（控制理论与控制工程专业论文）通用地方煤矿无线远程监控系统的研发.pdf

摘要 捅要 煤炭作为我国的主要能源之一，在较长时间内仍将保持其不可替代的主导地 位，是国民经济和社会发展的重要保证。由于煤炭资源的特殊性和开采过程的危险 性，经常发生瓦斯爆炸等重大灾害事故，严重地制约着煤炭工业的健康发展。而地 方煤矿分布较为分散，又多处于山区，信息传递很不方便。为了有效地监控和管理 煤矿的安全状态，使用监控系统确保安全生产已成为必要手段。 然而，现有矿井监控系统大多设备单一，形成诸多“信息孤岛”，很不利于矿 井安全生产的统一调度指挥。当前，无线通信技术方兴未艾，功能强、性能稳、成 本低等诸多优点使其应用于地方煤矿的远程监控显示出非常重要的实际意义。 本文论述了矿井安全监控系统的现状和发展趋势。通过对无线远程监控系统的 核心技术进行分析，在比较各种无线网络组建方案的优点和缺点的基础上，按照传 输方式的选取原则，并结合地方煤矿的具体实际，提出了建立基于g p r s 网络的无 线远程监控系统。文章根掘通用分组无线业务( g p r s ) 的基本理论，在国内现有的 技术基础上，结合计算机控制技术、g p r s 技术和v p n 虚拟专用网技术等，给出了 该远程监控系统的总体设计方案，确定了系统开发的软件设计平台、通信实施方案 和系统安全性设计。 文中根据煤矿安全的具体特点和远程监控系统的要求，对监控终端的体系结构 和功能设计，通信网络的连接实现，以及远程监控中心的功能设计进行了详细的探 讨和研究，从而使系统的实时性和可靠性得到很大提高。在监控中心软件方面，对 模块化和层次化编程进行了研究和尝试最后，对数据的传输时延进行了定性和实 测分析。总之，文章基于煤矿远程监控，但着眼点并不仅仅局限于煤矿，充分考虑 到系统的通用性，易于功能扩展和升级，便于二次开发并应用到不同的系统领域。 图4 0表2参6 3 关键词：g p r s ；远程监控；无线通信网；数据传输；监控系统 分类号：1 1 p 2 7 7 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o a l ，a so n eo ft h em a i ne n e r g ys o u r c e st ok e e pu pt h ep r e d o m i n a n tp o s i t i o nf o ral o n g t i m ei nc h i n a ，i sa ni m p o r t a n ta s s n r a n o ：f o rn a t i o n a le c o n o m ya n ds o c i a ld e v e l o p m e n t b e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r i t ya n df a t a l n e s so fc o a l ，t h e r ei su s u a l l yt h ei m p o r t a n td i s a s t e ro f f i r ed a m pe x p l o s i o n ，b a d l yr e s t r i c t i n gt h eh e a l t h yd e v e l o p m e n to fc u r r e n tc o a li n d u s t r y b e s i d e s ，l o c a lm i n ed i s t r i b u t e sd i s p e r s e d l y ，a n dh a ss e v e r a lm o u n dm o u n t a i na r e a s f o r m o n i t o r i n gc o a lm i n ea v a i l a b l y ，i ti sn e c e s s a r ym e a n st ou s em o n i t o r i n gs y s t e m h o w e v e r , t h ee x i s t i n gm i n em o n i t o r i n gs y s t e m s ，w h i c ho n l yw a t c hp a r to fd e v i c e s ，c u m c i n t ob e i n gl o t so f ”i n f o r m a t i o ni s l a n d s ”，w h i c hi sn o ti nf a v o ro fc o n s t r u c t i n gau n i f o r m c o n t r o lc e n t e rt oc o n d u c tt h es a f e t yp r o d u c t i o no fm i n e a tp r e s e n t , t h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sb o o m i n ga n db c c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n