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g p r s 通信在远程地温监测系统中的应用 学科：信号与信息处理 研 指 铁路沿线的g s m r 网络的g p r s 方式进行监测数据无线通信的技术方案及实现。 青藏铁路穿越常年冻土区，且大部分区域为无人区。冻土温度的变化会影响铁路运 行的安全。因此，需要对冻土区的温度进行长期监测，进行数据采集并建立数据库，便于 进行系统分析。但在青藏铁路采用有线通信不现实，所以有必要采用自动采集、远程无线 通信的监测系统，其中无线数据通信是系统的关键。本课题研究如何利用g p r s 通信技术 实现监测终端和监测中心进行无线数据通信。 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 ) 通用分组无线业务是g s m 系统上发展出来的 一种瓤的承载业务，非常适用于频繁小容量数据传输及个别的大容量数据传输。本课题描 述了在青藏铁路沿线的g s m r 网络中利用g p r s 来实现无线数据传输实现过程。在论文 中阐述了总体方案设计和监控平台的建立，其中关键技术是无线数据通信和低功耗设计两 个方面。在无线数据通信方面，采用了g s m r 网络中的g p r s 无线数据通信技术。文中 详细描述了g p r s 终端通信的软件设计，包括g p r s 链路的建立方法和流程。系统由a r m 处理器控制通信模块，经附着网络、启动g p r s 连接和打开链路等关键步骤完成一次通信 建立；在低功耗设计方面，采用了具有低功耗模式的a r m 处理器和超低功耗的m s p 4 3 0 相结合的双核模式。m s p 4 3 0 负责监控终端的电源管理，连续工作；a r m 处理器负责监 控终端从休眠模式唤醒后各个功能模块的协调工作，间歇工作。无线数据传输和低功耗保 证了监控终端可以长期工作，最终实现了g p r s 无线数据传输终端在远程地温监控系统中 的应用。 实践证明该系统在特殊工作环境下，工作正常，通信可靠，达到了低功耗的设计要求。 关键词：g p r s ；g s m r ia r m 微处理器；低功耗；冻土地温监控 a p p l i c a t i o no fg p r s i n r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo f t u n d r at e m p e r a t u r e d i s c i p l i n e ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g s t u d e n t s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： a b s t r a c t c o m b i n i n gw i t hr e a lp r o j e c ta u t h o rp a r t i c i p a t e d ：r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo ft u n d r a t e m p e r a t u r e ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya p p l i e s g p r si ng s m rn e t w o r ka l o n gr a i l w a yo fq i n g h a i & t i b e t ，a n di t sr e a l i z a t i o n t h er a i l w a yi sb u i l ti nt u n d r aa r e a ，a n dm o s to ft h i sp l a c eh a sn op e o p l e c h a n g eo ft u n d r a t e m p e r a t u r ec a na f f e c ts a f e t yo ft r a i nr u n n i n g n e r e f o r e i tn e e dt om o n i t o rt e m p e r a t u r eo f t u n d r ai nt h i sa r e af o ral o n gp e r i o db ya c q u i r i n gt e m p e r a t u r ed a t aa n de s t a b l i s h i n gd a t a b a s e ， t h e ni tc a nb ea n a l y z e ds y s t e m i c a l l y b u ti t sn o tp r a c t i c a lt ou s ew i r e - c o m m u n i c a t i o nf o rd a t a t r a n s m i s s i o n ，s oi tn e e dt oa p p l ym o n i t o r i n gs y s