（檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)論文）基于gprs的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與研究.pdfVIP

摘要 隨著社會的發(fā)展，電梯作為現(xiàn)代高層建筑最常用的垂直運輸工具，已經(jīng)廣 泛而大批量應用到城市建筑的各個角落，而如何保證每臺電梯都能夠可靠運行， 及時發(fā)現(xiàn)故障和排除故障，已成為提高物業(yè)管理水平和電梯技術(shù)進步的關(guān)鍵所 在。電梯運行質(zhì)量直接由監(jiān)控系統(tǒng)的功能決定，而監(jiān)控系統(tǒng)的功能的又隨著計 算機控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展而不斷提高。目前的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)均 由電梯生產(chǎn)廠家設(shè)計和提供，未來的發(fā)展趨勢是開發(fā)出功能更加完善、通用性 更強、性價比更高的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。 隨著遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，基于6 p r s 網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)逐漸 被廣泛應用。本文結(jié)合了移動通訊技術(shù)、i n t e r n e t 技術(shù)、嵌入式技術(shù)，實現(xiàn)了 基于移動6 p r s 的多點無線遠程監(jiān)控，設(shè)計了一種全方位、廉價、可靠的解決方 案。 本文首先論述了6 p r s 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合i n t e r n e t 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，分 析了五種不同的組網(wǎng)方案，并依據(jù)實際情況，設(shè)計了基于6 p r s 技術(shù)的電梯遠程 監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。 ， 其次，認真研究了終端的功能需求，并給出了合理的規(guī)劃設(shè)計。詳細分析 了應用單片機c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，選用m e 9 96 p r sd t u 通信模塊為核心的硬件設(shè)計，實 現(xiàn)了硬件系統(tǒng)中的各個功能模塊。重點研究了g p r s 模塊的功能，用a t 指令實 現(xiàn)i p 模塊和g p r s 模塊相關(guān)設(shè)置，實現(xiàn)短消息的收發(fā)，完成g p r s 模塊撥號上網(wǎng)、 建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。并且，通過對g p r s 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的分析，基于監(jiān) 控終端為平臺，設(shè)計了數(shù)據(jù)采集終端應用程序，分析了終端工作的具體過程， 實現(xiàn)了電梯運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和終端與監(jiān)控中心的通訊。 最后，采用v i s u a lc + + 面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，完成了電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的 上位機軟件設(shè)計，具體包括登錄權(quán)限模塊、實時監(jiān)控模塊、電梯數(shù)據(jù)的維護和 故障的記錄查詢。實現(xiàn)了電梯運行狀態(tài)和故障的動態(tài)顯示，電梯用戶信息、故 障處理的數(shù)據(jù)庫管理。然后對電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展進行了展望。 關(guān)鍵詞：電梯，遠程監(jiān)控，g p r s ，遠程終端，監(jiān)控中心 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , a st h em o s ti nc o m m o nu s ep e r p e n d i c u l a r c o n v e y a n c et o o lo ft h em o d e mt h ek e yf i g u r e sc o n s t r u c t ，t h ee l e v a t o ra l r e a d yh a s b e e na p p l i e dt ot h ee a c hc o r n e ro ft h es o c i a la c t i v i t ye x t e n s i v e l y b u tt h ea m o u n t o fl a r g e q u a n t i t ya p p l 5 h o wg u a r a n t e et h a te a c hs e te l e v a t o r sc a nr u n d e p e n d e n t l y ，h a v eb e c o m et h ek e yt h a t r a i s ee s t a t e m a n a g e m e n tl e v e la n do u r c o u n t r y sp r o g r e s s i v eo ft h ee l e v a t o rt e c h n o l o g y t h ef u n c t i o no ft h em o n i t o r i n g s y s t e ml i e so nd i r e c t l yt h em o v e m e n t b u ta st h ec o m p u t e rc o n t r o lt e c h n i q u ea n d n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n st e c h n i q u ea r ed e v e l o p i n g t h ef u n c t i o no ft h em o n i t o r i n g s y s t e mi sr i s i n gc o n t i n u o u s l y t h ec u r r e n te l e v a t o rl o n gr a n g es u p e r v i s i o ns y s t e ma r e a l ld e s i g n e da n dp r o v i d e db yt h ee l e v a t o rp r o d u c e df a c t o r y , t h ef u t u r ed e v e l o p m e n t t r e n di st od e v e l o pas u p e r v i s i o ns y s t e mw h i c ht h ef u n c t i o ni sm o r ep e r f e c t ，g e n e r a l u s ei ss t r o n g e r , f u n c t i o np r i c ec o m p a r e si sh i g h e r 。 