（检测技术与自动化装置专业论文）基于无线网络的终端设备监控器研究与设计.pdf

基于无线网络的终端设备监控器研究与设计 徐洪文( 检测技术与自动化装置) 指导教师：赵仕俊( 副教授) ，陈晖( 高工) 摘要 就目前来看，传统的有线数据传输方式是制约s c a d a 系统应用范围 的最主要因素，特别是应用在终端设备需要移动或者监控区域比较广的场 合，因此迫切需要一种更加灵活多样的通信方式。随着i n t e m e t 技术和中 国移动通信技术的发展，将g p r s 无线网络通讯技术运用于远程监控系 统，正逐步成为一个新的研究和应用热点。此外，虽然目前对于远程监控 系统的设计和开发正日益成熟，但其中一个重要课题远程监控终端的 通用性设计，却往往被忽视。 结合以上两个方面，本文提出了基于无线网络的终端设备监控器的研 究与设计。利用单片机来设计终端设备监控器，并力求使设计出的终端设 备监控器具有通用性，能够满足现场各类信号的采集。采集到的数据通过 近距离无线网络和g p r s 无线网络远程传输至数据中心，从而为架构适应 于众多监控场合的s c a d a 系统提供了一种更加可靠、廉价的解决方案， 有其重要的现实意义。 论文首先阐述了g p r s 通信技术，包括其通信原理、通信优点、组网 方式以及选择g p r s 网络通讯应该注意的一些问题，为g p r s 技术的应用 打下了理论基础；接着对整个系统的总体设计方案和组成原理做了简要介 绍；然后重点介绍了本文的两大主要内容：( 1 ) 终端设备监控器的设计， 包括其软、硬件的详细设计；( 2 ) 基于g p r s 无线网络的数据传输研究。 主要从g p r s 网络数据传输过程、g p r sd t u 详解以及单片机与g p r s d t u 通信的软、硬件实现几个方面做了详细说明；最后简单介绍了数据 中心网络通讯功能的实现，并对g p r s 无线网络数据传输功能做了测试。 关键词：g p r s ，p t r 2 0 0 0 ，单片机，数据采集，w i n s o c k i i r e s e a r c ha n dd e s i g no ft e r m i n a ld e v i c em o n i t o r b a s e do nw i r e l e s sn e t w o r k x u h o n g w e n ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g y a n da u t o m a t i c e q u i p m e n t ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s c = rz h a os m - j u n , s e n i o re g i n c e rc h e nh u l a b s t r a c t t h ep r i m a r yf a c t o rw h i c hr e s 们c t st h ea p p l i c a t i o na r e ao fs c a d a s y s t e mi s i t sl i n e a t e - d a t a - c o m m u n i c a t i o nm e t h o da tp r e s e n t , e s p e c i a l l yu s e di nt h ep l a c e w h e r et h et e r m i n a l - d e v i c er e q u i r e sm o v i n go rt h er e g i o nm o n i t o r e di sq u i t e v a s t s ow eu r g e n t l yn e e dam o r ef l e x i b l ek i n do fc o m m u n i c a t i o nm e t h o d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eh t e r n e tt e c h n o l o g ya n dt h ec h i n am o b i l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , u t i l i z i n g t h eg p r sw i r e l e s sn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h el o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n gs y s t e mb e c o m e sa n e wr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nh o ts p o tg r a d u a d l y i na d d i t i o n , a l t h o u g ht h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fs c a d as y s t e mi s 笋o w i n gu pd a yb yd a y , o n e i m p o r t a n tt o p i c t h ev e r s a t i l ed e s