fd a t a a n dw e p u tf o r w a r dan e wm e t h o df o rp r e d i c t i n gt h ew a t e rc o n s u m p t i o nw i t ha r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a l g o r i t h mu s i n gt h em o d e lo ft h ec h a o st i m e s e q u e n c e ；t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ee r r o ri sl o w i to p t i m i z e su r b a nw a t e rs u p p l yi n d u s t r y 1 1 浙江理：i ：大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：s m s ；u r b a nw a t e rs u p p l yi n d u s t r y ；f o r e c a s to fw a t e rc o n s u m p t i o n ；s i n g l e c h i p c o m p u t e r ；o p t i m a lo p e r a t i o n i i i 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：钰。钞 日期：别瞄年够月日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 保密口，在年解密后使用本版权书。 不保密口 霭谚 1 3 1 ；t a ：卅年年月同 特撕虢纰呔 日期：硝年名月f 日 浙江理1 ：大学硕士学位论文 1 1 课题研究的目的、意义 第一章引言 水是世界上最宝贵的资源之一。目i i 全世界的淡水资源仅占其总水量的2 5 ，其中7 0 以上被冻结在南极和北极，人类真正能够利用的淡水资源是江河湖泊和地下水中的一部 分，约占地球总水量的0 2 6 【1 】。而目前国内很多中小城市的供水调度系统效率极低，这造 成了居民用水的不方便以及大量浪费。 随着社会经济的不断发展，必然促使供水系统供水水平的不断提高。它以提高供水质 量，提高供水系统安全，降低管道漏水所造成的损失这一综合效益为目标。为了达到这一 目标，要求供水调度系统从设计和选型上就必须考虑到水厂、管网和管理信息系统的一体 化和配套完整性，因此对于生产过程自动化和现代化检测技术的需求，对于供水调度远程 监控和数据采集监测系统的需求也就随之而来。 供水管网是供水系统的重要组成部分，它担负着把水安全可靠的配送到用户，并满足 水量、水压、水质的要求。管网一旦出现事故，将给人民生活带来极大的不便，给社会生 产带来极大的损失。因此，使供水管网优化运行，对于合理供水和节约能源起到了至关重 要的作用。而城市供水管网的优化运行则取决于城市供水调度监测系统的运用，即对供水 各环节监测点的数据采集。 现在已经有利用公用电话网技术实现的监测系统，但由于自来水管道分布区域广，采 用有线方式的话需要在现场和检测中心之间架设大量的传输电缆，特别是对一些老旧设 施，交换机电话门数有限的单位，布线就会更加困难，这无疑增加了成本，而且很多外界 因素的影响，如鼠咬等，会对电缆传输产生干扰，对计量型产品来说，这种干扰是不允许 的。 为此提出一种基于无线通信的g s m 模块和单片机技术实现网络化，智能化的城市供水 监测与调度系统。为了符合产品的计量要求，保证传输过程中数据的准确性和实时性，提 出了一套完整可靠的终端与数据中心，以及数据中心与智能水表之间的通信协议。 网络化城市供水监测与调度系统的研究 1 2 目前国内外的研究现状 1 2 1 我国城市供水的发展概况 我国城市供水调度8 0 年代初开始起步，8 0 年代中期微机及无线通讯在调度中开始产生 实效，至今已有很大的发展。总体上说，供水调度系统主要通过通信组网方式、自动化控 制程度、系统软件功能来实现整个系统的升级换代 2 - 3 】。 早在上世纪7 0 年代以前，我国大部分供水调度系统采用人工方式进行指挥。通常情况 下，在管网中的加压站、水压控制点设专人二十四小时值班，调度中心通过电话与其联系 以获取实时的管网压力数据，根据压力情况和经验来指挥水厂调节送水量，这种调度方式 的弊端：一是数据采集慢，二是数据采集的不准确。因此，收集信息数量少、处理慢、传 递迟，调度处于低级阶段，以保证不缺水和维持正常运行为主，谈不上优化调度。