（电路与系统专业论文）基于GPRS的水厂制水监控与管理系统[电路与系统专业优秀论文].pdf

纂予g p r s 曲承，一铷水整控与管理系绕 引言 自来水厂水生产系统耀一个多变量、多任务、多设备并具有时变性、耦合性 和随机性的复杂系统。国内现有的自来水厂水生产系统大部分采用落后的常规仪 表莘霆手动操作。近年来，也有采用d c s 技术的计算机控制，取代了常蕊仪表和 手动操作，在实现水厂制水的分散自动控制和集中监控方面，取得了一定的进展； 但是，基于d c s 的系统存在一些重要缺陷，一方面传统的d c s 系统是自封闭式 的集散系统，难以实王显设备之间以及系统与外界之闻的通讯，使翔动佬系统成为 “信息孤岛”；另一方面传统d c s 系统的现场底层传感器和数据采集器之间采用 一对一物理连线和模拟信引专输导致大范围布线，给现场施工带来很大麻烦，围 时，信号传输的抗于扰能力也较差。 而在此期间，随着计篼机技术、通信技术和控制技术的迅猛发展，工控领域 也不断产生先进的控制模式；尤其是随着移动通信数的迅速发展，基于g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os y s t e i 通用分缀无线业务) 技术的无线簸控方式更是 广泛应用于包括：电力、交通、气象、城市供水调度等各种行业在内的远程测控 系统【l 一2 。采用先进的g p r s 技术的无线监控管理系统，集计算机、通信、机电、 自动控制等多； 申先进技术于一体，成功实现了对无线分布式系统的实时监控管理 和灵活部署，解决了传统控制由于没有通讯功能，无法实现集中螈控的问题，将 运行维护人员从大量繁琐的工作中解放躺来，提高系统的运行质搽，增强系统的 可靠性和可擦性，能及时发现定位系统敞障，大大减少系统停用带来的不良影响。 基于以上现状，本论文提出了一种基于g p r s 无线技术的水厂制水监控与管 理系统，将g p r s 技术深入应用到自来水厂的实际制永工艺过程。这种实现方式 不仅能够寄效地克服传统d c s 系统与夕 界信息交互不便，以及现场布线造成操 作麻烦、成本增加等弊端，更可以充分利用现有公网，缩短系统建设周期，而且 设备安装方便、维护篱单。本设计提出的基于g p r s 自来水厂监控系统的研制， 具有较好的研究前景和商业开发价值，觑必将有利地提高水厂的经济效益，改善 和推动国内制水工业的快遮发展。 凝 g p r s 的水j 制瘩监控弓营理系统 第一章国内外研究现状和发展趋势 1 1 用于监控系统的通信方式及其比较 目前国内簸控系统产晶有多种，其本质差异是采取的透信方式不同。随着瞧 信技术的迅猛发展，用于监控管理的通讯方式一般可分为：有线通讯方式，无线 集群通信方式，g s m 短消息通信方式，c d p d 通信方式和g p r s 通信方式。以 下是对这几种通讯方式的一些简单比较： 1 。1 1 有线通讯方式 有线通讯方式一般适应于小范围内的监控系统，对大城市的全局监控管理采 用有线通讯方式几乎是不可能的，也是不实际的。要在一个大城市攫设置一套有 线监控传输通讯网络将是一件费钱费力费时的事，其豳定性氇无法适应城市丽络 布局的迅速变化和发展。 1 2 无线集群通讯方式 无线集群通讯方式摆脱了有线通讯的种种局限，但仍然存在以下一些缺点和 不足： 集群移动通信系统属于专用移动通信网，资金投入大，建设周期较长； 专网的覆盖范围有限，不利予全局整体控制； 集群通信系统主要的服务业务是无线用户与光线用户之阆的通信，对无 线用户与有线用户之间的通信业务有较大的限制。 1 。1 。3g s 麟短消息通讯方式 g s m ( 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 ) 短消息通讯方式能充分利 用移动公网资源，相对集群通讯方式而吉，它可以大大节约建设投资，降低维护 成本，偿它识囊几个较大豹缺点： 基于g p r s 的水厂制水监控与箭理系统 g s m 短消息通讯方式为半双工通信方式，不能同时双向收发数据： 鞠对g p r s 蕊畜，它的平均传输对延较大； 通信高峰期，容易发生信道堵塞，导致通信不畅。 1 。1 。4c d p d 短淡怠逢讽方式 c d p d ( c e l l u l a rd 磷t a lp a c k e td a t a ，蜂窝式数字分组数据) ，是由美国移动 遥信公司( a m c l ) 等公司联合推出翡一秘无线数掇逶售技术规范。它是以数字 分组数据技术为基础，以蜂窝移动通信为组网方式的移动无线数据通信技术【3 】。 g p r s 与c d p d 都可以提供数据业务服务，与o p r s 相比较，c d p d 有以下几个 缺点： c d p d 通讯能达到的传输速度比g p r s 通信低，尽管在一定程度上g p r s 通信是以牺牲信道资源为代价的； g p r s 的可用频段比c d p d 的可用频段窕褥多，能够提供数据传输的信 道数也远大予c d p d ，容易满足组件公网对信道数的需要。 。