辽宁工程技术大学之基于GPRS的电梯远程监控系统的设计.docx
- 文档编号:10403465
- 上传时间:2023-05-25
- 格式:DOCX
- 页数:68
- 大小:636.48KB
辽宁工程技术大学之基于GPRS的电梯远程监控系统的设计.docx
《辽宁工程技术大学之基于GPRS的电梯远程监控系统的设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《辽宁工程技术大学之基于GPRS的电梯远程监控系统的设计.docx(68页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
辽宁工程技术大学之基于GPRS的电梯远程监控系统的设计
摘要
随着城市的现代化发展,城市高楼的不断涌向,电梯作为城市高层建筑的唯一运输工具,其安全性和可靠性得到越来越多的人的关注。
由于计算机、控制和网络技术的进一步融合,国内外的电梯公司都尝试着通过网络远程来监控电梯的运行情况。
但是有各个电梯厂家的标准不相互兼容,导致电梯远程监控系统的开放性和兼容性能都很差。
基于以上情况,本文以寻求一种拥有好的兼容性和开放性的电梯远程监控系统为目的,通过GPRS技术来实现电梯运行状态的远程监控。
监控的数据采集端采用STM32来实现对电梯控制器的数据采集。
监控中心利用DELPHI的组件编程来实现。
本文通过分析电梯的发展现状和对传输媒介的讨论,得出最好选择利用GPRS来实现电梯的远程监控的结论。
监控中心基本实现了电梯数据的接收和查看,对电梯的各种故障和运行状态能够实时的显示,以便监控人员能够及时作出处理。
关键字:
GPRS;电梯远程监控;DELPHI;组件编程
Abstract
Asthecitiesdevelopingmoreandmoremodern,morebuildingshavebeenbuiltincity.Theelevator,theonlytraffictoolinthebuildings,getsmoreandmoreattentioninitssecurityandreliability.Manycompaniesaroundtheworldtrytoremotemonitoringtheelevatorwithnetworkasitisgettingfurtherintegrationintechnologyofcomputer,controlandnetwork.Buteachofcompanyhashisownmanufacturersstandard,theirelevatorremotemonitoringsystemofopennessandcompatibilityareinpoorperformance.
Baseontheabovesituation,ItrytomakeabetterelevatorremotemonitoringsystemwhichperformsperfectlyinopennessandcompatibilitywithGPRStechnologyinthispaper.TheterminalofmonitoringsystemtocollectdataismakeupwithSTM32MCUandsoon.ThemonitoringcenterusesDELPHIcomponentprogramming.Inthispaper,byanalyzingthecurrentsituationofthedevelopmentoftheelevatorandthediscussionofthetransmissionmedium,itisconcludedthatthebestchoiceisusingGPRStorealizeremotemonitoring.Monitoringcenterhasbeenbasicallyachievedthedatareceivingandview.Italsocanreal-timedisplayvariousfaultandrunningstatusofelevator.Sotheadministratorcandealwiththeprobleminatimelymanner.
Keywords:
GPRS;elevatorremotemonitoring;DELPHI;componentprogramming
前言
随着经济社会的不断发展,城市的规模快速扩大,人口急剧增长,为减缓土地资源的紧张,各种各样用途的建筑在城市中的大量涌现现,电梯作为一种垂直运输设备在社会经济生活中就显得尤其重要。
高层建筑的日益增多和建筑设计的档次规格的提高,使得人们对电梯服务有了更高的要求。
而人们对电梯的期望已经不仅仅局限于制造坚固、装潢考究、乘搭舒适这些东西了,电梯的安全可靠才是人民真正所关心的[1]。
为了提高电梯的服务水平,增强企业行业竞争力,国内外的众多电梯生产企业和有关研究单位都在积极地参与研究开发和推出各自的电梯远程监控系统[2]产品。
在国内,比如中国移动的电梯卫士服务,珠海市阿尔法有限公司的“阿尔法电梯远程监控系统”,日立电梯建设的远程监控系统和奥蒂斯公司电梯监控系统等。
但是因为这些产品都是各自的厂家在自己的规范内推出的,每个厂家都有不同的规范,因此每个厂家的产品相互不兼容,在通用性和开放性方面表现的不如人意。
此外,还有一些系统是基于有线方式的。
比如三菱的SMOS-II系统,奥的斯的REM5.0系统等。
这使得布线较困难,增加了成本。
本文将GPRS网络作为电梯远程监控系统的数据传输网络,充分利用已有的公共网络资源,节省了网络建设及维护成本[3]。
而且GPRS仅按数据流量计费,减少了系统运营成本,保证系统能够经济运行,同时在开放性和普遍性方面有进一步的发展。
1电梯远程监控系统的现状和发展
1.1监控技术的概述
监控技术广泛应用于各种工业过程控制、军事自动化、电力自动化、金融自动化、高速公路集中监视、环境自动观测、水情遥测、大型输水工程自动监控等[4]。
随着电子IT技术的发展,以及计算机技术、数字通信技术、自动控制技术和集成电路的高速发张及融合,20世纪80年代以来基于各种IT技术的监控系统正是随着这些技术的出现和发展而产生的。
在20世纪90年代,通信、微电子、计算机等技术的进一步飞快发展,以及市场对监控要求和任务的多样和复杂化,那时的电梯的监控系统也具有器时代的特性。
尽管各种系统应用的场合和完成的任务不同,但他们在系统级上,大致都有着以下一些特点和发展趋势[5-6]:
(1)系统的功能综合化,在监控方式方面从单一的集中监控、现场监控发展到分散式、分布式的监控。
(2)从系统的数字式监测与控制,发展到与视频监控相结合,对监控对象的信息的采集与处理也在数据的基础上增加视频和音频。
(3)从综合监控发展到与自动化管理相结合。
因此,当前先进的监视控制系统集监视、管理、控制以及决策支持等功能于一体,成为高度集成自动化系统。
远程监控是指本地计算机通过类似于因特网[7]这样的网络系统,对位于离监控远处的工业设备进行监视和控制,完成对处于离散状态的工业设备的集中控制,这样就能集中的进行监控和管理了。
现有的远程监控系统,都是按照两种不同的方向去发展的[8-9]:
(1)关注对图像信息的采集与播放,在控制端以视频的形式再现。
这种发展模式的优势在于控制信息直观、有效,但是要在此基础上进行视频数据挖掘,则代价又比较昂贵。
现在大众化的视频监控系统是这种类型的典型代表。
(2)关注对控制信息的交互,在控制端以仿真的手段实现远程监控,此模式的优点是控制效率较高、数据传输量小,但是直观性不强,操作不够直接。
现在很多成熟的工业组态软件,均具有此远程监控功能。
1.2国内外电梯远程监控系统的发展状况
电梯远程监控系统是一种高级的电梯监控技术,它是在计算机技术、通信技术、监控技术的迅猛发展的前提下出现的。
国内的一些公司及电信运营商在电梯远程监控系统方面有新的发展。
(1)中国移动建立的电梯监控系统如电梯卫士。
“电梯卫士”通过安装一系列的传感器来采集电梯运行、故障和维保数据,经过GPRS无线通信模块将将数据传到M2M电梯管理中心,实现物业、维保和政府管理部门对电梯的信息化管理和电梯故障的及时处理。
该服务的客户类型大多数都是商务楼宇等物业管理类的,可以对监控电梯运行及故障实时的进行有效的检测和预判。
让电梯设备的管理人员能够有效地进行维护处理,降低电梯的故障发生率。
(2)由珠海市阿尔法有限公司开发的电梯远程监控系统如“阿尔法电梯远程监控系统”。
该系统主要由三部分组成:
①信号采集单元。
②处理计算机,负责信号值传输的电话网络。
③向维修工作人员提交界面式数据服务。