遇上爆 漏等突发事故，还会因为反映迟钝而使损失扩大。到了上世纪8 0 年代，随着科学技术的发 展，国内一些科研单位和高校研制出供水调度实时自动采集控制系统，又称为“三遥系 统”( 即遥测、遥控、遥讯系统) ，主要由管网终端机、数传电台、远传压力表、中心台控制 器以及模拟屏等几部分组成，以实现数据自动采集和传输。但是系统主要采用c m o s 集成 电路为主，结构复杂，故障率高，可用性及维护性都较差。 到了9 0 年代，微型计算机技术的发展带来了新的s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t a a c q u i s i t i o n ) 系统，即数据采集与监视控制系统。并应用于供水调度系统中，成为调度人员 获取实时管网数据的重要手段。这种系统的组成结构与之前的“三遥系统”类似，但是采用 了更加可靠的微机及单片机来取代集成电路芯片控制器，采用软件取代硬件接线以实现控 制逻辑，使得系统可靠性大大提高，方便地实现了数据的存储、快速检索和复杂分析功能。 几十年来，我国城市供水行业虽然有了很大发展，各方面成就显著，但仍然存在一 些问题，与发达国家相比还有一定差距。主要问题有： 一是发展不平衡，国内一些大城市运用了较先进的s c a d a 系统，而大多数自来水公司 均采取原始供水调度方法，西部地区特别是一些县镇的供水还比较落后； 二是水污染严重，水资源短缺，特别是北方地区，全国城市资源性和水质性缺水并存； 三是改革相对滞后且不够规范，有的城市对供水行业实行改革，不是从有利于企业和 行业长远发展的大局出发，而是单纯为了甩包袱或筹集资金，或者只追求形式上变化而无 实质内容的改革； 四是行业管理水平不高，企业经营机制落后； 2 浙江理：i ：大学硕： ：学位论文 五是城市供水水质标准不高，监管措施还不够有力。 1 2 2 国外城市供水研究状况 国外自6 0 年代起，在一些发达国家就开始了以计算机作为供水系统控制管理的探索， 比如象美国的费城，丹佛以及加拿大的多伦多等城市，就是采用遥测设备将管网中控制点 的压力，水厂出厂压力、出厂流量、水位、功率及温度等实际运行参数自动实时地传送到 中心控制室，并对超常现象作出自动报警，依此作为控制人员实际操作的依据。尤其是自 八十年代以来，微电子等现代科技高速发展，水工业专用检测仪表与装备不断发展与完善， 相应地推动供水系统的自动监控技术的迅猛发展。加之西方发达国家雄厚经济实力与技术 基础，供水系统的自动监控已得到普遍应用。一些水厂已实现全自动化运行：建立了完整的 水质在线连续监测系统，应用各种可靠的水质分析仪器仪表，实现对源水、处理过程中的 水和处理后的水进行连续监测，对生产工艺的各个环节自动地监测、调节、记录、报警等 在 寸。 国外的供水系统调度运营普遍利用计算机系统完成。其功能是通过遥测系统，把供水 系统的关键点的实际压力值遥测采集到调度中心，利用计算机进行计算、预测和决策，然 后遥控调整水厂的供水( 或控制阀门) ，以使供水系统的关键点达到要求的水质、水量保证 值。同时在供水系统发生如爆管、漏水等事故时，可以自动地进行分析做出合理的处理决 策，以保证供水系统安全、经济的运营。目前在美国、英国、只本、法国等地的一些城市 小区己基本上实现了供水系统的计算机优化管理，并取得了显著的社会效益。 目前国内许多大城市水厂也采用了计算机监控系统f 4 棚，但运营水平较低。并且由于国 外设备价格偏高，应用软件汉化程度低使得相应运行成本高、使用难、维护难，因此国内 一般自来水公司难以承受。 1 2 3 网络化城市供水监测与调度系统的发展 随着无线通信技术【7 名1 的不断提高，利用移动运营商提供的无线网络实现供水监测与调 度，是远程供水监测与调度系统的一个重要方向。 g s m t 9 - 1 2 l ( 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 ) 系统是目前基于时分多址技术的移 动通讯体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统。目前已建成的覆盖全国的g s m 数 字蜂窝移动通信网，是我国公众移动通信网的主要方式。主要提供话音、短信息、数据等 多种业务。基于g s m 短消息功能可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令的数据 网络化城市供水监测与调度系统的研究 通信系统，能广泛用于远程监控、定位导航、个人通信终端等。由于公众g s m 网络在全球 范围内实现了联网和漫游，建立上述系统不须再组建专用通信网络，所以具有实时传输数 据功能的短消息应用将得到迅速普及。 