1 5 基于g p r s 的无线监控系统 1 1 5 1g p r s 系统简介 g p r s 是逶蠲分组无线业务( g e n e f a lp a c 受e t 煳i os e 珂i c e ) 豹英文麓称，跫在 现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，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m a 帧结构【4 9 】。g p r s 允许竭户在分缀交换模式下发送和接收数据，麸两提供了一 种高效、低成本的无线分组数据业务，它可以灵活运用无线信道，极大地提高了 无线资源的利用率。理论上，g p r s 可以将最多8 个时隙组合在一起，并且提供 高达1 7 1 2 l ( b s 豹带宽。由于g p r s 用户的数据透信费是醵数据流量为基础，两 不考虑通信时长，所以g p r s 用于i p 业务的接入将更为用户所接受。 g p r s 用于无线数据接入具有多方面的优势，主要表现在：接入范围广，传 输速率高，接入对闰愆，提供实时在线，按流量计费等。 基 二g p 殳s 的水j + 制承监拄与管理系统 1 1 5 2g p r s 数据传输方式及网络结构 g p r s 传输方式：在运程终端，采集数据通过a 国接口送入g p r s 无线通信 控制终端，终端首先将数据扣包成t c p i p 数据包，张转换成g p r s 数据包，通 过无线链路传送到无线数据交换中心。交换中心再解析g p r s 数据包并通过网关 将蕈c 懿p 数据包传送到i n t e m 蘸，孬出l n e m e t 传送到通信控剖计算极，最后， 通信控制计算机通过s o c k e t 套接字接收t c p i p 数据包，并还原成原始数据。对 应的，数据由无线数传监控中心到远程终端的数据传输过程是类似的。 以下为基于g p r s 技术的禳4 控系统网络典型应用示意图【l o 1 l 】： 图1 。1 基于g p r s 的测控系统网络示意图 。2 自来水厂剡水监控系统现状 归纳起来，国内目前用于自来水厂的制水监控与管理系统主要可分为两类： 1 2 1 基予无线数传电台的釜控系统 数传电台( d a t ar a d i o ) 是指借助无线电技术实现的高性能专她数据传输电 台。这一技术在工业控制领域已经有了广泛酶应用，隧翦仍然是工业控制领域豹 主要传输手段。同样，在水工业控制系统中，基于数传电台的无线艨控方式也是 这一领域几种常用的监控方式之一。 以下是数健电台豹组圈示意图【1 2 】： 摧于g p r s 的水j 制水监摔与管理系统 图1 2 数传电台组网示惹图 根据国家无线电管理委员会频率规划，一般将2 2 3 0 2 5 2 3 5 0 0 m h z 作为遥 测、遥控、数据传输等业务使用的频段。 基于数传电台的传输方式具有以下一些特点： 数传电台发射功率有限，传输距离最大只有数十公里，因此，其应用被 限制在一定区域范围内； 数传电台的容量有一定限度( 由轮询模式及覆盖范围决定) ，并且频率占 用费用，电台设备购置、维护等方面的费用也十分高； 数传电台组成的数据传输网络单独占用1 个频率资源，在同一频点七， 同时只能有1 个设备发送数据。一般采用中心对远端多点的通信分配方 式，采用轮询方式查询数据，轮询周期与电台数量有密切关系； 数传电台受城市建设的影响较大，建好的网络很可能被城市高大建筑阻 挡，因此有必要根据城建现状不断调整网络结构，包括天线位置、高度 等，甚至要求调整电台工作频率。 1 2 2i p c ( p c ) + p l c 集散型控制系统 集散型控制系统( d c s ) 是利用计算机技术对生产过程进行集中检测、操作、 管理和分散控制的一种控制技术。 基于g p r s 的水厂制水摘挎与管理系统 通过把计算机分布到各工艺闻或装嚣一级，使系统危险分散，消除了全局性 的敌障节点，增鞠了系统的可靠性，恧虽可以灵活方便鲍实现各秘控每l 瓶德和算 法。整个系统由多台计算机和现场终端机组成，通过通信网络将现场控制站、检 测站和操作管理站、_ ：= ( ：程师站联系起来，共同的完成分散控制和集中操作。 但集散控割系统存在开发成本高，建设周捌长，扩鼹性差，不易维护等缺点， 从而阻碍它的推广。以下是集散型控制系统的结构示意图： 镶捌中心接隧螨 e 习e 3 门广上1r 圭门nn _lillllill 图1 3 集散型控制系统结构示意图 本章小结 本章对醴：介绍了几种蓝控系统中常用的通讯方式，分拆和探讨了营蓊( 圈内) 自来水厂。制水监控系统的现状，通过这些可以对我们的设计背景有一个初步的了 解，同时也为后续章节的介绍做铺垫。 6 基于g p r s 的水厂制水监控与管理系统 第二章自来水厂制水工艺简介 自来水厂的任务就是对源水进行加工处理，使水质符合生活或部分工业用水 的各耱要求及标准f 1 3 一1 4 】。常冕制敬自来水的过程主要分为阻“f 几个步骤：混凝、 沉淀、过滤、消毒和存储，其整体工艺流程图如下所示： ll 排混褥漪混处瑾髓；审浇缝承缝臻 圈2 1 承厂净承工艺流程圈 从以上工艺流程图可以看出，整个水厂制水工艺按功能分成许多不同的环 节，如：取水泵房、加药问、混合池、沉淀池、过滤池、清水池、加氯间等等， 每个环节都有其各垂不霜的工艺及控潮滚程【1 5 1 6 j 。 