（信号与信息处理专业论文）基于gsm网络的小区供热站温度采集系统的设计与实现.pdf

基于g s m 网络的小区供热站温度采集系统的设计与实现 摘要 本文利用第二代移动通信系统一g s m 网络的现有短消息的数据传输 建立了应用于小区供热站的温度采集系统。可在供暖舒适度达标的状况 下，实现对热能流的信息采集与处理以及精确控制，为我国当前解决既有 建筑采暖高耗能的难题提供了一种基于信息技术的新方法。本系统采用 s i e m e n sm c 3 5 i 通信模块和m c s 一5 1 系列的单片机( w i n b o n dw 7 8 e 5 1 6 b ) 互连构成采集终端系统，通过a t 指令，实现了小区供热站检测中心对小 区用户室内温度、室外温度等物理量的采集和传输。并且，对小区供热站 各关键控制参数的预测算法进行了研究，提高了关键控制参数预测的精 度。 本文共分为6 章，第一章沦述了g s m 系统结构，重点介绍了短消息 业务的特点、结构、及发展方向等方面的内容。 在对g s m 网络及短消息数据业务分析的基础上，本文在第二章进行 了温度采集系统的网络设计。根据网络设计，整个温度采集系统分被为两 个部分：供热站检测中心系统和前端温度采集模块。第三章讲述了温度采 集系统检测中心的建没，其中包括检测中心系统硬件构架和软件设计，给 出了系统的接口电路图、软件流程图和程序设计。在硬件构架的设计中， 实现了计算机并口对串口扩展的控制，并在软件没计中采用设各驱动程序 方法实现了对并口的访问。 第四章介绍了前端温度采集模块硬件电路和软件设计，给出了系统硬 件电路图、软件流程图及部分关键程序代码。在软件的设计过程中，借用 了有限状态机的设计思想，使得程序更加稳定、程序设计逻辑更加清晰， 有利于软件系统的扩展和剪裁。 第五章对小区供热站关键控制参数预测算法进行了研究，改进了神经 网络驱动型模糊推理系统一n n f r 模型，并将其与k o h o n e n 十经网络结 合起来，通过实验证实预测结果良好。 第六章对该温度采集技术的应用前景和推广价值作出了展望，并给出 了系统下一步的工作。 关键词：小区供热；短消息业务：多线程；嵌入式开发；人工神经网络 t h ed e s ig na n dr e a iiz a t i o no ft e m p e r a t u r ed a t a o o ii e c t i o nf o rh e a t in gs t a r i o no fs e p a r a t ea r e a s b a s e do ng s mn e t w o r k a b s tr a c t b a s e do ns m ss e r vic eo ng s mn e t w o r k ，t h e2 “g e n e r a tio nn e t w o r k o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，t h es y s t e mo ft e m p e r a t u r ed a t ac o l l e c t i o n u s e di nh e a t i n gs t a t i o n so fs e p a r a t ea r e a si sd e s i g n e da n ds e t u p t h i ss y s t e mr e a l i z e sd a t ac o l l e c t i o na n dp r o c e s sf o rh e a te n e r g y f l o wa n dp r e c i s ec o n t r o lo nh e a t i n gs t a t i o n s a n dt h i ss o l u t i o n p r o v i d e san e wm e t h o d ，b a s e do hi n f o r m a l i o n t e c h n o l o g y ，t o e n e r g y s a v i n gi n n o v a t i o nf o re x i s t i n gb u il d i n g st h a ta r eh i g h e n e r g yc o n s u m i n g i nt h i ss y s t e m ，g s mc o m m u n i c a t i o nm o d u l e s ， s i e m e n sm c 3 5 i ，a n ds i n g l e c h i p s ，w i n b o n dw 7 8 e 5 1 6 b ( b e l o n g st ot h e s e t i e so fm c s 5 1 ) ，a r eu s e dt o c o m p o s eac o l l e c t i o nm o d u l e b va t c o m m a n d s ，t h ed e t e c t i n gc e n t e ro fs e p a r a t eh e a t l n gs t a t i o nd e t e c t s t e m p e r a t u r ec h a n g