基于GPRS网络的供水管网SCADA系统的应用研究 75页

'北京化工大学硕士学位论文基于GPRS网络的供水管网SCADA系统的应用研究姓名：宋子健申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：莫德举20060426 基于GPRS网络的供水管网SCADA系统的应用研究摘要随着城市规模的不断扩大，传统的以人工协调操作为主的供水管网管理运行方式已无法满足现行系统的需求，加强供水管网的远程数据采集和监控能力对整个城市的发展有着深远的意义。为了进一步改善城市供水质量、提高供水系统运行效率，应用基于计算机技术的城市供水管网监控系统成为必然的发展趋势。课题针对供水管网管理运行特点，提出了利用GPRS无线终端建立基于GPRS网络和互联网技术的远程数据采集和传输系统。本文首先分析了GPRS无线通信技术的特点及其在SCADA系统中的应用，并结合供水管网监测的特点，提出了系统的总体方案，系统分为控制中心、远程终端和数据通信三部分。控制中心监控所有供水站测量点，维护运行档案；远程终端监测站内实时参数，及时诊断异常故障；数据通信负责远程终端与控制中心的数据传输。文章详细阐述了GPRS远程终端的功能设计以及数据通信的原理和应用。远程终端采用嵌入式处理器的开放式可扩展结构，应用Linux操作系统，进一步增强了系统的实时性和稳定性。终端采集现场智能设备的HART信号、4-20mA模拟信号、脉冲计数量和RS232信号，存储并传输采集的数据，供控制中心远程查询和显示。同时终端内嵌I 北京化工大学硕士学位论文}册服务器，提供标准的浏览器界面，可实现对终端的远程网络配置。控制中心可以随时访问远程终端，利用PPP协议建立基于GPRS的无线网络连接，利用Socket网络编程接口开发监测系统的远程数据通信。目前系统已投入使用，能够满足当地供水站监测的需求。研究开发适用于供水站控制和调节的先进算法和功能，是分布式供水站监控系统的发展方向。关键词：数据采集，GPRS网络，水资源，TCP／IP，HARTII 垄塞垡三查兰堡主兰竺堡奎RESEARCHOFⅥⅪ’ERPIPEL【NESSCADASY咖MBASEDONGPRSNETWORKABSTRACTAsthecontinuousgrowthofurbanarea，thetraditionaloperationofthepipelinenetworksforwatersupplywhichcontrolledmainlybymanualcoordinationisnolongertomeettheneedofthecurrentwatersupplysystem．Therefore，tointensifythecapabilityofremotedataacquisitionandmonitorintheurbanpipelinenetworksisagreatandfar—reachingsignificancetothedevelopmentofawholecity．Inordertoimprovethequalityofwatersupplyinacityandraisetheefficiencyoftheoperationofwatersupplysystem，usethecomputer-basedmonitorandcontrolsystemforurbanwatersupplynetworksisaninevitabletrendforthedevelopment．Takeintoaccountthemanagementcharacteristicsofwaterpipelinenetworks，thispaperputsforwardtoestablishasystembyusingGPRSwirelessterminalforremotedataacquisitionandtransmissionbasedonGPRSnetworksandInternettechnology．Thisarticlefirstly,makesananalysisOilthecharacteristicsofGPRSwirelesssystemanditsapplicationinSCADAsystem，andthenitoffersanoverallschemeincombinationwiththecharacteristicsofmonitorandcontrolsystemforthewatersupplynetworks．Theschemeincludesthreeparts：controlcenter,remoteterminalandremotedatacommunication111 !!室垡三盔堂堡兰三兰些堡奎一Thecontrolcentermonitorsandcontrolsallmeasuringpointsofawatersupplystation，maintainstheoperationfiles．Theremoteterminalmonitorsandmeasuresrealtimedatawithinthestation．ThedatacommunicationiSfordatatransmissionbetweentheremoteterminalandthecontrolcenter．ThispaperexpoundsindetailthefunctionanddesignofGPRSremoteterminal，principleandapplicationofthedatacommunication．Theremoteterminalusestheopenexpandablestructureoftheembeddedprocessor"appliesLinuxoperationsystem，thesefurtherenhancetherealtimeabilityandstabilityofthesystem．TheremoteterminalacquiresHARTsignal、4-20inAsignal、pulsecountandRS232signalintheintelligentequipmentonsite，storesandtransferstheacquireddata，whichateusedforremoteinquireanddisplaybythecontrolcenter．Inaddition．a}11T11Pseverisembeddedintheterminalanditprovidesastandardbrowserinterface，enablesremotenetworksconfigurationfortheterminal．Thecontrolcentercanaccesstotheterminalatanytime，usePPPprotocoltoestablishGPRS—basedwirelessnetworksconnection，useSocketnetworksprogramminginterfacetoestablishremotedatatelecommunicationforthemonitorandmeasuresystem．Thissystemisusedatpresentanditcanmeettheneedsformonitoringandmeasuringinthelocalwatersupplystation．Toresearch 北京化工大学硕士学位论文thedevelopmentofadvancedarithmeticandfunctionsuitableforthecontrolandregulationinawatersupplystationisatrendforthemonitorandmeasuresysteminadistributedwatersupplystation．KEYWORDS：dataacquisition，GPRSnetworks，waterresolLl"Ce，TCP／IP,HARTV 北京化工大学硬士学位论文GPRSSCADAOSIRTUTCP，IPHARTPPP符号说明通用分组无线业务(GeneralPacketRadioService)数据采集与监控系统(SupervisoryControlandDataAcquisition)开放系统互联参考模型(OpenSystemInterconnectReferenceModel)远程终端单元(RemotcTerminalUnit)传输控制协议／网络协议(TransferControinProtocol／IntemetProtoc01)可寻址远程高速通道开放通信协议(HighwayAddrcssabkRemoteTransduceO点对点协议(Point．to．PointProtoc01)vIll 北京化工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：l絮分健zD06年中月彤日 北京化工大学硕士学位论文第一章绪论1．1供水管网监测系统概要1．1，1供水管网监测简介水是生命之源，与人类生活和社会发展息息相关。城市供水是人们为了生活和生产的需要，由天然水体取水，经适当处理后，通过管网供人们生活和生产使用．然后排回天然水体，这个人为的循环过程就是水的社会循环。人们生活用水、工业用水和农业用水，都对用水的水量和水质有相应的要求。随着经济建设的大规模开展，我国城市供水工程建设也得到了飞速发展。在我国现有的669个城市中，建设系统内已有水厂2032个(全社会为4000个)，综合供水能力为10617×104m3／d(全社会供水能力为19994．46×104m3／d)，供水普及率达到94．99％，人均用水量为208．02Ud掣我国城市供水事业取得了巨大的成绩，供水面积、水处理能力、监测设备和运行管理等诸方面都得到了空前的发展。供水系统是保证城市居民生活用水、工业生产用水和市政消防用水的设施，通常由取水构筑物、泵站、输水管道、水处理构筑物、配水管网、调节机构等设施组成。供水系统的任务是从水源取水，按照用户对水质的要求进行处理，然后通过管道传输到各个供水站，再由供水站调节到适当的压力和流量后向附近的用户配水。城市供水调度系统一般包括供水控制中心、多个水厂分控中心、多个水厂监控分站、多个水源井监控站、多个管网加压站等。供水管网监控系统的主要任务是为供水管网管理人员提供集中供水系统的运行状况，帮助选择最佳的运行工况，进而调整和保持供水参数，使其达到供水装置安全和经济运行所必需的给定值，保证供水并节约能源。在整个供水系统中，由于各个环节所处位置和高度不同，为了保证供水区域之间的压力平衡和供水安全，需要测量水厂和各个监测站的进出口流量、管网压力、液位等信息，并及时把这些信息反馈给控制中心，从而快速有效的调整管网上泵站的运行和阀门开度，保证供水压力平衡。图1-1表示以地表水为水源的供水工程系统。 北京化工大学硕士学位论文图1—1供水系统示意图以管网上压力监测为例，它分为服务压力和控制压力，服务压力是指用户水表前管道中的水压，它应保证用户随时能从水嘴取到水。控制点的压力则是具有代表性的关健部位的管道中的水压，与城市管网的服务压力有很好的相关性。只要控制点的压力符合要求，全管网的水压就能得到一定的保证【2l。除了保证供水系统的正常运行，随着人们环保意识的提高，对用水水质的要求也越来越高。水质是水及其所含杂质共同表现出来的物理的、化学的和生物学的综合特性。某一水质特性，可通过水质指标来表达。常用的水质指标有以下几种：PH值、浊度、余氯等。供水系统是一个多参数测量系统(压力、流量、液位、水质分析等)，通常在一个供水系统内，所采用的仪表比较完整的配置如表1-1所示：I仪表类型压力变送器流量仪表液位仪表水分析仪表温度变送器l百分比约40％约25％约15％约5％1．1．2供水管网及水质监测的意义设立供水管网监测点，进行管网压力、流量和水质等数据的动态采集与监测，并对水资源进行合理的调度与控制，具有重大的意义【3】【41。随着人口增长、经济发展及城市化的加快，供水管网的服务面越来越广。为了更加科学合理地保证供水系统安全、掌握供水动态，现代供水技术要求在供水管网的特定位置必须设立供水管网监测点。 北京化工太学硕士学位论文以管网水压力这一重要参数为例，中华人民共和国建设部发行的行业标准中有许多与自来水管网的水压力相关，甚至做了严格的规定。这里列举《建筑给水排水设计规范》(GBJl5．88(公告6))中与水压力相关的部分条例，如下：第2．1．4条生活用水定额、水压及用水条件，应按工艺要求确定。第2．2．4条生活饮用水管道不得与非饮用水管道连接。在特殊情况下，必须以饮用水作为工业备用水源时，两种管道的连接处，应采取防止水质污染的措施。在连接处，生活饮用水的水压必须经常大于其他水管的水压。第2．3．3条生活、生产、消防给水系统中的管道、配件和附件所承受的水压，均不得大于产品标准规定的允许工作压力。第2．3．4条高层建筑生活给水系统的竖向分区，应根据使用要求、材料设备性能、维修管理、建筑物层数等条件，结合利用室外给水管网的水压合理确定。分区最低卫生器具配水点处的静水压，住宅、旅馆、医院宜为300～350kPa；办公楼宣为350～450kPa。由于水的不可替代性，决定了城市供水系统在城市基础设施中占有极其重要的位置。城市的供水状况，不仅对市民的生活质量和生活水平起着决定性作用，也直接制约着城市经济发展和城市建设。随着我国社会和经济的高速发展，环境问题日益突出，尤其是城市水环境的恶化，加剧了水资源的短缺，造成我国城市缺水现象很严重。由于供水不足，城市工业每年的经济损失达2300亿元。同时给城市居民生活造成许多困难和不便，成为城市社会中的一种隐忧【51。随着环境保护、节约能源等关系到国家可持续发展的问题日益得到了广泛重视与关注，对城市供水和排放管网的要求不再是简单的输送和排放的过程，现在更多的要考虑供水管网的泄漏监测、水质监测以及污水治理等方面。因此城市供水管网必须在确保用户供水品质的前提下，提高供水管网系统的技术含量和管理水平，降低供水运行成本。技术含量愈高，节能的效果愈明显。进一步扩展供水管网区域和规模，并改进和提高城市供水管网管理运营水平成为当前很重要的课题。面对城市建设的快速发展，对城市供配水管网系统必须采用现代化的管理手段，进行高效地管理，使管理由经验型管理向科学型管理转变，大力节约水资源。供水管网和水质监测系统是创建节水型城市必要的工具之一。供水管网及水质监测是自来水产品质量管理的一个非常重要的关键环节，关系到每一个人的身体健康。城市供水公司要把管网水质管理纳入企业管理的范畴，每天向分管领导提供报表，随时掌握水质动态，为水厂采取新工艺、新．1一 北京化工大学硕士学位论文技术提供了直接依据，同时提高了供水公司的社会效益，促进企业的全面发展。实现“为市民提供更好的服务，确保提高供水质量、水量、压力；科学优化成本；提高服务质量；提高自身的市场竞争力”的目标。1．1．3供水及水质监测系统应用现状在许多城市里，供水管网和水质监测站分布在城区的各个地点，过去主要采取人工抄表、电话报数、现场检测、手动操作调试的原始调度方法。位于控制中心(管理若干个地理位置比较集中的站点)的管理人员很难及时了解现场的运行状况，因此每个监测站点必须配备值站员对站内运行情况就地监测、记录、调节，并定期向其所属的控制中心报告当前的运行数据。由于供水管网地理位置分散，处理构筑物较多，采集、控制功能要求稳定，安全性要求较高，需要进行实时检测的项目指标多而复杂，如要对这些指标逐一实时检测，无疑会耗费大量的人力物力，给整个供水系统运行管理增加了相当大的难度。