（通信与信息系统专业论文）基于gsm通信的自动售货机无线监控系统的设计及实现.pdf

浙江工业大学硕士研究生论文 基于g s m 通信的自动售货机 无线监控系统的设计及实现 摘要 自动售货机的出现和广泛使用，方便了人们的购物，为商家 创造了商机。但货机多故障、易缺货和过于分散等缺点，又给货 机的运营商带来管理上的困难。g s m 无线通信技术的成熟，为解 决这一难题提供了契机。 本文提出了一种基于g s m 通信的自动售货机无线监控系统， 在分析相关技术的基础上，给出了系统的总体设计方案，设计了 系统的硬件和软件，并对其进行了性能测试。 本文首先详细分析了g s m 网络体系结构、s m s 技术原理和蚁 群算法。系统以g s m 网络作为远程信号的传输平台。通过短消息 方式传输数据。蚁群算法在最优配送路径选择中的应用，缩短了 最优配送路径的选择时间，提高了工作效率。 其次，本文在分析自动售货机行业需求的基础上，提出系统 的整体设计方案。系统硬件的核心部件采用t c 3 5 ig s m 通信模块 和l p c 2 1 1 9a r m 芯片，货机终端和监控中心p c 机通过串口控制 通信模块进行数据的收发。系统软件部分采用s o l 作为后台数据 库设计工具，监控中心实时监控系统在v i s u a lb a s i c6 0 环境下设 浙江工业大学硕士研究生论文 计完成，货机短消息收发系统在k e i lu v i s i o n3 0 开发环境下通过 a r m 处理器用标准c 语言实现。 最后，本文对系统的短消息收发和最优路径选择两大功能进 行了测试，结合实际分析可知本系统已基本满足自动售货机行业 的实际需要，具有构建成本低、适用范围广、响应速度快、操作 简便等特点。 关键词：自动售货机，g s m ，s m s ，蚁群算法 浙江工业大学硕士研究生论文 d e s i g na n di m p l e m e n to f v e n d i n gm a c h i n ew i r e l e s sm o n i t o r i n g s y s t e mb a s e d0 ng s mc o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t t h ea p p e a r a n c ea n dw i d eu s eo fv e n d i n gm a c h i n e sm a k e s c o n v e n i e n c ef o rp e o p l e ss h o p p i n ga n dg o o dc h a n c ef o rt h em e r c h a n t s b u tt h em a c h i n e sa r e a l w a y s i n m a l f u n c t i o n ，o u to fs t o c k ，a n d d i s p e r s i n g ，w h i c hg i v et h em e r c h a n t sd i f f i c u l t i e si nm a n a g e m e n t t h e s u c c e s s f u lu s eo fg s mn e t w o r ki no t h e rf i e l d sa l s o g i v e sag o o d c h a n c et os o l v et h e s ep r o b l e m s t h i sp a p e ri n t r o d u c e sav e n d i n gm a c h i n ew i r e l e s sm o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do ng s mc o m m u n i c a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h e r e l a t e d t e c h n i q u e s ，t h i sw o r kg i v e st h ed e s i g no ft h es y s t e mt h eh a r d w a r ea n d t h es o f t w a r e t h e ni t sp e r f o r m a n c ei st e s t e d t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r eo fg s mn e t w o r ks y s t e m ，t h e b a s i cp r i n c i p l eo fs m sa n dp r e s e n t sa na n tc o l o n ya l g o r i t h mi nd e t a i l a tf i r s t b a s e do nt h eg s mn e t w o r kt r a n s m i s s i o np l a t f o r m ，t h es y s t e m t r a n s