（计算机应用技术专业论文）无线监控系统通信接口规范的研究.pdf

摘要 随着移动数据通信飞速发展，各种无线监控应用层出不穷。无线 监控系统由监控中心，无线网络，远端设备组成。监控中心通过无线 数据网络对远端设备进行数据采集、参数设置、控制其状态改变，实 现监测和管理。尽管不同的应用需要的通信数据并不相同，但系统的 构成、通过无线网络传输的接口数据类别具有很强的共性，如果能制 定完善、适应性强的通信接口规范，将给终端用户、设备制造商、系 统集成商、应用程序开发者等提供方便，带来各种利益，例如降低开 发成本、缩短开发周期等，也将推动无线监控领域和无线网络应用的 发展。 作者在论文课题期间，参与了无线监控系统中消息代理与远程 终端单元接口规范的制定，该项目正是针对上述的需求开展的。在 本论文中，将详细介绍论文期间的研究工作及成果。 首先，通过对多个无线监控系统的研究，总结出无线监控系统在 构成、通信过程与功能上的共性，提出设计思想。为了实现监控管理 功能，监控中心与远端设备必须先建立连接，然后才能在连接的基础 上实现各种监控管理，若希望中断通信，还要拆除连接。功能可以分 为注册、注销、控制、查询、告警、数据上报、文件传输七大类，每 一大类可细化为若干小类。 然后，在功能分类的基础上，仿照i p 协议制定合理的数据格式， 将消息分为消息头和消息体，便于应用软件对协议的解析，同时提出 了如何在现有数据格式的基础上进行消息的扩展，保证其通用性和可 扩展性。 最后，本文选取了已投入使用的中水管网监控系统为例，描述了 规范是如何应用在实际的监控系统中。该实例也是对本文理论可行性 的验证。 关键词 无线监控系统监控中心远端设备通信接口规范 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fm o b i l ed a t a ，a l lk i n d so fw i r e l e s s m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m sa p p e a r w i r e l e s sm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m c o n s i s t so fc e n t e r , w i r e l e s sd a t an e t w o r ka n dr e m o me q u i p m e n t t h ec e n - t e rg a t h e r sd a t aa n ds e t sp a r a m e t e rt h r o u g hw i r e l e s sn e t w o r kt oi n s p e c t a n dc o n t r o lt h ee q u i p m e n t a l t h o u g hd i f f e r e n ts y s t e mn e e d sd i f f e r e n td a t a ， t h e r ea r em u c hr e s e m b l a n c ei nt h ef r a m e ，d a t at y p ea n df u n c t i o n ap e r - f e c ta n da d a p t a b l es p e c i f i c a t i o ni nt h ew i r e l e s sm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s - t e r nc a nb r i n gm u c hb e n e f i t t h ea u t h o rh a sp a r t i c i p a t e dt h r o u g h o u tt h ep r o j e c to f i n t e r f a c e s p e c i f i c a t i o nb e t w e e nm e s s a g e n ta n dr e m o t et e r m i n a lu n i ti nw i r e l e s s c o n t r o la n dm o n i t o rs y s t e m ”i nt h ep a p e rp e r i o d t h i sp r o j e c tj u s tf o c u s e do nt h er e q u i r e m e n tm e n t i o n e da b o v e t h i sp a p e ri sb a s e do nt h e p r o j e c ta n di n t r o d u c et h er e s e a r c hw o r ka n da c h i e v e m e n t f i r s t ，s u m m a r i z et h ec o m m o n n e s si ns y s t e mf r a m e ，c o m m u n i c a t e p r o c e d u r ea n df u n c t i o nt