c ef o rt h e m o n i t o r i n gs y s t e mi nm o d e mm i n ei n d u s t r yb e c a u s eo fi t ss t r o n g e rf u n c t i o na n dl o w e r c o s t t h i st e x td i s c u s s e st h ep r e s e n ts t a t ea n df u t u r et r e n do ft h em i n em o n i t o r i n gs y s t e m b y a n a l y z i n gt h ek e r n e lt e c h n o l o g yo fw i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e ma n dc o m p a d n g w i t h v a r i o u sw i r e l e s sn e t w o r kp r o j e c t s ，i tp u t sf o r w a r dt ow i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do i lg p r s a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r yo fg p r sa n dd o m e s t i ce x i s t i n gt e c h n i q u e ， a n dc o m b i n i n gc o m p u t e rt e c h n i q u e 、g p r sa n dv p n t e c h n i q u e t h ea r t i c l ec o m e so u tt o t a l d e s i g np r o j c c t ，e n s u r e ss o f td e s i g np l a t f o r m ，c o m m u n i c a t i o np r o j c o ta n ds e c u r i t yd e s i g n a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fm i n ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h et e x t d i s c u s s e sm o n i t o r i n gt e r m i n a l ，n e t w o r kc o n n e c t i o na n dm o n i t o r i n gc e n t e ri nd e t a i l s a n di t i m p r o v e ss y s t e m i cr e l i a b i l i t yal o t i ns o f t w a r eo fm o n i t o r i n gc e n t e r , i tt r i e st op r o g r a m m o d u l a r i z a t i o na n ds t r a t i f i c a t i o n a tl a s t ，i ta n a l y z e sd a t at r a n s f e ra n dt e s t st i m ed e l a y ha l l ，t h ep a p e ri sb a s e do nm i n er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，b u ti sn o tl i m i t e di nm i n e c o n s i d e r i n gs y s t e m i cc u r r e n c y ，s p r e a df u n c t i o na n du p g r a d e ，i ti sc o n v e n i e n tt or e a p p l y i n g i nd i f f e r e n td o m a i n s f i g u r e4 0 ，t a b l e2 ，r e f e r e n c e 6 3 k e yw o r d s ：g p r s ，r e m o t em o n i t o r i n g , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , d a t at r a n s f e r s ， m o n i t o r i n gs y s t e m c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t p 2 7 7 h 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 篮：烂日期：二堕年上月鱼日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名： 蕴复导师签名：盘王篮日期：盟年上月竺日 引言 引言 我国是一个产煤大国，还是一个煤矿事故频发的国家。