m i t sd a t at h r o u g hs m s t h eu s eo fa n tc o l o n ya l g o r i t h mi n c h o o s i n g b e s t a l l o t t i n gp a t h s h o r t e n st h et i m e o f a l l o t t i n g a n d i m p r o v e st h ee f f i c i e n c y t h e nb a s e do nt h e r e q u i r e m e n ta n a l y s i s o f o p e r a t i o n a n d i i i 浙江工业大学硕士研究生论文 m a n a g e m e n to nv e n d i n gm a c h i n ei n d u s t r y , t h i sp a p e rp r e s e n t s t h e w h o l ed e s i g no ft h es y s t e m t h ec o r ep a r to ft h eh a r d w a r ei n c l u d e s t c 3 5 ig s mc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dl p c 2 1 1 9a r mc h i p t h e t e r m i n a la n dt h ec o m p u t e ro fs u p e r v i s o r ym o n i t o r i n gc e n t r ee x c h a n g e d a t ae a c ho t h e rt h r o u g hs e r i a lp o r t sb yc o n t r o l l i n gt h ec o m m u n i c a t i o n m o d u l e t h es o f t w a r ep a r tu s e ss q la st h eb a c k g r o u n dd a t a b a s e t h e s u p e r v i s o r ym o n i t o r i n gc e n t r ei sd e s i g n e db a s e do nt h ep l a t f o r mo f v i s u a lb a s i c 6 0d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h es h o r tm e s s a g es e r v i c e ( s m s ) s y s t e m i sd e s i g n e do nt h ep l a t f o r mo fk e i lu v i s i o n 3 0 ，a n dt h e p r o g r a mi si m p l e m e n t e dw r i t t e nb ys t a n d a r dco na r mp r o c e s s o r l p c 2 1 1 9 a tt h el a s tp a r t ，t h eo p e r a t i o no fs m sa n dt h eo p t i m a la l l o t t i n g p a t hi st e s t e da n ds i m u l a t e d t h es t u d ys h o w st h a t t h i ss y s t e mc a n m e e tt h ep r a c t i c a lb a s i cn e e d so ft h ev e n d i n gm a c h i n ea n dh a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha sl o wc o s t ，f a s tr e s p o n s ea n de a s yo p e r a t i o ne t c k e y w o r d s ：v e n d i n gm a c h i n e ，g s m ，$ m s ，a n tc o l o n ya l g o r i t h m 浙江工业大学硕士研究生论文 a u c ： b s c ： b s s ： b t s ： c d m a ： d c e ： d t e ： g p r s ： g s m ： h l r ： i m s i ： n u m b e r ) m s ： m s c ： n s s ： o s s ： p d u ： p l m n ： s m e ： s m s ： s m s c ： t d m a ： t m s i ： v l r ： 符号说明 鉴权中心( a u t h e n t i c a t i o nc e n t e r ) 基站控制器( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) 