i g no fl o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n gt e r m i n a li s n e g l e c t e du s u a l l y c o m b i n e dw i ma b o v et w oa s p e c t s t h i sa r t i c l ep r o p o s e dr e s e a r c ha n d d e s i g no ft e r m i n a ld e v i c em o n i t o rb a s e do nw i r e l e s sn e t w o r k w eu s et h e m c ut od e s i g nt h et e r m i n a ld e v i c em o m t o r ，a n dd oe v e r ye f f o r tt om a k ei t v e r s a t i l es ot h a ti tc 孤c o l l e c ta l lk i n d so fs i g n a l s t h ed a t ac o l l e c t e dc a nb e t r a n s m i t t e dt ot h ed a t ac e n t e rt h r o u g ht h es h o r t - d i s t a n c ew i r e l e s sn e t w o r ka n d t h eg p r sw i r e l e s sn e t w o r k t h i sd e s i g no f f e r sar e l i a b l ea n di n e x p e n s i v ep l a n t oc o n s t r u c ts c a d as y s t e mt h a tc a na d a p tt om a n yc o n d i t i o n s , 5 0i th a sa n i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i s p a p e rf i r s t l y i l l u m i n a t e st h eg p r sc o m m m a i c a t i o nt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gt h ec o r r e s p o n d e n c ep r i n c i p l e ，t h ec o r r e s p o n d e n c em e r i t , t h em e t h o d i l i t os t r u c t u r ei n t e r n e ta sw e l la ss o m eq u e s t i o n sw es h o u l dp a ya t t e n t i o nt ow h e n w el l s eg p r st e c h n o l o g y , w h i c hi st h et h e o r e t i cb a s i st oi t sa p p l i c a t i o n t h e n b r i e f l yd a s c d b c st h ed e s i g np l a no ft h eo v e r a l ls y s t e ma n di t sc o m p o s i t i o n p r i n c i p l e a f t e rt h a t ，e m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e si t st w om a i nc o n t e n t s ：o n ei st h e d e s i g no f t e r m i n a ld e v i c em o n i t o r , i n c l u d i n gi t ss o t t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n i nd e t a i l ；1 1 舱o t h e ri st h er e s e a r c ho fd a t a - t r a n s m i s s i o nb a s e do ng p r s w i r e l e s sn e t w o r k ，a n ds p e c i f i e di tm a i n l yf r o mi t sc o m m u n i c a t i o np r o c e s s ，t h e d e t a i l e de x p l a n a t i o nt og p r sd t ua n dt h es o i l - w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm c ua n dg p r sd t u f i n a l l y , s i m p l yi n t r o d u c e st h e d e s i g no fd a t ac e n t e ra n da l s ot e s t st h ed a t at r a n s m i s s