【正文】 這些系統(tǒng)大多采用 RS232，或有線 Modem的通信方式，雖然經(jīng)濟(jì)實(shí)用，但是采用有線的數(shù)據(jù)傳輸方式，在很大程度上限制了應(yīng)用場合的拓展。 隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，不同的生產(chǎn)部門可能在地域上分布極廣，部分位于山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等偏僻地區(qū)，而且地理位置分散，無法架設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)或遠(yuǎn)程線路鋪設(shè)，不便于現(xiàn)場 信息 處理，這就要求將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)上 ,再對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。因此需要一個高效、廉價的傳輸系統(tǒng)，將反映各監(jiān)測點(diǎn)運(yùn)行狀 況的數(shù)據(jù)信息傳送給監(jiān)測中心，并且將監(jiān)測中心的控制命令傳送到各測點(diǎn)上。 所以采用無線的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨缶腿找嫱怀隽恕? 當(dāng)今世界己進(jìn)入了飛速發(fā)展的信息時代，信息產(chǎn)業(yè)己成為國民經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，通信則成為信息產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最為迅速，進(jìn)步最快的行業(yè)。而在通信領(lǐng)域中，移動通信 (GPRS)網(wǎng)則是這個領(lǐng)域中發(fā)展最積極最活躍最快的分支之一。 GPRS(General Packet Radio Service)通用分組無線業(yè)務(wù) [1][2]，是在現(xiàn)有 的 GSM(Global System for Mobile Communications)即全球移動通訊系統(tǒng) [3][4]網(wǎng) 絡(luò)上開通的一種新型的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)， GPRS采用分組交換方式，僅在實(shí)際傳送和接收 數(shù)據(jù)時 才 占用無線資源。利用現(xiàn)有的 GPRS網(wǎng)絡(luò)資源，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高、永遠(yuǎn)在線等優(yōu)勢，為現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)提供一種便捷的無線傳輸方式。 國內(nèi)外遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)默F(xiàn)狀和問題 遠(yuǎn)程傳輸主要包括 :基于有線的遠(yuǎn)程傳輸 (包括架設(shè) 電纜 、 光纜 或租用電信專線、基于公用電話網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸、專用線路的遠(yuǎn)程傳輸 )； 基于無線的遠(yuǎn)程傳輸 (主要是建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) )[5][6]。 國內(nèi)現(xiàn)在無線網(wǎng)絡(luò)及嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也初有成果，例如合肥華恒科技有限公司開發(fā)的金融電子 POS 終端設(shè)備，該設(shè)備采用 32 位嵌入式微處理器，利用該處理器內(nèi)部集成的104M 以太網(wǎng)接口以及兩個串口，外加另行擴(kuò)展的 LCD 接口、 IDE 接口的邏輯芯片，構(gòu)成了一個功能結(jié)構(gòu)緊湊、豐富完善、成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工控機(jī)的 POS 機(jī)終端設(shè)備。 在國外對無線網(wǎng)絡(luò)及嵌入式系統(tǒng)的研究已達(dá)到很高的水平 [5]，例如美國航空公 司 于1995 年在達(dá)拉斯采用一套名為 AirData 的無線辦理登機(jī)手續(xù) 系 統(tǒng)，該系統(tǒng)由 SABRE 公司開發(fā)，采用 ATamp。T 的 CDPD 無線移動數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)。 通 過此系統(tǒng)，航空公司不必有固定華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 的 CheekIn 柜臺，旅客也不必在柜臺前大排長 龍 ，通過 CDPD(蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)網(wǎng) )網(wǎng)絡(luò)，航空公司地勤人員可以在機(jī)場內(nèi)的任 何 地方為旅客辦理登機(jī)手續(xù)，資料來回處理時間僅需 2 至 6 秒，如此航空公司可 以 為旅客提供更高品質(zhì)的服務(wù)，節(jié)省固定柜臺的昂貴租金，同時 旅客的滿意度也 大 幅提高，公司的形象也有所提升。 GPRS 技術(shù)（公用電話網(wǎng)技術(shù)） GPRS(General Packet Radio Service),即通用無線分組業(yè)務(wù) , 介于第二代和第三代網(wǎng)絡(luò)之間，是基于 GSM 網(wǎng)絡(luò)上的一種新的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。 GPRS 采用分組交換方式 ,僅在實(shí)際傳送和接收數(shù)據(jù)時才占用無線資源 , 具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。 GPRS 采用基于分組傳輸模式的無線 IP 技術(shù)，以一種有效的方式高速傳送數(shù)據(jù)。 GPRS傳輸協(xié)議模型 移動臺 (MS)和 GPRS 之間的分層傳輸協(xié)議模型如 圖 11 所示。