t e mt om e a s u r e ，a n dr e p o r ta u t o m a t i c a l l y , a n d w i r e l e s st r a n s m i s s i o ni sk e yp o i n t t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e sh o wt ou s eg p r st e c h n o l o g yt o r e a l i z ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nb e t w 南nm o n i t o rt e r m i n a la n dc e n t e r g p r si san e ws e r v i c ed e v e l o p e df r o mg s ms y s t e m ，i t sf i tt of r e q u e n tt r a n s m i s s i o nw i t h l i t t l ed a t aa n di n f r e q u e n tt r a n s m i s s i o nw i t hm a s sd a t a i td e s c r i b e st h ep r o c e s sh o wt ou s eg p r s i ng s m rn e t w o r ka l o n gt h i sr a i l w a yt or e a l i z ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n 1 nd i s s e r t a t i o n i t e x p o u n d si n t e g e rd e s i g no ft h ep r o j e c ta n de s t a b l i s h m e n to fm o n i t o rp l a t f o r m w i r e l e s s t r a n s m i s s i o na n dl o wp o w e rl o s sa r et h et w ok e yt e c h n o l o g i e s o nw i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，g p r s i ng s m rn e t w o r ka l o n gt h i sr a i l w a yi su s e dt or e a l i z ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n i td e s c r i b e s c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g no fg p r st e r m i n a l ，i n c l u d i n gm e a n sa n df l o wo fe s t a b l i s h i n g g p r sl i n k t oa c c o m p l i s ho n e l i n k ，i tn e e d st og ot h r o u g hp r o c e s s e so fa t t a c h i n gn e t ，s t a r t i n g u pg p r sl i n ka n do p e n i n gl i n ke t c a l lt h e s ea r ec o n t r o l l e db ya r mm i c r o p r o c e s s o r o nl o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，t h em o d eo fu s i n gb o t ha r mm i c r o p r o c e s s o rw i t hl o wp o w e rl o s sa n d m s p 4 3 0w i t hu l t r al o wp o w e rl o s si su s e d m s p 4 3 0i sr e s p o n s i b l ef o rp o w e rm a n a g e m e n ta n d c o n t i n u e st ow o r k a r mp r o c e s s o ri sr e s p o n s i b l ef o rc o o r d i n a t ew o r ka f t e rm o n i t o rt e r m i n a l w a k e su pa n di n t e r m i t t e n tt ow o r k b o t hw i r e l e s st r a n s m i s s i o na n dl o wp o w e rl o s sm a k es u r e t h et e r m