远程监测技术的研究及应用Word文档格式.docx
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GSM（GlobleSystemforMobileCommunication）意为全球移动通信系统，它的数据业务通信是在数据通信基础上发展起来的一种通信方式。
以往的数据通信依赖于有线传输，因此只适合于固定终端或计算机之间的通信，而现在的无线移动数据通信是通过无线电波来传送数据的，因而有可能实现更远距离的数据通信。
作为数据通信网络媒介，GSM可以实现了跨省市区全国性的数据双向实时通信。
它可以把有线数据网路的应用扩展到移动和便携用户。
此外GSM通信还具有保密性高、可靠性高、抗干扰能力强等特点，保证了数据传输的准确性和稳定性，并提供双方完备的通信协议，使用户在此通信平台上的开发简单易行。
GSM系统有着有线通信载体和常规无线通信难以媲美的优点，因此，基于GSM的远程监测监控系统正逐步得到广泛应用。
一些特殊的行业，如铁路、石油、采矿等，传统的监控往往存在诸多的问题：
成本高、效率的、安全性能不良、维护不方便。
而基于GSM的远程监测系统较好地克服了这些不足，通过现有的移动通信网络，非常方便地建立起一种快捷有效的监测系统。
GSM（Globalsystemformobile）是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟、用户最多、应用最广的一种系统。
我国已建成了覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网。
利用它所提供的多种数据业务，可以利用GSM进行远程监测。
在工业现场布置各种仪表和监测站进行数据采集，通过现场总线把现场采集到的各种信息数据汇总到现场的监控工作站，该工作站作为下位机。
远程监控终端作为上位机可以通过指令主动呼叫，或者下位机主动向远程上位机主动机发出现场数据。
因此，工程技术人员可以节省许多人力物力，有序地完成各项维护监控任务，保障整个企业单位地安全高效地运行。
例如，在铁路系统中，水电段的工作量特别大。
铁路给水、供电系统是保障铁路正常生产的基础部门，其生产管理水平直接关系到铁路的安全、有序的生产。
利用现代计算机、电子测量和通信网络等技术为水电段进行技术改造，对变电所等实行基于GSM的远程在线监测和管理，自动进行工况记录和数据管理，可以达到单人甚至无人管理的生产目的。
基于GSM的远程监测依仗其前沿的技术和显而易见的优点正逐步发展壮大，具有非常广阔的应用前景。
1.2论文主要研究内容及要求
论文研究了远程监测技术的现状以及在各部门中应用概况，指出了当前远程监测技术的不足，分析了基于GSM的远程监测技术可行性和先进性，提出了利用GSM进行远程监测的技术方案。
针对铁路变电所的针对以往铁路局终端变电所使用的电能损耗大、运行效率低不足，探讨了基于GSM的变电所远程监测系统的构成，并设计了相关硬件和监测管理软件。
整个系统的设计过程，始终遵循四条基本原则：
（1）可靠性：
为确保监测发挥应有作用，监测系统应具有比整个终端变电所更高的可靠性。
硬件和软件决定系统的可靠性，高精度的电力数据采集模块保证了硬件的可靠性。
软件方面，按照软件工程的要求严格进行程式编写。
总之，系统故障率要低。
（2）实用性：
监测系统的功能恰当地反映被监测对象的特性与要求，出现故障时，能及时监测，起到预防作用，绝不为追求技术的先进性而降低实用性。
（3）可扩展性：
整套系统的实现，须有升级换代的余地，不然会造成资金的浪费，因此整个系统必须具有可扩充性，不仅硬件如此，软件也做到可升级，做到在编写软件之前进行规划，按软件工程要求进行。
总之，所有硬件和软件都不是一步到位的。
（4）系统独立性：
系统设计应本着这样一个前提-----不影响已有设备、仪器的正常工作，不管投入或停开，都不影响已有监测仪表的正常工作。
整个监测系统可实现以下功能：
（1）远程数据采集和处理：
通过GSM调制解调器呼叫现场监测计算机读取现场采集的数据并进行处理，及时传输和存储。
（2）状态显示：
利用多媒体PC通过图形、数字等方式显示各监测对象的实时状态，提供声音报警。
（3）人机界面及操作:
