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远程监控系统有两种类型,一种是生产现场没有现场监控系统,而是将数据采集后直接送到远程计算机进行处理,这种远程监控与一般的现场监控没有多大的区别,只是数据传输距离比现场监控系统要远,其它部分则和现场监控系统相同;
另一种是现场监控与远程监控并存。
一般是采用现场总线技术将分布于各个设备的传感器、监控设备等连接起来,这样就从分立单元阶段进入了集成单元阶段,然后各个管理站点的服务再用局域网连接起来,这样就形成了企业内部网(Intranet)。
由于建立了基本的网络信息基础结构,设备监测、维护技术进入了集成系统阶段,在一个单位的内部基本上实现了资源和信息共享。
远程控制所实现的功能如下:
(1)采集与处理功能:
主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、采样和必要的预处理,并且以一定的形式输出,如打印报表、显示屏和电视等,为生产人员提供详实的数据,帮助他们进行分析,以便了解生产情况;
(2)监督功能:
将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的指令和输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工,并分别作为实时数据和历史数据加以存储;
(3)管理功能:
利用己有的有效数据、图像、报表等对工况进行分析、故障诊断、险情预测,并以声光电的形式对故障和突发事件报警;
(4)控制功能:
在检测的基础上进行信息加工,根据事先决定的控制策略形成控制输出,直接作用于生产过程。
基于B/S和C/S的远程监控系统是以网络作为通信平台的监控系统,以HTTP技术为基础,具有简单、高效等优点,已经成为信息网络的一种最普遍应用的信息交互平台[2]。
利用网络通信技术Socket技术、数据采集技术及面向对象等软件技术实现了整个系统的系统管理、用户管理、设备监控数据显示及报警等模块,其优点是充分利用了现有的局域网资源和广域网资源,以最高的性能价格比,以信息的实时获取和实时控制为中心,实现信息、资源及任务的综合共享和全局一体化的管理。
例如:
监控系统将设备运行情况提供给服务器,并由服务器发送到各个节点客户机,工作人员在客户机端(一般为远端)便可了解整个系统的工作状态及运行情况。
简单地讲,对企业来说就是充分利用现代技术解决实时数据的采集、传输和处理以及进行实时控制的问题。
正是它的这些优点使得它得以飞速发展。
随着网络技术的不断发展,远程监控将更多地应用在企业生产过程的管理中,专业技术人员可以通过互联网来管理和维护生产过程,优化生产工艺,提高设备的可用率,最终降低生产成本,提高效益。
1.2.2远程监控系统所具备的优点
借助于远程监控可以将企业内部的信息网(Intranet)与控制网有效地连接起来,实现对生产、运营情况的随时掌握,把生产运营状况同企业的经营管理策略紧密结合,从而实现企业的综合自动化,可以建立网络范围内的监控数据和网上知识资源库。
通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中,获得现场监控数据,为远程故障诊断技术提供了物质基础;
通过远程监控,技术人员无须亲临现场或恶劣的环境就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各种参数,使受过专业训练的人员。
虚拟。
地出现在许多监控地点,方便地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行高级过程控制,以维护设备的正常运营,从而减少值守工作人员,最终实现远端的无人或少人值守,达到减员增效的目的[3]。
目前,越来越多的企业集团呈跨地域的发展趋势,利用网络技术实现远程监控,对企业降低生产成本,提高劳动生产率,提高企业产品的科技含量,以及增强企业的综合竞争实力等方面都具有十分重要的意义。
1.2.3远程监控系统所存在的技术问题
随着网络技术的飞速发展和监控范围的扩大,监控系统由过去的单机监控过渡到现在的网络监控,但目前还存在着一些问题。
首先,网络通信技术不足的问题。