e si na n do u to fu s e r s h o u s e sa n dr e c e i v e sd a t a s c o l l e e r e db yc o l l e c t i o nm o d u t e s i nt h ee n d t h ef o r e c a s ta l g o r i t h m o fk e yp a r a m e t e r sf o rc o n t r o l l i n gh e a t i n gm a c h i n e si ss t u d i e d t h e i m p r o v e da l g o r i t h mm a k e st h ef o r e c a s t o fk e yp a r a m e t e r sm 。r e p r e c i s e t h et h e s i si sc o m p o s e do f6c h a p t e r s c h a p t e rld e s c r i b e st h e a r e h i t e c t u r eo fg s mn e t w o r k ，a n df o c u s e so r t h es m ss e r v i c e m e a n w h i l e ，t h ec h a r a c t e r s ，s t r u c t u r ea n dh o tt r e n do fs m ss e r v i c e a r ein t r o d u c e d b a s eo nt h ea n a l y s i so fs m ss e r v i c ei n c h a p t e rl ，n e t w o r k s t r u c t u r eo ft h iss y s t e misd e s i g n e di nc h a p t e r2 a c c o r d i n gt ot h e s t f u c t u r e ，t h ew h o l em o n i f o rs y s t e mi sd i v i d e din t o2p a r t s o n e isd e t e c t i n gc e n t e r ，a n dt h eo t h e ri sc 0 11 e c t i o nm o d u l e c h a p t e r 3p o i n t so u th o wt os e tu pt h ed e t e c t i n gc e n t e r ，i n c l u d i n gh a r d w a r e a r c h l t e c t u r ea n dd e s i g no f s o f t w a r e t h i sc h a p t e ra l s od is p l a y s c i r c u i td i a g r a m so f 。h a r d w a r ei n t e r f a c e sa n df 1 0 wc h a r t so fs o f t w a r e i nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，e x t e n d i n gs e r i a l p o r t isr e a l i z e du s in g p a r a l l e lp o r tt oc o n t r o ls e l e c t i o nl o g i c a n dd r i v e rp r o g r a m m in g i su s e dt 0a c c e s st h ep a r a l l e lp o r t c h a p t e r4i n t r o d u c e sh o wt od e s i g nt h ec i r c u i to fh a r d w a r e s t r u c t u r ea n de m b e d d e ds o f t w a r er u n n i n go ni tf o rt h ec o l f e e t i o n m o d u l ea n da l s od i s p l a y sc i r c u i td i a g r a m so fh a r d w a r e ，f l o wc h a r t s o fs o f t w a r ea n dk e yc o d e s d u r i n gt h i sd e s i g n ，f i r a t l y ，f i n i t es t a t e m a c h i r ei si n t r o d u c e d t h e nt h i sm e t h o di sa p p l l e dt os o f t w a r e d e s i g n i tm a k e ss o f t w a r es t r o n g e r ，a n dd e s i g nl o g i cc l e a r e r ，a n d i so fg