i n a lw o r kf o ra l o n gt i m e ，a n df i n a l l yi ti sa p p l i e dt or e m o t em o n i t o rs y s t e mo ft u n d r a i l t e m p e r a t u r e t h ep r a c t i c ep r o v e st h i ss y s t e mc a nw o r kn o r m a l l y , h a sc r e d i b i l i t yo nc o m m u n i c a t i o na n d m e tr e q u i r e m e n to fl o wp o w e rl o s s k e yw o r d s ：g p r s ；g s m r ：a r mm i c r o p r o c e s s o r ；l o wp o w e rl o s s ；t u n d r at e m p e r a t u r e m o n i t o r i n g 1 1 1 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学院有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位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学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 冷它 j 工 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师 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，学位论文中不包含其他人已发表或撰写的研究成果，不包含本人已申请学位或他人 己申请学位或其他用途使用过的成果。与本人一同工作的同志对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致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 娜7 ：f 6 0 y 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的目的意义、主要内容及关键问题 1 1 1 课题背景及意义 青藏铁路全长1 1 4 2 公罩，穿越连续多年冻土区6 3 2 公里，不连续多年冻土区8 2 公里， 海拔高于4 0 0 0 米的地段有9 6 0 多公里，青藏铁路是世界上海拔最高和最长的高原铁路“。 该区域冻土大多属于高温、高含冰量冻土，温度降低体积发生膨胀，就会把建在上面的路 基和钢轨顶起；冻土发生融化，体积缩小，钢轨随之下降。而土体的冻胀和融沉作用将可 能直接导致路基、桥涵以及隧道工程的破坏。长期以来，铁路设计部门和科研部门合作， 开展了复杂地质条件下修建铁路的技术研究和试验，为青藏铁路建设做了充分的准备“。 为保障国家重点工程项目在建成后顺利运营，开展对多年冻土区气象、冻土变化以及 工程建筑物的稳定性的监测，并对获取的基本数据、资料建立数据库，进行系统的整理分 析是必要的。然而，在地温监测系统中常常需要对众多的监测点进行监测，而且大部分监 测数据需要及时发送到管理中心，便于后端服务器进行处理。由于监测点大多设置在气候 环境比较差的地区( 观测点地处高海拔地区，约海拔4 0 0 0 5 0 0 0 米) ，而且监测点分布较 分散，铁路沿线若采用人工观测，则劳动强度大、成本高；若能通过无线方式进行数据传 输往往事半功倍，可以减轻劳动强度。因此，建立能够自动采集并自动上报的全自动地温 监测系统，具有极大的现实意义和实用价值。 论文工作结合青藏铁路远程地温监测系统项目，研究在青藏铁路穿越地多年冻土区实 现对冻土温度的长期监控。在课题的研究内容中，在监控终端通过微处理器控制具有 g p r s 数据传输功能的模块在g s m r 网络中建立无线通信链路，可将采集到的地温数据 及时发送到监控中心，实现对地温的及时管理，从而可以大大提高地温监测的工作效率。 1 1 2 课题主要内容 课题以青藏铁路沿线监控高原冻土资源温度的远程地温监测系统为项目背景，并以实 现无线数据传输作为课题研究的主要内容，提出了采用a r m 7 内核的高性能的微处理器 和超低功耗m s p 4 3 0 微处理器相结合的远程地温监测的设计方案。课题主要内容是在 g s m r 网络内部实现g p r s 无线通信，将现场测量的冻土温度数据通过g p r s 数据传输 方式上报给系统的监控中心。作者在了解g p r s 业务的相关知识，包括无线链路的建立， 数据的传输和链路的断开等基础上，设计了基于g p r s 的远程数据传输模块。由于青藏铁 路沿线的自然气候条件比较差，系统监测终端要求具有较长时间的连续工作能力。因此需 要解决监控终端低功耗工作的问题。 两安工业大学硕士学位论文 l - 1 3 关键问题及解决途径 本课题的关键技术包括基于g p r s 远程数据传输，以及监控终端低功耗功能的实现。 