网络通信技术是远程监控技术中最为关键的技术,然而,目前网络通信一般简单采用Socket技术,甚至FTP或Email等,这些技术无论在传输的数据量、编程的灵活性还是安全性方面都有很大的欠缺,特别是对于现场多个端点的数据采集,会大大增加编程的复杂度,不能满足远程监控技术对网络通信的需求;
其次,网络通信中多种结构并存的问题。
目前的远程监控系统结构大多比较复杂,分布距离远,而且还存在着不同局域网,不同平台,甚至在同一局域网中的操作平台以及编程语言也可能有不同的问题,这就要求集成网络中的不同平台,实现相互之间的通信,而这些问题采用传统方法是难以解决的。
目前,国内、外常用的远程监测技术主要有以下几种:
(1)pSTN(publieSwitehedTelephoneNetwork),即公用交换电话网络。
利用现有的电话网进行数据通信是一个经济有效的方案,只需在监测终端和管理中心主机各加装调制解调器即可,这种技术具有传输距离远、精度高、传输误码率低等特点。
主机对监测终端的呼叫可以通过拨号,由交换机自动完成也可租用专线,但费用高。
采用租用电话线的方式进行数据通信时,线路连接时间较长,通常需几秒到几十秒。
这使得管理中心无法对设备实时监控,而且当监测终端数目较多时,租用电话线路多,其费用也昂贵,因此不适合大容量系统。
由于这种方式依赖于现有的电话网,对于尚未铺设电话线路或无法铺设电话线路的地区则不适用,具有一定的地域局限性。
(2)电力线载波:
电力线载波通信的优点是可利用现有的电力线资源,无需架设通信线路,并且没有占用频率资源,运行成本较低。
其缺点是容量小,传输速率较低,信号衰减大,抗干扰能力差,通信距离短,可靠性较差。
另外,需配备用于电力载波通信的电力通信专用模块。
目前,国内市场上的国产模块功能一般,而性能较优的国外模块及配套设备存在价格偏高,开发利用效率低等诸多不利因素。
(3)数传电台:
对于地理位置偏僻、布局分散、难以进行有线通信的监测设备,利用无线电波进行数据通信是一种较好的选择。
其特点是传输频带较宽,通信距离一般为几十公里,还可通过中继站延伸到更远。
但是利用数传电台进行无线数据通信仍然存在着一些固有的缺陷。
产品硬件部分成本高,使得这种通信方式的使用场合受到一定的限制,大用户的无线电监控,如果频点选择不合理,相邻的两个信道会相互产生干扰。
另外数传距离短,其维修费用也较高。
(4)小功率射频芯片:
小功率射频芯片是内部带有天线的芯片,芯片中存储有能够识别目标的信息。
其信息解码由解读器完成,解读器由发送器、接收仪、控制模块组成。
它通过接收标签发出的无线电波来实现数据的接收与读取。
最常见的是被动射频系统,当解读器遇见标签时,发出电磁波,周围形成电磁场,标签从电磁场中获得能量激活内部的微芯片电路,芯片转换电磁波,然后发送给解读器,解读器把它转换成相关数据。
控制模块就可以处理这些数据从而进行管理控制。
虽然近些年来发展极其迅速,如电器遥控器、
汽车防盗等。
但由于其主流产品的性能限制,都仅仅局限在一些近距离的通信或控制领域应用。
然而无论使用上述哪一种监测技术,对于用户来讲,最基本的要求是方便、快捷、安全、可靠。
若采用有线传输方式,可以通过架设专线、利用公共数据网等途经来实现,但是在很多场合下,有线方式受到了架线环境、传输距离等条件限制。
若采用无线传输方式,则容易受到地形地貌的影响以及频率资源的限制,同时架设成本高、系统的架设和维护工作繁重,在业务量小、用户数量大、位置分散等应用场合中也受到很大限制。
随着移动通讯技术的不断发展,尤其是以GSM为代表的无线通信技术的发展更是引人注目。
无线通信技术的发展也给远程监测技术的发展奠定了良好的基础。
基于公网的远程监测系统是近几年发展起来的新技术,正不断应用于电力、石油、安防等需要对现场设备运行状态进行监测的领域。
采用先进技术的无线监测系统,集计算机、通信、自动控制等多种先进技术于一体,能够实现对分布式系统的实时监测管理,解决传统监测系统中自己构建通讯系统成本高难题,突破了不便于布线组网场合应用的局限性,将运行维护人员从大量繁琐的工作中解放出来,提高了监测系统的运行质量,增强了监测系统的可靠性和可控性。
在GSM中,唯一不需建立端到端通道的业务就是短消息业务(ShortMeSSageService)。
短消息业务是GSM系统中提供的一种终端(手机)之间,通过服务中心进行文本信息收发的应用服务,其中服务中心完成信息的存储和转发功能,具有很高的可靠性,特别适用于需要传送小流量数据和不宜铺设线路的应用场合。