运用可视化编程工具VB建立操作界面，配合MicrosoftAccess，excel，开发了一套方便有效的监测管理软件。
2基于GSM的远程监测技术研究
2.1远程监测系统的一般结构
监测系统通常用来监视和测量工业现场的各种信息，包括模拟量和数字量。
采集好的数据一般通过现场总线（如485总线）技术从监测站传送到现场的监测计算机。
对于远程监测系统，为了将各个子系统连接起来或者远程测控，可以采用PSTN和GSM等通信方式；
一般远程通信采用串行异步方式，子系统中的通信协议采用监测站的通信协议；
子系统之间采用自定义通信协议。
因此远程监测技术设计到远程通信技术的应用。
远程监测系统是为了适应特定的对象而采用的，针对那些信息点多，分散性大的场所，如35KV铁路配电所。
一般的远程监测系统在结构上具有很大的相似性，他们的主要异同之处在于所采取的远程监控通信方案不一样。
常见的远程监测系统的结构如图2.1所示：
图2.1远程监测系统的一般结构
由图2.1所示，本地监控系统位于生产现场，可以是一台监控设备，如一个小规模的监测工作站，也可以是一个分布式监控系统，能够完成对现场所有设备或监测对象的所有监控任务。
同时，必须提供一定的通信接口，用以接受并进一步响应远程监控指令;
通信系统（如电话网、INTERNET、GSM）提供底层的数据传输服务。
远程监控系统可以是一台监控计算机，也可以是一个计算机网络。
通过通信网络提供的支持和服务向本地系统发出指令，待响应连接后从本地系统接收读取数据并做相关处理。
一般远程监测系统为一个较为简单的二级结构，第一级为现场工况监测采集系统，它由现场总线、微型计算机和监测站（包括各种表计）组成，通过远程通信网络把若干监测系统连接起来构成可以构成一个集中监测系统的第二级。
实际的配电网中，配变数量众多，分散性大。
这一特点决定了单一的通信方式不能满足变电所监测的需要。
我们在选择变电所的远程监测系统的通信方案时，认真比较了各种通信方案的优劣。
以下简要分析各种通信方式的特点及应用：
（1）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,没有占用频率资源问题,运行成本较低。
其缺点是容量小、传输速率低（低于600bit/s）、信号衰减大、易受干扰，抗干扰能力差,通信距离短,可靠性较差。
从220V到10KV变压器跨越技术复杂,同时,电力载波方式对铁路系统10KV供电系统存在两个比较严重的问题。
1）电力载波以10KV电力线路为载体,远程采集的信息必须采用级联中继的方式,若线路断口运行,则部分信号中断。
2）由于10KV自闭线路或10KV贯通线路中采用的电缆线路较多,架空线路和电缆线路波阻抗相差较大,在两者接头处引起反射波,信号衰减较大。
另外，需配备用以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、开发利用效率不高等诸多不利因素。
因此，电力载波通信方式，仅应用于10kV配网自动化开关监控和低压用户的远程抄表系统，故课题中铁路徐州水电段变电所监测没有采用该方案建立远程监测系统。
（2）数传电台方式
数传电台方式实时性较好，能满足相对分散配变设备对数据传输的要求，且具有十分广泛的应用。
采用无线数据传输,维护安装方便,缺点在于自己构建无线网络,存在占用频率资源问题,同时由于不可能采用覆盖较为全面的大功率电台,仍需采用级联方式,使得系统可靠性、灵活性和可扩展性受到影响。
此方式需申请专用频点，一定程度上增加了使用的成本。
在城市或无线电波密集的场合使用易受干扰，给监测系统的安全和稳定带来了隐患，综合考虑各项指标，从经济观点看，该方式的性价比不理想。
（3）GSM通信方式
GSM（GlobalSystemforMobileCommunications）通信是近年所提出可应用于分散对象监测的新方式，既具有数传电台通信方式的优点，又无须申请频点和发射功率的限制。
GSM是采用时分多址（TDMA）技术的数字移动通信系统。
具有覆盖范围广、简便快捷和安全稳定等优点，已经成为目前最为成熟、应用最广的一种无线通信系统。
GSM不仅能提供基本的电话业务，而且推出了若干多数字业务。
