基于GSM网络的有害气体远程多点监测系统

1、1绪论1重庆大学硕士学位论文2重庆大学硕士学位论文基于GSM网络的有害气体远程多点监测系统硕士研究生：徐泽宇指导教师：廖海洋副教授学科专业：仪器科学与技术重庆大学光电工程学院二OO三年五月重庆大学硕士学位论文4摘要有害气体排放是对空气造成严重污染的主要原因。特别是那些在工业生产过程中排放的有害气体,会对人体产生极大的危害性。为了准确有效地对排放的有害气体进行连续自动的检测，并用计算机进行多点的在线监测，让企业和环保部门能对有害气体排放进行实时的监测和控制，使其达到国家排放标准，需要相关的检测装置和监测系统。本论文根据物质对光吸收的朗伯-比尔定律，设计了采用双波长紫外吸收法对有害气体的浓度进行定

2、量测定的光电检测系统，具有连续自动的检测能力。本论文提出了利用GSM网络进行数据传输的方法，并设计了相关的软硬件。在传统的单片机系统中使用支持语音、短消息、数据通信、传真等业务的GSM引擎模块，实现了数据的无线传输。本论文设计了针对工业废气中的氯气浓度的远程监测系统。在这个系统中可实现对多个检测点的在线监测,同时可通过GSM网络实现对检测装置的远程控制。通过更换检测装置中的滤光片，可以实现其它有害气体的在线监测。本论文主要做了以下几个方面的研究：1.研究有害气体监测的基本知识和方法。2.介绍GSM网络及其数据业务。3.设计远程监测系统的总体方案。4.设计有害气体检测装置，用C51语言编写相关程

3、序。5.设计GSM数据收发系统，用C51语言编写相关程序。6.用VC+6.0编写运行于监测中心计算机上的远程监测服务器应用程序关键词：远程监测，GSM，短消息服务(SMS)，光电检测，多线程编程1绪论11绪论1.1本课题的研究意义空气是人类最宝贵的资源之一。没有空气植物不能生长，生命和动物不能生存。一个成年人24小时内大约需要1012立方米的空气，相当于一天的食物量的十倍，饮水量的六倍。资料表明，一个人5周不吃食物，5天不喝水，可以维持生命；而5分钟不呼吸空气，将会导致生命的终结1。可见，空气特别是清洁的空气，对于动植物的生长和人类的生存，有着十分重要的作用。然而，当人类进入20世纪以来，随着

4、工业技术的发展，在工业生产中排放出大量的有害气体，严重地污染着环境，危害人们的健康。据卫生部门统计，城市中患肺癌、喉癌等呼吸道疾病的病人人数在急剧上升，这不能不考虑与空气污染有关。我国是一个发展中国家，环境保护是一项基本国策。我国的大气污染防制法已于1987年9月颁布实施，1995年8月进行第一次修订。但是由于当时对大气污染的严重状况和发展趋势认识不足，法规并没有得到很好执行，致使我国的大气污染状况相当严峻，已成为世界上大气污染物排放量最大的国家之一。1995年修订的大气污染防制法已不能适应实际需要，为此，1998年再次进行修订。2000年4月29日，全国人大常委会审议通过了新的大气污染防制法

5、，并于2000年9月1日发布实施。有害气体排放是对环境造成严重污染的主要问题。特别是那些在工业生产过程中排放的有害气体,对人体产生极大的危害性。如何准确有效地对排放的有害气体进行连续自动的检测并用计算机进行多点的、长期的监测，让企业和环保部门能对有害气体排放进行实时的监测和控制，使其达到国家排放标准，需要相关的检测仪器和监测系统。在氯碱、冶金和化工等工业排放出的气体中，往往含有毒性较大的氯气，对人体的呼吸道有极强的刺激性。国家对工业环境中排放的氯气含量的最高允许浓度为1mg/m3（相应的ppm值为0.316）2。本论文主要针对排放气体中氯气浓度的检测和监测问题进行研究，综合光、机、电、算及通讯

6、等技术，提出对工业环境现场的氯气浓度进行远程、长期的监测及记录、分析检测结果的技术方案。此方案同样可以用于其他有害气体的监测中。“间断或连续地测定环境污染物的浓度，观察分析其变化和对环境影响的过程”。美国海洋和大气管理署（1979年）将其定义为“在时间上连贯地检测某些环境质量影响参数的变化，并随时为环境保护和管理部门提供这方面有意义的信息”。联合国环境规划理事会取样样品前处理和保存定性检测、鉴定定量检测、检定数据处理结果1绪论3所下的定义为：“为了评定现时的和预报日后的环境质量，对于与环境质量相关的一个或多个要素，在时间和空间上按照预定的方案和具有可比性的方法进行重复性的观察过程。”重庆大学硕

7、士学位论文41.3本课题研究的主要内容研究有害气体监测技术现状。研究工业排放气体中的氯气浓度的检测原理及方法。探讨远程监测技术实现的途径和基本原理。提出并研究远程监测系统的总体设计方案。设计工业排放气体中的氯气浓度检测装置和通信系统的硬件和软件系统。用VC+6.0编写运行于监测中心计算机上的远程监测服务器应用程序，含远程控制、接收监测数据、波形实时显示、数据记录与回放、数据趋势分析等功能。10nm K和L层电子X射线光谱法远紫外光10200nm中层电子真空紫外光度法近紫外光200400nm紫外光度法可见光400750nm价电子比色及可见光度法近红外光0.750和频率作为表征。光的波长、频率与速

