（通信与信息系统专业论文）dmeps分布式在线监控型消防应急电源的研制.pdf

山东大学硕士学位论文 符号说明 应急电源 u p s u n i n t e r r u p t e dp o w e rs u p p l y 不间断电源 i g b ti n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r 绝缘栅双极晶体管 g p r sg 饥e 砌p a c k e tr a d i os e r v i c e通用分组无线业务 s p w ms i n ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 正弦脉冲宽度调制技术 a b ma d v a n c e db a t t e r ym a n a g e m e n t 先进的电池管理 m o d b u sm o d i c o n 公司为其p l c 与主机之间的通讯而发明的串行通讯协议 g s mg l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 全球移动通信系统 s g s ns e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e g p r s 服务支持结点 g g s ng a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e g p r s 网关支持结点 p c up a c k e tc o n t r o lu n i t 分组控制单元 i - 1 l rh o m el o c a t i o nr e g i s t e r归属位置寄存器 分组数据协议 a p na c c e s sp o i n tn a m e接入点名称 d h c pd y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c o l 动态主机分配协议 域名系统 m c us i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r单片微型计算机 3 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 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：弛 e t期：塑墨：生：丝i 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：褪导师签名： 日期： 伽g 4 l 山东大学硕士学位论文 摘要 随着智能化控制技术的不断发展、越来越多的高层建筑的出现、住宅区等 规模的不断扩大，人们在对电力保障、消防安全及实时监控消防电源等方面提出 了越来越高的要求。在这种背景下，本文从应用与实践的角度出发，研制了一套 由r s 4 8 5 与g p r s 构成的异构网来进行数据传输从而实现远程监控的分布式在线 监控型消防应急电源系统。该系统能够真正地做到消防应急电源设备管理的智能 化、自动化、网络化。 第一，采用软硬件协同设计的思想提出了系统的总体设计方案，系统的整体 架构分为e p s 电源终端、通信网络、上位机监控端三大部分。同时建立了计算机 主机和e p s 电源终端间的基于舯d b u s 的通信协议。 第二，以e p s 电源的控制芯片p i c l 6 f 8 7 4 a 和逆变芯片e e 8 7 c 1 9 6 m c 为硬件核 心，对e p s 电源进行了详细的硬件设计；同时对控制和逆变部分进行了算法的分 析和软件的设计。实现了对按键状态、参数采样和判定、输出及通信的有效控制， 顺利地完成了由直流到交流的转换。 第三，为了能够实现分布式在线监控，采用了由r s 4 8 5 和g p r s 构成的异构 网进行通信。对r s 4 8 5 进行了电路设计，可实现近距离通信；对g p r s 进行了模 块的选型和详细的软件设计，来完成远距离的通信。 第四，对上位机的监控软件进行了设计，保证上位机能够实时地对e p s 电源 进行监控和管理。该监控软件包括对e p s 电源管理、参数的显示、远程控制和报 警等功能。 第五，对系统进行了调试与运行，基本上能够达到研制的效果和要求。但逆 变牛成的正弦波中仍有干扰，需通过改进电路而进一步滤除；e p s 电源的可靠性 有待于进一步提高。 关键词：e p s 消防应急电源；g p r s ；r s 4 8 5 ；远程监控；m o d b u s 协议 山东大学硕士学位论文 - - i _ _ _ _ 皇_ _ _ _ _ _ 鼍_ _ _ _ _ _ 置量置量置墨皇鼍_ 皇_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ - _ _ 一 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n t i z i n g ，t h ec o n s t r u c t i o no fm o r e a n dm o r eh i g hb u i l d i n g sa n dt h e e n l a r g e ds c a l eo fl i v i n ga r e a s ，p e o p l eh a v eh i g h e ra n d h i g h e rr e q