（计算机应用技术专业论文）嵌入式危险源远程监测系统设计与实现.pdf

南开大学学位论文使用授权书 1 m y 1 8 1 4 m 洲2 3 0 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文 ( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论 文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将 公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检 索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向 教育部指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和 中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文 数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 l i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 潘岳 2 0 1 0年5 月3 1日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目嵌入式危险源远程监测系统设计与实现 姓名潘岳 学号 2 1 2 0 0 7 0 31 6答辩日期2 0 1 0 年5 月2 7 日 论文类别 博士口学，乃硕士团硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所信息技术科学学院专业计算机应用技术 联系电话l5 8 2 2 6 6 0 2 6 4e m a i l i t l a n g e r 2 9 0 8 12 6 t o m 通信地址( 邮编) ：天津市南开大学两区公寓3 1 - 2 0 1 ( 3 0 0 0 7 1 ) 备注：是否批准为非公开论文否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文 ( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论 文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将 公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检 索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向 教育部指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和 中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文 数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t l p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 、男，钐 作者暨授权人签字：z 塑型 2 0 1 0年5 月3 1日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 嵌入式危险源远程监测系统设计与实现 姓名 潘岳l 学号i 2 1 2 0 0 7 0 3 1 6 i 答辩日期l2 0 1 0 年5 月2 7 日 论文类别博士口学历硕士日硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所 信息技术科学学院l专业i计算机应用技术 联系电话 1 5 8 2 2 6 6 0 2 6 4e m a i l i t l a n g e r 2 9 0 8 1 2 6 c o m 通信地址( 邮编) ：天津市南开大学西区公寓3 - l 2 0 1 ( 3 0 0 0 7 1 ) 备注：i 是否批准为非公开论文i否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 一：，j ，、二一，】 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：潘岳2 0 1 0 年5 月3 1 e t 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限2 0年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期 2 0年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 科学技术的飞速发展极大地改变了人们的生活，但由科学技术推动着的企 业生产设施等具有重大安全隐患的危险源，却时刻威胁着人们的生命和财产安 全。