（机械电子工程专业论文）基于gprs的沥青洒布车远程监控系统.pdf

摘要 随着工程机械市场竞争的同益激烈以及针对工程机械施工的分散性，维修人员很难 在比较短的时间到达施工工地的问题，许多前沿技术被厂家逐渐应用到工程机械领域， 售后服务已由被动变为主动，对工程机械的故障诊断和实时监控已经是工程机械的发展 趋势。因此我们设计了一种基于g p r s 的沥青洒布车远程监控系统。 该系统是传统的计算机技术与现代计算机网络技术、g p r s 移动网络技术的结合。 本文首先介绍了系统的功能和总体结构，重点对远程接入网络技术中的接入模式和接入 网络的选择进行分析研究，针对工程机械行业的特殊需求，提出适合工程机械野外作业 的基于g p r s 的远程监控网络方案；随后本文给出了数据采集端的硬件电路和部分软件 代码，并对传感器和芯片作出了选择。该系统主要是由监控主机和监控终端组成。监控 主机和监控终端通过i n t e m e t 和g p r s 网络联系起来，采用动态域名解析的方法实现通 信。监控中心数据库管理系统是采用“v b + a c c e s s 实现数据的管理。监控终端采用1 6 位的m c s 9 6 的8 0 c 1 9 6 k c 单片机作为微控制器，增加了数据和程序存储器等外围芯片 和有关硬件接口后构成数据采集硬件系统。 论文最后针对本系统的结构和性能作出了总结和评价，同时也提出了一些对今后的 发展的展望。 关键字：g p r s ，远程监控，沥青洒布车，数据采集 a b s t r a c t a l o n gw i t hi n t e n s i t yo f t h ec o n s t r u c t i o nm e c h a n i c a lm a r k e tc o m p e t i t i o nd a yb yd a ya n di nv i e wo ft h e d e c e n t r a l i z a t i o no fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ya n dt h ed i f f i c u l t l yt h a tt h es e r v i c em a nc a nn o t a r r i v ea tc o n s t r u c t i o np l a c ei nas h o r tt i m e m a n yf r o n tt e c h n o l o g i e sa r ea p p l i e dg r a d u a l l yb y t h ef a c t o r yt h ec o n s t r u c t i o nm e c h a n i c a la n dt h ep a s s i v ep o s t - s a l es e r v i c e h a sb e c o m e i n i t i a t i v e t h eb r e a k d o w nd i a g n o s i sa n dt h er e a l t i m em o n i t o r i n go fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y a l r e a d y a l r e a d yb e c a m et h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yt r e n do fd e v e l o p m e n t t h e r e f o r ew ed e s i g n a na s p h a l td i s t r i b u t o rl o n g - d i s t a n c es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h eg p r s t h es y s t e mi su n i o no ft h et r a d i t i o n a lc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h em o d e mc o m p u t e r n e t w o r kt e c h n o l o g y , t h eg p r sm o t i o nn e t w o r k i n g t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h ef u n c t i o n a n do v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e ma n df o c u s e so na n a l y z i n g a n ds t u d y i n gt h ec h o i c e so f r e m o t en e t w o r ka c c e s st e c h n o l o g ya n da c c e s s i n gm o d e l ，d e s i g n i n gag