w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h el o n g r a n g et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yo ft h ed a t a ， w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni sa d o p t e de x t e n s i v e l ya n dg r a d u a l l y , a m o n gt h e mt h ed a t a b u s i n e s so fg r o u p i n gb a s e do ng p r sn e t w o r kh a sg o tt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n i n t h i st h e s i s ，w ei n t e g r a t ea d v a n c e d t e c h n o l o g i e ss u c h a sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ， i n t e r n e t ，e m b e d d e dt e c h n o l o g i e st o r e a l i z em u l t i - p o i n tc o n t r o lb a s e do nm o b i l e p l a t f o r m p r o v i d eac h e a p ，r e l i a b l es o l u t i o n t h i st e x td i s c u s s e ss t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l eo ft h eg p r sn e t w o r kf i r s t ， a n di n t e g r a t e si n t e r n e t t e c h n o l o g y , p u t t i n gf o r w a r df i v e k i n d so fd i f f e r e n tn e t f r a m e w o r k p u t t i n gf o r w a r dt o t a ls t r u c t u r eo fe l e v a t o rr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do ng p r sa c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc i r c u m s t a n c e s e c o n d l y , t h i st h e s i ss t u d i e st h ef u n c t i o nr e q u e s to ft h et e r m i n a lh a r d l y , a n d g i v e sr e a s o n a b l ep r o g r a m m i n gd e s i g n a n a l y z i n gt h a ts i n g l es c mc 8 0 5 1f 0 2 0i s a p p l i e d ，a n dt h eh a r d w a r ew h i c hc h o o s e st ou s et h ec o r r e s p o n d e n c em o l dp i e c eo ft h e m e 9 9g p r sd t ua sc o r ed e s i g n e d ，c a r r y i n go u te a c hf u n c t i o nm o l dp i e c ei n h a r d w a r es y s t e m t h ep o i n ti st h a ts t u d y i n gt h ef u n c t i o no fg p r sm o l dp i e c e ， c a r r y i n go u ti pm o l dp i e c ea n dt h er e l a t e dc o n s t i t u t i o no ft h eg p r sm o l dp i e c ew i t h i i t h ea t i n s t r u c t i o n c a r r y i n go u ts h o r tn e w st or e c e i v ea n ds e n d ，c o m p l e t j n gf u n c t i o n t h a tag p r sm o d u l et os t i rn u m b e rt og e tt ot h ei n t e r n e t ，b u i l du pc o n i u n c t i o n ，s e n d o u tad a t ae t c a n dt h r o u g ht h ea n a l y s i st h e t r a n s p o r tp r o t o c o l so fg p r sn e t w o r k a c c o r d l n gt om o n i t o r i n gt e r m i n a l ，d e s i g nt h ed a t ac o l l e c t i o n t e n n i n a la p p l i c a t i o n ， a n a l y z i n gc o n c r e t ew o r kp r o c e s so ft h et e r m i n a l ，c a r r y i n go u tt h ea p p e a r a n c ed a t a c 0 l l e c t i o no ft h ee l e v a t o rm o v e m e n ta n dt h e c o m m u n i c a t i o no ft h et e r m i n a la n d s u p e r v i s i o nc e n t e r a t l a s t ，t h et e x tb a s e dv i s u a l c + + l a n g u a g ea n dt h eo b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n gt h o u g h t ，t h es o f t w a r e d e s i g no f i n t e r n e tb a s e dr e m o t e e l e v a t o r m o n i t o r i n gs y s t e m i s c o m p l e t e d s y s t e mi n c l u d e sp e 瑚i s s j o nm o d u l e ，r e a l - t i m e m o n i t o r i n gm o d u l e ，d a t am a i n t e n a n c eo ft h ee l e v a t o ra n dt h