8、度c的关系为：=c（2.1）式中以厘米（cm）表示；以赫兹（Hz）表示；c为光速,在真空中等于2.99792×1010?1cm?s。按照量子理论，电磁辐射是光电子流。光的微粒性可以用每个光量子具有的能量E作为表征。它与频率和波长的关系是：重庆大学硕士学位论文6cE=h=h（2.2）式中E为光子的能量，以尔格（erg）为单位；h为普朗克（Planck）常数，等于6.6256×的电磁波照射分子，而该分子的较高能级与较低能级之间的差?E恰好等于h时，在微观上分子由低能级跃迁到高能级，而在宏观上则表明透射光的强度减小。若采用一连续的辐射电磁波照射分子，将照射前后光强度的变化转变为电

9、信号，并记录下来，就可以得到光强度的变化对应于波长的关系曲线即分子吸收光谱，如图2.2所示。1绪论7图2.2氯气分子的吸收光谱fig 2.2 the chlorine absorption spectrum重庆大学硕士学位论文8atI=I+I0透过光的强度tI与入射光强度0I之比称为透光率或透光度，用T表示0IIT =t介质的透光率越大，表示它对光的吸收越小；透光率越小，表示它对光的吸收越大。当一束强度为0I的平行单色光垂直照射到长度为b的介质层时，由于介质中的吸光质点（分子或离子）的吸收，通过介质后强度减弱为I，设想将介质层分成厚度为无限小的相等薄层db，并设其截面积为S，则每一薄层的体积d

10、V为Sdb。又设此薄层介质中吸光质点数为dn，照射到薄层介质上的光强度为bI，光通过薄层介质后，强度减弱d I，则d I与dn成正比，也与bI成正比，即dIkIdnb?=（2.3）负号表示光的强度减弱，k为比例常数。设吸光物质的浓度为c，则上述薄层介质中的吸光质点数为dnkISdbb=（2.4）k与浓度、面积及长度所取单位有关。式中S是光束的截面积，对于一定的仪器来说它是一定值。将式（2.4）代入（2.3）中，合并常数项，得到dIkIcdbb?=（2.5）将（2.5）式积分后得到=?IIbbdIkIcdb00=?IbIbkcdbIdI00kbcII=?0lnbcKbckII=2.30log 0

11、（2.6）式（2.6）中，II0log称为吸光度A，它与介质的透光率的关系为ITIA1=log 0=log（2.7）由式（2.6）和（2.7）得到A=Kbc（2.8）式（2.8）是朗伯-比尔定律的数学表达式。其物理意义为：当一束单色光通过含有吸光物质的介质后，介质的吸光度与吸光物质的浓度及吸收层的厚度成正比。和2两种波长的光，强度分别为01I和02I，它们在总的光强度中所占的分数分别为1f和2f，即0110I=fI，0220I=fI它们通过光的强度分别为1I和2I，于是总透过光强度为12I=I+I根据朗伯-比尔定律的指数关系式bcII?=100，两波长相应的摩尔吸光系数为重庆大学硕士学位论文1

12、01和2，则bcbcIII1210100102?=+=+根据定义loglog(1010)12120bcbcffIIA?+=（2.10）若入射光为单色光时，则有=12，这时（2.10）变为bdcdA=这时标准曲线的斜率为一定值（b），即吸光度与吸光物质浓度呈线性关系，遵守朗伯-比尔定律。如果12，吸光度对浓度的变化率就不是一个常数，标准曲线就不再是一条直线而要发生弯曲。其弯曲的方向可从吸光度的二次微分求得。如果吸光度对浓度的二次微分等于零，那么标准曲线仍然是一条直线；如果二次微分小于零，标准曲线向下弯曲；如果二次微分大于零，标准曲线向上弯曲。为此，将（2.10）对浓度c再求一次微分得到：bcbc

13、bcffffbdcdA121210102.303()10122()1221222?+?=?（2.11）由（2.11）可知，由于式中1f、2f、1、2、b及c等都为正值，所以方程式右边恒为负值，故标准曲线在浓度增大时向横轴弯曲导致负偏离；并且1与2相差越大时，曲线弯曲得越厉害。选用的波长范围越窄，即单色光越纯，1与2就越小，标准曲线的弯曲程度就越小。（2）非平行光或入射光被散射引起的偏离若入射光不垂直通过吸收池，就会使通过吸收介质的实际光程大于吸收池的厚度，但这种影响较小。散射光是指仪器内部不通过试样而达到检测器，以及在单色器通带范围不被试样吸收的额外光辐射。它主要是由于灰尘反射以及光学系“单色