煤炭作为基础能源，一 直是国民经济发展中不可缺少的非再生资源。但煤炭大多数都埋藏于地下深处，并 且经过了很多年的地质变迁和物理化学变化，使得煤矿生产面临着各种各样的危险 ( 如，瓦斯爆炸、透水、冒顶等各种事故) 。而另一方面，我国煤矿安全技术相对 十分落后，井下安全检查设备的缺乏，致使监测瓦斯数据的准确性和可靠性不足； 同时，煤矿安全信息技术的网络化程度不高，井下安全信息不能及时传到井上生产 控带0 中心。 近年以来，国内煤矿安全事故不断，瓦斯爆炸事故也时有发生。煤炭安全生产 这一严竣形势，不但制约着煤炭工业的发展，也严重威胁着煤炭行业职工的身体健 康和生命安全。而监测监控是实现安全生产、预防事故发生的主要措施之一，也是 现代化矿井安全生产管理水平的重要标志。因此，研究出一套安全监测监控系统是 十分必要的。 同时，为了防止重大事故的发生，采用现代化的电子、通讯、计算机及其网络 技术，实现政府对地方煤矿的有效监管，也势在必行。监测监控系统的好坏直接关 系到一个矿井能否顺利生产，是煤矿工人生命安全的重要保证 然而，由于种种原因，地方煤矿的迅猛发展，及其事故发生，给我国煤炭安全 生产带来很大压力。如何降低地方煤矿死亡事故，搞好地方煤矿安全监管就成为煤 矿安全生产工作的重中之重。在地方煤矿中? 大都坐落在边郊，布点分散，规模 小，年产量低，服务年限短，如果采用其他的数据传递组网方式，存在着投资大， 可靠性低，维护困难等缺陷，而构建以g p r s 等无线网络为基础的地方煤矿安全远 程监测监控系统，可实现瓦斯等环境安全数据完全共享，形成全方位的快速反应能 力，可充分满足政府相关部门对煤矿的监管要求，是一种最佳选择。 河北理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究背景 在经济全球化的浪潮中，能源仍然是经济发展、社会进步的主要物质基础。我 国是一个产煤大国，已探明储量为1 1 4 5 g t 。煤炭作为我国的主要能源资源，占一次 能源消耗构成比例的7 5 1 1 1 。由于煤炭工业的基础地位，实现安全、高效地可持续 发展是中国实现经济重大战略目标的可靠保证，对推动我国国民经济的发展起决定 性作用1 2 】。 要确保煤炭产业健康有序的发展，矿井安全必须得到保障。一方面，由于煤炭 开采属地下作业，环境恶劣，生产过程复杂，受到水、火、瓦斯、煤尘等多种自然 灾害的威胁1 3 1 。煤炭资源特殊的生产环境、矿井地下生产作业人员的集中，以及灾 害的多样性和突发性使危险程度进一步加大，致使煤矿生产安全问题较其他行业更 难解决。虽然经过努力，我国已大大降低了煤矿生产的百万吨死亡率，但是与发达 国家相比，仍然居高不下。另一方面，各煤矿矿区分布较为分散，又多处于丘陵山 区，安全技术装备水平低下，瓦斯管理手段落后，生产效率不高。瓦斯管理甚至依 靠人工检测，容易出现漏检现象，安全隐患较多【1 一旦发生煤矿事故，还容易发 生隐瞒不报的情况，犹如一个个“信息孤岛”，很不利于政府及相关部门及时获取 准确的消息，从而无法做出及时准确而有效的判断，大大降低了管理整治的力度。 鉴于以上情况，政府部门为贯彻落实国家方针，进一步提高地方煤矿安全生产 管理水平、防灾抗灾能力，改善安全管理手段，利用覆盖范围广泛的无线网络，组 建地方煤矿远程监控系统。对矿井安全生产情况进行全天候自动实时监测监控，不 仅加大了管理部门对各煤矿生产安全状况的监管力度，而且有效的保护煤矿生产者 的生命安全，保证煤矿各设施的正常运转，提高了矿井的现代化管理水平嘲。 1 2 矿井监控系统现状和发展趋势 1 2 1 煤矿监控系统发展概况 矿井监控系统是指对煤矿的瓦斯、风速、一氧化碳、烟雾、温度等环境参数和 矿井生产、运输、提升、排水等环节的机电设备工作状态进行监测和控制，用计算 2 1 绪论 机分析处理并取得数据的一种系统。一般由传感器和执行器、信息传输装置、中心 站或主站的硬件和计算机软件等几部分组成i “。 由于我国煤矿计算机监测监控系统的研制起步较晚，初期监测监控系统( 2 0 世 纪踟年代初) 主要由传感器、断电仪、载波机、计算机和调度盘等设备组成【7 l 。 在许多煤矿应用上述系统的同时，我国也借鉴国外先进的科学技术，自主性开 发研制出了许多种矿井监控系统。如，k j 4 、k j 2 2 、9 5 、l ( j 6 6 等系统。其中， 6 6 型煤矿安全监测监控系统基本上反映了目i j 我国监控系统总体发展水平1 8 9 1 。 在全国许多大、中型煤矿得到了广泛的应用。 同时，为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国先后从美国、英国、德 国、法国、加拿大分别引入数十套监控系统。例如，美国的s c a d a 系统、英国的 m i n o s 系统、德国的1 下- 2 0 0 系统、法国的c t r 6 3 4 0 系统等。这些系统在我国煤 炭行业许多矿井中发挥了重要的作用，也为我国研制矿用监控系统提供了很好的借 鉴【蛉1 4 1 。