eo b j e c to ff a u i tr e c o r d t h ef a i l u r ea n dt h e r u n n i n gs t a t eo fe l e v a t o r ss h o w e da u t o m a t i c a l lv t h eu s e r 1 n f o r m a t l o n ，t h er u n n i n gs t a t eo fe l e v a t o r s ，s o l u t i o no ff a i l u r e a n dm a i n t e n a n c e i n t o 瑚a t l o na r em a n a g e db yd a t a b a s e t h el a s to f a r t i c l eh a sp r o s p e c t e dd e v e l o p m e n t o ft h er e m o t e e l e v a t o r k e yw o r d s ：e l e v a t o r , r e m o t em o n i t o r i n g ， g p r s ， m o n i t o r i n gc e n t e r r e m o t e t e l t l l i n a l i i i 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學或其它教育 機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何 貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名：送p 盈拎 e t 期： 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解武漢理工大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即學校有權(quán) 保留、送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨颊撐牡娜?或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 研究生簽名：教丑丑 導師簽名： 研究生簽名：型婦越 導師簽名：日期：2 業(yè)墨：! ? 武漢理l ：人碩十學何論文 第1 章緒論 1 1 課題研究的目的和意義 隨著現(xiàn)代化城市的發(fā)展，城市中以高層建筑為主的住宅小區(qū)大量出現(xiàn)，電 梯已成為必不可少的垂直交通工具。因此電梯的安全運行、故障報警和及時維 修已成為現(xiàn)代社會發(fā)展的一個很重要的課題。 為了更好的適應形勢的發(fā)展，許多電梯生產(chǎn)企業(yè)和相關(guān)單位都在積極研制 和退出自己的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)。電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)是指某個區(qū)域的大樓中安 裝多部電梯后，對這些電梯進行遠程監(jiān)控，數(shù)據(jù)管理、維護、分析、故障報警 以及救援。有了遠程電梯集中監(jiān)控系統(tǒng)，能夠同時監(jiān)控多處多臺電梯的實時運 行狀態(tài)，通過對電梯控制柜輸出信號的實時采集來實現(xiàn)對電梯的方向、所在樓 層、門接點、安全回路和開關(guān)門等運行狀態(tài)的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)并排除故障，保 障電梯的正常運行。 目前，國內(nèi)電梯在安裝上具有面廣點散的分布特性，其使用環(huán)境比較復雜， 電梯型號多種多樣，操作運行各異，加之國內(nèi)維護技術(shù)人員比較缺乏，對電梯 的監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求，且以往的集中電梯監(jiān)控系統(tǒng)多采用固定傳輸和 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，只負責監(jiān)控自己安裝維護的電梯，使用方式單一，缺乏電梯的 管理功能，系統(tǒng)的通用性和兼容性都比較差。此外，使用光纖、m o d e m 撥號等有 線傳輸涉及到布線施工、建設(shè)成本、安全和可靠性等一系列問題。為了更好的 解決這些問題，迫切需要研制和丌發(fā)一套運行高效，成本低廉，通用性較強的 新的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)。 g p r s g s m 數(shù)據(jù)系統(tǒng)的推出使這一難題迎刃而解，g p r s 是通用分組無線業(yè)務(wù) ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 為g s m 用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而在 現(xiàn)有系統(tǒng)上發(fā)展起來的新的承載業(yè)務(wù)，它允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā) 送和接收數(shù)據(jù)，不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。利用g p r s 網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù) 據(jù)通信方式接入i n t e r n e t 或電梯使用單位的局域網(wǎng)的做法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的做法，特 武漢理i ：大學碩十學位論文 別適用于電梯遠程監(jiān)控這種間斷的突發(fā)的和頻繁的少量數(shù)據(jù)傳輸。這種監(jiān)控系 統(tǒng)之間利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，不用專門鋪設(shè)線路和搭建設(shè)備，讓電梯上網(wǎng)，通 過g p r s 網(wǎng)絡(luò)實時采集和傳送以及發(fā)布電梯運行狀態(tài)。 同時，電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)是維護電梯提高服務(wù)質(zhì)量的重要工具。通過安裝 遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可以變被動為主動，使用戶的故障停梯時間大大縮減。并且電 梯系統(tǒng)的故障信息記錄數(shù)據(jù)庫能夠方便地使維護中心建立起一套電梯運行、故 障及維修檔案庫?？梢詫δ撑_電梯，某組群控電梯，或某一特定時問段的電梯 故障及維修情況進行統(tǒng)計。 而且對整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)而言，g p r s 網(wǎng)絡(luò)覆蓋和維護都由中國移動承擔，覆蓋范 圍廣，可靠性高，不受地理位置的限制，按流量的方式計費，還提供數(shù)據(jù)包月服務(wù)， 在保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r、準確的前提下，將系統(tǒng)運行費用也降低到了最低。 