它主要由 GT， PLLC和 RLC 協(xié)議構(gòu)成 [7] 圖 11 傳輸協(xié)議平 臺 Um 接口是 GSM 的空中接口。 Um 接口上的通信協(xié)議有 5 層，自下 而上依次為物理層、 MAC 層、 LLC 層、 SNDC 層和網(wǎng)絡(luò)層。 RLC/MAC 為無線鏈路控制 /媒質(zhì)接入控制層。 RLC 負(fù)責(zé) LLPDU 的拆裝與重組，并提供可靠的無線鏈路。 MAC 的主要作用是定義和分配空中接口的 GPRS 邏輯信道，使得這些信道能被不同的移動臺共享。 LLC 層為邏輯鏈路控制層。它是一種基于高速數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程 HDLC 的無線鏈路協(xié)議。 網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議目前主要是 Phase1 階段提供的 TCP/IP 和 協(xié)議。 TCP/IP 和 協(xié)議對于傳統(tǒng)的 GSM 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是透明的。 GTP 即 GPRS 隧道協(xié)議，它將用戶數(shù)據(jù)及信令用隧道技術(shù)在 GPRS 網(wǎng)絡(luò) GSN 節(jié)點(diǎn)之間傳送。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 GPRS 技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn) GPRS 技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) ,具有以下幾個特點(diǎn) : 1） 可靠性高 與 SMS 短信息方式相比， GPRS 采用面向連接的 TCP 協(xié)議通信，避免了數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。中心可以與多個采集點(diǎn)同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，互不干擾 [8]。GPRS 網(wǎng)絡(luò)本身具備完善的頻分復(fù)用機(jī)制 ，具備極強(qiáng)的抗干擾性能 。 2） 實(shí)時性強(qiáng) GPRS 具有實(shí)時在線 , 接入速度快 的特性，數(shù)據(jù)傳輸時延小，并支持多點(diǎn)同時傳輸，因此 GPRS 監(jiān)測數(shù)據(jù)中心可以 在 多個監(jiān)測點(diǎn)之間快速 、 實(shí)時地進(jìn)行雙向通信，很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時性的要求 。 3）應(yīng)用 范圍廣 GPRS 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)覆蓋，并且擴(kuò)容無限制，接入地點(diǎn)無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn) 等偏遠(yuǎn)地區(qū) 的接入需求。由于環(huán)保信息采集點(diǎn)數(shù)量眾多，分布在全省范圍內(nèi)，在無線 GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍之內(nèi)，都可以完成對 測點(diǎn) 的控制和管理 。 4） 系統(tǒng)建設(shè) 、 運(yùn)營成本低 由于采用 GPRS 公網(wǎng)平臺，無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只需安裝設(shè)備就即可，建設(shè)成本低 ， 也免去了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)用 。 采用 GPRS 公網(wǎng)通信，全國范圍內(nèi)均按統(tǒng)一費(fèi)率計(jì)費(fèi)，省去昂貴的漫游費(fèi)用 。 GPRS 是一種經(jīng)濟(jì)高效的分組數(shù)據(jù)技術(shù) ,用戶只需在傳輸數(shù)據(jù)時按照流量進(jìn)行付費(fèi) ,大大降低了用戶的使用費(fèi)用 ，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低成本通信。 5） 系統(tǒng)的傳輸容量大，擴(kuò)容性能好 由于數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)量眾多，系統(tǒng)要求能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，?GPRS 技術(shù)能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要；由于系統(tǒng)采用成熟的 TCP/IP 通信架構(gòu)，具備良好的擴(kuò)展性能，一個監(jiān)控中心可輕松支持 幾千個數(shù)據(jù)采集器的通信接入 ，從而可以實(shí)現(xiàn)與Inter 的無縫連接 。 GPRS無線通信系統(tǒng)基本原理 GPRS是一種基于 GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù) ,提供端到端的、廣域的無線 IP連接。GPRS網(wǎng)是在 GSM電話網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加以下功能實(shí)體構(gòu)成的： SGSN(服務(wù) GPRS支持節(jié)點(diǎn) )、GGSN(網(wǎng)關(guān) GPRS支持節(jié)點(diǎn) )、 PTMSC(點(diǎn)對多點(diǎn)服務(wù)中心 )；共用 GSM基站 ， 但需進(jìn)行軟件更新；采用新的 GPRS移動臺； GPRS要增加新的移動性管理程序；通過路由器實(shí)現(xiàn) GPRS骨干網(wǎng)互聯(lián)； GSM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要進(jìn)行軟 件更新和增加新的 MAP信令和 GPRS信令等 。 GPRS邏輯結(jié)構(gòu)如圖 1所示 [9]。