（计算机应用技术专业论文）远距离管道监控系统网络拓扑和低功耗的研究与实现.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 随着电信业务的迅猛发展，电信网络规模也急剧扩大。电信基础设施 ( 电信人 井、管孔等)对保障电信网络运行起着无可替代的作用。然而，这些分布错综复杂 的基础设施的管理与维护问题对电信网络系统的服务质量产生越来越重要的影响。 对于处在管道下的这些分布广泛基础设施来说，由于周围缺乏供电设施，要对它们 进行集中的环境监控管理是一个十分困难的问题。 该文首先阐述了课题产生背景、 研究的目的、 意义和国内 外研究现状; 接下来说明 了 监控系统的系统设计方案和系统工作原理; 然后， 分析了在本课题中是如何进行硬件 电路设计来降低系统的静态功耗和动态功耗，以 保证环境监控系统就有现实的应用意 义; 再接下来分析了目 前常用的组网方式在实现中的利弊， 通过探讨分析， 提出一种能 适应这种错综复杂的管道网络拓扑结构。并基于提出的这种 “ 星形一 总线一 总线” 复 合型网络拓扑结构，定制了 适合系统自 身的链路层协议。 最后， 在s u n p l u s的工 d e下， 用c 和汇编语言混合编程， 对设计出的系统样机各 模块的算法进行了调试与验证，根据验证数据分析，新样机基本符合系统方案要求。 关键词:低功耗，总线竞争，网 络拓扑结构，环境监控 华北电力大学硕士学位论文 abs tract wi t h t h e r a p i d a u g m e n t a t i o n i n t h e c a p a b i l i t y o f t e l e c o m m u n i c a t i o n s e r v i c e , t h e n e t w o r k s c a l e i s e x p a n d e d s h a r p l y t o o . t h e t e l e c o m m u n ic a t i o n i n fr a s t r u c t u r e s ( p i p e l i n e s e t c .) p l a y a n i r r e p l a c e a b l e ro l e , b u t t h e p r o b l e m o f m a n a g e m e n t a n d m a i n t e n a n c e o n t h e s e i n t r i c a t e l y d i s t r i b u t e d in fr a s t r u c t u r e b a d ly im p a c t s q o s o f t h e c o m m u n i c a t i o n o f s y s t e m . i t i s a v e ry d i ff i c u l t p r o b l e m t o c a r ry o n m a n a g e m e n t f o r t h e e n v i r o n m e n t b y a m o n i t o r i n g s y s t e m , b e c a u s e o f e x t e n s i v e d i s t r ib u t i o n a n d s h o rt o f p o w e r . t h i s p a p e r e x p l a in e d b a c k g ro u n d o f t h e s u b j e c t , p u r p o s e o f s t u d y in g , m e a n i n g o f re s e a r c h a n d t h e c u r re n t s i t u a t i o n b o t h a t h o m e a n d a b ro a d a t f i r s t . s e c o n d ly , t h e p a p e r a n a l y z e d t h a t t h e p re s e n t c o m m o n l y n e t w o r k t o p o l o g y s t r u c t u r e s h a v e e x i s t e d p r o s a n d c o n s i n s o m e a p p l i c a t i o n s . a n d t h e n b y t h e s e a n a l y s e s , t h e p a p e r p r o p o s e s a s u i t a b l e t o p o l o g i c a l s t r u c t u r e o f t h e n e t w o r k f o r s u c h i n t r i c a t e p i p e l i n e s . o n t h e b a s i s o f t h i s c o m p o u n d i n g t o p o l o g i c a l s t