1.3本文研究的主要内容和方法
本文在搜索和查找GSM短消息相关资料的基础上,对GSM短消息的相关理论与技术及在无线数据采集与监控领域方面进行了一些探索,具体的说,研究的内容主要包括以下几个方面:
硬件方面的主要研究:
对AT89C51单片机的外围电路的设计,其主要包括:
①模拟量通过ADC0809的A/D转换电路的设计;
②接受数字量通过DAC0832的D/A转换电路设计;
③电源电路;
④控制电路的设计;
软件部分的主要研究:
主要包括下位机的数据采集软件开发。
其中,下位机软件主要实现的功能是:
①完成对模拟量的采集和检测,当被控对象的运行状态发生变化时及时将此事件的性质以短消息的形式发送给GSM通信模块中,以便及时排除隐情或故障;
②同时下位机接受上位机的控制命令,并根据命令的性质做出不同的动作。
本文设计基于GSM短消息的远程数据采集与监控系统只需接上相应的传感器或变送器就能在数据采集量小、实时性不高、采集点移动、无人值守、不易组建传输网络的地方和领域都可利用,具有一定的通用性和可扩展性,因此有较大的推广价值。
本文共分为五章,各章节具体内容安排如下:
第一章:
论述了本课题研究的背景、现状以及研究的主要内容。
第二章:
简单论述了GSM网络结构及短消息的一些相关理论。
第三章:
系统总体设计。
简单的介绍了基于GSM短消息的远程数据采集与监控系。
第四章:
简述了系统的结构和功能设计
第五章:
总结。
该系统的软件设计中,采用C语言编写,这样在实现复杂的算法时,可以比汇编语言更简单、快捷。
由于本人水平有限,论文中难免会有不恰当的地方,望各位专家教授给予指正,本人将不胜感激。
第二章GSM网络和技术简介
2.1GSM系统的组成及其特点
2.1.1GSM通信系统的组成
GSM通信系统主要由璐、BSS、MSC三部分组成。
(1)移动台MS
Mob1leStation(移动台)手机:
手机是移动通信系统服务用户的终端设备,用户通过手机通信,并且手机能将用户的语音、数据信号转化为能够识别的射频信号,同时进行反向传输。
(2)移动交换中心MSC
MobileSwichingCenter(移动交换中心):
主要功能是负责整个移动通信系统的语音传输交换、网络管理、通信系统的连接、手机用户的身份识别与位置的更新、通信信道的选择等。
(3)基站系统BSS
BaseStationSystem(基站):
主要功能是负责将MSC与MS连接起来,基站必须具备与MSC有固定的有线(或无线)连接,同时还具备与MS的无线连接。
每个基站覆盖一个蜂窝小区,小区中的手机都可以与基站进行通信,基站对手机的通信参数(频率、功率、时序等)进行控制和管理,当手机移动到另一个基站小区时,将在基站的控制下进行越区切换。
2.1.2GSM系统的特点:
全球移动通信系统(GSM)是在蜂窝系统的基础上发展起来的,属于第二代移动通信系统。
它是目前基于时分多址技术的移动通信中比较成熟、完善、且应用最广泛的系统。
经过几十年的发展,我国己建成了覆盖全国的移动通信网,移动通信用户急剧增加,跃居全球第二,而且已经持续几年每年以千万计的速度增长。
移动通信业务从初期的单纯话音业务开始,逐步发展成包括短消息业务、数据业务、预付费和VPN等智能业务在内的多元化业务结构。
经过多年的发展,GSM技术日益成熟,并且具有成熟和广泛的应用基础,是主流移动系统的代表。
而且其中的短消息业务是利用信令信道传输,不同拨号建立连接,服务费用低。
GSM数字蜂窝移动通信系统完全根据ETSI制定的GSM技术规范研制的,它作为一种开放式结构和面向未来设计的系统具有以下主要特点:
(1)GSM系统由几个分系统组成,可与各种公众通信网互通互联,它有标准化的接口规范。
(2)GSM系统能提供国际的自动漫游功能,对于全部GSM移动用户都可以进入系统。
(3)GSM除了可以开放语音业务,还可以开放各种承载业务、补充业务和与ISDB相关的业务。
(4)GSM系统具有加密和鉴权功能,能确保用户保密和安全。
(5)GSM系统具有灵活和方便的自组网结构,频率重复利用率高,移动业务的交换机的话务承担能力一般都很强。
(6)GSM系统抗干扰能力强,覆盖区域内的通信质量高。
(7)随着大规模集成电路技术的进一步发展,用户终端设备向更小型、轻巧和增强功能方向发展。