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 圖 1 GPRS無線分組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 GPRS的基本功能是在移動終端與計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的路由器之間提供分組業(yè)務(wù) 。 GPRS網(wǎng)絡(luò)分成兩部分，即無線接入部分和核心網(wǎng)絡(luò)部分 。 無線接入部分在移動臺與基站子系統(tǒng)(BSS)之間傳輸數(shù)據(jù)，核心網(wǎng)絡(luò)部分在 BSS和標(biāo)準(zhǔn)通信網(wǎng)絡(luò)邊緣路由器之間中繼傳遞數(shù)據(jù) 。SGSN是服務(wù) GPRS支持節(jié)點(diǎn)，主要是記錄用戶移動臺當(dāng)前是否登陸 GPRS和當(dāng)前位置，并且SGSN將數(shù)據(jù)封裝成傳輸協(xié)議，發(fā)給 GGSN。 GGSN是網(wǎng) 關(guān) GPRS支持節(jié)點(diǎn)，主要是起網(wǎng)關(guān)和路由作用，它把 GSM網(wǎng)絡(luò)中的 GPRS分組數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，傳送到遠(yuǎn)端的 TCP/IP或。 GPRS提供了兩種類型的服務(wù) :點(diǎn)到點(diǎn)服務(wù) ( PTP)和點(diǎn)到多點(diǎn)服務(wù) ( PTM) [10]。相對原來的 GSM的撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式 ， GPRS的分組交換技術(shù)具有實(shí)時在線、按量計(jì)費(fèi)、高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn) 。 本文的主要研究工作 隨著現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，基于無線局域網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)取得了很大的發(fā)展，但對于環(huán)境惡劣、作業(yè)點(diǎn)分散、頻發(fā)小數(shù)據(jù)量傳輸?shù)墓I(yè)應(yīng)用，目 前的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)難以滿足需要，如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備之間的自由通信成為研究的熱點(diǎn)。 本論文 將 GPRS無線通信技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合，提出適用于工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控的 GPRS無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案。 以 C8051F310單片機(jī)為微控制器，利用西門子公司的 GPRS模塊MC39I，使其經(jīng)過 GPRS無線網(wǎng)絡(luò)連接到 Inter，最后與 Inter上的監(jiān)控中心電腦建立連接 ， 并應(yīng)用 C編程建立了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心間的可靠數(shù)據(jù)無線通信。 設(shè)計(jì)無線傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)終端單元，完成由各測點(diǎn)向監(jiān)測中心傳送信息的任務(wù)。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2 數(shù)據(jù)傳輸 系統(tǒng) 方案設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì) 目前 遠(yuǎn)程傳輸主要包括 :基于有線的遠(yuǎn)程傳輸 (包括架設(shè)電纜、光纜或租用電信專線、基于公用電話網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸 、有線電視電纜網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸 )；基于無線的遠(yuǎn)程傳輸 (主要是建立專用無線 通信傳輸系統(tǒng) )[5][6]。 電纜光纜網(wǎng)主要用于環(huán)網(wǎng)控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性很好。但專門建設(shè)電纜或光纜網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備投資大，工期長，系統(tǒng)性價比太低。 公用電話網(wǎng)這種方式隨著電話初裝費(fèi)逐步取消，電信資費(fèi)的下降，優(yōu)勢明顯，系統(tǒng)構(gòu)建簡單，維護(hù)工作量小。但每月有固定基本費(fèi)用，且有集中器安裝的地點(diǎn)很可能假設(shè)電話線 比較困難。 有線電視電纜網(wǎng) 投資較少，系統(tǒng)構(gòu)建較簡單。但該方案要求有線電視網(wǎng)必須是雙向系統(tǒng)，需與有線電視部門進(jìn)行良好的合作與配合，協(xié)調(diào)工作量大。 監(jiān)測站點(diǎn) 的設(shè)置與 監(jiān)測 范圍受到有線電視網(wǎng)的布局制約，特別是隨著電力地埋電纜的增加，缺點(diǎn)越來越明顯，不具備推廣普遍性 。 無線數(shù) 據(jù) 傳 輸 通信 網(wǎng) ，系統(tǒng)構(gòu)建不受地理和距離限制；投資省，只需在抄表終端上配置有關(guān)無線通信模塊就可以構(gòu)建覆蓋全球的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)；沒有維護(hù)費(fèi)用；系統(tǒng)工作可靠性高。 根據(jù)上述對供電企業(yè)系統(tǒng)可選用通信方式的分析比較可以看出，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，原有的遠(yuǎn)程 數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)采用的通信方式已不能滿足供電和用電部門的需要。