f l , 、g p r s 远程数据传输 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 ) ，是通用分组无线业务的简称，是通过公共移动 通信网络g s m 系统传输t c p i p 分组数据的有效手段”1 。g p r s 链路的建立是实现基于 g p r s 的远程数据传输的关键点，需要经过附着至网络、启动g p r s 连接( 包括启动p p p 协议拨号连接) 等步骤建立g p r s 链接，并建立与监控中心的t c p 连接。在数据传输过 程中，需要对g p r s 链路和被传的数据进行检测，以避免链路的异常断开，并保证数据传 输的正确性。 在远程监测系统中由现场监测站和监测中心两大部分组成。现场监测站自动采集地温 数据，并负责建立无线网络连接自动将测量数据传输给监测中心，系统通信模型示意图如 图1 1 所示。 监控终端g s m - f l 通信网络 监测中心站 图1 1 系统通信模型图 监测终端负责采集监测现场冻土的温度数据，通过监测传感器的阻值变化，并转化为 相应电压数值；监测终端还具有数据存储的功能，测量完成时可即时将采集的数据保存在 监控终端的存储设备中。当监控终端时间至4 达规定的上报通信时间时，监测终端执行定制 的数据通信的功能，将之前测量并保存的数据逐条在铁路专用通信网络( g s m r 网络) 以g p r s 无线方式发送给监控中心，在监控中心再实现数据转换和数据分析处理工作；同 时，除可进行远程数据传送和接收命令并响应外，在现场还终端可以通过r s 4 8 5 口从本 地p c 接收一套广泛的控制命令。实现在监测现场终端初始化时配置时间的配置和数据下 载，以及系统联调时的现场监控等功能，这种方式主要用于调试及现场数据提取等。当 g p r s 连接建立时，监测中心可将对监测终端的操作命令按照规定的帧格式发送给监测终 端，由监测终端执行命令，并将执行结果以规定的帧格式回应给监测中心。 文中给出了作者采用a r m 7 微处理器通过控g p r s 无线通信模块的方式实现g p r s 链路建立和数据无线传输的硬件和软件设计，详细的设计过程在论文第五章中给出。 b 、监控终端低功耗实现 监控终端的低功耗功能的实现是项目设计成败的关键技术之。为了保证监控终端设 2 西安工业大学硕十学位论文 备连续工作3 年的工作目标，必须使监控终端达到相应的低功耗指标。监控终端的低功耗 设计采用两种技术途径实现：选用低功耗器件并结合合理的能耗管理模式。监控终端采用 双核工作模式，其中一个c p u 专门用于监控终端的电源管理。对于一直处于工作状态的 电源管理和时钟芯片，分别选用超低功耗的m s p 4 3 0 f 1 1 2 1 作为电源管理芯片、p c f 8 5 6 3 作为实时钟控制芯片。在休眠状态，除以上两芯片外，其他电路电源被切断，m s p 4 3 0 处 于睡眠状态。当工作时间到达或有其它事件( 如进水、开箱、本地唤醒等) 发生时，m s p 4 3 0 被唤醒，由它给a r m 处理器上电并通知事件类型。在a r m 处理器工作时，根据工作任 务的不同，给电路中参与任务的模块有选择地上电，未参与任务的模块不上电，从而使电 源消耗达到最低。 监控终端供电方面，为避免在铁路沿线行车安全，电源供电采用目前电池中比能量最 高的一种电池，设计采用1 0 节锂电池供电。 1 2 通信网络发展趋势 1 2 1g s m r 发展趋势 g s m r 是基于g s mp h a s e2 + ，在其网络的网元、标准接1 2 1 和连接的扩展上也没有大 的区别。在公网中正引入一系列新技术，如优化利用频率以提高网络容量、在高话务量区 域( 如车站) 使用微蜂窝，以及多层覆盖根据速度进行越区切换等，这些技术略加改动即 可用于铁路“。 g s m r 与g s m 的主要区别在g s m r 的工作频带在上行与下行频带中分别向下延伸 4 m h z ，并在g s m 基础上增加了满足铁路运行需要的特殊功能。包括：功能寻址，允许 在呼终端的基础上建立呼叫；基于位置寻址，为移动台发起的呼叫提供路由，选择与地理 区域有关的基站控制器；优先级呼叫确认；调度模式：为调度通信提供有效通信，实现多 用户问通信；直接脱网互通模式，为事故状态及特殊情况下可直接完成用户间的通信。 g s m r 是面向未来的技术，比如g s m 新技术g p r s ( 通用无线分组业务) 的引入能 使数字通信的速率由原来的9 6 k b s 提高至1 1 5 k b s 。g p r s 技术能很容易地移植到 g s m r 系统中来，开发出各种针对铁路的服务。另外，智能网技术将使网络运营商可以 通过g s m r 网络灵活的提供自己设计的服务。向u m t s 的演进将提供新的业务和更加强 大的无线系统，g s m r 据此可更大限度地引入新的业务”1 。 发展g s m r 可以带来如下好处”1 ： a 、开放的标准技术降低运营成本 使用最新的基于标准的g s m r 设备，运营商能够大大减少基站的部署数量。标准的 接口推动了g s m r 网络之问的互联互通以及g s m r 运营商之间商务和运营规程的融合。 