r u c t u r e o f n e t w o r k , w e s t u d i e d a p r o t o c o l o f d a t a l i n k l a y e r . wh a t s m o re , w e h a v e h a r d c o n s i d e r e d h o w t o c o n s i d e r re d u c i n g s t a t ic a n d d y n a m i c p o w e r o f t h e s y s t e m b o t h h a r d w a re a n d s o f t w a re d e s i g n , s o a s t o e n s u re t h a t t h e r e i s a r e a l i s t i c a p p l i c a t i o n m e a n i n g f o r t h e e n v ir o n m e n t a l m o n i t o r i n g s y s t e m . f o rt u n a t e l y , w e h a v e d e s i g n e d a l o w - p o w e r m o n i t o r i n g s y s t e m . t h e p a p e r h a s a l s o i n t ro d u c e d t h e o v e r a l l fr a m e o f t h e m o n i t o r i n g s y s t e m a n d o p e r a t i o n p r in c i p l e . f i n a l l y , u n d e r t h e i d e o f s u n p l u s , e v e ry s y s t e m m o d u l e a l g o r i t h m w a s v a l i d a t e d 妙 c o d e s , w h i c h w e r e p r o g r a m m e d w i t h c a n d a s s e m b l e r l a n g u a g e . x i a o f u z h o u ( t h e a p p l i c a t i o n a n d t e c h n o l o g y o f c o m p u t e r s c i e n c e ) d i r e c t e d b y s e n i o r - e n g i n e e r wa n g y o n g k e y wo r d s : l o w p o w e r , n e t w o r k t o p o l o g i c a l s t r u c t u r e , b u s c o mp e t i t i o n , e n v i r o n me n t a l mo n i t o r i n g y7 1 3 2 0 6 声明 本人郑重声明: 此处所提交的硕十学位论文 远距离管道监控系统网络拓扑 和低功耗的研究与实现 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指 导下进行的研究工作和取得的研究成果。 据本人所知， 除了文中特别加以标注和 致谢之处外， 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 得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同上作的 同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表不了谢意 学 位 论 文 作 者 签 名 谁学校可允许学位论文被查一 l 或借阅 学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文;同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名: 口1么 导师签书: 二竺一 w 日期:日期 : , . w ,r . 3 - 多 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 1 . 1 远距离低功耗管道监控系统概述 远距离低功耗管道监控系统 ( a l o n g - d i s t a n c e p i p e l i n e s m o n i t o r i n g s y s t e m w i t h l o w p o w e r ) 就是指专门 用于电 信部门 错综复杂的地下管道网络中，监测管道环境 状况的监控系统。 系统能处理远距离 ( 大于5 k m) 下位机所采集的检测数据， 并实 时传送数据至监控中心。同时，监控中心能够根据需要对所接收的数据进行分析、 处理。另外，系统还具备声、光、电告警提示。 远距离低功耗管道监控系统主要由四部分组成，即监控中心、上位机、下位机 和传输线路部分。 