并且利用人工现场采集的方法收集信息数量少、处理慢、传递迟，调度处于低级阶段，以保证不缺水和维持正常运行为主，谈不上优化调度。遇上爆漏及其他事故，不能及时地诊断报警，影响供水管网系统的可靠运行。随着我国工业化进程的迅速发展，自动监控系统渐渐应用到城市和地区供水系统的监测过程当中，并且取得了相当好的效果，既节省了人力资源又节约了能源，有着广阔的发展前景。近年来，各地相继投资建立了具有自动监测能力的供水调度系统，将先进的监测和通信设备引入到监控系统中，在提高工艺和设备技术水平的同时，监控系统和管理水平也有了很大的提高。但同时我们也看到，在供水监测站计算机监控技术和通信技术的应用方面与发达国家相比还有差距。在过去很长一个阶段，受技术条件的限制，大多采用短波无线数传电台的方式来解决通信问题，这一方式的存在着十分显著的弊端：1)专用的无线电频段的占用，要向专门的无线电管理机构申请，手续麻烦。2)需架设较高的铁塔天线，来满足远距离短波信号发射、接收的要求，工程造价高。3)信号易衰减，通信质量不稳定，容易受中间阻挡障碍物的影响。4)室外天线易招致雷击，需安装专门的防雷设备。 北京化工大学硕士学位论文5)通信基于点对点轮询机制的限制，在电台数目较多时轮询周期长，数据刷新速度慢，实时性差。6)短波信号在空中以广播形式发送，系统安全性不佳。目前，自来水供水调度监控系统中采用的数据通信分为有线和无线两大类，有线通信主要包括架设光缆、电缆或租用电信电话线、x．25、DDN、ADSL等，而无线则包括超短波通信、扩频通信、卫星通信、GSM短信、GPRS通信等【“。在城市供水调度监控系统中，由于各管网监控点分布范围广、数量多、距离远，个别监测点还地处偏僻地区，因此架设光缆、铺设电缆难度大、不切合实际，向电信部门租用专用电话线又要申请很多电话线，而且有些监控点线路难以到达，况且采用电话线路时需要等待漫长的电话拨号过程，速度慢，运营成本较高，总之监控系统采用有线通信方式建设周期长、工作难度大、运行费用高，不便于大规模使用；与之相比，无线通信方式则显得非常灵活，它具有投资较少、建设周期短、运行维护简单、性价比高等优点。其中卫星通信由于通信费用昂贵，只在一些特殊的领域下使用，未得以普及；而扩频通信技术虽然速率高，但只能在视距范围内传输，应用也受到限制。采用超短波数传电台作为传输信道具有组网灵活、扩展容易、维修方便、运行费用低等优点，但如前所述，由于系统工作于230MHz且多采用普通间接调制的数传电台，这就造成系统易受外界干扰、通信速率低等一系列缺点。近年来，随着通信和网络技术的发展，尤其是GSM网络和Interact的发展，在越来越多的工业领域中，开始借助于公用的无线网络资源传送数据。GPRS就是这其中被越来越多的行业所看好并采用的一项技术。供水管网的数据采集、抄送，是一个十分典型的分布式数据采集系统，由于各个用户单位所覆盏的地域范围较广(凡公里到几十公里不等)，且数量会随着时间的推移而发生变化，因而采用无线通信手段完成数据采集已得到业内普遍的认同。1．2课题任务某工业园区水务集团公司管理所希望在现有条件下，以较低的成本投入研制一套供水站监测系统，实现对供水站工艺状况的监测自动化，初步掌握供水站监控系统中相关软硬件技术，为从监测系统向GPRS城市供水调度监控系统 北京化工大学硕士学位论文过渡打下基础，推动供水站监控系统的应用。本课题的任务是研究管网监测点相关参数的采集，为自动控制和调度提供科学依据，从而解决目前供水站监控系统开发、应用过程中存在的种种问题。该管网SCADA监测系统要能够对分散的管网测点进行数据采集，并可以进行数据处理，完成历史数据存储、数据显示、报警管理、报表生成等功能。整个系统分为两级控制，由一个SCADA系统中心控制室及多个分布于管网各个测点的远程终端站组成。第一级是管理所的控制中心，设有供水站监测系统的服务器、操作站和相应的通信网络设备，主要监测管网内各供水站数据，为管理人员提供一个供水管网信息管理平台；第二级是由分布在园区各处的供水站内安装的远程终端设备组成，直接监测供水站内的工艺状况。两级之间由GPRS无线通信网络连接，远程终端也可以独立于控制中心运行，成为智能型终端。系统的结构示意图参见图l-2。倒1-2系统结构示意图供水站监测系统要实现的具体功能如下：1．实时监测远程终端能够实时、准确地采集供水站各运行参数：压力变送器测量值、流量计测量值、水质分析相关测量值等数据，共计约80个测量点；诊断运行故障、异常情况；存储运行历史数据，以便于量化管理、故障排查。2．配置组态：控制中心通过通信网络将配置组态信息传输到远程终端，远程终端的运行系统根据这些配置组态信息更新测点信息、校准时间、采集周期、测量量程等6 北京化工大学硕士学位论文等设定值。3．数据查询控制中心通过通信网络定时巡检各个供水站，采集现场运行历史数据和报警历史数据。控制中心也可以随时抽检各供水站的实时数据，及时获知供永站现场运行情况。4．数据库信息管理控制中心维护一个数据库，存储所有供水站的组态信息、运行历史数据、报警历史数据等，并可以根据要求生成各种统计报表，从而达到对供水站运行的科学管理。1．3论文内容本文研究了在Windows操作系统下，基于Imemet技术和GPRS网络建立的一种无线数据采集与传输的通用方案，并研究了该方案在城市供水管网监测系统中的应用。本课题初步研制成功一套利用现有GPRS网络为通信介质的供水站分布式计算机监测系统，该系统基本达到了供水站监测系统的各项预期目标，实现了远程配置组态、实时监测、远程数据查询、数据管理等功能，并且具有很好的扩展潜力。7 北京化工大学硕士学位论文第二章SCADA供水监测系统本章首先介绍了SCADA系统及现代工业测控系统的组织结构方面的内容。针对本课题研究内容，主要研究了将GPRS技术应用于SCADA系统的设计与实现方法。同时，分析了该技术广泛的应用前景以及优缺点。2．1SCADA系统概述SCADA系统是英文SupervisionControlAndDataAcquisition的简称，即监控和数据采集系统。SCADA系统又称计算机四遥(遥调、遥控、遥测、遥信)系统，它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等功能。SCADA系统的应用领域很广，可应用于电力、石油、化工等领域的数据采集、监视控制及过程控制。在给排水行业SCADA系统也已经得到了广泛的应用，取得了良好的经济效益和社会效益，其应用价值已经得到了全行业的广泛认可。。SCADA技术是建立在3C+S的基础上的，即计算机技术(Computer)、通讯技术(Communication)、控制技术(Contr01)和传感技术(Sensor)，这四项技术在近年来的快速发展为SCADA技术的产业化应用提供了良好的硬件和软件平台，使SCADA系统呈现出更优更新和易用性更强的功能特点。SCADA系统的通信技术是制约其应用范围的最主要的因素，在很多情况下，通信条件的好坏直接决定SCADA系统的性能，而GPRS网络技术的发展成熟为SCADA系统提供了一种新的通信方式。从GPRS技术的特点我们看出，它具有网络覆盖范围广，数据带宽宽，适应性强的优点，可以大大地提高SCADA系统的应用范围。2．1．1SCADA系统模型为适应信息技术、网络技术与自动化技术的发展，把计算机技术应用到工业自动化当中去，要求建立新一代工业控制系统方案的模型。现场总线技术的出现，把系统集成的思想引入到了自动化领域，突破了DCS系统中依靠专用网络进行通信的局限性。但现场总线领域的竞争非常激烈，至今还未形成统一的技术标准，其开放程度也不够。当现场智能设备将现场信息通过通信网络传送．R． 北京化工大学硕士学位论文至监控计算机后，又存在着信息共享与交互的问题。监控计算机内部应用程序需要对现场信息进行处理，企业生产管理层也需要与监控计算机进行信息沟通。所有这一系列的问题放在一起，构成了SCADA系统的基本模型川。典型的结构图如图2-1所示。图2—1SCADA系统结构示意图2．1，2SCADA系统层次结构典型的SCADA系统包括以下四个部分：1)现场管理(FieldManagement)：完成现场仪表设备之间的信息通信，并为上层信息系统提供访问接口。底层设备通常有PLC、离散智能I／o、DCS系统、FCS系统，操作人员可以通过操作站软件方便地对控制器进行组态和下载程序。最终实现实时数据采集、上下限报警、控制算法、现场存储和显示等。2)通讯网络(Communicationnetwork)：为现场和控制中心搭建一个通讯桥梁，通过有线或者无线方式把现场各种信息有效地传递到控制中心。3)控制中心(ProcessManagement)：提供各种人机接I：1，根据现场管理平台的设备提供的信息进行监视、控制和逻辑处理，一般有典型的组态软件嘲对其进行处理，比如：INFIX，姗UCH，MCGS等。4)商业管理(BusinessManagement)：服务于企业级的信息共享，完成信息商业逻辑处理，进行商业决策，典型的系统有：ERP、CRM、MIs等。 北京化工大学硕士学位论文2．2SCADA系统的通信方式SCADA系统的通信方式主要分为两大类：有线通信方式和无线通信方式。有线通信包括架设光缆、电缆，或利用PSTN、DDN、ADSL等，而无线通信一般可选择卫星、扩频、超短波、微波和GSM的短消息服务等通信方式I⋯。有线通信对于地域广，测量点分散的应用场合并不适用，铺设电缆、架设光缆难度大，不方便：采用PSTN速度慢，易受到干扰，而且成本较高等等。相比之下，无线通信方式则有许多自身的优点，如组网灵活，投资较少，维护简单等。但无线通信方式中的卫星通信由于使用成本较高，在数据传输量不大的系统使用会造成资源浪费，所以只用于一些特殊领域。扩频通信技术抗干扰能力强，保密性好，但一般要可视距离。超短波和微波通信是利用电磁波进行的无线电通信，目前应用比较多，但频点申请困难、易受外界干扰、速率低、信号覆盖范围小、一次性建设费用较高。GSM短消息方式也有很多应用，但实时性不强，数据量小，传输速率低。2．2．1供水管网监测常用通信方式目前，城市供水、供气管网一般采用PSTN、超短波等通信方法。随着城市规模的扩大，现代化、工业化进程的加快，这些传统的远程数据采集和通信方式面临着诸多问题。进入21世纪以来，电信部门加大了对GSM网络建设的投入，使其覆盖范围不断扩大，技术更加成熟，特别是GSM网络到GPRS网络的升级，使得在许多城市利用已经建成的GPRS网络来组建可靠、高效、快速、合理的远程数据通信平台已经成为可能，同时它也成为各个行业应用领域通信方式的发展方向。利用GPRS无线移动通讯网络提供的广域无线口接入，来建立城市供水供气管网监测系统，实现现场测量数据的无线传输具有可充分利用现有网络，缩短建设周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。2．2．2GPRS网络的通讯特点GPRS技术是新兴的2．5G无线通信技术，技术本身有着无法比拟的先进性和前沿性，中国移动E,经T-2002年5月正式在北京开通了GPRS业务。其中GPRS技术具有以下主要特点： 北京化工大学硕士学位论文1、良好的实时响应与处理能力。与短消息服务比较，由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，系统能够同时实时地读取、处理多个监测点的各种数据，无需轮巡就可以同步监测点的时钟，可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求：2、远程仪器设备控制。由于采用GPRS双向传输系统，监控中心可以反向实现对仪器设备的时间校正、状态报告、开关以及其他监测、控制等功能；3、安装调试简单，建设成本低，建设周期短。利用现有成熟的GSM网络，系统投入运行时基本不需要调试，安装简捷。采用超短波通信时安装调试工作量大，要先进行现场信号测试，天线铁架架设，天线方向角度调试等工作。4、覆盖范围广。SCADA系统要求数据通信覆盖范围广，扩容无限制，接入地点无限制，GPRS网络能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。理论上在无线GSM／GPRS网络的覆盖范围之内，都可以实现监控。6、数据传输速率高。GPRS网络支持中、高速率数据传输，传送速率理论上可达171，2kbit／s，实际应用时数据传输速率在40kbit／s左右，而目前一般的超短波数传电台传送速率多为2．4kbit／s或更低。7、系统的传输容量大。监控中心站要和每一个管网监控点实现实时连接。由于管网监控点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。．8、通信费用低。由于GPRS采用包月计费的方式，运营维护成本低，月通信费用将在200元之内。9、GPRS采用分组交换技术。高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络资源和无线资源的利用。11、GPRS网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。GPRS的核心网络层采用口技术，底层可使用多种传输技术，很方便地实现与高速发展的IP网无缝连接。12、GPRS的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据的传输。它支持四种不同的OoS级别。GPRS能在0．5．1秒之内恢复数据的重新传输【⋯。I方案通信建设运营监控传输速度操作实时性1名称方式成本范围方式 北京化工大学硕士学位论文P洲电话线高较低窄561Caps轮询差电话线拨号SMS较低较高较宽160字节庖并行差，不稳短消息定GSM较低很高较宽14．4bos并行差GPRSGPRS／GSM／较低较宽21．牛85．6Kbps并行高SMS表2—1给出了GPRS无线业务与其他网络业务的性价比较，从上表可以看出基于GPRS的在线监控方式具有较高的综合性能价格比。GPRS网为移动数据用户主要提供突发性数据业务，能快速建立连接GPRS，提供PTP点对点和PTM点对多点数据业务外还能支持补充业务和短消息业务，另外还能提供种类繁多功能强大的以GPRS承载业务为基础的网络应用业务。GPRS特别适用于以下三种情况：(1)非周期性突发数据业务；(2)频繁传送少量数据，每分钟传送几次小于500字节的短数据业务：(3>非频繁传送大量数据每小时传送几次几千字节的长数据业务。由此可见GPRS数据业务非常适用于SCADA系统的数据传输的需求。2．3城市供水SCADA系统的建立城市供水管网监控系统可以对远程现场的运行设备进行监视和控制，以实现管道压力、水流量的数据采集及阀门开关的自动控制，降低了故障率和提高了对系统的反应时间，减少停水次数。各供水监测点的数据采集终端可自动采集管道压力、水流量的实对数据与开关状态，并把信息传输到自来水公司的监控中心，监控中心通过对传输回的数据进行分析，可找到出故障的地点，从而当一个远端出现故障时，能在最短的时间内解决问题，恢复供水，提高了整体的服务水平，从而实现了城市供水的信息化、现代化f1】】f】2】。经过对几种常见的通信方式进行分析比较，我们选择中国移动的GPRS网络作为城市供水管网监控系统的数据通信平台。目前，GSM网络经过电信部门的多年建设，覆盖范围不断扩大，已成为成熟、稳定、可靠的通信网络，特别是中国移动新推出的GPRS数据业务可提供广域的无线IP连接。在移动通信公 北京化工大学硕士学位论文司的GPRS业务平台上构建自来水供水管网监控系统，实现管网jI矗控点的无线数据传输具有可充分利用现有网络，缩短建设周期，降低建设成本的优点。