p r sr e m o t em o n i t o r i n g n e t w o r ks c h e m es u i t a b l ef o rc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yt r a d e s e c o n d l yt h et h e s i si n t r o d u c e s t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ed a t ea c q u i s i t i o na n dp a r to fs o f t w a r ec o d e ，a n dm a k e sc h o i c et ot h e s e n s o ra n dt h ec h i p t h es y s t e mm a i n l yc o n s i s t so ft h em o n i t o r i n gc e n t e ra n dm o n i t o r i n g t e r m i n a l t h em o n i t o r i n gc e n t e ra n dm o n i t o r i n gt e r m i n a la r ec o n n e c t e dt h r o u g ht h ei n t e m e t a n dg p r sn e t w o r k t h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o di sp u tf o r w a r d dw i t ht h ed y n a m i c a lr e s o l v eo f d o m a i nn a m e r e a l i z a t i o no ft h em o n i t o r i n gc e n t e rd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mu s e sv i s u a l b a s i c6 0a n dt h ea c c e s s2 0 0 0 t h em o n i t o r i n gt e r m i n a lu s e st h em c s 9 68 0 c19 6 k c m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i to f16 b i ta sm i c r o c o n t r o l l e r a n di n c r e a s e sd a t a ，p r o g r a mm e m o r y a n dh a r d w a r ec o n n e c t i o n t h e yc o n s t i t u t e dt h ed a t aa c q u i s i t i o nh a r d w a r es y s t e mo ft h e m o n i t o r i n gt e r m i n a l i nt h ee n do ft h et h e s i s ，c o n c l u s i o n sa n de v a l u a t i o n sa l eg i v e na b o u tt h i ss y s t e m t h e d e v e l o p m e n to fm o n i t o r i n gs y s t e mi nt h ef u t u r ei sa l s os u g g e s t e d k e yw o r d s ：g p r s ，l o n g d i s t a n c es u p e r v i s o r yc o n t r o l ，a s p h a l td i s t r i b u t o r ，d a t aa c q u i s i t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 矽霹名r lj b 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 泓哆 年l 月多日 m 年月歹日 秀蒡 长安大学硕上学位论文 1 1 沥青洒布车的发展 第一章绪论 沥青洒布车早在上世纪初已经问世，4 0 年代发展成为功能完善的产品，其代表机型 是自行式沥青洒布车。上世纪5 0 年代，我国由前苏联引进技术并开始生产这种机型， 该机型是根据沥青的特点和洒布工艺的要求而设计的。其主要特点是火管式加热沥青， 容积式沥青泵加热洒布，用更换多喷嘴喷杆的方法改变喷洒宽度。按工程要求，用调解 行车速度与沥青泵转速的匹配关系来达到预定的洒布量。虽然这种设备洒布质量还不够 高，操作比较麻烦，但从当时的工业水平来看，这种机型还是先进的。在公路建设中无 论是替代人力劳动还是提高生产率，都发挥了重要作用，我们称之为传统的沥青洒布车， 其结构和性能在国内几乎保持到上世纪末没有显著的变化【。 