因此，加强重大危险源的实时监测对于构建和谐社会具有十分重要的意义。 本文在已开发的“大城市重大危险源实时监测系统”基础上，结合当前成 熟的嵌入式技术和g p r s 技术，设计了一种嵌入式危险源远程监测系统，该系 统可以作为独立的子系统存在，对原系统起到功能补充和扩展的作用。论文给 出了该系统的详细设计方案，描述了嵌入式企业监测端的软硬件设计，其中包 括了硬件平台构建、a r ml i n u x 嵌入式系统平台构建、危险源监测软件设计( 应 用软件的移植和应用、数据采集控制、危险源报警处理等) 以及企业监测终端 的远程控制功能设计。文中还讨论了g s m 短信发送和g p r s 数据传输技术， 并针对企业监测终端和系统监测中心间数据通信需求，描述了该模块的设计策 略和实现方法。最后，论文展示了该系统的运行效果，并对系统的运行性能进 行了分析。 关键字：远程监测危险源a r mg p r s a b s t r a c t h i g hs p e e dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a sb e e ni m p r o v e dp e o p l e s d a i l yl i f e b u td a n g e r o u ss o u r c e sl i k ep r o d u c t i o nf a c i l i t ya n de q u i p m e n t i ts u p p o r t e d a l w a y st h r e a t e n i n gp e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t y s o ，i ti si m p o r t a n tt os t r e n g t h e nt h e r e a l t i m em o n i t o r i n go fd a n g e r o u ss o u r c ef o rc o n s t r u c t i n gah a r m o n i o t i ss o c i e t y b a s e do nt h em a j o rd a n g e r o u ss o u r c er e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e md e v e l o p e d ， t h i sp a p e rd e s i g n e dan e we m b e d d e dd a n g e r o u ss o u r c er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mi n c o m b i n a t i o nw i t hr i p ee m b e d d e da n dg p r st e c h n o l o g y t h en e ws y s t e mw a su s e d t oc o m p l e m e n ta n de x t e n dt h eo r i g i n a ls y s t e ma sa l li n d e p e n d e n ts u b s y s t e m t h i s p a p e rp r e s e n t e d t h e d e t a i l e ds c h e m e ，d e s i g n e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o f e m b e d d e dc o r pm o n i t o r i n gt e r m i n a l ，i n c l u d i n gb u i l d i n gh a r d w a r ep l a t f o r ma n da r m l i n u xe m b e d d e ds y s t e m ，t h ed e s i g no fd a n g e r o u s s o u r c em o n i t o r i n gs o f t w a