基站的减少和运营效率的提高节约了运营成本。 b 、使用已被市场验证的技术降低投资成本 g s m r 是基于公众的g s m 蜂窝通信技术，网络平台采用了大量经市场验证过的产 3 西安工业大学硕十学位论文 品，完全适合铁路使用，这是选择g s m r 技术建设新型铁路数字无线通信平台的决定性 因素。 c 、采用可持续发展能力的专用系统，节约铁路运营成本 g s m r 采用g s m 的基础平台，其特殊接口已经标准化，具有开放和全面的互通的 国际标准，可以节约铁路运营成本。同时，公众移动网上开发的新功能可以很容易地集成 到g s m r 系统中。 d 、提高高速铁路的安全性 g s m r 向铁路运营商提供了量身定做的系统，以满足话音和数据业务的通信需求。 它能大大提高高速铁路运营的安全性。 1 2 2g p r s 发展趋势 g p r s 全称为通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ) ，是欧洲电信标准化组 织( e t s i ) 在g s m 系统的基础上制定的一套移动数据通信技术标准。g p r s 将分组交换 模式引入到g s m 网络中g p r s 具有充分利用现有的网络、资源利用率高、始终在线、传 输速率高、资费合理等特点。g p r s 业务以数据流量计费，这一计费方式更适应数据通信 的特点。此外，g p r s 业务的速度较先前有很大提高，g p r s 可提供高达1 1 5 k b s 的传输 速率( 最高值为1 7 1 2 k b s ) ，下一代g p r s 业务的速度可以达到3 8 4 k b i t s “”。 g p r s 是在现有g s m 系统上发展出来的种新的承载业务，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 ) 从开始就可提供全面 的g p r s 业务覆盖。 g p r s 有下列特点“”： 可充分利用中国移动全国范围的电信网络现有资源，方便、快速、低建设成本地 为用户数据终端提供远程接入网络的部署； 传输速率高，g p r s 数据传输速度可达到5 7 6 k b p s ，最高可达到1 1 5 k b p s 1 7 0 k b p s ， 完全可以满足用户应用的需求，下一代g p r s 业务的速度可以达到3 8 4 k b i t s ； 接入时间短，g p r s 接入等待时问短，可快速建立连接，平均为两秒； 提供实时在线功能“a l w a y so n l i n e ”，用户将始终处于连线和在线状态，这将使访问 服务变得非常简单、快速； 按流量计费，g p r s 用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，用户可以一直 在线，按照用户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，用户即使 挂在网上也是不收费的。 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。现有的g s m g p r s 4 两安r ：业大学硕十学位论文 移动通信网络以及第三代移动通信网络都可提供移动分组数据业务，支持移动用户利用分 组数据移动终端接入i n t e m e t 或其它分组数据网络的需求。 1 3 论文结构安排 本文下面将用七章的篇幅介绍目前的课题工作内容。 第一章，介绍了本课题的背景、目的和意义、主要研究内容和监控终端设计的关键问 题以及解决途径，同时介绍了现阶段g s m r 网络和g p r s 无线通信的发展趋势。 第二章，根据系统的背景和功能要求标准分析方案设计的原则，综合系统监控终端要 求并进行了相应的设计分析，包括总体结构分析和功能分析等，并给出监控终端的总体方 案设计、监控终端设计框架结构、工作原理和目标系统具备的软硬件模块框图等。 第三章，根据前面的设计原则介绍了平台开发应用的软硬资源，建立了监控终端监控 开发平台。这个远程监控终端平台也为后继的研究工作( 包括远程传输信道方案选择和对 现场的控制等) 提供了一个初步的平台。 第四章，介绍了监控终端的低功耗设计，包括对低功耗技术的简介和实际应用中监控 终端的功耗管理模式，其中重点分析监控终端的低功耗特点及设计方案。 第五章，在本章重点具体介绍本系统的通信平台，包括g s m r 网络、g p r s 业务的 体系结构和在g s m r 网络内实现g p r s 通信的方案设计。 第六章，在前述章节构建的硬件平台和软件平台上对试验结果进行论证。给出了通信 可行性的测试、时间配置方案和监控终端主要功能实现等结论，并给出监控终端试运行的 结果显示。 第七章，对论文的整个研究工作做了总结回顾，并提出了一些对于后继工作的难点和 展望，以作为论文的结束语。 5 2 总体方案设计 2 总体方案设计 青藏铁路穿越多年冻土区占青藏铁路全线一半的里程，因此在沿线对多年冻土实施远 程监控的意义十分重大。远程地温监测系统是一套由计算机管理的冻土地温监测系统。