这为远程监测提供了一种便利、灵活的通信手段，特别适合大量分散与偏远设备的监测和抄表。
因此，利用GSM对变电所进行远程监测，是种较为经济可靠的手段，具有较广阔的应用前景。
表2.1各种通信方案的比较
类型
图形方式
可靠性
安全性
成本
可扩展性
抗干扰性
复杂程度
灵活性
维护费用
运行费用
电力载波线
级联
差
较高
差
复杂
高
无
数传电台
良
较低
无
GSM
直接
好
低
简单
有
为了选择最佳方案，我们重点比较了三种方案，如图2.2所示。
纵观以上几种通信方案，我们选择了GSM网络最为远程通信的媒介。
GSM属于公网，无需另建基站，先期投资较小，开发周期短。
同时，其覆盖范围广，可开发性强，具有良好的兼容性。
利用GSM提供的各项业务，我们可以将它应用于许多实际的监测系统，如水塔监测，水井、排灌站、变电所的远程监测系统。
这些系统的特点是现场分散性较大，不利于集中监测，而用传统的人工观测，则不符合现代化生产的要求。
此外，还有一部分场合有应用，如车辆监控系统、地理信息系统、远程水文监测系统等等。
针对变电所监测的现状，提出了基于GSM的远程监测方案。
2.2GSM通信技术
上一节，在通信方案的选择中我们选择了GSM作为变电所远程监测系统中的远程通信网络，并选择了中国移动公司的GSM网络，为系统的稳定性和可靠性奠定基础。
GSM是目前通信体制中最成熟、最完善、应用最广的一种数字移动通信网，它基于时分多址（TDMA）技术，采用频率--时间分割的蜂窝结构。
除了普通的话音通信外，它还能提供多种数据业务。
下面我们就重点介绍一下可用于远程监测的几项GSM数据业务：
2..2.1短消息业务
短消息（Shortmessage，简称SM,俗称短信）是通过GSM移动通信网络来传输的有限长度的数字或者是文本信息。
短消息的工作流程及其业务系统如图所示2.4
图2.4短消息工作工程及其业务系统
在上图2.4中，SME（短消息实体）可以是一个GSM终端（如手机、PDA等）、一台具备GSM终端功能的微型计算机或者服务器。
每一个SME都有一个唯一的网络地址（一般表现为移动电话号码），作为该设备的识别号，用来定位区别该设备。
短消息业务可以分为点到点和小区广播两种。
对于大多数GSM用户来说，最主要的应用的业务就是点到点的短消息业务，它将一条短消息从一个SME发送到另一个SME，具体的过程（如上图所示）是：
（1）发送短消息实体SME编辑短信内容，指定SMSC（ShortMessageServiceCenter短消息服务中心）和目的SME地址，通过BTS（Basictransceiversubsystem基本收发机子系统）和BSC（BaseStationController基站控制器），将短消息送到指定的SMSC（短消息服务中心）。
（2）SMSC收到短消息之后，对其合法性进行检查，告知发送SME接受状况。
结束与发送SME之间的短消息传送过程。
（3）SMSC通过MSC（MobileSystemCenter移动交换中心）试图将接受的SM短消息转发到目的地的短消息实体SME。
如果发送成功，则结束整个短消息传送过程；
如果发送失败，则将该短消息存储在短消息服务中心的服务器用户数据库里。
等待恰当的时机再次转发。
如果在限定的时间里（常见为24个小时，也有更长的）仍旧不能顺利转发的话，则从数据库中删除该短信，从而做到节省数据库资源空间，由此，结束整个短消息的传输过程。
短消息SM通过GSM信令信道传输，协议（SM－AL）规定：
一条短消息的用户数据（TP－UP）能够包含140个字节的数据。
在PDU模式中，可以采用三种编码方式来编码要发送的内容，分别是7－bit编码、8－bit编码、16－bit编码。
7－bit编码用于发送普通的ASCII字符；
8－hit编码通常用于发送数据消息，比如图片和铃声等；
而16-bit编码用于发送Unicode字符。
其中7-bit编、解码方法如下:
SMS信息是以8bits字节序列传送的，且GSM只支持0X00～0x7f128个ASCII码值的字符，因这些值的最高位均为0，所以它们只需7bits即可定义，为了满足SMS对发送信息的要求，采用将7bitsASCII码值转换为8bits码值的方法，对所要发送的短信息进行编码.在收到短信息后，首先要对收到的短信息进行解码，将发送时的8bits码值恢复为7bitsASCII码值，复原出发送时输入的信息.当采用7bit编码时，一条短消息可以传送160个英文字符；