当然，水厂的工缎环节众多，不可能每一个都详细介绍，由于在整个水厂制 水工艺中，加药问和加氯问的监测与控制是整个水厂制水的纂础和重点，对降低 永厂运行或本和提高供永水瑷安金受是至关重要豹。西北，本章将以蕊药闰与加 氯问两个予环节为例，介绍它们各自系统工艺及控制流程，给出制水工艺闭环控 制过程中熏要的采集信号与控制信号，也为后续的闭环控制算法设计等提供理论 基础。 2 1 加矾系统工艺及控制流程 混凝是净水处理过程中一道关键的工序，其主要是通过投加一定量的混凝剂 ( 比如硫酸铝，俗名矾液) 完成对原水中一些不能自身沉淀的胶体颗粒杂质的沉 积，最终通过过滤馒原水交涛的过程。从工艺的角度来看，该系统主要由矾液制 各、计量投加、药液输出、及数据聚集信号控制仪表等部分组成。为了达到杂 基十g p r s 的水j 制水监控与管理系统 质沉积的同时又降低水厂制水成本，该系统必须提供工艺的自动控制功能。图 2 2 给出了加矾系统的工艺流程控制图 1 7 。 图2 2 加矾系统工艺流程控制图 2 1 1 矾液制备系统 该子系统完成矾液的配置和储备功能，由溶液池、空气搅拌装置、矾液输配 管路等组成。空气搅拌装置在稀释过程或备用期间对矾液充分搅拌使矾液浓度均 匀，由空压机、进气电磁阀剂管路组成。矾液输配管路是该系统中最为关键的部 分，由电动球阀( 出矾阀) 与管路组成。矾池在底部通过管路与吸矾井相连，并 根据矾池中的下限水位开关的状态，由自动球阀实现矾池的自动切换，从而保证 连续供矾。 2 1 2 计量投加系统 计量投加系统是加矾自动控制系统的核心部分，它主要负责按控制信号进行 准确投加混凝剂( 矾液) 的功能，由加矾计量泵和变频器等组成。通过变频仪改 变供电的频率调节计量泵电机的转速，从而达到调节出矾量的目的。 2 1 。3 矾液输出系统 矾液输出系统主要由阻尼器、安全阀、止逆阀、手动球阀以及管路构成，完 成药液从计量泵到原水平稳地投加。阻尼器主要用于降低脉动流液对塑料管路的 8 基于g p r s 豹承j 一翻承监撺与管理幕绫 冲击，使输出液流平稳；安全阀可以避免由于阀门误操作或出液管堵塞，在管路 硬泵头处产生过大压力造成事故，一旦上述情况发生，安全阀自动开启，将矾液 导入溶液池；止逆阀可以防止原水倒流。该部分结构示意图如图2 3 所示 1 7 】。 圈2 3 矾液输出系统结构示意图 2 。4 数据采集一接号控制系统 加矾系统工艺过程的自动控制借助于数据采集一信号控制系统来实现，其中 信号控割豹依据寒源予采集戆数据，两采集豹数攥又来源于一系列在线捡测仪 表。可以说数据采集系统是整个自动控制过程的眼，而信号控制系统则是自动控 制的手。以4 f 将分别介绍送两个部分，同时列出所有涉及到的输入、输出信号， 其中包括了数字( 开关) 信号班及挟拟髂号等各种形式。这些信号将为磊续章节 中加矾系统工笼控制算法的设计提供依据。 数据采集 搬矾自控系统需要采集豹数据主要有以下这些： ( 1 ) 数字信号 a 1 控制方式信号： 翻碱泵控制方式信号( 遥控手动) 出矾阀控制方式信号( 遥控手动) 空压机控制方式信号( 遥控手动) 秭运行状态信号： 9 基于g 豫s 豹承厂涮水监控与管理系统 ：电、运行信号 嬲矾阀全开全关信号 矾池上、中、下限水位信号 c ) + 故障报警信号： 计量泵运行故障信号 出砜阀运行故障信号 空压机运行故障信号 ( 2 ) 模拟信号净 原水流量 原水p h 值 原水温度 原水浊度 计量泵频率 信号控制 加矾控制系统需要输出的控制信号主要有以下一些： ( 1 ) 数字信号 a ) 寓停控铡信号： 空压机开，关撩制 加矾泵开关控制 瘩砜泵开，关控剖 出矾阀开关控制 配气、配水电磁阀开关控制信号 ( 2 ) 摸拟镕号专 计量泵频率擦制信号 上述数据采集信号来源于各种工业控制仪表，如电磁流量计、浊度仪、p h 仪、湿度变送仪等等，其信号输出形式为4 2 0 m a 电流慧号。 2 2 加氯系统工艺及控制流稷 加氯系统是水厂净水工艺中至关霪要的环节，主要完成制承过程中，从原永 l o 基十g p r s 的水厂制水惰控与管理系统 进厂至最终可用水出厂整个过程中多个环节的加氯消毒，其主要可分为滤前加 氯、滤后加氯和出厂水补加氯三个加氯环节。从工艺的角度来看，加氯系统卞要 由以下几部分组成：气源系统、加氯系统、漏氯监测、安全防护系统及数据聚集 一信号控制系统。图2 4 给出了加氯系统工艺流程控制图 1 7 】。 2 2 1 气源系统 图2 4 加氯系统工艺流程控制图 气源系统保证连续不断地向加氯机提供氯气，主要由气源切换系统和氯气过 滤器构成。其中气源切换系统对整个系统的正常运行都至关重要，其提供两组气 基“ g p r s 蘸承f “裁水监控气管理蓉统 源，当正在二【= 作的氯气瓶内气压降至设定的压力下限时，加氯监控系统将需要自 动关闭工作缎管路上的电动球翊，再打开备用组管路上的电动球阀，从而实现气 源的切换保证继续供气；另外，在系统强动运行过程中，若发生电动球阀开关故 障，系统需要检测到故障，对现场及上位机( 监控中心) 进行报警，同时进行故 障处理。