随着移动通信技术的发展,根据目前GSM网络技术成熟,覆盖面广的特点,合理有效的利用GSM网络资源,可以避免组建专用数据传输网络的成本,通讯距离短,通讯效果差等诸多难题。
2.2短消息业务简介
短消息服务业务SMS(ShortMessageService)是GSM系统提供给用户的一种数字业务,它与语音传输及传真一样同为GSM数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务。
S璐的收发占用的是GSM网络的信令信道,不占用普通话音信道,而且它是双向通信,具有一定的交互能力。
SMS具有较高的可靠性,短消息发送端的用户可知道短消息是否己经到达接收端。
由于短消息依靠了SMSC短消息服务中心的存储和转发机制,当接收端用户关机或不在服务区内时,SMSC会暂时保存该短消息,如果接收端用户在规定时间(通常为24小时)内重新处于工作状态,SMSC会立即发送短消息给接收端用户,当发送成功时会返回发送端一个确认信号。
SMS充分利用GSM网络的基站覆盖广的特点和全程全网的优势,具有极佳的移动性,使得任何一个申请了短消息服务的GSM无线终端用户在全网范围内获得服务。
每个短消息的信息量限制140个英文字节或70个中文字符。
如果超出长度,则要分为多次发送。
短消息按其实现的方式可分为点到点短消息业务(SMS)和小区广播短消息业务。
(1)点到点的短消息业务(SMS)是通过移动业务起始(MobileOrigin,MO)和移动业务终止(MobileTerlninal,解)将一条短消息从一个实体发送到指定目的地地址的业务,最大短消息长度为8比特的140个字节。
点对点的短消息可以在用户之间传送信息,它分为两种基本业务:
第一种是移动台接收点对点短消息(SMS一价/PP):
它是从短消息服务中心(SMSC)向移动用户(眺)发送短消息的机制。
第二种是移动台发送点对点短消息(SMS一M0/即):
它是一个移动用户(MS)通过短消息服务中心(SMSC)向一个短消息实体(SME)发送短消息的机制。
这两种机制保证了短消息传送的双向性,为灵活的使用短消息提供了可能。
这两种机制的具体处理过程是移动台(MS)发起一个短消息业务,这个信息通过信道送到移动服务中心(MSC),移动服务中心根据来访位置寄存器(VLR)的信息向移动台提供服务并且将短消息传送到网内互连移动交换中心(SMS一IWMSC),SMS一工wMSC查询归属寄存器(HIR)的信息将短消息送到相应的短消息服务中心(SMSC),最后由短消息服务中心将短消息递交给相应的短消息实体,这个实体可以是移动台、固定网中的用户或是另一个短消息服务中心,这样就完成了一次移动台发送短消息服务。
移动台接收一个短消息,这个过程相对前一个可以说是一个相反的过程,只是其中涉及的实体有所不同。
具体过程是短消息服务中心查询归属位置寄存器(HIR)的信息得到目前移动台所在移动服务交换中心(峪C)的地址并将短消息发送到相应的MSC/SGCN,MSC再查询相应的来访位置寄存器(VLR)得到移动台的信息,最后将短消息转发给目的移动台,从而使移动台完成一次短消息的接收。
点到点短消息业务的特点:
短消息需要在短信中心存储转发,实时性较弱;
短消息的传送占用控制信道,在业务量较高时,会受到无线信道的能力限制;
短消息没有对话机制,每次数据的发送或接收都要发出一次短信呼叫,因此反应较慢;
短消息的技术最成熟,对网络改造较小,实现业务比较容易。
(2)小区广播短消息业务(CBS)是指通过发送短消息的基站向指定区域中所有短消息用户发送短消息的业务。
是在专用的小区广播信道(CBCH)中发送的,其服务的对象是所有位于此小区的用户,CBS的短消息长度为83个比特或93个字母数字。
中国移动和联通己经使用这种方式在一定的区域内向所有GSM用户循环发送一些具有通用性的信息,如新闻、天气预报、交通信息、股市信息等。
小区广播短消息业务的特点:
小区广播可以通过一次操作使多个用户同时接收到信息;
目前不很成熟,在我国还未形成标准,特别是广播消息中心到BSC的接口尚未标准化,部分系统和手机尚不支持;
无法向用户收费,但可以通过广告服务获得效益;
适合于提供公共信息,如新闻、天气信息等。
CBS的实现如图2.2所示,信息源通过小区广播中心(可单独设立或与SMSC合设)直接传送到基站控制器(BSC)。
BSC存储短消息并根据指定的时间、次数等,依次向设定的各个基站传输系统(BTS)播出。
