硕士研究生学位论文

基于无线网络的终端设备监控器

学科专业：

培养方向：

硕 士 生：

指导教师：研究与设计

Research and Design of Supervisor to

Terminal-Unit Based on Wireless Network

Dissertation Submitted to

China University of Petroleum

in partial fulfillment of the requirement

for the degree of Master of Engineering

by

XU Hong-wen

(Measurment Technology)

Dissertation Supervisor:

ZHAO Shi-jun

CHEN Hui

September, 2007

独 创 性 声 明

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签 名： 年 月 日

关于论文使用授权的说明

本人完全了解XX大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

(保密论文在解密后应遵守此规定)

学生签名： 年 月 日

年 月 日

导师签名：

基于无线网络的终端设备监控器研究与设计

摘要

SCADA系统的通信手段是制约其应用范围的最主要因素。随着监控系统提出的新需求，传统的有线数据传输方式已成为了SCADA系统发展的瓶颈，制约着其在很多场合(如：终端设备需要移动、监控区域比较广等)的广泛应用。因此，迫切需要一种更灵活、更适于远程监控的通信方式。随着Internet技术和中国移动通信技术的发展，将GPRS无线网络通讯技术应用于远程监控系统，正逐步成为一个新的研究和应用热点。

此外，虽然目前对于远程监控系统的设计和开发正日益成熟，但其中一个重要课题——远程监控终端的开发设计，却常常被忽视。单片机由于其控制功能强大、品种多、价格低廉，正广泛应用于工业控制的各个领域，特别是在现场数据采集和现场设备控制等方面。

结合以上两个方面，本文提出了基于无线网络的终端设备监控器的研究与设计，采用单片机设计终端设备监控器，力争使设计出的终端设备监控器具有通用性，能够满足各种现场信号的采集，采集到的数据通过近距离无线模块和GPRS DTU远程传输至数据中心，从而为架构适应于众多监控场合的SCADA系统提供了一种可行性方案，有其重要的现实意义。 论文首先阐述了GPRS通信技术，包括其通信原理、通信优点、组网方式以及选择GPRS通讯应该注意的问题等，为GPRS技术的应用打下了理论基础；然后对整个系统的总体设计方案和组成原理做了简要介绍；之后重点介绍了本文的两大主要内容：终端设备监控器的设计和基于GPRS网络的无线数据传输研究。主要有终端设备监控器各主要功能模块的软、硬件详细设计，GPRS通讯设备的选择以及单片机与GPRS DTU通信的软、硬件实现等，并对GPRS DTU数据传输功能做了测试。最后总结了所做的工作，并对进一步工作做了展望。

关键词：GPRS DTU，单片机，PTR2000，终端设备监控器

Research and Design of Supervisor to Terminal-Unit

Based on Wireless Network

XU Hong-wen (Measurment Technology)

Directed by Researcher ZHAO Shi-jun，

Engineer CHEN Hui

ABSTRACT

The way of communication to SCADA is the key reason to it’s application. With bringing forward new require, the traditional lineate-transmission has blocked it’s development and also baffled SCADA’s application in many conditions such as the terminal-equipment must move or the area is very abroad. Because of this, now, we need imminently a more compatible way of communication to SCADA. With the development of Internet Technology and China Mobile Communication, Using GPRS to SCADA system is step by step became a new hotspot of research and application.

On the other hand, although the design and application of SCADA is matured increasingly, one of it’s important problem—the Design and Research of Surveillant Terminal is often ignored.Because it has powerful controlling function, many kinds and low price, MCU is now being used in many of fields of industrial control, especially in Data Acquisition and Equipment Control.

Taking two sides above into account, we bring out Research and Design of Supervisor to Terminal-Unit Based on Wireless Network.We use MCU to design Supervisor to Terminal-Unit and make it current so that can collect all kinds of signal.The data collected can be transmitted to Surveillant-center by way of close quarters’s wireless communication and GPRS. This design offers a feasible project to construct SCADA system adapting to many conditions, so it has important significance.