采用公用电话网的方式拨号时间比较长，且受电话门数的限制，轮询时间也比较长， 传输过程中也容易出现错误，每次接通都需要0 2 元。由于g s m 网络的通信技术已经成熟， 覆盖面又广，利用s m s 无线通信方式可以实现短信群发，而且不易出错，每次可以发送1 6 0 字节或7 0 个汉字，每次只需0 1 元，如果通过包月方式成本会更低。这是一种很有潜力的远 程控制方案，其特点是成本低，不需要重新组网，方案无需变更就可以推广到不同地域使 用。 1 3 课题研究内容和方法 本课题研究的主要内容是：将计算机技术、智能仪器仪表技术、传感器技术、现代电 子技术和通讯技术相结合，开发一套用于城市供水网络的监测与调度系统，在g s m 网络的 基础上设计一个稳定可靠的通信协议，以实现城市供水调度运营系统中数据进行稳定、可 靠的无线远传。并在采集到的数据分析的基础上利用混沌时间序列模型，结合人工神经网 络算法对用水量预测进行了研究，为供水调度的优化运行提供可靠的依据。 系统主要分为软件设计和硬件设计，重点对通信协议以及用水量预测模型进行了研 究。 通信协议设计：包括半双工通信协议的实现和短信封装协议的实现。重点对短信封装 协议进行了设计。由于g s m 网络固有的时延，有可能会发生过期指令被执行而造成误 操作以及短信接收顺序错乱而可能引发的误操作等，本文通过在协议中设置时间标签 及短信序号，能有效的防止上述错误的出现，从而提高系统的稳定性。 用水量预测：应用基于混沌时间序列模型的用水量进行预测。分别对两种不同的网络 结构( 1 三明个输入神经元人工神经网络预测和m ：2 m ：m ：l 的人工神经网络预测) 进行学 习预测，得到一种误差率低、效率好的预测方法。 硬件部分主要研究为改进远传水表。远传水表本身具有监测管网流量与压力值的功能， 再在水表上增加时间差报漏电路、单片机模块以及无线通信模块，实现把单片机模块 采集到的流量、压力值及漏水报警信息等参数通过无线通信模块发送给上位机( 基站) 。 软件部分研究的主要内容包括符合无线通信协议的上下位机的软件开发。其中，下位 机把单片机采集到的信息以短信形式进行封装并通过g s m 模块发送给上位机，对上位 4 浙江理1 ：大学硕士学位论文 机发的控制命令进行解析并执行相关操作。上位机接收来自下位机的数据，并对数据 进行存储和管理，通过用户友好界面实现数据分析和查询，报警处理以及用水量预测。 文章共分七章，重点为第三、五、六章。各章节具体内容安排如下： 第一章，绪论。介绍课题研究的背景及意义，即国内外城市供水系统测控与调度的发 展及研究现状。 第二章，s m s 原理。对于系统的运行平台及s m s 的原理做简单介绍，并通过实例分析 短消息的发送接收。 第三章，系统总体方案设计。主要介绍了基于g s m 短消息业务的城市供水系统测控与 调度的总体设计方案、系统总体设计原则和系统优点，并就系统的安全性和数据可靠性等 进行研究并设计出了一套稳定可靠的通信协议。 第四章，系统硬件设计。主要是改进远传水表，利用单片机系统进行数据采集，并通 过g s m 模块把数据发送给基站。 第五章，系统软件设计。主要实现上下位机软件设计：下位机( 单片机系统) 接受来自 基站的控制信息，并把采集到的数据以系统规定格式封装成短信息，通过g s m 模块发送给 基站；基站分析并处理相关数据。 第六章，城市用水量预测及优化供水调度。通过分析发现城市用水量具有混沌特性， 提出了基于混沌时间序列模型进行用水量预测方法，为优化供水调度提供了新的手段。 第七章，结论与展望。 该系统的软件设计中，单片机系统部分( 下位机部分) 采用c 语言编写，这样在实现复杂 的运算时，可以比汇编语言更简单、快捷；而上位机监测软件用d e l p h i 实现。 5 网络化城市供水监测与调度系统的研究 2 1s m s 介绍 2 1 1 短消息服务概况 第二章s m s 原理 当今的无线移动设备，尤其是手提电话，主要使用以下三种无线服务标准：短信息服 务( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ，s m s ) ，增强信息服务( e n h a n c e dm e s s a g es e r v i c e ，e m s ) 和多媒体 信息服务( m u l t i m e d i am e s s a g es e r v i c em m s ) 。 s m s l l 3 - 1 4 1 是全球移动通信系统( 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 s ，g s m ) 提供给 用户的一种数字业务，它与话音传输及传真一样同为g s m 网络提供的主要电信业务，s m s 的收发占用的是g s m 网络的信令信道，不会占用普通话音信道，而且它是双向通信，具有 一定的交互能力。