【正文】 ................................. 29 數(shù)據(jù)庫部分模塊設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) ................................................................... 38 第 5 章 總結(jié)與展望 ......................................................................................................... 43 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 44 致謝 ..................................................................................................................................... 45 附錄 ..................................................................................................................................... 46 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是 Inter 技術(shù)廣泛地深入到人們生活的各個(gè)方面，使人們的生活發(fā)生了深刻的變化。從測控領(lǐng)域來講，由于現(xiàn)在監(jiān)測現(xiàn)場在地域上越來越分散，要對分散不同地域的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、以及設(shè)備的診斷維護(hù)，只有通過遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)。 本課題的來源、研究目的及意義 隨著工業(yè)技術(shù)水平的飛速發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴(kuò) 大，城鎮(zhèn)農(nóng)村廠礦油田等地的用水量正在急劇增大，管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的分布也越來越廣泛。相應(yīng)地，對于自來水管道的實(shí)時(shí) 監(jiān)測也顯得越來越重要。調(diào)查表明，城市市區(qū)自來水管道滲漏率一般都 30%以上。大量寶貴的水資源被白白浪費(fèi)，一是無謂的消耗了資源 ； 二來增加了用水成本 ； 第二，管道滲漏更可能存在安全隱患，并有可能間接引起地下水污染。所以，必須建立一個(gè)有效的監(jiān)測系統(tǒng)，對自來水管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)測量與分析，以達(dá)到合理調(diào)度水資源分、排除故障、消除隱患、節(jié)約水資源的目的。 城市自來水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的工作就是獲得分布在自來水管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的儀表所采集的數(shù)據(jù)，并將其傳回到監(jiān)測中心，以進(jìn)行存儲 、 計(jì)算 、 分析它的特點(diǎn) ： (1)監(jiān)測點(diǎn)分散 ： 計(jì)量表廣泛分布，要求通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是覆蓋范圍較廣。 (2)設(shè)備數(shù)量多 ： 城市自來水管網(wǎng)覆蓋范圍廣，節(jié)點(diǎn)眾多，用十采集數(shù)據(jù)的儀表數(shù)量也很大。 (3)每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大。 (4)對通信的實(shí)時(shí)性要求很高 ： 許多采樣操作需要大量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)在有限時(shí)間內(nèi)有效返回。 近幾十年來，電子技術(shù)有了非常迅猛發(fā)展，同時(shí)也帶動了計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的高速飛躍，這幾種技術(shù)相結(jié)合演化出許多新的通信方式，其中 GPRS(General Packet Radio Service)無線通信網(wǎng)更是優(yōu)秀代表。這也為供水監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了更多的可行性。 基于 GPRS[1]無線網(wǎng)絡(luò)的供水監(jiān)測系統(tǒng)，是對采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)方式的巨大改進(jìn)，它是隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的，利用計(jì)算機(jī)和 GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)自動讀取遠(yuǎn)程水壓、流量計(jì)量表的數(shù)據(jù)并加以分析、處理和存儲。實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的自動化、智能化 [2]。同時(shí)，探討一種特別適合 GPRS石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 無線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)儀表本身的特點(diǎn)，使系統(tǒng)能低成本，高可靠的運(yùn)行。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 自來水供水網(wǎng)絡(luò)具有節(jié) 點(diǎn)數(shù)量龐大、位置分散、分布范圍廣泛的特點(diǎn)，所以自來水供水監(jiān)測系統(tǒng)，其最重要的任務(wù)，是如何采集到數(shù)量眾多、位置分散、分布范圍廣泛的儀表中得到的數(shù)據(jù)。通過不斷地研究和探索，人們提出了很多用于數(shù)據(jù)采集的方法，這些方法在自來水供水?dāng)?shù)據(jù)采集的自動化中得到了應(yīng)用。這些方法可以歸納為 ： (1)現(xiàn)場總線方式。這種方法對儀表的接口要求較高，對同一總線的儀表要提供一種統(tǒng)一的現(xiàn)場總線通信接口。這種方法一般是將總線接到監(jiān)測中心，這樣就使得可采集儀表的分布范圍非常有限。但是，如果我們考慮將現(xiàn)場總線同其它網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，能發(fā)揮現(xiàn)場總線的優(yōu)勢 。 (2)基于電話線傳輸方法。利用電信系統(tǒng)己有的電話線通訊網(wǎng)絡(luò)，通過 Modem將分散在各地的儀表數(shù)據(jù)傳遞至監(jiān)測中心。該方法初期投資較小，但在使用過程中，運(yùn)行費(fèi)較高。由于按照占線時(shí)間計(jì)費(fèi)，這樣對于要求常在線，而傳輸數(shù)據(jù)量卻不大的儀表很不合算。 (3)基于局域網(wǎng)互連的傳輸方法。在其上傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠且速度快，這種方法特別適用于已有局域網(wǎng)的場合。但是很多時(shí)候，監(jiān)測點(diǎn)的所在位置比較偏僻或者非常分散，附近往往沒有可用的網(wǎng)線通過，所以使用會受到一定的限制。 (4)線電臺的采集方 式 。該方法借助于工作在一定頻率段、一定距 離內(nèi)的無線收發(fā)電臺來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。這種無線傳輸?shù)姆桨甘褂觅M(fèi)較高。另外自建的無線電臺方式傳輸易受到天氣和其它一些外界條件的干擾，穩(wěn)定性較差，維護(hù)成本較高，而且距離非常有限。 (5)于 短信的傳輸方法。利用 GSM 網(wǎng)絡(luò)的 SMS(短消息 )服務(wù)傳輸數(shù)據(jù)。用短消息功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法有以下缺點(diǎn) ： ①長度有限 ； ②間斷性的，即發(fā)完一條，才可發(fā)下一條 ； ③信息費(fèi)用較高。因此用短消息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集雖然具有一定的先進(jìn)性，但實(shí)際只在少數(shù)儀表的數(shù)據(jù)采集 (如電表抄表 )中得以應(yīng)用，優(yōu)勢不明顯。 (6)電路交換型無線 modem 通信傳輸方式。主要 利用 GSM 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，利用 GSM modem 實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。但這種方法也有它的缺點(diǎn)。一是傳輸速度較慢，最大傳輸速度只有 ； 二是按在線時(shí)間計(jì)費(fèi)，不適于突發(fā)數(shù)據(jù)量較大的場合使用。 在特定場合的應(yīng)用中，人們還提出了 基于 電力載波和有線電視網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集方法，但是這兩種方式依賴 于 電力線的鋪設(shè)，所以比較適合于電力表的數(shù)據(jù)采集，并不適合 于 自來水管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集。隨著第二代通信技術(shù)的逐步實(shí)現(xiàn)，相信即將推出的 3G石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 業(yè)務(wù)通信網(wǎng)會給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來革命性的變化 。 GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱。 GPRS 是 GSM 規(guī)范實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容之一。 GPRS 是一種以全球手機(jī)系統(tǒng) (GSM)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可說是 GSM 的延續(xù)。但能提供比現(xiàn)有 GSM 網(wǎng) 。 GPRS采用與 GSM 相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及相同的 TDMA 幀結(jié)構(gòu)。它突破了 GSM 網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，通過增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀。 目前在人們 不懈努力下， GPRS 技術(shù)無論在口常生活，還是工業(yè)應(yīng)用中，都有著出色的表現(xiàn)。從 GPRS 手機(jī)上網(wǎng)，到各種定位導(dǎo)航系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻傳輸系統(tǒng)、城市水資源檢測、配電自動化、物資調(diào)度、自動化抄表、工業(yè)監(jiān)控等大型工業(yè)項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。 總之，通訊方式的選擇是城市自來水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的首要任務(wù)，它直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能。具體確定通訊方式時(shí)需要綜合考慮系統(tǒng)面對的對象、自來水管網(wǎng)的分布、地理?xiàng)l件、期望達(dá)到以的目標(biāo)以及系統(tǒng)的擴(kuò)展升級和與其他網(wǎng)絡(luò)的兼容，等等。因此，上述的各種通訊方式不應(yīng)該是孤立的，而且任何一種通訊方式在不同的系統(tǒng)中 的應(yīng)用效果也不盡相同。 GPRS 的上述眾多優(yōu)點(diǎn)，使它可以達(dá)到自來水管網(wǎng)監(jiān)測的系統(tǒng)要求，能夠快速、及時(shí)、準(zhǔn)確、 可靠的將測量數(shù)據(jù)傳回監(jiān)測中心，完成遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的。 本課題研究內(nèi)容 本課題研究的目標(biāo)是把 GPRS 技術(shù)應(yīng)用在自來水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中，解決從系統(tǒng)整體架構(gòu)的確定到終端軟硬件設(shè)計(jì)及上位機(jī)設(shè)計(jì)等各方面的技術(shù)難點(diǎn)，為整個(gè)自來水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一套完整的解決方案。課題的研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面 ： (1)分析研究 GPRS 的諸多協(xié)議，提出在 GPRS 之上建立遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)及要求，確定本課題研究的技術(shù) 路線和設(shè)計(jì)思路。 (2)研究基于 GPRS 的組網(wǎng)方式 [3]，提出 GPRS 網(wǎng)和 Inter 結(jié)合構(gòu)建自來水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的合理性及其具體實(shí)現(xiàn)方案。 (3)完成基于 Visual Basic 語言 與無線終端 DTU 的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。 提出基于GPRS 的遠(yuǎn)程管網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以遠(yuǎn)程終端控制單元 (RTU： Remote Terminal Unit)作為現(xiàn)場 數(shù)據(jù) 采集的核心，結(jié)合各種工業(yè)級的傳感器，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集功能 。 (4)研究和分析在 GPRS 網(wǎng)絡(luò)和 Inter 上數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)以及底層測量儀表與終端的通信特點(diǎn) ，提出提高系統(tǒng)運(yùn)行效能的關(guān)鍵因素及解決方法 ； 研究和分析用戶對監(jiān)石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 測中心的要求。設(shè)計(jì)高效目可靠運(yùn)行的監(jiān)測中心。 論文的章節(jié)結(jié)構(gòu) 第 1 章，概述研究課題的背景，現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ； 第 2 章，供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)：講述 GPRS 技術(shù)現(xiàn)狀，動態(tài)域名解析，傳感技術(shù)等 ； 第 3 章，供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成及其配置 ； 第 4 章，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ； 第 5 章，總結(jié)與展望 。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第 2 章 供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù) GPRS協(xié) 議分析 GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組 無線業(yè)務(wù) [4]的簡稱，它是第 代移 動 通 信 系 統(tǒng) ， 是 第 二 代 移 動 通 信 技 術(shù) GSM(Global System for Mobile Communications)向第三代移動通信 (3G)過渡的一個(gè)橋梁。它由英國 BT Cell 公司早在 1993 年提出，是 GSM Phase2 +(1997 年 )規(guī)范實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容之一。 GPRS 是在 GSM 系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入新的部件而構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它的基本功能是在移動終端和 Inter 網(wǎng)絡(luò)的路由器之間傳輸分組數(shù)據(jù)。 GPRS 經(jīng)過 GSM Release 96 至 Release99技 術(shù)規(guī)范版本的不斷完善，得到世界各國的廣泛認(rèn)同，其核心網(wǎng)絡(luò)部分也己經(jīng)作為第三 代移動通信 WCDMA 規(guī)范中分組域的重要基礎(chǔ)。與 GSM 電路交換相比， GPRS 非常重要的優(yōu)點(diǎn)在于引入了分組交換能力，具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、“永遠(yuǎn)在線”和費(fèi)用低等特點(diǎn)。 GPRS 無 線通信協(xié)議特點(diǎn) GPRS 是一種以全球手機(jī)系統(tǒng) (GSM)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可說是 GSM 的延續(xù)。它突破了 GSM 網(wǎng) [5]只能提供電路交換的思維方式，通過增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換，使數(shù)據(jù)傳輸速率成倍提高。 GPRS采用與 GSM 相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及相同的 TDMA 幀結(jié)構(gòu)。 GPRS 和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封?(Packet)式來傳輸，并非使用其整個(gè)頻道，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸數(shù)據(jù)量計(jì)算，理論上較為便宜。 GPRS 的主要特點(diǎn)如下 ： (1)GPRS 采用分組交換技術(shù)，高效傳輸高速或低速數(shù)據(jù)和信令，優(yōu)化了對網(wǎng)絡(luò)資源和無線資源的利用。 (2)定義了新的 GPRS 無線信道，且分配方式十分靈活 ； 每個(gè) TDMA 幀可分配 1到 8 個(gè)無線接口時(shí)隙。時(shí)隙能為活動用戶所共享，且向上鏈路和向下鏈路的分配 是獨(dú)立的。 (3)GPRS 接入等待時(shí)間短，可快速建立連接。例如中國移動提供的 GPRS 網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)間平均為兩秒。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 (4)提供實(shí)時(shí)在線功能，用戶將始終處于連線和在線狀態(tài)，這將使訪問服務(wù)變得非常簡單、快速。 (5)支持中、高速率數(shù)據(jù)傳輸，可提供 ~(每用戶 )。GPRS 采用了與 GSM 不同的信道編碼方案，定義了 CS1, CS2, CS3 和 CS4 四種編碼方案。 (6)GPRS 的設(shè)計(jì)使得它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)的傳輸。它支持四種不同的 QoS 級別。 GPRS 能在 ~10 秒之內(nèi)恢復(fù)數(shù)據(jù)的重新傳輸。 GPRS 的計(jì)費(fèi)一般以數(shù)據(jù)傳輸量為依據(jù)。 (7)在 GSM PLMN 中， GPRS 引入兩個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) ： 一個(gè)是 GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn) (SGSN)，它和 MSC 在同一等級水平，并跟蹤單個(gè) MS 的存儲 單元 ，實(shí)現(xiàn)安全功能和接入控制 ； 節(jié)點(diǎn) SGSN 通過幀中繼連接到基站系統(tǒng)。另一個(gè)是 GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN, GGSN 支持與外部分組交換網(wǎng)的互通，井經(jīng)由基于 IP 的 GPRS 骨干網(wǎng)和SGSN 連通。 (8)GPRS 的安全功能同現(xiàn)有的 GSM 安全功能一樣。身份認(rèn)證和加密功能由 SGSN來執(zhí)行 。其中的密碼設(shè)置程序的算法、密鑰和標(biāo)準(zhǔn)與目前 GSM 中的一樣，不過 GPRS使用的密碼算法是專為分組。數(shù)據(jù)傳輸所優(yōu)化過的。 GPRS 移動設(shè)備 (ME)可通過 SIM訪問 GPRS 業(yè)務(wù)，不管這個(gè) SIM 是否具備 GPRS 功能。支持特定的點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)一些特殊應(yīng)用如遠(yuǎn)