h r o u g ht h er e s e a r c hi nm a n yw i r e l e s sm o n i t o r a n dc o n t r o ls y s t e m t h ec e n t e rm u s tc o n n e c tw i t ht h er e m o t ee q u i p m e n t a tf i r s t ，t h e ne x e c u t ef u n c t i o n si n c l u d i n gl o g i n ，l o g o u t ，c o n t r o l ，q u e r y , a l a r m ，f i l et r a n s f e na n de a c hf u n c t i o ni n c l u d ec e r t a i ns u b f i m c t i o n t h e n ，b a s e do nt h em e s s a g et y p e ，i m i t a t ei pp r o t o c o lt oc o n s t i t u t e r e a s o n a b l ed a t af o r m a tw h i c hi sd i v i d e di n t om e s s a g eh e a d e ra n dm e s s a g e b o d ya n dc o n v e n i e n tf o rs p e c i f i c a t i o np a r s e a tt h es a m et i m e ，b r i n gf o r - w a r dh o wt oe x p a n dm e s s a g e a tl a s t t a k e “r e u s a b l ew a t e rp i p en e t w o r ka d m i n i s t r a t i o n & m o n i t o r i n gs y s t e m ”f o r a l le x a m p l e i td e s c r i b e sh o wt oa p p l yt h e s p e c i f i c a t i o ni n t or e a lm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m a n dt h ee x a m p l ei s a l s oa nv a l i d a t i o no f t h et h e o r yi nt h et h e s i s k e yw o r d s w i r e l e s sm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mt h ec e n t e rr e m o t ee q u i p m e n t c o m m u n i c a t ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n 独刨。阽( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电火学或其他 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 何员献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 奉人签名：日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识 产权单位属北京邮电大学。学校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，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学何论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 日期： f 1 期： 北京邮j 乜人学矧一l j 研究生学位论文第一幸绪论 第一章绪论 众所周知，令球无线、移动数掘通信是未来五年发展最快的业务之一，与其 相关的各种移动数据通信应用层出不穷，如基于g p r s 的远程无线数据采集和监 控、无线数据传输，无线电子商务等。尤其是在无线监控应用领域，各种无线网 络应用提供商、系统集成商如雨后春笋般不断涌现、各种无线传输设备和采集控 制设备也不断地推陈出新，但是目前在无线监控应用领域里，针对每一种应用和 每一种采集控制设备或者远程终端单元设备，人们都需要各自制定一套相应的无 线数据通信协议，这样不仅要投入很多人力物力，而且延长了无线监控应用系统 的丌发周期，同时也不利于无线监控业务的广泛推广，因此为无线监控应用领域 制定一个通用的统一的通信协议接口标准具有重大的现实意义。 本章首先介绍了无线监控系统及其行业应用的现状，然后介绍论文课题情 况，论文研究的目标和内容，论文完成的工作和论文的组织。 1 1 研究背景与现状 i 1 1 监控系统的发展状况 监控技术广泛应用于能源、交通、水利、电力、建筑和家庭自动化等生产和 生活的各个领域。