1 . 2国内、外远距离管道监控系统应用及研究现状 目 前，国内大部分开发监控产品的企业，其主要还是致力于室内环境集中监控 系统的研制，而远距离低功耗的检测网络产品涉及较少。对于室内环境集中监控系 统来说，功耗、可靠性、环境要求等方面都比较低，且拓扑结构也相对简单。因此 室内监控系统容易实现，但它无法用于远距离的地下管道监控。 在一些西方发达国家，它们的地下管道监控系统建设己经相当完善。主要原因 是:发达国家的地下管道基本上是政府或企业一次性投入足额资金设计建成的，在 管道规划设计和建设中做得十分周全，充分考虑到日 后所需的供电、维护和集中监 控等问题。由于发达国家在管道设计和建设中的前期工作做的比较好，所以它们可 以把室内集中监控系统稍微改造就拿来使用。而且这些管道检测网络产品是根据他 们本国的国情开发的，其综合性能和设计思路并不符合我国的实际需求，如我国急 需解决井盖防盗问题、非法人员入侵的检测问题以及远距离供电等问题，他们均未 予以考虑。 现在，尽管有越来越多的国内、外相关企业在关注地下管道监控系统方面的发 展。如，意大利的尼考特拉公司作为国外企业有代表性的一家，其产品巡检一遍需 要耗时在2 个小时左右，这显然无法满足中国用户的需求。在国内，目前比较突出 的也有如西南某公司，但其产品功能单一，只能监控 “ 人井”的偷盗情况:该公司 的 人井监 控系统是 采用r s 4 8 5 总线方 式， 当 达到 传输的 最大 距离 时( 3 k m ) 的 传输 速 率只有 5 0 b p s ;由于系统是通过轮巡实现，仅仅在一路 3 2个监控点就要耗时 1 1 2 秒1 3 2 1 . 而且不管监控点是否有告警信息都将被轮巡。 显 然， 浪费了 那些有告警产生 而需及时告警的监控点的宝贵时间。 通过我们对国内、外同行企业的产品了解发现，当前存在的地下管道监控系统 主要还是采用轮巡方式。这就存在一个问题:当监控点多时，轮巡方式具有明显的 时间延迟缺点;轮巡方式要求下位机始终处于被动的地位，就难以使下位机实现休 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 1 . 1 远距离低功耗管道监控系统概述 远距离低功耗管道监控系统 ( a l o n g - d i s t a n c e p i p e l i n e s m o n i t o r i n g s y s t e m w i t h l o w p o w e r ) 就是指专门 用于电 信部门 错综复杂的地下管道网络中，监测管道环境 状况的监控系统。 系统能处理远距离 ( 大于5 k m) 下位机所采集的检测数据， 并实 时传送数据至监控中心。同时，监控中心能够根据需要对所接收的数据进行分析、 处理。另外，系统还具备声、光、电告警提示。 远距离低功耗管道监控系统主要由四部分组成，即监控中心、上位机、下位机 和传输线路部分。 1 . 2国内、外远距离管道监控系统应用及研究现状 目 前，国内大部分开发监控产品的企业，其主要还是致力于室内环境集中监控 系统的研制，而远距离低功耗的检测网络产品涉及较少。对于室内环境集中监控系 统来说，功耗、可靠性、环境要求等方面都比较低，且拓扑结构也相对简单。因此 室内监控系统容易实现，但它无法用于远距离的地下管道监控。 在一些西方发达国家，它们的地下管道监控系统建设己经相当完善。主要原因 是:发达国家的地下管道基本上是政府或企业一次性投入足额资金设计建成的，在 管道规划设计和建设中做得十分周全，充分考虑到日 后所需的供电、维护和集中监 控等问题。由于发达国家在管道设计和建设中的前期工作做的比较好，所以它们可 以把室内集中监控系统稍微改造就拿来使用。而且这些管道检测网络产品是根据他 们本国的国情开发的，其综合性能和设计思路并不符合我国的实际需求，如我国急 需解决井盖防盗问题、非法人员入侵的检测问题以及远距离供电等问题，他们均未 予以考虑。 现在，尽管有越来越多的国内、外相关企业在关注地下管道监控系统方面的发 展。如，意大利的尼考特拉公司作为国外企业有代表性的一家，其产品巡检一遍需 要耗时在2 个小时左右，这显然无法满足中国用户的需求。在国内，目前比较突出 的也有如西南某公司，但其产品功能单一，只能监控 “ 人井”的偷盗情况:该公司 的 人井监 控系统是 采用r s 4 8 5 总线方 式， 当 达到 传输的 最大 距离 时( 3 k m ) 的 传输 速 率只有 5 0 b p s ;由于系统是通过轮巡实现，仅仅在一路 3 2个监控点就要耗时 1 1 2 秒1 3 2 1 . 而且不管监控点是否有告警信息都将被轮巡。 显 然， 浪费了 那些有告警产生 而需及时告警的监控点的宝贵时间。 通过我们对国内、外同行企业的产品了解发现，当前存在的地下管道监控系统 主要还是采用轮巡方式。这就存在一个问题:当监控点多时，轮巡方式具有明显的 时间延迟缺点;轮巡方式要求下位机始终处于被动的地位，就难以使下位机实现休 华北电力大学硕十学位论文 眠工作方式来降低系统功耗。这对本身要求低功耗的地下管道监控系统来说是把问 题复杂化了。 1 . 3课题研究意义和背景 自2 0 世纪9 0 年代以来，我国电信业务进入快速发展阶段，这种高速发展促使 我国电 信网 络以 年平均超过3 3 % 的 速度迅猛发展 1 7 1 ， 网 络 规模急剧 扩大。 