供水站监测系统分成控制中心和供水站现场两级，由一个控制中心和若干供水站远程终端以及二者之间的通信网络组成，系统总体方案如图2—2。远程终端安装在供水站内，对供水站内现场运行情况进行监测。控制中心配置一台服务器，通过GPRS通信网络，与分布在园区各处供水站内的远程终端建立连接，完成远程监测的功能。通信网络是开放式的结构，远程终端的加入和退出完全自由，而不影响整个系统的运行。图2-2供水站分布式监测系统总体方案当SCADA系统升级到自动化供水调度系统的时候【13I，最终的功能可以概要的描述如下：1)数据采集功能：根据公司生产调度中心调度生产指挥的需求，要求系统对自来水管网及各水厂能够数据采集以下信息：合理分布在自来水管网上的测压信号(管网压力)，各水厂泵的运行参数、电源供电情况、耗电量、当前功率因素、水厂进，出水量、原水浊度、出厂水浊度、余氯、PH值等：2)数据传输功能：将现场采集到的数据，或直接或通过各生产调度分系统，实时地传递到生产调度中心主系统；3)数据显示及分析功能：生产调度中心主系统将获得的各类信息及数据，经过分析、加工直观地、动画地显示出来：供生产调度指挥人员使用；4)报警功能：系统可对各水厂机泵运行异常，如电压、电流的不足或过载等，管网压力不足或超限进行及时报警；．13， 北京化工大学硕士学位论文5)历史数据的存储、检索、查询及分析功能：根据公司生产调度中心调度生产指挥和检索、查询及分析历史数据的需求，系统应具备实现历史数据的存储、检索、查询及分析功能；6)报表显示及打印功能：系统可自动生成各种生产情况的日月年报表，并可随时打印；7)遥控功能：根据公司生产调度中心调度生产指挥的需求，系统操作人员可在生产调度中心实现对有关水泵实现开停遥控；8)网络功能：将现场采集到的数据送到网络服务器上，供其他系统使用。9)利用管网监测获取的几类重要的管网参数(如管网测压点压力、泵站出口水压力、泵站出口水流量、水池水位及管网系统用水量等)，以统计分析理论为基础，来建立供水管网的宏观结构性模型和其数学表达式【14l。根据课题初期的需求分析，控制中心要实现的功能包括管理配置供水站远程终端，巡检供水站的实时、历史数据，数据库信息管理。控制中心系统要求稳定安全，可以不间断工作，所以这里选择采用了PC服务器。系统环境是Windows2000操作系统，SQLServer2000数据库系统。关于控制中心系统软件的具体设计，论文不作进一步的分析，可以参考供水站监测系统控制中心软件设计的有关文档。2。4总结利用无线方式进行远程数据采集和传输监控是当前快速发展的一个领域，无线方式能给用户带来更多的便捷与灵活，特别是在无线数字蜂窝通信网络几乎无处不在的今天利用公共无线通信网进行数据传输更成为许多用户的首选。GPRS是建立在GSM基础上的被称为2．5G的无线数字蜂窝网络，它将分组传输的技术引入GSM网络，为无线设备接入Internet提供了一种有效且费用低廉的手段，被广泛应用于移动计算手持设备的Internet互联远程数据采集与监控等众多场合。GPRS数据终端提供基于GPRS的透明数据传输，易于集成到SCADA系统中，可广泛应用于电力、环保、水文、气象、交通、市政等领域的数据采集与传输。 北京化工大学硕士学位论文第三章GPRS技术及其业务应用3．1GPRS无线通信技术简介GPRS是通用分组无线业务(GeneralPacketRadioService)的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM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TDMA帧结构I”11161，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(BSS)从一开始就可提供全面的GPRS覆盖。GPRS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、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。基于GPRS网络平台的无线数字数据网是以中国移动的GSM／GPRS网络为平台，采用SMS、CSD、USSD、GPRS等方式，通过特种行业数据终端删1，为行业用户提供机器至U机器(MachineToMachine，M2M1无线数据传输业务。基于GPRS网络平台的无线DDN可以提供点对点、外围设备间、外围设备与中心节点之间的通信方式，适用于信息互传、数据互备、远程监测等行业应用。GPRS理论带宽可达171．2Kbps，实际应用带宽大约在40～100Kbps，在此信道上提供TCP／IP连接，可以用于Intemet连接、数据传输等应用。作为一种新的移动数据通信业务，GPRS在移动用户和数据网络之闻提供一种连接，给移动用户提供高速无线口或x．25服务。GPRS所采用的分组交换技术，使得每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用【171。使用GPRS技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。3．1．1GPRS网络结构GPRS系统通过在原有的GSM系统中引入分组数据单元提供无线系统上的数据业务。作为承载网络，GPRS系统本身采用IP网络结构，并对用户分配独立地址(如IP地址或X．121地址)，将用户作为独立的数据用户，从而实现了 北京化工大学硕士学位论文从网络到移动用户的端到端的数据应用。为了实现数据承载，GPRS系统引入了几种新的网络单元，如PCU、SGSN、GGSN以及其他辅助进行数据业务管理和应用的单元如DNS和DHCP服务器、网络时间协议NTP、计费网关CG等。GPRS网络结构基于GSM系统实现，话音部分仍采用原先的基本处理单元，而对于数据部分则新增了一些数据处理单元和接口。GPRS系统中新增数据单元包括以下几个部分，见图3-1。分组数据网图3．1GPRS网络单元PCU：PacketControlUmt，分组数据处理单元。它是基站控制器的一部分，提供无线数据的处理功能，如逻辑链路与物理链路的映射、数据包的拆封、数据包的确认、无线数据信道的分配等。SGSN：ServiceGPRSSupportNode，GPRS业务支持节点。它通过Gb接口提供与PCU连接，进行移动数据的管理，如用户身份识别、加密、压缩等功能；通过Gr接口与HLR相连，进行用户数据库的访问及接入控制；它还通过Gn接口与GGSN相连，提供口数据包到无线单元的传输通路和协议变换等功能。GGSN：GatewayGPRSSupportNode，GPRS网关支持节点。它负责和外部数据网络的接口进行数据包的转发。具有路由器的部分功能。系统中PCU与SGSN之间为Gb接口，采用帧中继协议，通过直连或者帧中继网络实现；SGSN与SGSN和GGSN之间采用基于TCP／IP协议的GTP(GPRs隧道)规程，称为Gn接口；GGSN与外部网络也采用TCP／口连接方式，称为Gi接口；不同的PLMN(PublicLandMobileNetwork，公共陆地移动网)之间一16— 北京化工大学硕士学位论文连接时使用Gp接口1181。在GPRS系统中，还有一些辅助单元存在，虽然他们在GPRS系统中未定义，但在数据网络中必不可少，从而也是GPRS网络的一部分，如域名解析服务器DNS、动态地址分配服务器DHCP、网络时间协议NTP服务器、认证与鉴权服务器Radius等。3．1．2GPRS传输面协议层GPRS传输平台由分层的协议组构成，用于用户信息和其它相关信息(如流程控制、错误检测、错误修正等)的传输。通过Gb接口，GPRS传输平台不依赖于底层的无线通信平台而独立存在，这样做，系统能很方便地从GPRS平台升级到3G平台【19】。GPRS传输面协议层如图3-2所示。^睁甑虹觥3，H∞【∞＼脚．／SND四’瓣S搠DeP疗悖一mI王C"lX碧／EIEIP一1EⅣ哪i工c＼吣∥BS§曾堆。律砒莹SS∞一眦．H5∽。Uh眦粥一OS知￡拈。酷ML1墙下Llb0U。LlMSUmB鼙S鼬塞CS精魄e0窖Noi图3-2GPRS传输面协议层GTP：GPRS隧道协议规范GPRS主干网的支持节点(GGSN和SGSN)之间的用户数据和网络控制信号的传输，所有的分组数据报(如X．25或IP)的协议数据单元(ProtocolDataUnit，PDu)都会被GTP封装。TCP／UDP：TcP协议用于在需要可靠数据连接的时候在GPRS主干网上运送GTP协议数据单元，而UDP协议用于在不需要可靠数据连接的时候在GPRS主干9闻上运送GTP协议数据单元。TCP对丢失或被破坏的GTP协议数据单元提供流程控制和保护，而UDP对被破坏的GTP协议数据单元提供保护。IP：IP协议是GPRS主干网协议，用于用户数据和控制信号的路由指示。GPRS主干网目前采用IPv4协议。 北京化工大学硕士学位论文SNDCP：子网支持集中协议(SubnetworkDependentConvergenceProtocol，SNDCP)层提供其他网络协议的透明传输以及数据的压缩，还提供网络标识(NetworkServiceAccessPointIdentifier，NSAPI)和网络终端之间的对应。LLC：逻辑连接控制(LogicalLinkControl，LI．C)层提供一个高可靠的密码逻辑连接。LLC层的存在，使通信不依赖于底层的无线通信协议，这样就可以只对当前的网络子系统进行较小的改动而实现GPRS无线通信，以及便于升级到3G网络。Relay：在BSS中，中继器(Relay)实现LLC协议数据单元在Um和Gb接口之间的转发；在SGSN中，中继器实现分组数据报协议数据单元在Gb和Gn接口之间的转发。BSSGP：基站系统GPRS协议(BaseStationSystemGPRSProtocol，BSSGP)层实现BSS和SGSN之间路由和其它信息的传送。NS：网络服务(NetworkService，Ns)层在BSS和SGSN之间建立帧中继(FrameRelay)连接来传送BSSGP协议数据单元。RLC／MAC：本层包含两个功能，无线连接控制(RLC)功能提供一个可靠连接的无线方案；媒体访问控制(MAC)功能控制无线频道的访问信号(如请求和应答)的流程并且把LLC帧映射到GSM物理通道上。GSMRF：GSM无线通道。在GPRS数据传输平台上，移动工作站MS(包括终端设备TE和移动终端MT)通过Um接口连接到BSS，BSS和SGSN通过Gb接口连接，SSGN与GGSN通过Gn接口连接。Gi是GGSN与其它分组数据网络(PDN，PacketDataNetwork，如口网络或x．25网络，Ⅲ网络目前应用最广泛的是Interact网)的接口，这里只讨论与Interact网络的连接。3．1．3GPRS网元之间相互作用在GPRS系统中，最常用也是最基本的系统功能包括用户附着和激活PDP(PackteDataProtocol，分组数据规程)上下文。移动用户进行数据传送时，首先需要进行网络附着，即进行位置和身份登记，然后通过PDP激活请求信息申请网络接入，系统根据接入申请信息中的APN(AccessPointName，业务接入点)信息进行处理，如通过DHCP服务器进行用户地址分配以及通过Radius服务器进行用户身份认证等过程，最终使合法用户得到IP地址。作为数据用户， 北京化工大学碗士学位论文用户在进行数据传送与接收时拥有独立的m地址，是一个真正意义上的m或数据用户【19]120l。得到口地址后，用户可以建立数据连接，进行数据收发。移动用户附着过程示意图如图3-3，移动用户激活PDP过程如图3-4。移动站虚线表示此过程为可选项图3．3GPRS系统用户附着过程示意图图3_4GPRS系统激活PDP过程示意图在用户附着过程中，主要涉及无线系统，如PCU，SGSN，MSC和HLR等一19． 北京化工大学硕士学位论文业务单元，而与GGSN等数据单元无关；在激活PDP上下文过程中，则涉及数据单元与无线单元的配合，如PCU，SGSN，GGSN，DNS服务器，DHCP服务器，Radius服务器等。各个单元的相互配合作用是完成泵统功髓的基础。3，1．4基于lP的GPRS数据传输服务从前一章节可以看出，在GPRS信道中支持所有的基于IP协议的其他协议，包括TCP／UDP协议以及其上层的mTP、FTP等协议。在口协议的底层，能运行其它不同的协议，如L2、PPP等，由于PPP协议得到广泛的支持，目前大多数GPRS无线数据MODEM支持PPP协议。终端设备TE可以在口协议的上层选用TCP或UDP协议，所用的IP数据报都能通过GPRS信道(GPRSBearer)传送到Intemet网络中。3．2GPRS网络的行业前景GPRS移动数据传输系统有很大的应用范围，几乎所有中低速率的数据传输业务都可以应用，如城市配电网络自动化、自来水、煤气管道自动化、商业POS机、INTERNET接入、个人信息、股票信息、金融、交通、公安等。GPRS最显著的优点就是能够提供比现有GSM网络9．6kbit／s更高的数据率1211，理论上最高可达171。2kb／s。对于GSM网络现有电路交换数据业务和短消息业务来说，GPRS是一种补充而不是替代。GPRS可以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信道，提高频率利用率以及时时在线等，同时计费也有多种选择，可以选择包月的方式，也可以根据用户数据的传输量来计费。因此，GPRS被认为是第二代移动通信系统向第三代移动通信系统演进的重要一步。 北京化工大学硕士学位论文第四章基于GPRS网络的监测系统设计城市供水管网监测系统的主要目的是解决供水集团对供水各环节监测点的数据采集和监控。该系统由监控中心和各个水源监测点组成，各个水源监测点的数据采集终端(RTU)可监视和采集压力、流量、水位、PH、浊度、余氯、泵频等各种数据，供控制中心及有关部门分析和决策使用，从而提高工作效率，保证供水质量，满足I?t益增长的用水量的需求。本章内容研究GPRS无线终端的设计和供水管网SCADA系统的实现方法。4．1系统总体结构整个工业园区供水系统覆盖260平方公里，由两个水源供水，设计供水能力为600000t／d，测压点为50个，流量监测点17个，机械水表9台，水质分析监测点5～10个。系统由现场智能仪表、GPRS无线终端、GPRS网络、服务器和客户端组成，整个系统的通用结构模型如图4-1所示。图4-1GPRS监测系统结构模型现场智能仪表负责采集现场信息，将压力变送器输出HART信号、流量仪表输出的4-20mA模拟量信号、水表输出的脉冲计数量以及水质分析仪表输出串行信号传输到GPRS数据终端上，然后将数据打成1P包，再通过GPRS空中接13接入到GPRS网络，最终通过各种网关和路由设备定时将现场信息上传给服务器。服务器作为下位机与客户端之间的信息平台，不但转发两者之间的通信数据，而且保存下位机上传的现场信息以供客户端查询【划，保存客户端对下位机的控制操作信息，落实操作责任制。在整个系统中，下位机通过GPRS模块登录到移动网络运营商提供的GPRS网，移动公司的服务器会为其动态分配一个端口，这实际上就是在服务器 北京化工大学硕士学位论文上创建了一个进程，此时移动服务器会根据GPRS模块的连接信息(包括目标P地址和目的端口1寻找到公网上与目的IP地址相符的服务器，并访问目的端口㈣。目的服务器侦听到连接请求信息后，接受请求从而建立连接，此后下位机和服务器就可以利用建立的通信链路互相收发数据。4．2监测系统设计和组成4．2．1监测系统设计整个系统的设计内容包括GPRS终端与用户设备的接口、TCP／IP协议处理、GPRS终端与控制中心服务器的互联、数据中心的网络接入与软件设置。