一般的处理流程主要是：先关闭电动球闲两边的手动球阕，以便检修电 动球阀，再打开并行管路上的手动球阎，保证管路通畅以及氯气的连续供给。 而氯气过滤器主要负资过滤掉氯气中混杂的液滴和杂质，保证系统安全可靠 地动作。该部分的结构示意图如下所示【1 7 】： 瘫盘蚌 蹬2 。5 气源切换系绕结构示意潮 2 2 2 真空加氯系统 囊空蕊氯系统是整个翻氯闯系统的核心部分，完成净水过程中准确可靠地翻 氯操作，该部分主要由加氯机、真空调节器、水射器和压力水管路等构成。其中 加氯机是最为关键的部分，它通过自带的控制器依据流量、余氯信号以及设定值 并按所选豹控制类型完成对加氯量的控剃。 真空调节器保证系统在真空状态下安全运行，氯气进入真空调节器后，气相 氯将从压力状态变成真空状态；只有当真空调节器的出口达到一定的真空度，其 入口阀才会打开；当气源供气不足，将自动关闭，这样就可以防止氯瓶用完焉， 出现负压状态。 水射器主要负责氯气和压力水的充分接触，并形成氯水溶液，最后通过扩散 管注入至l 加氯点。 1 2 皋于g p r s 的水制水监控与管理系统 2 2 3 漏氯监测及安全防护系统 该系统保证整个加氯系统的正常操作及运行，并且提供安全防护和事故报警 的功能。系统在氯瓶问和加氯问各设个探头，用于连续临测各处的氯气浓度， 当空气中的氯气浓度超标时进行报警，同时自动启动吸氯装置进行吸氯，也可以 定时启动风机运行，保证空气流通。 2 2 4 数据采集一信号控制系统 类似于加矾系统，加氯系统的工艺自动控制同样需要借助于数据采集一信号 控制系统来实现，其中信号控制的依据来源于采集的数据，而采集的数据又来源 于一系列在线检测仪表。因此，以下将分别介绍加氯系统中的数据采集与控制信 号输出，同时列出所有涉及到的输入、输出信号，其中包括了数字( 开关) 信号 以及模拟信号等各种形式。这些信号将为后续章节中加氯系统工艺控制算法的设 计提供依据。 数据采集 加氯自控系统需要采集的数据主要有以下这些： ( 1 ) 数字信号专 曲控制方式信号： 加氯机控制方式信号( 遥控手动) 电动球阀控制方式信号( 遥控手动) 排风扇控制方式信号( 遥控手动) b 1 运行状态信号： 上电、运行信号 电动球阀全开全关信号 气源压力下限信号 c ) 故障报警信号： 漏氯报警信号 各装置运行故障信号 ( 2 ) 模拟信号 基fg p r s 的水j j 制水监控与管理系统 余氯信号( 包括滤后求余氯、出厂水余氯) 原水滚量信号 氯瓶重量信号 加氯机开度( 阀门角度) 信号 信号控制 加氯控制系统需要输瞄的控制信号主要有以下一些： ( 3 ) 数字信号 曲启停捡刳信号： 电动球阀开关控制 排风机开关控制 加氯机开关控制 ( 4 ) 模拟信号 加氯祝词开调关角度控翎 上述数据采集信号来源于各种工业控制仪表，如余氯分拆仪、流量计等等， 其信号输出形式为4 2 0 m a 电渡信号。 本章小缩 本章主要针对自来水，一制水工艺环节中的加矾与加氯子系统的工艺控制流 程进行简单介绍。这些内容，尤其是对其中每个系统中数据采集信号控制系 统的介绍为后面的硬件按日设计及工艺控制算法设计提供了现实依据。 1 4 基于g p r s 豹水，一刮承箍控与管理系统 第三章系统总体构架及功能的模块化设计 3 1 系统组成及功能 基于g p 歉s 的自来水厂监控系统，与以往的监控系统有着较大的差异，在完 备的用户系统需求分析的熬础上，利用移动通信的网络平台，因而具有全面、有 效、经济的解决方案。 本系统物理上主要包括用于数据存储管理及产生控制算法的服务器、用于簸 控的监控机、采集传输数据和执行控制命令的现场终端。 全厂自动控制系统构成原理图如图3 1 所示 ，；磊霹霎 溢举【li 艋攀瞧冀蠹瓤3 旗一赢、悬b 图3 1 自来水厂无线监控系统构成原理图 基于g 豫s 的水厂制零篮控与管理系统 从上图可以得出，本系统可分三层：设备层、管理层和网络层。 溪黉麟设备层以计算机为核心，位于监控中心，结合各个现场终端采集各 远程终端状态量的信号相通过发送控制命令，实现对各远程设备的控制；现 场终端主要分布在水厂的各类处理站，如加矾，加氯站，负责发送在现场压 力表、出厂水流量计、王 h 计、余氯检测仪等设镰采集到的压力、流量、p l 值、出厂水余氯以及故障报警等信息给中心，同时接收来自控制中心发过来 的控制命令，这些命令主要用于变频器的转速调节，丌关阀门控制，完成对 生产过程的操作。 鬻鞴管理层是全厂生产管理的簸控中心，主爱由监控软件实旌。负责处 理来自系统各个检测点数据及报警信息，维护数据库，并在具有优化调度算 法模型的监控软件运行时向各监控点f 达命令。同时支持企业内部网年n 远程 访问。 疆l 囊糕由于本系统用于控制整个自来水厂的日常运作，故需娶较高的系统 安全保障和稳定性。安全保障主要是防止来自系统内乡 的有意和无意的破 环，网络安全防护措施包括信道加密、信源加密、登录防护、访问防护、接 入防护、防火墙等。稳定是指系统能够全天2 4 小时不问断运行，即使出现 硬l 孛和软 孛故障，系统也不能中断运行。数据中心可通过公网使用v p n ( 咖a lp r i v a t en 咖o r k 虚拟专用i 嘲络) 接入至i 移动g p r s 网，采用v p n 方式成本比较低，不用租用专线，还可以利用原有的v p n 设备，移动终端 需要安装其有v p n 二次虚拟拨号的功能豹软 牛。