14、光”。因此与光电比色法相比具有以下优点20：u由于入射光是纯度较高的单色光，所以可以得到精确、细致的吸收光谱曲线。只要选择最合适的测定波长，则可使偏离朗伯-比尔定律的现象减少，使标准曲线的线性范围扩大。u由于可以任意选择某种波长的单色光，故在一定条件下，利用吸光度的加和性，可以同时测量待测试样中的两种或两种以上的组分。u由于入射光的波长范围扩大了，故许多无色物质，只要它们在紫外和红外区域有吸收峰，都可用分光光度法进行测定。常用的定量分析方法有以下几种20。（1）差示分光光度法分光光度法主要用于测定试样中的微量组分，当待测组分含量较高时，吸光度如果超出了准确测量的范围，则会产生很大的误差，利用差

15、示分光光度法就可1绪论13克服这一点。差示分光光度法是采用比试样浓度稍低的标准样品作为参照，来测量试样的吸光度，然后根据标准样品的浓度计算试样的含量。设标准样品的浓度为sc，待测试样的浓度为xc，且xsc>c。根据朗伯-比尔定律：ssA=bc，xxA=bcAAAbccbcxsxs?=?=(?)=?如果用标准样品作参比调零（透光率100%），测得的试样的吸光度则为试样与标准样品的吸光度之差，即相对吸光度?A。由上述可知，两者吸光度之差与浓度差成正比。这就是差示分光光度法的基本原理。用?A对?c作图可得到一条工作曲线，于是就可根据测得的?A查得相应的?c的值，则cccxs=+?。差示分光光度

16、法能够提高测定结果的准确度，其原因是提高了测量吸光度的准确度。假设在差示光度法中作参比的标准样品在普通的光度法中其透光率为10%，而在差示法中将其视为100%（A=0），这就意味着仪器的透光率标尺扩展了十倍。如待测试样的透光率原为5%，则用差示法测量时将为50%，于是将测量误差减为最小，从而提高了?c的测量准确度，使计算出的xc准确度也提高了。（2）双波长分光光度法若采用经典的分光光度法进行多组分混合物的定量分析，以及进行混浊试样或其它背景吸收较大的试样的测定时，都会遇到很大的困难，但如果采用双波长技术，则不仅可以克服这些困难，而且可以提高测量的灵敏度和选择性。其基本原理：从光源发射出的光，分

17、别经过两个可以调节的单色器，得到两束不同波长的的单色光1和2，并使这两道光束分别交替通过同一吸收池（室），然后记录它们的吸光度的差值?A。开始时，使交替照射的两道单色光1和2的强度都为0I，透射光的强度分别为1I和2I，那么在波长1处有下列关系sAbcAII?=+11log()01式中sA为光散射或背景吸收。同理，在波长为2处有如下关系sAbcAII?=+22log()02假设两个波长1和2相近，上述两式中的sA可视为相等。则透过吸收池（室）的两道光束的光强度信号差为AAAbcIIlog()()212112?=?=?=?（2-15）重庆大学硕士学位论文14该式表明：待测试样在两个波长1和2处的

18、吸光度的差值，与待测试样中的物质浓度成正比，这就是双波长测量的依据。在单组分试样测量中，其测定波长1和2则透光率的负对数是待测物浓度的函数：?logT=Kc对于给定的测量系统来说，透光率的读数误差?T可视为固定的，测定结果的精度常用浓度的相对误差()c?c来表示。由于A=Kc根据误差传递公式得?A=K?c所以AAcc?=?而A与T是指数关系，因此同样大小的?T在不同的透光率时所引起的浓度误差?c是不同的，这可从透光率与浓度的关系曲线（图2.5）上看到。在浓度很低时，?T>?c，虽然?c很小但c也很小，故相对误差是比较大的；在高浓度范围内，?T<?c，虽然c较大但?c也较大，所以相对

19、误差的值也是比较大的；而在中间浓度范围内，?T?c，?c不太大，但c又不太小，所以相对误差较小。因此，只有在一定浓度范围内，也即在一定的透光率范围内，测量误差所引起的测定结果的相对误差才是比较小的。1绪论15图2.5透光度与浓度的关系fig 2.5 the relation of the light penetrate ratio and strength透光率在什么范围内具有较小的测量误差，可通过下面的推导求得A=?log(T)将此式对T取微分，得dA=?d(log T)=?(loge)d(lnT)=?0.434d(lnT)dTT0.434=?为求得吸光度的相对误差，用A除等式两边dTTTd

20、TATAdA)log0.434)(0.434=?(=根据朗伯-比尔定律，浓度的相对误差为dTATTdAcdc)log0.434=(（2.16）此式说明，浓度测量的相对误差不仅与测量系统的读数误差（dT）有关，而且与待测试样的透光率有关。表3.2列出了在不同的读数误差和不同的透光率时的浓度测量误差22。由表3.2看出,百分透光率很大或很小时,相对误差都较大,但在百分透光率为80%-10%的范围内(即吸光度在0.11的范围内),浓度测量的相对误差是比较小的.对于精度高的系统,当吸光度在0.20.7(百分透光率约为65%-20%)时,测量误差约为1%。测量误差的最小值，必然对应着一定数值的吸光度和透

21、光率，这就需要求极值。为使测量误差最小，那么式（2.16）中的T logT应该取其最大值，令它对T的微分值为零，即(TlogT)=0dTd重庆大学硕士学位论文16表3.2不同透光率时的浓度测量关系Table 3.2 the relationship of different light penetrate ratioT（%）95 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5dT=0.01 20.5 10.6 5.6 4.0 3.26 2.88 2.73 2.77 3.11 4.34 6.7(%)cdcdT=0.005 10.3 5.3 2.8 2.0 1.62 1.44 1.37