随着我国公路建设的快速发展，特别是高速公路的建设和改性沥青的推广，以及公 路养护社会化的需要，对沥青洒布车的功能提出了更高的要求。在交通载荷和气候影响 的作用下，随着时间的推移，沥青路面状况和服务能力将逐渐恶化。为了保持路面的使 用性能良好和延长其使用寿命，在寿命周期各个不同阶段需要采用不同的养护维修措 施。沥青路面的养护维修工作对保持路面的服务能力，延长寿命周期，改善噪音、振动 等对周边环境的污染有着重要的作用。在我国高速公路建设初期，路面养护工作不很大。 随着我国公路建设的重点逐渐向中、西部地区推移，在东南沿海地区将迎来一个路面养 护的高潮，因而养护维修技术正日益成为人们关注的热点。沥青洒布车作为养护机械也 得到了前所未有的重视，当今的一些先进技术也应用到沥青洒布车上，功能日趋完善【2 1 。 1 2 监控系统通信方式及其比较 目前国内监控系统产品有多种，其本质上的差异是由它们所采取的不同通信方式决 定的。随着电信技术的迅猛发展，可用于监控管理的通讯方式有多种，一般可分为有线 通讯方式、无线集群通信方式、g s m 短信息通信方式、c d p d 通信方式和g p r s 通信 方式。 1 2 1 有线通信方式 有线通信方式只适应于小范围小区域的监控系统，对大城市的全局监控管理采用有 线通讯方式几乎是不可能的，可以想象在一个大城市里布放一套监控传输通信网络将是 第一章绪论 一件多么费钱费力费时的事，其固定性又无法解决城市布局迅速发展变化的要求。 1 2 2 无线集群通讯方式 无线集群通讯方式摆脱了有线的种种局限，但与g p r s 通信方式比较，仍存在几个 致命的缺点： 1 集群移动通信系统属于专用移动通信网，需要大量的建设资本投入，建设周期长， 保养与维护不便，这是它最大缺点。 2 由于专网的覆盖范围有限，不利于全局整体控制。 3 集群通信系统主要的服务业务是无线用户与无线用户之间的通信，对无线用户与有 线用户之间的通信业务有较大的限制。 1 2 3 g s m 短信息通讯方式 g s m 短信息通信方式能充分利用移动公网资源，相对集群通信方式而言，它可以 大大节约建设投资，降低维护成本，但它有几个较大的缺点： 1 g s m 短信息通讯方式为半双工通信方式，不能同时双向收发数据。 2 相对g p r s 而言，它的平均传输时延较长。 3 在重大活动或重大节日等通信高峰期，容易发生堵塞，导致通信不畅。 1 2 4 c d p d 短信息通讯方式 c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ，蜂窝式数字分组数据) ，是由美国移动通信公 司( a m c i ) 等8 家大公司联合推出的一种无线数据通信技术规范。它是以提供数据业 务服务，与g p r s 相比较，c d p d 有以下几个缺点： 1 在g s m 网络中每发展一个用户的成本约为2 0 0 0 元，g p r s 用户的成本是根据网络 规模决定的，现在g p r s 网络的覆盖能力已经有相当规模。而c d p d 在建网初期基 站数量不会很多，加上必须的交换机与网管的投资，平摊到每个用户的成本约为 2 5 0 0 一3 0 0 0 元左右。 2 g p r s 通信所能达到的传输速度要比c d p d 通信高，尽管g p r s 通信是以牺牲信道 资源为代价。 3 c d p d 是工作在a m p s 频段，只有1 m h z 频段，而g p r s 可用频段要宽的多，因此 在g p r s 每个小区内可用于数据的信道数远大于c d p d ，容易满足组件公网对信道 数的需要【3 1 。 2 长安大学硕上学位论文 1 2 5 g p r s 通信方式 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是一种 基于g s m 系统的无线分组交换技术，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。用户永远在线且按流量计费，迅速 降低了服务成本，g p r s 允许用户在分组交换模式下发送和接收数据，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。g p r s 理论带宽可达1 7 1 2 k b i t s ，实际 应用带宽大约在2 0 0 0 k b i t s ，在此信道上提供t c p i p 连接，可以用于i n t e m e t 连接、 数据传输等应用。 g p r s 是在g s m 网络基础上升级而成的，采用与g s m 相同的频段、频带宽度、突 发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的t d m a 帧结构。g p r s 网络构建在g s m 网络基础上，可以看作是在g s m 网络上叠加的一个分组子网。 综上所述，g p r s 与以上集中无线通讯方式相比较更为先进，基于g p r s 的无线监 控系统是目前最先进最稳定的无线监控管理系统，概括起来g p r s 的无线监控系统有以 下显著优点： 1 相对其他通讯方式来说，采用g p r s 技术可以充分利用中国移动公网资源，将极大 节约建设成本，缩短建设周期，整个系统的性能价格比高，系统建设投资与建无线 专网的投资相比估计节约5 0 以上。 