u e s t so ne l e c t r i cp o w e rg u a r a n t e e ，f i r ec o n t r o la n dm o n i t o r i n gp o w e ri n t i m e i nt h i sc a s e ，f r o mb o t ha p p l i c a t i o na n dp r a c t i c a ls i d e s ，t h ed i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e st h eo n - l i n em o n i t o r i n ge m e r g e n c yp o w e rs u p p l ys y s t e mf o rf i r e - p r o t e c t i o n 、i t hl o n g - d i s t a n c ec o n t r o lw h i c ht h ed a t aa r et r a n s m i t t e db yt h ed i f f e r e n t s t r u c t u r en e t c o m p o s e do fr s 4 8 5a n dg p r s t h es y s t e mc o u l dr e a l i z ei n t e l l i g e n t i z i n g ，a u t o m a t i o n ， n e t w o r k i n go nt h ec o n t r o lo ft h ep o w e rs u p p l y f i r s t l y , t h eg e n e r a ld e s i g np r o j e c ti sp u tf o r w a r db a s e do nt h ei d e a so fc o o p e r a t i v e d e s i g no fs o f t - a n dh a r d w a r e s t h es y s t e mi n c l u d e se p s ，c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k s a n dp c a tt h es a m et i m et h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb a s e do nm o d b u sb e t w e e n t h eh o s tc o m p u t e ra n dt h et e r m i n a l so fe p sp o w e r s u p p l yi se s t a b l i s h e d s e c o n d l y , e g a r d i n gt h ec o n t r o lc l l i p r p i c l 6 f 8 7 4 af o re p sp o w e rs u p p l ya n d t h ec o n v e r s i o no n e - - - - e e 8 7 c19 6 m cf o rd c a ca st h eh a r d w a r e sc o r e s ，t h e h a r d w a r eo fe p si sd e s i g n e di nd e t a i l ；a sw e l la st h es o f t w a r eo fi n v e r t e ra n dc o n t r o l p a r t s w ec a nr e a l i z et h ec o n t r o lt ot h eb u t t o ns t a t e ，s a m p l i n ga n dd e t e r m m ef o r p a r a m e t e r s ，t h eo u t p u ta n dc o m m u n i c a t i o n a n dc a nc o m p l e t e t h ed ct oa c c o n v e r s i o ns m o o t h l y t h i r d l y , i no r d e rt ob r i n ga b o u td i s t r i b u t e do n - l i n em o n i t o r i n g ，h e t e r o g e n e o u s n e t w o r kp o s e db yr s 4 8 5a n dg p r si su s e d t h ec i r c u i to fr s 4 8 5i sd e s i g n e da n d c o u l dr e a l i z e ss h o r t - d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n t h em o d u l eo fg p r si sc h o o s c da n dt h e s o f t w a r ei sd e s i g n e di nd e t a i l g p r sc o u l dc o m p l e t el o n g - d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n