近年來，隨著移動通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)應用越來越廣泛，這給電梯遠程監(jiān)控系 統(tǒng)的發(fā)展提供了有力的支持和保障，以遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控為核心的電梯維護新體系 在我國悄然興起。 ” 。 1 2 國內(nèi)外電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展 當今先進的監(jiān)視監(jiān)控技術(shù)集控制、監(jiān)視、管理以及決策支持等功能于一體， 成為綜合自動化系統(tǒng)。電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)也隨著監(jiān)控技術(shù)及計算機通信和網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)的發(fā)展發(fā)生了巨大的變化，電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的重要性越來越引起人們的 關(guān)注，國外比較大型的電梯公司都捌有成熟的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，如日本三菱、美 國的奧的斯等。 蒂森公司的遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有控制電梯的功能，能檢測和識別濫用或誤操 作緊急呼救功能；能較好的掌握電梯的運行狀況，并進行分析和處理，轉(zhuǎn)化為 圖標來顯示各行駛方向和每層樓的呼叫次數(shù)、呼叫與處理時間曲線等；自動故 障報警，該系統(tǒng)同時可以監(jiān)控電梯、自動扶梯和樓內(nèi)其他設(shè)備；但是該系統(tǒng)僅 適用于其本公司生產(chǎn)的電梯和自動扶梯。 奧的斯公司自行開發(fā)的電梯監(jiān)控系統(tǒng)，具有分級報警的功能。監(jiān)控系統(tǒng)自 動發(fā)出電梯服務(wù)中斷的信號，顯示地點、性質(zhì)、問題及乘客狀況資料。電工電 武漢理i ：人學碩十學位論文 梯的運行表現(xiàn)不符合預定的界限是，系統(tǒng)發(fā)出報警信號。 日立電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)以計算機系統(tǒng)2 4 小時監(jiān)控用戶電梯的運行狀況， 為每一臺電梯建立運行狀態(tài)數(shù)據(jù)檔案，定期進行檢查保養(yǎng)，有效防止電梯故障 的發(fā)生，大大延長電梯的使用壽命。當電梯發(fā)生故障時，信號自動接通監(jiān)控中 心，監(jiān)控裝置顯示電梯的故障資料并立即向電梯故障發(fā)生地的維修人員發(fā)出指 令，確保第一時間趕到現(xiàn)場。 遠程監(jiān)控技術(shù)是伴隨著計算機控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的， 隨著國內(nèi)電梯領(lǐng)域這幾年的發(fā)展出現(xiàn)了很多比較先進的監(jiān)控系統(tǒng)，如最近的西 子電梯集團與浙大合作的基于嵌入式 n t e r n e t 的電梯遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，還有 上海新時達電氣有限公司開發(fā)的c a n b u s 的電梯監(jiān)控系統(tǒng)。 但是目前國內(nèi)大多數(shù)電梯用戶所采用的重要還是以下三類電梯監(jiān)控系統(tǒng)： ( 1 ) 國外大電梯公司如三菱電梯公司、日立電梯公司、蒂森電梯公司所提供的 與自己的系統(tǒng)相配套的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。由于中國特殊的國情，在中國應用還存 在局限性。如采用不同的通訊方式，不同的硬件接口，只能監(jiān)控本公司的電梯， 對其他公司電梯不能兼容，對電話網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量要求高等，難以應用。另外監(jiān)控 系統(tǒng)的價格也比較昂貴，一般用戶難以承受。( 2 ) 采用p l c 構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)通訊監(jiān) 控，盡管p l c 可以很方便的構(gòu)成系統(tǒng)，并且系統(tǒng)一般具有標準的通訊接口，易 與建筑的其他智能設(shè)備一起構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，但是必須采用p l c 通訊單元，從而使成 本增加。( 3 ) 用單片機構(gòu)成一個獨立的采樣通訊單元，形成一個二級遠程監(jiān)控 系統(tǒng)，它具有成本低，設(shè)計靈活的特點。 本系統(tǒng)采用第三種監(jiān)控系統(tǒng)，但傳統(tǒng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方式由以下幾種： 鋪設(shè)光纖或電纜，租用運營商專用線路等，前者有線的方式受布線的局限較大， 增加或減少一個被監(jiān)控對象都不太容易；后兩種無線方式維護和建設(shè)費用比較 高。并且監(jiān)控者和被監(jiān)控對象都是固定的，無論任何一端都無法隨意移動，針 對偏遠地域監(jiān)控很難實現(xiàn)。 因此，隨著世界各國2 5 g 和3 g 網(wǎng)絡(luò)陸續(xù)建成并投入使用，基于無線數(shù)據(jù) 應用的各項服務(wù)逐漸展露出其獨特的魅力。但國內(nèi)的一些科研單位和公司也嘗 試開發(fā)了電梯無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)，一般基于專用網(wǎng)絡(luò)和總線，系統(tǒng)功能一般局 限于電梯內(nèi)、外呼叫和門信號的實時監(jiān)控和自動報警等基本功能，而基于網(wǎng)絡(luò) 3 武漢理1 ：人學碩卜學位論文 通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和多媒體技術(shù)對電梯控制信號、視頻音頻信號、報警信 號進行管理和分析的監(jiān)控系統(tǒng)還在逐步探索中。 1 3 本文研究的內(nèi)容 所謂智能化電梯安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)，集地理信息、計算機控制和遠程通訊 技術(shù)與一體，通過設(shè)定的電梯數(shù)據(jù)采集器和信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將分布在各處的電 梯運行狀況和故障信息及時傳遞到監(jiān)控中心的監(jiān)視終端，監(jiān)控中心采用各種巡 檢方式不斷檢查電梯的運行狀態(tài)，處理并顯示各個電梯發(fā)生來的數(shù)據(jù)和報警信 號，從而實現(xiàn)對各處電梯進行遠程監(jiān)視和控制。本文借助網(wǎng)絡(luò)資源、計算機平 臺和通信技術(shù)，通過面向?qū)ο笳Z言編程，開發(fā)了一套功能豐富的智能電梯遠程 監(jiān)控系統(tǒng)。