22、1.39 1.56 2.17 3.340ln10(ln)log=“最大吸收原则”。二是控制准确的读数范围，吸光度控制在0.20.7的范围内，测量的准确度就较高。2.4本章小结本章介绍了物质吸收产生的原理，介绍和推导了物质光吸收定律，介绍了物质光吸收定量测定方法，分析了偏离Lambert-Beer定律的因数，并对采用双波长吸收分析法的误差进行了分析论证，提出了减小测量误差的方法。1绪论173 GSM网络及其数据业务由于本系统是利用了GSM网络的相关技术,因此本章将GSM系统相关知识进行介绍。3.1概述GSM是原泛欧数字移动通信系统的简称，GSM原意为“移动通信特别小组”（Group Specia

23、l Mobile），是欧洲邮电主管部门会议（CEPT）为开发蜂窝移动系统而在1982年成立的机构。1987年欧洲15个国家的电信业务经营者在哥本哈根签署了一个谅解备忘录（Memorandum of Understanding，简称MOU）。它是关于原泛欧洲900MHZ数字蜂窝移动通信标准备忘录。随着移动通信设备的研制与开发及数字蜂窝通信网络的建立，GSM就逐步成了欧洲数字移动通信系统的代名词。欧洲的专家们将GSM重新命名为“Global System for Communications”从而使其变成了“全球移动通信系统”的简称24。GSM移动通信技术自20世纪80年代大规模投入应用以来，经过

24、多年的发展已呈现出日趋繁荣的局面，大大地改变了人们的生活。由于作为公网的GSM网络具有覆盖面广、网络能力强的特点，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵建网费用和维护费用；同时，它对用户的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大，维护费用高，且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。利用GSM短消息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程监控设备的通信提供了一个强大的管理支持平台。下面将对GSM网络及其数据业务进行系统地介绍。3.2 GSM网络的构成根据移动通信网的构成和完成的功能，GSM系统可分为下述分系统：交换分系统（MSS）；基站分系统（

25、BSS）；移动台（MS）和操作与维护分系统（OMS）。实际上，它包含了从固定用户到移动用户（或相反）所经过的全部设备，如图2.1所示25。（1）移动换分系统（MSS）：包括移动交换中心（MSCMobile ServiceSwitching Center）和存储用户数据及移动管理信息的数据库，即归属位置寄存器重庆大学硕士学位论文18（HLRHome Locate Register）、拜访位置寄存器（VLRVisitor LocationRegister）、认证（鉴权）中心（AUCAuthentication Center）及设备标志寄存器（EIREquipment Identification

26、Register）。图3.1 GSM网络的组成fig 3.1 the structure of GSM network（2）基站分系统（BSS）：BSS包含GSM数字移动通信系统中无线通信部分的所有地面基础设施，通过无线接口直接与移动台实现通信连接。BSS具有控制功能与无线传输功能，完成无线信道的发送、接收和管理。它由基站控制器和基站发信台两部分组成。（3）移动台（MS）：MS是用户设备。移动台包括移动终端MTOMobileTermination，它实际上是无线收发信机和人机接口（送、受话器、键盘和显示屏等）设备（还包括终端设备TETerminal Equipment，例如三类传真机或个人计算

27、机）以及终端适配器TATerminal Adapter，它是连接MT和TE不可缺少的部分，已有专用适配器供使用。根据功能分，移动台有3种：第一种是只具备某种业务功能，例如只能通话的手持机；第二种是移动台带有的适配器，可连接特定的终端设备；第三种是移动台可提供ISDN接口，再通过ISDN终端提供各类业务。移动台是用户直接操作的设备，要涉及到用户的注册和管理。移动台靠无线接入进行通信，线路不固定，因此它必须具备用户的识别号码。GSM系统是采用用户识别模块SIMSubscriber Identity Module方式，将模块做成信用卡的形式。SIM卡中存有用户身份证所需的信息，并能执行一些与安全保密

28、有关的信息，以防非法用户进入网内。同时，它还能存储关于网络和用户的管理数据，移动设备只有插入SIM卡后才能进网使用。（4）操作与维护分系统（OMS）：对于GSM这样一个复杂的系统，操作与维护是必不可少的。由于操作与维护并非是GSM网专有的性能，所以GSM数字移动通信技术规范没有对它作详细说明。操作与维护管理的目的是使网络运行者能监视和控制整个系统，把需要监视基带单元从话音或数据的输入到调制器前的设备称为基带发信设备，从解调器输出到受话器或数字接口称为基带收信设备。发端：话音通过送话器到A/D，经8kHz采样，每次的采样值采用13bit均匀量化编码，其速率为104kbit/s，经话音编码器输出为