系 统集先进成熟的计算机技术、通信技术、数据采集技术及传感器技术于一体，通过高精度 的数据采集器、安全可靠的传输装置和功能齐全的数据分析软件，实现了对青藏铁路多年 冻土路基的多断面多测点的地温自动采集、信号自动传输、数据自动分析处理的功能。 2 1 系统设计原则 系统的前端监控终端采用a r m 7 微处理器作为终端的m c u ，根据工程项目的要求， 该监控终端具有自动测量和数据上报功能，兼有低功耗和高精度测量的特点。系统测量数 据的下载通过设计可实现远程上报和现场取数等多种实现方式。 监控终端工作在青藏铁路的多年冻土地带，功耗问题是青藏铁路远程监控系统监控终 端设计的主要障碍之一。电子设计的低功耗设计涉及的方面较多，且微电子技术、系统集 成技术、超大规模高可靠性i c 技术、显示技术等的迅速发展与广泛普及，促使电子系统 的低功耗技术不断完善与发展。故选择系统监控终端的低功耗设计方案时，应根据应用系 统低功耗设计的基本原则，参考低功耗技术的新进展，结合具体应用场合的特点，合理确 定各项技术指标“+ ”。 具体在整个监控终端的设计中，为了使设计合理，确保终端的可靠性和后续升级，以 获得最佳的设计效果，本系统的监控终端设计中遵循以下几个设计原则： a 、使用功能完善并支持低功耗的器件 功能强大的芯片能够达到更高的精度和可靠性，可大大简化设计电路，使监控终端在 精度和可靠性方面得到了保证。通过正确选用高性能的m c u 芯片，提高系统的可靠性， 并使设计留有余地，为以后的升级提供了方便。同时，为针对实现系统的某些特定的功能， 如该系统的监控终端的低功耗功能，需要在能够允许的范围内选用低功耗的器件。 b 、扩展和修改的需要 因为软件的升级比硬件要方便得多，而且往往只要修改或添加软件中数据处理的模式 或算法，就可以大幅度地提高系统的功能。因此，应该在硬件设计时尽可能地留有余地， 以便将来的修改和扩充。 c 、成本控制 在满足系统功能设计的条件下，能够用软件完成的功能就不用硬件。这样不仅仅节省 了成本，而且也提高了系统的可靠性。在终端功能能够保证的情况下，用软件代替硬件可 以在不改变已有资源的情况下对系统的特殊功能进一步完善，并不断验证完善功能的可靠 性。 6 两安1 ：业人学硕十学位论文 2 2 结构及工作原理 2 2 1 远程地温监测系统的结构组成 远程地温监测系统的结构原理图如图2 1 所示。 图2 1 系统结构原理图 系统在前端的监控终端通过高精度的数据采集和安全可靠的数据传输装置，获取安装 在路基一定范围内温度传感器的数据，通过无线通信方式将测量数据从终端传输到监测中 一t l , ，达到对青藏铁路多年冻土路基的全面监测，实现多断面多测点的地温自动采集、信号 自动传输和数据自动分析处理的功能。其中，系统的通信功能是在g s m r 网络内通过 g p r s 无线通信方式上报测量数据。 由于课题研究重点是远程地温监测系统监控终端的g p r s 无线通信功能和终端低功 耗功能的实现，监控中心被简化为一台具有接收和分析数据功能的计算机，在以下的论述 中，所述的系统特指监控终端。 监控终端的主要功能包括g p r s 数据传输、低功耗设计和现场高精度数据采集三大部 分： 终端的现场数据采集功能主要完成对原始地温数据的采集、数据变换和存储等； g p r s 数据传输功能主要实现将测量数据进行组帧、无线传输、命令接收和命令 执行结果响应等，若在监控终端还有其他的数据发送方式，可经主控c p u 选择数据传输 模式。g p r s 数据传输功能是课题研究的主要内容，也是监控终端和监控中心进行数据通 信的重要组成部分； 监控终端的低功耗设计主要完成对监控终端各个功能模块电源管理，通过低功耗 设计使监控终端的连续工作时间可达三年，满足系统对功耗的要求。 2 2 2 监控终端工作原理及功能要求 课题工作的主要内容是实现监控终端的低功耗设计和利用g s m r 网络实现监控终端 与监控中心之间的g p r s 无线通信。 1 ) 工作原理 监控终端主要通过超低功耗微处理器m s p 4 3 0 进行电源管理，以达到监控终端的低功 7 西安r 业人学硕士学位论文 耗设计。在无工作任务时，m s p 4 3 0 处于休眠模式；当有配制任务时，由m s p 4 3 0 唤醒 a r m 处理器丌始工作，执行配置任务。 a r m 处理器是监控终端的主控c p u ，a r m 上电唤醒后，通过切换继电器板上的继 电器来控制前端的测温电缆进行地温数据采集，同时测量的还有记录设备状态的测量值， 并经电路转换将采集的数值保存在监控终端的存储设备中：当监控终端时间运行到配置的 通信上报时间，主控c p u 通过控制开关给通信模块上电，通过串口给通信模块发送建立 g p r s 连接必须的a t 命令，当连接建立成功则向监测中心发送测量数据，同时接收监测 中心的命令，并按帧返回命令执行结果的响应。 监控终端的工作原理可分为温度采集、记录管理、无线通信等方面。 在温度采集方面。监控终端的温度采集是通过测量热敏电阻的阻值，阻值反跌了 热敏电阻所在位置的温度。将多个热敏电阻间隔一定距离安装在一条电缆中，就构成了测 温电缆以监测不同深度的地温。测温电缆被放置在不同位置的测温孔内。测温电缆被接入 现场监测设备，经仪器内的继电器分时接通不同的热敏电阻，通过精密电桥即可测得该热 敏电阻当前的阻值。