r e a th e n e f i tt ot h ee x p a n s i o na n dc u tf o rs o f t w a r es y s t e m i nc h a p t e r5 ，t h ef o r e c a s ta l g o r i t h mo fk e yp a r a m e t e r sf o r c o n t r o l l i n gh e a t i n gm a c h i n e siss t u d i e d i ti m p r o v e so nn e u r a l n e t w o r k d r i v e nf u z z yr e a s o n i n g ( n n f r ) m o d e lt oc o m b i n ew i t hk o h o n e n n e t w o r k s i tw o r k sw e l lv e r i f i e db ye x p e r i m e n t a t i o n s c h a p t e r6i sac o n c l u d i n go n e i ti n d i c a t e st h i ss y s t e mh a st h e g r e a tv a l u ei np o p u l a r i z e da p p l i c a t i o n s a n dt h i sc h a p t e ra l s os a y s w h a ts h o u l db ed o n en e x ts t e pf o rs y s t e mu p d a t e k e y w o r d s ：h e a t i n gs t a t i o n ；s h o r tm e s s a g es e r v i c e ：m u i t i t h r e a d e m b e d e ds o f t w a r e ；n e u r aln e t w o r k 皋于g s m 咐络的小区供热站温度采集系统的设计与实现 0 前言 近年来，我国建筑规模迅速扩大，现在一年建成的房屋建筑面积，比 所有发达国家一年建成的房屋建筑面积的总和还要多。本世纪头2 0 年内， 建筑业仍将迅速发展。预计到2 0 2 0 年底，全国房屋建筑面积将达6 8 6 亿 平方米，其中城市为2 6 1 亿平方米。如此巨大的建筑规模，在世界上是空 前的。 然而，房屋在约1 0 0 年左右的使用期间内，需要不断消耗大量的能源， 主要用于采暖、空调、通风、热水供应、照明、炊事、家用电器等方面。 如果浪费能源的房屋建得越多，遗留下来的能源消耗的负担就越发沉重。 发达国家从! 9 7 3 年能源危机时就开始关注建筑节能，之后由于减排 温室气体、缓解地球变暖的需要，更加重视建筑节能。在生活舒适性不断 提高的条件下，新建建筑单位面积能耗己减少到原来的1 3 1 5 ，对既有 建筑也早已组织了大规模的节能改造，而我国建筑节能工作总体上却行动 迟缓，至今城镇建成的节能建筑仅占城镇建筑总面积的2 。 建设部等相关部门制定了建筑节能管理办法，编制了一批建筑节能设 计标准。但是，从总量上来看，到目前为止，不仅既有的4 0 0 多亿平方米 城乡建筑中的9 9 为高耗能建筑，而且新建的数量巨大的房屋建筑中， 9 5 以上还是高能耗建筑。单位建筑面积采暖能耗高达气候条件相近的发 达国家新建建筑的3 倍左右。而舒适度却远不如发达国家。 今后，随着人民生活水平的提高，人们对建筑热舒适性的要求越来越 高。冬天室温由1 2 摄氏度、1 6 摄氏度提高到1 8 摄氏度甚至2 0 摄氏度； 热天的室温由3 2 摄氏度降低至2 8 摄氏度，甚至2 4 摄氏度。同时，采暖 区大大向南扩展。随着某些村镇的渐趋富裕，采暖将在许多村镇逐步得到 发展。使用采暖的时间也在延长。 严峻的事实表明，发展节能与绿色建筑刻不容缓。开展建筑节能，一 方面要对既有建筑进行节能改造：另一方面，要加强节能建筑的建设。 当前，在城镇新建小区的建设中，为了使商品房增值，新建小区均优 先考虑供热网的配套建设。由大型热电站为中心的城市供热网，显然是首 选方案，但是由于受到地形、选址、投资、环保诸多因素的限制，许多小 区采取了因地制宜的方式，选择建设小区供热站。这种供热站烟囱高度一 般为3 0 米，并与楼层外墙“隐蔽”结合，配以l o 2 0 吨往复链条炉排式 水暖锅炉，供热面积一般可达十几万到几十万平方米。如何对小区用户的 供暖情况进行实时的监测，从而对小区供热站锅炉系统进行有效的控制， 中围海洋大学硕士学位论文 不仅具有重要的理论研究价值，而且具有显著的节能和环保方面的意义。 数据通信是通信技术和计算机技术相结合而产生的一种新的通信方 式。要在两地间传输信息必须有传输信道，根据传输媒体的不同，有有线 数据通信与无线数据通信之分。 有线数据通信系统中常用的下位机是各种单片机，例如m c s 一5 1 系列 等。此类单片机设置了全双工的串行口，可以同时进行接收和发送，可以 选择多种通信模式。然而，由于r s 2 3 2 接口传输距离只有几十米，即使 转换成工业r s 一4 8 5 接口，传输距离也只有几千米，且需要铺设专门线路， 布线费用高。