s m s 具有较高的可靠性，它有两大特点：存储转发机制，即传送数据包 的工作由移动网络中的短消息中一i , , ( s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t r es m s c ) 而不是终端用户来 完成，如果用户不在服务区内，短消息就被存储在短消息中心；传递确认机制，在电路交 换数据环境中，用户能够知道连接是否完成以及数据传递的情况。一条短消息可以包含 1 6 0 个英文字符( 7 - b i t 编码) 或7 0 个非拉丁字母( 1 6 一b i t 编码) ，如中文汉字或阿拉伯字等 u n i c o d e 编码。 e m s 是s m s 的新版本。e m s 的优势是除了可以像s m s 那样发送文本短消息之外，还可 以发简单的图像、声音和动画等信息，而且仍然可以运行在原有s m s 运行的网络上，发送 途径和操作也没有差别。该标准属于开放式的，任何对e m s 感兴趣的第三方公司或个人都 可以在此平台上开发应用软件和服务。 m m s 是目前短信技术开发最高标准的一种。它最大的特色就是可以支持多媒体功能， 借助高速传输技术g s m 增强数据流量法( e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s me r o l u t i o n ，e d c e ) 全 局分组无线服务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，g p r s ) ，以无线应用通讯协议( w i r e l e s s a p p l i c a t i o np r o t o c o l ，w a p ) 为载体传送视频片段、图片、声音和文字，不仅可以在手机之 间进行多媒体传输，而且可以在手机和电脑之间传输。其短消息容量平均为3 万字节，最 高可达1 0 万字节。 s m s 可以与话音、数据、传真等业务一起进行同步传输。由于s m s 是非对称业务，它 使用s s 7 信令通道传输数据分组，所以即使在业务信息处于高峰期的情况下，照样可以使 6 浙江理。j ：人学硕士学位论文 用短消息顺利通信，s m s 还可以实现全国和国际漫游。s m s 属于g s m 的第一阶段的标准， 但是目前s m s 已经被集成到了很多网络标准中，g s m ，c d m a ，t d m a ，p h s ，p d c 等移 动网络都支持s m s ，这就使得s m s 成为一项非常普及的移动数据业务。 短消息业务按其实现的方式可以分为点到点短消息业务和小区广播短消息业务。点到 点短消息业务是通过移动业务起始( m o b i l eo r i g i n ，m o ) 和移动业务终止( m o b i l et e r m i n a l ， m t ) 将一条短消息从一个实体发送到指定目的地址的业务。而小区广播短消息业务则是指 通过发送信息的基站向指定区域中所有短消息用户发送短消息业务。因此根据不同的要求 和情况可以采用不同的实现方式短消息业务。 2 1 2s m s 网络结构及功能 一个短消息传输网络是由移动交换中心【1 4 - 1 6 l ( m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ，m s c ) 、s m s i 网 关( s m s g a t e w a ym o b i l es e r v i c e sc e n t e r ，s m c g w m s 或s m c g m s c ) 、位置归属寄存器 ( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ，h l r ) 、访问位置寄存- 器( v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ，v l r ) 和短信息 服务中一i 二, s m s c 、以及短消息实体( s h o r tm e s s a g ee n t i t y ，s m e ) 和移动台m s 等部分组成的。 