将所测到的热敏电阻值转化为相应的数值，在青藏铁路专用通讯网络 g s m r 网络内采用g p r s 方式传递给监控中心，再在监控中心根据传递函数转化为相应 电阻，套用传感器的标定参数进行计算得到地温数据，并进行存储、检索、分析和统计。 图2 2 是监控终端的测温工作原理流程。 图2 2 远程温度监测系统测温原理 监控终端的记录管理。在设定的测量时间，监测站会被内部的实时钟唤醒进行测 量。测量的原始数据被保存在监控终端的闪存内。同时进行测量和保存的还有设备内部的 温度、湿度、电池电压以及其它些状态参数。这些数据连同测量时间、记录编号等作为 一条测量记录保存并上报。 在无线通信方面，监控终端可以利用内建的g p r s 通信模块，通过g s m r 网络 建立与监控中心的t c p i p 连接，完成那些尚未成功上报的记录的传送，接收监控中心的 新的命令并予以执行。无线通信通过g s mg p r s 模块接收和发送g p r s 无线信号。对于 没有g p r s 无线网络信号覆盖的监测断面，测站还提供了现场取数功能，可以通过现场有 线取数口或近距无线方式提取地温监测数据。为此，现场标志桩内安装了一个近距无线通 信模块，使得现场取数人员可以在路基- v e p 可通过无线适配器与测站取得通信。天线总成 8 两安j ：业大学硕十学位论文 内的无线感应开关与现场取数时使用的无线感应器配合，起到了近距无线模块的电源控制 作用。 在突发事故应对方面，监控终端增加进水和开舱检测的控制，保证设备安全性。 当发生进水事故或是意外开舱事故时，检测设备会感知突发意外事件，并及时上报监测中 心以便及时安排维护，从而避免事故的发生。 2 ) 功能要求 系统所要求实现的功能包括对监控终端和监控中心的要求。 a 、监控终端： 远程地温监测现场站的基本功能是：完成监测断面地温数据的定时自动采集，并通过 远程传输信道将监测数据传回监测中心。主要功能包括定时自动温度测量、数据存储、数 据远程传输、现场取数、场站安全等。对于没有g p r s 无线网络信号覆盖的监测断面，测 站提供现场取数功能，可以通过现场有线取数口或近距离无线方式提取地温监测数据。监 测终端具备以下功能和性能以适应地温监测需求。 ( 1 ) 温度测量 根据时间配置终端可进行定时测量和实时测量。定时测量是在规定的时间内设备自动 进行数据测量并及时将测量的数据发送到监控中心，其它时间监控终端都处于休眠状态， 这是默认的工作状态；实时测量是监控终端在接到中心的立即测量指令后开始数据测量并 发送数据，此模式只有在监控中心需要实时数据时使用。监控终端测温为高精度测量，经 过单只标定的热敏电阻的测量精度达到万分之五，对应温度值为0 0 1 0 。 ( 2 ) 数据保存 为防止数据丢失，在监控终端应至少存储六个月以上的测量数据。存储的测量数据可 以在监控现场通过数据下载设备与设备相连直接下载，也可以通过更换数据存储卡的方法 在室内完成数据的下载。数据存储设备能够保存1 0 0 0 多次的测量数据并可保存1 0 年以上 不丢失。 ( 3 ) 数据传输 数据传输可将测量数据通过无线通信方式自动远程传送回监控中心，减少人工测量和 取数的工作量。同时，远程上报时j 日j 的设定独立于测量时间，合理避开各站的通信时间。 对于无法自动上报的测站，可以采用现场取数方式提取测量数据。 ( 4 ) 远程工作配置管理 监控终端能够接受监控中心对现场的远程管理。测站可接收中心远程设定测量时问、 召测时间和上报时间等。定时配置方式为按月循环，可设置最多2 8 天、一天4 8 个测量时 间；除正常测量任务外，可在增加额外的特殊测量时间；当一次通信连接成功，可接受监 控中心要求立即测量的命令，并返同指令执行相应和上报立即测量数据。 ( 5 ) 工作环境适应性 可适应一定的工作环境包括： 工作温度：能够在气温- - 3 0 7 0 环境下工作； 工作湿度：能够在5 9 0 r h 湿度环境下工作： q 西安工业大学硕士学位论文 渗水：测站能抵抗少量渗水而不影响正常工作。 ( 6 ) 场站安全及状态报告 监控终端应具有自动诊断功能，并在上报测量数据时随采集数据一起将现场监控终端 设备安全及状态信息发送到主监测中心，为测站维护提供依据。监控终端的工作状态包括： 电池的剩余寿命、采集是否正常、网络信号强度、采集箱的温度、湿度、水位和标准电阻 的测值等；安全信息包括进水检测( 测站发生进水事故时，立即测量并上报记录) 和开箱 检测( 测站舱门被打开时，立即测量并上报记录) 。 b 、监控中心： 监测中心负责通信的数据接收，并在中心完成数据的整理、存储、检索和分析。 实现多台现场监控终端的数据接收、数据转换和数据分析处理工作； 实现电阻信号与温度的自动转换； 具有修改监控终端参数的功能，控制监控终端的采集时间间隔和传输时间； 实现温度采集结果的自动分析处理功能，主要包括：以表格形式显示温度采集结 果、画出每个测试断面0 c 对应位置的时程曲线、画出每个测试断面的测试位置与月平均 温度的变化曲线； 控制现场采集终端进彳亍系统的自校准。 课题研究的重点是监控终端的设计实现，因此监控中心在文章内不做具体的描述。 