i o nf u n c t i o no fg p r s w i r e l e s sn e t w o r k k e yw o r d s ：g p r s ，p t r 2 0 0 0 ，m c u ，d a t a a c q u i s i t i o n , w i n s o c k i v 独创性声明 本人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 得的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得中国石油 大学或其它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贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：猃滋基2 t 年仁月厂口日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，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。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：硷这交妇，7 年妒月，。 日 导师签名：矿哆年月c7 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 课题提出的背景及研究意义 远程监控系统( s c a d a ) 在工业控制领域起着举足轻重的作用，在许 多场合，需要对一些分散的、无人值守的远程设备采集现场数据或者发送 控制命令给远程设备，但是传统的遥控、遥信、遥测、遥调“四遥”，由 于技术和管理的原因，还难以实现真正的无人值守。如何实现对距离从数 十米到数千公里的远程设备进行监控，实现真正的所见即所得，成了摆在 研究人员面前的一个重要课题。 从目前来看，s c a d a 系统的通信手段是制约其应用范围的最主要的 因素。传统的s c a d a 系统，大都采用有线数据传输方式( 如p s t n ， r s 2 3 2 4 8 5 等局部系统总线等“1 ) ，然而在有些布线困难，维护不方便的场 合，尤其是在对移动设备进行监控的场合，有线数据传输方式将无能为力。 随着仪器仪表向数字化、智能化和网络化的趋势发展，迫切需要一种更加 灵活适应于远程监控系统的合理的数据传输模式。 为了满足s c a d a 提出的新需求，工业监控系统采用的数据传输方式 正在从传统的有线传输方式向无线传输方式转变。伴随着中国移动在全国 范围内全面推广第2 5 代的g p r s 数据业务，对基于g p r s 无线网络数据 传输的工业远程监控系统的研究和应用已经成为了当今工业监控领域的 研究重点和热点之一。充分利用现代移动通信技术，建立高可靠性、稳定 性、实用高效的通信链路，必将为工业监控领域的发展掀开新的一页。 此外，虽然目前对于远程监控系统的设计和开发正日益成熟，但是其 中一个重要课题远程监控终端的开发设计，却常常被忽视。单片机由 于其控制功能强大、品种多、价格低廉，正广泛应用于工业控制的各个领 域，特别是在数据采集，设备控制方面，很适合用来设计远程监控终端。 结合以上两个方面，本文提出了基于无线网络的终端设备监控器的研 究与设计，采用单片机来设计终端设备监控器，远程数据通过g p r s 无线 网络传输，此设计将大大突破传统远程监控系统的地域范围和组网方式， 而提供一种全方位、廉价、可靠的远程监控解决方案，有其重要的现实意 义。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 监控系统( s c a d a ) 综述 s c a d a ( s u p e = i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统，即监测控制 与数据采集系统，是以计算机为基础的监测控制与管理自动化系统，其功 能是在工业生产过程中，实时采集现场数据，对现场进行本地或远程的自 动控制，对工艺流程进行全面、动态和实时监视，能实现远程数据采集、 设备控制、测量、参数调节以及信号报警等各项功能，从而为生产，监测 和管理提供必要的数据。s c a d a 系统可广泛应用于电力系统、给水系统、 石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制o “”。 s c a d a 系统一般采用分散式测控、集中式管理的方式。整个系统由 数据中心、若干个分散的远程监控终端r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 和通 信介质三部分组成。数据中心又称主站，是s c a d a 系统的核心，负责控 制管理整个系统的运行；r t u 又称外围站点，是采用微处理器或d s p 的 可独立运行的智能测控模块，完成各种远端现场数据的采集与处理、现场 执行机构的控制以及与远程控制中心的通信，具有易扩展性和易维护性特 点；而通信介质根据实际需求和应用对象的不同目前主要采取有线和无线 两种方式。 1 2 1s o a d a 系统的发展现状 在当今社会中，许多企业和部门都迫切需要实现远程控制外场设备。 例如小区服务公司对各用户家中的水电气三表的集中监控管理；电力系统 对各变电站的远程监控；水利系统对各个水情监测站的远程监控等等。