f o u r t h l y , t h es o f t w a r ef o rt h el o n gd i s t a n c ec o n t r o lf o rt h ee p sp o w e rs u p p l y f r o mt h eu p p e rm a c h i n ei sd e v e l o p e d t h es o f t w a r ei n c l u d e st h em a n a g e m e n tf o re p s p o w e rs u p p l y , d i s p l a yo fp a r a m e t e r s ，l o n g - d i s t a n c ec o n t r o la n da l a r m e t c f i f t h l y , t h ec o m m i s s i o n i n ga n dn m n i n go ft h es y s t e ma r ed o n e ，a n dc o u l d b a s i c a l l ya c h i e v et h ee f f e c ta n dr e q u i r e m e n t so fd e v e l o p m e n t b u tt h es i n ew a v eb y g e n e r a t e di n v e r t e rs t i l lh a si n t e r f e r e n c e ，a n di tc o u l db ef i l t e r e db yt h et h ei m p r o v e d c i r c u i t ；t h er e l i a b i l i t yo fe p ss h o u l db ei m p r o v e df u r t h e l k e yw o r d s ：e p se m e r g e n c yp o w e rs u p p l yf o rf i r ec o n t r o l ，g p r s ，r s 4 8 5 ， m o d u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 2 山东大学硕士学位论文 1 1 选题的背景与意义 第一章绪论 随着社会信息化的不断发展和建筑技术水平的不断提高，城市的建筑趋 向于大规模、现代化、高层化发展，随之而来对建筑的供电要求越来越高， 使建筑对供电的依赖也越来越大，尤其是一些重要的公共建筑，一旦中断供 电，将造成重大的政治影响或经济损失，如果是发生火灾，后果就更不堪设 想。多年来，运行经验表明，电网供电时采用两路独立的电源虽然简单、可 靠，但供电线路复杂，当发生大面积停电事故时，两路电源均可能发生停电 事故。因此，应急电源作为独立于电网之外的备用电源被广泛应用于各种 建筑工程之中。目前，应急电源包括柴油发电机组和蓄电池。近年来，含蓄 电池的e p s 作为应急电源被广泛应用，尤其是被用做消防应急电源。 在应急供电方面起步比较早一些的是发电机和u p s ，然而就提供应急供 电能力而言，这两种方式已暴露出许多不足之处。发电机组在停电时自动启 动的时间长、噪声大、由于其油库的存在所以安全性差、发电机要专人看护 且要定期维护、供电电压频率不稳、效率低、过载能力弱、保护功能一般、 与负载的功率匹配高等缺点。u p s 由于其逆变器要连续不断地工作，使得自 身的损耗较大，其使用寿命相对较短，电池的更换较为频繁。含蓄电池的e p s 应急电源能够克服这两者的不足。 e p s 应急电源的基本工作原理如下：在交流电网正常时，交流电网直接 供给负载，当交流电网断电后，交流电网将立即投切至逆变输出电源供电， 当电网电压恢复时，应急电源将恢复为电网供电。e p s 电源具有停电时逆变 自动启动时间快、无噪音、维护简单、过载能力强、寿命长、具有持续供电 功能、对逆变切换时间要求不高、有多路输出、对各路输出及单个蓄电池具 有监控检测功能、电能利用率高、对环境要求不高等优势。 e p s 消防应急电源是用电池储能，用i g b t 大功率模块驱动负载，所以 如果我们要做成大功率的e p s 应急电源时，必然要求高压大电流，这会使得 所用成本提高。正因为如此，e p s 应急电源单台功率做得不是很大，只能供 一个单元( 高层建筑) 或是一栋楼利用，这样在小区较大时就会造成需求的 4 山东大学硕士学位论文 电源台数较多。在使用过程中需有专人定期地对每台电源装置检查运行是否 正常、记录各项运行参数、对电池进行放电维护等，这对统一管理带来了诸 多不便，使工作人员的工作量加大，不能实现即时监控。 随着智能化的发展，对e p s 电源的运行状态进行即时远程监控也越来越 引起人们的重视。所以在本文中提出并设计了将e p s 消防应急电源通过由 r s 4 8 5 及g p r s 构成的异构网与监控端连接进行远程监控，这样就可以实现 对e p s 状态信息的即时监控和集中统一管理，真正的做到e p s 设备管理智能 化、自动化、网络化，实现准确、安全、可靠、无人值守、高效率、低成本 的运行目标。又由于采用了g p r s 通信，所以即使小区的范围再大，也可以 保证各e p s 消防应急电源都能被即时远程监控和维护。 随着住宅区、学校、医院等面积规模的不断扩大，这种通过由r s 4 8 5 与 g p r s 构成的异构网来进行数据传输从而实现远程监控的分布式在线监控型 消防应急电源会得到越来越广泛的应用。 