2 3 监控终端技术特点 课题在实际项目的支持下，在系统的监测终端采用两个微处理器进行实时控制，两个 微处理器分别执行功能为：m s p 4 3 0 负责监控终端的电源能耗管理连续工作；a r m 处理 器负责监控终端从休眠模式唤醒后各个功能模块的协调工作，间歇工作。 a 、多种数据下载功能 为了避免采集数据的丢失，监控终端设计可通过自动传输、现场取数、近程无线取数 等方法下载监测数据，并可方便地将人工观测数据加入系统后方的监控中心，保证了监测 数据的完整性和安全性。 数据传输的技术特点之一是系统监控终端和中心之间的通信环境是g s m r 网络，通 信过程中采用的是g p s r 无线传输方式。专家认为g s m - r 网络更加先进，更能适用于我 国铁路未来发展的需要。在g s m r 网络内引入g p r s 技术可以克服本身存在传输速率低、 传输短数据不经济等不足。在实际应用中，在监控终端的通信单元采用内嵌t c p 协议的 g p r s 无线通信模块，由微处理器通过串口给模块发送标准的a t 指令即可控制建立g p r s 链路，实现数据传输的功能。各个监控站点都可以独立和监控中心建立g p r s 连接，在监 控中心一侧可同时接收多个监控站点发送的建立g p r s 连接的邀请并进行数据的收发。通 信模块内部支持标准a t 指令，这使得通信功能的设计简单化。 b 、低功耗 在青藏高原自然气候恶劣的环境，对于常年连续工作的监测系统的监控终端工作功耗 1 0 曲安l ：业大学硕士学位论文 要求尤其严格。为避免对行车造成视觉干扰，监控终端要求不能采用太阳能电池板供电。 为保证监控终端能正常长期工作，需要考虑监控终端的供电问题。设备在青藏铁路沿线设 备无人值守自运行，低功耗设计是监控终端成败的关键技术之一。 监控终端工作c p u 采用具有超低功耗的m s p 4 3 0 系列单片机和功能强大且有待机 和掉电低功耗方式的a r m 7 处理器，监控终端可在非配置任务期问选择低功耗运行模式。 对外围器件与电路的功耗采取管理措施，使其在不工作时进入休眠状态或停止供 电，以降低功耗。可根据需要通过c p u 控制，当监控终端时间未到达上电工作的配置时 间时，可设置器件为低功耗的工作模式，关闭在空闲模式下的不参与工作的器件或是其相 应的端口。 监控终端在功耗管理方面采用低功耗技术和精细的能量管理技术，使功耗达到静 耗2 0 口a 。监控终端采用双核管理模式：具有低功耗模式的a r m 7 芯片( l p c 2 1 1 4 ) ，该 a r m 芯片具有休眠核掉电两种低功耗模式，是监控终端的主控c p u ，负责各个功能模块 的调度；同时，另外增加m s p 4 3 0 f 1 1 2 11 6 位超低功耗微处理器作为专门的电源管理c p u ， 该c p u 负责监控终端休眠时的电源管理。 c 、高精度测量 监控终端的高精度测量采用的热敏电阻和2 4 位转换精度的高精度a d 转换器。对于 热敏电阻温度传感器而言，高精度温度测量的基础是高精度的电阻测量。监控终端高精度 的测量使电阻测量精度达到万分之五。 2 4 监控终端设计 监控终端采用a r m 7 微处理器作为核心硬件实现上述功能。系统的监控终端设计属 于软硬件结合的二层结构设计。第一层是硬件层面，主要由外围的测温电缆、接口电路、 a r m 硬件系统、g p r s 模块等部分组成。第二层是软件层面，包括电源管理、各硬件功 能控制程序、软件通信协议等部分，这一层是整个监控终端设计的核心部分，负责各个功 能模块的管理与控制。监控终端监测设备的功能组成如图2 3 所示： 图2 3 监控终端监测设备的功能组成 西安【业大学硕十学位论文 监控终端由主控m c u 控制各个功能模块的功能调度，实现协调工作。 处理器模块是整个监控终端的核心部分，负责接收从测温电缆经转换电路传来的 地温测量数据、各外设的触发信号( 如开关信号、环境温度和湿度等) 和远程用户的控制 命令，根据配置任务进行运算、响应和格式转换并转发给各个功能模块的硬件设备( 主要 是存储设备、网络通讯模块等) ，完成对各种硬件设备的控制和数据传输，同时测量硬件 设备的各种状态信息，使各部分协调地工作； 远程监控终端和监控中心之间的通信采用g p r s 无线通信方式。通信终端通过发 起建立g p r s 连接，将监控终端保存的测量数据上报给监控中心，以提供分析的数据。连 接建立的具体载体是g p r s 通信模块，该模块内嵌t c p 协议栈； 存储器模块用来存储程序和测量数据，由于监控终端需要保存至少六个月的测量 数据，所以在监控终端设计中要配有足够大的存储器；同时也作为无线传输通道的发送和 发送缓冲区，为监控终端的运行提供足够的存储资源； 测温电缆通过继电器控制板连接主控c p u 。在测温时间，c p u 分时接通不同继电 器实现对每一路热敏电阻的测量。监澳4 温度点数在各个断面分配不同( 3 缸1 4 4 路) 。 现场监控及取数口用于存储数据现场下载和对监控终端运行的监控，可记录监控 终端运行过程并可通过该数据口进行工作时间配置和存储数据的下载等； 监控终端具有进水和开箱监测，保证监控终端在无人值守情况下对现场设备的正 常工作安全性作保障。 2 4 1 硬件模块框图 监控终端监控硬件模块框图如图2 4 所示： r 鄹j t a g 接e l 继电器控制板 串口