上述系统均是综合型监测系统，但侧重于安全参数的检测和控制。 这些系统，存在如下问题： ( 1 ) 性能价格比过低，即系统价格过高，难以承受； 一 ( 2 ) 主监测机的系统软件在文档处理上有些不符合中国国情； ( 3 ) 井下工作站体积、重量比较大； ( 4 ) 技术服务上有缺憾； ( 5 ) 有些系统的技术实际上并非一流。 1 2 2 煤矿监控系统发展趋势 当前计算机、网络和多媒体等技术日新月异，加上计算机应用在我国煤矿的大 量普及、一些先进生产设备的投入使用，使得煤矿行业的现代化生产和管理水平进 一步提高，对煤矿监控系统的性能和功能也提出了新的要求。运行安全可靠的矿井 监测监控系统，有助于强化管理，协调生产，降低劳动强度，确保矿井安全生产。 因此，煤矿监控系统也将面向宽带网、多媒体化的方向发展，使其成为性能卓 越的综合监控信息系统，以满足煤炭安全生产日益增长的需要【1 5 1 。 ( 1 ) 传感器技术 监测传感器是实现计算机监控的技术基础，也是决定监控系统品质的重要方 面。它正朝着新技术、新原理、模块化、组件化和功能化方面发展。 ( 2 ) 多媒体技术 3 河北理工大学硕士学位论文 当前绝大多数系统仍是以数据信息为主要监测处理对象，随着多媒体技术的日 益成熟，监控系统也将发展成为集监控、调度及管理为一体的综合监控信息系统。 ( 3 ) 网络技术 今后的煤矿监控系统要求具有较强的开放性，在网络环境下系统主机可以现场 工作站方式连入矿局域网，使网内各授权工作站或终端可共享监控信息，也可使监 控系统就是基于局域网的系统中的工作站，远程终端等按网络方式运行，与其它网 络进行信息互换，最大限度地利用监控信息资源。 ( 4 ) 通信技术 现有煤矿监控系统地面监控中心与分站、子系统的连接只能传输数字语音信 号，通信速率偏低，难于满足现场多媒体信息的实时传输要求。故须开发适用于煤 矿监控系统的高速信息传输技术。 ( 5 ) 系统软件 系统功能的不断扩展，软件的集成度相应增加，系统实时性就要求越高，传统 的d o s 操作系统为平台的监控软件不能满足要求。因此，要开发具有多媒体、网络 等功能的大型煤矿综合监控系统软件，必须借助w i n d o w s 、u n i x 等有图形用户 界面的实时多任务系统平台，运用新的面向对象的可视化程序设计技术，这是适应 计算机软件发展的必然趋势。 总之，随着科技的进步及矿井生产自动化程度的提高，煤矿监测监控系统技术 已经渗透到了采、掘、机、运、通、办公管理等各个环节之中，在煤矿安全生产和 高产、高效以及防灾、减灾中发挥着重要的作用。它也是- - i - j 综合性很强的技术系 统i 阚。 1 3 无线远程监控系统及其核心技术 1 3 1 无线远程监控系统概述 无线远程监控系统是在传统监测监控系统的基础上，结合当前无线通信技术和 信息处理技术而发展起来的新型测控系统。 就一般而言，现有的无线远程监控系统，大都符合“控制中心监测站”的 构建模式。控制中心是整个系统运作的核心，负责收集各监测站所上传的监测信 息，发送各种操作命令以控制监测站的行为。监测站被布放于远离控制中心的各监 测点处，负责完成信息的采集和响应控制中心发出的控制命令。控制中心可用普通 4 1 绪论 微机工作站或工控机来实现，软件开发可基于现有的w i n d o w s 或者u n i x 操作系 统。监测站的设计实现可根据不同的应用目的和应用环境，采用特定的技术形式， 比如单片机、d s p 或者i n t e lx 8 6 系列的微处理器等1 1 卅。无线远程监控系统的组网 方式也非常灵活，可利用现有的无线通信网，如g s m g p r s 网络、c d m a 网络 等，也可单独搭建专门的无线局域网。 1 3 2 无线远程监控系统技术 下面系统地讨论无线远程监控系统设计开发时所涉及到的一些核心技术，主要 包括以下三个方面的内容：监测站的设计开发、无线网络的组建和控制中心的软件 设计1 1 9 1 1 监测站的设计实现 监测站的设计与实现是整个无线远程监控系统研制开发的一个方面，监测站对 信息数据处理的能力和精度将影响整个系统的最终性能。 在整个开发过程中，监测站的设计是工作量大、所需时间长。但可应用现有的 相对比较完备的监测站设计，例如k j g 2 0 0 0 系统。监控站处于工作现场，只完成数 据的采集、处理和控制，任务相对单一、固定，无须用庞大的台式机来完成；考虑 到节能和布放方便，监测站多为嵌入式操作系统。根据整个无线远程监控系统所要 实现的功能，对数据处理与对传感器控制能力的要求，监测站设计的复杂度和采用 的具体技术是不一样的。而在本研究课题内容中，这一部分涉及到的内容将不作重 点介绍。 2 无线通信的设计实现 无线通信的设计相对于监测站而言较为简单，有许多现有的产品和通信系统可 以利用，但重点是在于从多种实现方式中做出最优的选择1 2 0 j 。 1 ) 传输实现方式及互通 现有的通信网络较多，按业务建网是3 g 以前通信网络特点，无线网络也不例 外。基于现有无线网络实现传输点移动同时的数据远距离传输，就是利用移动运营 商已经建立好的覆盖全国的无线网络，实现移动点对移动点、移动点对固定点的数 据传输。这种传输方式具有方便、灵活、稳定、传输距离远、不受地点限制、价格 适中等优势1 2 。