在现代电 信网络中，电信基础设施 ( 电信人井、管孔等)起着无可替代的作用。电信系统经 过几十年的建设和发展，已拥有一个规模庞大的地下管道基础网络系统。 基础设施的建设直接影响到整个国民经济发展。同时，它的可靠性、稳定性及 先进性如何?也不仅直接关系到社会主义现代化建设的顺利进行，而且将直接影响 到广大市民的生活质量。因此，除了加紧进行基础设施建设以外，如何保护现有基 础设施也成为一个重要课题。从一定意义上讲，保护好现有的基础设施比展开一项 新的基础设施建设更为重要。 考虑到电信地下管道中铺设的管线一般是传输语音、数据等信号，它们对于温 度、湿度、电 器保护等环境因素有较严格要求。而且电信部门的管道结构与其他部 门的管道结构也不太一样。一般来说，电信的管道口径较大，具有两通道、三通道 甚至更多通道结构，井盖也分内、外双盖。正是电信井盖的材料用量比较大。从而 导致电信井盖成为井盖偷盗者的首选目 标，井盖流失又引起内部管线遭到破损和偷 盗。另外，由于井盖流失，严重危机行人、车辆的安全。据报道，国家每年为此损 失都上亿元人民币 1 7 1 。 更严重的损失是因管线的破损和偷盗而引起的通讯中断， 甚 至导致通信系统的局部瘫痪。 随着经济发展和国家城镇化建设推进，配套的城市基础设施如电信部门等的地 下管道系统也在不断地扩大，一个日趋复杂的地下管道网络系统在形成。如果仅凭 借人力维护这个系统已 变得艰难而被动，但欲采用已存在的集中监控系统来监控又 难以实现的.为对这个日 益庞大的地下管道网络实现维护和科学化及规范化的管 理，电信网络局建设一个智能化的地下管道监控系统己势在必行。正是这种具有现 实意义和社会价值的需求，是我们对此课题开展研究的意义所在。 我们研制开发这种 “ 全新”的远距离低功耗管道监控系统。在保障管道中各种 设备运行可靠的同时， 监控系统还具有拓扑结构灵活。 可以在满足现有供电条件下， 进行远距离管道监控，而且系统具有较好的响应时间和具备双向通信的扩展功能。 1 . 4论文的主要工作 我们实验室在这个课题方面的研究己 经花费了三年多的时间。三年多来，在不 断关注近年来环境集中监控系统的应用情况和相关技术的研究进展情况同时，实验 室先后提出两套系统方案并生产了样机。尽管样机达到了我们预期的基本目 标，但 z 华北电力大学硕十学位论文 眠工作方式来降低系统功耗。这对本身要求低功耗的地下管道监控系统来说是把问 题复杂化了。 1 . 3课题研究意义和背景 自2 0 世纪9 0 年代以来，我国电信业务进入快速发展阶段，这种高速发展促使 我国电 信网 络以 年平均超过3 3 % 的 速度迅猛发展 1 7 1 ， 网 络 规模急剧 扩大。 在现代电 信网络中，电信基础设施 ( 电信人井、管孔等)起着无可替代的作用。电信系统经 过几十年的建设和发展，已拥有一个规模庞大的地下管道基础网络系统。 基础设施的建设直接影响到整个国民经济发展。同时，它的可靠性、稳定性及 先进性如何?也不仅直接关系到社会主义现代化建设的顺利进行，而且将直接影响 到广大市民的生活质量。因此，除了加紧进行基础设施建设以外，如何保护现有基 础设施也成为一个重要课题。从一定意义上讲，保护好现有的基础设施比展开一项 新的基础设施建设更为重要。 考虑到电信地下管道中铺设的管线一般是传输语音、数据等信号，它们对于温 度、湿度、电 器保护等环境因素有较严格要求。而且电信部门的管道结构与其他部 门的管道结构也不太一样。一般来说，电信的管道口径较大，具有两通道、三通道 甚至更多通道结构，井盖也分内、外双盖。正是电信井盖的材料用量比较大。从而 导致电信井盖成为井盖偷盗者的首选目 标，井盖流失又引起内部管线遭到破损和偷 盗。另外，由于井盖流失，严重危机行人、车辆的安全。据报道，国家每年为此损 失都上亿元人民币 1 7 1 。 更严重的损失是因管线的破损和偷盗而引起的通讯中断， 甚 至导致通信系统的局部瘫痪。 随着经济发展和国家城镇化建设推进，配套的城市基础设施如电信部门等的地 下管道系统也在不断地扩大，一个日趋复杂的地下管道网络系统在形成。如果仅凭 借人力维护这个系统已 变得艰难而被动，但欲采用已存在的集中监控系统来监控又 难以实现的.为对这个日 益庞大的地下管道网络实现维护和科学化及规范化的管 理，电信网络局建设一个智能化的地下管道监控系统己势在必行。正是这种具有现 实意义和社会价值的需求，是我们对此课题开展研究的意义所在。 我们研制开发这种 “ 全新”的远距离低功耗管道监控系统。在保障管道中各种 设备运行可靠的同时， 监控系统还具有拓扑结构灵活。 可以在满足现有供电条件下， 进行远距离管道监控，而且系统具有较好的响应时间和具备双向通信的扩展功能。 1 . 4论文的主要工作 我们实验室在这个课题方面的研究己 经花费了三年多的时间。三年多来，在不 断关注近年来环境集中监控系统的应用情况和相关技术的研究进展情况同时，实验 室先后提出两套系统方案并生产了样机。尽管样机达到了我们预期的基本目 标，但 z 华北电力大学硕十学位论文 眠工作方式来降低系统功耗。这对本身要求低功耗的地下管道监控系统来说是把问 题复杂化了。 1 . 