29、13kbit/s。对数据来说，经数字接口到码速适配器，它的输出也为13kbit/s，然后加到信道编码器。话音或数据到信道编码器前都为13kbit/s，后面的通路也一样。数据经信道编码以后变为22.8kbit/s，然后经加密处理，到TDMA帧形成。因为每一个用户只占一个时隙，所以帧形成电路将22.8kbit/s信号变成一个突发数据（Burst），其速率变为270kbit/s，这就是TDMA帧数据流，最后送到调制器。接收端的过程与此相反，只是多了一个均衡器。射频单元射频单元包括调制与解调在内的收发信部分、天线的合成器、时基与频率合成器。从TDMA帧来的270kbit/s数据信号，经高斯最小频移键控

30、（GMSK）调制后，送往上变频器，输出信号经功放送到天线，最后向外发送，发送的频率为重庆大学硕士学位论文20890-915MHz。来自天线的射频信号的频率范围为935960MHz，经低噪声放大器到图3.2移动终端的结构图fig 3.2 the structure of mobile terminal下变频器，输出为70MHz的中频信号，经解调输出为数据流。因为信号来自基站，一个频率上有多个信道，只有一个时隙对应该移动台的信号，所以需要信道分离装置，进行信道分离。由于收信与发信不在一个时隙，即不同时间，所以不需要共用的双工器，取而代之的是简单的合路器，将发信和收信组合到一根天线上而不相互干扰。频

31、率合成器受时基电路控制，可获得基准频率源，再采用锁相技术实现频率合成。移动台在一个小区内使用分配器给它一组频率，当它移到另一个小区时频率要改变，MS收到指令后，通过频率合成器自动将频率变到新小区的新频率上。1绪论21有关的信息。SIM卡应符合ISO7816标准，该标准准确地规定了机械和微电路卡的功能。SIM卡通过与网络发送的短消息相结合，提供了一些重要的功能，即确定了每个营运者的特殊服务。（1）安全特性SIM卡内有一定数量的安全字符。SIM卡具有一个密钥集，用以保证不同介入者的个性安全（制造商、营运者、个人等）。SIM卡还有密钥和GSM专用的验证算法，它用了48个数字密码，称之为CHV1和CH

32、V2。CHV1码（Card holderVerification 1）用于确定用户身份，以个人身份码PIN（Personal Identity Number）来表示。CHV2号码指出身份的附加部分，如营运商的信息等。当使用者输入了一定的错码时CHV被阻塞。阻塞就是将SIM卡置于禁止激活状态。只有通过CHV解阻塞密钥才能解除。（2）内部结构SIM卡是围绕着处理器组织的。它包括了几种存储器28：l ROM，典型的容量为16k字节，含有卡的开发系统，其算法A3和A8是专用的。l EEPROM，典型的容量为8k字节，它包含了全部的GSM规范定义域和与专有使用有关的数据。l RAM，典型的容量是数百字节

33、。（3）SIM卡的数据结构SIM卡的根目录MF包含了EF、卡片中的序列号、与通信服务有关的信息编组目录（缩位号码表、最后合成号码、收或发的最后一条短消息等）以及与GSM有关的数据目录（国际移动用户身份IMSI、优先语言、优先序列的PLNM网表、定位范围等）。（4）电接口一个卡有八个电接点，如图3.3。在正常工作情况下耗电约10mA。电压一般在3V左右。时钟信号是移动终端提供的，频率在1MHz5MHz之间，典型值为3.579545MHz。一个接点可以在终端和SIM卡之间交换数据，速率是时钟频率的C1供电C2重新启动C3时钟C6编程C7数据出入口图3.3 SIM卡的电接点fig 3.3 the S

34、IM card electrical connect point1绪论23该PLMN应为SME（Short Message Entity）所指定。在移动台之间转移短消息，SME可能是一台服务器、一台微型计算机或是一个GSM终端。SME由它在网络中的地址来确定，这个地址有可能是一个电话号码E.164、X.25型地址（由ITU确定的X.121规划）或是一个私人号码规划地址。短消息服务需要在网络中安排一台或若干台专用服务器。这个短消息服务器可称为短消息中心SC（Service Center），其任务就是存储和重发短消息，直到收件人确认收到短消息。在phase2+中，可以在SIM卡和服务器之间交换信息

35、。在这种情况下，移动台满足于替换下没有解释的消息。在SIM卡上有远程承载数据或要求激活SIM卡。（2）短消息的层结构及其协议物理层、数据链路层以及RR（无线资源管理）和MM（Mobility Management）网，均用于呼叫管理。CM（Connection Management）层是专用于短消息的，但在特殊情况下，还要涉及到CM层以上。应用层SM-AL（Short-Message Application Layer）位于移动台和SME中。这些层的实体产生和解释了短消息。传输层SM-TL（Short-Message Transport Layer）实现移动台和SC服务器之间消息的可靠传送，并

36、管理信息的编码格式（字节、字符等）。中继层SM-RL（Short-Message Relay Layer）允许短消息通过存储和重发转移于不同的设备之间。它包括一些协议的集合：协议SM-RP（Short-message RelayProtocol）允许终端和VMSC-VLR之间会话，它管理着一些参考标准和寻址方式；协议MAP（Mobile Application Part）用于VMSC-VLR之间和SMS-IWMSC之间或者VMSC-VLR和SMS-GMSC之间。短消息控制协议（SM-CP），如图3.4，这是用于移动终端和短消息中心的协议，由三种消息类型组成一个指令/响应过程。由于它们是最基本的