对于更远距离的传输就无能为力了，所以应用受到了限制【1 l 。 数据的无线通信是无线监测系统的核心技术。而目前市场上的微功率 数传模块一般是采用单片式的无线收发芯片加上几个外围元件”搭”起来 的，这类产品成本e e 较低廉，但技术指标及稳定性较差，其通讯距离受到 发射功率、接收灵敏度、抗干扰性能、m o d e m 解调灵敏度、数据传输 速率、天线架设高度、天线增益、馈线损耗、电磁环境、地形特征、天气 状况、是否采用中继等因素的影响。并且，无线通信系统的数传电台应工 作在国家无线电管理委员会指定的2 3 0 m h z 无线数传专用频段【2 l 。 g s n 调制解调器的出现给6 s n 的发展注入了新的活力，它改变了传统 的以话音为主的通信手段，打开了g s m 网络数据通信及其应用的大门。以 g s m 网络作为无线传输网络，可以开发出各种前景极其可观的各类应用。 而且当短消息的使用量庞大时，资费方面可以和通信公司签订协议，根据 具体短消息的使用量进行优惠。显然这种监控系统的应用极其广泛。 根据以上对数据通信网络的分析，结合我国未来一段时间内将对既有 建筑采暖节能改造的迫切需求，我们提出了将g s m 短消息数据传输应用 于小区供热站对小区用户室内室外温度的监测和采集，为精确的温度控制 提供了可靠的参考，在保持舒适度的情况下，节约了采暖用能，保护了大 气环境。下图0 1 是系统的实施方案图：终端采用单片机串口和通信模块 相连的单片机系统，系统内部用a t 指令进行通信，并以短消息的形式通 过g s m 网络与小区供热站检测中心相互通信；检测中心则提供供热设备 关键控制参数的可靠参考。 幽01 系统框图 中国海洋犬学预：l ：学位论文 1 g s m 系统概述 1 1g s m 系统的组成 g s m 数字移动通信系统史源于欧洲。它的出现标志着第二代移动通信 系统( 2 g ) 的诞生。所谓移动通信，一般是指移动体与固定地点、或者移 动体相互间的通过有线和无线信道进行的通信。“。g s m 网络主要由交换网 路子系统( n s s ) 、无线基站子系统( b s s ) 和移动台( m s ) 三大部分组成 i “。各子系统之间的联系及各子系统的组成如图l ，l 所示。 j 一一 一 患甚蕊一i # + i 二 注释 照 c o n 盼_ r ”o l 吼i e “r ”( b “s c ) 每个轰( m + o b i l e 腽 每个惦 澎 二一_ _ 三一 s t a t i o n ) 都由旺 b t s8 t sb t s( o i l 8 i 上 一l r 删烈同， 黔黔 7 图1 lg s m 系统框豳 ( 1 ) 交换网路子系统 交换网路子系统( n s s ) 主要完成交换功能和客户数据管理、移动性 管理与安全性管理所需的数据库功能。n s s 由一系列功能实体所构成，各 功能实体介绍如下： 夺移动交换中心【m s c ) 是蜂窝通信网络的核心，其主要功能是对位于 本m s c 控制区域内的移动用户进行通信控制和管理。 夺原地位置寄存器( h l r ) 是一种用来存储本地用户位置信息的数据库。 在蜂窝通信网中，通常设置若干个h l r ，每个用户都必须在某个h l r r 相当于该用户的原籍) 中登记。 夺访问位置寄存( v l r ) 是一种用于存储来访用户位置信息的数据库。 一个v 1 r 通常为一个y l s c 羟制区服务，也可为几个相邻m s c 控制区服 两曼 i攀一 一回匿 中圈海洋夫掌顺l 学位论文 务。当移动用户漫游到新的m s c 控制区时，它必须向该地区的v l r 申 请登匠 夺鉴权中心( a u c ) 的作用是可靠地识别用户的身份，只允许有权用户 接入网络并获得服务。 夺设备标志寄存器( g i r ) 是存储移动台设备参数的数据库，主要完成 对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的入网。 ( 2 ) 无线基站子系统 b s s 系统是在一定的无线覆盖区域中由m s c 控制，与m s 进行通信的 系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实 i 奉可分为基站收发台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 。 夺基站收发台( b t s ) 是一个无线接口设备，它完全由b s c 控制，主要 负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、 跳频等功能。 夺基站控制器( b s c ) 是基站收发台和移动交换中心( m s c ) 之间的连接 点，也为基站收发台和操作维护中心f o m c ) 之间交换信息提供接口。 个基站控制器通常控制几个基站收发台其主要功能是进行无线信 道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除，并对本控制区内移动台 的过区切换进行控制等，是个提强的业务控制点。 ( 3 ) 移动台 移动言就是移动客户设备部分，由两部分组成：移动设备( m e ) 和客 户识别卡t s i m ) 。它采用t d w a 多址万式与f f s s 通信，但在6 $ s 中同时有 八个用户共用一个频率，每一个占用一个时隙，在m s 中只占一个时隙”1 。 