当前设计无线远程监控系统在我国可以借用的无线网络主要有：全 球数字移动电话系统( g s m ) 、通用分组无线业务( g p r s ) 、采用码分多址 ( c d m a ) 技术的移动网络系统等。 5 - 河北理工人学硕士学位论文 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) 是全球最主要的2 g 标准，它能够在低服务成 本、低终端成本的条件下提供较高的通信服务质量。就其业务而言，g s m 它是一个 能够提供多种业务的移动i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i # t a ln e t w o r k ，综合业务数字 网络) 。 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 ) 在现有的g s m 网络基础上增加一些硬件 设备和软件升级，形成一个新的网络逻辑实体。它以分组交换技术为基础，采用i p 数据网络协议，提高了现有g s m 网的数据业务传输速率，最高可达1 7 1 2 k b p s 。作 为第二代移动通信技术向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡，g p r s 把分组交换技术引 入现有g s m 系统，使得移动通信和数据网络合二为一，具有极速传送、永远在 线、价格实惠等特尉2 2 l 。 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 是在数字技术的分支扩展频谱通信 技术上发展起来的一种成熟的无线通信技术，使用多种分集接收方式。它作为新一 代的移动通信技术，具有容量大、通信质量好、保密性高和抗干扰能力强等特点。 c d m a 传输所需要的设备与设置与g p r s 也相类似【矧。 为使监控中心与监测站问的无线通信能利用现有的网络，对于特定的无线网需 用相应的接入设备。这类设备市面上有现成的产品可供选择。接入g s m 网络的通 信模块有西门子的s i e m e n st c3 5 ，接入g p r s 网络可用西门子的m c 3 5g p r s 模 块，接入c d m a 网络的有华立h l l 0c d m a 模块和a n yd a t a 公司的c d m a m o d e m ( d t s 一8 0 0 ，1 8 0 0 ) 。 利用现有的网络组建无线远程监控系统，其网络连接如图1 所示。其中无线接 入模块产品一般都提供有r s 2 3 2 作为对外通信接口，有些天线是内置的。利用现有 的网络覆盖面广和可漫游等特点，使监测站和控制中心的位置不受距离的限制；但 由于利用公网，安全性会有所降低。 疋 救 线 测 缓 入 站 攒 缺 煌 榨 镂 麓 入i 榄 一0 块 图1 利用现有的无线网络组建无线远程监控系统 f i g 1 w i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fu s i n gw i r e l e s sn e t w o r k - 6 1 绪论 由于不同的实现方式基于不同的移动通信运营商，它们之间的互通就成为了关 键性的问题。表1 列出了实际不同传输方式之间是否能够互通的比较。 表1 各种传输方式互通 t a b l e ls e v e r a lt r a n s f e rm o d e s c o m m u n i c a t i n g ；淤兰g s m g p r sc d m a 同定点 g s mx ， g p r s，x c d m a ，4 固定点 x 注：表中标记“”的表示可以传输；标记“x ”的表示不能够传输。 在表1 中，服务器端是指在网络传输中接受连接的数据点，客户端是指发起连 接的数据点。而在g p r s 对g p r s 的传输过程中出现的“, i x ”，是由于我国各省 g p r s 网络的配置情况不同，有的省份可以实现g p r s 间的传输，比如：河北、云 南等等；而有的省份就不可以实现g p r s 问的传输，比如：辽宁省。实际上就技术 来说，这些技术都可以实现互通，只不过各运营商家从某些方面考虑而做了限制。 表中的固定点是指利用a d s l ( a s y m m e t d cd i g i t a ls u b s c r i b el i n e ) 、光纤等连接手 段，只要可以获得真实口地址都是可以使用的俐 2 ) 传输方式的比较与选取 各种传输方式都有其优点和缺点，选择那一种传输方式是根据不同情况而确定 的，下面就不同传输方式的特点进行比较【矧。 ( 1 ) 传输距离 各种传输方式都是利用移动运营商的网络，只要有移动运营商网络覆盖的地方 都可以实现传输，甚至可以将传输数据发送至国外，传输距离不会成为各种传输方 式的限制。 ( 2 ) 传输带宽 不同的传输由于使用的技术不同，传输的带宽会有所不同。