随 着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，建立适合各个领域的远程监 控系统已是一个必然趋势。 在监控系统发展的早期阶段，由于系统规模较小，功能相对简单，因 此传统上总是将整个系统作为一个统一实体来设计。随着s c a d a 系统规 模与要求的逐步增大和提高，这种传统设计开发过程的弊端日益暴露出 来，相应地带来了系统监控软件开发和维护中的诸多问题。因此，建立大 规模、复杂的监控系统是当今工业监控发展的一个要求。 我国的远程监控系统的发展从2 0 世纪5 0 年代开始，以电力系统远程 监控为先导。如今，监控系统己由单点监控进而发展为多点分布式监控。 而网络通信的应用更好地适应了远程监控的新要求。当前的远程监控技术 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 的进展有如下特点： ( 1 ) 硬件、软件采用模块式、分布式结构，适应性强、可靠性高。性 能良好的操作系统、数据库管理系统以及成套的软件开发包为用户的开发 和使用带来了极大的便利，并逐渐走向开放化、标准化。 ( 2 ) 通信网络化。通信网络技术的应用，使得设备之间及设备与监控 计算机之间的信息交换更方便。 ( 3 ) 远程监控系统的通信信道对通信的质量有重大影响，目前许多单 位多在对如何提高通信质量问题进行研究。 ( 4 ) 工作站采用高性能的微机。高性能微机处理能力强、速度快、容 量大而且有支持多网络特点等优点，为提高系统运行和联网性能奠定了基 础。远程监控在很多部门、企业的经营和管理中都有着重大意义。能够实 现信息的快速采集、综合处理，利用及时的信息提高管理决策水平。随着 社会生活的自动化，特别是一大批智能设备的出现，远程监控的应用领域 将越来越广。 1 2 2 远程监控系统的特点 远程监控的应用领域非常广泛，监控的内容也丰富多样，采用的技术 手段也不尽相同，但究其实质，不外乎如下特点“1 ： ( 1 ) 位置特点。监控者与被监控者分处在不同的地理位置，其距离从 几公里至几百公里乃至更远。 ( 2 ) 监控内容。无论何种应用领域，远程监控的内容，实质上都是把 被监测者的状态数据传递给监控者，监控者对其进行加工、分析，再把控 制信息回送给被监控者。 ( 3 ) 通信方式。远程监控系统在数据通信上，主要分有线方式和无线 方式二种类型。 1 2 3 远程监控系统的数据传输方式 在基于远程数据传输的系统中，数据传输的稳定性、可靠性是其中的 一项关键指标。远程监控系统的通信方式分为有线和无线两种，其中有线 方式适用于位置固定、传输距离较近的场合；无线方式适用于流动性大、 距离较远的场合。具体来说，其通信方式主要有以下几种。 ( 1 ) 现场总线。现场总线包括r s 一2 3 2 ，r s 一4 8 5 ，c a n 总线等技术，主要 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 用于工业现场的通信。其特点是抗干扰能力强，设备简单，便于微处理器 使用，但通信速率低，距离较短，一般在几十米到几百米之间。 ( 2 ) 无线数传电台( 无线m o d e m ) 。对数字信号调制后，利用国家无 线电管理部门规定的工业频段传送。传输距离一般为几十公里，通信网络 由用户自己搭建和维护。 ( 3 ) 建设或租用专用传输线路。如微波、卫星、光纤或电缆等，这种 方式传输速度快、稳定性及可靠性高，但投资庞大，且运行及维护成本高。 ( 4 ) 采用现有的传统电话网( p s t n ) 。这种方式投资少，实现快捷，但 传输速度慢，实时性差，经常存在拨号不成功的情况，在数据量大的情况 下，运行费用较高，因线路不能共享，在一点对多点的情况下，需要分时 段进行数据传输，同时要求在安装位置布设电话线路，因此有些环境下不 具备可行性。 ( 5 ) 采用无线移动网络。如中国移动的g s m 、g p r s 或中国联通的 c d m a 等。在一些现行系统中，有些采用g s m 短信方式，这种方式易于 实现，费用适中，但实时性不高，存在时延，且存在到达率问题，因此有 时丢失数据。c d m a 为中国联通新近开通的一项数据业务，但由于商用 尚在初期，目前网络覆盖率较低，在很多区域不可用。而g p r s 为中国移 动推出的一项新的数据业务，依托其强大的网络优势，发展迅速，具有很 大的应用前景。 1 3 课题研究内容和创新点 终端设备监控器的软、硬件设计和基于g p r s 无线网络的数据传输研 究是本课题研究的主要内容。( 1 ) 终端设备监控器的设计。本课题力求使 设计出的数据采集终端具有多种数据接口，以能够对目前工业现场的各种 标准信号进行采集，如传感器输出的0 - 5 v 电压信号，4 - 2 0 m a 电流信号以 及现场开关量信号等。并且还具有良好的人机交互以及对现场进行简单控 制和故障报警功能。此外，还能以近距离无线网络通信的方式与上位机( 现 场主站单元) 通信。( 2 ) 基于g p r s 无线网络的数据传输。着重探讨单片机 通过g p r s 通讯设备定时向数据中心上传数据的软、硬件实现。 本课题的创新点主要有：( 1 ) 将近距离无线通信技术和g p r s 无线网 络通信技术相结合，作为远程监控系统的数据传输信道，从而为组建能够 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 广泛适应各工业现场监控，价格低廉的s c a d a 系统提供了一种可行性方 案。