移动设备就是“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、信启、发射和接收。 s i 卡f s u b s c r i b e ri d e n t i t y l o d u l e ) 即用户身份识别模块。该模 块可以说是移动台的功能实体，它包含了所需的用户数据，特别是存有认 证客户身份所需的所有信息。除了某些特殊情况 如紧急呼叫等) ，在没 有s i m 卡时g s m 用户是不能接入g s m 网络的。同时，s i m 卡应符合1 s 0 7 8 1 6 标准，该标准准确地规定了机械和微电路卡的功能。 ( 4 ) 操作和维护中心 g s m 系统的操作和维护中心r o m c ) 主要是对整个g s m 网路进行管理 和监控。通过它实现对g s m 网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊 断等功能。 中国海洋大学顺j 二学位论文 1 2 基于g s m 的短消息业务 ( 1 ) 短消息业务的起源 1 9 9 2 年1 2 月，世界上第一条短消息通过英国沃达丰( v o d a f o n e ) 公 司的g s m 网络从一台电脑传递到了一部手机上。此后的几年内，短消息的 用途类似寻呼用于通知用户语音邮件到达，并役有得到广泛的应用。 1 9 9 8 年，短消息的“境遇”有了根本性的变化。由于话音业务的增 长明显放缓，发展移动数据业务的呼声日益高涨。欧洲的些运营商将目 光投向了短消息这个被冷落了数年的“金矿”。s o n e r a 、v o d a f o n e 、 m a n n e s m a n n 等先后上马短消息业务( s m s ) ，力求造就新的业务增长点， 从而迅速掀起了一场短消息热潮。 ( 2 ) 短消息业务的定义 短信息服务是一种在移动网络上传送简短信息的无线应用，是一种信 息在移动网络上储存和转寄的过程”。与普通的寻呼机制不同的是，s m s 是一项有保证的双向服务i 。发送方可以在将短消息发送出去之后得到一 条确认通知。短消息被发送出去之后，不是直接发送给接收方，而是先存 储在s m c ( 短消息中心) ，然后再出s i c 将短消息转发给接收方。如果接 收方当时关机或不在服务区内，s m c 就会自动保存该短消息，等到接收方 在服务区出现的时候再发送给他。同时，s m s 又是非对称业务，它使用s s 7 信令信道“传输数据分组。所以，系统可以支持短消息与话音、传真等业 务的同步传输。 ( 3 ) 短消息业务的系统构成 g s m 标准中定义的点到点短消息服务使短消息能够在移动台和短消 息服务中心之间传递，下图1 2 是基于g s m 网络的典型s 躯体系构架。 _ _ 竺、j v l 8 目 一。 亍 s m e 一 ； 二二_ i 面品；：i 一学i f l 一赢 s m e 一 一 图l _ 2s m s 的体系结构 夺s m e ( 短消息实体) ：负责接收和发送短消息。可以位于固话系统、 移动基站或其他服务中心内。 m s c ( 移动交换中心j ：负责系统交换管理，控制来自或发往其他 电话或数据系统的通信。 夺s s c ( 短消思业务中心) ：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，负责中继、存储或转发短消息9 3 。 夺s m c g w f 、i s ( 短消息中心网关) ：是与其他网络打交道的节点， ( 4 ) 短消息业务的实现 审实施单元 在移动台之间转移短消息，s m e 可能是一台服务器、一台微型计算机 或是一个g s m 终端。 夺发送短消息 短消息的发送过程在m s c 、v l r 和h l r 之问仅仅参与了凇p 协议，因 此它不需要预定的话音电路：在移动台之间的会话是由s m s 层管理的。移 动传输实体按至多1 4 0 字节块的形式编码短消息，把收件人的地址置于 t l 传输层的p d u 中，如果超过此长度，则要分多次发送“。1 。 夺接收短消息 短消息可通过多种途径传送到短消息业务中心，再从s i s c 发出后， 经过s ! , i s g a t e w a y ，经要询h l r 获得m s 的地址，：留消息送到 v i s e ，最后到 达m s ： ( 5 ) 短消思业务嗣发展 随着g s m 移动通信网络的迅速普及和竞争的同益激烈，新技术和新业 务的开发和应用己提到十分重要的位置。短消息、服务业务( s m s ) 作为g s v l 网络的- - , e e 基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重 视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。 在短消息可靠传递的基础上，g s g 网络与国际互联网技术的结合以及 g s m 调制解调器的出现和应用将给目前以提供话音服务为主的g s m 移动通 信网络带来新的生机。 首先，g s m 网络与国际互联网技术的结合推动了移动通信的发展。通 过在g s m 网络和计算机互联网络之间建立一个信息服务网关我们就可以 将两网连接起来实现无线数据业务的应用。 