如果采用8位编码的话，则一条短消息可以传送140个英文字符；
如果要采用16位编码的话，一条短消息只能传送70个中文字符。
SMS是非对称业务，它使用控制信道传输数据分组。
所以，系统可以支持短消息与话音、数据、传真等业务的同步传输，即使在业务信道处于高峰期的情况下，也照样可以使用短消息顺利通信。
短消息传送具有覆盖广、在线保持、自动传送、费用低廉、稳定性高等优点，比较适合于频繁远距离传送、小流量数据的领域。
如楼宇设备安全监控、车辆监控调度、野外数据采集及操控、水利水情监控、环境远程监测、GPS定位等。
由于GSM网络在全国范围内实现了联网和漫游，比起传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势，加上GSM本身具备的数据传送功能，都将使这些应用得到迅速的普及。
根据当前变电所远程监测任务的需要，在基于GSM的变电所远程监测系统中也应用了基于短消息的远程监测功能。
2.2.2数据交换电路业务
GSM数据交换电路业务（CircuitSwitchData，CSD）是基于电路交换原理提供数据传输服务的，系统结构及其工作工程如下图所示：
图2.6GSM电路型数据业务系统及工作过程
在上图中，移动终端（MT）可以是一个支持CSD业务的GSM终端、一台具有此项功能的PC计算机或者服务器。
每一个移动终端MT有一个唯一的网络地址（一般为数据业务号码或者移动电话号码），用于识别和定位；
其中BSS（BasicstationSubsystem）是基站子系统，包括BTS（Basictransceiversubsystem基本收发机子系统）和BSC（BaseStationController，基站控制器）；
箭头线为信令信道，竖线则是数据通道。
从图2.6中可以看出，主叫MT与被叫MT建立电路连接是一个比较复杂、漫长的过程。
CSD业务包含两种：
高速（HighSpeedSwitchData）和低速（lowSpeedSwitchData）两种。
低速业务传输速率可以达到9600bit/s，是GSM服务商（SP）普遍提供的一种CSD业务。
高速CSD有两种方式实现：
一种是仍然使用一个时隙，但采用不相同的编码技术，把一个时隙的传输速率提高到了14.4Kbit/s；
二是采用“时隙捆绑”技术，使用多个时隙，最高的传输速率可以达到57.6Kb/s。
2.2.3通用分组无线业务
通用分组无线业务即GPRS（GeneralPacketRadioService）是在GSM基础上发展起来的一种新型承载业务，利用GSM的无线通信和MS的移动管理功能，提供多种协议的数据业务，例如INTERNETIP数据业务，其体系结构如下图所示：
图2.7GPRS的体系结构
在上图2.7中，MS为具有GPRS功能的计算机、手机等移动台，对于IP数据业务，每一个MS有一个唯一的IP地址；
GPRS联合网是连接MS和各种数据网的桥梁，它通过BSS、MSC完成移动管理及MS与数据网之间的数据传输。
GPRS采取多时隙、频率利用率更高的调制方式，此外采取了缩减承载数据保护等技术措施，提高了数据传送的速度。
理论上，最高的速率可以达到171.2Kb/s。
实际上，MS的接入速率大概只有20Kb/s、40Kb/s、60Kb/s、115.2Kb/sKb/s几个等级。
GPRS按照动态分配资源，即只有需要数据传输的MS才占有系统资源。
因此，可以保持MS实时在线，按照MS收发的数据流量计费，避免了因多次登录而浪费时间。
2.2.4GSM数据业务的特点
在上两节中，讨论了采用GSM作为远程通信网络的理由简要介绍了GSM的各项数据业务。
为了更好的的完成铁路局变电所的远程监测的设计任务，本着先进型、实用性和可靠性的原则，有必要进一步确定在基于GSM的远程变电所监测系统中采取的GSM数据业务类型进行探讨。
在此应用中，要根据GSM数据业务的特点和变电所远程监测的关键性能和要求选择数据业务类型，可以从数据类型、实时性、可靠性和使用费用等方面进行比较：
（1）数据类型及长度