GPRS数据传输终端的设计，需要解决与现场设备相应接口的通信，数据及控制命令的TCP／IP协议打包和分包，GPRS终端自动附着网络等问题。并且GPRS无线终端要完成与中心监控系统双向实时通信。监控中心的设计主要包括网络的接入、数据的收发与安全性管理，对终端的维护以及相关的数据库。此外，针对用户的需求，还要有一些应用层次的设计。系统要求远程分散的监测点能及时将现场信息传输到控制中心，并且在今后的系统功能升级后要求控制中心在必要时对监测点实旆控制，因此，宜采用分布式的客户机，服务器模式构建系统。客户机朋臣务器模式是典型的非对称性分布式系统，能够满足下位机主动连接服务器的要求，在服务器接受连接请求后，双方就可进行正常通信。服务器程序通常是在一个众所周知的地址上侦听对服务的请求的。只有当客户向服务器发出连接请求后，服务器进程才会从休眠状态被唤醒，并处理客户的请求服务。服务的类型可以是数据流服务也可以是数据报服务，为了保证数据传输的可靠性和稳定性，本系统采用基于TCP协议的连接。TCP协议属于数据流服判24】。4．2．2监测系统组成根据本项目的具体要求，包括现场仪表的通信协议，网络安全性等方面，设计了如图4．2所示的系统方案。 北京化工大学硕士学位论文图4．2供水SCADA无线监测系统组成框图1、管网监测点：管网监测点位于系统的远端，它负责按一定逻辑从数据采集模块收集数据，并进行逻辑处理，然后通过GPRS无线终端发送至U监控中心，同时根据系统的要求执行监控中心的命令，提供监控中心和监控对象之间的双向沟通。各监测点通过数据采集模块采集压力、流量等数据，通过HART接口、RS232、脉冲计数量和4-20mA模拟量接口与GPRS透明数据传输终端相连，通过GPRS透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理、协议封装后发送到GPRS网络。2、监控中心：监控中心为整个系统的核心，主要负责数据的收集整理、数据备份和系统管理。它主要由监控管理器、处理服务器、数据库服务器、防火墙等几部分组成【捌。监控中心通过路由器连接到外部通信网络上。监控中心的服务器申请配置固定口地址，采用地方移动通信公司提供的APN专线，与GPRS网络相连。由于APN专线可提供较高的带宽，当管网监测点数量增加，中心不用扩容即可满足需求。这种成本稍高，但安全性高、稳定可靠。由于GPRS通信是基于IP地址的数据分组通信网络，监控中心计算机主机配置固定的口地址，各个监测站的GPRS模块和该主机进行通信。监控中心RADIUS服务器接受到GPRS网络传来的数据后先进行AAA认 北京化工大学硕士学位论文证，然后传送到监控中心计算机主机，通过系统软件对数据进行还原显示。3、通信链路：通信链路部分主要包括英特网和GPRS网络。两者通过Gi接V1相连，能够提供基于口协议的数据透明传输。现场监测点采集的数据经GPRS网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理，转换成在公网数据传送的格式，通过中国移动的GPRS无线数据网络进行传输，最终传送到监控中心口地址。4，3GPRS通傧的实现GPRS通信是基于口地址的网络通信方式，因此监控中心要与GPRS无线终端通信就要知道终端的口地址，而监控中心采用中国移动公司分配的固定的IP地址，GPRS无线终端上线后就上报监控中心自己的口地址，监控中心将站号和讲地址相对应，这样监控中心与远程终端就能保证通信连路的畅通。各监测点使用GPRS透明数据传输终端，通过移动的GPRS网络与监控中心相连。各监测站数据采集点使用移动通信公司统一的STK卡，同时监控中心对各点进行登记，保存相关资料以便识别和维护处理。各信息采集点运行监控系统软件，支持24小时实时在线，实现信息采集点24小时传送采集的信息数据。下位机与服务器之间的通信是靠移动运营商提供的GPRS服务和Intemet来实现的，中间环节很多，这就增加了信息丢失或者出错的可能性【261。TCP连接虽然完善了底层的服务，但是仍无法避免数据出现错误或丢失。为了解决这一问题必须对两者之间通信帧格式按表4．1的格式进行定义。帧头(1个字节)数据信息(少于254个字节)校验和(2个字节)2个16进制字符若干个16进制字符将帧头和数据信息按字节求16进制累加和4．4GPRS无线通信终端设计4．4．1无线终端总体设计 北京化工大学硕士学位论文GPRS无线通信终端是供水站远程监测系统的重要组成部分，它位于供水站现场内部，用以实现现场实时监测、历史数据存储、与控制中心通信以及人机界面等。当监测系统发展到监控系统时，远程终端还需要控制供水站内设备，自动调节供水站工况。GPRS无线终端的设计有其独特性和特殊性，它要满足以下要求：(1)远程监控事件的突发性、大数据量、野外环境等要求(2)远程监控系统的实时性处理的要求(31远程监控系统的安全性、可靠性的要求(4)远程监控终端硬件体积小、软件可裁减性高根据需求分析，这里总结一下远程终端的具体功能：1．实时监测供水站运行模拟量：流量计输出的4-20mA信号，17台，变化缓慢，频率低于100Hz，精度0．5％。脉冲计数量：水表的机械脉冲输出，9台，频率低于lkHz。HART总线数据：支持HART协议的压力变送器，50台，读取间隔大于1s。RS232串口信号：多种用于水质监测的分析仪表输出串行信号，5～10台。2．存储供水站运行历史数据远程终端存储未上传至控制中心的供水站运行历史数据，包括记录时刻、所有模拟量、脉冲计数量和HART数据等。存储时间间隔约为2分钟，假设一共有100个待监测的采集点，每个数据8byte，则每天的数据量约为600KB，30天的数据量约为20MB。远程终端应该能够存储大约30天的历史数据，以保证在控制中心没有请求数据或者在通信线路出现故障的时候不丢失数据，这里规定远程终端的存储器容量至少为30M。3．按照控制中心的指令完成任务远程终端虽然可以独立于控制中心完成监测供水站任务，但是控制中心需要集中所有供水站的历史数据，或是查询供水站实时数据。控制中心还需要对各个远程终端统一设定时间、配置组态等，当发展到监控系统时，控制中心还可以直接向远程终端发送指令，操纵供水站的现场设备。因此远程终端需要按照控制中心发来的指令，完成上传历史数据、实时数据、更新自身配置等。4．远程数据通信控制中心与远程终端的交互要通过远程数据通信实现，通信的发起端可能一2S， 北京化工大学硕士学位论文是控制中心，也可能是远程终端。远程数据通信采用Server／Client的形式，因此必须考虑控制中心和远程终端互为服务器和客户端的情况。因为远程通信的功能是控制中心、远程终端和通信网络共同实现的，因此将数据通信独立出来，作为监铡系统的一个与控制中心和远程终端同等地位的系统组成。GPRS无线通信终端设计的目的是建立仪表与网络之间的桥梁。它应该是一个运算能力强、体积小、结构紧凑、界面友好、接口丰富的较为复杂的智能单机系统，而且具有良好的功能扩展性，当然还要满足工业控制系统所必须的高可靠性，抗恶劣环境【卸。图4-3是远程终端的总体结构。核心部分是嵌入式控制器，右侧是远程终端的监测功能模块，左侧是人机界面和远程数据通信模块。Antenna天线图4．3远程终端总体结构在本无线远程监控系统中，系统软件选择Linux平台，硬件系统采用以16位单片机(M3062GF8N系列)为处理器的系统主板。4．4．2嵌入式操作系统简介GPRS无线终端采用嵌入式操作系统进行设计。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁减，适应于对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【281。嵌入式系统具有如下特征：(1)嵌入式系统是面向用户、面向应用的，它和具体应用有机地结合在一起，具有较长的生命周期。 北京化工大学硕士学位论文(2)为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。(3)从节约存储空闻角度考虑，程序编写是高质量、高效率的，从而减少程序二进制代码长度。嵌入式处理技术的应用无所不在，从上个世纪90年代中期开始，随着嵌入式操作系统和处理器的不断出现，嵌入式处理技术已广泛应用于各个行业。嵌入式系统由嵌入式操作系统(软件平台)和嵌入式处理器(硬件平台)组成【⋯。它具有实时性、多任务、资源同步与互斥、中断突发性、可裁减性、底层硬件相关性等特点。嵌入式系统可以很好完成实时多任务处理、系统资源调度，解决了实时性、安全性的应用系统设计要求。同时，嵌入式系统又是需要根据实际的应用而进行选择和定制。具体地说，不同系列和不同款式的嵌入式处理器有着不同的功用，选择时要注意实际功能需求，芯片的处理速度和系统最大负载时的处理速度要求。在嵌入式操作系统的选择上，要和嵌入式处理器结合起来，分析开发的难易和最终系统性能的稳定性和最优性。嵌入式系统开发模型㈣如图4．4所示。应用系统软件嵌入式操作系统指令系统系统硬件图4-4嵌入式系统开发模型由图可见，嵌入式应用系统的软硬件资源都由嵌入式实时操作系统管理，系统应用软件构建在操作系统之上。软件开发时，可以调用嵌入式操作系统的系统资源，也可以使用构筑在操作系统之上的第三方资源。必要时，甚至还可以绕过操作系统，直接通过指令系统进行硬件的原始开发。因此嵌入式系统的开发相当灵活。嵌入式实时操作系统(RTOs)是一种可以由用户进行系统资源定制的，本身对系统硬件资源(如CPU、存储器等)占用有严格限制的，可以固化在系统 北京化_T大学硕上学位论文ROM与系统硬件紧密结合的、应用于控制应用领域的实时操作系统。嵌入式实时操作系统一般都经过工业运行测试，具有很高的运行可靠性。嵌入式Linux从1999年开始在全球快速的发展，至今已经在嵌入式系统中占稳了一个地位。Linux遵循开放源码授权协议GPL(GeneralPublicLicense通用公共许可)，具有源码公开、定制方便、支持广泛的计算机硬件等特点。然而在对Linux进行选用时，需要对Linux进行分析和定制，以达到最优化设计。4．4．3芯片选择无线终端的单片机系统采用16位CMOS微控制器M3062GF8NFP，它使用M16C／60CPU内核，具有lMb的地址空间，是一个快速8051兼容微控制器。它的内核经过重新设计，提高了时钟速度和存储器访问周期速度。由于采用全静态CMOS设计，M3062GFSNFP能够在低时钟频率下运行。特性：●工作电压为2．2～3．6v●64KbROM，8KRAM，存储器容量可扩张至1Mb●指令执行时间为100ns●低功耗●25个内部中断源，8个外部中断源●多功能16位定时器●若干个数字I／O口，可直接用于输入输出●WatchDog定时器在嵌入式GPRS无线通信模块中，GPRSModem采用了德国SIEMENS公司的Mc45GPRS无线模块。MC45中内嵌了PAP(PasswordAuthenticationProtoc01)和CHAP(ChallengeHandshakeAuthenticationProtoc01)两种协议栈用于PPP(Point—to．Point)连接到GPRS网络，当PPP连接建立后，MC45就能按照OPRS网络协议收发GPRS分组数据报并解析输出IP数据报。MC45提供了标准AT命令界面和一个RS．232接口用于与外部应用系统连接。另外，还提供了SIM卡接口，用于连接SIM卡座，以便连接到不同的GPRS营运网络中。4．4．4监测功能接口设计远程终端需要采集供水站内压力变送器、流量计、水质分析仪表等的数据。．28． 北京化工大学硕士学位论文他们输出的有数字量信号，也有4～20mA模拟量信号。通常GPRS无线终端多带有RS232接口，但因为工业级仪表性能可靠、安全性好，它们被越来越多的用于各个领域。系统所采用的压力变送器(型号CerabarM，防护等级IP68)和流量计(型号Promag53)即属于工业级仪表，带有HART信号和模拟量信号输出，因此在GPRS无线终端的接口的设计上既保留常见RS232和脉冲计数输入接口，又增加了HART接口的设计，以方便远程终端和多种仪表通信。对于模拟输入信号主要考虑的因素是分辨率、信号频率、信号类型：分辨率决定了采样精度，也就决定了板卡AD芯片的位数；信号频率决定了采样频率，也就决定了AD芯片的转换速率；信号类型指的是电流信号还是电压信号以及它的大小范围，这些因素决定采集卡的模拟量输入接口电路设计。对于脉冲计数输入主要考虑信号的最高频率和信号类型：信号频率决定了板卡上计数器芯片的最高计数频率；信号类型指的是标准方波信号还是机械开关开合，同样这些因素也决定了脉冲计数输入接口电路的设计。压力变送器测量管网各个监测点的压力变化，其变化速率相对平缓，但在某些时间段，如加压环节，变化会很快。压力变送器输出HART信号，精度达到0．2％；供水站管道内流量脉冲信号的频率也比较低，输出是机械开关的开合，也就是相当于接入电阻的大小变化信号。在水质监测方面，PH计和余氯等在线监测仪输出RS232串行信号，实时监测管网内水质是否达到供水要求。供水站水表的脉冲输出是计数机械开关的开合。当管道内每通过一定的流量时，机械开关开合一次，但是机械开关的脉冲输出与标准的矩形脉冲电信号不太一样。实际上机械开关的每一次开合过程中，都存在着“接近，反复吸合一断开一吸合一断开，远离”的过程。这样的信号往往是矩形脉冲的波形畸变形式，失真严重。如果直接送入采集卡，脉冲计数器无法正确计数。因此设计了如图4．5所示的脉冲计数信号调理电路【31】。 北京化工大学硕士学位论文JV图4_5脉冲计数输入接El水表的机械开关的开合信号由接线端子Counterl接入，经过滤波电路接入光耦。输入信号经光耦隔离后，由施密特触发器整形成规则的矩形脉冲信号接入采集卡的计数器输入引脚CLKl上。4．4．5HARl’总线接口设计HART(HighwayAddressableRemoteTransducer，可寻址远程传感器高速通道)通信协议由美国Rosemount公司于20世纪80年代中期推出，之后又进行了修订和增补，作为开放标准由HART通信基金会HCF向全世界发布，主要用于现场智能仪表和控制室系统间进行数字通信。由于兼容传统的4～20mA模拟系统的HART通信协议具有诸多优点，发展至今，它已被世界上三分之二以上的现场设备所采用，成为智能工业控制领域事实上的国际标准。HART采用频移键控(FsK)技术。它基于Bell202通信标准，为实现模拟通信和数字通信同时进行而互不干扰，在低频的4—20mA模拟信号上叠加不同的音频数字信号(2200Hz表示“0”，1200Hz表示“1“)来进行双向数字通信，音频数字信号的幅度为0．5mA，如图4-6所示。HART协议的数据传输速率为1200bpsl32】。HART采用开放的体系结构，任何厂商和用户都能够免费得到。数字响应时间为500ms，突发方式为300ms。HART协议参考IS0，osl，采用它的简化三层模型结构，包括第一层物理层，第二层数据链路层和第七层应用层。物理层规定信号的传输方法、传输介质。数据链路层规定HART协议帧的格式，实现建立、维护、终结链路通信的功能。HART协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪声或其他干扰引起的数据误码，实现．30， 北京化工大学硕士学位论文数据无差错传送【33J。现场仪表要执行HART指令，操作数必须合乎指定的大小。每个独立的字符包括：1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和1个停止位。