基站子系统( b a s es t a t i o ns y s t e m ) 基站收发信台( b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ) 码分多址技术( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 数据通信设备( d a t ac o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ) 数据终端设备( d a t at e r m i n a le q u i p m e n t ) 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 s ) 全球移动通信系统( 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 ) 归属位置寄存器( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ) 国际移动用户号( i n t e r n a t i o n a lm o b i l es u b s c r i b e ri d e n t i f i c a t i o n 移动终端( m o b i l es t a t i o n ) 移动交换中心( m o b i l e - s e r v i c e ss w i t c h i n gc e n t e r ) 网络交换子系统( n e t w o r ks w i t c hs y s t e m ) 网络运行维护中心( o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ec e n t e r ) 协议数据单元( p r o t o c o ld a t au n i t ) 公用陆地移动网( p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k ) 短消息实体( s h o r tm e s s a g i n ge n t i t y ) 短消息服务( s h o r tm e s s a g es e r v e ) 短消息服务中心( s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t e r ) 时分多址技术( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 临时移动台标识符( t e m p o r a r ym o b i l es t a t i o ni d e n t i f i c a t i o n ) 访问位置寄存器( v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ) 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者躲赵彬 吼叫年月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密哦 ， ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：庞奶 聊摊：后鹏 | ” 日期吁词年 日期：跏叼年 6 月多日 b 月；日 浙江工业大学硕士研究生论文 第一章绪论 1 1 研究背景 近几年，自动售货机在我国的大中城市发展势头非常迅猛，在车站、码 头、酒店宾馆、大学的校园、繁华的街道、高档写字楼等地方随处可见自动 售货机的身影。据统计，早在2 0 0 0 年仅广州市区就摆放了各种品牌的自动 售货机1 5 0 0 台，而这个数量还不足以满足地铁和公交车站的摆放。据预测， 2 0 0 4 2 0 0 6 年为我国自动售货机快速增长期，2 0 0 6 2 0 0 8 年为成熟期，年产值 将达到6 0 0 亿元i ”。自动售货机不但给人们的生活带来了极大的方便，而且 也成为现代化城市的一道亮丽的风景。 1 1 1 自动售货机的起源及发展历程 自动售货机最早出现在2 0 世纪6 0 年代的欧美，当时在美国的地铁系统 中，人们可以用1 美分在自动售货机上买到一块口香糖【射，这便是最早的自动 售货机。这种全新的零售方式很受欢迎，迅速地在美、日等发达国家得到普 及和发展。 自动售货机的发展是围绕着其核心技术“货币识别技术”的演进而展开 的【3 1 ，其发展历程如图1 - 1 所示。 原始自动售货机 对硬币的物理 识别技术 近代自动售货机 对纸币的化学 识别技术 现代自动售货机 对电子货币的 电子识别技术 全自动商店 多种现代电子 识别技术的复合 图1 - 1自动售货机的发展历程 原始自动售货机：依靠物理手段进行硬币的识别，以硬币驱动( c o i n d r i v e n ) 的最简单的自动售货装置； 近代自动售货机：能够识别纸币自动售货装置； 现代自动售货机：综合应用了控制论、系统论和信息论等现代科学 理论的最新成果，是集精密机械制造技术、电子技术、传感技术、 浙江工业大学硕士研究生论文 计算机技术、通讯技术、网络技术于一体的高科技产品。