This paper introduces GPRS technology which are theoretic basic to

GPRS’s application at first, including it’s communication principle, advantage, network construction and also many problems we should pay attention to when we use GPRS technology.Then, describes the system’s design scheme and it’s whole configuration. After that,describes it's two main contents in detail,one is Design of Supervisor to Terminal-Unit, including the design of Supervisor’s main function modules, both in hardware and in software.The other is research of data-communication based on GPRS, including the choice of GPRS communication-equipment, the hardware and software design of communication between MCU and GPRS DTU and test to GPRS DTU’s data- transmission function. Finally, summarizes the work and expects the further development.

Key Words: GPRS DTU,MCU,PTR2000, Supervisor to Terminal-Unit

目 录

声 明 ......................................................... I 中文摘要 ..................................................... II 英文摘要 .................................................... III 目 录 ...................................................... V

第1章 绪论 ................................................... 1

1.1引言 .................................................... 1

1.2监控系统（SCADA）综述 ................................... 2

1.2.1 SCADA系统的发展现状 ................................. 2

1.2.2 远程监控系统的特点 .................................. 3

1.2.3 远程监控系统的数据传输方式[4] ......................... 3

1.3 课题提出的背景与研究意义 ................................ 4

1.4 课题研究内容 ............................................ 5

1.5 论文组织结构 ............................................ 5

第2章 GPRS通信技术 .......................................... 7

2.1 GPRS网络结构与通信原理[12][13][14] ............................ 7

2.2 GPRS技术优点[15] .......................................... 9

2.3 GPRS组网方式 ........................................... 10

2.4 使用GPRS网络传输数据需要注意的一些问题 ................ 11

第3章 系统总体设计及实现方案 ................................ 13

3.1 系统总体设计原则[17] ..................................... 13

3.2 系统组成原理 ........................................... 14

3.3 系统硬件设计方案 ....................................... 14

3.3.1 终端设备监控器硬件设计 ............................. 14

3.3.2 现场主站单元硬件设计 ............................... 15

3.4 系统软件设计方案 ....................................... 16

第4章 终端设备监控器硬件设计 ................................ 17

4.1 W77E58单片机介绍 ....................................... 17

4.2 各功能模块电路设计 ..................................... 20

4.2.1 电源模块电路设计 ................................... 20

4.2.2 实时时钟模块电路设计 ............................... 21

4.2.3 LCD液晶显示模块电路设计 ............................ 23

4.2.4 I2C总线串行通信设计 ................................ 25

4.2.5 A/D转换模块电路设计 ................................ 28

4.2.6 开关量输入输出模块电路设计 ......................... 30

4.2.7 PTR2000通讯模块电路设计 ............................ 31

4.3 单片机系统硬件抗干扰设计[31] ............................. 32

第5章 终端设备监控器软件设计 ................................ 35

5.1 终端设备监控器软件设计整体流程 ......................... 35

5.2 终端设备监控器各模块程序设计 ........................... 37

5.2.1 时钟模块程序设计 ................................... 37

5.2.2 I2C总线软件模拟程序 ................................ 40

5.2.3 A/D转换子程序设计 .................................. 46

5.2.4 PTR2000串行通信程序设计 ............................ 48

5.2.5 开关量输入/输出子程序 .............................. 49

5.3 单片机系统软件抗干扰设计[31] ............................. 50

第6章 基于GPRS无线网络的数据传输 ........................... 53

6.1 GPRS无线数据传输原理[36] ................................. 53

6.2 GPRS通讯设备的选择 ..................................... 54

6.2 SARO3150P GPRS DTU介绍 .................................. 56

6.3 SARO3150P GPRS DTU参数配置 .............................. 57

6.4 W77E58与SARO 3150P接口电路设计 ........................ 59

6.5 W77E58与GPRS DTU通信的软件设计 ........................ 60

6.5.1 GPRS DTU工作流程 ................................... 60

6.5.2 W77E58与GPRS DTU通信软件实现 ...................... 61

6.6 GPRS DTU数据传输测试 ................................... 62

第7章 总结与展望 ............................................ 64

参考文献 ..................................................... 65

致谢 ......................................................... 68 个人简历和在学期间的研究成果 ................. 错误！未定义书签。