在数据类型方面，上述三种数据业务分别可以传送字符、数字、图形等数据类型。
GSM不管所传送数据的内容而仅按照有关的协议，将它们封装在特定的数据报中。
在数据长度方面，一条短消息最多能够包含140个字节的数据；
CSD业务传送的数据长度取决于电路连接的时间长短，可以说是不受限制的；
GPRS数据长度与所连接的数据网有关，对于INTERNET，数据长度遵守IP数据包的规定。
（2）数据传输的实时性与通信双方建立连接所需要的时间、数据传输速度和在线时间有关
关于建立时间，短消息使用信令信道，连接时间很短；
CSD业务使用分配的专用数据通道，加上被叫MS的应答，连接时间较长；
GPRS采用与GSM相同的MS管理策略。
但没有被叫MS寻呼、验证等过程，连接时间比CSD业务稍短。
关于时间传输速度，SM和GPRS业务的数据传输速度主要取决于数据包传输延时，数据传输速度是不定的，CSD业务在建立连接之后，就可以在一定的数据传输速率下，实时地传输数据。
SM业务采用存储转发方式，数据传输延时与网络的业务量有关，一般为几秒，当网络的业务量特别大时，数据传输的延时可能很长;
GPRS业务的传输延时与数据包的大小和网络业务量有关，平均延时在0.5～75S之间。
关于在线时间，SM业务传输一条短消息即建立起一条连接，传输结束即断开连接，不存在在线时间的问题，CSD业务建立连接后，可以保持实时在线，但由于按照连接时间计费，很难保持这样；
GPRS业务建立连接后，除非断开连接，否则始终保持在线，而且按照流量计费，实时在线是完全可行的。
（3）数据的可靠性
数据包括信令和用户数据。
对于信令数据GSM有完善的可靠性和安全保证措施，但对于用户数据则没有多少保证措施，特别是由于任何合法的GSM用户之间均可以相互访问，可以说数据的安全性没有任何保障措施，抵抗入侵的能力很差。
（4）使用费用
上述三种GSM数据业务采用不同的计费方式。
其中，SM业务按照短消息条数来计费，CSD则按照连接时间来计费，GPRS业务按照数据流量计费。
可见，GSM的三种应用于远程监测的数据业务各有特点，可根据监测要求合理地选择。
在满足应用的前提下，尽可能地减低费用。
结合基于GSM的变电所远程监测系统设计的实践，最终选择了以基于CSD业务为主，短消息业务为辅的监测方案。
因为，CSD业务数据传输实时性高、业务量大的特点，恰好适合监测变电所这样数据项多、数据变化快的对象或系统，下章将具体给出铁路35KV变电所的远程监测系统的设计。
2.3GSM调制解调器
GSM调制解调器即GSM-MODEM无线通讯模块设备增添无线通讯能力，从而开发出各种各样的应用。
现在比较常见的适合于工业级GSMMODEM有SIMENS公司的TC35、摩托罗拉公司的D10、法国wavecom公司的Q2403系列模块，另外还有很多国内厂家采用这些名牌厂家的技术生产的OEM产品。
模块采用发展最成功的无线通讯技术，能提供短消息﹑话音通讯和数据通讯三大功能。
支持900/1800MHz双频，接通率更高，信号质量更好。
一般能够外接状态指示灯，指示工作状态。
采用标准RS-232串口或者其他串行通信接口，简单易用。
此外GSMMODEM采用了工业级设计，确保在工业现场运行畅通无阻。
开发时一般采用调用API函数和直接发送AT指令两种方式对GSM调制解调器进行控制，实现短消息收发、远程计算机呼叫等功能。
采用API函数编程时，需要对计算机和调制解调器的硬件知识有相当深的了解，对于我们的开发新手不是很适合，为此，选择了采用了AT指令操控GSM，可以减轻编程的难度。
AT即（Attention），AT命令集是从TE（TerminalEquipment）或DTE（DataTerminal.Equipment）向TA（TerminalAdapter）或DCE（DataCircuitTerminatingEquipment）发送的。
通过TA，TE发送AT命令来控制MS（MobileStation）的功能与GSM网络业务进行交互。
用户可以通过AT命令进行呼叫短信、电话本、数据业务、补充业务、传真等方面的控制，具体的使用方法将在编程中详细说明。
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