其次，g s m 调制解调器的出现给g s m 的发展注入了新的活力，它改变 了传统的以话音为主的通信手段，于丁开丁g s ! a 网络数据通信及其应用的大 门。目前已出现了称为调制解调器和通信模块的g s m 移动终端，使系统开 发商能够方便面迅速地构筑赶各种应用系统。 现在，以g s m 网络作为无线传输网络，可以开发出多种前景极其乐观 的各类应用。由于g s m 网络在全国范围内实现了联网和漫游，使得其在无 线网络覆盖上具有无法比拟的优势，这将使这些应用得到迅速的普及。 鉴于g s m 嘲络的小区供热站温度采集系统的设计与实现 2 系统网络结构设计 根据s m s 数据业务的特点以及小区供热站管网布置情况，我们可将整 个供热小区划分为若干个子区域来进行实时监测。在此基础上，对系统的 可扩展性、可裁剪性和系统自检等功能进行了设计。本章我们对系统的网 络结构设计进行讨论，并介绍了网络结构层的助能。 2 1 系统的网络结构 整个系统划分为供热站检测中心和前端温度采集模块。如图2 1 所 示。供热站检测中心设置n 个网络接入点，供热小区划分为m 个子区域。 前端温度采集模块分布于各子区域中，采集点的数量、安放位置及布置密 度由各子区域的具体需求来决定。 图2 1 网络结构图 检测中心通过网络接入点和供热小区各子区域的采集点通信。检测中 心每2 分钟轮训各网络接入点一次。我们以采集点的采样间隔3 0 分钟计 算，假设在采集点每1 条温度记录组成一个温度记录集( 参见4 2 节) ， 系统网络结构中n = 3 ，则系统网络中温度采集点的容量为4 5 ，亦即3 0 分 钟采样间隔下最小的温度采集点网络容量。假设每l 条温度记录集有4 条温度记录组成，则网络能容纳的温度采集点的数量将扩展为1 8 0 ，足以 满足供热小区采集点覆盖密度的需要。 2 2 网络功能 ( 1 ) 系统白检 检测中心启动所有的网络接入点，用于接收来自个采集点的数据，并 基于g $ 1 、j i 刚络的p 区供热站温度采集系境舵设与实埋 2 系统网络结构设计 根据s m s 数掘业务的特点以及小区供热站管网布置情况，我们可将整 个供热小区划分为着干个子区域来进行实时监测。在此基础上，对系统的 可扩展性、可裁剪性和系统自检等功能进行了设计。本章我们对系统的网 络结构设计进行讨论，并介绍了网络结构层的功能。 21 系统的网络结构 整个系统划分为供热站检测中心和前端温度采集模块。如图2 1 所 示。供热站检测中心设置n 个网络接入点，供热小区划分为m 个子区域。 前端温度采集模块分布于各子区域中，采集点的数量、安放位置及布置密 度由各子区域的具体需求柬决定。 广百磊i 二三二三三e 三= - 二_ _ 月珞接 点i 网毕接入点! l 目崭接 点n _ ：= _ _ 二：二i 二二二 二 ! g s m 鹤 吕 声巨窿| 耍日l 圃| l 匝i 堑 l 圈r i 圃1 图2l 网络结构图 检测中心通过网络接八点和供热小区备子区域的采集点通信。检测中 心每2 分钟轮训各网络接入点次。我们以采集点的采样间隔3 0 分钟计 算，假设在采集点每i 条温度记录组成一个温度记录集( 参见4 2 节) 系统网络结构中n = 3 ，则系统刚络中温度采集点的容量为4 5 ，亦即3 0 分 钟粟样间隔下最小的温度采集点两络容量。籁设每i 条温度记录集有4 条湍度记录组成，则删络能容纳的温度采集点的数量将扩展为1 8 1 ) ，足以 满足供热小区采集点覆盖密度的需要。 22 网络功能 f 系统自检 检测中心启动所有构网络馈入点，用于接收束自个采集点韵数据，并 检测中心宕动所有的尉络援八点，墙十接收来自个采集点的数据，并 中国海洋大学硕卜学位论文 检查接入点是否正常，更新接入点状态表；同时，查询数据库设备表，向 各采集点发送系统检测信号，检测网络系统是否正常，更新采集点设备表。 ( 2 ) 网络按入点的分配 检测中心按照固定的时间间隔，轮回利用各网络接入点向各采集点发 送数据发送请求，各采集点在接收到数据发送请求后，向检测中心发送数 据。 ( 3 ) 采集点的删除 当某个采集点在规定时间内没有发送数据响应时，检测中心会对其发 送网络检测命令，若没有应答信号，则该采集点被视为故障采集点，并在 数据库备案。 ( 4 ) 采集点的增加 新增加的采集点要在检测中心备案，当在检测中心系统中激活该采集 点时，须在2 4 小时以内，将采集点安装到位，并使其正常工作，否则， 检测中会在2 4 小时以后由于没有检测到该采集点，而视该采集点为故障 采集点，并在逻辑上将其删除。 ( 5 、网络接入点的删除 某一网络接入点出现故障时，检测中心将该网络接入点在数据库中备 案为故障接入点，并在逻辑上将其删除。 ( 6 ) 网络接入点的增加 系统设计预留了网络接入点接口，可以在不修改系统软硬件的情况下 增加网络接入点。 基于g s m 网络的小区供热站温度采集系统的蹬计与实现 3 供热站检测中心系统设计 供热站检测中心在整个小区供热站温度采集系统中处于重要的地位。 一方面，检测中心负责检测小区用户的室内温度和小区的室外温度：另一 方面，要根据所褥的温度数据，以及当天的气象参数，给出供热站关键控 制参数的预测，以便供热站工人及时调整供热站供热设备各关键控制参 数，以达到更好地为小区供暖服务，并节约能源、保护大气环境的目的。 