r e ( p o r t i n ga p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，c o n t r o l l i n go fd a t aa c q u i s i t i o n , h a n d l i n go f d a n g e r o u s s o r i c ea l a r ma n ds oo n ) a n dt h ed e s i g no fr e m o t ec o n t r o lo fm o n i t o r i n gt e r m i n a l i n a d d i t i o n , t h i sa r t i c l ed i s c u s s e dt h eg s ms h o r tm e s s a g es e n d i n gm e t h o da n dg p r s d a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y b a s e d0 nt h ed e m a n df o rd a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e n c o r pm o n i t o r i n gt e r m i n a la n dc e n t e rm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h e m o d u l a rd e s i g ns t r a t e g ya n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d a tt h e e n do ft h i sp a p e r , d e m o n s t r a t e dt h er u n n i n ge f f e c ta n da n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo f t h en e ws y s t e m k e y w o r d ：r e m o t em o n i t o r i n g ，d a n g e r o u ss o u r c e ，a r m ，g p r s u 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 第一节课题研究背景。1 第二节远程监测技术简介2 第三节论文结构及内容3 第二章系统整体结构与设计5 第一节背景应用系统介绍。5 第二节系统需求与整体设计6 第三节系统各部分功能的确定一8 2 3 1 监测中心8 2 3 2 企业监测终端9 第四节企业监测终端硬件构建9 第五节系统网络连接方案1 2 2 5 1g p r s 技术介绍1 2 2 5 2 网络连接方案1 4 第三章嵌入式系统开发平台构建l6 第一节处理器选择和特性描述1 6 3 1 1a r m 处理器的选择。16 3 1 2 $ 3 c 2 4 4 0 处理器性能参数1 7 i i i 目录 第二节a r ml i n u x 嵌入式开发环境18 3 2 1l i n u x 对a r m 的支持1 8 3 3 2 嵌入式交叉开发环境l9 第三节嵌入式b o o t l o a d e r 2 0 第四节l i n u x 根文件系统2 1 第五节l i n u x 内核的移植2 3 第四章企业监测终端软件设计2 6 第一节监测终端总体设计2 6 4 1 1 软件整体结构2 6 4 1 2 系统运行流程2 7 第二节数据库层实现。2 8 4 2 1s q l i t e 的移植2 8 4 2 2 数据对象的封装3 0 4 2 3 数据库的定义及操作3 4 第三节数据采集模块实现3 6 4 3 1m o d b u s 协议3 6 4 3 2 数据采集实现。3 7 第四节核心调度模块实现4 0 4 4 1 调度流程4 0 4 4 1 报警处理。4l 第五节远程w e b 控制界面实现4 2 4 5 1c g i 技术简介4 2 4 5 2b o a 的移植和改进4 3 4 5 3 远程w e b 控制实现4 7 4 5 4 实时数据显示的实现。4 9 第五章通信部分设计51 第一节g p r s 通信设备的选择5 l i v 目录 5 1 1m c 5 5 通信模块5 l 5 1 2g p r sm o d e m 及作用5 2 第二节报警短信模块实现5 2 5 2 1g s m 短信格式5 2 5 2 2 报警短信发送实现。