( 2 ) 对监控终端的设计力求具有通用性、智能性，能够对现场各类数 据进行采集，并还具有现场简单控制的功能。 1 4 论文组织结构 本文的组织结构如下： 第l 章，绪论。以s c a d a 系统发展为大背景，提出了利用无线网络 数据传输组建s c a d a 系统的重要性和可行性，并给出了课题的研究意义、 研究内容及创新点。 第2 章，g p r s 通信技术综述。主要介绍g p r s 的网络结构与通信原 理、g p r s 无线数据传输在远程监控系统应用中的优点、基于g p r s 无线 网络通信的监控系统组网方式以及使用g p r s 技术需要注意的一些问题 等。 第3 章，系统的总体设计及实现方案。主要介绍系统的整体组成原理 以及终端设备监控器、现场主站单元的总体设计方案。 第4 章，终端设备监控器硬件设计。主要介绍终端设备监控器的总体 设计电路以及各个功能模块电路的硬件设计。 第5 章，终端设备监控器软件设计。介绍终端设备监控器的软件设计 整体流程以及各功能模块程序设计。 第6 章，基于g p r s 无线网络的数据传输研究。主要结合现场主站单 元的设计介绍数据如何通过g p r s 网络进行传输。重点介绍单片机与 g p r sd 叫通信的软、硬件设计。 第7 章，数据中心设计及g p r s 数据传输测试。对数据中心设计做了 简要介绍，重要在于数据中心与g p r sd t u 通信软件模块的设计，并据 此对d t u 数据传输做了测试。 第8 章，总结与展望。对论文工作做了概括性总结，并对下一步工作 做了展望。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章g p r s 通信技术 第2 章g p r s 通信技术 g p r s ( g e n e r a l p a c k e t r a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称嘲， 是在现有的g s m 系统上发展起来的一种新的数据承载业务，能够提供端 到端的、广域的无线口连接“1 。它是第2 5 代移动通信系统，是g s m 向3 g 过渡的一个桥梁，具有其明显的技术优势。主要有以下特点。 ( 1 ) g p r s 是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术，采用与g s m 同 样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及 同样的t d m a 帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业 务信道极其相似。因此，现有的基站子系统( b s s ) 从一开始就可提供全面 的g p r s 覆盖。 ( 2 ) g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需 要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分 组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和少量的数据传输“蚍“1 。 ( 3 ) g p r s 能够提供高速率的数据传输，采用i p 协议并可根据用户需 要灵活地动态分配无线资源，从而实现多用户共享，提高频率利用率。同 时计费方式也将由传统的按时计费改为根据用户数据的传输量来计费。 g p r s 不仅仅面向移动数据用户，还面向企业集团等行业用户，通过公众 数据网实现专业应用，降低成本，提高效率。基于g p r s 的远程网络监控 系统采用m 协议传输，通信速度快，数据延迟小，按量计费，系统运营 成本低，容量大，数据传输和语音通话可以同时进行，并且可以自由进行 切换，非常适合应用于大规模分布式远程监控系统。 正因为利用g p r s 无线网络进行数据传输有上述显著的优势，如实现 了用户数据与无线网络资源的最佳结合；实现了口协议的透明传送等：并 且本系统数据传输为定时上传数据，因此非常适合选用g p r s 无线网络来 传输数据。 2 1g p r s 网络结构与通信原理 g p r s 网络是基于现有的g s m 网络而实现的，其最根本的区别是： g s m 是一种电路交换系统，即在发送端和接收端之间建立一个固定的信 道，不管发送端是否有数据传送，网络都在信道上保留固定的带宽和路径； 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章g p r s 通信技术 而g p r s 是一种分组交换系统，就是发送端将数据分成一个个的分组，在 每个分组内标注接收端的地址后传送到网络上，网络根据分组内的地址将 分组数据传送到接收端，接收端再将收到的一个个分组重新组合起来。 g p r s 是通过在g s m 网络基础上新增一些必要的网络节点来支持 g p r s 业务的“”，从而使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。 其增加的节点主要有：s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ，服务g p r s 支 持节点) 和g g s n ( g a t e w a y g p r ss u p p o r t n o d e ，网关g p r s 支持节点) 。 