伴随着计算机技术、通信技术，自动控制技术、机电技术以及 国际互联网的不断发展，髓控系统也经历了一个逐渐演进的过程。纵观监控系统 的演变，就是个从传统的集中控制系统向分布式网络监控系统的发展历史。监 控系统最早的雏形是自动控制系统，因此早期的监控系统就是控制系统。只是随 着技术的不断进步，控制系统的功能也不断丰富强大，而不仅仅限制在控制方面， 所以才逐渐出现了监控系统和监控管理系统。以下列出了监控系统从早期发展到 现在所经历的几个阶段： ( 1 ) 集中式控制系统 2 0 世纪7 0 年代，由于使用了数字计算机，从而产生了集中式数字控制系 统，简称c c s 。其结构如图k l 所示。 第1 页共6 9 页 北京l | 1 f f i 也人学硕l 一研究生学位论文第一章绪论 图1 1c c s 示意图 集中式控制系统一般有一个强大的中央计算机单元来运行和操作控制全过 程，同时也需要独特的图形化用户界面和实时操作系统。早期的集中式控制系统 通常采用单片机、p l c ( 可编程逻辑控制器) 或电子计算枫作为中央控制单元 ( 也叫控制器) 。集中式控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判 断，在控制方式上可以统一。调度和安排；不足的是，对控制器本身要求很高。必 须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可 靠性将急剧下降。 ( 2 ) 集散式控制系统 2 0 世纪8 0 年代，由于半导体制造技术的飞速发展，微处理机的出现和应 用，工业控制从早期的就地控制、集中控制发展成为到目前为止仍应用广泛的集 散式控制系统，简称d c s 。其结构如图卜2 所示。 图1 - 2 d c s 示意网 传统的集散式控制系统的核心思想是集中管理、分散控制。即管理与控制相 分离。中央控制单元用于集中监视管理功能，若干个现场控制中心分敖到各个现 场去实现控制，中央控制单元和各个控制中心互连以实现相互之间的信息传递。 第2 页共6 9 页 北京1 1 j | u 人学坝l 。打仆究生学化论文靖一市绪论 当系统任务增j j u 时，出1 ：各个域场控制中心町以和中央控制单元一起分担这些任 务，所以控制器的效率和可靠性不会急剧下降，同时对控制器的要求也大大降低。 ( 3 ) 现场总线监控系统阶段 2 0 世纪9 0 年代初，由于现场总线技术的出现，产生了现场总线监控系统， 简称f c s 。现场总线是九十年代在图际兴起的毅一代分布式控制系统的核心技 术，是自动化领域中计算机通信体系最低层的低成本网络。国际电工委员会 ( i e c ) 和现场总线基金会( f f ) 对现场总线作了如下定义：现场总线是连接智 能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输多分支结构的通信网络。 采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统 开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。由于现场总线适应了工业控制 系统应具有分散化、网络化、智能化等特点的要求，同时许多国际组织、例如i e c ( 国际电工委员会) 、i s a ( 美国仪表学会) 、i s p ( 可互操作系统规划组织) w o r l df i p ( 世界工厂仪表协议组织) 等，多年来为制定现场总线标准作了大量工 作，结果出现多种不同的现场总线标准，例如i s p 、w o r l d f i p 、l o n w o r k s 和c a n b u s 等。不可否认，现场总线技术对监控领域的技术进步起到了巨大的推动作用， 但正是由于多种不同总线标准的同时存在，给公司、企业基于不同现场总线形成 的多个监控网络之间的互连又设置了不少障碍。 ( 4 ) 分布式网络监控系统阶段 现场总线控制系统尽管有很多优点，但是它在网络的可扩展性、网络拓扑结 构( f c s 一般采用总线型拓扑结构) 和通信媒介的使用方面都要受到限制。正 是为了解决这些问题，分布式网络控制系统得到了发展。 分稚式网络监控系统是目前监控系统中最完美的解决方案，由于它采用现场 智能设备来实时控制任务，以及在现场智能设备实现网络通信协议，同时采用网 络技术构成监控系统的操作平台，使得它能较好地解决自动控制的两大基本问 题，即现场设备的实时控制和现场信号的网络通信，这就为构成高性能和高可靠 性的分布式监控系统奠定了技术基础。 分布式网络监控系统的主要特点有：a 、可采用混合的通信媒介，可以使用 双绞线、光纤、无线电等等；b 、更好、更完全地实现了o s i 七层模型，大大 提高了网络的可靠性；“可以采用星形、总线形和环形中任何一种网络拓扑结 构，d 有大量界面友好的软件和开发工具可供使用。 第3 页共6 9 页 j ! 塞! ：! ! ! ! 堡苎堂塑! 型! 塑兰堂丝娑茎釜二童垡堡二 分和式h 络监控系统u ，划分为有线网络监控系统和无线网络监控系统。其 中，有线删络络监控系统有基于l a n 的监控系统，基于i n t e m e t 的监控系统， 基丁p s t n 的监控系统、基于w e b 的监控系统等多种。