1 2 国内外发展状况及趋势 e p s 消防应急电源可以说是近些年来才随着社会的进步和发展、环境要 求和消防意识不断提高才迅猛发展起来的一个新兴产业。在欧美先进国家在 许多场合下都积极地使用e p s 电源。而在我国，近几年来大型火灾的人命财 产损失触目心惊，国人对消防安全意识已逐步提高，目前已出现好些省在消 防行业或建筑电气安装行业强制执行配置e p s 应急电源的局面。目前，专 门为消防应急措施而设计研制的e p s 消防应急电源，具有一定的先进性和实 用性，它可以实现微机监控和处理，对消防应急照明、卷帘门、消防电梯、 水泵、排烟风机等消防设施实现自动控制。此类产品广泛应用于为高层建筑、 机场、电信网络机房、医院、重要场馆等工程。 1 3 主要研制的内容 本文主要研制了一种基于由r s 4 8 5 与g p r s 构成的异构网的分布式在线 监控型e p s 消防应急电源，主要的工作包括理论上的分析研究、实际系统的 硬件设计以及软件设计。 l 、研究了基于s p w m 的逆变电源技术：并且对其进行了算法的分析并 山东大学硕士学位论文 通过软件实现，设计了一套硬件功率驱动电路，实现了直流一交流的转换。 2 、研究了基于a b m 电池管理技术，首先进行恒流均充充电，然后进入 恒压浮充充电，充电结束后让电池进入静止放电状态，在运行一段时间后， 再手动进入逆变放电状态，防止老化保持电池活性。 3 、研究了基于m o d b u s 的通信协议，并分析了通过r s 4 8 5 、r s 2 3 2 和 g p r s 通信方式的各自特点。因为m o d b u s 协议是工作在客户机服务器方式， 所以e p s 应该在上位机的请求下返回数据。 4 、研究并制定了一套基于m o d b u s 的协议格式。此协议定义了一个控制 器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述 了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及 怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。 通过远程的监控软件，可以组成一个方便实用的e p s 逆变电源监控系统。 实现遥测、遥调、遥控功能，并在监控端进行运行参数的显示，及时发现和 予防设备的故障，保证设备的正常发挥作用。 5 、通过调试与应用，对运行的可靠性进行分析，并且指出了目前存在的 不足及以后改进的方向。 1 4 论文的组织 第一章：主要分析了课题研究的背景及意义，介绍了文章的主要研究工作 组织形式。 第二章：介绍了相关的理论与技术。 第三章：对整个系统进行了总体架构的设计。对m o d b u s 协议进行了数据 格式的制定。 第四章：硬件设计，包括e p s 电源的硬件设计、通信接口等设计。 第五章：软件设计，包括e p s 电源的逆变软件设计、控制及g p r s 通信 部分的软件设计和监控端操作系统设计。 第六章：对整个系统进行调试。 总结：对整个分布式在线监控型消防应急电源进行了总结并对未来的工 作进行了展望。 山东大学硕士学位论文 第二章相关理论与技术 2 1e p s 应急电源的相关理论与技术 2 1 1e p $ 应急电源的工作原理 e p s 应急电源是允许短时电源中断的应急电源装置。作为消防应急电源系统， 当建筑物发生火灾时，为疏散照明和其它重要的一级供电负荷提供集中供电。在 正常情况时，交流市电经过互投装置给重要负载供电；当交流市电断电后，互投 装置将立即切换至逆变器供电，供电时间由蓄电池的容量决定；当市电电压恢复 时，应急电源将自动恢复为市电供电。 2 1 2 正弦脉冲宽度调制技术 s p i b i 法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的p 删法。s p b 波就是指一系 列幅值相等且脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的p 删波。用s p 删波形 控制e p s 应急电源的逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与 所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，将输出的脉冲电压经过滤波就可 以得到我们所需要的正弦波。从而实现了e p s 电源中的逆变系统将直流转化成交 流。通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。 l 、s p 硼的基本原理 该方法的理论基础是采样控制理论的一个重要的结论：冲量相等而形状不 同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其输出响应形基本相同。 如图2 - 1 所示，将正弦波的正负半周各分成n 份，这样正负半周都分别可以 视为n 个幅值按正弦规律变化而脉宽相等的脉冲所组成，将这些脉冲序列用同样 数量的等幅不等宽的矩形脉冲列代替，并使各矩形脉冲的中点和相应正弦等分的 中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积相等，根据冲量相等效果相同的原 理，这种p 删波形和正弦波是等效的。 