s g s n 是g s m 网络与移动台之间的接口，主要起着记录移动台的当前 位置信息，并在移动台和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收的作 用。g g s n 通过基于讲协议的g p r s 骨干网连接到s g s n ，是连接g s m 网络 和外部分组交换网( 如因特网和局域网) 的网关，因此，也将g g s n 称为 g p r s 路由器，g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转换， 从而可以把这些分组数据包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络“3 “1 。 图2 1g p r s 系统结构 g p r sm o d e m 与g s m 移动基站通信，但与电路交换方式数据呼叫不 同，g p r s 分组数据是从移动基站发送到s g s n ，而不是通过移动交换中 心( m s c ) 连接到语音网络上。s g s n 与g g s n 进行通信；g g s n 对分组数 据进行相应的处理，再发送到目的网络上，如i n t e r n e t 或x 2 5 网络。而来 自因特网标识有移动台地址的m 包，由g g s n 接收，再转发到s g s n ， 继而传送到移动台上。 由以上分析可知，g p r s 自身的协议支持与i n t e m e t 网的互联互通， 利用分组数据传输业务可以接入基于t c p m 协议的外部网络和x 2 5 网 络，这样用户就可以利用g p r s 终端登陆到互联网上访问服务器了。总体 来说，数据由g p r sm o d e m 到达i n t e r n e t 网需要经过四个必要的环节。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章g p r s 通信技术 ( 1 ) g p r sm o d e m 负责与移动基站子系统( b s s ) 连接与通信。 ( 2 ) 移动基站系统负责分配空中的信道资源，并在g p r sm o d e m 和 s g s n 之间转发数据。 ( 3 ) s g s n 负责g p r sm o d e m 的移动，与g g s n 协作完成用户数据在 g p r s 网络上的传输。 ( 4 ) g g s n 对内负责数据的路由传输，对外作为i n t e m e t 网的路由器。 通过以上四个环节，g p r s m o d e m 便可以与i n t e m e t 进行通信了。 2 26 p r s 技术优点 g p r s 是在现有的g s m 网络上开通的一种新的数据传输业务，与原来 g s m 网络的电路交换传送方式相比，具有永远在线、按流量计费、快捷 登陆和适用于中小数据量传输等优点。由于其特有的优势，基于g p r s 的 数据传输业务发展很快，尤其能很好地满足远程监控系统对无线数据传输 的需要“。 ( 1 ) 接入范围广。g p r s 是在现有的g s m 网上升级，可充分利用全国 范围的电信网络，可以方便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接 入网络的部署。 ( 2 ) 高速传输。通过分组交换，数据传输速度最高理论值可达 1 7 1 2 k b p s ，是当前g s m 网络中电路数据交换业务速度的十几倍，下一代 g p r s 业务的速度甚至可以达塑j 3 8 4 k b p s ，完全可以满足用户应用需求。 ( 3 ) 快捷登陆。g p r s 接入等待时间短、可快速建立连接、平均耗时为 两秒。 ( 4 ) 永远在线。“实时在线”或“永远在线”，即用户随时与网络保持 联系，即使没有数据传送终端还一直与网络保持联系，这将使访问服务变 得非常简单、快速。 ( 5 ) 按流量计费。用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源， 计费方式是按照用户接收和发送数据包的数量，没有数据流量传递时，用 户即使挂在网上也不收费的。 ( 6 ) 切换自如。用户在进行数据传送时，不影响语音信号的接收，数 据业务和语音业务的切换有两种方式( 自动和手动) ，具体形式依据不同终 端而定。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章g p r s 通信技术 ( 7 ) 支持i p 协议和x 2 5 协议。g p r s 支持i n t c r n c t 上应用最广泛的p 协议 和x 2 5 协议，使得g p r s 能提供i n t e r a c t 和其他分组网络的全球性无线接入。 2 3g p r s 组网方式 根据s c a d a 系统的规模、地理分布、扩展性、安全性等要求的不同， 在使用g p r s 无线网络技术构建s c a d a 系统时，数据中心主要有两种不同 的组网方式可供选择“”。 ( 1 ) 通过a p n ( a c c e s sp o i n tn a m e ) 组网，适用于规模较小、地理分布 比较集中、扩展性要求不太高的数据通讯网。它不需要通讯服务器，所有 的g p r s 通讯终端使用一个专用的a p n 并绑定内部i p 地址，通讯终端连接 到g p r s 网络后，互相之间都可以建立s o c k e t 连接，进行数据传输。由于 在公网上构建了一个相对独立的专网，安全性比较好。其组网方式参见图 2 2 。 