图2 is m s 网络结构 短消息实体s m e ：接收和发送短消息的实体，包括移动用户、固网用户、语音信箱、 信息点播平台和i n t e m e t 等； 短信息服务中心s m s c ：负责在基站和s m e 间中继、存储或转发短消息； 移动交换中一i 二 m s c ：负责系统切换管理，并控制来自或发向其它电话或数据系统的拨 叫； s m s 网关s m c g w m s ：接收由s m s c 发送的短消息，向h l r 查询路由信息，并将短消 息传送给接收者所在基站的交换中心； 7 网络化城市供水监测与调度系统的研究 归属位置寄存器h l r ：用于永久存储由s m s c 产生的管理用户和服务记录的重要数据 库。s m s 网关与h l r 之间的协议使前者可以要求h l r 搜索可找到的用户地址。它与 m s c 、h l r 之间的协议一起，能在移动台因超出覆盖区而丢失报文、随后又找到时， 加以提示； 访问位置寄存器v l r ：含有用户临时信息的数据库，以便交换中心服务访问用户时使 用这些信息。 2 1 3 信令系统 任何通信网都离不开信令系统。它可以知道终端、交换系统及传输系统协同运行，在 指定的终端之间建立临时通信信道，并维护网路本身正常运行。通信网中采取何种信令方 式，与交换局采用的控制技术密切相关。随着交换技术的由步进制、纵横制向程控制发展， 信令系统也从随路信令向公共信道信令发展。我国目前的通信网是数模混合的，所以我国 目前的信令系统也处于随路信令和公共信道信令并存，随路信令逐步向公共信道信令发展 的阶段。按照信令的信道来分类，信令可以分为：随路信令和公共信道信令。随路信令： 信令和话音在同一条话路中传送的信令方式。目前我国采用的随路信令称为中国1 号信令 系统。公共信道信令：以时分方式在一条高速数据链路上传送一群话路的信令方式。通常 用于局间。目前我国采用的公共信道信令就是中国7 号信令f 】。7 号信令的特点是：信令速 度快，具有提供大量信令的潜力，具有改变和增加信令的灵活性，便于开放新业务，在通 话时可以随意处理信令，成本低。目前得到广泛应用。 c c i t t 自1 9 8 0 年提出7 号信令黄皮书，先后多次修正，至1 9 9 3 年提出白皮书。中国7 号 信令规范于1 9 9 0 年8 月实施，该规范是以c c i t t 于1 9 8 8 年颁布的蓝皮书为参考制订的，只在 电话网中使用，即只采用了消息传递部分( m t p ) 和电话用户部分( t u p ) 。 7 号信令网的基本特点： 链路组成： 信号点：在信号网中的下列节点为信号点 交换局 操作管理和维护中心 信号转接点 信号点的标识应由信号点编码计划中规定的编码来识别。 信号链路： 8 浙江理工大学硕士学位论文 n o 7 ( 7 号信令) 信号方式是利用信号链路在两个信号点之间传递消息，直接连接两个信 号点( 作为模块应用) 的一束信号链路构成一个信号链路组，一个链路组通常包括所有并行 的信号链路，但也可能在两个信号之间设几个相互平行的链路组。链路组内特性( 如数据链 路速率) 相同的一群链路称为链路群( l i n kg r o u p ) 。从信号网结构的观点出发，由一个信号链 路组直接连接的两个信号点叫邻近信点，同理，非直接连接的信号点叫非邻近信号点。 信号点的方式： 产生消息的信号点( 即起源用户部分功能的位置) 为那一消息的起源点。消息到达的信 号点( 即接收用户部分功能的位置) 为那一消息的目的地点。将消息从一条信号链路再转到 另一条链路的信号点( 即既非起源用户部分功能也非接收用户部分功能) 称为信号转接点 ( s t p ) 。某一信号关系的两个信号点既是两点之间的双向交换消息的起源点，也是目的地点。 基本信号单元的格式在n o 7 ( 7 号信令) 信令中，信令消息是以信号单元的方式传送，而且采 用不等长的信号单元。 fic k i s i f s - 。n l ti 三i f s n l 茎i b s _ l f 81 6 8 n ( n _ 2 ) 82 6l7l78l a 消息信号单元格式首先发送的比特 f l c k l s f n l - 三l f s n 1 茎lb s n l f 81 6 8 或1 6 2 617l78l b 链路状态信号单元格式首先发送的比特 c 填充信号单兀格式首先发送的比特 图2 2 信号单元格式 b i b 后向表示语比特，l 1 长度表示语，b s n 后向序号，s f 状态字段，f i b 前向表 示语比特，s i f 信号信息字段，f s n 前向序号，s i o 业务信息八位位组，f 标志码，c k 校 验位 信令数据链路： 数字的信令数据链路中，采用6 4 k b p s 的传输速率。占用的时隙：一般利用p c m 传输系 统一次群的t s l 6 。既然1 号信令和7 号信令都是利用1 6 时隙传送信令，那么，如何区分随路 信令和公共信道信令呢? 