g s m 的带宽为 9 6 k b p s ：g p r s 最高速率为1 7 1 2 k b p s ，平均5 0 k b p s ；c d m a 最高速率1 5 3 6 k b p s ， 平均7 0 k b p s ；而固定点可通过选择不同接入方式实现不同的带宽，从拨号方式5 6 k b p s 到光纤接入1 0 m b p s ，甚至更高。就无线接入方式来说，最高的是c d m a ，其 次是g p r s ，而速率最低的是g s m 。如果是不同传输方式之问的互通，则主要是由 传输带宽低的一端决定系统的传输带宽。 7 河北理工大学硕十学位论文 ( 3 ) 传输稳定性 传输的稳定性与移动运营商的基站架设有关，最稳定的是g s m 。根据调查，在 市内使用时c d m a 与g p r s 的稳定性基本相同，而在山区和地形复杂的地区， c d m a 的稳定性明显不如g p r s 的稳定性。 ( 4 ) 传输安全性 对于某些行业来说，安全问题非常重要。在所有传输方式中，都是直接或者间 接地连入i n t e r n e t 。虽然有的运营商使用的是内网i p 地址，有的运营商在其服务器 上做了限制，安全性在一定程度上有所提高。但i n t e r n e t 上病毒、黑客等攻击都不可 避免。这就需要对连入i n t e m e t 设备进行合理配置，减少甚至免于受到不必要的攻 击。使用v p n 技术提高数据安全性是一个很好的解决办法，能够有效对有用数据进 行保护。 ( 5 ) 其它 其它因素包括网络使用费，接入设备费，运营商提供的技术支持等等。这些因 素根据不同地区的差异和移动运营商的政策会有所不同。 总体来说，在g s m ，g p r s 。c d m a 这些传输方式中，g p r s 和c d m a 是比较 理想的选择。g p r s 在稳定性方面比较突出，但其传输速率不如c d m a 的高。而 c d m a 虽然传输速率高，但在有一些地区使用不够稳定要根据传输数据的具体要 求和侧重点来选择不同的传输方式。 鉴于地方煤矿大部分较分散地都坐落在市、区边郊，特别是部分煤矿还处于山 腰、山脚。在这样特殊地理位置下，选用以g p r s 无线网络进行数据无线传输较为 理想。 3 控制中心的设计实现 控制中心的设计相对于监测站的设计来讲较为简单，硬件设计较少，除了普通 的微机( 或工作站、工控机) 外，还需要网络接入设备。控制中心的设计开发主要 集中在应用软件的设计和开发上，一般是基于w i n d o w s 和u n i x 等常用操作系统 的。当前用于此类软件开发、调试的工具比较多，而且功能强大，给控制中心软件 的设计带来了很大的便利。 就软件的实现形式而占，人机接口界面模块可以为该无线远程监控系统的实际 用户进行定制，以满足用户在界面美观、操作方便等方面的特殊要求。 - 8 1 绪论 1 4 本文研究的主要内容 在地方煤矿安全生产远程监控系统中，如何将各个矿区矿井分散的监测点所产 生的大量环境安全数据传送至远程监控数据中心，以及监控终端、网络通讯和远程 监控中心的体系结构和功能需求设计，是将要解决的主要问题。现今计算机技术、 网络技术和通信技术的发展为此提供了很好的解决途径将无线通信技术应用到远 程监控系统中，安装方便、简单，监控实时性和可靠性提高，系统运行的成本却越 来越低。 本文研究的主要内容及章节的结构安排如下： 第一章主要论述了矿井监控系统的现状、发展趋势和无线远程监控系统的核心 技术问题。 第二章对g p r s 技术的基本内容、特点、原理和应用进行了论述。 第三章简要介绍了无线远程监控系统的总体组成结构、系统设计目标、开发环 境和安全性等。 第四章对监控终端的体系结构和功能设计进行了详细探讨。 第五章对无线通讯数据传输的具体实现设计。 第六章对远程监控中心的功能设计、人机界面等进行了研究。 第七章是对系统传输时延的定性、实测分析。 最后是结论部分，主要是对当前工作的总结和对以后工作的展望。 - 9 河北理工大学硕士学位论文 2 1 g p r s 技术 2 1 1g p r s 概述 2g p r s 技术和基本原理 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，简称g p r s ) 是叠加在数字 公用陆地移动通信网g s m 网络之上，为g s m 网络用户提供高速的分组数据业务 的一种新的网络 2 6 - 2 s 。它充分利用现有的无线网络资源，为g s m 用户提供诸如 i n t e m e t 等数据通信网络一种无线接入的方案。它是g s m 阶段p h a s e2 + 定义的新业 务。由于目前g s m 移动电话用户占到了全球4 5 亿移动电话用户的四成以上，因 此，g p r s 在未来的移动数据市场中占有一定的天然优势。g p r s 是g s m 移动电 话系统向第三代移动通信边进的一个重要步骤，作为叠加在数字公用陆地移动通信 网g s m 网络之上，g p r s 网络为g s m 网络用户提供高速的分组数据业务的一种 新的网络。 g p r s 采用了分组交换和传输技术，具有永远在线、数据速率商、资源利用率 好、接入速度快，计费更加合理、用户使用更加方便等优点 2 9 1 。g p r s 可以提供高 速的、高于固定i n t e m e t 速率的无线数据接入方式( 最高可以达到1 7 1 2 k b p s ) 和启 动接入所需的时间，又具备灵活的资费策略。