而无线监控系统可以 划分为基，无线r 台的无线监控系统、基于集群通信系统的无线监控系统、基于 c d p d 的无线监控系统、基于g s m 短消息的无线监控系统，基于c d m a2 0 0 0 l x 的无线监控系统，以及基于g p r s 的无线监控管理系统等多种。 1 2 无线监控系统及行业应用 无线监控管理系统的划分通常是根据它们所采取的不同通讯方式。归纳起 来，目前国内可用于无线监控管理系统的通讯方式主要有无线电台方式，集群移 动通讯方式，g s m 短消息通讯方式，m o b i t e x 通讯方式，c d p d 通讯方式、g p r s 通讯方式和c d m a2 0 0 01 x 通讯方式。 无线监控系统的行、皿应用同面向单一用户的方式不同，应用针对的是包括企 业、政府、学校、社区等在内的集团用户，系统包括原始数据的采集、无线数据 传输、设备远程控制、数据处理等多个方面。 无线监控系统的行业应用就是依托于无线数据通讯网络平台，远程实现行业 的生产、管理、监洲、控制等等功能，在目标系统管理层面与终端设备之间建立 无线的移动数掘通信通道，创建丰富和强大的信息管理系统、监控管理系统和终 端运营系统，并为这些系统提供具体解决方案以及全方位的决策支持系统。下面 介绍了几种突出的行业应用情况。 1 1 2 1 公川革础设施的监控 该公用基础设施包括夜景照明、给排水、热力、电力、燃气等。 通过无线监控系统对公用基础设施进行集中的监控管理，可以降低整个公用 基础设施的维护成本，提高系统的运行效率，方便系统的故障定位、排查。下面 以夜景照明为例，简要介绍夜景照明无线监控系统的主要功能。 1 ) 遥测功能 监控中心可实时采集各现场控制点的电压、配电箱内各控制回路的实时电 流、功率因数，计算照明系统的总功率、用电量，亮灯率等电力参数，及时了解 各控制点的当前运行状态。 2 ) 故障报警功能 第4 页共6 9 页 北京邮i 乜人学倾 i f 究生学位论文笫一章绪论 远程终端单元( r t u ) 实时分析各项采集到的数据，如果夜景照明设施出现 故障，r t u 将根据故障的不同等级进行分级报警，并实时上报给监控管理中心， 监控管理中心及时采取相应的告警处理措施，如弹出菜单报警、声音报警、手机 报警等。 若监控中心融合了g i s 技术，监控管理中心能够准确在电子地图上定位故障 发生地，并指导就近的维护人员现场处理硬件故障。 3 ) 自动定时开关控制功能 监控管理中心可根据不同季节、节假日设置不同的开关灯时间表或夜景照明 组合方案，并由监控中心把设置好的开关灯时间表下载到各现场控制点，自动控 制各现场控制点照明设施的开关。 当前系统提供长达一个月的时间表下载功能，根据不同城市的具体情况，可 以延长或缩短时间表长度。 4 ) 遥控功能 特殊情况下( 如重大事件，领导视察) ，可直接由监控中心远程控制现场照 明设施的开关操作，可实现夜景照明方式的不同动态组合。 5 ) 查询统计功能 用户可自定义查询历史数据库中的历史数据，历史数据不仅包括各控制点 的电力参数、告警事件，告警时l 日j 、操作记录、人员登录情况以及各控制点的用 电量、亮灯率等统计量，还包括各控制点照明设施的种类、数量、生产厂家等管 理信息。同时能根据用户的需求快速生成、打印各控制点有关统计量的月、季、 年统计报表，为客户的科学决策提供准确丰富的数据信息。 6 ) 系统管理功能 方便快速地满足用户的各种管理需求。可针对不同用户设置不同操作权限， 实行多用户多权限访问，禁止非法访问。同时l m a s 系统具有灵活的系统设置 功能，对不同控制点可设簧不同的监控管理策略，如对不同的夜幂照明点设置不 同的开关灯时间表，不同的数据查询周期，不同的告警处理措施等。系统还能对 用户的各种操作控制自动生成各种日志文件，便于系统管理，明确责任。系统管 理功能具体可分为用户管理、安全管理、配置管理和日志管理。 7 ) 远程浏览和控制功能 第5 页共6 9 页 北京哪电人学顺 研究生学位论史第一市绪论 授权的用j t 通过登录系统的w e b 服务器，在家中、办公室、或在移动环境 内( 如小轿车内) 就可实现对夜景照明监控管理系统的远程浏览，不会受时间或 空问的限制，方便地了解城市夜景照明的运行状态。这样，一h 有突发事件和紧 急任务，授权片j 户r j 以不必到监控中- 1 5 , 就可远程控制各夜景照明控制点照明设施 的开关。 1 1 2 2 水文、气象等行业的监控 水文包括水量、水质。气象包括大气中各种气象指数。以水文行业为例，简 要介绍其监控系统。 1 ) 水量监控系统 对水量的监控设备主要是泵和闸。泵的作用是排和灌。根据水位监测结果， 自动启闭泵运行方式，调节供，排水量；闸的作用是泄放，根掘水位监测结果， 自动调节闸位，控制 f 水量。但对于大型水库的泄洪闸，因为关系重大，需要采 取其它相应措施，联合调度，以确保万无一失。上述监控系统已在我国许多地方 得到应用。即所谓的”供水调度自通化系统”，”闸门自动控制系统”等。 2 ) 水质实时监控系统 建立水质实时监控系统，可以在水质发生变化且超过标准时，发出警报( 警 报可以分等) ：j 面向建设单位报警( 除了在机房有报警，还可在现场设报警器) ； 一面向水环境管理部门报警。