邋过v p n 方式，客户端在 连接应用服务器前，要经过专门的服务器认证整个数据传送过程得到了加密 保护，安全性比较高，可充分保障速度和网络服务质量。 3 。2 系统模块化设计 本系统主要涉及的设计内容大致可以分解为：数据采集电路，g p r s 模块通 讯电路，嵌入式控制器电路，执行梳构，服务器益控软律( 含w e b 服务) ，后台 数据库等6 部分。其中数据采集电路，嵌入式控制器电路及执行结构同属于终端 设各与实际制水工艺交互的终端控制模块；两g p r s 通讯电路与嵌入式控制器电 路则构成了终端设备与移动通信网及i n t e r n e t 通讯的终端通讯模块；最后，服务 蕊i g p 要s 霸枣 一铡瘩髓控孥蠹理系凌 器搬挂软件及后台数据艨构成了网络服务横缺。 下露分别绘出了以上划分的三个模块掰搿完成的功能及梃絮示意图： 3 窆。 终端控制横块 该檬块主要完成系统终端与水厂制永的瓒场工艺的交互。 莳先，通过数据采集电路采集制水过程中锫个控制环节的数据信息，如取水、 旨求、搬氯、妻日砚过程中的承滚流速、配药浓泼等信息鞋及控露婊 擒，躲避气、 遗求溺门翁舞、关装态镶惫。这些数据均绫援援傣号靛形式效繁，霹魏鬟要经 过a ，d 转换后再送入嵌入式控制嚣避行处理( 当然现在大多数的嵌入式处理器 都带锯a 国转换的功能) ； 谳聪，瞬入式控制器f 电路将转换后的数攒僚息以一定的格式通过串口传入 g p 袋s 模块，为之嚣斡数爨簧输傲撩各著同辩婚数据保存至终端戴畜豹存麓器中 ( 数掇餐份) ，至筵，从镄东瑗场遁褒妥终端的涎程维紊； 该模块另一个功能怒向制水现场过程发邀拣制命令，嵌入式处理器读取 g p r s 模块接收到的从服务器端传过来的控制殿日b 置命令，并对数据进彳亍解析， 驱动执行椒襁控制本厂露承静各个强节，最终迭弼对整个铡承过程酌工艺籀裁。 下豫是该模块翡功鼹示塞窝： jg p r s | ；l 块 l t i 固引 l； l 茵茴 嘲3 2 终端控制横块璃熊涿煮寓 1 7 基十g p r s 的水厂制水监摔与管理系统 3 2 2 终端通讯模块 终端通讯模块主要完成现场控制终端与控制中心服务器的数据传输与通讯。 嵌入式处理器向g p r s 模块发命令，将采集到的数据信息( a d 转换后) 打包成 r c p l p 数据包，再转换成g p r s 数据包，通过无线链路传送到无线数据交换中 心( m d e c ) 。m d e c 再剥离g p r s 数据包并通过g g s n 网关将t c p i p 数据包 传送到i n t e m e t ，再由i n t e m e t 传送到服务器端及相应的控制计算机，服务器通过 s o c k e t 套接字接受t c p i p 数据包，并把它还原成原始数据。 同样，当服务器向终端反馈并发送控制信息时，情况类似。 以下是终端通讯模块的功能示意图： 图3 3 终端通讯模块功钱示意图 3 2 。3 网络服务模块 网络服务模块对外相对独立，主要是通过服务器与i m e m e t 连接，从而实现 与终端通讯模块的交互与数据传输。在这个模块中要实现的功能主要有：根据制 水各个环节的工艺设计自动控制算法，完成对制水过程的自动控制；后台数据库 设计，实现数据保存、查询等各种操作，供日后数据分析及控制算法的改进；前 台监控软件设计，方便监控工程师与系统的交互，提供手动控制及一些参数设置 的接口；设置访问权限，供不同的本地或远程监控机访问；设置多途径报警功能， 尽量保证系统安全正常工作。 模块功能示意图： 基于g p r s 熬承 。肇l 承监控与管理袭统 l膀台数据库 l 0毒 赫燃h 前台监控软件 服务器 t； i n t 既 豳3 4 网络服务模块功能示意图 本素小结 本章主要介绍了系统的组成框架，并从设计的总体构架，以及各子系统功能 模块化两个方面分析和探讨了系统所需要实现豹功能。这些将为后面的系统硬j 牛 及软侔设访握供指导性作用。 1 9 基于g p r s 的水厂制水虢控与管理系统 第四章终端硬件电路设计 本章主要分绍该系统终端的硬件电路设计，包括各模块器件的选择以及接口 电路的设计。从功能上翊分，电路主要可以分戏班下几个模块：微控制器毫路、 g p r s 模块通讯电路、数据采集及a d 转换电路( 包括模拟信号隔离) 、控制信 号输出及d 俄转换电鼹，以及电源和周边模块电路。硬件结构示意图如下所示： 圈4 1 硬髀结构示意凋 4 1 微控制器( 阱c u ) 模块 本设计系统应用予水厂制水工艺的自动控制，主要的操作包括对各种工业仪 表输出信号的采集以及根据各种参数输出控制信号对一些工业仪器进行控制：还 套就是与g p r s 逶疆模块豹交互，主要是通过串豳进行a = r 命令的收发。可潋看 出，整个系统对于数据处理的速度要求并不是很高；另方面，从信号输入输出 以及要求的硬件资源来看，系统涉及的输入、输出信号包括了各种模拟信号、数 字( 开关) 信号、激及脉狰信号，茭中模拟信号瓣输入输出在熬个系统功麓中占 有相当的比例，因此，具有高精度a d 转换功能的处理器将是首选。