本文中供热站检测中的实现是基于单主机的，即数据库和系统应用程 序在同一台主机上，采用串口扩展的方式接入多个网络接入点。本章，我 们将从供热站检测中心系统的硬件架构和软件设计两个大的方面来展开 论述。供热站供热设备关键控制参数的预测算法研究将在第5 章论述。 3 1 系统的硬件架构 小区供热站为增大供热面积，一般都对锅炉上锅筒的回水器进行了扩 孔改造。将原有的中1 4 x 2 2 5 个回水孔扩孔为中2 5 x 2 2 5 个，从而降低了 回水口的阻力损失，增加了2 0 的流量，使链条锅炉处于低温( 一般出 水口温度小于8 0 ) 大流量的运行模式。这种改造虽然有利于打孔增大 供热面积，避免“间歇”式运行，但却增加系统的“热惰”性，使出水口 温度的变化要经过2 3 小时才会影响至末端负载，增强了小区热网的非 线性大时滞特性，根据系统的这种特性，并根据青岛市春江供热站的管网 布置，在上一章对网络结构分析的基础上，本文的网络结构取n = 3 ，m = 3 。 供热站检测中心从硬件上可以分为g s m 数据通信模块，即网络接入 点，和控制主机两大部分，如图3 1 所示。g s m 数据通信模块受控于控制 主机，负责接收和发送温度值和指令请求；控制主机检测是否有数据到达 和发送指令请求，同时将数据存入数据库，并实时显示。 图3 1 检测中心硬件构架图 下面的部分，我们将着重介绍6 s m 数据收发部分和( ；s m 数据通信模块 块 块 块 模 幢 模 唐 信 信上四粕占籼占抛 教 数 数 m m m 、i，j 锵；o 中国海洋大学砸e 学位论文 与控制主机的连接接口设计。 3 1 1 g s m 通信模块选择 s i e m e n sm c 3 5 i 通信模块是一款专门为g s m 9 0 0 m h z 和 g s m l 8 0 0 m h z 双频网络而设计的g s m g p r s 无线通信模块。它完全兼 容于上一代的m c 3 5 产品，性能优良、操作简单，给用户提供了更加可 靠便捷的嵌入式无线连接，在众多领域中都得到了广泛的集成应用：遥感 勘测、远程信息处理、电话系统等。例如：p o s 终端机和扫描器、自动 售货机、安全系统、远程遥测和信息处理系统、跟踪管理系统、交通控制 和导航系统、便携式控制装置、g p r sm o d e m 等，都是在这些领域的具 体应用。其主要性能特点为： 夺支持e g s m 9 0 0 g s m l 8 0 0 双频 夺支持g r p sc l a s s8 c l a s sb 令支持g s mp h a s e 2 2 + 夺输出功率：e g s m 9 0 0 时，2 w ：g s m l 8 0 0 ，1 w 夺输入电压：3 3 4 8 v 夺功耗：休眠状态，3 ，5 0 m a ( 最大) ；空闲状态，2 5 0 r n k ；发射j 吠态， 3 0 0 m a ( 平均) ，2 5 0 a ( 峰值) 夺控制：a t 指令直接控制 夺环境温度：- 2 5 。c + 5 5 。c 夺数据速率：c s d 状态下最大速率1 4 4 k b p s ，g p r s 状态下行最大速率 8 5 6 k b p s 在本系统中，我们利用了其s m s 数据传输功能，g p r s 功能主要是 为下步的系统升级做准备，请参见第6 章。 m c 3 5 i 模块主要由g s m 基带处理器、g s m 射频模块、供电模块 ( a s i c ) 、内部f l a s h 、s r a m 、z i f 连接器六部分组成。图3 2 给出了s i e m e n s m c 3 5 i 通信模块的电路结构。 夺g s m 基带处理器是m c 3 5 i 的核心部件，其作用相当于个协议处理 器，用来处理外部系统通过串口发送过来的a t 指令，处理g s m 终 端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数 字功能。 夺g s m 射频模块主要实现信号的调制与解调，以及外部射频信号与内 部基带处理器之间的信号转换。 令z i f 连接器通过4 0 引脚的接口将m c 3 5 i 通信模块和应用平台连接在 一起。按照功能大致可分为4 个子接口：电源接口、串行通信接口、 基于g s m 删络的小区供热站温度采集系统的髓计与实现 音频接口、s i m 卡接口。z i f 连接器提供了5 个电源引脚( b a t t + ) 和5 个接地引脚( g n d ) ，可通过b a t t 半直接驱动射频放大器部分。 夺供电模块可以提供3 3 v 到4 8 v 的稳定电源，进行过电流保护，可以 承受的最大电流为2 a ，并能在天线不匹配等不正常的大电流消耗的 图3 2s i e m e n sm c 3 5 i 电路结构 m c 3 5 i 通信模块提供了8 线异步穿行通信接口，遵循u - tv 2 4 数 据通信设备信令协议，以0 伏代表低电平位，2 6 5 伏代表高电平位，最高 可支持2 3 0 k b p s 传输速率，为在远程控制等方面的应用提供了简易的集 成。基于此，可以通过a t 命令实现远程控制。 通过串行接口我们可以组成数据通信设备( d c e ) 和数据终端设备 ( d t e ) 的连接，利用m c 3 5 i 通信模块组成各种各样的应用系统。