主要內(nèi)容如下： 第1 章分析了本課題的研究背景和意義，并依次總結(jié)了基于g p r s 網(wǎng)絡(luò)的無 線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的必要性。 第2 章詳細論述了g p r s 的概念、特點，g p r s 網(wǎng)絡(luò)的工作原理，系統(tǒng)組成結(jié) 構(gòu)及相關(guān)的接口規(guī)程，g p r s ，的組網(wǎng)方式和g p r s 網(wǎng)絡(luò)性能的分析認識，為本文后 面的研究作基礎(chǔ)。 第3 章結(jié)合i n t e r n e t 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并依據(jù)實際情況，提出了基于g p r s 技術(shù) 的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。 第4 章認真分析研究了監(jiān)控系統(tǒng)遠程終端主要功能和特點，并對終端的各 個硬件功能模塊進行了合理的分析設(shè)計。此外在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上還對遠程終 端數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖到y(tǒng)進行了詳細的分析設(shè)計。 第5 章根據(jù)電梯遠程監(jiān)控的功能要求，采用v i s u a lc + + 語言的面向?qū)ο蟮?編程思想，完成了電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)界面的設(shè)計，實現(xiàn)了電梯運行狀態(tài)的動態(tài) 顯示和系統(tǒng)主界面的設(shè)計。 第6 章總結(jié)了全文的工作，提出系統(tǒng)的進一步改進，展望了無線通信技術(shù)。 4 武漢理。l ：大學碩十學位論文 第2 章g p r s 通信技術(shù) 2 1g p r s 的一些預備知識 2 1 1g s m 系統(tǒng)簡介 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b il ec o m m u n i c a ti o n ) 是一種無線數(shù)字蜂窩通 信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)范。它定義了建設(shè)該網(wǎng)絡(luò)及提供服務(wù)的各種標準，這些標準有歐 洲電信標準化協(xié)會( e t s i ) 掌管。我國g s m 移動通信網(wǎng)具有提供語音業(yè)務(wù)、傳真、 短信等通信業(yè)務(wù)的能力，其中短信功能因覆蓋范圍廣、投入成本低、可靠性較 好等優(yōu)點，適合于設(shè)計一些無線應用系統(tǒng)和產(chǎn)品，能滿足實時性要求不高的小 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需要。 g s m 系統(tǒng)主要由三個相互獨立的子系統(tǒng)構(gòu)成：移動臺( m s ) 、基站子系統(tǒng)( b b s ) 和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)( n s s ) 。如圖2 1 所示。 。 圖2 1g s m 通信系統(tǒng)的組成 1 ) g m s 移動臺( m s ) 移動臺就是移動客戶設(shè)備部分，它由兩部分組成，移動臺物理設(shè)備( 即手 機裸機) 和客戶識別卡( s i m ) 。 移動終端就是“機 ，它可完成話音編碼、信道編碼、信息加密、信息的 調(diào)制和解調(diào)、信息發(fā)射和接收。 白眶 武漢理l ：人誓碩十學位論文 s i m 卡就是“身份卡”，它類似于我們現(xiàn)在所用的i c 卡，因此也稱作智能卡， 存有認證客戶身份所需的所有信息，并能執(zhí)行一些與安全保密有關(guān)的重要信息， 以防止非法客戶進入網(wǎng)路。s i m 卡還存儲與網(wǎng)路和客戶有關(guān)的管理數(shù)據(jù)，只有插 入s i m 后移動終端j 能接入進網(wǎng)，但s i m 卡本身不是代金卡。 2 ) 基站子系統(tǒng)( b s s ) b s s 系統(tǒng)是在一定的無線覆蓋區(qū)中由m s c ( 移動業(yè)務(wù)控制中心) 控制，與m s 進行通信的系統(tǒng)設(shè)備，它主要負責完成無線發(fā)送接收和無線資源管理等功能。 功能實體可分為基站控制器( b s c ) 和基站收發(fā)信臺( b t s ) 。 b s c ：具有對一個或多個b t s 進行控制的功能，它主要負責無線網(wǎng)路資源的 管理、小區(qū)配置數(shù)據(jù)管理、功率控制、定位和切換等，是個很強的業(yè)務(wù)控制點。 b t s ：無線接口設(shè)備，它完全由b s c 控制，主要負責無線傳輸，完成無線與 有線的轉(zhuǎn)換、無線分集、無線信道加密、跳頻等功能。 3 ) 網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng) 交換網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)( n s s ) 主要完成交換功能和客戶數(shù)據(jù)與移動性管理、安全 性管理所需的數(shù)據(jù)庫功能。n s s 由一系列功能實體所構(gòu)成，各功能實體介紹如 下： ( 1 ) 移動業(yè)務(wù)控制中心( m s c ) ：是g s m 系統(tǒng)的核心，是對位于它所覆蓋 區(qū)域中的移動臺進行控制和完成話路交換的功能實體，也是移動通信系統(tǒng)與其 它公用通信網(wǎng)之間的接口。它可完成網(wǎng)絡(luò)接口、公共信道信令系統(tǒng)和計費等功 能，還可完成b s s 、m s c 之間的切換和輔助性的無線資源管理、移動性管理等。 另外，為了建立至移動臺的呼叫路由，每個m s 還應能完成入口m s c ( g m s c ) 的 功能，即查詢位置信息的功能。 ( 2 ) 訪問用戶位置寄存器( v l r ) ：是一個數(shù)據(jù)庫，是存儲m s c 為了處理 所管轄區(qū)域中m s ( 統(tǒng)稱拜訪客戶) 的來話、去話呼叫所需檢索的信息，例如客 戶的號碼，所處位置區(qū)域的識別，向客戶提供的服務(wù)等參數(shù)。 ( 3 ) 歸屬用戶位置寄存器( h l r ) ：是g g m 系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)庫，是存儲管 理部門用于移動客戶管理的數(shù)據(jù)。每個移動客戶都應在h l r 注冊登記，它主要 存儲兩類信息：一是有關(guān)客戶的參數(shù)；二是有關(guān)客戶目前所處位置的信息，以 便建立至移動臺的呼叫路由，例如m s c 、v l r 地址等。 一6 一 武漢理i ：大學碩 學位論文 ( 4 ) 鑒權(quán)中心( a u c ) ：用于產(chǎn)生為確定移動客戶的身份和對呼叫保密所 需鑒權(quán)、加密的三參數(shù)( 隨機號碼r a n d ，符合響應s r e s ，密鑰k c ) 的功能實體。 ( 5 ) 運營與維護中心( e i r ) ：存儲著移動設(shè)備的國際移動設(shè)備識別碼在 ( i m e i ) 。主要完成對移動設(shè)備的識別、監(jiān)視、閉鎖等功能，以防止非法移動 臺的使用。 2 1 2t o p ip 參考模型 g p r s 網(wǎng)絡(luò)是一個基于i p 協(xié)議的數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)，與i n t e r n e t 可以建立良好的連 接。所以可以將兩個節(jié)點抽象為g p r s 網(wǎng)絡(luò)，將g p r s 內(nèi)部協(xié)議簡化抽象為g p r s 網(wǎng)關(guān)協(xié)議，得到以下層次模型，如圖2 - 2 所示。下面分別討論這4 層的功能。 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 鏈路層 物理層 ：i n te r n e t 遠程監(jiān)控 g p r s 無線模塊 中心 t c p u d p一一! 一斗 t c p 佃p i p一一一：- ， i p p p p p p p i p s g p r s g 關(guān)網(wǎng)關(guān)協(xié)議b e t h e r n e t g p r s 圖2 - 2 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)協(xié)議棧轉(zhuǎn)換圖 1 ) 物理層： 物理層規(guī)定了激活、維持、關(guān)閉通信端點之間的機械特性、電氣特性、功 能特性以及過程特性。該層為上層協(xié)議提供了一個傳輸數(shù)據(jù)的物理媒體。 在這一層，數(shù)據(jù)的單位稱為比特( b i t ) 。屬于物理層定義的典型規(guī)范代表 包括：e i a t i ar s - 2 3 2 、e i a t i ar s - 4 4 9 、v 3 5 、r j 一4 5 等。 7 武漢刊l ：人學碩十學位論文 2 ) 鏈路層：有時也稱為網(wǎng)絡(luò)接i 層，負責接收從網(wǎng)絡(luò)層傳來的i p 數(shù)據(jù)報， 并將數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)換成符合低層物理網(wǎng)絡(luò)的幀格式后發(fā)送出去，或者從物理網(wǎng)絡(luò)上 接收數(shù)據(jù)幀，取出i p 數(shù)據(jù)報，傳送給上網(wǎng)絡(luò)層。它的功能相j 芻于o s i 模型中的 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。硬件設(shè)備的驅(qū)動程序就屬于這一層，如局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接 口。網(wǎng)絡(luò)接口層有以太網(wǎng)、f d d i ，x 2 5 ，a t m 。 3 ) 網(wǎng)絡(luò)層：主要功能是負責相鄰節(jié)點之問的數(shù)據(jù)傳送。將數(shù)據(jù)進行分組，并 選擇到達目的節(jié)點的合適的路由。【p 協(xié)議就是該層中傳送數(shù)據(jù)的機制。同時建 立網(wǎng)絡(luò)間的互連，提供a r p ( 地址解析協(xié)議) 地址解析，實現(xiàn)從i p 地址到數(shù)據(jù) 鏈路物理地址的映象，并選擇到達目的節(jié)點的合適的路由。 4 ) 運輸層：主要為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信。在t c p i p 協(xié) 議族中，有兩個互不相同的傳輸協(xié)議：t c p 協(xié)議和u d p 協(xié)議。 在g p r s 遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，在物理層，數(shù)據(jù)終端通過a t 指令( 帶有串行口計 算機操作m o d e m 的指令集) 對無線模塊撥號，登錄g p r s 網(wǎng)絡(luò)。登錄成功后，一條 連接無線模塊和i n t e r n e t 的物理連接建立起來。在數(shù)據(jù)鏈路層，通過p p p 協(xié)議 ( p o i n t t o p o i n tp r o t o c o l ，點到點協(xié)議) 將原始的g p r s 物理層改造成無差錯的 數(shù)據(jù)鏈路層，系統(tǒng)可以遠程登錄i n t e r n e t ，并得到g p r s 網(wǎng)關(guān)分配的i p 地址。在 網(wǎng)絡(luò)層，i p 協(xié)議將接入i n t e r n e t 的具有不同i p 地址的所有終端全部連接起來， 并由i p 路由選擇實現(xiàn)監(jiān)控終端和i n t e r n e t 中的遠程監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)交互。 在傳輸層，可以通過t c p 或u d p 來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。t c p 協(xié)議可靠性較強，但數(shù)據(jù)包 包頭比較復雜，速度較慢：d u p 速度較快，但可靠性不佳。因此可以根據(jù)實際需要 進行選擇。 2 2g p r s 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)介紹 g p r s 是通用分組無線業(yè)務(wù)( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的簡稱。作 為第二代移動通信技術(shù)g s m 向第三代移動通信( 3 g ) 的過渡技術(shù)，它是由英國 b tc e l l n e t 公司早在1 9 9 3 年提出的，是g s mp h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 規(guī)范實現(xiàn)的內(nèi) 容之一，是一種基于g s m 的移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，面向用戶提供移動分組的i p 或 者x 2 5 連接，特別適用于問斷性的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸。它 武漢理l ：大學碩十學位論文 以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)，用戶通過g p r s 可以在移動狀態(tài)寫使用各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)， 如收發(fā)e - m a i l 、進行i n t e r n e t 瀏覽、城市供水監(jiān)控、公交車輛調(diào)度等。 g p r s 以g s m 為基礎(chǔ)，和g s m 共用相同的基站和頻譜資源，采用與g s m 相同 的突發(fā)結(jié)構(gòu)，無線調(diào)制標準、跳頻規(guī)則以及相同的t d m a 幀結(jié)構(gòu)。它的目標是提 供高達l o o k b i t s z 以上速率的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。