5 4 第三节数据通信模块实现5 5 5 3 1a t 指令实现数据传输5 5 5 3 2 拨号方式实现数据传输。5 6 5 3 3 数据通信模块设计。5 9 第四节监测中心通信接口实现6 0 5 4 1 安全套接层协议6 1 5 4 2 监测中心通信接口设计6 2 第五节系统运行效果和性能分析。6 3 第六章总结与展望6 6 第一节本文总结6 6 第二节研究展望6 6 参考文献6 7 致谢6 9 个人简历7 0 v 第一章绪论 第一章绪论 第一节课题研究背景 当今社会经济高速发展的条件下，一方面科学技术的日新月异极大地改变 和方便了人们的生活，另一方面，由科学技术推动并维持社会生活运转的生产 设施设备的安全隐患却明显或者潜在地威胁着人们的生命和财产安全，影响着 国家的经济命脉和社会稳定。例如企业中的各种工业生产设备、国家电力系统、 城市热网、道路加油站、加气站、城市粮仓等，以上这些存在安全隐患的设施 设备都可以称之为危险源，我国对危险源的正式定义为：长期或临时生产、加 工、搬运、使用或储存危险物，且危险物的数量等于或超过临界量的设备或设 施【1 1 。在和谐社会的发展目标中，为了保障人民的生命财产安全，维持社会生 活的稳定有序，就需要对这些存在安全隐患的危险源进行监控和管理。加强对 重大危险源的监测管理，对于提高现代城市公众安全水平，应对突发事件，具 有重大的现实意义。 本课题的来源是国家支撑计划项目中的大城市重大危险源实时监测系统。 大城市重大危险源实时监测系统是利用现有的市监测中心、区监测中心、企业 监测客户端三级监测机构建立的一套网络实时监测系统，通过该系统可以完成 对大城市辖区内的危险源状况进行精确数据统计、动态数据监测、实时数据上 报、实时报警、各种信息查询和信息存储管理等工作。系统的主要特点是利用 现代网络的优势和各种成熟的信息交互平台，完成对各种存在重大安全隐患的 危险源进行分布式的实时在线远程监测。 在大城市重大危险源实时监测系统中，处于三级监测机构中最底层的企业 监测终端软件运行于企业内网p c 机上，用来管理和控制企业内的所有现场数 据采集端，为企业用户提供图形化的操作界面，并通过有线网络连接到上级监 测中心。在系统投入运行后的，我们发现企业监测终端软件由于某些企业厂房 内p c 缺乏、p c 机不能够持续数月全天候运行、企业内部并无有线网络等客观 条件的限制而无法进行部署，导致系统的适用性降低。而消除这些限制需要的 硬件成本较大，这就使得系统需要进行补充和扩展才能更完善、有更好的适用 第一章绪论 性。因此，本论文结合当前快速发展的嵌入式和无线网络技术，立足实际项目， 研究并实现了一种基于嵌入式和无线网络的危险源监测子系统作为大城市重大 危险源实时监测系统的补充和扩展，它具有独立性、无缝对接、全天候运行、 无线数据传输、远程控制、价格相对低廉等特点，同时能够自成一体，作为中 小企业独立的危险源远程监测系统使用。 第二节远程监测技术简介 远程监测是指本地计算机借助通讯网络，由监测终端将选定观测的数据传 输至远程监测中心，再通过分析和处理实时数据和历史数据，推测出工作现场 当前的状态，并根据实际情况进行相应处理，从而实现对工作现场环境的监视 与控制【2 1 。远程监测系统是由通信系统、监测系统、控制系统、计算机系统等 组合而成的应用系统，它能够实现对大中型企业内部各个不同地域的厂房或生 产车间的监测控制、连接企业内部的信息网络和控制网络、完成现场运行数据 的实时采集和快速集中，籍以实现远程管理、诊断控制、安全隐患监测与实时 处理，从而减少值守工作人员，最终实现远端的无人或少人值守，达到减少人 力成本、提高自动化能力和生产效率的目的【3 1 。此外，远程监测系统还用于国 家安全检测、医疗监测、危险源监测等基础设施建设中，用以达到远程监测、 异地控制管理、安全隐患报警与消除等方面，从而促进社会的稳定发展。 远程监测技术一直是国内外研究的热门，它主要由监测控制中心和现场监 测终端两大部分组成，根据连接二者的通信方式可以将远程监测系统分为三种： 第一，基于现场总线的远程监测技术。现场总线技术是上世纪9 0 年代兴起 的、近年来备受关注并得到迅速发展的控制网络新技术，它将当今网络通信与 管理的概念引入工业控制领域，是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术 三者的结合。通过现场总线将智能设备连成开放式的控制网络，改变过去那种 封闭式的、集中式的、不灵活的监测控制体系，因为这种开放性使得网络中的 设备增多，从而形成远比可编程控制器p l c 、终端处理器和分布式控制系统d c s 功能更为强大的监测控制系统。 第二，基于以太网的远程监测技术。