皇兰p 、“甜。 翟g p r sw o d e m 阿 = = = = ；li 曙! ! 三士匠i 蛩 。釉星。厕星 数据中心 数据采集设备移动通信基站移动通信基站 图2 - 2 a p n 组网方式示意图 ( 2 ) 通过i n t e r n e t 组网，适用于规模较大、地理分布比较分散、扩展性 要求比较高的数据通讯网。g p r s 网本身是一个分组型数据网，中国移动 在o p i 塔与i n t e r n e t 网中间建立了许多相当于i s p 的g g s n ，以连接g p r s 网 与外部的i n t e r a c t 网。每个g p r s 终端连上g p r s 网络时，即分配到一个g p r s 网络内部i p 地址，再通过g g s n 端口映射至u i n t e r n e t ，与i n t e r n e t 上的中心计 算机建立连接，构成“中心计算机多个监控点”的组网方式。此种组 网方式费用低廉、使用方便，数据传输带宽均有保证。其组网方式见图2 3 。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章g p r s 通信技术 一 罡垦量曼宅j 数据中心 图2 - 3i n t e m e t 组网方式示意图 2 4 使用g p r s 网络传输数据需要注意的一些问题 g p r s 是一种新的技术，中国移动通信有限公司作为运营商，提供了 满足行业应用的数据传输网络平台。在使用g p r s 传输数据时需要注意以 下问题。 ( 1 ) 数据中心接入方式的选择。采用g p r s 网络，数据中心有如下几 种模式：采用光纤专线的方式；采用a d s l 拨号的方式；采用无线g p r s 调制解调器的方式。需要根据现场实际要求，选择合适的接入方式。 ( 2 ) 数据中心p 地址的选择。网络通信必须知道对方的坤地址，采 用s i m 卡绑定固定i p 地址模式，在该种模式下，数据中心获得一个固定 的口地址，数据采集终端将中心的i p 地址配置后，一上电即可与中心建 立双向数据通道，不必进行域名解析，数据流量小，传输快速。数据远程 监测系统采用g p r s 作为通信手段，就可利用无线分组交换技术，为用户 提供各种速率的高质量透明数据传输的永久或半永久性专用电路。一个用 户可以使用多个无线信道，同时一个信道也可以让多个用户共享。 ( 3 ) 建立集团的虚拟专网，保证数据的可靠性。系统的可靠性和安全 性，是一个管网监控系统的生命。采用g p r s 无线数据，中心绑定固定口 地址，为数据中心和采集终端建立了多条虚拟专线。开辟私有专网，组成 企业独立的g p r s 无线d d n 网络，所有现场数据都通过这条网络通道进 行传输，其他未经许可的用户和网络数据无法进入该网络，充分保证了用 i o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章6 p r s 通信技术 户数据的安全性和可靠性。 ( 4 ) 选择合适的传输模块。目前工业现场仪表存在以下一些问题：一 是现场二次显示仪表的通信接口方式不同，有t t l 电平接口、r s 2 3 2 接 口和r s 4 8 5 接口等多种类型；二是原有的仪表为多个厂家生产，通信协 议各不相同，在一个网内运行多个通信协议是一个技术难题。选择稳定、 成熟的g p r s 模块并与现场仪表配合连接，组成一个远端采集终端是系统 的关键技术。 ( 5 ) g p r s 数据传输软件的编制。g p r s 数据传输是基于t c p i p 协议 的，而目前测控仪表大都对基于t c p i p 协议的网络数据传输模式不支持， 这就需要解决t c p ，m 协议实现问题，以便有效解决基于g p r s 的数据传 输。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章系统总体设计及实现方案 第3 章系统总体设计及实现方案 基于无线网络的终端设备监控器的设计是单片机数据采集技术、电子 技术、近距离无线通信技术、g p r s 无线网络通信技术以及i n t e m e t 网络通 信技术在工业监控场合的综合应用。配合着远程数据中心，从而为组建更 加灵活适应现场需求的s c a d a 系统提供了一种可行性方案。 整个系统的基本工作原理是：位于各监控点的终端设备监控器定时采 集现场数据和监测现场设备的运行状态，并将采集到的数据定时上传给现 场主站单元并暂存。现场主站单元则负责将各个监控点终端设备监控器发 送过来的数据统一进行打包，并定时上传至数据中心。从而实现对现场的 远程监控。其中，数据通讯网络的选择是整个系统的一个关键方面，它直 接关系到系统的稳定性。通讯网络也称信道，即数据传输的通道。本系统 最主要特点是整个系统的数据传输均采用无线方式，以现场主站单元来 看，从现场主站单元到数据中心之间的通讯( 上行信道) 采用g p r s 无线网 络；从现场主站单元到各终端设备监控器之间的通讯( 下行信道) 采用基于 p t r 2 0 0 0 模块的近距离无线数据传输网络，如图3 1 所示。 图3 1 系统数据传输原理图 3 1 系统总体设计原则 ( 1 ) 实用性原则。对终端设备监控器的设计力求能够采集现场各类数 据，同时采用无线网络传输数据也能有效解决采用有线网络传输数据不方 便的场合。 ( 2 ) 可靠性原则。主要包括两个方面：1 ) 硬件系统的可靠性设计。如 元器件选择、电路板设计、系统故障自诊断等。2 ) 软件的抗干扰和可靠性 设计。