g p r s 既可以使运营商直接提供丰富 多彩的业务，同时可以给第三方业务提供商提供方便的接入方式，这样便于将提供 网络服务和业务提供有效地分开。此外，g p r s 能够提高g s m 系统的无线利用率， 它在保证话音业务质量的同时，利用无线信道的空闲资源提供分组业务，大大提高 了g s m 网络资源的利用率。g p r s 的发展使制约移动数据发展的各项因素正逐步得 到解决，推动移动数据发展的方方面面也日趋得到完善。这一切都极大推动g p r s 技术和网络的发展1 3 0 - 3 扪。因此，g p r s 为g s m 运营商拓展业务领域，增强市场竞争 力提供了重要的技术平台，并为g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 演进打下基础。 2 1 2g p r s 特点及应用 g p r s 已经突破传统观念中为数据用户( 或公司) 提供承载能力。它的技术特 点决定了它既可以提供承载数据业务，又可以作为i s p 直接为用户提供所需要的信 息服务。 1 0 2g p r s 技术和基本原理 当系统引入g p r s 业务后，g s m 网络就包括了电路交换和分组交换两个部分， 这两个部分分别有自己的移动性管理、呼叫控制以及用户数据传输等一套相对独立 的功能1 3 4 - 4 0 。但这两部分也并非截然分开的，它们可以通过接口联系起来，使其相 互配合而实现诸如联合位置更新、经由g p r s 进行c s 寻呼等功能，从而节约网络 及无线资源。 g p r s 的几个新特点是其优势所在： 1 、g p r s 的一个最大特点就是“永远在线”，g p r s 采用的是分组交换技术， 不需要m o d e m 那样拨号连接：用户只有在发送或接收数据时才占用资源。 2 、g p r s 以传输数据量计费，而不是以传送的时间计费，所以就算遇上网络塞 车，也不会白白花费，对消费者来说更为合算。 g p r s 作为人们对无线高速数据通讯要求的产物，提供了一种无缝、直接的 i n t e r n c t 网连接。它支持x 2 5 协议和m 协议，承载包括点对点、点对多点的业务。 用户可以通过手机发送电子邮件、浏览互联网、在线游戏、移动办公等。g p r s 的 应用，将客户带入移动信息高速公路，充分满足了广大客户对数据业务只益增长的 各种需求1 4 1 埘】。 2 2g p r s 的基本原理 2 2 1g p r s 网络结构 g p r s 是在现有的g s m 网络基础上叠加的一个新的网络，同时在网络设备上增 加一些硬件设备，并对原软件进行升级：从而形成新的网络逻辑实体。它允许用户 在端到端分组方式下发送和接收数据，不需要用电路交换模式下的网络资源，从而 提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务1 4 5 删其系统结构如图2 所示。 一掰t i l 难镑玻 图2 g p r s 的系统结构 f i g 2g p r ss y s t e mf r a m e 1 1 - 河北理工人学硕士学位论文 从逻辑上来说，g p r s 通过在g s m 网络中增添s g s n 和g g s n 两个新的网络 节点来实现。由于增加这两个网络节点，需要命名新接口g b 、g n g p 、g t 、g i ，g s 等。它们是实现g p r s 核心实体，统称g s n 。如图3 所示，g p r s 逻辑体系结构。 图3 g p r s 的逻辑结构 f i g 3g p r sl o g i c a lf l a m e 下面对g p r s 新增网元和各种接口功能做简单论述 s o - s s l 。 s g s n 是s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e 的缩写，即服务g p r s 支持节点。它的 主要作用是记录移动太的当前位置信息，并在移动台和s g s n 之间完成移动分组数 据的发送和接收。 g g s n 是g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e 的缩写，即网关g p r s 支持节点。它 用于接入外部数据网络和业务的节点。 g b 是b s s 和s g s n 之间的接口，用于交换信令信息和用户数据，进行m s 与s g s n 之间的数据传送。 g n 是同一个p l m n 内部g s n 之间的接1 ：3 ；g p 是不同p l m n 之间的接1 2 1 。 g r 是s g s n 和h l r 之间接口，向s g s n 提供接入h l r 用户数据的能力。 g i 用于g g s n 与外部数掘网的连接，对应与不同的外部数据网，g i 接口应 有相应的协议配置。 g s 是s g s n 和m s c v l r 之间的可选择接口，用于s g s n 向m s c v l r 发 送地址信息，并从接收寻呼请求。 1 2 2g p r s 技术和基本原理 2 2 2g p r s 传输协议模型 g p r s 协议规程体现了无线和网络的特征。