第三章系统的总体设计
文章前面部分阐述了GSM的一些原理及理论方面的内容,从本章开始进入系统具体的设计过程。
在本章中,主要讨论系统总体方案的设计和对本系统的应用领域进行了一些设想。
具体的下位机的软件设计将在后面的章节中讨论。
3.1系统结构组成及工作原理
GSM(GlobalSystemforMobileConnnunication)系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统。
目前己建成的覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网,是我国公众移动通信网的主要方式。
基于GSM的短消息服务,是一种在移动网络上传送简短消息的无线应用,是一种信息在移动网络上存储与转发的过程。
由于公众GSM网络在全球范围内实现了联网和漫游,建立上述系统不需再组建专用通信网络,所以具有实时传输数据功能的短信应用得到迅速普及。
基于GSM网络的监控系统正是借助该网络平台,利用短消息业务实现数据的自动双向传递。
系统模型图如图3.1所示。
如图所示,监控计算机与GsM模块构成上位机,首先监控计算机通过串行接口与上位GSM模块通信,通过短信方式向下位机GSM模块发送指令。
下位机GSM模块接受到指令后,把指令发给单片机,单片机根据指令的性质做出不同的动作,如采集模拟量数据或检测当前的开关量状态或对开关量进行控制,把采集到的数据或者监测到的输入开关量的状态等信息发往上位GSM模块,上位机GSM模块再把接受到的短信信息通知给监测计算机。
监测计算机接受到短信信息后,通过监测软件和数据库管理程序,做出相应的反馈动作,到达远程监控目的。
同时当下位机定时检测到的模拟量数据超过报警值时,及时将此事件的性质通过短消息模块上传到上位机,以便及时发现问题,排除隐患。
(1)下位机组成及工作原理
数据采集终端主要由GSM模块与单片机系统组成。
与千元的PLC和上万元进口的RTU相比,用单片机系统设计的数据采集终端在价格方面在很大的优势,尤其用在一些小型数据采集系统的领域。
终端系统以AT89C51单片机为核心,单片机在每一个监控点完成对模拟量的采集和开关量的检测与控制。
在被控对象的性质发生变化时(超出所设的上下限的报警值)及时将此事件的性质及必要的数据信息通过短消息模块以短消息的形式发送给上位机的监控中心及相关责任人的手机里,以便及时排除故障或隐情。
终端设备还可以接收上位机主控端发送的命令,根据命令做出相应的动作并将当前的状态信息发回到上位机的主控端。
远程监控终端将以AT89C51单片机为核心实现A/D转换接口电路、串口通信接口电路、电源电路、复位电路等的设计和相应的软件编程。
下位机的原理框图如图3.2所示。
下位机原理框图
在下位机电路的设计中,需要考虑的一个问题是如何处理抗干扰的问题。
因为当被控对象处于环境恶劣的场所时,如果没有考虑抗干扰问题时,采集到的数据有可能失真,从而造成了不必要的后果。
(2)上位机的组成及工作原理
上位机工作原理是:
接收下位机远程终端所采集到的数据信息并发送控制命令给远程终端以便了解终端设备的运行情况。
以上这些数据信息和控制命令的发送与接收都是通过短消息模块借助于GSM网络来实现的,以便做到数据的双向传输。
在本系统中上位机软件的编写主要是串行通信程序的设计与编写、系统的连接与初始化、短信模块的初始化、手动接收数据、自动接收数据、发送控制命令等程序的编写,并将下位机设备的运行状态反应在上位机的操作界面上。
本系统的开发中的关键技术就是下位机数据采集电路的设计以及上下位机之间如何实现数据的通信,以达到远程监控的目的。
3.2GSM短消息的远程无线数据采集与监控系统的应用
GSM短消息作为一种数据传输模式,具备网络覆盖面广、用户投资小、运营费用少的优点,比较适合用于监控采集点分散、覆盖面广、监控点移动、无人值守、实时性要求较低的监控采集系统。
系统在无需任何硬件改动的前提下,通过对软件的升级,就可以实现多种环境下远距离无线数据传输与监控。
以下讲述一些具体的应用设想
(1)自来水厂的应用中,城市中工业和居民生活需要大量水,这些水是由水厂从水井中抽取的,然后利用管道输送
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