由于国际上就现场总线没有达成统一 的标准，如果系统中针对不同需要采用了几种现场总线产品，就会使得系统的 耦合性太高，同时管理和维护也变得比单一总线更为复杂，而随着计算机技术 2 第一章绪论 和嵌入式技术的发展，越来越多的采集控制设备都提供以太网接口，这样通过 以太网接口就可以直接与采集器或传感器进行数据采集。由于与i n t e m e t 的无缝 结合、低成本高带宽以及广泛的开放性和兼容性，以太网应用于远程监测系统 将极大地促进信息从传感器到管理层的集成，实现现场设备层和信息系统管理 层的无缝连接，扩展了远程监测系统的作用空间。 第三，基于无线网络的远程监测技术。随着远程监测技术的发展，很多监 测对象彼此之间的距离很远，架设连接位于不同地域的基于现场总线的远程监 测系统需要的成本很高，而监测对象所在的地域又不具备有线网络基本设施， 所以近年来快速发展的无线网络技术正好可以填补这一方面的不足。无线网络 中的g s m 、g p r s 以及近几年即将成熟的3 g 技术，具有覆盖范围广、价格相 对低廉、传输速率日益提升、市场硬件产品成熟等特点，将无线网络技术运用 于远程监测系统中，用以完成现场监测端到监测中心的数据传输，从而很好地 扩展了远程监测系统的适用性。 目前，远程监测系统国内外的研究热点是监测中心的分布式管理、现场控 制终端的低成本和高可靠性的嵌入式系统、连接监测中心和现场数据采集控制 终端的有线或无线网络以及二者的可靠、实时数据传输。并以这些研究技术为 基础，实现针对不同监测对象和地域环境的分布式远程实时监测系统。远程监 测技术会随着新技术的发展而向着嵌入式、智能化、无线网络化、实时分布式 等方面发展。 第三节论文结构及内容 本文第一章首先介绍了课题的研究背景和意义，然后简要介绍了远程监测 技术，并指出了当前远程监测技术的研究热点和发展趋势。 第二章首先介绍了课题的背景项目并进行了分析，然后设计了嵌入式远程 监测系统的整体架构和各子系统的功能以及硬件构成，同时介绍了g p r s 技术 并说明乐本系统网络连接方案。 第三章主要介绍a r m 和l i n u x 平台的构建，包括a r m 处理器的特点和选 择、嵌入式l i n u x 交叉开发模式的构建、嵌入式b o o t l o a d e r 和根文件系统的选 择，并详细说明了l i n u x 内核的移植步骤。 第四章设计了企业监测终端软件整体结构，详细分析了各个模块的实现细 第一章绪论 节，同时对企业监测终端软件实现过程中涉及到的嵌入式数据库s q l i t e 和嵌入 式w e b 服务器b o a 也进行了移植和应用的说明，最后分析了远程w e b 控制的 实现原理。 第五章重点说明了数据通信部分，首先介绍了g p r s 无线通信模块的选择， 然后分别介绍了g s m 短信发送、s o c k e t 数据传输的方式以及实现，最后设计 了企业监测终端和监测中心的数据通信模块。最后本章展示了系统的运行效果 并对系统的性能进行了分析。 第六章对本文所取得的工作成果进行了总结，并探讨了下一步的研究方向。 4 第二章系统整体结构与设计 第二章系统整体结构与设计 第一节背景应用系统介绍 大城市重大危险源实时监测系统是利用现有市监测中心、区监测中心、危 险源管理企业三级监测机构建立的一套网络化实时监测系统，充分利用现代网 络的优势和现有的各种成熟信息交互平台，完成了对需要监测的各种重大危险 源远程实时监测、系统分布式节点间信息交互、及时通报危险源异常状态进行 报警提示和报警升级等工作。 大城市重大危险源实时监测系统是一个典型的分布式结构，由数据采集硬 件、企业监测终端软件和监测中心管理系统三部分构成。数据采集硬件由用于 数据采集的硬件设备构成，主要功能是根据企业监测终端软件的控制进行实时 数据采集。企业监测终端软件是运行于企业p c 机上的软件系统，它通过现场 总线直接与数据采集硬件相连。企业监测终端是整个危险源管理系统的基础， 面向最广大的企业用户，其主要职能包括实时收集危险源的特征信息，对本企 业的危险源信息进行管理，定时把危险源信息上传到监测中心以及开辟可以在 监测中心直接观看企业现场的绿色网络通道等。监测中心管理系统是指运行于 市中心和区中心的信息管理系统，主要职能包括：收集企业监测终端上传的数 据信息、对收集数据进行存储、数据的分类和分析、数据查询与统计，同时包 含邮件发送、报警功能、绿色网络通道管理系统、电子地理信息系统 4 1 等。大 城市重大危险源实时监测系统的结构如图2 1 右侧部分所示，系统有如下几个 特点。 1 ) 分布式的层次结构 系统中处于最上层的是市监测中心系统，也是具有最高决策权的危险源监 测与管理系统。接下来是多个并列的区监测中心，他们构成第二层次的监测和 控制。