所以，鉴 基于g p r s 的水j 制水监控与管理系统 于各方面因素的考虑，最后决定采用t i 公司m s p 4 3 0 系列荦片机m s p 4 3 0 f 4 4 9 。 下面分羽绘出了这款m c u 豹一些相关介绍，包捂其系统结构、内部资源、应用 场合及特点等。最后给出了本系统设计的相关原理图。 4 。1 。1 赫s p 4 3 0 荤片桃的系统结构及主要功缝模块 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州公司生产的一款超低功耗微处理器，该微处 理器遂过1 6 位r l s c 系统，1 6 位c p u 集成寄存器和鬻量发生器来获褥觳大代 码效率，结构上具有以下明显特链【1 8 】： 1 6 位c p u 通过总线连接到存储器和外围模块。 煮接迂入仿_ 囊处理，具有j 飘g 接口。 多时钟能够降低功耗，多总线能够降低噪声。 1 6 位数据宽度，数据处理更为有效。 m s p 4 3 0 系歹单靖提可以分成以下几个系列：m s p 4 3 0 x l x x ，m s n 3 0 x 3 x x 和m s p 4 3 0 ) “x x ；不同的系列在系统结构，尤其是所包含的外围模块等方面均 各有特点，从而也为各种不同需求的应用提供了极大的选择性和灵活性。在本论 文的系统设计中采用髓m s p 4 3 0 f 4 4 9 芯片属于m s p 4 3 0 x 4 ) ( ) ( 系歹，下面分澍给 出了这一芯片的系统结构图【1 9 1 ，及其包含的外围设备： 豳4 2m s p 4 3 0 x 4 x x 系列系统结构框图 m s p 4 3 0 f 4 9 9 芯片主要包括以下的外设： f l l + 时钟系统( 片内d c o + 晶体振荡器) 2 1 蒺 g p 叠s 豹瘩j 翻承鼗靛每管理系统 看门狗定时嚣通用目的定毗器 a d c l 2 ( 1 2 舷a 俗转换器) 比较器a ( 精确的模拟比较器，常用予瓣边( s l o p e ) d 转换) 复位电压整每l ，魄深电压管理 蘩本定时器l ( 两个8 往定对器或一个1 6 蕴定对嚣) l c d 控制器比较器( 多达1 6 0 段) l o 端口l 、2 ( 每一个鸯8 个i o ，均鼹有中断功能) l 硒端西3 、4 、5 、6 ( 每一个有8 令影o ) 两个串盈u s a 鬟r o 和u s a r 下l ( 姆个郝支持u a r r 帮s p i 两种模式) 硬件乘法器 雌，l + 2 瞒p 4 3 0 的特点及其废用 m s p 4 3 0 系裂蕈跨嘏镑对各辞不礤盛鞠，包捶一系蘩不强毯号熬器绺。荚主 要特点有： 1 ) 低供电电压范围：1 8 v 一3 6 v ，在1 m h z 时钟条件下工作时，工作电流 粳不同模式为o 1 u a 1 4 姓，骞5 种低功耗( 超低堍流消耗) 模式， 可霞矮毫滚供惫，冀肉数字接翱羰滔器( d c 0 ) 可敬毽零片辍在6 啜移 的时间内从低功耗模式转变到活动模式； 2 ) 商丰塞豹片上外瓣模块：最多8 路1 2 经a 国转换，4 8 个i ，o 端口，两 个u a r t ，著门狗，两个内澄1 6 位定时器，可在线仿舆的f l a s h 内存， 7 鼹p w 醚羧毫，l c d 驱动等； 3 ) 多辩酵镑禳块：m s 黔3 0 零蔑税煮三种时镑源可敬遥撵撼供给a c 、 s m c l k 、m c l k 。旗中l f x t l 提供给外围设备3 2 7 6 8 h z 的时钟，l f x t 2 可以提供高达8 m h z 的时钟供单片机遐行使用，d c o 为单片机内部提 供，并具有镆鞠耶，爻系统摄供一个内潞时锌澡，当x 张凇没煮提供 辩，系统蔽靠d c o 运孬，熬个对耱瓣嚣霹竣遥过d e 0 事l ，b e s c 弧l ， b c s c t l 2 和s r 镣控制寄存器中相应的位来选择和控制，以满足用户对 系统豹要求； 4 ) 强大的处理能力：m s p 4 3 0 具有丰富的寻址方式( 7 耪源操作数，4 种目 基于g p r s 的水j 制水监控与管理系统 的操作数) ，但只需要简洁的2 7 条指令；片内寄存器数量多，存储器可 实现多种运算，有高效的查表处理方法，这些都保证了可以编出高效的 程序； 5 ) 方便高效的开发方式，支持在线仿真和编程，所配编译器功能强大；具 有f l a s h 存储器，利用单片机本身具有的j t a g 接口或片内b o o t r o m 可以在一台p c 及一个结构小巧的j t a g 控制器的帮助下实现程序 的下载，完成程序的在线调试，实时修改片内寄存器和内存的内容，对 使用者来说将大大提高程序的调试效率； 熔丝保密功能和2 5 6 位保密字相结合，几乎没有解密的可能，可以充分 保证用户程序的安全性。 4 1 3m c u 模块电路 4 2g p r s 通讯模块 图4 3m c u 部分电路原理图 系统终端与网络的通讯及数据传输等均是通过g p r s 通讯模块来实现的，因 此，通讯模块电路是终端中仅次于m c u 之外的相对重要的部分。