2 、s p 删波形的几种生成方法 ( 1 ) 面积等效法 该方法就是直接利用s p w m 法原理，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲 序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过 7 山东大学硕士学位论文 查表的方式生成p 嘲信号，控制开关器件的通断，以达到预期的目的。 u o u o 图2 - 1s p w m 的基本原理 由于此方法是以s p w m 控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关 器件的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波。但其存在计算繁琐，数据占用 内存大，不能实时控制的缺点 ( 2 ) 硬件调制法 其原理是将频率相对较低的调制信号( 在逆变系统中为正弦波) 对频率相对 较高的载波( 通常为等腰三角波) 进行调制从而得到s p w m 波形。其实现方法简 单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它 们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成s p w m 波。 硬件调制法虽然不用像面积等效法那样进行大量的计算，但这种模拟电路结 构复杂，难以实现精确的控制。 ( 3 ) 软件生成法： 由于微机技术的发展使得用软件生成s p w m 波形变得比较容易，软件生成法 其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采 样法。 a 、自然采样法是在正弦波和三角波的自然交点处控制开关的通断来生成p w l d 山东大学硕士学位论文 波，由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉 宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制。 b 、规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，它的效果接近自然采样法， 但计算量却比自然采样法小很多。其缺点是直流电压利用率较低，线性控制范围 较小。规则采样法分为对称规则采样法和不对称规则采样法。 对称规则采样法：当三角波只在其顶点( 或底点) 位置对正弦波进行采样 时，由采样得到的阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期( 即采 样周期) 内的位置是对称的。 不对称规则采样法：当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样 时，由采样得到的阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期( 此时 为采样周期的两倍) 内的位置一般并不对称。非对称规则采样法因阶数多而更接 近正弦。 2 1 3a b m 电池管理技术 该方式电池充电分成三个阶段：第一阶段是恒流均衡充电，将电池容量充到 9 0 ；第二阶段是浮充充电，将电池容量充到1 0 0 ，然后停止充电；第三阶段 是自然放电，在这个阶段里，电池利用自身的漏电流放电，一直到规定的电压下 限，再重复上述的三个阶段。这种方式改变了以前那种充满电后仍使电池处于一 天2 4 h 的浮充状态，因此延长了电池的寿命。 先进的电池管理技术实时监控电池状况，只有在电池需要充电时才给电池充 电，与传统的电池充电方式相比较极大降低了电池的充放电次数。 2 2r s - 4 8 5 总线标准 2 2 1 豁4 8 5 接口 r s - 4 8 5 协议是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。r s 一4 8 5 标准 增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加 了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。 r s - 4 8 5 接口标准如表2 - 1 ： 9 山东大学硕士学位论文 r s - 4 8 5 接口标准项目项目参数 工作方式 差分 传输介质双绞线 节点数1 发3 2 收 最远通信距离 1 2 0 0 m 最大传输速率 l o m b s 最大驱动输出电压 一7 v + 1 2 v 驱动器输出信号电平( 负载最小值) 士1 5 v 驱动器输出信号电平( 空载最大值) 士6 v 驱动器负载阻抗( q ) 5 4 接收器输入电压范围7 v + 1 2 v 接收器输入门限 士2 0 0 m v 接收器输入阻抗 1 2 k 驱动器共模电压 1 v + 3 v 接收器共模电压 7 v + 1 2 v 2 2 2r s - 4 8 5 多机通信原理 在由单片机构成的多机串行通信系统中，一般采用主从式结构：从机不主动 发送命令或数据，一切都由主机控制。并且在一个多机通信系统中，只有一台单 机作为主机，各台从机之间不能相互通讯，即使有信息交换也必须通过主机转发。 在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、 无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当。 