在应用软件上，监控中心还要配置超标后的解决予 案，以便及时采取整改措施。这也许可称”污水监控决策支持系统“。这对于保护 水环境，是非常有效的措施。 1 1 2 3 智能小再的三表抄送 三表包括水、电、煤气表。 近年来群众要求水、电、气表，实现户一表”，“抄表到户”的呼声越来越 高，国家相关部门非常重视，但“抄表到户”需要大量人力物力，同时，借抄表名 义实施偷盗抢劫的事件也时有发生。如何实现“一户一表”、“抄表到户”、“户外 抄表”，已成为社会关注的热点问题之一。无线自动抄表系统，解决了上述诸多 问题。 以煤气抄表系统为例，系统由四部分组成： 第6 页共6 9 页 北京l | | j f u 人学颂l ：研究生学位沦文笫一章绪论 无线煤气表：安装于居民室内，该煤气表除具有普通煤气表功能外，还包含 煤气数据读敷模块和数传电台模块，能够自动采集煤气度数，并将该数据以无线 的方式发送给近距离内的数据集中器。 数掘集中器：通常安装于居民楼顶部，包含数传电台模块和无线通信模块。 通过数传电台模块，数据集叶，器能够和无线煤气表进行数据双向通信，如，通知 无线煤气表提交煤气量数据、通知无线煤气表关闭煤气阀门、接收无线煤气表传 来的煤气量数据；通过无线通信模块及无线通信网络，数据集中器能够和煤气公 司应用服务器进行数据的双向通信，把煤气量数据提交给煤气公司应用服务器， 并可接收煤气公司应用服务器的操作指令。 无线通信网络：可借助中国移动的g s m 网络、g p r s ，联通的c d m a 等网 络。每月只需交纳很少的数据通信费。 煤气公司监控管理中心：该中心可通过无线通信网络和居民楼上的数据集中 器进行通信。在煤气公司应用服务器建立数据库，记录各用户用气量等信息，基 于垓数据库，煤气公司可丌发一系列的用户管理软件。 1 1 2 4 物流、公安等行业的智能车胎指挥调度 陔系统通过安装在车、船的g p s 定位模块向管理中心上报位置数据。 主要功能：实时跟踪、调度指挥、轨迹回放、遥控功能、报警功能、通话功 能、信息查询、电子地图、目标调度、统计分析。 该调度系统可以应用在： 1 ) 管理与调度 智能管理调度中心，铁路机车在线监控调度，长途客货运车、出租车、客货 运船舶的定位跟踪、智能管理与调度 2 ) 指挥与监控 公安、交警、巡警、消防、救护、缉私船等的定位、监控与指挥 3 ) 安全防护 盒融、银行、证券运钞车安全保障 政府公务车辆、外事活动车辆、v i p 车船、涉外旅游车辆船只安保 4 ) 紧急救援 第7 页麸6 9 页 北京m i 乜人学坝u i 研究生学位论文第一章绪论 抗洪救援、电力、电信、道路等应急抢险车辆 1 2 论文研究的目标和内容 根据无线监控应用共性的特点，本论文旨在解决无线监控应用系统中远程终 端单元与监控中心的消息代理间接口的通信协议的标准化问题。制定完善、适应 性强的接u 规范，将给终端用户、设备制造商、系统集成商、应用程序开发者等 提供方便，带来各种利益，例如降低开发成本、缩短开发周期等，也将推动无线 监控领域和无线网络应用的发展。 论文将提出该通信接口通信协议的体系结构、层次和功能。定义数据传输与 信息交换的数据格式、消息格式。 本论文中提出的接口规范适用于数据量小，实时性较强的工业无线监控系统 或与其系统构成类似的其他行业的监控系统( 不包括视频和音频应用) 。例如： 夜景照明、给排水、热力、电力、燃气等公用基础设施的监控，江、河、湖、海 的水文测报，油田、油井的状态监控，智能小区的电、水、煤三表的抄送，物流、 公安等行业的车辆定位等等。 1 3 论文完成的工作和论文组织安排 作者在论文课题期间，参与了无线监控系统中消息代理与远程终端单元接 口规范的制定，该项目由中国通信标准化协会批准立项。现已通过专家评审， 在报批中。该项目是在企业研究成果之上，参考大量的无线监控案例，对各应用 进行抽象，制定完成，具有普遍性。在此项目之前，作者曾参与“基于g p r s 技 术的夜景照明无线监控系统”的编码及测试工作和“多媒体广告无线监控系统的” 需求分析、设计等工作。可以说本论文是自己在参加无线监控系统研发的基础上， 对无线监控系统通信协议规范化的研究，希望其能推动无线监控的发展，降低开 发成本。 基于上述阐述，论文的组织安排如下： 第二章，是对无线监控系统的概述。如上所述，各无线监控系统的构成大同 小异，在第二章中将详细介绍本规范适用的无线监控系统的构成及各模块功能。 该部分是在对多个无线监控系统的研究基础上总结得出的。 第8 页共6 9 页 北京m l 乜人学坝卜研究生学化沦史第一幸绪论 第三章与第四章是本论文的核心。作者在第三章中定义了规范中所必须的术 语，提出了规范的体系结构，消息分类，消息交互，消息的功能。 第网章，制定了第三章中定义的消息的具体格式。该消息格式以二进制码的 形式编写，便于软件解析，方便底层控制。 第血章，是对本规范的检验。将论文中提出的规范应用于实际的监控系统一 一中水监控系统。从该章可以看出，中水系统需要的所有功能在规范中都得以实 现，并给出了具体的消息编码。 第六章，总结全文，并指出下一步工作方向。 第9 页共6 9 页 第二章无线 l 矗控系统概述 第二章无线监控系统概述 无线监控系统由监控中心、无线数据网络、现场部分三部分组成。