1 号信令利用t s l 6 传送时，每个t s l 6 负责传送两个话路的线路信 令，t s l 6 和话路有着固定的一一对应关系。而7 号信令利用t s l 6 来传送时，只是将组成信 令单元的若干个8 位位组，依次插入t s l 6 ，t s l 6 并不知道传送的内容，即信令和话路没有 o 网络化城市供水监测与调度系统的研究 固定关系，只不过利用t s l 6 作为传送信令的载体，时传送信令消息的数据链路，因此，选 用哪个时隙做数据链路均可。这也是随路信令和公共信道信令的一个本质区别。 2 1 4 短消息收发过程 1 短消息发送 移动始发的短消息从移动台接入系统开始，到收到短消息中心发来的发送成功为止。 全过程如图2 3 所示。 图2 3 发送短消息流程 当某移动用户发送一条短消息时，处理该移动用户请求的移动业务中心( m s c ) 则从访 问位置寄存器( v l r ) 中获得用户的相关信息。当v l r 返回相关信息后，m s c 向交互移动业 务中( i w m s c ) 转发短消息。通过i w m s c ，把短消息送至s c ，s c 接收到短消息后，给i w m s c 发一确认消息，随后i w m s c 向m s c 发送转发完成的确认消息，最后m s c 告知移动用户短 消息已转发完成。 2 短消息接收 移动终结短消息的过程与移动用户被呼叫的过程类似。短消息中心s m s c 将收到的短 消息发送至关口g m s c ，g m s c 根据所收到的短消息内容向h l r 查询，取得发送短消息所 必须的路由信息，然后将短信传送给短信接收者所在的m s c 。然后，m s c 向v l r 申请要接 收短消息用户的信息，v l r 接到此消息后，则开始寻呼( 或寻找) 移动用户过程：首先，v l r 通过m s c 在其区域内寻呼移动用户，一旦用户被找着，m s c 就收到寻呼响应信息，并向v l r 返回寻找用户确认消息，v l r 得到此消息后，回送给m s c 申请用户信息的确认。m s c 收到 该消息后，则开始向用户转发短消息。转发完后，用户发一确认消息至m s c 。然后，m s c 1 0 浙江理i ：大学硕： ：学位论文 给g m s c 回一确认消息，最后g m s c 向s m s c 送确认信息，表明短消息己成功转发。接收短 消息的流程如图2 4 所示。 2 1 5s m s 的优点和局限性 图2 4 短消息接收 1 s m s 的优点 s m s 的优点【1 7 】彳艮多，从用户角度来讲主要有以下几点： 开通方便。人们己经厌倦了开通新业务时繁琐的手续，而短信息服务不需要申请， 所有的全球通手机都支持。用户只需要按动几个键，做一些简单的设定，就可以 享受这项服务了。 收费低廉。对于消费者而言，资费始终是首要关心的问题。不管是长途还是市内， 每发送一条短消息仅0 1 元，而且接收免费。虽然话音业务的资费在不断下调， 但与双向收费都是0 4 元分钟的话音业务相比，s m s 的价格优势不言而喻。 随时随地。短信息和电话不一样，打电话要求接听方同时在另一端，而短信息用 网络化城市供水监测与调度系统的研究 户可以随时随地发送短信，不必担心对方没有开机或是不在服务区，因此，可以 随时随地建立连接。 文字的特殊魅力。现代社会的通信发展使人们习惯于打电话，逐渐疏于传统的用 文字来交流的方式，在某些场合，文字有着语音无法替代的效果。 从技术角度来看，还有如下几个优点： 能够保障传输中的安全。如果用户使用s t k 卡，那么短信息在发送之前，可以通 过s t k 卡将信息加密后进行传输。在到达目的地后由接收者将信息解密，实现了 点到点的信息安全保障。 可以实现推( p u s h ) 和拉( p u l l ) 两种不同的工作模式。用户定制信息就是一种p u s h 的 工作方式，服务提供商将用户定制的信息直接推送给用户；而用户点播信息则是 一种p u l l 的工作方式，接受方服务提供商立即响应用户的请求。 能承载多种数据。 2 s m s 的局限性 由于s m s 属于g s m 第一阶段的标准，不可避免地存在局限性，主要包括以下几点： 消息长度有限；由于g s m 的协议规范规定，s m s 消息长度不得超过1 6 0 个字符， 如果发送的服务信息太长，则需要拆分成多个消息分段。分段的结果就使得s m s 较其它同类服务的成本高。 接口规范混乱。很多s m s 运营商和应用开发商采用的都是专有协议，这显然不利 于短信息市场的发展，为了实现不同的s m s 中心之间的互操作，需要统一许多不 同的接口规范。 g s m 0 3 4 0 中定义的s m s 协议数据单元固定了各种首部域，效率不高，使s m s 的 适应能力大打折扣。 