它在保留 对硬币和纸币的识别功能的基础上，实现了对各种形式电子货币的 识别，并逐步过渡到利用信用卡和无线移动工具进行结算，使自助 结算手段更加简捷； 全自动商店：在美国等发达国家，自动商店( s m a r t st o r e ) 正在兴 起。所谓自动商店其实就是一个超级规模的“自动售货机”。在这台 “超级自动售货机”内，顾客可以在完全自助的方式下，实现商品 信息的查询、挑选、获取和货币支付。 1 1 2 国内外研究现状及发展趋势 自动售货机在西方发达国家以及日本、韩国等已发展成为一个相对成熟 的零售业，而中国尚处于导入期。我国自1 9 9 2 年从日本、韩国引进自动售 货机并投放市场以来至今已有1 0 余年了，但发展缓慢。到目前为止，仅有 1 0 多家研发、制造和运营企业，而且各企业发展极不平衡，其中天津戈德 集团约占中国自动售货机市场的8 0 ，其它企业处于零敲碎打状态【2 1 。从技 术含量和性能方面来看，我国也和国外有较大的差距。 随着技术的不断发展和进步，自动售货机的科技含量将越来越高。为了 达到人性化的效果，语音合成技术在自动售货机中将有广泛的应用1 4 。据报 道，我国研制出了销售液体软包装商品的双螺旋体出货结构【”。荷兰近年来 出现了一种能防止不满1 6 岁的未成年人购买香烟的自动售货机，在购买前， 首先通过一个“年龄卡”验证顾客的年龄，如果不满1 6 周岁，则机器被锁 定，而只有年龄大于1 6 周岁，才能通过现金或信用卡购买香烟 6 1 。据统计， 日本自动售货机消耗的总电力是两个核反应堆总能量之和，s a k a i 等针对这 一问题，研究了基于模糊逻辑的自动售货机预测系统，根据预测结果，仅仅 冷却所需的罐装饮料，采用这种方法可使能耗降低到原先的1 1 0 17 1 。总而言 之，现代科学技术的最新成果，将会在自动售货机中得到普遍应用，未来自 动售货机将成为具有人性化的高科技智能化产品，除了具有售货功能外，随 着多媒体技术的发展，布放在城市各处的自动售货机还将是理想的广告载 体，在广告业务中发挥重要作用。 基于手机短消息的移动销售具有诱人的发展前景【引，国内外目前正在进 行这方面的试验研究。采用嵌入式i n t e r n e t 技术可对自动售货机实现有效的 管理和控制1 9 1 ，国内外很多自动售货机研制企业也已经着手这方面的研究。 2 。 浙江工业大学硕士研究生论文 1 2 研究目的和现实意义 作为现代精密技术的结合体，自动售货机有其自身特点：分散性( 分布 在城市各处) 、工作过程比较复杂( 如货币识别、结算、找零、退币等操作) 、 故而极易发生各种故障而停售。如果这些故障不能被及时发现并排除，将会 严重影响营销额，有些故障如果不能及时消除，甚至会对系统造成破坏。另 外，对售货机中的货物( 如香烟、罐装饮料等) 、零币储存等进行动态监视， 在此基础上，确定最优的货物配送方案和配送车辆的最优行走路线，可最大 限度的减少停销时间，增加营销利润。因此，本课题的现实意义在于：根据 市场变化、商品的变化以及季节的变化，利用g s m 无线网络，在髓测中心 对自动售货机的货物售价、工作模式和参数进行远程设定和控制可大大提高 工作效率。监测中心根据采集到的营销动态，对那些长期处于闲置状态的机 器，发送控制命令，使其进入休眠，可节省大量的电力消耗。 近两三年来，基于g s m 的无线监测系统在电力远程抄表【1 0 l 、配水监控 【1 ”、环境监测 1 2 1 、排水泵远程监控【1 3 1 、配电监测f 1 舢、航标监控【1 5 】等方面获 得广泛的成功应用。本系统在借鉴这些应用案例的基础上，设计了基于g s m 通信网络的自动售货机无线监控系统，目的是为自动售货机运营商提供了一 种集约化、自动化的经营管理方式，降低管理经营成本，堵塞销售漏洞，给 自动售货机管理模式带来历史性的变革。 1 3研究内容及论文章节安排 1 3 1 研究内容 本课题结合当前自动售货机管理模式上的不足，提出了一种基于g s m 通信的无线监控系统，具有十分重要的现实意义。课题的研究主要内容有以 下几个方面： 1 g s m 网络和s m s 通信原理的研究； 2 自动售货机信息编码规则的研究和制定； 3 蚁群算法的研究和应用； 4 自动售货机故障检测及分析； 5 g s m 通信模块外围电路的设计； 6 货机终端通信接口的设计； 7 系统实时监控软件的开发。 3 浙江工业大学硕士研究生论文 1 3 2 章节安排 本文共分为七章，各章节内容安排如下： 第一章介绍了自动售货机的产生和发展历程，分析了当前国内外自动售 货机行业技术的研究状况，指出了本课题的研究目的和现实意义； 第二章研究了g s m 网络的体系结构、s m s 技术原理和蚁群算法，奠定 全文的理论基础： 第三章对自动售货机行业进行需求分析，提出了系统的整体设计方案； 第四章介绍了系统采用的主要芯片，给出了g s m 通信模块外围电路的 设计和货机终端通信接口的设计。分析了货机故障的检测原理，为软件系统 的设计打下基础； 第五章设计并实现了软件系统，分为监控中心实时监控部分和货机终端 通信部分，重点在于实时监控系统数据库的开发和各功能模块的实现； 第六章对无线监控系统进行功能测试，依据测试所得数据分析系统性 能； 第七章：总结和展望。 