2 2 3r $ - 4 8 5 多机通信规则 由于r s - - 4 8 5 通讯是一种半双工通讯，发送和接收共用同一物理信道。在 任意时刻只允许一台单机处于发送状态，因此要求应答的单机必须在侦听到总线 上呼叫信号已经发送完毕，并且没有其它单机发出应答信号的情况下才能应答。 半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不 好，就会发生总线冲突，使整个系统的通信瘫痪，无法正常工作。要做到总线上 的设备在时序上的严格配合，必须要遵从以下几项原则： l 、复位时，主从机都应该处于接收状态。在上电复位时，由于硬件电路稳 定需要一定的时间，并且单片机各端口复位后处于高电平状态，这样就会使总线 上各个分机处于发送状态，加上上电时各电路的不稳定，可能向总线发送信息。 1 0 山东大学硕士学位论文 因此，如果用一根口线作发送和接收控制信号，应该将口线反向后接入总线驱动 芯片的控制端，使上电时入总线驱动芯片处于接收状态。另外。在主从机软件上 也应附加若干处理措旎，如：上电时或正式通讯之前，对串行口做几次空操作， 清除端口的非法数据和命令 2 、控制端r e 、d e 的信号的有效脉宽应该大于发送或接收一帧信号的宽度， 这样才可能保证完整地接收一帧数据。 3 、总线上所连接的各单机的发送控制信号在时序上完全隔开，从而可以保 证发送和接收信号的完整和正确，避免总线上信号的碰撞。 2 2 4 使用r s - 4 8 5 要注意的问题 l 、实际使用r s - 4 8 5 通信最常遇到的就是收发切换的问题，要想解决好，一 是上位机从发到收的切换要尽量快，二是下位机要略微“宽容”一点。 2 、在对r s - 4 8 5 布线时，需要注意的是r s - 4 8 5 通讯电缆要和交流电( 2 2 0 v ) 的电缆分开来布，即电源线和数据通讯线分开，以避免电磁干扰；注意屏蔽网的 接地，一般要保证单端接地即可，否则采集上来的数据会有波动或有错误。 3 、在通信过程中，因通信线路阻抗不连续和阻抗不匹配而会导致信号反射。 消除这种反射的方法，是在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终 端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯 电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。 2 3g p r s 通信技术 g p r s 简称通用分组无线业务，是一种新的分组数据承载业务。该技术能够 提供高速的数据业务，实现端到端、广域的无线l p 连接。g p r s 网络是g s m 网 络与互联网( i n t e r n e t ) 技术相结合的产物。g p r s 与现有的g s m 语音系统最根本 的区别是，g s m 是一种电路交换系统，而g p r s 是一种分组交换系统。g p r s 用户随时与网络保持联系，用户访问瓦联网时，无线模块就在无线信道上发送和 接受数据，就算没有数据传送，无线模块还一直与网络保持连接。而且，每次使 用时只需一个激活的过程，一般只需要1 3 秒的时间马上就能登录至互联网。 2 3 1g p r s 的网络结构 g p r s 在g s m 系统的无线侧新增p c u 作为分组接入和控制单元，在网络侧新 山东大学硕士学1 立论文 - - i 一一 一 _ 鼍l _ i _ 一 增s g s n 和g g s n 结点，实施用户管理和分组支撑，将电路交换系统和数据交换系 统合二为一，从而实现系统资源的有效利用，拓展系统功能。 1 、网络设备结点s g s n s g s n 称为服务g p r s 支持结点。s g s n 主要是负责传输g p r s 网络内的数 据分组，它扮演的角色类似通信网络内的路由器，可将传递过来的数据分组路由 到其他的s g s n ，或是由g g s n 将分组传递到外部的因特网。除此之外，s g s n 还包 括所有管理数据传输有关的功能。 2 、网络设备结点g g s n g g s n 称为网关g p r s 支持结点，是g p r s 网络连接外部因特网的一个结点。g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数 据包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络。 3 、p c u ( 位置控制单元) p c u 负责无线信道的管理与分配及无线信道到逻辑信道的映射，它控制多个 终端共享同一无线信道或一个终端使用多个无线信道进行接入，并进行多个用户 之间的碰撞控制；p c u 可以根据无线环境决定不同编码方式的使用与转换，并提 供r l c 层数据传送的确认；它还用以进行小区g p r s 功能管理，执行小区与终 端数据流量控制等。 2 3 26 p r s 分组数据传递过程 g p r s 系统通过各网元相互作用，完成协议处理和呼叫处理等功能。在g p r s 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p d p 上下文。 1 、用户附着过程 用户在进行数据传送时，首先需要进行网络附着，即位置和身份登记。在该 过程中，主要涉及无线系统( 如p c u ，s g s n ，终端和h l r 等业务单元) ，与数据单 元无关。 ， 2 、用户激活p d p 过程 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，通过d h c p 服务器进行用户地址分配和身份认证等，最终使合法用户 得到i p 地址。在激活p d p 上下文过程中，涉及数据单元与无线单元的配合，如 p c u ，s g s n g g s n d n s 服务器和d h g p 服务器。 山东大学硕士学位论文 2 3 3g p r s 的优势及存在的问题 1 、g p i l s 的优势 ( 1 ) 高的传输速率 理论上是1 7 1 2 k b p s ，考虑到网络配置，目前速度可达到2 0 - - 一3 0 k b p s ( 2 ) 短的接入时间 快捷登录，在理论上是3 - - - 5 秒，网络忙时不超过8 秒 ( 3 ) 永远在线 用户随时与网络保持联系，无需建立连接过程，免去了登录之苦 ( 4 ) 灵活的计费方式 g p r s 以流量计费，不浏览网页或下载文件时不用花钱 ( 5 ) 自如的切换方法 在进行话音业务时，数据仍可传输，用户不用重复进行上网操作 ( 6 ) 与其他数据网络的无缝连接 2 、g p r s 存在的问题 ( 1 ) g p r s 会发生包丢失现象 由于分组交换连接比电路交换连接要差一些，因此，使用g p r s 会发生一些 包丢失现象。 ( 2 ) 实际速率比理论值低 g p r s 数据传输速率要达到理论上的最大值1 7 1 2 k b p s ，而理论上的最大速率 将会受到网络和终端现实条件的制约。 ( 3 ) 终端不支持无线终止功能 ( 4 ) 调制方式不是最优 ( 5 ) 存在转接时延 g p r s 分组通过不同的方向发送数据，最终达到相同的目的地，那么数据在 通过无线链路传输的过程中就可能发生一个或几个分组丢失或出错的情况。 2 4m o d b u s 通信协议 m o d b u s 是o s i 模型第七层上的应用层报文传输协议，是应用于电子控制器 上的一种通用语言。m o d b u s 本身属于半双工的通信协议。通过此协议，控制器 相互之间、控制器经由网络( 例如以太网) 和其它设备之间可以通信。它已经成 山东大学硕士学位论文 为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行 集中监控。 2 4 1i i o d b u s 在不同网络上的传输情况 1 、在m o d b u s 网络上转输 控制器通信使用主一从技术，即仅一设备( 主设备) 能初始化传输( 查询) ， 其它设备( a 设备) 根据主设备查询提供的数据作出相应反应。主设备可单独和 从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一 消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。 2 、在其它类型网络上转输 在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制 器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。 提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。 2 4 2m o d b u s 的传输模式 在m o d b u s 系统中有两种传输模式可选择。一种模式是a s c i i ( 美国信息交 换码) ，另一种模式是r t u ( 远程终端设备) 。这两种模式从实现通信的功能上 看是完全一样的。但每个m o d b u s 系统只能使用一种模式，不允许两种模式混用。 l 、典型a s c i i 消息帧和典型r t u 消息帧 典型a s c i i 消息帧如下所示： 起始位设备地址功能代码数据l r c 校验结束符 1 个字符2 个字符2 个字符n 个字符2 个字符2 个字符 典型r t u 消息帧如下所示： 起始位设备地址功能代码 数据 c r c 结束符 t 1 一t 2 一t 3 一t 48 b i t8 b i t n 个8 b i t 1 6 b i tt 1 一t 2 一t 3 一t 4 2 、消息帧中各单元简介 ( 1 ) 起始位：使用a s c i i 模式，消息以冒号( ：) 字符( a s c i i 码3 a h ) 开 始。使用r t u 模式，消息发送至少要以3 5 个字符时间的停顿间隔开始。 ( 2 ) 设备地址：消息帧的地址域包含两个字符( a s c i i ) 或8 b i t ( r t u ) 。 1 4 山东大学硕士学位论文 可能的从设备地址是0 2 4 7 ( 十进制) 。单个设备的地址范围是1 2 4 7 。主设 备通过将要联络的从设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发 送回应消息时，它把自己的地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪一个 设备作出回应。 ( 3 ) 功能代码：消息帧中的功能代码域包含两个字符( a s c i i ) 或8 b i t ( 1 i t u ) 。可能的代码范围是十进制的1 2 5 5 。当然，有些代码是适用于所有控制 器，有些是应用于某种控制器，还有些保留以备后用。 当消息从主设备发往从设备时，功能代码域将告之从设备需要执行哪些行 为。当从设备回应时，它使用功能代码域来指示是正常回应( 无误) 还是有某种错 误发生( 称作异议回应) 。