不少人認為，g p r s 網(wǎng)絡(luò)建成后 g s m 網(wǎng)絡(luò)將會被淘汰。這是錯誤的理解。其實，g p r s 只是一項移動通信技術(shù)， 將它應用于今天的g s m 網(wǎng)絡(luò)，只是對g s m 網(wǎng)絡(luò)的一個升級而已。也就是說，g p r s 是對目前g s m 網(wǎng)絡(luò)的補充，他不會取代目前g s m 網(wǎng)絡(luò)支持的c s d ( 電路交換數(shù)據(jù)) 和s m s ( 短消息) 等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。但它突破了g s m 網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式， 通過增加相應的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現(xiàn)分組交換， 這種改造的投入相對來說并不大，將得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當可觀。 2 2 1g p r s 的主要特點 與g s m 電路交換相比，g p r s 非常重要的優(yōu)點是引入了分組交換能力，利用 。 g p r s 進行數(shù)據(jù)傳輸具有：“永遠在線”、“流量計費”、“快捷登錄”、“高速傳輸” 等優(yōu)點。 1 ) 接入范圍廣 g p r s 是在現(xiàn)有的g s m 網(wǎng)絡(luò)上升級，可充分利用全國范圍的電信網(wǎng)絡(luò)，可以 方便、快速、低成本的為用戶數(shù)據(jù)終端提供遠程接入網(wǎng)絡(luò)的部署。 2 ) 傳輸速率高 數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到5 7 6 k b p s ，最高可以達到1 1 5 k b p s 一1 7 0 k b p s ，是常 用有線m o d e m 理想速率的兩倍，是當前g s m 網(wǎng)絡(luò)中電路數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)速度的幾 十倍。 3 ) 快捷登錄 接入時間短，g p r s 接入等待時間短，可快速建立連接，平均耗時為兩秒。 4 ) 永遠在線 提供實時在線功能?！皩崟r在線”，或叫“永遠在線”即用戶隨時與網(wǎng)絡(luò)保 持聯(lián)系，即使沒有數(shù)據(jù)傳輸，終端還是一直與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，這將使訪問服務(wù) 武漢理i ：人學碩十學位論文 變得非常簡單、快速。 ( 5 ) 按流量計費 用戶只有在發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)期間才占用無線資源，用戶可以一直在線， 計費方式是按照用戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量，沒有數(shù)據(jù)流量傳輸時，用戶即 使掛在網(wǎng)上也是不收費的。 2 2 2g p r s 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) g p r s 是基于現(xiàn)有的g s m 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的，需要在現(xiàn)有的g s m 網(wǎng)絡(luò)中增加一些節(jié) 點：網(wǎng)關(guān)g p r s 支持節(jié)點g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 、服務(wù)g p r s 支持節(jié)點s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 。g g s n 在g p r s 網(wǎng)絡(luò)和公用數(shù) 據(jù)網(wǎng)之間起網(wǎng)關(guān)的作用，它可以和多種不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，如i s d n 和l a n 等。 s g s n 記錄移動設(shè)備的當前位置信息，并在移動設(shè)備和各種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間完成移 動分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，為服務(wù)區(qū)內(nèi)所有用戶提供雙向的分組路由。系統(tǒng)共 用g s m 基站，但基站要進行軟件更新，并采用新的g p r s 移動設(shè)備。g p r s 要增加 新的移動性管理程序，通過路由器實現(xiàn)g p r s 骨干網(wǎng)互聯(lián)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2 3 所示。 g p c , p 圖2 3g p r s 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 由圖2 - 3 可以看出，g p r s 網(wǎng)絡(luò)是將p c u ，s g s n ，g g s n 等g p r s 網(wǎng)元疊加在 g s m 網(wǎng)絡(luò)中而構(gòu)成，其中主要的網(wǎng)絡(luò)單元的功能： 1 0 武漢理 ：大學碩十學位論文 1 ) 分組控制單元( p c u ) p c u 是傳統(tǒng)的g s m 的b s c 中增加的專門用于處理分組數(shù)據(jù)和無線分組信道管 理的模塊，主要功能有：無線資源管理，信道資源分配( m a c 層功能) ，誤幀重傳 ( r l c 層功能) ，實現(xiàn)到s g s n 的數(shù)據(jù)傳輸( g b 接口) 。 2 ) 服務(wù)g p r s 支持節(jié)點( s g s n ) s g s n 類似于傳統(tǒng)g s m 系統(tǒng)中的m s c v l r ，相當于g p r s 網(wǎng)絡(luò)中的分組交換機， 主要功能包括：終端鑒權(quán)即移動終端發(fā)起連接時s g s n 負責檢查該終端是否有權(quán) 限進行g(shù) p r s 連接，對移動終端進行移動性管理，路由選擇和分組交換。 3 ) 網(wǎng)關(guān)g p r s 支持節(jié)點( g g s n ) g g s n 負責提供g p r s 網(wǎng)絡(luò)與外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的接口，相當于一臺路由器，功 能包括：分組路由和轉(zhuǎn)發(fā)。對外部數(shù)據(jù)網(wǎng)來說，g g s n 就是一個子網(wǎng)路由器。g g s n 的一側(cè)是g p r s 移動子網(wǎng)，另一側(cè)是外部固定數(shù)據(jù)網(wǎng)( 包括因特網(wǎng)和專網(wǎng)) 。g g s n 接收移動臺發(fā)送的數(shù)據(jù)，選路到相應的外部網(wǎng)絡(luò)：同時接收外部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，根 據(jù)其地址選擇g p r s 網(wǎng)內(nèi)的傳輸通道，傳給相應的終端。