2 数据传输速度与其他通讯技术相比最快，最高理论可达1 7 1 2 k b s ，通信传输时延较 小，最长不超过3 秒。 3 监控覆盖范围广阔，系统规模扩展快速。 4 系统建成后，通信资费根据实际数据通信流量计算，通信费用低廉，每个控制点的 月通信费用可控制在百元以内。 5 通信服务质量安全可靠，服务质量等级可根据用户的不同应用需要与运营商协商确 定。 6 整个系统维护方便，系统升级简单快速。 7 为了确保通讯畅通无阻，无线控制系统还采用g s m 短信息通讯方式作为g p r s 通 讯万一中断后的备用手段。在正常情况下，无线监控系统采用g p r s 通讯方式，当 g p r s 通信万一中断后，立即切换成g s m 短信息通讯方式。 3 第一章绪论 8 透明网络g p r s 是一种二层的承载网络，它所承载的对象j 下是口这种三层协议的数 据包。任何口之上的应用功能都不需要知道g p r s 网络的存在它们与p 打交道就 可以了。 9 g p r s 还能支持在进行数据传输的同时进行语音通话( 需要设备支持) 【4 】。 从以上介绍的各种通信方式中可以看出来g p r s 通信方式有很多的优势，适合我们 的系统。所以本系统采用g p r s 通信方式。 1 3 g p r s 技术在工程机械远程监控中的应用 工程机械是机械中特殊重要的一大类，它不像普通机械有较固定的工作场所，它以 地球为工作对象，工作在地形复杂，环境恶劣的所有地方。现在先进的工程机械向着信 息化发展，都在一定程度上具有信息的采集、转换、处理、传递、执行功能。由于工程 机械具有工作场地广阔的特点，它的信息化发展很重要的一个方面就是实现包括远程监 视、控制、管理和维修等方面的工程机械远程操作系统。 国外著名工程机械制造商在工程机械远程操作系统的研究开发上取得了较大的进 展。如美国卡特彼勒公司的c a e s 系统，用于大规模土木施工现场的机群实时管理；日 本小松公司的k o m t r a x 遥控管理系统。用于中小型工程机械的使用管理；小松公司 的v h m s 机械健康管理系统，用于大型工程机械的全面健康状况监控；日立建设机械 公司的电子挖掘机z a x i s 系列上的机械管理系统和防盗系统等等。这些系统都应用实 时动态g p s 技术。远距离通信技术和网络技术，使用户、销售商、服务代理店、租赁 公司和制造商都能在网上了解机械的使用和有运行情况【5 】。 目前国内一些大型工程机械制造商开始着手该方面的研究工作，并取得了一定的研 究成功。如三一集团的“工程机械智能化及远程监控系统研究与开发”正在进行中，其 他的制造商都在研究进行中。 1 4 课题的背景 近年来，随着建筑施工规模的扩大，对工程机械的需求量迅速增加，因而对其可靠 性、维修性、安全性也提出了更高的要求。随着微电子技术在不同领域的应用深入，现 代工程机械日益向智能化和机电一体化方向发展。工程机械产品由于其系统复杂，工作 环境恶劣，通常高负荷、长时间运行，因此系统常出现各种故障。而一旦作业中出现技 术问题，就要派出专业技术人员前往现场进行抢修，以免影响施工的正常进行。但多数 4 长安大学硕上学位论文 情况下，技术人员对作业现场的机器状况和运行参数了解甚少，难以制定出具有针对性 地维修方案。如等技术人员到达现场后再决定，不仅人力资源浪费严重，而且由于所带 检测设备有限，致使维修效率低下。如能对机器进行在线监测，同过对关键参数的分析 及时发现故障隐患，就可将故障消除在萌芽状态；而且一旦出现故障，也能及时诊断出 故障原因，有针对性地组织技术人员或现场操作人员进行维修和维护，减少故障时间， 提高产品工作时间。 随着工程机械市场竞争的同益激烈，许多前沿技术被各厂家逐渐应用在工程机械领 域，售后维护己由被动转为主动，对机械的故障诊断和实时监测已经是工程机械的发展 趋势，而基于g p r s 的无线数据传输则是把工程机械推向网络化，可以使企业实时监测 到自己生产的机械的运营情况，以便以后的更新换代，有效的延长了工程机械的寿命并 且减少了施工方的运营成本，使企业售后服务更加及时、方便、快捷。 可见远程监控技术在工程机械上的应用对工程机械的正常维护、使用和管理由非常 重要的意义。 1 5 本文研究的内容 本论文研究的沥青洒布车监控系统是通过传感器实时采集洒布车的各种运行参数， 并根据采集到的运行参数来判断洒布车的工作状态，识别可能有的潜在的故障。以便洒 布车能够正常的运行。沥青洒布车无线监控系统的研究不仅具有重要的现实意义，而且 具有重要的科学意义，将对推动和发展数字化、智能化沥青洒布车发挥积极作用。 本论文主要完成了以下工作： 1 沥青洒布车远程监控系统的总体设计及其结构分析； 2 通信协议的分析、选取与定义； 3 g p r s 通信终端的实现原理分析及具体设置； 4 对数据采集端做了硬件设计并制作了实验室电路板，并对电路板进行了调试； 5 整个系统的软件包括数据采集、数据发送与接收和数据库的设计，本文在第四章 给出了部分软件程序代码和程序流程图，并进行了数据库调试。 5 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 远程数据采集与监控系统是以通信网络为基础完成对现场运行设备的数据采集、传 输与远程监控，因此通信技术是决定其性能及应用的最关键的因素。