注释：目录中不要有文献号

第1章 绪论

1.1引言

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即监测控制与数据采集系统，就是以计算机为基础的监测控制与管理自动化系统，其功能是在工业生产过程中，实时采集现场数据，对现场进行本地或远程的自动控制，对工艺流程进行全面、动态和实时监视，能实现远程数据采集、设备控制、测量、参数调节以及信号报警等各项功能，从而为生产、监测和管理提供必要的数据。SCADA系统可广泛应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制[1][2][3]。

SCADA系统，本质上允许用户从一个或者多个远程设备采集数据或者发送控制命令给该远程设备。但是传统的遥控、遥信、遥测、遥调“四遥”，由于技术和管理的原因，还难以实现真正的无人值守。如何实现距离从数十米到数千公里的远程设备之间的自由通信，实现真正的所见即所得，成了摆在研究人员面前的一个重要课题。同时，随着市场经济全球化，人们的生活方式也呈现多样化，从封闭到开放，固定到流动等。作为贯穿于国民生产各个领域的工业监控技术，其研究对象也呈现出广域分布化、大规模化、复杂化、移动性、多样性、动态性以及智能化等新特点。也就是说，正是由于监控对象出现了广域分布化的特点，随之而来必然对监控系统提出了大规模化、复杂化、移动性、多样性、动态性以及智能化等新需求。

SCADA系统的通信手段是制约其应用范围的最主要的因素。在很多情况下，通信条件的好坏直接决定着SCADA系统的性能。为了满足SCADA提出的新需求，工业监控系统采用的数据传输方式正在从传统的有线传输方式向无线传输方式转变。而同时伴随着中国移动在全国范围内全面推广第2.5代的GPRS数据业务，对基于GPRS无线网络数据传输的工业远程监控系统的研究和应用已经成为了当今工业监控领域的研究重点和热点之一。充分利用现代移动通信技术，建立高可靠性、稳定性、实用高效的通信链路，必将为工业监控领域的发展掀开新的一页。

本文提出的基于无线网络的终端设备监控器的研究与设计将结合先

进的智能仪表技术、GPRS移动通讯技术、Internet网络技术、嵌入式软件技术以及电子技术，设计出适合各现场的终端设备监控器，并且数据完全无线传输，从而实现对工业现场的多点远程监控。此设计将突破传统远程监控系统的地域范围和组网方式，提供一种全方位、廉价、可靠的远程监控解决方案。

1.2监控系统（SCADA）综述

SCADA系统一般采用分散式测控、集中式管理的方式。整个系统由数据中心、若干个分散的远程监控终端RTU(Remote Terminal Unit)和通信介质三部分组成。数据中心又称主站，是SCADA系统的核心，负责控制管理整个系统的运行；RTU又称外围站点，是采用微处理器或DSP的可独立运行的智能测控模块，完成各种远端现场数据的采集与处理、现场执行机构的控制以及与远程控制中心的通信，具有易扩展性和易维护性特点；通信介质根据实际需求和应用对象的不同可以采取有线和无线两种方式。

1.2.1 SCADA系统的发展现状

在监控系统发展的早期阶段，由于系统规模较小，功能相对简单，因此传统上总是非常自然地将整个系统作为一个统一实体来设计，整个设计过程无什么方法指导可言。随着系统规模与要求的逐步增大和提高，这种传统设计开发过程的弊端日益暴露出来，相应地带来了系统监控软件开发和维护中的诸多问题。一些专家、学者认为，大规模、复杂监控系统的开发是当今所面临的极富挑战性的课题之一。IEEE控制系统学会、IPAC理论委员会联合发起的“工业控制应用中面临的计算机挑战”课题中，将监控系统的设计方法作为未来的一个主要研究论题。

随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，建立适合各个领域的远程监控系统已是一个必然趋势。在当今社会中，许多企业和部门都迫切需要实现远程控制外场设备。例如小区服务公司对各用户家中的水电气三表的集中监控管理；电力系统对各变电站的远程监控；水利系统对各个水情监测站的远程监控等等。

我国的远程监控系统的发展从20世纪50年代开始，以电力系统远程监控为先导。如今，运动装置等都在不断地完善，由单机系统进而为多机

分布式开放系统。网络通信的应用更好地适应了各个方面对性价比的高要求。当前的远程监控技术的进展有如下特点：

(1)硬件、软件采用模块式、分布式结构，适应性强、可靠性高。性能良好的操作系统、数据库管理系统以及成套的软件开发包为用户的开发和使用带来了极大的便利，并逐渐走向开放化、标准化。