37、“发等待”操MS和MSC之间短消息流程Fig 3.4 the short message flow between MS and MSC作，所以彼此之间不需要额外的协调参考。CP-DATA消息用于承载上层信息，这CP-DATARP-消息CP-ACKCP-错误重庆大学硕士学位论文24个消息不必一定是短消息，也可以是确认或错误报告等内容。SM-CP协议的每个消息都包括一个用于短消息的协议鉴别器和一个事件标识。MS利用事件标识能够在同一时刻并行管理几个短消息事件。短消息中继协议（SM-RP）也是在MS和MSC之间传递。它是MS和SM-SC之间网络功能协议的组成部分，其功能是管理参考和编址。(3)发送

38、短消息短消息的发送过程在MSC、VLR和HLR之间仅仅参与了MAP协议，因此它不需要预定的话音电路。在移动台之间的会话是由CM层的SMS层管理的。移动用户在发送短消息时，应指明最终收件人地址（SME）和SC服务器的地址。移动传输实体按至多140字节的块的形式编码短消息，把收件人的地址置于TL传输层的PDU中。借助CP层和以下的各层，PDU数据被发送到VMSC-VLR。VMSC-VLR解开数据包，以便重新找到收件人的SC号码，并在消息MAP-FORWORD-SHORT-MESSAGE中重新安置TL层的PDU。在可能时，SC向SME发送消息，当有效地接收到消息时能产生一个给移动台的新消息，以便告诉

39、SME接收良好。（4）接收短消息短消息可通过多种途径传送到短消息业务中心，再从SM-SC发出后，经过SMS-GATEWAY，经查询HLR（归属位置寄存器）获得MS的地址，将消息送到MSC（移动业务交换中心），最后到达MS。当SM-SC要向GSM移动用户发送短消息的时候，要建立“SM-TP，SMS-DEILVER”消息。它包括用户消息的内容、原发者的识别符号及短消息业务中心收到短消息的时间等一组信息。此消息还能利用底层规约提供的能力向SM-SC返回确认信号。3.5本章小结本章对GSM网络的概况和基本结构进行了介绍，同时介绍了GSM相关的数据业务的类型和实现的途径。工业现场检测装置进行数据采集，然

40、后按照双波长吸收分析的数学模型进行数据处理、计算和修正，获得氯气的浓度值。获得的氯气浓度值通过GSM收发电路将数据按以下格式传送到监测中心的计算机。前导码数据结束码检测点编号浓度值校验和#监测中心计算机通过GSM网关获取数据并进行显示，每隔半个小时对数据刷新。可以通过系统管理软件随时访问各个检测点的检测数据，同时提供趋势分析。系统软件建立数据库，对各点传回的数据进行存储，建立以小时为单位的氯气含量数据库，提供按日月年排列的检测数据报表，提供对数据的查询和分析。数据采集控制模块氯气浓度计算模块GSM通信软件模块报警和异常处理模块远程检测点传送浓度的数据或报警信息的监听对检测点回传数据进行分析各检

41、测点回传数据图形化显示重庆大学硕士学位论文28数据的存储管理和打印1 GSM通信模块随时处于监听状态，响应检测装置发送来的数据，同时可以下传命令和数据。2数据分析模块对接收到的浓度数据做简单的趋势分析，求出给定时间内的最大值和最小值，判定监测点在一定周期内的氯气排放是否符合国家标准，并给出警告信息。3显示模块将收到的浓度数据以彩色棒图的形式显示在计算机屏幕上，同时显示检测点的编号和浓度数据。也可显示给定检测点、给定周期内的趋势曲线图。4数据管理模块数据记录有两种形式：一种是以数据文件（文本文件）方式保存数据；另一种是以ACCESS数据库形式保存数据，提供数据库的基本维护的功能。同时提供将文本文

42、件数据导入到数据库，以及将数据库数据导出到文本文件中的功能。重庆大学硕士学位论文30(3)WM_COMM_ERROR：由读/写线程发送。读/写线程在通信过程中发生错误时发送此消息给主线程，主线程挂起相应线程直至通信错误事件处理完毕。主线程在运行时与写线程共享串行端口发送数据的内存单元，其共享的数据由CriticalSection临界区对象来保护。写线程在对共享数据进行访问前先申请对临界区的所有权，访问完成后释放所有权退出临界区状态，主线程在此期间不能修改共享数据，只能等待写线程临界区状态结束后才可访问共享数据；同样，主线程修改串口发送数据时也由主线程临界区对象加以保护。4.4本章小结本章对基于

43、GSM网络的有害气体远程监测系统进行了总体结构和功能设计，对工业现场的检测系统和GSM通信系统进行了结构和功能上的设计，并对监测中心的监测软件进行了总体设计。?=llIIIIcln()ln()()121020112IIIIc?=的关系31exp()0I=I?cl+l+l+（5.1）式中,I,I0分别是透射和入射光强；是一定波长下的单位浓度、单位长度被测气体的吸收系数；是瑞利散射系数；是米氏散射系数；是气体压力波动造成的吸收系数；l是待测气体与光相互作用的长度；c是待测气体的浓度。由式（5.1）可以看出，仅仅采用吸收中心的波长来测定气体的浓度是很困难的。因为仅是一个平均数，它是随时间变化的，并且