本系统是基于g p r s 移动通信网络实现对沥青洒布车的远程数据采集与监控。g p r s 以其无线方式、传输距 离远、实时性和可靠性好、成本相对较低等特点在现有数据传输方式中具有比较优势。 而数据采集与监控系统自出现就和自动控制、通信技术、网络技术、计算机软件等学科 的发展息息相关。因此系统的设计与实现同时需要在自动控制、计算机、电子技术等方 面进行认真的分析和研究。 2 1 系统功能概述 本系统基于g p r s 网络通信技术解决沥青洒布车远程数据采集与监控问题。实现及 时报警、实时数据采集和数据传输，使用户能够非常方便的监控洒布车的运行状况，从 而优化洒布车的运行方式；发生异常运行状况时，迅速报警以使施工人员及时处理，保 证洒布车的安全运行。 具体看来，系统的应用可达到以下目标： 现场数据采集与通信终端：实时采集洒布车的参数并定时上传给监控中心；实时接 收并执行从监控中心发来的控制命令。 监控中心部分：一方面与监控装置的双向通信，实时接收从洒布车监控装置传过来 的运行参数，并记入数据库供查询，在出现异常情况时可以向监控装置发送控制命令； 另一方面为用户提供一个可视化界面实时显示洒布车的运行参数。 2 2 系统结构分析 系统结构设计是以系统所要实现的功能为基础的，综合分析系统的应用环境、相关 软件技术水平、相关的硬件技术水平、建设成本和可操作性等多方面条件后确定的。洒 布车的远程监控系统主要完成对洒布车的远程监测与监控。系统应具有存储采集到的历 史数据、时间纪录、报警纪录等详细资料以及对数据的统计分析、报表等功能。因此， 需要数据库服务器提供存储与查询服务。 本系统由洒布车数据采集、通信网络和监控中心三大部分构成，如下图所示。 6 长安人学硕士学位论文 l 监控计算机 + ii 工 l n t e m e t 网络 工 帆s 网络) 盘盘 2 3 现场控制系统 图2 1 系统结构简图 现场控制系统分为数据采集模块、单片机处理模块和g p r s 发送模块三部分。数据 采集模块完成对现场数据的采集，然后将所得数据送入单片机处理。在单片机处理模块， 既要完成对g p r s 模块的初始化、检测网络状态和数据发送的a t 指令置入等操作，还 要对采集的数据进行处理，使其适应g p r s 的传输。g p r s 模块主要是使用一些成型的 芯片将数据放入g p r s 通信网络中传输。g p r s 通信网络通过g p r sm o d e m 与当地g s m 基站中的g p r s 业务节点进行无线通信，进入g p r s 网络，然后通过g p r s 网关与i n m e t 进行数据传输。 2 3 1 数据采集模块的实现 本系统监测的主要内容有沥青温度、导热油温度、液压油温度、车速、沥青泵转速 等工作参数，这些实时数据通过网络传输到监控中心的计算机上。现场控制简图如下图 所示 沥青、导热油、液压油温度由热电偶传感器采集，采集到的数据经信号调理电路送 到控制器( 8 0 c 1 9 6 k c ) 信号调理电路包括多路切换电路和热电偶调理专用电路 a d 5 9 5 ，a d 5 9 5 包括放大、冷端补偿、冰点基准等电路。数据经a d 5 9 5 后转换成数字量 发送到控制器。车速、沥青泵转速利用各自的传感器测得数据然后经滤波整形接入控制 器，然后通过通信模块和通信网络将数据传送到监控中心。 7 第二章系统总体设计 酒撇 工h 久考 l 导热油覆度控 k 3 匕j 匕 l 籼程度l - 南 6 p rs 车逮 器 f 酒诽莲 图2 2 数据采集终端简图 2 3 2 数据处理与m c u 处理模块 数据采集和监控装置功能是通过m c u 处理模块组织和协调来实现的，所以说m c u 处理模块是数据采集处理与监控装置的核心模块，既要与数据采集模块通信，定时获取 工作参数；又要与g p r s 通信模块通信，接收控制命令，上传工作参数和报警信息；既 要判断工作参数、时间参数是否正常，又要识别接收到的自监控中心发来的控制命令的 类型，并作出执行控制命令的相应操作。 2 3 3 g p r s 通信模块 g p r s 通信模块作用是把m c u 模块送入的数据通过g p r s 网络或g p r s 网络经 i n t e m e t 发送到监控中心；接收从监控中心发来的控制命令信息，通过通信接口传入 m c u 模块。 由于g p r s 移动通信网络是基于i p 协议进行数据传输的，所以g p r s 通信模块必 须对m c u 模块传入的数据t c p i p 封装后才能发送出去；同样对由监控中心发来的控 制命令数据包拆封后才能传给m c u 模块。因此，该模块主要由t c p i p 协议处理和g p r s 发射两部分组成。 2 4 通信网络 通信网络是监控中心对现场洒布车实现远程数据采集与监控的基础，是监控中心与 现场洒布车之间的数据传输桥梁。通过通信网络实现洒布车的相关参数能够及时传送到 监控中心计算机；监控中心发出的控制命令在远程监控装置得以及时响应。 这里的通信网络是指g p r s 网络和i n t e m e t 网络，也就是说系统监控中心与远程监 长安大学硕十学位论文 控装置之间的数据传输可以在g p r s 网内进行，由g p r s 网络单独承载；也可以由g p r s 网络与i n t e r n e t 网络共同承载，这是由于g p r s 核心网本身就是一个分组型数据网，支 持碑协议，可与i m e m e t 网进行无缝、直接连接。