移动台( m s ) 和s g s n 之日jg p r s 分层协议模型如图4 所示。u m 接口是g s m 的空中接口，其接口上的通信协议有5 层，自下而上依次包括：物理层( g s mr f ) 、无线链路控制层媒体接入控制层 ( r l c i a c ) 、逻辑链路层( u ) 、子网汇聚层( s n d c p ) 和i p 层等。 a p p i c a e o n i p x 2 5i p x 2 5 迅皇p ， s n d c p g t p s n o c pg t p l l c l l c 、壁哆 p t c p u d p ，t c p r l c r l cb s s g p b s s g f i p l p n e t w o r k n e t w o r k m a c m a c 1 2 i - 2 s e f v i c es e r c e g s m r fg s m r fl fb b l fh i sl f l i 图4g p r s 传输协议模型 f i g 4 g p r st l a n s p o r tp r o t o c o b 从网络层来看，g p r s 支持端到端的口协议和x 2 5 协议。不管传输是如何进行 分组的，g p r s 骨干网的网络层协议都采用i p 协议。g p r s 隧道协议( g t p ) 保证 了采用隧道多协议的数据分组能够在g p r s 的支持节点之间通过g p r s 骨干网进行 传输。g t p 采用传输控制协议( t c p ) 或用户数据报协议( u d p ) ，这取决于所传输 的分组是否需要可靠的连接由于t c p 协议面向连接的协议，可用来传输x 2 5 分 组1 5 6 - 5 9 1 。而u d p 协议是无连接的数据报协议，可用来传输i p 分组。 子网汇聚层( s n d c p ) 协议主要任务是对网络层协议数据单元进行透明传输。 逻辑链路层( u c ) 协议是在g b 接口和u m 接口提供m s 到s g s n 的逻辑链 路。主要功能实现流量控制、帧的顺序控制等。 无线链路控制层媒体接入控制层( r l c m a c ) 传输u cp d u 时采用在多个 m s 和网络间共享媒体的方法。r i c 协议的主要功能是对u p d u 进行分段和重 组。m a c 协议在需要共享传输介质的不同m s 间组成不同的逻辑信道。 物理层为r l c m a c 提供物理信道，完成传输和接收调制信号的功能，与 g s m 的r f 层完全一致。 1 3 河北理工大学硕十学位论文 3 远程监控系统的总体设计 3 1 系统总体结构组成 煤矿安全远程监控系统结合了计算机网络技术、无线通信技术和自动控制技 术，具有数据采集、数据查询、安全监控和报警处理等综合功能。煤矿安全远程监 控系统主要应用于监控地方煤矿矿井内的瓦斯浓度、一氧化碳、风速、温度等环境 安全生产数据，进行全天候不间断的监测监控，同时将监测数据上传到当地相关管 理部门。系统横跨煤矿、矿业公司、监管部门等三方经营组织。 整个远程监控系统主要由矿井数据监控终端、无线网络数据传输和远程监控数 据中心等3 部分组成。系统的总体网络结构如图5 所示。 图5 监控系统的总体结构 f i g 5t h eg r o s ss t r u c t u r eo f m o n i t o r i n gs y s t e m 1 监控终端 监控终端主要由工业控制计算机、井下分站和传感器等组成。传感器将瓦斯、 一氧化碳、风速、温度等模拟信号转换成电信号，输入到数据采集模块，在井下分 站中进行分析和处理，得到对井下状态的直接估计和判断。通信系统将井下分站处 理后的数据传送到井上工控机。工控机上对原始数据先存储，然后进行分析、处 理，同时输出显示。监控终端通过g p r s 模块把传送数据分组，通过g p r s 网络， 把数据送到远程监控中心的服务器中。 一1 4 3 远程监控系统的总体设计 2 无线网络传输 监控终端通过无线传输模块将已打包好的口数据包在进行网络选择后，发送到 无线网络g p r s 网络，口数据包经过系统分组数据服务节点，传输至i n t e m c t 上的 一个指定的中心服务器，并通过数据接收软件将数据接收。 3 远程监控中心 远程监控中心运行于监管部门的中心服务器上。通过接收监控终端传送的数 据，进行显示、存储、分析、处理等工作，也可反向传送各种指令控制终端运行。 3 2 系统设计目标 各地方煤矿虽安装了监测监控系统( k j g 2 0 0 0 ) ，但各矿区监控系统是相对独 立的，相互之间或与上层之间没有可利用的网络连接，这样很不利于相关主管部门 的安全生产监督管理工作。为了更好监督煤矿安全生产，采集各矿井环境安全( 瓦 斯、风速等) 实时数据，由矿井监控计算机处理、存储，经无线网络传至监管部门 数据中心，以形成环境安全数据共享。同时利用短消息报警功能把超杯、超限信息 及时发送给各管理人员和相关负责人，避免事故的发生。 由于各个监控点比较分散，充分利用现有的网络和互联网技术实现各个监控点 与中心计算机的数据传输。本系统的设计目标； 1 远程实时监控 在远程监控中心可以任意对各个现场实现实时