在器件选择方 基于g p r s 的水厂制永监控与管理系统 面，目前市场上可选用的通讯模块种类繁多，主要有s i e m e n s 的t c 系列、m c 系列，s i m c o m 公司的s i m 系列，以及w 艄，e c o m 公司的o 系列等。本系统 设计中所采用的通讯模块是s i e m e n s 公司生产的m c 5 5 ，这是一款带有g s m g p r s 全套语音和数据功能的先进无线模块。以下将分别从性能、内部功能模块、 对外接口及控制信号，及其特点与应用等方面对该模块进行简单介绍，并给出了 通讯模块电路设计的主要电路原理图。 4 2 1 模块性能及内部模块 审斓黼渊 电源及功耗：单电源3 3 v 4 8 v 供电，最低功耗3 m a 工作频段：e g s m9 0 0 ，g s m1 8 0 0 ，g s m1 9 0 0 ( 适应g s mp h a s e 2 2 + ) 传输功率：频段为e g s m 9 0 0 时c l a s s 4 ( 2 w ) ，g s m l 8 0 0 g s m l 9 0 0 时 c l a s s l ( 1 w ) 数据传输： ( 1 ) g p r s 数据传输支持4 种译码方案( c s 1 ，c s 2 ，c s 3 ，c s 。4 ) ， 对应的最大数据传输速率如下表所示【2 1 。 表4 1 译码方案及对应最大数据传输速率 ( 2 )g p r s 数据传输支持传输协议：p a p ( p a s s w o r d a u 廿1 e n t i c a t j o n p m t o c 0 1 ) 与c h a p ( c h a l l e n g eh a n d s h a k ea u t h e m i c a t i o np r o t o c o l l 。 ( 3 ) c s d ( c i r c u “s 谢t c h e d d a t a ) 传输速率：2 4 ，4 8 ，9 6 ，1 4 4k b d s 。 ( 4 ) 吏待，a p ( w i r e l e s s a p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 。 s m s ( 短消息) 服务： ( 1 )支持m t ( m o b i l et e n n i n a t e d 终端中止) ，m 0 ( m o b i l e0 “g i n a t e d 终端发起) ，c b ( c e l lb r o a d c a s t m e s s a g e 单元广播消息) ，t e x t ( 文 本) 与p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t 数据报) 四种模式。 2 4 基于g p r s 的水厂。制水监控与管理系统 ( 2 ) 传输方式可选：c s d 或g p r s 。 ( 3 )支持两种存储方式：s l m ( s u b s c r i b e ri d e n t i f i c a t i o nm o d u l e ) 卡存 储及移动终端存储。 操作模式： m c 5 5 模块支持以f 几种操作模式： ( 1 ) 正常工作模式 g s m g p r s 睡眠模式 g s m g p r s 空闲模式 g s m 通话模式 g p r s 数据传输模式 ( 2 ) 掉电模式 ( 3 ) 报警模式 ( 4 ) 充电模式 ( 5 ) 正常操作与充电并行工作模式 其他： ( 6 ) 支持实时时钟。 ( 7 ) 支持可编程定时器功能( 通过a t 命令) 。 ( 8 ) 支持固件( f i m w a r e ) 升级( 通过串行口或s i m 卡接口) 。 夺鬓蘩籀蠢s l l 瓣 m c 5 5 内部主要的两大功能模块为g s m g p r s 基带模块，以及g s m 射频模 块，以下是两大模块中主要的子模块的介绍，图4 4 给出的是m c 5 5 内部各模块 之间的结构示意图【2 1 】。 g s m g p r s 基带模块： 工作频率为2 6 m 的基带控制器 电源供电芯片 内置s r a m 及f l a s h 应用接口 g s m 射频模块： 射频收发器 基于g p r s 的水厂制水豁控与管理系统 射频功率放大器 射频蔻端( 天线) 图4 4m c 5 s 内部模块结构示意图 4 。2 。2 主要应羯接日及控制信号 系统设计中，涉及的m c 5 5 模块主要应用接臼及控制信号包括：上电断电 控割，串行接口，s l m 卡接口，以及模块控镑l 信号。下霞将分潮对上述a 个部分 进行简单介绍。 夺糍燃蝴糕 m c 5 5 模块上电方式有阻下凡静： 将上电信号线i g t 设置为低电平( 正常模式) 使用p o w e r 信号线触发模块上电( 充电模式) 设置r 1 1 c 触发模块主电( 报警模式) m c 5 5 模块断电方式有以下几种： 使用a t 命令( 如a t n s m s o ) ( 正常模式) 2 2 】 设嚣售号线魈m e r g o f f 为毹毫平( 异常模式) 夺鞠麟 慕于g 职s 的水 铡农监控与管理系统 模块带有两个异步通用串行口a s c o 与a s c l 。 