中国移动g p r s 网络通过c m n e t 网 关与h l t e m e t 网络互连，g p r s 用户可以快速的接入i n t 锄e t ，如同使用局域网一样。 在g p r s 数据业务开展之初，基于g p r s 的远程监测、监控及自动抄表系统多采用 数据服务中心使用g p r sm o d e m 以无线方式接入g p r s 网络。而随着互联网的迅速发 展与普及，使用监控中心通过接入i n t e m e t 网，在网上收发数据实现起来更方便，而且 在建设成本和数据传输带宽方面具有优势。 本系统结合实际应用采用g p r s 网络与h l t e m e t 网相结合，监控中心h l t e m e t 网上 收发数据。因此，本系统的通信网络部分是由g p r s 网络与1 1 1 t e m e t 网组成。 g p r s 网络基于现有的g s m 网络来实现的，同时引入了一些新的核心模块和改进： 1 g p r s 网关支持节点g g s n ( g m e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) 和g p r s 服务支持 节点s g s n ( s e r v i n gg m e w a ys u p p o gn o d e ) 。 2 点对多点服务中心( p o i n t t o m u r i p o i ms e r v i c ec e n t e r ，p t m s c ) 。 3 边界网关( b o 矾e rg a t e w a y ，b g ) 。 4 改进基站子系统b s s ：在基站控制系统上增加硬件单元p c u ( p a c k e tc o n t r o l u n i 0 ，在基站发射系统上增加软件单元c c u ( c h a n n e lc o d e cu n i t ) 。 5 其他设备：本地位置寄存器h l r 、访问位置寄存器v l r 、移动交换中心m s c 、 s m s g m s c 和s m s i w m s c 等g s m 系统原有无线管理设备被升级以支持相应 的与g p r s 有关的功能。 新引入的网络单元分别归为无线部分和数据部分两类，p c u 属于无线管理部分， s g s n 属于无线管理和数据管理公用部分，g g s n 属于数据管理部分。系统构成如图所 示。 9 第二章幕统总体世计 圈2 3 g p r s 网络结构图 g p r s 连接由g p r s 规范0 3 6 0 所规范。m s 和g p r s 数据网络的连接包括g p r s 用户附着，分离过程、p d p 上下文激活，去活等过程。前者是m s 和g p r s 网络之间的通 讯连接，也是后者的前提，主要涉及g p r s 网络中的无线单元部分。后者则涉及数据单 元和无线单元的配合，是实旋数据业务的前提。 下图是g p r s 附着过程图。m s 用户进行数据连接时，首先需要进行用户附着，即 进行m s 用户的位置和身份登记，然后通过p d p 激活请求信息申请网络接入，系统根 据接入申请信息中的a p n 信息进行处理，如通过d h c p 服务器进行用户地址分配，通 过r a d i u s 认证服务器进行用户身份认证，最终使合法用户得到m 地址。这时用户成为 独立口数据用户，可以进行数据连接，进行数据收发。 g p r s 网络通过g i 参考点接入外部数据网络，一般采用基于口协议和基于p p p 协 议的连接方式。基于口协议连接时，g g s n 需要支持m 协议，并作为路由器实现网络 之间的连接。基于p p p 协议连接时，g g s n 除了需要支持口协议外，还需要支持p p p 协议和其它基于n c p 的应用协议，g g s n 终结到m m s 的p p p 连接或将p p p 帧可通过 l 2 t p 隧道进行封装。使用p p p 的虚拟拨号信令连接过程如图所示。 长安大学硕上学位论文 图2 4 g p r s 附着过程 图2 5 m s 与g g s n 之间p p p 连接的信令过程 t e 发送a t 命令到m t 请求参数设定。m t 发送激活p d p 上下文信息到s g s n ，s g s n 转发激活请求信息到相应的g g s n 。对于成功的p d p 激活，t e 将在l l c 链路建立后 启动p p p 协议过程，然后执行端到端的l c p 、鉴权和i p c p 协商或者在m s 和g g s n 之 间协商【4 1 6 1 。 第_ 二章系统总体设计 2 5 监控中心 监控中心是一个软硬件结合的系统。硬件包括了监控计算机、通信处理设备及相关 的数据输出设备。软件包括通信处理、监控软件及系统数据库等。 监控中心的目的主要是监控施工现场的工作参数，以此来判断洒布车的工作状态是 否正常，可以提前预知故障，为施工工作的连续性提供有力的保证。 鉴于此我们为监控中心设计了以下功能： 令用户输入用户名和密码才能够进入监控管理系统。 