g g s n 可以通過多個物理 或邏輯端口同時連接多個外部數(shù)據(jù)網(wǎng)，通過接入點名稱( a p n ) 將彼此區(qū)分開。 g g s n 到外部分組網(wǎng)絡(luò)是通過g i 參考點連通的，而其他g p r s 網(wǎng)絡(luò)是通過 g p 接口連通的。另外，從m s 端到g p r s 網(wǎng)絡(luò)有兩個接入點，u m 接口用于無線通 信接入而r 參考點用于信息的產(chǎn)生或接收。移動終端m t ( 例如手機) 通過u m 接口 接入g p r sp l m n ( 公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)) ，r 則是m t 和t e ( t e r m i n a le q u i p m e n t ) 之間的參考點。這里的m s 由t e 和m t 兩部分組成，它們通過r 參考點組成一個 整體，另外，m s 也可單獨由一個移動終端( m o b i l et e r m i n a l ，簡稱m t ) 組成。 對于一個支持g p r s 的p l m n 當它運行g(shù) p r s 業(yè)務(wù)時可能涉及到任何其他網(wǎng)絡(luò)，這 時就產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)互通的需求。g p r s 網(wǎng)絡(luò)通過g i 參考點和g p 接口實現(xiàn)同其他網(wǎng) 絡(luò)的互通。 g p r s 骨干網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2 - 4 所示。 武漢理l ：人學碩十學f 節(jié)論文 匿s m s 噩m 扣 1i ws ci l = ：= l _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ - 一 悟令和傳輸接口 圖2 4g p r s 骨干網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu) 2 2 3g p r s 工作原理 以上大致介紹了g p r s 網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)以上知識，這早進一步的介紹 將g p r s 應用于各數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控系統(tǒng)有關(guān)的應了解的知識。圖2 - 5 展示了移動 臺( m t ) 、與之相連的終端設(shè)備( t e ) 、g p r s 網(wǎng)、以及外部網(wǎng)之間的關(guān)系。 r 參考點 u m g i 參考點 m s - + - - g p 圖2 - 5g p r s 各接口和參考點 1 2 武漢理i ：人。碩十學位論文 結(jié)合圖2 4 和圖2 5 所知，在工業(yè)設(shè)計應用中，最關(guān)鍵的接口是u m 接口、 g i 參考點以及r 參考點。u m 是m r | 和g p r s 網(wǎng)絡(luò)進行無線連接的空中接口。g i 是 g p r s 網(wǎng)與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)( 指分組數(shù)據(jù)網(wǎng)( p d n ) 如i n t e r n e t 和其它網(wǎng)絡(luò)如x 2 5 、 x 7 5 等) 的數(shù)據(jù)通信接口。r 參考點則把t e 和m t 結(jié)合為m s ，即是硬件設(shè)計者 要著重考慮的部分。 移動臺( m s ) 通過附著過程登錄到g p r s 網(wǎng)絡(luò)，從而能夠進行位置區(qū)的更新， 以及發(fā)起數(shù)據(jù)傳送和接受過程。m s 在附著過程中，通過p c u 進行接入控s w j 矛u 信 道分配，通過s g s n 和h l r 進行鑒權(quán)管理，并從h l r 中獲得用戶簽約信息，最終 在m s 、h l r 與s g s n 內(nèi)部形成有關(guān)用戶的移動管理信息。m s 在為進行附著之前脫 離g p r s 網(wǎng)絡(luò)，處于空閑狀態(tài)，是不能進行任何數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)操作的。在g p r s 終端 成功附著到網(wǎng)絡(luò)以后，在進行數(shù)據(jù)通信之前，還需要進行p d p 激活。p d p 即“分 組數(shù)據(jù)協(xié)議”的簡稱，一般情況下即是i p 協(xié)議。p d p 激活即是終端申請分配i p 地址和在g p r s 核心網(wǎng)設(shè)備( ( s g s n 和g g s n ) 中建立路由信息和計費信息的過程。 進行了p d p 激活以后，就可以進行i p 數(shù)據(jù)傳輸了。 總體來說，現(xiàn)有的g s m 網(wǎng)絡(luò)主要是針對話音業(yè)務(wù)設(shè)計的，而g p r s 則主要是 用來提供非語音的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的，g p r s 提供了移動網(wǎng)到t c p i p 網(wǎng)絡(luò)或x 2 5 網(wǎng)絡(luò) 的接口，可以把g p r s 網(wǎng)絡(luò)看作是一個i p 子網(wǎng)。如圖2 - 6 所示。 主機 2 0 2 1 1 圖2 - 6 將g p r s 網(wǎng)絡(luò)看作是一個i p 網(wǎng)的子網(wǎng) 1 3 主機 1 6 8 2 3 武j 義理l ：人學碩十學位論文 在基于i p 的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，路由器被用來分割各個不同的子網(wǎng)。g p r s 網(wǎng)絡(luò)中， g g s n 承 ! l 了類似于路由器的工作，是g p r s 的特性對外部數(shù)據(jù)網(wǎng)來說是不可見的。 移動終端就像g p r s 子網(wǎng)中的普通主機，通過i p 地址來識別的。 g p r s 工作時，是通過路由管理來進行尋址和建立數(shù)據(jù)連接的，而g p r s 的路 由管理表現(xiàn)在以下3 個方面：移動終端發(fā)送數(shù)據(jù)的路由建立；移動終端接收數(shù) 據(jù)的路由建立；以及移動終端處于漫游時數(shù)據(jù)路由的建立。 對于第一種情況，當移動終端產(chǎn)生了一個p d u ( 分組數(shù)據(jù)單元) ，這個p d u 經(jīng)過s n d c 層處理，稱為s n d c 數(shù)據(jù)單元。然后經(jīng)過l l c ( 邏輯鏈路控制) 層處理 為l l c 層通過空中接口送到o s m 網(wǎng)絡(luò)中移動終端所處的s o s n 。s g s n 把數(shù)據(jù)送到 g g s n 。g g s n 把收到的消息進行解裝處理，轉(zhuǎn)換為可在公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中傳送的