44、是一个随机数。因此，可以选用两个滤光片1和2，使它们的波长分别在氯气分子的最大吸收中心波长和非吸收中心波长。下面进行说明。设两束单色光在较短的时间内通过采样气室，则待测物的浓度为（5.2）式中,脚标1、2分别是与1、2对应的参数。由于两束光通过采样气室的时间差较短，因此可以认为12，12，12。这样，式（5.3）就可简化为（5.3）在波长1、2下,气体的吸收系数1、21绪论33电子被阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。光电倍增管的构成

45、光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。图5.2典型的光电倍增管示意图fig 5.2 typical PMT sketch map光电倍增管的主要参量与特性32光电倍增管的主要参量与特性是区分管子质量好坏的基本依据。分为基本参数（静态参数）、应用参数（动态参数）、运行特性（例行特性）。基本参数与管子工作原理、结构特征、材料性质、制造工艺有关。它包括灵敏度、量子效率、增益、暗电流、光谱响应等。运行特性与管子运行条件、运行环境有关。它表征管子承受的外部条件和使用极限，包括稳定性、温度特性、最大线性电流、抗电磁干扰特性、抗冲击振动特性等。（1）灵敏度倍增管灵敏度

46、有阴极灵敏度与阳极灵敏度之分。每一种灵敏度对于入射光又都有光谱灵敏度（对于单色光）与积分灵敏度（对于多色光或全色光）之分。测试阴极灵敏度时，以阴极为一极，其它倍增极和阳极都连到一起为另一极，相对于阴极加100300V直流电压，照射到光电阴极上的光通量约为10-210-5lm。测试阳极灵敏度时，各倍增极和阳极都加上适当电压，因为阳极灵敏度是整管参量，与整管所加电压有关，所以必须注明整管所加电压。积分灵敏度与测试光源的色温有关，一般用色温为2856K的白炽钨丝灯（A光源）。色温不同时即使测试光源的波长范围相同，各单色光在光谱分布中的组分不同时，所得的积分灵敏度也不同。（2）电流增益M阳极电流与阴极

47、电流之比，或阳极灵敏度与阴极灵敏度之比，即重庆大学硕士学位论文34M=IA/IK=SA/SK(5.4)若倍增管有n个倍增极，并且每个倍增极的倍增系数均相等，则Mn(5.5)因为是电压的函数，所以M也是电压的函数。表5.1光电倍增管的主要参量与特性table 5.1 the main parameter and feature of PMT灵敏度公式说明阴极阴极光谱灵敏度SK()=IK/灵敏度阴极积分灵敏度SK=IK/阳极阳极光谱灵敏度SA()=IA/灵敏度阳极积分灵敏度SA=IA/S：灵敏度：波长I：光电流1绪论35间的关系）与阳极伏安特性曲线（阳极电流与阳极和最末一级倍增极之间电压的关系）。

48、在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线(如图5.4)来进行负载电阻、输出电流、输出电压的计算。（5）暗电流在各电极都加上正常工作电压并且阴极无光照情况下阳极的输出电流。它限制了可测直流光通量的最小值，同时也是产生噪声的重要因素，是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管子。光电倍增管中产生暗电流的因素较多，例如，阴极和靠近于阴极的倍增极的热电子发射；阳极或其它电极的漏电；由于极间电压过高而引起的场致发射；光反馈以及窗口玻璃中可能含有的少量的钾、镭、钍等放射性元素蜕变产生的粒子，或者宇宙线中的介子穿过光窗时产生的契伦柯夫光子等都可能引起暗电流。（6）噪声与噪声等效功率光电倍增管噪声主要是指由

49、倍增管本身引起的偏离于平均值的输出起伏，主要来源是光电阴极、光电发射的随机性和各倍增极二次电子发射的随机性，同时也与背景光或信号光中的直流分量有关。噪声等效功率（NEP）表述倍增管阳极信号与噪声有效值之比，当其等于1时，入射于倍增管光电阴极的光功率（通量）的有效值。即IA/InA=1时，NEP=InA/SA它是倍增管可能探测到的信号光功率（通量）的最小值。光电倍增管的使用（1）供电电路倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级的电压要依次升高，一般多采用电阻链分压办法来供电。一般情况下，各级电压均相等，约80100V，总电压约10001300V。（2）电源电压稳定性的要求电源电压稳定性要求较高

50、。如果电源电压不稳，会引起许多参量的变化，特别是电流增益变化，从而直接影响输出特性。目前已有光电倍增管专用的电源稳压块。（3）电阻链分压电阻的确定若电阻链为均匀分压，则每个分压电阻的阻值应相等。因倍增管中的电流与电阻链中的电流是并联关系，要保证阳极电流最大时流过电阻链的电流基本不变，这就要求流过电阻链的电流IR至少要比阳极最大的平均电流IAm大10倍以上。一般说，IR越大（即R=UD/IR越小）对稳定极间电压UD越有利。但IR也不能太大，因为IR太大会增大电阻的功耗，加重电源负担。当UD给定后，分压电阻R的最大值光电倍增管的微变等效电路及其工作参数的确定35从倍增管阳极伏安特性曲线来看，光电倍