冷实时显示车速、沥青泵转速、沥青温度、导热油温度、液压油温度以及操作人员的 一些操作。 解析接收来的数据包，并存入本地数据库，以便管理查询。 令远程操作和控制，呼叫施工现场以及可以使控制器停止工作，以达到提前消除隐患 的目的。 远程监控中心软件的基本功能是实现与数据采集点的通信，接收数据，然后对信息 进行显示、处理。其软件工作流程如下图所示 图2 6 监测中心软件工作流程图 1 2 长安大学硕十学位论文 2 6 g p r s 组网方式 g p r s 组网方式大概有四种： 方案一：中心采用a d s l 等i n t e m e t 公网连接，采用公网固定口或者公网动态i p + d n s 解析服务。 此种方案应先向i n t e m e t 运营商申请a d s l 等宽带业务。 1 、中心公网固定i p ：监控点直接向中心发起连接。运行可靠稳定，推荐此种方案。 2 、 中心公网动态i p + d n s 解析服务：客户先与d n s 服务商联系开通动态域名，监 控点 先采用域名寻址方式连接d n s 服务器，再由d n s 服务器找到中心公网动态口，建立 连接。此种方式可以大大节约公网固定口的费用，但稳定性受制于d n s 服务器的稳定， 所以要寻找可靠的d n s 服务商。此种方案适合小规模应用。 方案- - 中心采用主副g p r s d t u ，采用移动内网动态口+ 移动d n s 解析服务。 此种方案客户先与移动d n s 服务商联系开通移动动态域名，监控点先采用域名寻址 方式连接移动d n s 服务器，再由移动d n s 服务器找到中心移动动态p ，建立连接。中心 也用g p r s d t u 做接收端，但g p r s 无线方式的中心不如有线方式的稳定，所以采用主 副两个g p r s d t u 作冗余备份。主中心g p r s d t u 接收端掉线时，所有监控点自动转到 副中一t , g p r s d t u 接收端。此种方式也可以大大节约固定口的费用，但并不是所有移动 公司都提供d n s 解析服务，所以要在有d n s 解析服务的省市才能采用此种方案。此种方 案适合小规模应用。此种方案时时性和稳定性较差，不推荐使用。 方案三：中心采用主副g p r s d t u ，采用移动a p n 专网固定p 。 此种方案客户先与移动申请a p n 专网业务。移动为客户分配专用的a p n ，普通用户 不得申请该a p n 。用于g p r s 专网的s i m 卡仅开通该专用a p n ，限制使用其他a p n 。得到 a p n 后，给所有监控点及中心分配移动内部固定p 。此种方案中心也像方案二一样采用 主副两个g p r s d t u 作接收端，冗余备份。但此种方案较方案二而言，无需d n s 解析， 本身具有移动内网固定i p ，减少中间环节，稳定性增强；且所有数据都在移动g p r s 的 a p n 内网传输，无需经过公网，安全性增强。此种方案无需负担宽度专线月租费用，但 需要申请固定p 。 方案四：中心采用a p n 专线，所有点都采用内网固定p 此种方案客户中心通过一条2 ma p n 专线接入移动公司g p r s 网络，双方互联路由器 第二章系统总悻设计 之间采用私有固定m 地址进行广域连接，在g g s n 与移动公司互联路由器之间采用g r e 隧道。为客户分配专用的a 1 ) n 。普通用户不得申请该a p n 。用于g p r s 专网的s 1 m 卡仅开 通该专用a p n 。限制使用其他a p n 。得到a p n 后，给所有监控点及中心分配移动内部固 定m 。移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的 泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行口地址和端口过滤。 此种方案无论实时性、安全性和稳定性较前三种方案都有大大提高。适合于安全性 要求较高、数据点比较多、时时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下之最佳组 网方式【7 1 。 矿 ；= ； n 嚣“ 厣 ，j 图27 g p r s 四种组网方案 本系统开发是针对洒布车的远程监控系统，由于工程机械的分散性，跨省跨地区分 布。用动态域名解析的方式监控，中心以动态m 地址接入h l t e r i l 吐网实现对洒布车远程数 据采集和监控更为合适。采用这种方式不仅可以跨地区、跨省监控，还节省了口地址资 源，实现更方便、灵活。 2 7 通信协议 系统采用的g p r s 模块嵌入了t c 册协议，它的总体数据流程如下图所示。 o _ 长安大学硕：l 学位论文 图2 8 总体数据流程图 应用程序通过s o c k e t 应用编程接口使用t c p i p 协议栈提供的数据通信功能。发送数 据时，如果选择的是面向连接的t c p 协议，则应用程序将用户数据交给t c p 协议模块处 理。t c p 模块将其首部和数据封装成t c p 报文段；如果选择的是无连接的u d p 协议，则 将用户数据交给u d p 协议模块处理，u d p 模块将其首部和数据封装成u d p 数据报，然后 将封装好的t c p 报文段或u d p 数据报交给d 协议模块，p 模块在t c p 报文段或u d p 报文 段上添加p 首部，并封装成p 数据包，然后根据路由表为p 数据包确定路由。