。4 。 浙江工业大学硕士研究生论文 第二章相关技术及原理 2 1g s m 移动通信技术 2 1 1g s m 简介 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 ) 是由欧洲主要电信运营 者和制造厂家组成的标准化委员会设计，在蜂窝系统的基础上发展而成的第 二代移动通信的核心技术。目前，2 1 3 个国家和地区的6 9 0 家移动通信网络 运营商使用的是g s m 技术，g s m 用户占全球移动电话用户总数的7 9 ， 全球g s m 网手机用户目前已超过2 0 亿，g s m 通信系统成为目前覆盖最广、 应用最多的移动通信系统1 1 6 1 。近几年来，g s m 事业在中国发展迅速，已成 为用户人数最多的国家。 g s m 属于窄带数字系统，g s m 网提供和固定电话网相兼容的业务，包 括语音、短消息、传真和数据等。它的接入技术主要有时分多址技术t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 和窄带码分多址技术c d m a ( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 两种，它可以提供9 6 2 8 8 k b i t s 的传输速率。目前采用 t d m a 体制的主要有三种，即欧洲的g s m 、美国的d a m p s 和日本的p d c ； 采用c d m a 技术体制的主要为美国的c d m a ( i s 9 5 ) 1 1 7 l 。 g s m 标准的开发始于1 9 8 5 年，由欧洲邮电委员会的移动通信特别小组 于1 9 8 8 年完成技术标准的制订，1 9 9 0 年开始投入商用【1 8 】。如今g s m 已经 发展成为全球最重要的第二代移动通信标准之一。 与第一代模拟蜂窝移动通信相比，第二代移动通信系统具有保密性强、 频谱利用率高、提供业务丰富、标准化程度高等特点，第二代技术支持短消 息服务( s m s ) 。但无论是第一代还是第二代，都属于电路交换，主要针对 话音通信设计。话音服务仍是当前和未来一段时间内移动通信市场的主要服 务内容，仍是通信市场的重点和支柱。 2 1 2g s m 系统的组成 g s m 数字蜂窝通信系统从结构上看主要包括四个主体：网络交换子系 统( n s s ) 、基站子系统( b s s ) 、操作维护子系统( o s s ) 和移动站( m s ) 5 浙江工业大学硕士研究生论文 b 9 ，如图2 - 1 所示： 图2 1g s m 网络的体系结构 1 n s s ( n e t w o r ks w i t c hs y s t e m ，网络交换子系统) 网络交换子系统主要实现g s m 的交换功能和用于用户数据与移动性管 理、安全性管理所需要的数据库功能，它对g s m 移动用户之间的通信和g s m 移动用户与其它通信网络用户之间的通信起着管理作用。网络交换子系统分 为四个功能单元：m s c 、v l r 、h l r 、a u c 。 m s c ( m o b i l e s e r v i c e ss w i t c h i n gc e n t e r ，移动交换中心) ：完成系统 的电话交换功能。负责建立呼叫、路由选择、控制和终止呼叫，负 责管理交换区内部的切换和补充业务并负责收集计费和账单信息， 用于协调与固定公共交换电话网之间的业务，完成公共信令和网络 的接口。它能够提供与其它非话业务之间正确互联所需要的功能， 例如：公共分组交换业务； v l r ( v i s i t o r l o c a t i o nr e g i s t e r ，访问位置寄存器) ：是m s c 为所管 辖区域中m s 的呼叫接续所需检索信息的数据库。v l r 存储与呼叫 处理有关的一些数据，例如：用户的号码、所处位置区的识别、向 用户提供的服务等参数； h l r ( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ，归属位置寄存器) ：是管理部门用于 移动用户管理的数据库。每个移动用户都应在其归属位置寄存器注 册登记。h l r 主要存储两类信息：一是有关用户的参数，二是有关 用户目前所处位置的信息； a u c ( a u t h e n t i c a t i o nc e n t e r ，鉴权中心) ：认证移动用户的身份和产 6 。 彗岍lll|； 自l ! 白i l 浙江工业大学硕士研究生论文 生相应鉴权参数( 随机数r a n d ，符号响应s r e s ，密钥k c ) 的功 能实体。 2 b s s ( b a s es t a t i o ns y s t e m ，基站子系统) 基站子系统是在一定的无线覆盖区中由m s c 控制，与m s 进行通信的 系统设备，主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。基站子系统 分为两个功能单元：b s c 和b t s 。通常，交换系统中一个m s c 监控一个或 多个b s c ，每个b s c 控制多个b t s 。 