由于数据的有无和长短不恒定，所以HART数据的长度也不一样，最长的HART数据包含25字节。应用层即为HART命令集，用于实现HART指令。命令分为三类，即通用命令、普通命令和专用命令。HART协议通信中，主要的变量或控制信息一般由4～20mA传送，另外的诸多的测量数据、设备参数、校准信息、诊断信息等通过HART协议传输，采用半双工通信方式。HART信号通信介质的选择视传输距离长短而定，采用双绞电缆传输时最大传输距离可达1500m，线路总阻抗应在230～1100Q之间。SimuItaneousanalogueanddigital图4—6电流环上的HART信号波形HART现场总线(简称HF)系统采用主从工作方式：主机为1台PC机，从机为1台或多台遵守HART协议的I-IF智能变送器。当从机只有1台HF智能变送器，即智能变送器工作在点对点方式下时，可继续使用传统的4。20mA信号进行模拟传输，而测量、调整和测试数据用数字方式传输；当从机为多台HF智能变送器时，即智能变送器工作在多站方式下时，4-20mA信号作废，每台变送器工作电流在4mA左右。所有测量、调整和测试数据均用数字方式传输。对于点对点工作方式下，实际仅传输模拟量信号，其电路可以简单设计如下。利用标准电阻将电流信号转换成1《v电压信号接入采集卡，由于模拟量变化缓慢可以加上适当的滤波电容滤去干扰信号【翊，如图4-7。将无源变送器接入模拟量接线端子JANl，变送器回路闭合。24V直流稳压电源加在变送器回路上，产生4—20mA电流，通过250欧姆标准电阻R1，转换成1-5V电压信号。由于供水站内的温度、压力等模拟量参数变化极为缓慢，因此在R1上并接滤波电容c1，既不影响测量精度和准确度，又能滤掉现场的各种尖峰干扰。1-5V电压信号接入数据采集卡的模拟量输入接口A1，经A／D转换成为数字信号，送上计算机的可，o总线等待读取。 北京化工大学硕士学位论文图4-7模拟量输入接口由于每台HF变送器有惟一的编号，所以主机能对每一台变送器进行操作。HART提供了设备描述语言(DDL)，以确保互操作性l351。应该指出，HART被认为是事实上的工业标准。由于4—20mA模拟信号标准将在今后相当长的时间内存在，所以研究HART协议仍具有重要意义。考虑到本系统中每台智能终端要连接多台HART智能压力变送器，所以基于实际应用的需要，一方面考虑解决微功耗的问题，另一方面考虑供电方面的问题，设计了基于HART调制解调器的通信电路。功耗要求；图4-8是HART协议智能变送器的原理框图。传感器模拟量信号经A／D转换成数字量后送人单片机，单片机将处理后的数字量通过D舱转换器，经转换电路输出4—20mA标准电流信号。在数字通信时，微处理器通过通信接口芯片及辐合电路，以4-20mA电流环路为介质传送和接收数据。4-20mA钡U量电路图4．8HART协议测量电路原理框图图中的存储器，用来存储传感器的特性参数、现场命令、现场状态等工作参数。为兼容4-20mA现行标准，HART协议智能变送器必须可工作在4。20mA两线回路中。这就意味可用来为变送器供电的电流不能超过4mA。在实际应用中，为兼容数字与模拟两信号，通常将数字频率信号通过vⅡ转换电路的调整管， 北京化工大学硕士学位论文转换为幅度为士0．5mA的频率信号，叠加在两线的4-20mA电流环上(2200Hz表示“0”，1200Hz表示“1”)。由于对称性，此信号的平均值为O，因此模拟和数字两种信号互不干扰。但环路上电流瞬时最大值I--4．5mA，最小值1--3，5mA，如果向变送器供电过多，超过3．5mA，将导致数字信号负半周失真。考虑到调节量所需的余量，要求对变送器供电电流一般不要超过3．4mA为好。供电方式：给变送器系统供电主要有两种方式：一是直接将输人电压稳压成所需电压(5V或3．3v)后向系统供电，这种方法总电流必须控制在4mA以内；二是采用DC．DC供电方式【36l，只要DC．DC变换器的效率足够高，在功耗控制上它比第1种方法要宽松得多，但同时还需要考虑变换器的线性和稳定性因素可能带来的负面影响。由于目前微功耗、高性价比的集成电路出现，采用方法一的优越性更多，因为在供电方式上，2种方法都有需考虑对供电电压的适应问题。一般工业现场多为DC24V，也有DC36V供电的。一般要求交送器链在DC12V-42V供电电压下稳定、可靠地工作，这一方面直接供电方式要比DC．DC变换方式灵活得多。HART协议通信模块的硬件设计：HART协议通信模块需要完成测量结果的数字码到4～20mA模拟信号的DA转换，以及诸多其他信息的HART协议数字通信。设计完成的HART通信模块部分结构框图如图4-9所示。图4．9HART通信模块接口设计HART协议通信模块主要由HART调制解调器A5191HRT及其外围电路实．33． 北京化工大学硕士学位论文现。ASl91HRT接收叠加在4～20mA环路上的信号，对其带通滤波和放大之后进行载波检测，如果检测到FSK频移键控信号，则将1200Hz的信号解调为“1”，2200Hz信号解调为“0”，并通过串口通信传输给MCU，MCU接收命令帧并作相应的数据处理。之后，MCU产生要发回的应答帧，应答帧的数字信号由ASl91HRT调制成相应的1200Hz和2200Hz的FSK频移键控信号，并经过发送信号整形电路进行波形整形后，经过D／A转换器叠加在环路上发送。ASl91HRT是AMISemiconductor公司推出的单片HART调制解调器，采用相位连续的FSK半双工工作方式，数据率为1200bps。A5191HRT内部集成了符合Bell202标准的调制器、解调器、接收滤波器、发送信号整形电路、载波检测等电路，在+3．3V供电时工作电流330uAl371。由于ASl91HRT的这些特点，使设计者使用较少的外部无源元件就能够构建满足HART协议物理层要求的电路。本设计中当ASl91HRT接收时，从4～20mA环路上接收信号，经过带通滤波、放大整形后提取出FSK信号并解调为数字信号，传送给MCU；发送时，从MCU接收数据，进行调制和波形整形后耦合到功『A转换器内部，通过D，A转换器叠加到环路上。ASl91HRT和MCU通过后者的通用串行通信接口连接。D／A转换器选用单片高性能数模转换器，主要由电压调整器、数模转换器和电流放大器组成。电压调整器由运放、带隙基准和外接FET调整管组成，能够从环路中获取电流，为D／A转换器和其他器件提供3．0V、3．3V、或5．0V可选择的供电电压。数模转换器采用∑．ADAC结构，将16位数字码转换为4～20mA模拟电流。数字码是通过和MCU的三线接口CLOCK、DATA和LATCH从MCU串行输入。其中，与MCU的通用串行收发模块UART的接口信号包括载波检测OCD、HART解调输出ORXD、来自UART的HART调制输入ITXD和请求发送INRTS；Loop+为4～20mA环路输入，经过外部电阻电容和A5191HRT内部电路完成接收信号的带通滤波和放大，用于解调；调制好的数据经过内部整形电路处理后由管脚OTXA输出，通过电容耦合到D／A转换器内部，然后叠加到环路上传输：HART调制解调的时钟信号源于外接的460．8kHz晶体产生的振荡。HART协议通信模块的软件设计；HART协议通信模块的软件设计包括D／A转换器的控制和HART通信协议的软件程序设计。前者较为简单，后者包括HART协议数据链路层和应用层的软件设计，是整个模块软件设计的主体和关键。HART协议通信模块的通信过程首先由主机(上位机)发送命令帧发起，．34． 北京化工大学硕士学位论文现场仪表作为从设备使用中断调用子程序的方法完成接收和应答。现场仪表在上电或看门狗复位后，主程序首先对HART协议通信模块进行初始化，例如设定UART的工作方式、串行通信波特率、数据帧格式、清通信缓冲区、开中断等，之后将其设置为等待状态。上位机发送命令时，A5191HRT的载波检测输出OCD变为低电平，触发UART中断，程序进入接收过程。MCU完成主机命令的接收、解释并执行相应的操作后，按一定格式生成应答帧并送入发送缓冲区，完成发送后再次将HART协议通信模块设置为等待状态[381【391。图4-10为HART协议通信模块接收主机帧、回复应答帧的程序流程图。图4—10HART协议通信模块程序流程图HART协议通信模块通过上图所示的中断调用子程序的方法，完成现场仪表和主机之间的通信，可以使主机完成对现场仪表的工作参数设置、测量结果读取、仪表检测等工作。实践证明，上述的HART协议通信模块的实现方法切实可行，具有电路设计简单、工作可靠性高的优点，具有很好的参考价值和实用性。HART技术在国外已经很成熟，并以其自身突出的优点而成为智能控制领域中应用最广泛的现．3S． 北京化工大学硕士学位论文场通信协议，在今后的很长一段时期内，HART技术将在我国现场仪表的智能化改造和研制中发挥重要的作用。4．5小结本章介绍GPRS无线数据通信的工作原理及应用GPRS技术透明传输的嵌入式无线通信模块的设计方案和软、硬件的实现。嵌入式GPRS无线通信模块的研制，为GPRS无线通信技术在数据传输业务中的应用提供了极大的便利，缩短了应用系统的开发周期，减小了开发难度和风险，具有较高的市场应用前景。 北京化工大学硕士学位论文5．1数据通信设计第五章终端软件设计PPP模块设计和GPRS通信模块设计是远程监控系统的最基本软件模块，它们组成了无线远程监控系统的框架。PPP模块设计，用于GPRS无线终端的无线拨号上网。关键技术是Linux下的PPP协议开发。GPRS通信模块用于无线通信单元和中心监控系统的实时无线通信。关键技术是Linux下的Socket通信的开发。监测系统的数据通信部分的一个突出特点是在GPRS网络上建立基于PPP连接的TCⅣ口网络，利用TCP／LP协议传输数据。双方通信连接建立的过程如图5．1所示。终端接入网络量上l建立PPP连接，协商网络层协议如IP协议上上Socket连接／接收，建立TCP连接上上开始交换数据图5一I通信连接建立的过程按照OSI参考模型，监测系统的数据通信可分为物理层、数据链路层(PPP)、IP层、TCP层和应用层等四个层次。用GPRS无线网络传输数据，需要使用GPRS无线Modem连接和交换数据。控制中心服务器利用了RAS(远程访问服务，RemoteAccessService)操纵modem，它是Windows操作系统的系统服务之一：远程终端则利用了Linux的mgetty和pppd应用软件。除了操作Modem，Windows的RAS和Linux下的pppd还可以通过～定的编程开发，建立PPP服务器或客户端，使之具有相互建立PPP连接和IP连接的能力，构建控制中心和供水站之间的“Intranet”。为了建立TCP连接，监测系统使用Windows操作系统和Linux 北京化工大学硕士学位论文内核提供的Socket接口：Socket编程接口封装了TCP／IP协议，监测系统调用一系列的Socket接口函数，在控制中心服务器和远程终端间建立TCP连接交换数据。在应用层上，监测系统专门设计了一组通信协议，用于对控制中心和远程终端交换的各种信息的编码和解码。控制中心与远程终端用GPRSModem接入GPRS公共网络。利用GPRS无线网络，供水站监测系统的通信主要过程如下：控制中心向远程终端申请接入一远程终端确认是控制中心来电一控制中心和远程终端建立连接一交换数据一控制中心和供水站挂机，双方断开连接。如果远程终端不能确认是控制中心的询问，对此申请将不予应答。远程终端和控制中心服务器的通信选择采用PPP协议，PPP(点对点数据传输协议，PointtoPointProtoc01)是一个通过串行链路传送m数据包的协议。Windows2000和Linux都支持PPP连接，它是操作系统内核的标准配置之一。相对于常见的建立在以太网(Ethemet)上的TCP／IP网络，线路两端利用PPP协议建立点对点串行链路上的TCP，IP网络(见表5-1)。这样可以调用Socketl401网络编程接口函数进行基于TCP／IP的网络编程，减少了大量底层重复劳动，开发周期大大缩短，物理层和数据链路层对上层应用完全透明，具有移植性好，可扩展性强等特点。同时利用PPP和TC驯IP协议的传输控制，可以保证数据的无错传输。但网络传输效率稍低，速度慢。物理层串行通信数据链路层PPP协议网络传输层TC：P／口协议应用层自行开发连接过程是：首先控制中心服务器和远程终端呼叫建立GPRS网络上的通信连接，然后双方建立PPP连接，PPP协商确定网络层协议，建立口连接。于是控制中心和远程终端组成了建立在GPRS网络上的“Intranet”，在此基础上再建立TCP或者UDP连接传输数据。监测系统的数据通信是按照典型的“服务器．客户端”模式进行的。5．2PPP连接实现 北京化工大学硕士学位论文在无线远程监控系统中，PPP协议模块用于GPRSModem接入GPRS网，实现与GPRS网络的通信功能。在监测系统的数据通信中，Modem拨号／应答与建立PPP连接是紧密结合在一起的，利用Window和Linux的一些常用软件或服务就可以完成【4”。一般情况下，控制中心和远程终端的Modem通过“呼叫一应答”通过GPRS网络接通后，PPP连接自动开始建立，因此我们将这两端分别称为PPP拨号服务器和PPP拨号客户端。远程终端既要接受控制中心的拨号连接，也要主动向控制中心拨号报警，所以要考虑将远程终端配置成PPP拨号服务器和客户端的结合体。对于控制中心服务器来说也有同样的要求。5．2．1PPP协议简介PPP(Point．to．PointProtoc01)协议是“点到点”协议，它提供了基于广域网的网络层数据封装和向上层提供物理透明性的功能。这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包【421。设计目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案。PPP协议是目前广域网上应用最广泛的协议之一，它的优点在于简单、具备用户验证能力、可以解决IP分配等。PPP协议中提供了一整套方案来解决链路建立、维护、拆除、上层协议协商、认证等问题。PPP协议主要包括三个部分【43】：在串行链路上封装数据包，PPP使用HDLC作为基本的封装策略；链路控制协议LCP(LinkControlProtoc01)，用来监视链路连接质量，建立和配置数据连接；一族网络控制协议NCP(NetworkControlProtoc01)，用来和不同的网络层协议建立连接和设置选项。一个典型的链路建立过程分为三个阶段：创建阶段、认证阶段和网络协商阶段。阶段一：创建PPP链路LCP负责创建链路。在这个阶段，将对基本的通信方式进行选择。链路两端设备通过LCP向对方发送配置信息报文(ConfigurePackets)。一旦一个配置成功信息包(Configure-Ackpacket)被发送且被接收，就完成了交换，进入了LCP开启状态。应当注意，在链路创建阶段，只是对验证协议进行选择，用户验证将在第二阶段实现。阶段二：用户验证在这个阶段，客户端会将自己的身份发送给远端的接入服务器。该阶段使用一种安全验证方式避免第三方窃取数据或冒充远程客户接管与客户端的连 北京化工大学硕士学位论文接。在认证完成之前，禁止从认证阶段前进到网络层协议阶段。如果认证失败，认证者应该跃迁到链路终止阶段。在这一阶段里，只有链路控制协议、认证协议，和链路质量监视协议的packet是被允许的。在该阶段里接收到的其他的packets必须被丢弃。当然PPP接入服务器也可以设置成不需要认证L44J。最常用的包括口令验证协议PAP(PasswordAuthenticationProtoc01)和挑战握手验证协议CHAP(Challenge．HandshakeAuthenticationProtoc01)。