3课题研究意义和背景 自2 0 世纪9 0 年代以来，我国电信业务进入快速发展阶段，这种高速发展促使 我国电 信网 络以 年平均超过3 3 % 的 速度迅猛发展 1 7 1 ， 网 络 规模急剧 扩大。 在现代电 信网络中，电信基础设施 ( 电信人井、管孔等)起着无可替代的作用。电信系统经 过几十年的建设和发展，已拥有一个规模庞大的地下管道基础网络系统。 基础设施的建设直接影响到整个国民经济发展。同时，它的可靠性、稳定性及 先进性如何?也不仅直接关系到社会主义现代化建设的顺利进行，而且将直接影响 到广大市民的生活质量。因此，除了加紧进行基础设施建设以外，如何保护现有基 础设施也成为一个重要课题。从一定意义上讲，保护好现有的基础设施比展开一项 新的基础设施建设更为重要。 考虑到电信地下管道中铺设的管线一般是传输语音、数据等信号，它们对于温 度、湿度、电 器保护等环境因素有较严格要求。而且电信部门的管道结构与其他部 门的管道结构也不太一样。一般来说，电信的管道口径较大，具有两通道、三通道 甚至更多通道结构，井盖也分内、外双盖。正是电信井盖的材料用量比较大。从而 导致电信井盖成为井盖偷盗者的首选目 标，井盖流失又引起内部管线遭到破损和偷 盗。另外，由于井盖流失，严重危机行人、车辆的安全。据报道，国家每年为此损 失都上亿元人民币 1 7 1 。 更严重的损失是因管线的破损和偷盗而引起的通讯中断， 甚 至导致通信系统的局部瘫痪。 随着经济发展和国家城镇化建设推进，配套的城市基础设施如电信部门等的地 下管道系统也在不断地扩大，一个日趋复杂的地下管道网络系统在形成。如果仅凭 借人力维护这个系统已 变得艰难而被动，但欲采用已存在的集中监控系统来监控又 难以实现的.为对这个日 益庞大的地下管道网络实现维护和科学化及规范化的管 理，电信网络局建设一个智能化的地下管道监控系统己势在必行。正是这种具有现 实意义和社会价值的需求，是我们对此课题开展研究的意义所在。 我们研制开发这种 “ 全新”的远距离低功耗管道监控系统。在保障管道中各种 设备运行可靠的同时， 监控系统还具有拓扑结构灵活。 可以在满足现有供电条件下， 进行远距离管道监控，而且系统具有较好的响应时间和具备双向通信的扩展功能。 1 . 4论文的主要工作 我们实验室在这个课题方面的研究己 经花费了三年多的时间。三年多来，在不 断关注近年来环境集中监控系统的应用情况和相关技术的研究进展情况同时，实验 室先后提出两套系统方案并生产了样机。尽管样机达到了我们预期的基本目 标，但 z 华北电力大学硕士学位论文 这二套样机在功耗等问题上还有一些可挖掘之处。为此，我们设计了第三套技术方 案.该方案在功能上基本能满足电 信企业要求的地下管道监控系统的同时，还采用 低功耗设计技术、专门定制的链路层通信协议和可变的网络拓扑结构方式。 1 .4 . 1 低功耗设计技术 通过对以前样机的测试数据总结与分析。首先，在理论上，对新方案的下位机 从静态功耗和动态功耗两方面预估分析。然后，根据检测系统实际使用环境的特殊 性，设计出了下位机和上位机的硬件电路原理图，并提出了“ 分区”供电工作方式 和降低工作电压等低功耗设计技术。最后，根据电路原理图，研制出相应的上、下 位机样机。 1 .4 .2 链路层通信协议 参考以太网的载波侦听多路访问/ 冲突检测方法 ( c s ma j c d: c a r r i e r s e n s e m u l t ip l e a c c e s s w i t h c o l l i s i o n d e t e c t i o n ) ， 提出一 种 采用 “ 侦听 一 退让” 策略的 链路 层协议， 该协议与载波侦听多路访问/ 冲突检测方法相比，具有实现简单: 在长距离 情况下，无需中继器等信号加强设备和适合低数据流量系统等特点。 在本文中，对 “ 侦听一 退让” 策略的算法进行描述。 然后，根据算法编写了相应 代码在样机系统中进行功能测试，通过分析测试数据发现，该算法能根据 “ 侦听- 退让” 策略的设计要求来实现总线的合理争抢使用。 1 .4 . 3 可变的网络拓扑结构 分析比 较常见的网络拓扑结构优、 缺点， 根据地下管道网络系统分布的特殊性， 提 出了一种 “ 星形一 总线一 总线”型的复合型网络拓扑结构。并从实践方面分析它的可行性 和合理性。 1 .4 .4 编程实现软件功能 根据系统方案要求， 设计出相应的上、 下位机软件算法，并编写代码在样机系统中 实现上、 下位机通信和其它功能测试， 根据测试， 软件基本能满足设计方案的功能要求。 华北电力大学硕士学位论文 这二套样机在功耗等问题上还有一些可挖掘之处。为此，我们设计了第三套技术方 案.该方案在功能上基本能满足电 信企业要求的地下管道监控系统的同时，还采用 低功耗设计技术、专门定制的链路层通信协议和可变的网络拓扑结构方式。 1 .4 . 1 低功耗设计技术 通过对以前样机的测试数据总结与分析。首先，在理论上，对新方案的下位机 从静态功耗和动态功耗两方面预估分析。然后，根据检测系统实际使用环境的特殊 性，设计出了下位机和上位机的硬件电路原理图，并提出了“ 分区”供电工作方式 和降低工作电压等低功耗设计技术。最后，根据电路原理图，研制出相应的上、下 位机样机。 