b s c ( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ，基站控制器) ：是一个高容量交换机， 具有对一个或多个b t s 进行控制以及相应呼叫控制的功能，并负责 系统与无线有关的功能，例如：切换、无线网络资源管理和蜂窝数 据等； b t s ( b a s e t r a n s c e i v e r s t a t i o n ，基站收发信台) ；完全由b s c 控制， 为一个小区服务的无线收发设备。 在每次通话的过程中，基站接收机能够监测到各基站的信号强度并送给 基站控制器，使控制器决定什么时亥l 进行切换，切换到哪个基站小区。基站 控制器也具有对m s 的功率控制功能，降低m s 的发射功率电平，可延长 m s 的工作时间，减少了对其他用户之间的邻道干扰。 3 o s s ( o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ec e n t e r ，网络运行维护中心) 操作维护子系统主要是对整个g s m 网络进行管理和监控，它的任务主 要集中在以下三个方面： 网络运行和维护； 注册管理和计费； 移动设备管理。 4 m s ( m o b i l es t a t i o n ，移动终端) m s 即网络用户，通过u m 无线接口与网络基站通信。每个m s 有一个 身份号：m s 设备本身由一个独特的国际移动设备身份号( i m e l ) 来区别， 当m s 被一个用户使用时，它还有一个国际移动用户身份号( i m s i ) 。国际 移动用户身份号可做到一个用户身份模块( s i m ) 中，这样移动用户可以插 入其身份模块并使用符合系统规范的卡来驱动m s 。移动终端包括m t 和 s i m 。 m t ( m o b i l et e l e p h o n e ，移动终端) ：也就是“手机”，它可完成话 音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接 收； 7 浙江工业大学硕士研究生论文 s i m ( s u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e ，用户识别卡) 卡：具有一个微型 电路芯片，用于存储认证用户身份所需的所有信息，并能执行一些 与安全保密有关的重要信息，以防止非法用户进入网络。s i m 卡还 存储与网络和用户有关的管理数据，移动终端只有插入s i m 卡后才 能接入移动通信网络。目前移动运营商提供的s i m 卡存储容量一般 为1 6 k 或3 2 k 。 5 各部分之间的接口标准 a 接口规定在b s s 和n s s 之间采用c c i t t n o 7 信令传送和转接各种信 息的标准。“空中”接口u m 用来定义移动用户和基站之间的信令，数据通 道上的信息传递。n o 7 信令中的移动通信应用部分( m a p ：m o b i l e a p p l i c a t i o n p a r t ) 定义v l r 、m s c 和h l r 之间的信息转换。电信管理网与b s c 、v l r 和h l r 之间的信息交换是通过x 2 5 分组网进行的。 2 2s m s 业务 2 2 1s m s 简介 g s m 中唯一不要求建立端到端路径的业务就是短消息业务，即使m s 已处于完全电路通信情况下仍可进行短消息传输。 短消息通信仅限于一个消息，换言之，一个消息的传输就构成了一次通 信。因此，业务是非对称的，一般认为移动起始短消息传输与移动终接短报 文传输是两回事。这并不阻碍实时对话，但系统认为不同的消息彼此独立， 消息的传输总是由处于g s m 外部的短消息服务中心s m s c 进行中继。消息 有目的地或起源地，但只与用户和s m s c 有关，而与其它g s m 基础设施无 关。 短消息服务中心s m s c 本身是运行在服务器上的一个应用程序，其实质 是一个数据库应用程序，它的核心进程担负着通过7 号信令与移动交换机连 接并发送、接收短消息底层编码的任务。它收到一条数据以后将其放入数据 库中，同时另一个进程则试图将这条数据放入发送队列发送。如果成功，该 信息将被删除，但统计信息仍将会被保存在s m s c 中；如果失败，则s m s c 将会根据设置的时间间隔重发。这就是s m s c 的存储转发机制。 2 2 2s m s 体系结构 g s m 标准中定义的点到点短消息服务使得短消息能在m s 和短消息服 8 浙江工业大学硕士研究生论文 务中心之间传递。这些服务中心是通过称为s m s g m s c 的特定m s c 同g s m 网络联系的【2 0 1 。涉及s m s 管理的协议如图2 2 所示。 