如果找不 到相应的路由，则向i c m p 协议发送出错报文，由i c m p 协议模块进行处理；如果找到路 由，则将数据包发送到网络接口层，网络接口层直接利用下层的p p p 协议将数据包封装 成p p p 帧，然后由异步串口驱动程序将p p p 帧发送出去。 接收数据时，由异步串口驱动程序负责接收数据，然后由中断处理程序唤醒接收线 程，由数据接收线程将接收到的数据帧交给p p p 协议模块处理，如果是p 数据包，就 1 5 第二章系统总体设计 将报文交给网络接口层；网络接口层取出帧头，将报文交给p 协议模块处理，m 协议 模块取出p 首部信息，然后根据数据包的类型，将数据包交给相应的协议模块( t c p 模 块、u d p 模块或i c m p 模块) 处理；t c p 模块或u d p 模块收到报文后，取出首部进行 处理，并将用户数据交给应用程序。 2 7 1 t c p i p 协议介绍 目前，t c p i p ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c o l ，传输控制协议网络协议) 在网络的各种传输协议中是最为成熟可靠、应用最广的协议。t c p i p 协议能够让各种各 样的计算机都可以在一个共同的网络环境中运行。经过几十年的研究和应用，t c p i p 已 充分显示出它强大的连网能力与各种应用环境的适应能力。i n t e r a c t 已成为用t c p i p 协议 连接世界各国、各部门、各机构计算机网络的最大的国际互联网。t c p i p 协议已被各界 公认为一种计算机、一种网络彼此通令的重要协议，也是目前最为可行的协议，现在已 成为事实上的国际标准和工业标准。 t c p i p 的o s i 参考模型分5 层，物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层， 如下图所示。物理层和数据链路层涉及到在通信信道上传输的原始比特率，它实现传输 数据所需要的机械、电气、功能性及过程等手段，提供检错、纠错、同步等措施，使之 对网络层显现一条无错线路；并且进行流量调控。网络层检查网络拓扑，以决定传输报 文的最佳路由，执行数据转发。主要协议有i p 、i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ， 互联网控制报文协议) 、i g m p ( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l ，互联网组管理协 议) 、a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，地址解析协议) 、r a p p ( r e v e r s ea d d r e s s r e s o l u t i o np r o t o c o l ，反向地址解析协议) 等。 h t t p 、t e l n e t 、f t p 、t f t p 等 t c p ，i 肪p i p 、a r p 、r a r p 、i c m p 8 0 2 3 、p p p 等 接口和线缆 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图2 9 t c p i p 协议参考模型 1 6 长安人学硕士学位论文 传输层的基本功能是提供端到端的通信。传输层从应用层接收数据必要时把它分成 较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的隔断信息正确无误。主要协议有t c p 和u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 【8 1 9 1 。 2 7 2 传输层协议的选择 传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。传输层有两不互同的传输 协议：t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报协议) 。 u d p 是一种不可靠的、尽力投递的、无连接的传输层协议。不可靠意味着不能保证 数据一定能够无错的到达对方。这并不是说u d p 经常丢包，而是说因为没有确认信息 的返回，所以传输并不是有保证的。很多种原因会使得包不能正确的到达目的地。尽力 投递表示网络将使用最大的投递努力去投递该数据包，无连接表示在包的发送之前，发 送方和接收方之间没有握手过程。发送方可以在它想发送的任何时候发送数据。 t c p 提供了一种可靠的连接。这意味着它可以发现并恢复错误。假如一个包没能 到达目的地，或是在到达目的地之前已经受到了破坏，那么，t c p 将重发送该包。假 如包无序的到达的话，那么t c p 可以将其恢复。如果重复包到达的话，t c p 会去除这些 包。 针对沥青洒布车远程监控系统，如果选用t c p 连接，服务器除了完成大量的数据处 理功能外，还需要保持对g p r s 终端的t c p 连