每个区监测中心管理本区内众多企业监测终端，而这些企业监测终端直 接控制数据采集，它们是系统最基础的数据控制和管理单元，分布于广大的企 业用户，各个企业监测终端独立运行并且具有自我管理功能。 2 ) 多种网络环境 企业监测终端内部连接多个采集硬件设备，这构成了企业内部的数据采集 第二章系统整体结构与设计 网络，主要通过现场总线实现连接。各企业监测终端通过企业内网接入i n t e m e t ， 然后连接到本企业所属的区监测中心系统，这二者之间为i n t e m e t 网络环境。而 市监测中心系统与其所管辖的区监测中心系统以及区监测中心系统之间则是通 过危险源内部专网实现互联。 3 ) 多层次数据流传输模型 企业监测终端会将其静态和动态数据定时或实时上传至区监测中心系统， 而各区监测中心系统同时也需要将各自的数据汇总于市监测中心，最后由市监 测中心做最高决策处理，这是一个由下至上的数据传输流。反过来，市监测中 心的最高决策需要下达到各区监测中心，区监测中心需要传递市监测中心指示 或自身命令给所属辖区内的企业监测终端。企业监测终端根据接收到的命令对 自己的数据和采集器进行控制和管理，这又是一个由上至下的数据传输流。 第二节系统需求与整体设计 在部署并运行了大城市重大危险源实时监测系统后，我们发现该系统应用 于大多数的企业危险源监测是非常合适的，但是由于系统的企业监测终端运行 于p c 机上，并且企业监测终端和区监测中心的通讯依赖于以太网和i n t e m c t ， 所以该系统在如下方面的显得力不从心： 1 ) p c 机的全天候运行问题。由于运行企业监测终端软件的p c 机并不适合 全年全天候持续不间断运行，这会对系统的稳定性和可靠性有较大影响。 2 ) 无p c 机的企业。某些企业内部可能没有p c 机存在，这会导致无法部署 企业监测终端软件，而购买p c 机又会存在系统部署的成本问题。 3 ) 缺乏有线网络的企业。在一些企业所在的厂房中，因为环境所限无法连 接到有线网络，而由于大城市危险源监测系统需要i n t e m e t 的支持，因此这种情 况也无法部署系统。 综上，原大城市重大危险源实时监测系统的不足主要是由于p c 机和依赖 有线网络所导致的。针对原系统存在的这些不足，结合最新的嵌入式和无线网 络技术，本文设计和实现了嵌入式危险源远程监测系统，并将其作为独立的子 系统嵌入到原系统中，如图2 1 右侧框线所示。嵌入式危险源远程监测系统的 企业监测终端由嵌入式系统构成，同时企业监测终端和监测中心之间则通过 g p r s 网络进行数据通信，这就很好地解决原系统所存在的问题。 6 第二章系统整体结构与设计 原系统 结构 图2 1 嵌入式危险源远程监测系统结构图 嵌入式危险源远程监测系统能够依据其诸多优点实现对原系统的很好的补 充和扩展，主要表现在以下几个方面： 首先，嵌入式企业监测终端由于嵌入式系统的可靠性可以全天候运行，这 就能够很好地克服p c 机监测终端持续运行能力不足的问题，从而保证了企业 监测终端的稳定性和可靠性。 其次，嵌入式系统相对于p c 机具有更低廉的成本，这有助于很好地克服 危险源监测系统部署过程中p c 不存在的问题。因为嵌入式企业监测终端可以 完全替代p c 机监测终端的功能，而又能减少成本。 7 第二章系统整体结构与设计 最后，无线g p r s 网络由于具有覆盖范围广、费用低廉、硬件支持成熟等 优点使得嵌入式企业监测终端可以通过移动公司的无线通信链路和监测中心进 行数据交换，从而消除了企业对有线网络的依赖，进一步提高了系统的适用性。 如图2 1 中右侧框线所示，嵌入式危险源远程监测子系统是本论文的研究 对象，它主要由三大部分构成：嵌入式企业监测终端、区监测中心系统和二者 之间的通信链路。考虑到新增加的嵌入式企业监测终端只需要和区中心系统通 信，所以本文研究中只涉及了区监测中心系统的相关接口，因此本文在后面章 节所论述的监测中心都是指区监测中心。 第三节系统各部分功能的确定 嵌入式危险源远程监测系统包含企业监测终端和监测中心系统两大功能部 分。企业监测终端是需要重新设计的嵌入式监测终端，而监测中心的功能及整 体结构不需要重新设计，但需要扩展原监测中心的通信接口以兼容新系统。 2 3 1 监测中心 监测中心是企业监测终端的上级管理系统，它是一个分布式的信息存储、 查询、管理、监测系统，监测中心的主要功能有： 系统用户管理。监测中心是一个可以多用户登录的分布式m i s 系统， 用户管理是指对登录用户的账号、密码、权限等的管理。 各种数据查询。监测中心作为危险源监测系统中数据最集中的位置，各 种数据查询功能是必不可少的，主要包括静态数据查询、实时采集数据 查询、实时报警查询、历史记录查询、历史曲线查询、数据交换和备份 记录查询等。 与企业监测终端数据交互。监测中心需要实时地接受企业监测端的静态 和动态数据，同时也需要根据自身负载和管理员的操作向企业监测终端 发出管理指令。