v l r 自m s 图2 2s m s 体系结构 s m e ( s h o r tm e s s a g i n ge n t i t y ，短消息实体) ：负责接收或改善短消 息，位于固定电话系统、移动基站或其它服务中心内： s m s c ( s h o r t m e s s a g es e r v i c ec e n t e r ，短消息服务中心) ：负责在基 站和s m e 间中继、储存或转发短消息；移动站( m e ) 到s m s c 的 协议能传输来自m s 或朝向m s 的短消息，协议名为s m t p ( s h o r t m e s s a g et r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) ： s m c g w m s 或s m c g m s c ( s m s g a t e w a ym s c ，s m s 网关) ：接收 由s m s c 发送的短消息，向h l r 查询路由信息，并将短消息传送给 接收者所在基站的交换中心； m s c ( m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ，移动交换中心) ：负责系统切换管 理并控制来自或发向其它电话或数据系统的拔叫； v l r ( v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ，访问位置寄存器) ：含有用户临时 信息的数据库。交换中心服务访问用户时需要这些信息； h l r ( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ，归属位置寄存器) ：用于永久储存管 理用户和服务记录的数据库，由s m s c 产生。s m s 网关与h l r 之 间的协议使前者可以要求h l r 搜索可找到的用户地址。它与m s c 与h l r 之间的协议一起，能在m s 因超出覆盖区而丢失报文、随后 又可找到时加以提示。 2 3g s m 、s m s 与其它通信方式的比较 9 浙江工业大学硕士研究生论文 2 3 1g s m 与其它通信方式的比较 我国g s m 网络在全国范围内实现了联网和漫游，拥有全世界最大用户 群和极其完善的网络基础，加上g s m 本身具备的数据传送功能，具有集群 通信、卫星通信无法比拟的优势。 在移动数据查询系统中，要实现用户随时随地进行查询，必须要借助一 个能够传输数据的无线通信平台。无线局域网技术【2 1 】和蓝牙技术【2 2 l 近几年 发展迅速，但它们的使用被限制在一个有限的地里范围内，因此不适合大范 围的监控系统。此外，还有常规通信、专用的集群通信、卫星通信等技术。 集群通信系统1 2 3 】是一种专用调度系统，系统内用户共同使用一组频率， 用户每次建立通话前先向调度台提出申请，调度台将闲置信道分配给该用 户。集群体内高新系统为用户提供话音通信、数据及状态信息传输，并具有 多种呼叫接续方式和呼叫类型。应用较为广泛的是集中控制方式的模拟集群 系统，利用它传输车辆定位数据一般是在话音信道中传输，车辆定位数据必 须进行调制才能在话音信道中传输。这种通信方式的缺点在于数据速率较 低、容量小、覆盖范围较小1 2 耵。 当前，集群通信方式是公安、消防、交通等部门比较通用的通信平台， 但是集成通信由于受通信网覆盖范围的限制( 工作半径通常在1 0 公里左 右) ，也不适合组建大型系统；有的应用是在原有模拟电台的基础上加以改 造的，例如：北京公交的车辆调度监控系统。集群、g s m 、g p r s 等通信系 统性能的比较见表2 - 1 。 表2 1 三种通信系统性能的比较 集群g s mg p r s 系统类型专用指挥调度网专业移动通信网基于g s m 网络 传输方式9 6k i t l s 1 9 2k b s1 1 5k b s 交换方式 电路交换 分组交换分组交换 带宽3k h z3 0k h z2 0 0k h z 信道 独占 共享共享 容量较小很大很大 时延 长 短短 漫游功能不支持支持支持 运营费用 无低高 覆盖范围 小广 广 1 0 浙江工业大学硕士研究生论文 由上表可知，g s m 通信系统具有系统容量较大、覆盖范围广、可靠性 高、延时小、投资小等许多优点，因此本系统选择g s m 通信系统作为自动 售货机无线监控系统的通信平台。g s m 通信系统的短消息服务为系统提供 了简单的文本数据传输功能，满足了系统的需求。 2 3 2s m s 业务与g p r s 业务的比较 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 s ，通用分组无线业务) ，是全球移 动通信网络技术向第三代移动通信( 3 g ) 演进的主流技术，被称为2 5 代移 动通信1 2 5 ： g p r s 是在g s m 基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方 式，g p r s 的引入，主要满足人们对移动数据业务的需要，不影响g s m 业 务、无需更换s i m 卡和手机号码。用户只需要一部支持g p r s 服务的手机或 终端，并到移动运营服务商处注册和开通g p r s 服务，即可享受随时在线、 高速传输、自动切换；按量计费等手机上网新体验。 与原有的g s m 相比，g p r s 在数据业务的承载和支持上具有较明显的 优势【2 6 】： g p r s 可以更有效地利用无线网络信道资源，特别适合突发性、频 繁的小流量数据传输； g p r s 支持的数据传输速率更高，理论峰值达到1 1 5k b s ；g p r s 计 费方式更加灵活，支持按流量来进行计费。