(2)通信网络化。通信网络技术的应用，使得设备之间及设备与监控计算机之间的信息交换更方便。

(3)远程监控系统的通道对通信的质量有重大影响，目前许多单位多在对如何提高通信质量问题进行研究。

(4)工作站采用高性能的微机。高性能微机处理能力强、速度快、容量大而且有支持多网络特点等优点，为提高系统运行和联网性能奠定了基础。远程监控在很多部门、企业的经营和管理中都有着重大意义。能够实现信息的快速采集、综合处理，利用及时的信息提高管理决策水平。随着社会生活的自动化，特别是一大批智能设备的出现，远程监控的应用领域将越来越广。

1.2.2 远程监控系统的特点

远程监控的应用领域非常广泛，监控的内容也丰富多样，采用的技术手段也不尽相同，但究其实质，不外乎如下特点：

(1)位置特点。监控者与被监控者分处在不同的地理位置，其距离从几公里至几百公里乃至更远。

(2)监控内容。无论何种应用领域，远程监控的内容，实质上都是把被监测者的状态数据传递给监控者，监控者对其进行加工、分析，再把控制信息回送给被监控者。

(3)通信方式。远程监控系统在数据通信上，主要有有线方式和无线方式二种类型。

1.2.3 远程监控系统的数据传输方式[4]

在基于远程数据传输的系统中，数据传输的稳定性、可靠性是其中的一项关键指标。目前，通常采用的远程数据传输手段包括：

(1)无线数传电台(无线MODEM)：对数字信号调制后，利用国家无线电管理部门规定的工业频段(MHz—MHz)传送。传输距离一般为几十公

里，通信网络由用户自己搭建和维护。

(2)建设或租用专用传输线路。如微波、卫星、光纤或电缆等，这种方式传输速度快、稳定性及可靠性高，但投资庞大，且运行及维护成本高。

(3)采用现有的传统电话网(PSTN)。这种方式投资少，实现快捷，但传输速度慢，实时性差，经常存在拨号不成功的情况，在数据量大的情况下，运行费用较高，因线路不能共享，在一点对多点的情况下，需要分时段进行数据传输，同时要求在安装位置布设电话线路，因此有些环境下不具备可行性。

(4)采用无线移动网络。如中国移动的GSM、GPRS或中国联通的CDMA等。在一些现行系统中，有些采用GSM短信方式，这种方式易于实现，费用适中，但实时性不高，存在时延，且存在到达率问题，因此有时丢失数据。CDMA为中国联通新近开通的一项数据业务，但由于商用尚在初期，目前网络覆盖率较低，在很多区域不可用。而GPRS为中国移动推出的一项新的数据业务，依托其强大的网络优势，发展迅速，具有很大的应用前景。

1.3 课题提出的背景与研究意义

远程监控系统在工业控制领域起着举足轻重的作用，在许多工业控制场合，需要对一些分散的、无人值守的现场数据进行定时采集，同时给现场的终端设备发送简单的控制命令。对于远程监控系统，数据传输起着非常重要的作用，然而在有些布线困难，维护不方便的场合，尤其是在需要对移动设备进行监控的场合，传统的有线数据传输方式(如PSTN，RS232/485等局部系统总线等)将不再适用。随着仪器仪表向数字化、智能化和网络化的趋势发展，如何实现数据的远程无线传输成为组建远程监控系统的关键，迫切需要一种适应于远程监控系统的合理的数据传输模式。

以GPRS无线网络作为通信信道来组建远程监控系统，有其明显的优势(详见第二章对GPRS技术的综述)。随着中国移动GPRS数据传输业务的发展，对基于GPRS无线网络数据传输的远程监控系统的研究和应用已成为本领域研究的一个重点和热点。此外，虽然目前对于远程监控系统的设计和开发正日益成熟，但是其中一个重要课题——远程监控终端的开发

设计，却常常被忽视。8位单片机由于其控制功能强大、品种多、价格低廉，正广泛应用于工业控制的各个领域，特别是在数据采集，设备控制方面，是单片机的主流机种。因此研究基于8位单片机的无线远程监控系统有着极其重要的意义。