本论文中 需要定义的接u 位丁r t u ( 即远程终端单元，位于现场部分) 与m a ( 即消息 代理，位于监控中心) 之问。在本章中，笔者介绍了本论文提出的接口规范的适 用范围，该范围内的无线监控系统的构成及各功能模块的功能。该部分是作者对 多个无线监控系统的研究总结得出。 2 1 系统描述 本节简要介绍无线监控系统的构成，基本的无线监控管理过程及无线监控的 应用场景。 2 1 i 系统结构、功能 图2 1 无线监控系统框架图 如图2 1 所示，无线监控系统由三大部分构成：监控中心、无线数据网络、 现场部分( 包括监控对象、现场设备、远程终端单元r t u ) 。 一个r t u 可以连接多个现场设备，两者可通过有线或无线的方式进行通信。 现场设备不断采集监控对象的数据，写入r t u 中保证r t u 中数据的实时更新， 当监控中心查询监控对象的实时数据时，即可从r t u 中直接读取，当r t u 判断 第1 0 页共6 9 页 北京邮电人学硕士研究生学位论文 第二蒂无线；髓控系统概述 实时数据发生错误时即产生告警消息上报给监控中心。r t u 收到监控中心的控 制监控对象的命令，将其发给现场设备，由现场设备来控制监控对象。 监控中心借助无线数据网络，通过r t u 和现场设备对监控对象进行监控管 理，同时也对r t u 本身进行监控管理。监控中心与r t u 的通信是承载在无线数 据网络传输平台之上的，所以无线数据网络并不限定于某个特定的网络，可以是 数字集群专网或共网、g p r s 、c d m a 或w l a n 等。 无线监控的应用千变万化，最基本的功能如下： 遥测功能：对监控对象进行数据采集。数据分为实时数据和历史数据。 故障报警：能及时发现系统出现的故障，对故障定位，按应用需要采用合适 的报警方式。 遥控功能：控制监控对象的运行 人机交互功能：友好的人机交互界面 在基本功能之上，不同的应用会有各种附加功能，如查询统计功能，g i s 定 位功能等。 2 1 2 应用场景描述 无线监控管理系统往往用于无人值守的环境，这也是无线监控的重要目的之 一。所以尤其适用于工业领域，对工业设备的实时监控。 如1 1 2 中提及的行业应用，其构成符合图2 - 1 的结构框架，具备工业监控 的特点，也在本规范的范围之内。符合本规范的应用的特点概况如下： 1 ) 系统的构成符合图2 1 所示。这是无线监控的基础。 2 ) 高度智能化。现场设备或监控对象往往留有接1 ：3 供手工控制而不进行无 线监控操作且具有更高的优先级，但当对监控对象进行无线监控管理时，监控对 象向监控管理中心发送采集数据或接受监控中心控制改变自身的运行状态，都是 自动完成，在现场部分不需要人工干预。 3 ) 实时采集数据。需要实时了解监控对象运行状况的应用需要上报实时数 据或根据对数据的判断得出的实时状态。数据量不大，在几k 范围之内，对其实 时性的保障要取决于所选择的网络带宽。 第1 i 页共6 9 页 北京邮电大学倾i + 研究生学位论文第= 帝无线监控系统概述- 4 ) 上报历史采集数据。只需获得监控对象一段时间内运行数据的应用。不 要求实时性，主要目的是获得历史数据。比如对大气环保指数的监测，可以每天 上报一次。数据量往往很大，但无实时性要求。可以考虑邱方式传送。 5 ) 远程控制。监控管理中心远程控制监控对象的运行。有些应用是只监不 控的。 6 ) 文件下载。可用于监控中心更新r t u 的程序，r t u 上报历史数据等。 只是可选项，具体的应用如无此需求可不考虑。 如上，1 、2 是无线监控的必备特点，6 是可选项，特点3 、4 、5 ，无线监控 应用必须具备至少其中之一，否则不属于无线监控。复杂的应用会同时具备此三 个特点，一般的应用往往具备3 、5 或4 、5 。 2 1 3 接入方式 r t u 和监控中心的接入方式取决于应用选择的网络，监控中心必须具有固 定的i p 地址。 r t u 通过其通信处理模块以无线网方式接入，即r t u 作为数据终端，其i p 地址可以是固定分配，也可以是动态分配。 监控中心接入无线数据网络可以有多种方案，以g p r s 网络为倒，可以有以 下四种方案： 无线网接入( 方案一) ：监控中心作为数据终端绑定固定i p 地址。 i n t e m e t 接入( 方案二) ：监控中心经由i n t e m e t 接入无线网。 专线接入( 方案三) ：监控中心经d d n 专线接入无线网。 直接接入( 方案四) ：监控中心经d d n 专线而不经防火墙接入无线网，会 对无线网构成一定程度的威胁。不推荐采用。 第1 2 页共6 9 页 北京邮l 乜大学坝| 研究生学位论文第一二章无线监控系统概述， 2 1 4 无线监控的优点 监控中心 监控中心监控中心 图2 - 2 监控中接八g p r s 网络方案图 与有线监控相比，无线监控有其强大的优势： 受地域范围影响小 腌工简单，投入小 具有移动性，方便灵活 2 2 消息代理 监控中心 其他模块 消息代理 ，叶7 、 无线数据网络 弋 个 厂 远程终端单元 圈2 - 3 监控系统原理图 第1 3 页共6 9 页 北京邮毡大学顺l ： i j l = 究生学位论文第= 章无线监控系统概述- ：监控中心由很多模块组成，其中完成r t u 与监控中心间通信( 包括消息的 存储转发及消息交互控制) 的模块是消息代理。 