1 .4 .2 链路层通信协议 参考以太网的载波侦听多路访问/ 冲突检测方法 ( c s ma j c d: c a r r i e r s e n s e m u l t ip l e a c c e s s w i t h c o l l i s i o n d e t e c t i o n ) ， 提出一 种 采用 “ 侦听 一 退让” 策略的 链路 层协议， 该协议与载波侦听多路访问/ 冲突检测方法相比，具有实现简单: 在长距离 情况下，无需中继器等信号加强设备和适合低数据流量系统等特点。 在本文中，对 “ 侦听一 退让” 策略的算法进行描述。 然后，根据算法编写了相应 代码在样机系统中进行功能测试，通过分析测试数据发现，该算法能根据 “ 侦听- 退让” 策略的设计要求来实现总线的合理争抢使用。 1 .4 . 3 可变的网络拓扑结构 分析比 较常见的网络拓扑结构优、 缺点， 根据地下管道网络系统分布的特殊性， 提 出了一种 “ 星形一 总线一 总线”型的复合型网络拓扑结构。并从实践方面分析它的可行性 和合理性。 1 .4 .4 编程实现软件功能 根据系统方案要求， 设计出相应的上、 下位机软件算法，并编写代码在样机系统中 实现上、 下位机通信和其它功能测试， 根据测试， 软件基本能满足设计方案的功能要求。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 系统工作原理及总体方案设计 2 . 1 远距离低功耗管道监控系统工作原理 利用现有电话网的p s t n ( p u b l i c s w i t c h e d t e l e c o m . n e t w o r k )技术，把挂接下 位机模块的若干条电话总线在交换机端通过“ 半固定连接” 技术组成一个星形网络。 当管道环境出现异常告警时，首先，将被安放在地下管道里的相关传感器采集 到;然后，传感器把采集信息，通过 “ 触键唤醒” 方式唤醒下位机的 mc u . mc u 读取数据并进行预处理分析;最后，根据下位机的预分析结果把告警信息发送给上 位机传至监控中心， 监控中心经过分析处理发出声、 光、电告警信息通知值班人员。 2 .2 系统总体方案设计原则 1 ) 、详细了解电信公司具体需求，包括系统最终要达到的技术指标。确定总体 设计方案和软件功能。采用当前流行的技术方案进行设计，实现对远程地下管道环 境的集中检测; 2 ) 、了解电信公司现有的管道和通信网状况，方案设计充分考虑利用电信公司 己有的通信网络来降低系统的成本。而现在大多数电信公司存在的监控系统一般采 用系统专线方式通信; 3 ) 、软件功能的设计要考虑到经济性、实用性、可靠性、安全性及可操作性; 4 ) 、由于现场环境复杂， 选用的硬件设备要能够抗恶劣环境 ( 电磁千扰、恶劣气 候) ; 5 ) 、 监控设备需要2 4 小时全天候运行， 要求低功耗的同时， 必须运行稳定可靠。 2 . 3 远距离低功耗管道监控系统网络结构图 由图2 - 1 可以看出，整个系统由现场级、中层级和高层级三层所构成，该图是 基于p s t n网络的系统总体网络结构图。 2 .4 远距离低功耗管道监控系统的组成 从图2 - 1 所示可以看出， 一个完整的远距离低功耗管道监控系统由四部分组成: 监控中心、上位机、下位机和传输线路部分。 2 . 4 . 1 监控中心部分 监控中心主要包括服务器和收发台、告警台及报表台三个监控终端。 各监控终端组成一个以太网 ( 如图2 - 2 所示) 。 服务器实现数据备份等功能 服务器与 ;收发台 实现与上位机通信，接收、转发数据功能;报表台实现数据分析处理和报表打印功 能; 告瞥台显示各下位机实时的数据和告警信息等。 监控终端可采用普通p e n t i u m p c 竺些皇垄查堂堡主堂堡望苎 第二章系统工作原理及总体方案设计 2 1 远距离低功耗管道监控系统工作原理 利用现有电话网的p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e c o m n e t w o r k ) 技术，把挂接下 位机模块的若干条电话总线在交换机端通过“半固定连接”技术组成个星形网络。 当管道环境出现异常告警时，首先，将被安放在地下管道罩的相关传感器采集 到：然后，传感器把采集信息，通过“触键唤醒”方式唤醒下位机的m c u ，m c u 读取数据并进行预处理分析；最后，根据下位机的预分析结果把告警信息发送给上 位机传至监控中心，监控中心经过分析处理发出声、光、电告警信息通知值班人员。 2 2 系统总体方案设计原则 1 ) 、详细了解电信公司具体需求，包括系统最终要达到的技术指标。确定总体 设计方案和软件功能。采用当前流行的技术方案进行设计，实现对远程地下管道环 境的集中检测； 2 ) 、了解电信公司现有的管道和通信网状况，方案设计充分考虑利用电信公司 已有的通信网络来降低系统的成本。而现在大多数电信公司存在的监控系统一般采 用系统专线方式通信； 3 ) 、软件功能的设计要考虑到经济性、实用性、可靠性、安全性及可操作性： 4 ) 、由于现场环境复杂，选用的硬件设备要能够抗恶劣环境( 电磁干扰、恶劣气 候) ； 5 ) 、监控设备需要2 4 小时全天候运行，要求低功耗的同时，必须运行稳定可靠。 