51、增管可以看成是一个恒流源。并且最大光通量所对应的曲线拐点以右，基本上是平直均匀分布的，一般使用倍增管也都是利用这一区域的特性，因此在交流微变电路中可以把倍增管看成是电流源。恒流源型光电检测器件的伏安特性是一组以输入光照度E或光通量为参量的曲线组。在工作电压较小的范围内曲线呈弯曲的趋势，并且有一转折点M，工作电压加大后曲线逐渐平直。随输入光通量的改变，各曲线间逐渐近似平行，间距相等。这种随器件端电压增大输出电流变化不大的性质称恒流源特性。将图5.4中所示光电倍增管的伏安特性和晶体三极管集电极特性相比较，其形状类似，只是光电倍增管的光电流是由输入光功率控制而晶体三极管是由基极电流控制。这表明，可以

52、采用与晶体管放大器相类似的方法对恒流型光电器件进行分析和计算。利用如图5.9所示的折线化伏安特性，它实际是非线性伏安特性的分段折线化，近似画法视伏安特性形状而异，通常是在转折点M处将曲线分作两个区域。在图5.9 a的情况下是作直线与原曲线相切；在图5.9b情况下是过转折点M和原点O连线，得到折线化特性的非线性部分，再用一组平行的直线分别和实际曲线的恒流部分逼近，得到折线的线性工作部分。a折线化一b折线化二c等效电路图5.9伏安特性的分段折线化和微变等效电路fig 5.9 the subsection line and conversion equivalent circuit折线化伏安特性可用

53、下列参数确定：a）转折电压U0：对应于曲线转折点M处的电压值。b）初始电导G0：线性区近似直线的初始斜率。c）极间漏电导G：线性区内各平行直线的平均斜率。1绪论39d）光电灵敏度S：单位输入光功率所引起的光电流值。设输入光功率为P，对应的光电流为Ip，则有PISp=(5.6)式中的光功率P可以是光通量，也可以是光照度E。光通量和照度之间的关系为AE(5.7)式中，A为光敏面受光面积。利用折线化的伏安特性，可将线性区内任意Q点处的电流值I表示为两个电流分量的组合，即正比于光电倍增管的极间电压U、由漏电导形成的无光照电流（暗电流）Id和与极间电压无关仅取决于输入光功率的光电流Ip。因此，在线性区内

54、的伏安特性可以解析地表示为I=fU=I+I=GU+Sdp(,)(5.8)当输入光通量在确定的工作点附近作微量变化时，只需对上式作全微分即可得到微变等效方程为?=?+?+?=dgdUsdIdUUIdI(5.9)式中，UIg?=是微变等效漏电导，?=Is是微变光电灵敏度，它们是伏安特性的微变参数。在输入光通量变化范围minmax为已知的条件下，计算输入电路的工作状态可按下列步骤进行。（1）确定线性工作区域由对应最大输入光通最max的伏安曲线弯曲处即可确定转折点M，相应的转折电压U0或初始电导值G0可由图5.10中图示关系决定。在线段MN上有关系000maxGU=GU+S(5.10)由此可解得/()

55、0max0U=SG?G(5.11)或0max0G=G+S/U(5.12)上式给出了折线化伏安特性四个基本参数U0、G0、G和S间的关系。（2）计算负载电阻和偏置电压为保证最大线性输出条件，负载线和与max对应的伏安曲线的交点不能低于转折点M。设负载线通过M点，此时由图5.11中的图示关系可得重庆大学硕士学位论文40000(UU)GGUbL?=当已知Ub时，可计算出负载电导（阻）GL（RL）为0max0max000U(1G/G)S/GSUUGUGbbL?+GG通常GGL>>，上式可简化为?I=(?)=S?maxmin(5.15)由上式可以看出输出的电流的变化与光通量的变化成正比。前置

56、放大电路的设计对于光电倍增管的前置放大器的设计，一般有两种方式：一是采用电流放大器，二是采用电压放大器。电流放大器一般输入阻抗比较低，如图5.12a所示是典型的电流放大器的应用。设输入阻抗为inZ，那么整个电路的输入阻抗为：Z=R/(A+1)inf(5.16)式中A是放大器的开环放大倍数，fR是反馈电阻。()/()max00USGGGGGbLL=+?1绪论41a b图5.12两种前置放大电路fig 5.12 two type of preamplifier当A104，Rf100k时，Zin10。可以认为电路输入短路工作状态能得到近于理想的短路电流。处于电流放大状态的运算放大器，其输出电压Uo与

57、输入短路光电流成比例，并有U=IR=RS0scff(5.17)即输出信号与输入光通量成正比。图5.12b是电压放大型IC检测电路，电压放大器的漏电流比光电流小得多，具有很高的输入阻抗。由此可以得到与输入光电流成比例的输出信号，即U=R+RR?I=A?SLsc(1/)021(5.18)式中，ARL(R2+R1)/R1是该电路的放大倍数。由此可见输出电压同样与输入的光通量成正比。电流放大器因输入阻抗低而响应速度较高，并且放大器噪声较低，信噪比较高。这些优点使其广泛应用于弱光信号的检测中，如光子探测等。其弱点是在光信号较强时容易导致饱和，价格较为昂贵，专门用于电流放大的放大器较少。而电压放大器，成本非常低