一个监控中心可以有多个消息代理，提高系统的处理能力 2 3 远程终端单元( r t u ) 舞萝豢 聪场谩并 詹、j 一一一：二一 聪场世缶 一鞫 外接 _ _ i ：o j ，、一“ 图2 4 远程终端单元( r t u ) 的组成 r t u 至少由中央处理模块和无线通信模块组成，为提高数据传输的安全性， 可增加数据安全模块。 无线通信模块是r t u 连接监控中心的纽带，负责无线通信网络的接入和数 据传输，并不涉及通信的具体内容。 数据安全模块负责对无线通信模块收发的数据进行加解密，保障信息传输的 安全。 中央处理模块是r t u 的核心模块，负责整个r t u 系统的调度和逻辑处理， 协调管理其它模块良好运作。 2 4 系统的安全 系统的安全性由鉴权与加密来保障。 鉴权是为了确认r t u 的合法性，鉴权信息在3 3 | 8 中说明。 加密是为了防止第三者的窃听。加密算法不是本论文的讨论内容。各应用可 自行选取加密算法对数据加密传输。 第1 4 页共6 9 页 北京邮也人学坝i 研究生学位论文第三章姚范介绍 第三章规范介绍 本章与第四章是笔者的主要工作成果。在本章巾，将介绍作者的设计思想及 在此基础上定义的规范的层次结构，消息分类，消息交互过程，消息的功能描述 及规范描述需要的信息。 3 1 设计思想 首先是对规范的定位。其次是明确通过这个接口规范，m a 与r t u 如何来 进行通信，实现监控管理功能。再次是总结接口规范需要完成的功能，由于任何 功能都是通过传输数据来完成的，所以这一部分首先要对接口数据进行分类。然 后是消息交互的控制，即如何来进行一项功能( 或操作) 的执行。最后是数据格 式的设定。数据格式的设计思想将在第四章中阐述，其他部分在本小节中说明。 3 1 1 规范定位 由于无线监控系统是一种无线数据业务应用，它借助无线网络传输消息进行 通信，所以属于应用层，并不涉及底层传输。 应用层 传输层 网络层 链路层 物理层 图3 - 1 接口规范层次 如上阻所示，规范承载于无线数据网络的传输平台之上，并不对传输层、网 络层和链路层、物理层协议进行定义。即其应用层以下是承载的无线数据网络的 通信协议栈。它屏蔽了无线数据网络传输的差异，可承载在各种无线数据网络的 传输平台之上。 3 1 2 通信过程 通过这个接口规范，m a 与r t u 问的通信过程可以分为如下三步： 第1 5 页共6 9 页 北京邮1 u 人学颂i j 研究生学位论史 第= 常规范介绍 、r r l l u 建辽与m a 的连接。这个过程必须要由r t u 发起，因为只有在r t u 运行时才能进行监控管理，而睦r t u 只需记录m a 的通信地址就可以建立连接； 而如果由m a 发起，则需要每个r t u 在那一时刻都处于运行状态且在m a 中需 要记录所辖范罔内所有的r t u 通信地址，会使设计非常麻烦。 二、数据通信。通信连接建立后，r t u 就可以向m a 发送数据，m a 也可 以向r t u 发送命令信息进行监控管理。 三、连接拆除。若r t u 需要中断通信连接，就需要有连接拆除过程。与连 接建立过程类似，也需要由r t u 发起。m a 与r t u | 、日j 的通信的建立与拆除过程 详见3 3 1 。 3 1 3 接口数据及系统功能 任何功能都是通过传输数据来完成的，通过接口的数据功能上可以分为如下 几类： 一、注册、鉴权类。注册类数据是m a 的通信地址信息。鉴权类数据是用 户名、密码、鉴权值等鉴权数据。由于鉴权只在注册时才可能需要，所以与注册 消息定义在一起。两者有三种组合：无鉴权，简单鉴权，鉴权键鉴权。其具体描 述见3 3 8 。 二、注销类。注销类数据需要指明r t u 需要注销。 三、控制类。控制类数据是m a 对r t u 的各种控制命令。 四、查询类。查询类数据是m a 对r t u 的查询及查询返回的结果。 五、告警类。告警类数据是一些告警信息。 六、数据上报。数据上报类数据是r t u 向m a 主动上报的运行数据。 七、文件传输。文件传输类数据是卸文件传输需要的用户名、密码等数据。 通过接口的数据按其实质可分为：数据、参数、状态，m a 信息。 数据即现场设备采集到的数据值。可分为来自现场设备的数据和r t u 数据。 现成设备数据包括现场设备采集的原始数据和对原始数据进行格式转换等处理 得到的仍与该现场设备直接相关的处理数据。比如有的g p s 终端的定位信息( 原 始数据) 是a s c i i 码的数据格式，若在r t u 对其进行二进制的格式转换，处理 结果仍是跟特定现场设备对应的。r t u 数据是来自r t u 的数据，是对各现场设 备数据的计算处理，不直接与某个现场设备相对应，其变化取决于各现场设备的 第1 6 页共6 9 页 北京 i j | i u 人学倾i 研究生学位论文 第二三章规范介绍 运行。比如对路灯的监控，r t u 中各回路的总电压、总电流、用电量不是从现 场设备直接采集获得，而是对各现场设各数据的加和。所以是r t u 数据不是现 场设备数据。 数据还可分为实时数据和历史数据。实时数据是设备运行当前的数据。比如 路灯监控管理系统中的实时电压电流，实时的总电流总电压等。