2 3 远距离低功耗管道监控系统网络结构图 出图2 - 1 可以看出，整个系统由现场级、中层级和高层级三层所构成，浚图是 基于p s t n 网络的系统总体网络结构图。 2 4 远距离低功耗管道监控系统的组成 从图2 - 1 所示可以看出，一个完整的远距离低功耗管道监控系统由四部分组成： 监控中心、上位机、下位机和传输线路部分。 2 4 1 监控中心部分 监控中心主要包括服务器和收发台、告警台及报表台三个监控终端。服务器与 各监控终端组成一个以太网( 如图2 - 2 所示) 。服务器实现数据备份等功能；收发台 实现与上位机通信，接收、转发数据功能；报表台实现数据分析处理和报表打印功 能；告警台显示各下位机实时的数据和告警信息等。监控终端可采用普通p e n t i u m p c 4 华北电力火学硕士学位论文 机来代替。另可视实际情况，把三台监控终端合而为一。 圈2 - 1 管道监控系统组网图 昔学旮 报丧台 斟2 ，2 收发售 监控中心构成图 5 舟器 华北电力大学硕士学位论文 2 . 4 . 2 上位机部分 上位机部分如图2 - 3 所示，有收发模块、电源模块、处理模块和调制解调模块 组成。 当上位机接收到来自 下位机的数据信息后， 处理模块( mc u : mi c r o - c o n t r o l l e r u n i t )分析接收的数据是否为合理数据 ( 所谓合理数据就是该数据包含的地址信息 是本总线上某一下位机地址) 。如果不是合理数据则丢弃，否则，对合理数据处理 后发送给调制解调模块，再由调制解调模块通过拨号把数据发送到监控中心。 上位机是放置在各支局机房内，它的供电可以 直接从机房的开关电源上获得。 显然，上位机部分的供电不如下位机那样要求严格。因此，从硬件成本和开发周期 上考虑，采用了一些功耗要求比较低且常用的器件。 电 话线t o下位机 一.川-.-.-.: 收发植块 开关电源 ( 4 8 v ) dc- dc 变抓祖块 md de m 模块 mc盯祖块 据集块 擞采妞 上位机 图 2 - 3 .1-.1在-1-:t!. 电 话线 上位机的组成框图 t o监控中心 2 .4 . 3 下位机部分 下位机部分如图2 - 4 所示，有收发模块、电源模块、处理模块和数据采集模块 组成.其中，收发模块和处理模块是采用分区供电方式。当下位机的 mc u被数据 采集模块触键唤醒后，处理模块先接收采集模块的采集数据。然后，对采集数据做 预处理分析，分析数据是否有必要发送给收发模块，如果需要发送，则开启收发模 块进行数据发送。 2 .4 . 4 通信线路部分 通信线路部分是采用 1 2 0 欧姆的普通电话双绞线和交换机端的 “ 半固定连接” 技术来实现。 华北电力大学硕士学位论文 2 . 4 . 2 上位机部分 上位机部分如图2 - 3 所示，有收发模块、电源模块、处理模块和调制解调模块 组成。 当上位机接收到来自 下位机的数据信息后， 处理模块( mc u : mi c r o - c o n t r o l l e r u n i t )分析接收的数据是否为合理数据 ( 所谓合理数据就是该数据包含的地址信息 是本总线上某一下位机地址) 。如果不是合理数据则丢弃，否则，对合理数据处理 后发送给调制解调模块，再由调制解调模块通过拨号把数据发送到监控中心。 上位机是放置在各支局机房内，它的供电可以 直接从机房的开关电源上获得。 显然，上位机部分的供电不如下位机那样要求严格。因此，从硬件成本和开发周期 上考虑，采用了一些功耗要求比较低且常用的器件。 电 话线t o下位机 一.川-.-.-.: 收发植块 开关电源 ( 4 8 v ) dc- dc 变抓祖块 md de m 模块 mc盯祖块 据集块 擞采妞 上位机 图 2 - 3 .1-.1在-1-:t!. 电 话线 上位机的组成框图 t o监控中心 2 .4 . 3 下位机部分 下位机部分如图2 - 4 所示，有收发模块、电源模块、处理模块和数据采集模块 组成.其中，收发模块和处理模块是采用分区供电方式。当下位机的 mc u被数据 采集模块触键唤醒后，处理模块先接收采集模块的采集数据。然后，对采集数据做 预处理分析，分析数据是否有必要发送给收发模块，如果需要发送，则开启收发模 块进行数据发送。 2 .4 . 4 通信线路部分 通信线路部分是采用 1 2 0 欧姆的普通电话双绞线和交换机端的 “ 半固定连接” 技术来实现。 华北电力大学硕士学位论文 .洲 卜们川门 千电油 dc- dc (l )d c -d c( 2 ) 接收 郁分 致据 采纽 郁分 c ! : n o部分 .u11 断 忑 霜 下位机 1!.-.，! 图2 - 4下位机的组成框图 7 华北电力大学硕十学位论文 第三章硬件电路设计 在本章中，主要介绍下位机和上位机的硬件电路设计。上位机是用于接收、转 发各下位机发送的数据，由 于它放置在具备开关电 源的交换机房内，在电源供电问 题上，上位机很容易解决。下位机是安装在地下管道进行现场数据采集与发送。由 于地下管道里没有任何电源，下位机的供电是一个必须解决的难题。因此，在本章 中侧重讨论如何解决下位机的低功耗，并设计出上位机和下位机的硬件电路。 随着人类对自 然与社会认识的深入， 系统低功耗设计问题也越来越引起重视和关 注。特别是，在单片机系统应用中。 