PAP是一种简单的明文验证方式，而CHAP是一种加密的验证方式，CHAP比PAP更为安全。阶段三：网络层协商认证阶段完成之后，PPP将调用在链路创建阶段(阶段一)选定的各种网络控制协议(NCP)。选定的NCP在PPP链路之上的配置网络层协议选项，例如，在该阶段m控制协议(IPCP)可以向拨入用户分配动态地址。经过以上三个阶段以后，一条完整的PPP链路就建立起来了。建立PPP连接后才能应用Socket网络通信接口建立各种TCP佃连接，比如常用的telnet，却，http，以及我们自己专为监测系统通信准备的通信连接。PPP数据帧格式及数据帧字段说明【45lml，见表5—2和表5-3。lFl。gAddressControlProtocolInfoFCsFlag．．．101111110111111110000001116bits01111110表5．3PPP数据帧字段说明F1agPPP帧标志位，出现在帧开始和结束位置，始终保持“01111110”Address接收PPP帧地址Control控制字段Protocol封装的协议Info“Protocol”字段中记录的协议信息FCS校验在PPP帧中可以封装多种协议，封装的协议将标识号记录在“Protocol”字段中。5．2．2建立PPP客户端在嵌入式PC的Linux操作系统上一般使用PPP软件包建立拨号客户端。PPP．40． 北京化=I=大学硕士学位论文软件包主要包括位-于／usr／sbin目录下的pppd、chat这两个二进制可执行文件和／etc／ppp目录下的配置、shell脚本文件。chat程序是一个自动管理modem对话的程序，pppd程序是建立PPP连接的程序。PPP软件包中提供T／etc／ppp目录下各种文件的范例，根据这些范例和远程终端的实际情况就可以建立一个简单的PPP拨号客户端。这里需要提到的是／usr／ppp目录下的PPP—Oil和ppp-off两个shell脚本文件，以及i口．up．10cal配置文件。PPP模块的实现有多种，在Linux下是直接修改PPP配置脚本，这种方法主要是便于项目的开发，以及PPP脚本模块和操作系统的捆绑编译。在Linux系统中实现PPP模块，需要内核对PPP客户的支持，另外还需要PPP软件chat和pppd。几个最主要的脚本程序如下：PPP—on：负责执行pppd命令，初始化PPP连接。其中定义了PPP需要拨接的电话号码、用户登录名及口令，如果使用静态口地址，也需要在配置文件中明确指定。另外一个重要参数是在连接过程中需要的chat脚本。这些参数在建立连接时被传递给pppd。PPP—Oil—dialer：在建立PPP连接时被执行，负责与远程调制解调器进行协商，建立一个标准的登录连接过程。PPP—off：终止PPP连接。远程终端的报警功能通过调用PPP一0n这个shell脚本完成modem摘机拨号、建立PPP连接等一系列操作，而调用PPP—o饪这个shell脚本断开PPP连接，挂断电话。ip-up．10cal是一个在PPP建立连接的第三阶段，即网络协商阶段成功后，由pppd自动调用的脚本。远程终端在这个脚本中设定了一个名为“ipready”的二进制可执行程序。ip_ready将IPCP协议协商好的拨号服务器(控制中心服务器)的动态砰地址发送到消息队列(messagequeue)，然后向远程终端的主控程序发送信号(signal)，通知主控程序从消息队列读取获得的IP地址。主控程序的通信模块用这个IP地址建立与控制中心的TCP连接，就可以开始发送报警数据。PPP脚本模块主要代码(1)gprs文件#gprs文件撑显示调试信息debug．41． ：垄室垡三盔兰堡主兰垡堕皇——／dev／ttySl样指定串口2#串口速率57600crtscts#附着在终端nodetach霸奎接脚本conneet／ete／ppp／gprs--on-chat样系统设置noipdefaultipcp—·accept—locallocalnovinovjccomp社断开连接脚本disconnect／etc／ppp／gprs·off-chat襻默认路由defaultroute(2)gprs-on—chat文件#gprs*on—chat文件execchatTIMEOUT5ABORThBUSY＼r’＼ABDRr气玎职ROR旷tAB0盯、nNOANSWEIm’＼ABORT’、IlNOCARRIE耻’＼ABORT’nNODIAITONEV＼ABORT、氓矾0INGkMkⅦRING矾G”“、rAT＼TIMEOUTl2＼OKATEl＼OK’AT+cGDCONT=1，”IPHflcomet”，⋯’，o"0、#cnnet为指定的接入．42． 北京化工大学硕士学位论文oKAT+CGQREQ=I，0，0，0,0，0＼OKAT+CGQMⅡ、丁=1，O，O，0"o，0＼OK"192"}+1撑＼群拨入号码TIMEOUT22＼CONNECT””＼f3)gprs-off-chat文件#gprs-off-chat文件exec／usr／sbin／chattABoRr”BUSY”＼ABORT”ERROR”、ABORT”NODIAIT13NE”＼”””＼K”＼”””+++ATH”＼5．2，3建立PPP服务器在嵌入式PC的Linux操作系统上一般使用PPP软件包和mgetty软件包配合建立服务器。PPP软件包就不再介绍，mgetty软件包主要包括位于／sbin目录下的mgetty程序和／ete／mgetty+sendfax目录下的配置文件。mgetty程序是一个配置为系统启动后在后台运行的管理modem的daemon程序，负责modem的初始化，识别来电号码等。pppd程序仍然是建立PPP连接的程序。mgetty软件包中提供T／ete／mgetty目录下各种文件的范例，根据这些范例和远程终端的实际情况就可以建立一个简单的PPP拨号服务器，关于配置的详细情况请参见监测系统设计的相关文件。5．3数据通信程序设计5．3．1套接宇简介80年代初，美国政府的高级研究工程机构(ARPA)给加利福尼亚大学Berkeley分校提供了资金，让他们在UNIX操作系统下实现TCP／IP协议。在这个项目中，研究人员为TCP／IP网络通信开发了一个API(应用程序接口)。这个API称为Socket接口(套接字)。今天，Socket接口是TCP／IP网络最为通用的一43— 北京化工大学硕士学位论文API，也是INTERNET上进行应用开发最为通用的API。操作系统Windows2000和Linux都提供了Socket编程接口，虽然这两种Socket遵循不同的Socket接口规范，但是主要的接口函数和编程开发的方法基本相同。Socket接口定义了许多函数或例程，这些函数封装了TCP／IP协议，程序员可以用它们来开发TCP／IP网络上的应用程序。应用程序、Socket和TCP／IP协议之间的关系如图5-2所示。I应用程序l应用程序2{rn{三lM络编程接tlSoek阢{rTCP／IPj工}操作系统Linux或wind。ws{E物理通信介质图5·2应用程序、Socket、TCP／IP之间的关系Socket实际代表了计算机网络通信的一个端点，借助于它，用户开发的Socket应用程序可以通过T(、P／IP网络与其他的计算机Socket的应用程序进行逯信。在Linux中，网络的Socket数据传输是一种特殊的I／O，按照Unix／Linux系统的习惯，将Socket抽象为一个I／O文件，因此Socket也是一种文件描述符。Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用Socket0，该函数返回一个整型的文件描述符，应用程序在网络上传输信息都是通过读写该Socket实现的。在传输层常用的Socket类型有三种：流式Socket(StreamSocket)、数据报式Socket(DatagramSocket)和原始式套接字(RawSocket)[471。流式Socket是一种面向连接的Socket，针对面向连接的TCP服务应用，提供面向连接的(建立虚电路)、无差错的、发送先后顺序一致的、无记录边界和非重复的信息包传输。面向连接服务是电话系统服务模式的抽象，即每～次完整的数据传输都要经过建立连接，使用连接，终止连接的过程。在数据传输过程中，各数据分组不携带目的地址，而使用连接号(connectID)。本质上，连接是一个管道，收发数据不但顺序一致，而且内容相同。TCP协议提供面向连接的虚电路。数据报 北京化工大学硕士学位论文式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务，它以独立的信息包进行网络传输，信息包最大长度为32KB，传输不保证顺序性、可靠性和无重复性，它通常用于单个报文传输或可靠性不重要的场合。数据报Socket的一个重要特点是它保留了记录边界，它采用了与现在许多包交换网络(例如以太网)非常类似的模型。无连接服务是邮政系统服务的抽象，每个分组都携带完整的目的地址，各分组在系统中独立传送。无连接服务不能保证分组的先后顺序，不进行分组出错的恢复与重传，不保证传输的可靠性。UDP协议提供无连接的数据报服务。原始式套接字接口允许对较低层协议，如IP、ICMP直接访问。常用于检验新的协议实现或访问现有服务中配置的新设备。5．3．2套接字编程简介在TcP／口网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户，服务器模式(Client／Servermodel)，即客户向服务器发出服务请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。随着Intemet的不断发展，“客户端／月艮务器”模型在网络通信中得到了广泛的应用。通信程序分为服务器与客户端两个进程，网络操作系统都提供了许多这种服务器／客户端程序，如Web客户程序(浏览器)和Web服务器程序，以及FrP客户端和FTP服务器，Telnet服务器和Telnet客户端等。服务器和客户端的区别在于；服务程序总是被动的等待连接，服务程序一启动，初始化完毕就进入等待连接状态：而客户程序启动后，向远程服务程序发出连接请求，服务程序收到请求后，按照一定的规则建立连接。连接完成后，两个程序之间就建立了一个虚拟的数据通信连接。这些程序可以直接从自己打开的Socket读入和写出数据，而不用关心实际的通信连接。在网络上的所有通信都是客户进程和服务器进程的通信(口c)，Socket实际上是一种重要的进程间通信的手段。对应一台主机口地址，可能存在多个服务器或多个客户端程序在运行，每一个程序打开一个Socket。为了区分多个进程打开的Socket，每个Socket使用一个端口。端口是一种抽象的软件结构(包括一些数据结构和I／O缓冲区)。应用程序(即进程)通过系统调用与某端口建立连接(binding)后，传输层传给该端口的数据都被相应进程所接收，相应进程发给传输层的数据都通过该端口输出。在TCP，妒协议的实现中，端口操作类似于一般的I／0操作，进程获取一个端口，相当于获取本地唯一的I／O文件，可以用一般的读写原语访问之。类似 北京化工大学硕士学位论文于文件描述符，每个端口都拥有一个叫端13号(portnumber)的整数型标识符，用于区别不同端口。由于TCP／IP传输层的两个协议TCP和UDP是完全独立的两个软件模块，因此各自的端口号也相互独立，如TCP有一个255号端口，UDP也可以有一个255号端口，二者并不冲突。端口号的分配是一个重要问题。有两种基本分配方式：第一种叫全局分配，这是一种集中控制方式，由～个公认的中央机构根据用户需要进行统一分配，并将结果公布于众。第二种是本地分配，又称动态连接，即进程需要访闯传输层服务时，向本地操作系统提出申请，操作系统返回一个本地唯一的端口号，进程再通过合适的系统调用将自己与该端口号联系起来(绑扎)。TCP／IP端口号的分配中综合了上述两种方式。TCP／[P将端口号分为两部分，少量的作为保留端口，以全局方式分配给服务进程。因此，每一个标准服务器都拥有～个全局公认的端口(即周知口，well-knownport)，即使在不同机器上，其端口号也相同。剩余的为自由端口，以本地方式进行分配。TCP和UDP均规定，小于256的端口号才能作保留端口。服务器Socket和客户端Socket利用IP地址和端口地址，以及协商好的通信协议比如TCP协议，在服务器和客户端进程之间建立通信连接。整个工作流程为：服务器首先创建一个用于侦听的套接字，在为该套接字分配地址后，调用I．,istenO函数使它处于侦听状态：客户端在创建套接字完毕后，为套接字分配地址，然后调用ConnectO"m数，请求与服务器套接字连接；服务器套接字在收到客户端的连接请求后，调用Accept0函数，创建一个用于连接的套接字。应用该套接字和客户端上的连接套接字，用户就可以在服务器和客户端之间进行数据传输；传输结束后，客户机调用ClosesocketOi函数关闭套接字，服务器也调用该函数关闭用于侦听和连接的套接字。应用Socket编程接口可以编写自己的网络通信程序。供水站监测系统的通信程序就采用了面向连接的流式Socket，因为面向连接协议(流式Socket)的Socket编程模型应用最为广泛，它提供了一系列的数据纠错功能，可以保证在网络上传输的数据及时、无误地到达对方。图5-3是面向连接的Socket编程模型，方框中是Socket编程接口中用于通信的最重要的接口函数。 北京化工大学硕士学位论文服务器图5—3面向连接协议的Socket编程模型远程终端在接受控制中心的查询配置时扮演“服务器”的角色，这时控制中心作为“客户端”；下面结合图5．3分别说明远程终端作为服务器的程序开发。远程终端作为服务器接收控制中心的连接，然后根据控制中心的发出的各种指令完成各种操作。远程终端主控程序首先建立一个Socket，指定相关五元组中的“协议”这一元；然后调用bind将新建的Socket绑定到一个主机口地址和一个特定的端口上，bind将套接字地址(包括本地主机地址和本地端口地址)与所创建的套按字号联系起来，即将名字赋予套接字，以指定本地半相关。四个套接字系统调用，socket0、bind0、connect0、acceptO，可以完成一个完全五元相关的建立。socket0指定五元组中的协议元，它的用法与是否为客户或服务器、是否面向连接无关。bind0指定五元组中的本地二元，即本地主机地址和端口号，其用法与是否面向连接有关：在服务器方，无论是否面向连接，均要调用bind0；在客户方，若采用面向连接，则可以不调用bind0，而通过connect0自动完成。若采用无连接，客户方必须使用bindO以获得～个唯一的地址。监听连接listen开始监听这个Socket看是否有连接进入；一旦有连接进入，accept返回一个新的socket，用这个新的socket与控制中心的socket建立连接，分别用send和recv发送和接收数据，而以前的socket继续监听新的连接请求。Socket相当于一种FO设备，阻塞模式是socket的缺省方式，也是最常用 北京化工大学硕士学位论文的方式，即函数阻塞直到调用完毕。主控程序的主线程开启监听(1isten)后。如果直接调用accept，CPU就会一直阻塞等待socket上的连接请求。但是主线程还要同时处理多个I／O设备，比如其他的键盘、显示等等，CPU如果阻塞在accept操作上造成程序死锁，就无法处理其他VO设备的输入输出。因此在lmtcn和accept之间插入了一个select系统调用，并不直接调用accept。