历史数据是设备 运行一段时问内采集到的数据，即存储在r t u 中的历史数据，此时需要r t u 中 有一定的存储空间。有的应用不需要实时上报数据，而是把采集到的数据在r t u 进行存储，一起上报给m a 。对于需要实时上报数据的应用，若无线通信中断， r t u 仍能证常采集数据，采集到的数据将无法发送出去，如果系统仍需获得此 刻的数据，可以先把数据存储在r t u 中，旦无线通信恢复正常，再将历史数 据发送给m a ：如果系统不需要这样的过期数据，则丢弃此刻数据。 参数是为判断、维护系统的正常运行，在远程终端单元中设定的变量。监控 中心可对参数进行修改。有的应用需要定义参数表单：即一组参数，其参数值重 复定义，以表格的方式组织。如路灯监控系统的时间表，包括两列：时间、路灯 状态。其参数表单由时间和路灯状态两个参数组成。 表3 - 1 参数表单举例1 时闯路灯状态 2 0 0 4 1 11 8 ：0 0 开灯 2 0 0 4 一卜i2 3 ：o o 荚灯 如智能停车收费系统中的费率表，包括三列：开始时间、结束时间、费率。 其参数表单由开始时间、结束时间、费率三个参数组成。 表3 - 2 参数表单举例2 开始时间结束时间 费率( 元) 1 ：0 02 ：0 02 2 ：0 0 3 ：0 03 状态即监控对象的运行状态，由现场设备直接控制。监控对象至少有两种状 态：设备正在运行和设备停止运行。例如：对路灯的监控，有开灯和关灯两种状 态；对多媒体广告屏的监控，有广告屏停止运行，广告屏运行的是第n 条广告 等多种状态。 第t 7 页共6 9 页 北京邮m 人学倾 研究生学位论文 第三章规范介绍一 状态可分为实时状态和历史状态。实时状态即监控对象的实时运行状态。历 史状态指一段时问内，监控对象运行状念的历史记录。有的应用不需要实时上报 状态，而是把一段时间的状态值在r t u 进行存储，一起上报给m a 。对于需要 实时卜报状态的应用，若无线通信中断，r t u 仍能f 常运行，采集到的状态值 将无法发送出去，如果系统仍需获得此刻的状态值，可以先把实时状态存储在 r t u 中，一旦无线通信恢复正常，再将历史记录发送给m a ；如果系统不需要过 期的实时状态，则丢弃此实时状态值。 m a 信息是在t u 中存储的关于m a 的通信配置信息( 包括m a 的i p 和通 信端口) 。与参数的区别是：监控中心可以对参数进行远程修改，但不能进行增、 删；对m a 信息，监控中心可对其进行增、删、改操作。 由接口数据的两种分类来定义系统的功能，其功能定义和描述详见3 4 。 3 ，j 4 消息交互概述 通信连接建立后，如何来判断每个操作是否完成昵? 若未完成该如何处理 呢? 本小节来解决上述问题。 定义每个操作对应一组消息，一个发起消息和一个应答消息。发起消息用来 发起操作，应答消息则返回操作的执行结果，若有结果返回发起方，则说明操作 执行完毕。 对每一个发起消息，发起方不应该无限期等待返回结果。所以在发起方应设 置定实时器，在规定时间内无应答消息返回，就视为操作未执行，应采取重发或 其他机制来处理。其具体设定参见3 3 6 。 3 1 5 规范的通用 生和可扩展性 规范最重要的是通用性和可扩展性。在本规范中描述了尽可能多的功能和尽 可能多的消息，很多无线监控系统只需具备其中的部分功能，开发者可根据实际 的应用自由选取。比如有的无线监控系统不需要定时注册与注销，则在r t u 中 不需要定义定时注册与定时注销参数。 若现有的消息功能分类不能满足系统的需求，用户可增加消息的类别。若系 统需要的功能在本论文中未被定义却又属于某一消息类，可在该类消息添加此消 息。 从第四章的具体消息格式，可以看出，本规范提供了足够的编码空间来支持 这种扩展性。 第1 8 页共6 9 页 北京邮l 乜大学f ! i 研究生学位论文第三章抛范介绍 3 2 规范的框架结构 本协议不仅定义了一种数据格式，还根据功能定义了一个无线监控应用的框 架结构，如图3 2 所示。虚线框内部表示的是本规范讨论的规范的框架结构，虚 线框外部是定义的协议。框架由数据格式、网络适配器和适配接口三部分组成。 协议的操作在虚线框外。 下图中无线网络的芷侧是在监控管理中心内定义的，右侧是在r t u 中定义 的。 图3 2 框架结构 每个操作都是监控中心与r t u 协同完成。 “操作a ”代表某个操作在监控中心侧的发起或执行。 “操作b ”代表某个操作在r t u 侧的发起或执行。 以监控中心查询监控对象状态操作为例，操作a 表示该查询操作在监控中 心的发起，操作b 表示该操作在r t u 侧的执行： “处理服务”是监控中心数据处理的核心，它将待发送的命令送到“消息代 理服务”：也对“消息代理服务”发来的消息进行处理并以适当的方式返回给上 层应用。 “消息代理服务”的作用是将“处理服务”发来的消息封装成本规范中要求 的数据格式，通过“适配接口”将消息发送到现场部分，并通过“适配接口”接 第1 9 页共6 9 页 北京 f j i i 也久学形! 研究生学位睑文第三章规范介绍 收现场部分的消息进行解析交给高层处理。跟踪消息，控制监控中心与r t u 的 消息交互，判断应用请求是否成功。 “网络适配器”将交互消息按本规范中定义的格式在无线数据网络上进行透 明传输。适配器随所选网络的不同而不同。 “适配接口