a s c o 为8 线串行口，包括数据线，r x d o 与艉x d o ；状态线王“s o 与c t s o ； 调制解调器控制信号，d l i r o ，d s r o ，d c d o 和r 磷g o 。a s c o 支持语音拨号、 c s d 拨号、传真拨号以及g p r s 服务。 a s c l 为4 线串行口，包括数据线，f x d l 与瓜x d l ，以及握手信号，r t s l 与 c t s l 。a s c l 不支持c s d 拨号、传真拨号 a s c 0 和a s c l 数据长度8 位，无衡偶校验位，1 位停止位，两者的波特率 可配置范圈为3 0 0 b p s 2 3 0 4 0 0 姆s 。 g s mm o d l e a p p c a t i o n l d c e t 日 珂瑚玎如 口 釉8 墨，黼一耋 碧m t 3 点 8 m 7 粥棚琶 爱删黼 m 锄摇 g 磁心 ，冈p 峙 盘珂x o 脚墓 巷渤o ，脚善 星舷硎 艉t s 姜 舀斌。鞘 椭蠢 黾 鞠4 5m c 5 5 拳符接目示意图 夺蓉嘲鬻麟 m c 5 5 模块的基带控制器集成了s i m 卡接口( 兼容i s 0 7 8 1 6 标准) 。 虢下是废髑中模块s i m 卡接日的连接示意銎及英孳| 脚说明【2 l 】： 基于g p r s 的水厂制水监择与管理系统 冀 l 卜毒； j酱 瘟 7 8i 藿 一 丁、 s 列 慌。 国4 6 s l 赫接翻示意圈 以下为相关的引脚及其功能定义： 表4 2 s 蝴卡引脚定义 e c v c c c c i 0 c 珀 c c c l k c c 姻1 0 夺糕鹂麟 模块控制信号包括若干输入、输出信号。输入信号主要用于控制m c 5 5 模块 ，如上电、断电等；输出信号则显示通讯模块的工作状。 以下为几个主要翰入、输出信号及其功能说明： 表4 3 模块控制信号说明 基于g p r s 的水，帛4 水监控与管理系统 4 2 3 性能特点及应用 超小的体积所有功能都集中在一块集成的芯片内；最简便的开发内 嵌t c p i p 协议栈，使用户可以最大程度的缩短g p r s 产品的研发周期。m c 5 5 是可汉配置的，使缮夕 部输入、输出接口提供的外部控制应用更有效，从而令 m c 5 5 更适合m 2 m ( m a c h i n e t o m a c h i n e ) 解决方案。以下列出的是该模块一些 主要的性能特点： m c 5 5 可以支持t c p ，u d p ，珏t t p ，h p ，s m t p ，p o p 3 等多种网络抟 输协议； m c 5 5 可以同时开通3 个t c p 或者u d p 连接，并且可以做为t c p 的服 务器使爰，以支持三个以上豹客户端阏对连接； m c 5 5 具有5 k 的b u 虢r 用于g p r s 数据传输，其最大数据包长度为1 5 k ， 实测传输速度可达1 2 0 0 字节； 在数据传输方强，m c 5 5 以a t 命令方式实现数据传输，每次传输都会有 结果状态返回，用户不需要切换状态； m c 5 5 提供两个全双工串团，可以实现两个t c p 通道的同时传输，g p r s 与短信或语音状态自动切换； m c 5 5 应用范围非常广，无线抄表、无线监控、g p s 车载终端、无线公话、 无线p o s 机、无线p d a 、无线数传等等。最重要的是，m c 5 5 内嵌的t c p i p 协 议栈不仪让终端模块与i m e m e i 的连接十分方便，更省去了自己移植t c ! 袱p 的 大量工作，大大缩短了系统的开发时间。 4 2 4 通讯模块电路 g p r s 模块与m c u 的通讯是通过通用串行口( u 越h ) 束实现的，该部分 奄路主要包括：逶落模块，s l m 卡接口，及其外围的一些控剖电路。 下图给出了系统设计中g p r s 通讯模块的电路原理图： 基于g p r s 的水厂制水监控与管理系统 圈4 7g p r s 通讯模块电路原理图 4 3 数据采集及a d 转换接口设计 本系统中涉及众多的信号采集，其中包括各种模拟信号的采样，如温度，压 力，流量，速度等。利用不同工业仪表将各种物理量测量出来，并转换为电信号 ( 一般为4 2 0 m a 电流信号) ：而般的m c u 能处理的信号均为数字信号，这 样，各种模拟数据信号必须首先转换为相应的数字信号才能被微控制器处理和控 制。因此，a d 转换在整个硬件电路设计中占有重要的地位。 通常，实现模数转换有两种方式： 直接利用m c u 内嵌的模数转换模块实现a d 转换 使用外置的专用模数转换芯片( a d c ) 实现a d 转换 鉴于系统设计采用的m s p 4 3 0 f 4 4 9 控制器本身自带有1 2 位模数转换模块， 因此，无需使用专门的a d c 来实现a d 转换。以下将分别介绍m s p 4 3 0 f 4 4 9 自 带模数转换模块的功能及特点，模数转换中涉及的信号隔离及i 转换，最后给 出a d 转换部分的外围电路。 基于g p r s 的