监测中心需要有分别与p c 监测终端和嵌入式监测终端 进行通信的两种不同接口。 实时数据处理。监测中心需要处理本辖区内所有的企业监测终端发送来 的实时采集数据，同时进行本地存储和备份。 8 第二章系统整体结构与设计 报警决策处理。监测中心需要对其所属的各企业监测终端上传的升级报 警信息进行实时决策处理。 2 3 2 企业监测终端 企业监测终端是嵌入式危险源远程监测系统的核心部分，也是本文最重要 的研究和实现部分，其主要功能如下： 数据采集和控制。数据采集是企业监测终端获取数据源的方式，通过控 制和管理采集器获取危险源的实时数据并进行分析和处理是企业监测 终端的核心功能。 本地数据管理。企业监测终端需要依据自身的资源大小来决定对实时采 集数据的缓存和管理工作，同时还要考虑到用户的需要和系统的可配置 性、高效性。 实时报警功能。针对采集到的危险源实时数据，根据其阈值的大小决定 是否产生报警以及报警的级别。在有报警的时候需要及时采取措施通知 相关管理负责人以便尽快消除报警。 令与中心的数据交互。企业监测终端需要向监测中心发送企业信息、采器 器信息、危险源描述信息等静态信息和实时采集的动态数据信息。同时 升级报警信息的上传也是企业监测终端的功能之一。 远程w e b 访问界面。为了完成对嵌入式企业监测终端的远程配置和控 制，需要提供远程访问和控制接口。远程w e b 界面是一种简单而高效 的远程信息管理系统，用来向提供用户对嵌入式企业监测终端的信息查 询、系统配置、数据处理等操作界面。 g p r s 设备管理和控制。企业监测终端通过g p r s 网络接入i n t e m e t ，企 业监测终端需要管理g p r s 设备接入网络的方式和时间，同时还需根据 信号的强弱进行有效的控制以便保持网络的畅通。 第四节企业监测终端硬件构建 企业监测终端由a r m 板、数据采集设备和g p r s 通信设备三部分构成。 其中a r m 板是企业监测终端的嵌入式硬件平台，数据采集设备用来完成数据 9 第二章系统整体结构与设计 采集工作，它也是整个系统的数据源获取硬件，g p r s 通信设备是用来将企业 监测终端接入g p r s 网络转而连接i n t e r n e t 上的监测中心服务器，企业监测终端 的硬件结构图如图2 2 所示。 各危险源监测参量 图2 2 企业监测终端硬件结构图 a r m 板通过串口连接g p r s 设备和采集器，而连接采集器又有r s 2 3 2 接 口直接连接和由r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口转换器转换成r s 4 8 5 接口后再连接两种方 式。隔离变送器用来连接采集器和传感器，传感器直接接触危险源。企业监测 终端中的各个器件各自独立又相互依存，它们各自完成自己的工作，同时又具 有自己独特的特性。下面逐个介绍各个硬件的特性与功能： 1 ) 数据采集器 通常将具有数据采集功能的设备称为采集器【5 】。根据采集器和个人计算机 或嵌入式设备的连接方式，通常有串口采集器、u s b 采集器、以太网采集器和 无线采集别6 】等。但目前最为常用的还是串口工业采集器。采集器根据类型、 量程、采集速率、通道数目等特性的不同而不同。本系统中使用的采集器是研 华公司的a d a m 4 0 1 7 工业采集器。它的通道为6 路差分、两路单端，支持 l o 第二章系统整体结构与设计 m o d b u s 协议，采样速率为每秒1 0 个采样点，具有8 个模拟通道。除此之外， 系统研究阶段还使用了安控科技的1 6 通道混合类型数据采集器，它具有8 个模 拟通道和8 个数字通道，支持m o d b u s 协议以及r s 2 3 2 和r j 4 5 接口。 2 ) 传感器和隔离变送器1 7 1 传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，传感 器负责将某个对象或过程的特定特性转换成数字量。其“对象 可以是固体、 液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态的，对象特性被转换 量化后可以通过多种方式检测到。系统中使用的传感器根据应用的不同而不同， 有温度传感器、压力传感器、湿度传感器等。 隔离变送器是集隔离作用、变换作用和信号放大作用于一体的电子器件， 它用来将传感器输入的信号转换放大为采集器的输入，同时对工业现场的复杂 环境具有很好的隔离作用。本系统中使用的是安控科技的f s l l 5 热电阻隔离变 送器，其特点是2 3 线p t l 0 0 输入、5 0 3 0 0 温度范围可选、精度0 5 级。 