Linux的select0系统调用提供了I，o设备的多路复用技术嗍，可以使迸程检测同时等待的多个／／O设备，当没有设备准备好时，setect0阻塞，其中任一设备准备好时或者超出设定的时限，select0就返回。当select检测到socket上有连接请求时便调用accept去与客户端建立连接。服务器程序一般采用多个进程或线程来处理多个客户的连接，基本的方式是：服务器等待一个连接，接受连接，然后新建一个进程或线程与客户交互处理。而主线程又回到等待连接的状态。主控程序的主线程用select调用检测到socket上的连接请求后，接着调用pthread控制中心服务线程。该线程利用acceptO返回的新的socket与控制中心通信，而主线程可以继续反复调用select检测旧的socket上的连接请求。控制中心拨号与远程终端建立PPP连接后，便可以作为客户端向远程终端发出corff／ect请求，远程终端按照上述过程与之建立连接。控制中心发送不同的指令，主要有配置时间、请求历史数据、请求实时数据、请求报警数据、系统组态等。远程终端主控程序的控制中心服务线程接收解析这些指令，按照控制中心的要求完成配置或者向socket发出数据供控制中心读取。通信结束后，该线程自动退出。5．4数据通信协议数据通信协议是远程终端和控制中心交换数据的协定，属于OSI模型中的应用层。控制中心和远程终端都按照数据通信协议对数据进行编解码，远程终端还按照数据通信协议要求存储监测历史数据，为数据交换提供了方便统一的方法。两个进程间的通信链路的建立采用全相关的方式，远程终端和控制中心的通信由两个进程组成，并且只能使用同一种高层协议(TCP协议)。因此一个完整的网间通信需要一个五元组来标识：协议，本地地址，本地端口号，远地地址，远地端口号。这样一个五元组，叫做一个相关(association)，即两个协议 北京化工大学硕士学位论文相同的半相关才能组合成一个合适的相关，或完全指定组成一连接。监测系统采用了面向连接协议的流式socket，以数据流的形式交换数据。数据传输的基本单位是信息帧。发送端连续发送一个或者一组信息帧，而接收端则连续接收一个或者一组信息帧。每个信息帧由一个4字节的信息头(bead)和信息头后不定长的信息块(datablock)组成。信息头是监测系统中定义的一个枚举类型(enum)，确定了该信息帧的类型，参见表5—4。信息头分为两大类，一类是操作类型信息头，它们后面的信息块长度为0；另一类是数据类型信息头，它们后面是不定长的信息块。信息头含义操作ACK握手或结束信号类请求监测实时数据型REQRTREQHr请求监测历史数据REQALM请求报警历史数据REQHA请求监测历史数据和报警历史数据数据TIME信息块以二迸制码的形式存放年、月、日、时、分、类秒时间信息，每个域占用4个字节。型HART信息块以二进制码的形式存压力变送器测量数据COUNT信息块以二进制码的形式存放脉冲计数器数据ALAR信息块以二进制码的形式存放报警数据STID信息块以二进制码的形式存放供水站编号，占4个字节PARA信息块以ASCII码的形式存放远程终端的配置组态文件，但在信息块的开头以二进制码的形式存放该文件的大小，占4字节5．5主控程序设计终端软件实现各模块的初始化、数据中心IP地址和端口设置、上网指令及 北京化工大学硕士学位论文招关操作、状态检恻、数据处理等功能。GPRS核心模块的初始化、语音或数据操作及状态检测等都是基于OpenAT指令完成的，GPRS上网设置相关部分AT指令如下：f11AT+cGCLASS为“B”：置为“B”模式。(21AT+CGDCONT为1，“ip”，“CMNET”：设置APN。(3)AT+cSO为检查信号，若返回10．31之间的信号数字则继续，如果信号是99，则系统重复发送～命令，不停地让模块去搜寻网络。重试次数超过预定次数，可定义其他方式发送错误报告。(4)AT+CGACT为1，表示激活，返回OK则继续。(5】AT+CGREG若返回为0，1则可以继续，若返回O，0则返回第一步重来。一般情况下，当终端附着在GPRS网络上时，GPRS系统将为其分配一个动态口地址，通过AT+CGRADDR命令可以得到本地口地址，然后将此地址按一定格式发送给预先设置好的数据中心P地址和端口，即可实现与中心的数据互通。此外，系统循环调用GPRS网络注册状态命令AT+CGI也G和GPRS相关的错误命令AT+CMEERRPR来检查系统状态。当网络出现异常或终端与GPRS网络脱离时，终端可以自动切换到短信方式或GSM电路数据方式保证数据的传输，并向中心发送错误报告。当系统回复正常，立即切换回GPRS状态，并发送回中心更新数据状态。GPRS专网系统终端上网登录服务器平台的流程为：1)用户发出GPRS登录请求，请求中包括由移动公司为GPRS专网系统专门分配的专网APN：2)根据请求中的APN，SGSN向DNS服务器发出查询请求，找到与企业服务器平台连接的GGsN，并将用户请求通过GTP隧道封装送给GGSN；3)GGSN将用户认证信息(包括手机号码、用户账号、密码等)通过专线送至Radius进行认证；4)Radius认证服务器看到手机号等认证信息，确认是合法用户发来的请求，向DHCP服务器请求分配用户地址；5)Radius认证通过后，由Radius向GGSN发送携带用户地址的确认信息；6)用户得到了口地址，就可以携带数据包，对GPRS专网系统信息查询和业务处理平台进行访问。其主控程序采用面向对象的C++语言编写，除了封装各个用户界面窗口的窗口封装类以外，还抽象出一个重要的类CComm。CComm封装主控程序建立一S0． 北京化工大学硕士学位论文TCP服务器的所有操作。主控程序通过与用户和其他进程交互，实现了远程终端的大部分功能：人机界面、数据通信、系统配置。按照面向对象程序设计的观点，主控程序与用户或者其他进程之间的～组有着共同目的交互称为用例(usecase)，这一系列的交互按照一定的顺序构成了用例的事件流(顺序图)tsol，远程终端的各种不同事件流形成了它的各种重要功能。图5，4是主控程序的总体结构，图中的各个输入输出流是主控程序与外界交互的路径。图5．4主控程序结构主控程序有一个常驻线程(灰色表示)是用户界面线程。下方的蓝色线程用虚框表示这个线程仅在需要时才开启运行。下面结合程序的总体结构和输入输出流介绍远程终端主控程序重要的事件流。数据更新：压力变送器和脉冲计数实时数据管道中数据已经准备好，通知用户界面线程读取；用户界面线程读实时数据，并分析运行参数是否正常进行记录，最后更新显示窗口中的实时数据控制中心调度：用户界面线程从mgetty获得主叫号码显示在界面上，然后监听socket接收控制中心的连接请求，并创建控制中心服务线程。该线程与控制中心通信，接收控制中心发出的各种指令，并进行相关的操作，比如发送历史数据、更新系统配景等。5．6小结本章根据供水站监测系统的需求，提出供水站监测系统的总体方案，阐述一51— 北京化工大学硕士学位论文远程终端和数据通信具体的设计方案和技术路线。远程终端采用嵌入式单片机的扩展结构，操作系统环境是Linux。设计了HART信号和脉冲计数信号调理电路。监测系统采用基于GPRS网络的通信方式，与控制中心在链路上建立TCP／IP连接，利用socket网络编程接口开发数据通信软件。智能监控终端是基于LiflUX平台实现的，它充分利用了Linux平台提供的多线程技术、旧通信和Socket编程等知识，达到了高实时性、高可靠性以及良好的可扩展性等要求。接着分层次详细说明了监测系统数据通信的设计开发。通过配置Linux下的PPP和mgetty软件包，解决了远程终端中GPRSmodem管理操作和建立PPP拨号服务器及客户端等系列问题。最后采用socket网络绽程接口为远程终端编写了基于TCPflP协议的通信程序部分，按照监测系统的功能需求设计通信中数据交换的格式以及几种数据通信过程。在系统的具体应用中，本章分析了需要解决的关键问题，并提出了切实可行的解决方案。这些方案己经在实际中得以运用和实施。 北京化工大学硕士学位论文第六章监控中心软件设计6．1监控中心软件设计简介本系统利用VisualC¨开发上位监测软件，并运行于Windows2000环境。其主要功能包括对现场智能仪表等设备的运行环境进行实时监控，显示监测数据，仪表报警上下限的设置，对GPRS无线终端的网络参数进行查询和设置等，软件由数据管理库、实时和历史数据报表、实时趋势和历史趋势曲线生成等模块组成。界面如图6-1所示。全中文的操作界面使得操作直观、方便、灵活。图6-1系统主控界面布局图根据系统功能设计的目标，拟定系统的功能模块框图结构如图6．2所示。 北京化工大学硕士学位论文图6-2监控中心系统软件功能模块框图6．2网络系统安全性设计在安全性方面，本系统对于数据传输的安全性和稳定性方面有比较高的要求，数据的传输必须做到能够防止来自外部的破坏，网络安全方面的措旌包括信道加密、访问权限、防火墙等。稳定性方面要达到长时间无故障运行，系统不能中断。数据中心通过公网使用VPN接入到移动GPRS网，采用VPN方式成本比较低，企业不用租用专线，还可以利用使用原有的VPN设备，移动终端需要安装具有VPN二次虚拟拨号的功能的软件。通过vPN方式，客户端在连接应用服务器前，要经过Radius服务器的认证，整个数据传送过程得到了加密保护，安全性比较高，可充分保障速度和网络服务质量。另外，数据中心也可以采用APN接入方式，租用专线接入到移动公司的GGSN设备上，这种成本高，安全性高、稳定可靠。6．3软件系统测试根据系统总体设计时所要求达到的要求，还需要对系统的软件功能做如下的测试，检查的功能主要包括下面两个方面：1、下位机的数据处理功能 北京化工大学硕士学位论文包括压力和流量HART信号、模拟量、脉冲计数量的采集、保存和显示。2、下位机的通信功能包括应答电话、建立连接和数据传输。同时，亦希望就以下几方面的性能给予评价：1、通信的可靠性：数据传输过程的正确性和稳定性。2、运行的可靠性：长时间满负荷运行的稳定状态。3、来电识别的可靠性：来电判决的成功率。4、数据采集的精确性：数据的有效位数和误差范围。通过这一系列的分析，需要设计一套完整的测试计划，主要测试系统需求分析时所要求实现的各种功能。根据这些功能的重要性，系统测试时对不同的功能采用成不同的指标要求。具体的测试计划如下表所示：—＼测试内容指标要求数据通道正常否高数据正确否高数据采集抖动程度一般数延迟时间一般据处数据精度高理数据保存存储数据正确否高数据位数一般数据显示显示格式一般单位一般GPRS网络接通率高来电判决成功率高通信功能一般等待时间一般数据传输正确率高主动拨号成功率一般其它长时间满负荷运行态高软件配置功能局根据测试计划，整套系统主要作了如下步骤的测试：1、数据处理部分：人工控制方式，在信号输入部分接标准信号源；不断调节信号源，如此可以测试通道的正常与否、数据正确与否(以信号源的输出值为参考值)：在软件一55— 北京化工大学硕士学位论文界面上可以观察记录数据的抖动和延迟时间，以及数据显示的格式、单位和有效位数正确与否；通过多组的记录和计算，可以得到HART信号，脉冲计数和模拟量采集的误差范围，从而确认数据的精度；通过比对历史记录的数据值和实际观察到的数据可以判断数据存储的正确性。2、通信功能部分：自动控制方式，利用上位机不断与下位机进行通信联络，包括实时数据提取、历史信息提取、配置信息载入和轮询；每种至少10次，记录下位机来电判决状况、应答状况、数据传输状况和一般延迟时间。3、控制中心配置功能：因为远程终端的所有设置都是通过读取控制中心的发送的配置文件来完成，所以这一部分比较重要，故做为单独的一个步骤来测试。主要通过控制中心为远程终端发送各种不同的配置文件，来观察远程终端是否按照控制中心的要求来完成采集和显示功能。4、其它功能部分：采用人工控制方式，调整下位机软件的配置，考察各个功能的执行情况。最后让系统满负荷长时间运行，观察状况。6．4小结自动化网络系统自投用以来，运行安全可靠。数据交换准确、高速，并且监控画面清晰，切换灵活，已实现了对远距离设备的在线监控，自动化程度比较高，减少了劳动强度，提高了劳动生产率，满足了生产过程的自动化控制，值得推广。 北京化工大学硕士学位论文7．1论文工作总结第七章结论目前供水领域的监控技术正处于蓬勃发展的阶段，但是现有的一些成果在应用中还存在相当多的问题。针对供水系统监控的需求和条件，本课题设计开发了一套基于GPRS网络的分布式供水站计算机监测系统，由控制中心服务器和多台远程终端组成。通过对该系统测试运行结果的分析，认为基本达到了控制中心对各供水站的自动化监测的技术要求。1．配置组态控制中心通过GPRS网络将配置组态文件传输到远程终端，远程终端的主控程序重新启动系统，更新远程终端的所有监测测点的组态信息，包括历史数据存储时间，压力、流量变送器块数、类型，采集卡模拟量和脉冲计数通道数、单位、量程，所有运行参数与异常判定有关的阈值，用户界面显示信息等。2．实时监测远程终端能够实时、准确地测量显示供水站各运行参数。支持不同厂家生产的不同类型压力、流量变送器HART、模拟量数据输入，读取每台仪表的四个主要测量值，共80路测量值。模拟量测量精度达到2％o以上，脉冲计数频率20kHz以内，计数无误差。远程终端存储空间30M以上，能够保证远程终端以2分钟的间隔详细记录30天以上的历史数据。3．数据查询控制中心设定定时轮询或随机查询的方式，通过GPRS网络选择采集远程终端现场运行实时数据、历史数据或者报警历史数据，远程终端将已经上传的历史数据删除保持一致。4．信息管理控制中心维护一个数据库，存储所有供水站的组态信息，运行历史数据，报警历史数据等，并可以根据要求生成各种统计报表，从而达到对供水站运行的科学管理。5．数据通信远程终端数据通信比较稳定，可以保证数据的无错传输，传输数据量可达 北京化工大学硕士学位论文兆字节，传输速率在30Kb／s以上，完全能够满足监测系统数据传输的要求。供水站远程监测系统各项技术指标基本上达到了设计的要求，但在测试过程中也发现了一些问题，主要是几台终端连接GPRS网络出现时断时续现象，这导致设计的GPRS网络通信的优点不能完全体现出来。另外监测系统的软硬件设计有待进一步改进和优化以保证系统更加稳定地运行。论文完成了以下主要任务：1．提出了供水管网GPRS无线远程监测系统的完整解决方案2．实现了GPRS无线终端的软硬件设计3．深入研究了嵌入式处理技术、无线GPRS通信技术的发展和应用论文的创新点：1．将GPRS无线数据传输应用于供水管网监测2．将HART接口集成到GPRS无线终端系统7．2应用前景展望随着我国经济的快速发展和城市化趋势加速，人们对生活质量、对环境问题日益关注，城市供水管网建设事业得以迅猛发展。城市供水管网的面积不断扩大，对供水管网的自动化监控管理水平的要求也随之提高。供水站属于供水管网中的现场层面，它直接为用户提供用水。因此供水站的运行状况直接关系到用户的用水质量，但是供水站地理位置分散的特点使得采用人工值站的方法进行管理是对人力物力资源的极大浪费，而且限制了供水管网自动化监控管理的发展。供水站远程监测系统可以利用无所不在的GPRS无线网络，远程采集供水站现场各类运行参数实时数据、历史数据，辅以远程终端的异常判断报警功能，实现了供水站数据的计算机自动采集、存储、分析，初步达到供水站实时监测管理要求，大大降低了人工值站的劳动强度。监测系统的设计实现为保证供水站经济、安全地运行，改善供水质量提出了更优的解决方案。目前基于GPRS的分布式供水站监测系统在使用中还存在一些不足，需要在下一步的工作中加以完善。分布式监测系统未来的发展是将监测系统发展成监控系统，远程终端采用嵌入式单片机+I／O扩展的开放式结构，可以利用软件实现多种控制算法和控制策略，如果能够进一步增强系统软硬件方面的稳定性， 北京化工大学硕士学位论文就基本达到无人值守供水站分布式监控系统的要求。