对正常回应，从设备仅回应相同的功能代码。对异议 回应，从设备返回一等同于正常代码的代码，但最重要的位置为逻辑1 。主设备 应用程序得到异议的回应后，典型的处理过程是重发消息，或者诊断发给从设备 的消息并报告给操作员。 ( 4 ) 数据域：数据域是由两个十六进制数集合构成的，范围0 0 f f 。根 据网络传输模式，这可以是由一对a s c i i 字符组成或由一r t u 字符组成。从主设 备发给从设备消息的数据域包含附加的信息：从设备必须用于进行执行由功能代 码所定义的行为，这包括了象不连续的寄存器地址、要处理项的数目、域中实际 数据字节数。 如果没有错误发生，从从设备返回的数据域包含请求的数据。如果有错误发 生，此域包含一异议代码，主设备应用程序可以用来判断采取下一步行动 ( 5 ) 错误检测域 当选用a s c i i 模式作字符帧，错误检测域包含两个a s c i i 字符。这是使用l r c ( 纵向冗长检测) 方法对消息内容计算得出的，不包括开始的冒号符及回车换 行符。l r c 字符附加在回车换行符前面。 当选用r t u 模式作字符帧，错误检测域包含一1 6 b i t s 值( 用两个8 位的字符 来实现) 。错误检测域的内容是通过对消息内容进行循环冗长检测方法得出的。c r c 域附加在消息的最后，添加时先是低字节然后是高字节。故c r c 的高位字节 是发送消息的最后一个字节。 ( 6 ) 结束符：以回车换行符结束( a s c i i 码o d h ，0 a h ) 。 山东大学硕士学位论文 2 4 3 实现u o d b u s 通信的三种方式 l 、 以太网上的t c p i p ，当m o d b u s 在t c p i p 上实施时，用户还可以从i p 路由功能中得益，使得分布于世界任何地方的设备之间都可以进行通讯。施耐德 电气还提供了全套的网关，用于实现m o d b u st c p i p 网络与现有的m o d b u sp l u s 或m o d b u s 串行链路网络之间的互连。 i a n a 委员会给施耐德电气公司分配了已为大家熟知的t c p5 0 2 端口，以专 为m o d b u s 协议保留。可见，m o d b u s 协议现在已经成为i n t e r n e t 标准。m o d b u s 和m o d b u st c p i p 也被i e c6 1 1 5 8 国际标准承认为一种现场总线，同时它们还是 由i t e i 管理的中国国家标准。 2 、各种介质( 有线：e i a t i a - 2 3 2 - f 、e i a - 4 2 2 、e i a t i a 一4 8 5 - a ；光纤、无 线等) 上的异步串行传输； 3 、m o d b u sp l u s ，一种高速令牌传递网络。 2 4 4m o d b u s 通信原理 m o d b u s 是一种简单的客户机服务器型应用协议，其通信遵循以下的过程： 1 、客户端准备请求并向服务器发送请求； 2 、服务器分析并处理客户端的请求，然后向客户端发送结果； 3 、如果出现任何差错，服务器将返回一个异常功能码。 2 4 5b o d b u s 通信的透明性 m o d b u s 协议可以方便地在各种网络体系结构内进行通信，每种设备( p l c 、 h m i 、控制面板、变频器、i o 设备) 都能使用m o d b u s 协议来启动远程操作，同 样的通信能够在串行链路和t c p i p 以太网网络上进行，而网关则能够实现各种 使用m o d b u s 协议的总线或网络之间的通信。由此可见，m o d b u s 协议实现了全方 位的通信透明。 2 5 本章小结 本章首先介绍了e p s 电源的相工作原理，将与其工作紧密相关的理论正弦脉 冲宽度调制技术s p l | l l , t 和a b m 电池管理技术作了说明；然后把与在本设计中主要 用到的r s 4 8 5 和g p r s 两种通信方式作了介绍；最后阐述了实现终端与上位机通 信的m o d b u s 通信协议。为后续各章的展开与实现打下了基础。 1 6 山东大学硕士学位论文 第三章d m e p s 的总体设计 在本章中主要是介绍分布式在线监控型消防应急电源的整体架构、阐述其整 个系统的工作过程、对m o d b o s 协议进行设计。 3 1 分布式在线监控型消防应急电源组成及架构图 分布式在线监控型消防应急电源主要有e p s 电源、通信模块和主监控端组成 的。其中通信模块使用了r s 4 8 5 串行通信接口和6 p r s 通信模块，r s 4 8 5 主要用于 近距离的通信，而利用6 p r s 实现远距离的通信。其总体架构框图如图3 一l 所示。 e p s 消防应急电源的架构如图3 - 2 所示。 图3 1 在线分布型e p s 消防应急电源的整体架构 1 7 山东大学硕士学位论文 图3 - 2e p s 电源整体框图 3 2 整体系统的工作过程 用户 3 2 1e p s 应消防应急电源的工作过程 当市电正常时，m c u i 通过a d 转换得到市电电压这一输入参量，再根据该 参量得到此时e p s 电源的工作状态是正常的市电状态。m c u i 通过状态口线将该 状态信息送至继电器控制输出单元，该单元则输出一信号控制着市电通路中的继 电器接通，而逆变通路中的继电器断开，从而实现了市电给用户正常供电。而且 在市电正常时，市电还要对蓄电池采用先进的电池管理技术( a b m ) 充电，实时 监控电池状况，只有在电池需要充电时才