结合以上两个方面，本文提出了基于无线网络的终端设备监控器的研究与设计，采用单片机设计终端设备监控器，数据通过GPRS无线网络传输，从而架构一种适合于现代工业现场监控的SCADA系统，有其重要的现实意义。

1.4 课题研究内容

终端设备监控器的软、硬件设计和基于GPRS无线网络的数据传输研究是本课题研究的主要内容。终端设备监控器是集单片机技术、智能仪表技术、嵌入式软件技术、信号采集技术以及近距离无线通信技术结合为一体而设计出的廉价、高效、应用范围广泛的通用智能监控终端。整个系统的数据传输采用近距离无线通讯和GPRS无线通讯相结合的方式，数据完全无线传输，能够很好的满足现代远程监控的需求。

该系统的设计要点有两个：一是对终端设备监控器的设计。本课题力争使设计出的数据采集终端具有多种数据接口，以期能够对目前工业现场的各种标准信号进行采集，如传感器输出的0-5V电压信号，4-20mA电流信号以及开关量信号等。终端设备监控器还具有对现场进行简单控制和故障报警功能。此外，它还能以近距离无线通信的方式与现场主站单元通信。二是基于无线网络的数据传输，即对现场主站单元的设计。着重探讨单片机通过GPRS通讯设备向数据中心上传数据的软、硬件实现。

注释：课题研究内容叙述太少，没有创新点描叙。

1.5 论文组织结构

本文的组织结构如下：

第1章，绪论。以SCADA系统发展为大背景，提出了利用无线网络数据传输组建SCADA系统的重要性，并给出了课题的研究意义及研究内容。

第2章，GPRS通信技术综述。主要介绍GPRS的网络结构与通信原

理，GPRS无线数据传输在远程监控系统应用中的优点，以及基于GPRS无线通信的监控系统组网方式等。

第3章，系统的总体设计及实现方案。主要介绍系统的整体组成原理以及终端设备监控器、现场主站单元的设计方案。

第4章，终端设备监控器硬件设计。主要介绍终端设备监控器的总体设计电路以及各个功能模块电路的硬件设计。

第5章，终端设备监控器软件设计。介绍终端设备监控器的软件设计整体流程以及各功能模块程序设计。

第6章，基于GPRS无线网络的数据传输研究。主要结合现场主站单元的设计介绍数据如何通过GPRS网络进行传输。重点介绍单片机与GPRS DTU通信的软、硬件设计。

第7章，总结与展望。对论文工作做了概括性总结，并对下一步工作进行了展望。

第2章 GPRS通信技术

GPRS[5][6][7] (General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称，是在现有的GSM系统上发展起来的一种新的数据承载业务，能够提供端到端的、广域的无线IP连接[8][9]。它是第2.5代移动通信系统，是GSM向3G过渡的一个桥梁，具有其明显的技术优势。

(1)GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面的GPRS覆盖。

(2)GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。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[10][11]。

(3)GPRS能够提供高速率的数据传输，采用IP协议并可根据用户需要灵活地动态分配无线资源，从而实现多用户共享，提高频率利用率。同时计费方式也将由传统的按时计费改为根据用户数据的传输量来计费。GPRS不仅仅面向移动数据用户，还面向企业集团等行业用户，通过公众数据网实现专业应用，降低成本，提高效率。基于GPRS的远程网络监控系统采用IP协议传输，通信速度快，数据延迟小，按量计费，系统运营成本很低，容量很大，数据传输和语音通话可以同时进行，并且可以自由进行切换，非常适合应用于大规模的城市分布式测控系统。

正因为利用GPRS无线网络进行数据传输有上述显著的优势，如实现了用户数据与无线网络资源的最佳结合；实现了IP协议的透明传送等。因此就目前来看，GPRS数据通信业务正越来越广泛的应用在远程监控系统中。研究基于GPRS无线网络进行数据传输具有其现实意义。

2.1 GPRS网络结构与通信原理[12][13][14]

GPRS网络是基于现有的GSM网络而实现的，其最根本的区别是：GSM系统是一种电路交换系统，即在发送端和接收端之间建立一个固定