從務(wù)實(shí)的角度出發(fā)， GPRS作為電能量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)支撐平臺，同時綜合采用先進(jìn)安全方案以構(gòu)建 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)是較佳的選擇。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集部分、 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸部分和 監(jiān)控中心 部分三大模塊構(gòu)成。 遠(yuǎn)程終端由傳感器組、 C8051F310 單片機(jī)及外圍電路所組成的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和西門子的 MC39I 無線通信模塊三部分組成。數(shù)據(jù)采集終端安裝在現(xiàn)場，通過各個傳感器進(jìn)行 各種狀態(tài)信息的 采集； GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)采集終端分站與監(jiān)控中心分站之間數(shù)據(jù)傳 輸?shù)臉蛄?，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸部分將終端收集的數(shù)據(jù)按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送 到 GPRS 網(wǎng) 上 ，再通過 Inter 網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心 的 計(jì)算機(jī)中，同樣監(jiān)控中心的查詢或控制命令也可以通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給采集終端。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端 n 個字節(jié) 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端 圖 21系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 [11][12] 系統(tǒng)各部分的主要功能 數(shù)據(jù)采集終端 模塊功能 (l) 參數(shù)采集和處理功能。采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。 (2) 存儲一記錄功能。記錄系統(tǒng)主要參數(shù)在上電時對系統(tǒng)初始化。 (3) 報(bào)警功能。在系統(tǒng)供電不足以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時發(fā)出報(bào)警并將信息傳送給監(jiān)控中心。 (4) 參數(shù)設(shè)置。在擴(kuò)展接口部分，現(xiàn)場人員可以通過串口對采集終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。 (5) 顯示功能。在擴(kuò)展接口部分，現(xiàn)場人員可以通過顯示屏查看數(shù)據(jù)情況。 GPRS無 線通信模塊功能 功能 (1) 協(xié)議轉(zhuǎn)換 :待發(fā)數(shù)據(jù)送至 GPRS 模塊 ， GPRS 模塊首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行 TCP/IP 協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后再將其封裝成 GPRS 分組數(shù)據(jù)包 才 能發(fā)送至 GPRS 無線基站。同理， GPRS 模 塊接收到的數(shù)據(jù)包同樣需要協(xié)議轉(zhuǎn)換才能送至監(jiān)控終端進(jìn)行接收處理。 (2) 數(shù)據(jù)傳輸 :通過串口向采集終端收發(fā)數(shù)據(jù)，通過 GPRS 無線通訊方式實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心站的通訊，完成數(shù)據(jù)向中心站的傳輸和接收中心站控制命令的功能。 監(jiān)控中心的功能 監(jiān)控中心一方面與數(shù)據(jù)采集終端雙向通信， 實(shí)時接收從采集終端分站上傳的數(shù)據(jù)和報(bào)警信息 ，并記入數(shù)據(jù)庫供查詢；另一方面為管理人員提供一個友好的可視化界面，實(shí)時地華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 顯示各個參數(shù)、報(bào)警信息、各項(xiàng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并能以曲線圖或表格等形式表現(xiàn)出來，使得管理人員可直觀地了解現(xiàn)場的運(yùn)行狀況。 3 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) 硬件電路總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的硬件電路包括兩大部分：監(jiān)控中心電路及 數(shù)據(jù)采集 遠(yuǎn)程終端部分。其中監(jiān)控中心主要由監(jiān)控中心服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器 ，企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng) 及相應(yīng)的外圍設(shè)備組成。本文 重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程終端部分的硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對監(jiān)控中心的硬件結(jié)構(gòu)不做詳細(xì)的說明。 遠(yuǎn)程終端的硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)功能不同可劃分為兩個子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，兩