这主要有以下几个方面因素: 单片机系统低功耗设计符合现代节约能源潮流的要求; 单片机系统低功耗设计延长了产品的可持续使用时间，方便用户，提高了 产品的市场竞争力: 单片机系统低功耗设计一般可大大提高产品的使用寿命，降低维护费用; 单片机系统低功耗设计可以延长电池的使用寿命， 大大减少废旧电池对生 态环境的污染，有利于保护自 然生态环境。2 3 1 因此，单片机系统的低功耗设计可以创造很高的社会效益和经济效益。而在本 课题中，设计低功耗的下位机系统不仅可以获得良好的社会和经济效益，而且还可 以通过采用低功耗的设计方法来降低系统对供电问题的难度。本章主要从器件选 择、电源分析和系统低功耗运行设计三方面来探讨和解决下位机低功耗，从而解决 系统的远距离供电问题。 3 . 1 器件的选择 准备设计一个低功耗系统时，首先应该考虑的是，如何选择低功耗的器件来构 成系统。因此，我们需要分析低功耗器件的功耗来源及其功耗组成。然后，根据分 析结果，来选择合适器件。 3 . 1 . 1器件功耗的来源与组成分析 我们知道， c m o s ( 互补金属氧化物半导体) 数字电 路的固 有特点就是功耗低。 因 此，由c mo s电路构成的芯片也格外受低功耗单片机系统设计者的青睐。 c mo s电 路的 功耗p 9 是由 静 态 功 耗p 和 动 态 功 耗p v , 组 成。 静 态 功 耗是 指电 路 不工作 或处 在 静 态时的 功 耗 12 4 1 ， 对于c m o s电 路 来 说， 静 态 功 耗 主 要由 漏电 流i : 功耗组 成， 漏 电流主要由制造的工艺水平决定， 分两部分: 一部分是c mo s晶体管中源漏扩散区 和体区间形成的 p n结的反向偏置电流:另一部分是次开启电压下存在的反型电荷 形成的次开启电流。动态功耗是指电路工作时的功耗，主要包括翻转功耗和内部功 耗。翻转功耗指对负载电容充放电产生的功耗，因输出翻转导致负载电容充放电。 华北电力大学硕十学位论文 第三章硬件电路设计 在本章中，主要介绍下位机和上位机的硬件电路设计。上位机是用于接收、转 发各下位机发送的数据，由 于它放置在具备开关电 源的交换机房内，在电源供电问 题上，上位机很容易解决。下位机是安装在地下管道进行现场数据采集与发送。由 于地下管道里没有任何电源，下位机的供电是一个必须解决的难题。因此，在本章 中侧重讨论如何解决下位机的低功耗，并设计出上位机和下位机的硬件电路。 随着人类对自 然与社会认识的深入， 系统低功耗设计问题也越来越引起重视和关 注。特别是，在单片机系统应用中。 这主要有以下几个方面因素: 单片机系统低功耗设计符合现代节约能源潮流的要求; 单片机系统低功耗设计延长了产品的可持续使用时间，方便用户，提高了 产品的市场竞争力: 单片机系统低功耗设计一般可大大提高产品的使用寿命，降低维护费用; 单片机系统低功耗设计可以延长电池的使用寿命， 大大减少废旧电池对生 态环境的污染，有利于保护自 然生态环境。2 3 1 因此，单片机系统的低功耗设计可以创造很高的社会效益和经济效益。而在本 课题中，设计低功耗的下位机系统不仅可以获得良好的社会和经济效益，而且还可 以通过采用低功耗的设计方法来降低系统对供电问题的难度。本章主要从器件选 择、电源分析和系统低功耗运行设计三方面来探讨和解决下位机低功耗，从而解决 系统的远距离供电问题。 3 . 1 器件的选择 准备设计一个低功耗系统时，首先应该考虑的是，如何选择低功耗的器件来构 成系统。因此，我们需要分析低功耗器件的功耗来源及其功耗组成。然后，根据分 析结果，来选择合适器件。 3 . 1 . 1器件功耗的来源与组成分析 我们知道， c m o s ( 互补金属氧化物半导体) 数字电 路的固 有特点就是功耗低。 因 此，由c mo s电路构成的芯片也格外受低功耗单片机系统设计者的青睐。 c mo s电 路的 功耗p 9 是由 静 态 功 耗p 和 动 态 功 耗p v , 组 成。 静 态 功 耗是 指电 路 不工作 或处 在 静 态时的 功 耗 12 4 1 ， 对于c m o s电 路 来 说， 静 态 功 耗 主 要由 漏电 流i : 功耗组 成， 漏 电流主要由制造的工艺水平决定， 分两部分: 一部分是c mo s晶体管中源漏扩散区 和体区间形成的 p n结的反向偏置电流:另一部分是次开启电压下存在的反型电荷 形成的次开启电流。动态功耗是指电路工作时的功耗，主要包括翻转功耗和内部功 耗。翻转功耗指对负载电容充放电产生的功耗，因输出翻转导致负载电容充放电。 华北电力大学硕十学位论文 因此，翻转功耗除了 与电源电压有关外，还与负载电容和翻转的频率有关。内部功 耗是指在器件内部产生的功耗，如在翻转时， 对内部电容的充放电;内部功耗还包 括p 管和n管之间的瞬时短路电 流。 具体可通过图3 - 1 的一个c m o s 反向器模型例 子来说明c mo s的功耗组成。 v i m i l: 认心a q e c u a e n t i s c s h o r t. c i ro u i t c u 月 。 址 图3 - 1 c m o s 反向器功耗组成 山图3 - 1 可知，当输入信号从低电 平 ( 0 ) 变到高电 平 ( 1 )时， n管打开p 管 闭合，在一个很短的时间内，p 管和n管可能同时