在资费政策上，中国移 动出台的g p r s 资费标准，每1 k 流量收费0 0 3 元； g p r s 还能支持用户在传输数据的同时进行语音通信等等。 相对现在的非语音数据服务，g p r s 主要是满足了人们对移动数据业务、 手机上网的需求。但g p r s 也存在不足，它的使用也因此受到了很大的限制， 具体分析如下： 设备限制，需要配备支持g p r s 功能的手机； 服务限制，中国联通、中国电信不提供该服务； 费用限制，资费标准较高； 容量限制，有限的蜂窝站容量，不能满足大用户量的集中使用； 技术限制，实际传输速率比理论值低很多，而且传输有较大的延时： 安全性限制，安全性不能得到保证，不能保证无线终端的应用终止。 短消息较之g p r s 则没有以上这些限制。目前所有手机和小灵通都具备 浙江工业大学硕士研究生论文 了短消息收发功能，而且从2 0 0 5 年3 月1 日开始，中国移动、中国联通、 中国电信之间的短消息功能已经全面互联互通。短消息作为无线监控系统的 传输通道与g p r s 相比，有它不可比拟的优势： 良好的兼容性，移动、联通、电信的手机或小灵通用户均可使用短 消息业务； 具备储存和发送、离线通信等功能，可以双向传输信息； 使用方便，信息传递准确及时、延时小； 无需专门设备，节约成本； 资费标准低廉，易于异地推广、市场适应性强； 技术成熟，安全可靠。 2 4 蚁群算法的介绍 自动售货机的配送问题是一个典型的调度问题。当前，自动售货机的营 运商往往根据以往的经验来确定货机商品配送路线。在需配送的货机数少的 情况下，这种方法较为可取。当需配送的货机数较多时，这种方法不但费时 费劲，而且可能会漏送或错送商品，所以必须通过更为科学的方法来解决该 问题。此类问题涉及组合优化问题，求解较为复杂，在数学上属于n p h a r d 问题【2 7 1 。如采用传统的数学方法很难求解，而蚁群算法这一建立在现代优化 理论基础上的生物进化理论，能有效地解决此类问题。 2 4 1 基本原理 蚁群算法是对自然界蚂蚁的寻径方式进行模拟而得出的一种仿生算法。 蚂蚁觅食时，会在所经过路线上留下一种称为信息素( p h e r o m o n e ) 的物质，以 此来标识路线，其它蚂蚁可以并且习惯追踪此信息素爬行。在确定位置的食 物和蚁穴之间，较近的路线，蚂蚁重复爬行的次数就更高些。由于每只蚂蚁 每经过一次都要释放信息素，这样重复次数多的路线由于其信息素浓度较大 就更容易被其它蚂蚁选中，这样整个蚁群就由开始的多路线爬行逐渐集中到 最短的路线上爬行，使路线得到优化选择。意大利学者m d o r i g o 模拟此过 程提出了蚁群算法【2 引。 2 4 2 系统模型 为构建蚁群系统模型，现假设为月个自动售货机配送货物，每辆配送车 的起点和终点为配送中心，求最优的配送路线。 1 2 堑翌三些查堂堡主堑窒兰丝壅 为模拟实际蚂蚁的行为，假设m 是蚁群中蚂蚁的数量( 蚂蚁的多少影响 运算时间和选路效果，由实际情况而定) ，比o ，t 1 ，2 ，a ，厅) 表示自动售货机i 和自动售货机，之间的距离( 可表示为时间、费用等形式) ，阢o ) 表示t 时刻 位于自动售货机f 的蚂蚁个数，胁一艺岛o ) 。o ) 表示f 时刻在 连线上残留 的信息量a 初始时刻，各条路线上的信息量相等，设( o ) 一c ( c 为常数) 。 蚂蚁k ( k - 1 , 2 , a ，历) 在运动过程中，根据各条路线上的信息量决定转移方 向，p ：o ) 表示在f 时刻蚂蚁k 由自动售货机礴 移到自动售货机j 的概率： p ；( f ) 蕾茹徊一 21 5 积 ( 一) 其中，a l l o w e d k = 帆a ，弹一1 一t a b u 。表示蚂蚁七下一步允许选择的自动售 货机。与真实蚁群系统不同，人工蚁群系统具有一定的记忆功能，这里用 t a b u 。 一1 ，2 ，a ，_ ，1 ) 记录蚂蚁k 目前已经走过的自动售货机。 随着时间的推移，以前留下的信息逐渐消逝，用参数1 一p 表示信息消逝 程度，经过万个时刻，蚂蚁完成一次循环，各路径上信息量要根据式( 2 - 2 ) 作调整。 勺( f + 竹) 一p ( f ) + h ( 2 - 2 ) 峨。荟瞄 ( 2 剐 在式( 2 3 ) 中，表示第k 只蚂蚁在本次循环中留在路线盯上的信息 量，表示本次循环中留在路线j 上的信息量。 峥 q 黼绷赃橄躲署玎 沼4 ， 1 3 浙江工业大学硕士研究生论文 萑式( 2 - 4 ) 中，q 是常数，k 表示第k 只蚂蚁在本次循环中所走路线 的长度。在初始时刻，巧( o ) 一c ( 一时) ，一0 ，其中，f ，一0 , 1 , a ，厅- 1 。a ， 口分别表示蚂蚁在运动过程中所积累的信息及启发式因子在蚂蚁选择路线 中所起的不同作用。r o 表示由自动售货机礴专移到自动售货机，的期望程度， 可根据某种启发式算法具体确定。根据具体算法的不同，o ) 、勺及p ；( f ) 的表述形式可以不同，要根据具体问题而定。 2 5本章小结 本章介绍了课题研究的相关技术和原理，包括g s m 网络体系结构、s m s 技术原理、蚁群算法等。g s m