3 ) g p r s 通信设备 系统中的g p r s 通信设备为g p r sm o d e m ，g p r sm o d e m 是接入g p r s 分组网络的一个物理通道，通过它可以进行g p r s 拨号或a t 指令控制，然后 接入g p r s 网络，同时还可以用它实现g s m 短信收发。本文在研究过程中使 用的是百亿科技的g p r sm c 5 5m o d e m 开发板，它是一个便捷的即插即用的终 端产品，内置了m c 5 5 无线g s m g p r st c p i p 通信模块，集成了标准的r s 2 3 2 接口以及s i m 卡插槽，可以在p c 机上用a t 命令通过串口对它进行设置。该 开发板的成熟产品即为g p r sm o d e m ，使用已经研制成熟的开发板可以节省 p c b 硬件布线等硬件电路设计和制作的时间，从而缩短项目研发周期。 4 ) a r m 硬件平台 企业监测终端a r m 硬件平台为友善q q 2 4 4 0 开发板。q q 2 4 4 0 是一款低价 实用的a r m 9 开发板，它采用$ 3 c 2 4 4 0 为微处理器，并采用专业稳定的c p u 内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行时的稳定性。其系统参数如下： s 3 c 2 4 4 0 a a r m 9 处理器，主频4 0 0 m h z 。 在板6 4 ms d 删，6 4 mn a n df l a s h ，2 mn o rf l a s h 。 1 个1 0 m 以太网接口、3 个串行口、1 个u s bh o s t s l a v eb 型接口。 4 个用户l e d 、4 个用户按键，1 个p w m 蜂鸣控制器。 第二章系统整体结构与设计 2 5 1g p r s 技术介绍 第五节系统网络连接方案 g p r s 是通用分组无线服务技术( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称， 是在g s m 协议构架的基础上，增加支持分组交换的协议而实现的基于分组的 无线通信服纠引。它借用了移动的接入网和传输网，提供端到端的、广域的无 线i p 连接。g p r s 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、跳频规则以及相同的t d m a 帧结构，只要g s m 网络覆盖的地方都可以 使用g p r s 网络。g p r s 的特点 9 1 如下： g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络 资源和无线资源的利用。 定义了新的g p r s 无线信道，每t d m a 帧可分配1 8 个无线接口时隙，且 每个时隙能为动态用户共享，且向上链路和向下链路的分配是独立的。 g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和口网、x 2 5 网互联互通。 支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。 g p r s 也允许短消息业务( s m s ) 经g p r s 无线信道传输。 g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持持久的连续 数据传输，它支持四种不同的q o s ( 服务质量) 级别。g p r s 能在0 5 - 1 秒 之内恢复数据的重新传输。 g p r s 与g s m 具有相同的安全功能，g p r s 身份认证和加密功能中的算法、 密钥和标准与目前g s m 中的一样，不过g p r s 使用的密码算法是专为分组 数据传输所优化过的。g p r s 移动设备可通过s i m 访问g p r s 业务，不管 这个s i m 是否具备g p r s 功能。 g s m g p r s 通过在原g s m 网络基础上增加一系列功能实体来实现对分组 数据的传输，新增功能实体和软件升级后与原g s m 功能实体组成g s m g p r s 网络，作为独立的网络实体完成g p r s 数据业务，原g s m 网络则完成电路业 务。g p r s 的网络结构原理如图2 3 所示。 1 2 第二章系统整体结构与设计 电路业务交换通道 u 阜b s s 一 图2 3g p r s 网络结构原理图 g p r s 网络在原有的g s m 网络的基础上增加了s g s n 、g g s n 和p c u 三 个功能实体，共用现有g s m 网络的b s s 系统，但要对软硬件进行相应的更新；