数据传输率低，等待时间较长。因为s m s 使用的是速率较慢的信令信道，所以传 输速率低。 2 2s m s 实现原理 2 2 1a t 指令介绍 g s m 0 7 0 5 规定的a t 指令集是欧洲通信技术委员会( e t s d 发布的。a t 命令集中几乎所 有的指令都以a t 开始，以回车结尾。每个命令执行成功与否都有相应的返回( 返回结果码 1 2 浙江理丁大学硕十学位论文 的类型、格式等可设置) 。其他一些非预期的信息( 如有人拨号进来，线路无信号等) ，模块 将有对应的一些信息提示，接收端可以做相应的处理。a t 指令集主要有常用命令，呼叫控 制命令、网络服务命令、安全命令、电话簿命令、短消息命令、数据和传真命令等。利用 短信模块的串行接口收发一系列的a t 命令，就能达到控制手机模块收发短信的目的。 g s m 0 7 0 5 中用于短信收发控制的主要a t 命令见下表2 1 。 表2 1 相关的g s ma t 指令 a t 指令功能 a t + c m g c a t + c m g s a t + c m g l a t + c m g r a t + c m g d a t + c m g f a t + c m g w a t + c m s s a t + c n m i a t + c p m s a t + c s c a a t + c s c b a t + c s m p a t + c s m s s e n da l ls m sc o m m a n d ( 发出一条短消息命令) s e n ds m sm e s s a g e ( 发送短消息) l i s ts m s m e s s a g ef r o mp r e f e r r e ds t o r e ( 3 i j 出s i m 每中的短消息：旺未读，l 一已读，2 一 待发，3 一已发，仁全部的短消息) r e a ds m s m e s s a g e ( 读短消息) d e l e t es m sm e s s a g e ( 删除s i m 卡内存的短消息) s e l e c ts m sm e s s a g ef o r m ( 选择短消息信息格式：旺p d u 模式；1 一文本模式) w r i t es m sm e s s a g et om 锄o r y ( 向s i m 内存中写入待发的短消息) s e n ds m s m e s s a g ef r o ms t o r a g e ( 从s i m 内存中发送短消息) n e ws m s m e s s a g ei n d i c a t i o n s ( 显示新收到的短消息) p r e f e r r e ds m sm e s s a g es t o r a g e ( 选择短消息内存) s m ss e r v i c ec e n t e ra d d r e s s ( 短消息中心地址) s e l e c tc e l lb r o a d c a s tm e s s a g e s ( 选择蜂窝广播消息) s e ts m st e x tm o d ep a r a m e t e r s ( 设置短消息文本模式参数) s e l e c tm e s s a g es e r v i c e ( 选择短消息服务) 2 2 1p d u 模式下短消息收发流程 根据g s m 0 7 0 5 的定义，短信模块通过异步通信接口实现对s m s 的控制共有三种接入协 议：b l o c km o d e ，t e x tm o d e 和p d um o d e 1 9 - 2 1 1 。b l o c km o d e 目前已经很少用，趋于淘汰。t e x t m o d e 是纯文本方式，可使用不同的字符集，主要用于欧美地区。从技术上来说也可用来发 送中文短消息，但国内手机基本不支持。p d um o d e 被所有手机支持，应用最为广泛，基 本上全国所有的电信局都提供支持p d um o d e 的短消息业务。为了保证系统具有广泛的适 用性，本设计中采用p d u 模式收发短消息。 p d u 相当于一个数据包，表面上是一串a s c i i 码，由o 9 ，a f 这些数字和字母组成。 p d u 串作为一种数据单元，不仅包含可显示的消息本身，还包含很多其它信息，如短信服 1 3 网络化城市供水监测与调度系统的研究 务中心号码、源目的地址、保护( 有效) 时问、数据格式、协议类型，它们都以十六进制表 示。p d u 串的结构根据短消息由移动终端发起或以移动终端为目的而不同： 当由移动