中国移动于2002年5月正式开通的GPRS网络(2．5G移动通信技术)，是一种全新的移动数据通信业务，支持TCP／IP协议，它使得无线数据的传输变得更加轻松，而且相对价格比SMS(短消息)等要便宜许多。因此，综合Intcrnct技术和GPRS网络来实现无线数据的采集与传输具有非常诱人的前景，必将受到越来越多的重视。 北京化工大学硕士学位论文参考文献李圭白等．城市水工程概i／t[M]．北京：中国建筑工业出版社，2002．1-32童心．管网服务压力及控制点压力标准的探讨fJ】．西南给排水，1996,5：34-35黄仲杰．香港供水技术和管理fJl．中国给水择水，1999，15：24-26GBJl5-88，建筑给水排水设计规范fSl．1997崔玉川．我国城市水资源短缺的形势与对策[J／OL]．中国水网，2004．黄荣星，许士敏．基于GPRS技术的城市水资源监测系统【J】．现代电子技术，2004，4：43～45李丽，安淑凯等．计量站远程检测SCADA系统的设计分析【J】，微计算机信息，2003，19(8)：28．29韩路跃．IFIX在城市供水SCADA系统中的应用[Jl，自动化仪表，2004，3：59—61薛伟，毛敏．GSM短消息业务在水情自动测报系统中的应用【J】．电讯技术，2002，6：109．112祝佩通用分组无线业务(GPRS)fJ】．数据通信，2000，<1)：73-761PaulMEmery．MetropolitanTorontocentralPumpingcontr[J]．JAWWA,1973，65：18-20GyergrekLComputerApplicationinDistn"butionSystemOperation[J]．JAWWA,1973，65(2)：34-36BCoulbeek．Computerapplicationsinwatersupply[J]．ResearchStudiesPress．JohnandSons．NewYorkNY-1988ElaineC．Sodowski．Compoter-generatedOptimalPumpingSchedule．JAWWA，1995(7)MichelMouly．GSM数字移动通信技术IM]．北京：电子工业出版社，1996．56-59XavierLagrange．GSM网络与GPRS[M]，北京：电子工业出版社，2002．7-36钟章队．GPRS通用分组无线技术【M】．北京：人民邮电出版社，2000．77．84GSM08．16．GeneralPacketRadioService(GPRS)：BaseStationSystem(BSS)一ServingGPRSSupportNode(SGSN)Inletface；NetworkService[S]。version7．1．0文志成．GPRS网络技术【M】．北京：电子工业出版社．2005，3％60，89-120吕捷．GPRS技术[M】．北京：北京邮电大学出版社，2001，4547黄松林，冯斌等．GSM网络应用于COD在线监测[J】．计算机应用，2002，5：3840何志吼孙晓松等．GPRS调制解调器的设计及其在电力系统中的应用Ⅲ．现代科学仪器，2004，2：33—36厉荣卫．GPRS技术与嵌入式系统应用[J】．江苏技术师范学院学报，2003，12(9)：50-54W．RichardStevens．TCPflP详解(第一卷)协议【M】．北京：北京大学出版社，1999，34．58楚狂．网络安全与防火墙技术[MI．北京：人民邮电出版社，2000，30-38谢希仁译．TCP／IP协议族[M】．北京：清华大学出版社，2001，37．62毛洋林，陈讽，潘志浩．用MCS-51单片机实现基于GPRS的INTERNET接入fJl微计算机信息，2004，20(31，92-93傅中君．嵌入式GPRS无线通信模块的设计与实现【J1．计算机工程与应用，2004，14：162-165．60，Ⅲ嘲嘲州嘲嘲忉嘲柳∞mmm吣∞m呻∽∞阻m∞阱陋∞阿基： 北京化工大学硕士学位论文李正军．计算机测控系统设计与应用【M1．北京：机械工业出版社，2004，63—67李善平等．Linux与嵌入式系统IMI．北京：清华大学出版社，2002，232-260阀石等．数字电子技术基础『M1．北京：高等教育出版杜，1989，330-332HCF．HartFieldCommunicationsProtocolApplicationGuideisl．1999阳宪惠．现场总线技术及其应用fMl．北京：清华大学出版社，1999，78．85童诗白等．模拟电子技术基础fMl．北京：高等教育出版杜，1988，445-448HCF_SPEC-54．FsKPhysicalLayerSpecificationis]．HARTCommunicationFoundation，1999RomillyBowden，HART-ATechnicalOverviewlPl，Fisher-Rosemount，1999A5191HRTDatasheet[P】，AMISHARTModem，AMI公司，2001张石，蔡惠龙．现场通信协议HART原理与应用[J】．测控技术，1999，2：30．33王鸿昌，李宝康．HART技术的特点及进展【J】．自动化与仪器仪表，2002,5：23-25W．RichardStevens．UnixNetworkProgramming[M]．北京：清华大学出版社，1999．70-149BrynPfaffenberger．Linux连网详解【M】．北京：机械工业出版社，2002，1-18王奎，张钢等．基于Linux的嵌入式PPP实现【J1。计算机应用与研究，2002，(11)：115—118王燕燕等．PPP数据报解析【J1．计算机工程，2000，26(11)：104．105关字东等．嵌入式单片机PPP协议的应用研究fJ]．计算机应用，2003，(2)：18．20ThePoint-to—PointProtocolIs】．RFCl661．1994PPPAuthenticationProtocols[S]．RFCl334．1992萧秋水，文娟．W"mdows网络编程之VC篇【M】．北京：清华大学出版社，2001，2-3张威．Linux网络编程教程眦】．北京：北京希望电子出版社，2002，203-223DavidR．Butenhof．Posix多线程程序设计【M】．北京：中国电力出版社，2003，28-74DougRosenberg．UML驱动对象建模p∞北京：清华大学出版社，2003，79-10361．眇跚阻mm瞰陋m∽陬眇㈤M㈣㈣州叫删叫删侧剐 北京化工大学硕士学位论文附录GPRS无线终端配置界面碍P，hne埔∞汕吓{1l∞l‰㈣t，l鲫。P粘iwotd{‘l壮tH·“g砌nlhlpfetch9NSIt2艘m∽卜ISP，DD“I?："囊赫．M·hSⅢ·f西dd#哪]P-、A峨啦黪囊盯#”呻哟iM鞋西碱磺a盛赫墒蚓}{_)+jiN删由蝴口fDi缸Rb自№■一Nl栅afR缸F蔷吼O#-H．ckc蕊“避唾溢蝙e弛蛹、i：D蝉hP蛐t岫r[亟回一。¨旷-一wjEnabh目镕S¨tgh塔PhD¨l岫Ⅱh甜1$2FIS‰¨Mm"2囤回G豫擘Ⅸdh群甜m”n吐yhc‘"i’翟响n稿q∞菡0淤GPⅫV㈣，．■GI§硷Pj#“叫GPmQ《日薯曩『|¨{=|j_『匆赫1『-。I÷“∥一一。L⋯，．，．{j『h5““‘曩=1_；_一。=_≯··“．i睦国匝回一i=?～0矗¨爱]厕- 北京化工大学硕士学位论文SmpGnw《自mUE⋯e孙lTPPaj“呲dSe“er^dd抖#∥AnP；$AlmmM∞5Remindp峥丑·“I妇☆砧㈣m¨越M姐ons哪雌C9哪cd琳c惴ctm卿*M甜舔耶qd一#mmmd珊蝴hⅢ"s嘶d瑶^ddr％，Add*ss粥·^j时哪Ⅲ矗f程$Miomc碜孵妒ⅢMIilIF赫*Me赫证“raeⅡthIa戤^西2D@忡b曲y。y“⋯鲍⋯ndressc。⋯口B国y8yuwan0@cn日nd⋯⋯2u’¨so“g@cnendmssco，Ⅷsy圆匝司Th_gmH．嘛hc瓤曩。_冀鬻羹鬣。。i嵩：一j确畔蕊i姆!hdtoW毋Daw畸e物蝻‘。。mⅫ，j№s¨{群“mlmm$s，￡’。；二一～—=二：二：=二纂妊i。、0÷j—f．；⋯～一⋯⋯—一一_j⋯j5jI“巴8”，。|¨『一一i0Ihv}⋯。=．：而00iY"，⋯mdBhhmiss。i圆【曩司．63．女：l：曩～j 北京化工大学硕士学位论文致谢在两年多的研究生学习和研究过程中，我的导师莫德举教授和E+H公司的王卓军经理给了我精心的指导和悉心的关怀。在毕业论文的写作过程中，我的导师更为我付出了极大的心血，在此，向我的导师莫老师致以衷心的感谢和崇高的敬意!在我完成论文研究的过程中得到了E+H公司的壬卓军、谭海玲两位经理的大力协助，他们帮助我解决了许多学习中的疑惑和问题，给了我很多有益的建议和热情的帮助。在此一并向他们表示衷心的谢意!最后，我还要感谢我的父母，没有他们的关心和支持，我是无法完成艰苦的学习和研究生活的。 北京化工大学硕士学位论文研究成果及发表的学术论文发表及已接受的论文1．宋子健，莫德举，基于GPRS网络的城市管网SCADA系统的研究，仪器仪表用户，2006，42．宋子健，王卓军，基于计算机控制的油品检测系统平台的研究，流程工业(已收录) 基于GPRS网络的供水管网SCADA系统的应用研究作者：宋子健学位授予单位：北京化工大学参考文献(51条)1.参考文献2.李圭白城市水工程概论20023.童心管网服务压力及控制点压力标准的探讨1996(05)4.黄仲杰香港供水技术和管理[期刊论文]-中国给水排水1999(1)5.GBJ15-1988.建筑给水排水设计规范19976.崔玉川我国城市水资源短缺的形势与对策20047.黄荣星.许士敏基于GPRS技术的城市水资源监测系统[期刊论文]-现代电子技术2004(4)8.李丽.安淑凯.刘怀庆.李隽计量站远程监测SCADA系统的设计分析[期刊论文]-微计算机信息(测控仪表自动化)2003(8)9.韩路跃IFIX在城市供水SCADA系统中的应用2004(03)10.薛伟.毛敏GSM短消息业务在水情自动测报系统中的应用[期刊论文]-电讯技术2002(6)11.祝侃通用分组无线业务(GPRS)[期刊论文]-数据通信2000(1)12.PaulMEmeryMetropolitanTorontocentralPumpingContr197313.GyergrckLComputerApplicationinDistributionSystemOperation1973(02)14.BCoulbeckComputerapplicationsinwatersupply198815.ElaineCSodowskiComputer-generatedOptimalPumpingSchedule1995(07)16.MichelMoulyGSM数字移动通信技术199617.XavierLagrange.PhilippeGodlewski.SamiTabbane.顾肇基GSM网络与GPRS200218.钟章队GPRS通用分组无线技术200019.GSM08.16.GeneralPacketRadioService(GPRS),BaseStationSystem(BSS)-ServingGPRSSupportNode(SGSN)Interface,NetworkService.version7.1.020.文志成GPRS网络技术200521.吕捷GPRS技术200122.黄松林.冯斌GSM网络应用于COD在线监测2002(05)23.何志明.孙晓松.傅先凤GPRS调制解调器的设计及其在电力系统中的应用[期刊论文]-现代科学仪器2004(2)24.厉荣卫GPRS技术与嵌入式系统应用[期刊论文]-江苏技术师范学院学报2003(4)25.WRichardStevensTCP/IP详解(第一卷)协议199926.楚狂网络安全与防火墙技术200027.谢希仁TCP/IP协议族200128.毛洋林.陈沨.潘志浩用MCS-51单片机实现基于GPRS的INTERNET接入[期刊论文]-微计算机信息(测控仪表自动化)2004(3)29.傅中君嵌入式GPRS无线通信模块的设计与实现[期刊论文]-计算机工程与应用2004(14)30.李正军计算机测控系统设计与应用200431.李善平.刘文峰.王焕龙Linux与嵌入式系统2002 32.阎石.清华大学电子学教研组数字电子技术基础198933.HCFHartFieldCommunicationsProtocolApplicationGuide199934.阳宪惠现场总线技术及其应用199935.童诗白.华成英.清华大学电子学教研组模拟电子技术基础198836.HCF_SPEC-1954.FSKPhysicalLayerSpecification199937.RomillyBowdenHART-ATechnicalOverview199938.A5191HRTDatasheet200139.张石.蔡惠龙现场通信协议HART原理与应用1999(02)40.王鸿昌.李宝康HART技术的特点及进展2002(05)41.WRichardStevensUnixNetworkProgramming199942.BrynPfaffenbergerLinux连网详解200243.王奎.张钢.张连芳基于Linux的嵌入式PPP实现[期刊论文]-计算机应用研究2002(11)44.王燕燕.严明.孙慰迟PPP数据报解析[期刊论文]-计算机工程2000(11)45.关字东嵌入式单片机PPP协议的应用研究2003(02)46.ThePoint-to-PointProtocol199447.PPPAuthenticationProtocols199248.萧秋水.文娟Windows网络编程之VC篇200149.张威Linux网络编程教程200250.DavidRButenhofPosix多线程程序设计200351.DougRosenbergUML驱动对象建模2003本文读者也读过(10条)1.刘正华基于TCP/IP协议的远程数据采集与控制系统[学位论文]20042.宋子健.莫德举.SONGZi-jian.MOde-ju基于GPRS网络的城市管网SCADA系统的研究[期刊论文]-仪器仪表用户2006,13(4)3.王树船.李世峰浅谈监控系统在天然气管理中的应用[会议论文]-20074.李明涛.李玉鲲.黄国民在二次加压泵站中基于GPRS无线网络构建SCADA系统[会议论文]-20075.李明涛.李玉鲲.黄国民.叶德斌.LIMing-tao.LIYu-kun.HUANGGuo-min.YEDe-bin基于GPPS无线网络构建二次加压泵站的SCADA系统[期刊论文]-中国给水排水2007,23(2)6.董明华.曲艺.黄青青.DongMinghua.QuYi.HuangQingqing基于嵌入式PC与GPRS的SCADA在油田中的应用[期刊论文]-微计算机信息2005(5)7.曹小荣.张爱玲.赵志良.CAOXiao-rong.ZHANGAi-Ling.ZHAOZhi-liang基于CAN总线的矿井分布式SCADA监控系统[期刊论文]-煤矿机械2005(9)8.邓小星基于嵌入式Linux的多功能工程机械远程数据采集与传输终端研究与实现[学位论文]20119.施敏SCADA监控系统在变电所的应用[期刊论文]-浙江建筑2007,24(10)10.朱骏.ZhuJun市南自来水管网工程SCADA监控系统[期刊论文]-城市公用事业2005,19(5)本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y882210.aspx'