图3 3 给出了数据通信设备( d c e ) 和数据终端设备( d t e ) 连接结构。 g s m ho d u l e ( d c e 、a p p l i c a t i o n ( d t e ) 厂r x d 0、，r x d ，r x d 0 r x d r t s 0 j ， ，r t s ，c t s o 1 【 ，c t s ，d t r 0 。 7 1 、 仍t r ，d s r 0 仍s r ，d c d 0-仍c d ，r 州g 0 k 琅烈g r 1 圈33d t e 和d c e 连接结构 31 2g s m 数据通信模块连接接口设计 计算机接门是指主扳和某类外设之削的适配电路，其功能是解决主板 中国海洋大学蛹士学位论文 和外设之间在电压等级、信号形式和速度上的匹配问题，不同类型外设需 要不同的接口。为了在控制主机的串口上挂接多个g s m 数据通信模块，我 们对主机串口进行了扩展，其设计思想是： 利用计算机并口的数据线( 本系统中利用了3 根数据线) ，对挂接在 主机串口上的扩展串口进行选通控制，以得到串口扩展功能。 3 1 2 1 串口扩展设计 ( 1 ) 计算机串行接口 利用计算机已有的标准接口实现计算机与外部设备、计算机与计算机 之间的通信有设计简单、危险性小、节省扩展槽、开发方便、安装方便等 优点。目前，常用的串行接口有r s 一2 3 2 c 串口以及新近出现的u s b 接口、 i e e e1 3 9 4 接口等。这里仅对r s 一2 3 2 c 串口有关内容简述如下： r s 一2 3 2 最初是由美国电子工业协会( e i a ) 于1 9 6 0 年公布的串行通 信接口标准。1 9 6 9 年，美国电子工业协会( e i a ) 又公布了r s 一2 3 2 c 作为 串行通信接口的电气标准，该标准符合o s i “基本参考模型物理层部分的 规格，规定了连接器形状等物理特性，定义了数据终端设备( d t e ) 和数 据通信设备( d c e ) 间按位串行传输的接口信息，合理安排了接口的电气 信号和机械特性。目前r s 一2 3 2 c 已被广泛地用于计算机接口与终端或外设 之间的近端连接标准。但最初制定的r s2 3 2 c 标准，并未考虑计算机系统 的应用要求，因此，这个标准的有些规定和计算机系统是不一致的，甚至 是相矛盾的“”“。这是我们在应用时要注意的地方。 r s 一2 3 2 规则定义由d t e 向d c e 进行对话。d t e 是数据的来源和接收端， 如打印机、终端机、个人电脑等设备；d c e 是指两d t e 间的桥梁，如m o d e m 等设备“。几乎在所有的情况下，p c 机上的串口被配置成d t e ，而所有的 m o d e m 串口被配置成d c e ，大多数的其他外设是d c e ，但是也有例外，包 括很多串行打印机。 ( 2 ) 计算机并行接口 目前，计算机中的并行接口主要作为打印机端口，接口使用的不再是 3 6 针接头而是2 5 针d 形接头。所谓“并行”，是指8 位数据同时通过并 行线进行传送，这样数据传送速度大大提高。现在常见的并口有五种：$ p p 型、p $ 2 型、e p p 型、e c p 型和多模式接口，大多数p c 机配有$ p p 并口。 并行端口共有2 5 支脚，但不是每支脚均被使用到。这些脚被区分为 3 种主要的功能，分别是用于数据的传送、检查打印机的状态及控制打印 机。在p c 机中，标准并行口使用了3 个8 位的端口寄存器，p c 就是通过 对这些寄存器，也就是所说的数摒、状态、控制寄存器的读写访问并口的。 基于g s m 网络的小区供热站温度采集系统的设计与实现 本文中仅使用了3 个数据位d 5 d 7 柬实现对扩展串口的切换。 ( 3 ) 并口控制下的串口扩展 在这里我们利用了并口的8 位数据口的高3 位来实现对扩展串口选通 控制。利用3 - 8 译码器，并口可以输出8 路控制信号，亦即系统可以实现 8 个扩展串口。本系统中，我们仅用了其中的3 路。 31 22 接口电路 g s m 数据通信模块与控制主机的接口电路如图3 4 所示，为简化电路， 这里仅将一个g s m 数据通信模块接口包含在内。g s i l 数据通信模块与串口 的连接需要电平的转换，在本系统中我们使用了m a x 3 2 3 8 芯片。选通芯片 选用了三态的7 4 h c 2 4 4 芯片。 图3 4g s m 数据通信模块与控制主机的接口电路 3 2 系统的软件设计 本系统的运行平台为w i n d o w s 2 0 0 0 系统，采用v i s u a lc + + 6 0 开发工 具，利用多线程编程技术实现串行通信。后台数据库采用a c c e s s 数据库。 整个系统可划分为六大模块：串口通信模块、数据处理模块、数据库管理 模块、数据显示模块、参数预测模块、用户界面模块。软件的功能模块如 下图3 5 所示。 中国海洋天学颁卜学位论文 图3 5 软件的功能模块 软件系统运行主界面如下图3 6 所示： 3 2 1 程序设计的关键技术 图3 6 运行界面 一、w i n 3 2 串行通信技术 在w i n d o w s 系统中，通过其s d k 提供了完备的a p i 函数和以中断方式 驱动的通信驱动程序，从而使程序员借助各类驱动程序实现串行通信。在 w