如数字滤波、软件看门狗等。 ( 3 ) 智能性原则“”。在满足可靠性原则的基础上，在设计中尽可能地 完善软件功能，使系统具有数据的自动采集、故障的检测报警、数据的自 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章系统总体设计及实现方案 动上传以及设备的启停自动控制等功能。 3 2 系统组成原理 基于无线网络的远程监控系统的组成原理“”如图3 - 2 所示。 图3 - 2 系统组成原理图 整个系统有终端设备监控器、现场主站单元和数据中心组成。终端设 备监控器安装在现场的各个监控点，现场主站单元安装在比较集中的几个 终端设备监控器之间，但要确保在p t r 2 0 0 0 无线数传模块数据通信范围 内。数据中心为连接上i n t e m e t 且具有公网固定口地址的p c 机。 3 3 系统硬件设计方案 系统的硬件设计主要有终端设备监控器和现场主站单元两部分。通过 选择合适的微控制器和各功能芯片，从而设计出能够满足本系统要求的廉 价的监控终端。下面对各部分硬件设计原理做一介绍。 3 3 1 终端设备监控器硬件设计 终端设备监控器的m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，微控制器) 采用单片 机，负责采集现场各类标准数据，包括传感器输出的0 - 5 v 电压信号和 4 - 2 0 m a 电流信号以及开关量信号等，并能实现对现场的简单控制功能。 其基本工作原理是通过单片机数据采集技术，定时将各监控点需要监测的 数据采集下来，并对采集的数据进行存储，然后通过近距离无线数据传输 方式，定时将数据上传至现场主站单元。在运行过程中，当采集到的数据 超出设备正常运行时的临界值时，终端设备监控器会及时上传报警信息， 并控制现场设备的运行( 如令设备断电等) 中国石油火学( 华东) 硕十论文第3 章系统总体设计及实现方案 终端设备监控器除了具有上电复位及电源监控电路、a d 转换电路、 开关量采集电路之外，为了实现定时采集及上传数据，扩展了实时时钟电 路；为了保存采集到的数据，扩展了串行e 2 p r o m 电路；为了实现现场 设备控制，扩展了d a 转换电路；为了实现现场工作人员良好的人机交 互功能，扩展了键盘输入，液晶显示以及现场故障报警指示电路等。终端 设备监控器利用p t r 2 0 0 0 无线数传模块与现场主站单元进行通信。其原 理如图3 - 3 所示。 刊盯n 2 0 0 0 模块i 刊串行e 2 p r o ml 单片帆 ( c l i ) = 刮d a 转换电路i + 1 键盘及l c d 显示f - 4 故障报警指示i 图3 - 3 终端设备监控器原理图 3 3 2 现场主站单元硬件设计 出于降低系统硬件成本和通讯费用的目的，系统设计了现场主站单 元。现场主站单元主要起数据转发的功能，其基本工作原理是：现场主站 单元通过阿匕o o o 无线数传模块与现场的各终端设备监控器保持通信， 及时接收由终端设备监控器上传的采集到的现场数据，它们之间的数据传 送构成了一台现场主机和多台终端从机之间的多机通信系统，其通信形式 为从机定时上传数据，主机及时接收数据并保存。通过读取实时时钟芯片 的当前时间，现场主站单元将e 2 p r o m 中暂存的各终端设备监控器上传 的数据通过g p r s 设备定时上传至远程数据中心，从而实现数据的无线远 程传输。 现场主站单元的m c u 仍采用单片机。其与终端设备监控器在基本的 外围电路设计上是一致的，如同样具有实时时钟电路、键盘及l c d 显示 电路、串行e 2 p r o m 以及信号指示电路等。所不同的是，现场主站单元 1 4 中国彳i 油大学( 华东) 硕士论文第3 章系统总体设计及实现方寨 没有扩展数据采集电路，而增加了单片机与g p r s 通信设备的接口电路 电路原理如图3 4 所示。 区三卜卧 区互卜单片机 。刊行e 2 p r o m l 键盘及l c 。显示卜_ 斗 ( m c u ) 玺乎 叫信号指示电路 图3 - 4 现场主站单元设计原理 3 4 数据中心设计方案 数据中心位于s c a d a 系统的最顶层，是整个系统运行的管理中心。 它主要负责与现场主站单元通信，实时接收各现场主站单元上传的数据并 将数据保存于数据库中，工作人员只要在数据中心对数据进行分析，就可 以完全了解各监控点设备具体运行情况，从而实现对现场的远程监控功 能。 。 数据中心采用i n t e m e t 组网方式。在这种组网方式下，数据中心在硬件 上并不需购置g p r s 设备，只需通过公网固定p 方式接入i n t e r n e t 互联网即 可实现与现场主站单元的远程数据通信。随着计算机技术的不断成熟，设 计数据中心，如：对数据库的设计，界面的设计等，已成为比较简单的事。 因此本文主要介绍终端设备控制器和现场主站单元的软、硬件设计，只在 第7 章对数据中心设计做了简要介绍，重点是其网络通讯功能的设计。 3 5 系统软件设计方案 终端设备监控器和现场主站单元的单片机程序根据各功能芯片工作 时序，采用汇编语言来编写，并采用模块化的设计方法。对每个功能模块 如数据采集、液晶显示等编写相应的模块化程序，以方便以后的使用。在 单片机软件设计方面，注重发挥各芯片性能，并具有良好的可靠性和抗干 扰性设计。 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章系统总体设计及实现方案 数据中心软件采用v i s u a lb a s i