当现场设备检测到有电梯故障的信号,监控中心就会收到现在设备通过网络将故障反馈的信息。
该系统实施分级检测策略,并提供了故障数据库,用户数据库和用户界面的实时控制窗口,可以进行远程的故障实时显示,具有电梯故障自动报警功能。
监控中心的人机交互界面提供了可以实时显示观察到所监控的电梯的工作状态的功能。
电梯远程监控系统在国外的研制要比国内要成熟,应用也相对广泛。
相对来说,以下的公司是比较有影响力的:
(1)日立电梯公司的远程监控系统,该系统能实现对监控的电梯的运行数据实时显示,会建立起一个对电梯工作状态的数据库并能动态的维护和更新,这样就可以利用电梯数据库里面的数据来有效的防范电梯的故障,及时进行维护,延长电梯的使用寿命。
当监控的电梯出现故障时,电梯里面的通信模块将主动向监控中心发送报告,监控中心根据故障信息向当地维保人员发出维修命令,维修人员及时赶到故障现场进行维修,及时解决问题。
(2)奥蒂斯公司的电梯监控系统。
该电梯远程监控系统能够实时的监视电梯的基本参数并智能化决策所需要的维护信息,如对不合理的参数进行调节、给出维护建议等。
当电梯里面的设备检测到电梯运行效率降低或预测到电梯将要出现问题时,系统就会给电梯的乘坐人员提前发出警告。
当检测系统检测到故障时,电梯里面的系统将通过网络及时通知远程监控中心,中心就会根据故障信息及时通知维保人员去维修。
2GPRS体系结构和工作原理
2.1GPRS概述
GPRS是通用分组无线业务(GeneralPacketRadioService)的简称,它是GSM移动用户的一种业务,常被描述成“2.5G”。
通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道,提供一种相对于GSM来说更高的数据传递。
GPRS是数据分组交换网,它与GSM网只提供电路连接的方式不同,它是基于数据分组的,是以封包(Packet)的方式来传输的,因此用户的费用可以以其传输流量来计算,并非以使用整个频道计费,从当时的理论上来说较为便宜。
通过在GSM网的基础上增加几个功能实体和在现有的基站系统基础上进行改造,实现封包的方式传输,所以说它是GSM的升级。
GPRS网络允许用户以端到端分组模式实现数据的发送和接收,不再利用电路交换模式下的网络资源,从而提供了一种高效率、低成本的分组数据业务。
GPRS支持具有以下特点的数据应用业务:
①适用于不连续的非周期性即带有突发性的数据传送。
②小流量数据传输的业务处理,允许每分钟多次突发数据的出现,可以频繁的传输数据;③偶尔的大流量的业务。
因此,GPRS技术非常适合于本身具有突发、间断、频繁和量少的数据传输业务,也可适用于偶尔的大数据量传输的应用情况。
2.2GPRS技术介绍
2.2.1GPRS网络的特点
因为GPRS是在GSM网路的基础上添加了SGSN和GGSN两个网络节点而发展起来的,所以它具有GSM网络所不具有的特点。
①利用GSM网络中未使用的TDMA信道,提供较高的数据传递。
②网络的接入速度快。
GPRS网络的核心是一个支持IP分组的网络,它可以和其他的分组网络进行无缝的连接。
③可以永久在线。
分组业务在传输的时候不占用信道,不像GSM网络不断地进行连接和断开。
④支持广发的IP协议和X.25协议。
⑤提供丰富的数据业务。
虽然GPRS有这么多的优点,但是还是有一些不足。
例如,①在传输的过程中会存在丢包的情况。
②相对于3G来说会有很严重的延时。
③对于图像传输不可靠。
④实际的传输速率会比理论值低。
综合比较其优点和缺点可以知道GPRS这种技术适合用于传输量小且频繁的远程监控系统。
2.2.2GPRS基本的体系结构
将现有GSM网络改造为能提供GPRS业务的网络需要增加两个主要单元:
SGSN(GPRS服务支持节点)和GGSN(GPRS网关支持节点)[10]。
SGSN的工作是对移动终端进行定位和跟踪,并发送和接收移动终端的分组。
GGSN将SGSN发送和接收的GSM分组按照其他分组协议(如IP)发送到其他网络。
GPRS的网络的逻辑结构如图2-1。
图2-1GPRS网络的逻辑结构
Fig.2-1thelogicalstructureofGPRSnet
信令和数据传输接口注:
PDN=分组数据网
信令接口
SMS:
短消息服务SM-SC:
短消息服务中心SMS-GMSC:
支持短消息服务的网关MSC
SMS-IWMSC:
支持短消息服务的互连MSC
SGSN是GPRS网的主要设备,它负责分组的路由选择和传输,在其服务区负责将分组递送给移动台,他是为GPRS移动台构建的GPRS网的服务访问点。
当高层的协议数据单元(PDU)要在不同的GPRS网络间传递时,源SGSN负责将PDU进行封装,目的SGSN负责解封装和还原PDU。
在SGSN之间采用IP协议作为骨干传输协议,整个分组的传输过程采用Tunneling(隧道)协议。
GGSN也维护相关的路由信息,以便将PDU通过隧道传送到正在为移动台服务的SGSN。
SGSN完成路由和数据传输所需的与GPRS用户相关的信息均存储在HLR中。
GGSN像互联网和X.25一样,用于和外部网络的连接。
从外部网路的角度看,GGSN是到子网的路由器,因为GGSN对外部网络“隐藏”了GPRS的结构。
当GGSN接受到地址为一个特定移动用户的数据时,GGSN检查这个地址是否处于激活状态。
如果处于激活状态,GGSN就转发数据到相应的SGSN;但如果不是激活的,则数据将丢弃。
由移动台发出的分组被GGSN发送到目标网络。
在GPRS网络中,对HLR进行了升级,使其包含了GPRS用户数据信息。
SGSN通过Gr接口可以访问HLR,GGSN通过GC接口可以访问HLR。
MSC/VLR功能也得到了加强,SGSN通过GS接口可以访问VLR,从而能更好的调和非GPRS之间的服务和功能。
为了能在GPRS网中提供SMS,SMS-GMSC(支持短消息服务的网关MSC)和SMS-IWMSC(支持短消息服务的互连MSC)也得到了加强,SGSN通过Gd接口可以访问SMS-GMSC和SMS-IWMSC。
为了与SGSN进行互连,基站子系统(BSS)把无线接口升级为增强版的链路层协议(包括无线链路控制(RLC)/多址接入控制(MAC)协议),使得用户能复用相同的物理资源。
BSS在数据发送或接受时分配资源给用户,随后还会重新分配。
BSSGPRS协议(BSSGP)提供了在一个BSS和一个SGSN之间传输用户数据所必需的无线相关的QoS和路由信息。
BSS和SGSN之间的接口为Gb接口。
一个简单的GPRS网络之间的路由过程如图2-2。
图2-2一个简单的GPRS网络之间的路由过程
Fig.2-2theprocessoftheroutinginasimpleGPRSnet
源移动台的SGSN封装移动台(MS)的分组,并将分组路由到合适的GGSN-S。
基于分组中的目的地址,分组通过分组数据网被传送到目的GGSN-D。
GGSN-D检查与目的地址相关的路由信息,确定服务目的用户的SGSN-D并确定相关的隧道协议,将分组封装后传送给SGSN-D。
SGSN-D最后将分组传送给目的移动用户。
2.2.3GPRS的协议
GPRS的协议体系如图2-3.
图2-3GPRS的协议体系
Fig.2-3theprotocolsystemofGPRS
GPRS隧道协议(GTP,GPRSTunnelingProtocol)用来在GPRS支出节点(GSN)(GSN是GGSN和SGSN的统称)之间传送数据和信令。
它在GPRS的骨干网中通过隧道的方式来传输PDU。
所谓隧道,是在GSN之间建立一条路由,使得所有由源GSN和目的GSN服务的分组都通过该路由进行传输。
为了实现这种传输,需要将源分组重新封装成以目的GSN为目的地址的分组在GPRS骨干网中传输。
在SGSN和MS之间,依赖子网的汇聚协议(SNDCP,SubnetworkDependtConvergenceProtocol)将网络层的协议映射到下面的逻辑链路控制(LLC)层,提供网络层业务的复接、加密、分段、压缩等功能。
LLC层是在移动台和SGSN之间向上层提供可靠、保密的逻辑链路,它独立于下层而存在。
LLC层有两种转发模式:
确认模式和非确认模式。
LLC协议的功能是基于LAPD(链路接入步骤-D)协议的。
RLC/MAC层通过GPRS无线接口物理层提供信息传输服务,它定义了多个用户共享信道的步骤。
RLC负责数据块的传输,采用选择式ARQ协议来纠正传输错误。
MAC层基于时隙ALOHA协议,控制移动的接入请求,进行冲突分解,仲裁来自不同移动台的业务请求和进行信道资源分配。
物理链路子层(PLL)负责前向纠错、交织、帧的定界和检测物理层的拥塞等;物理射频子层(RFL)完成调制解调、物理信道结构和传输速率的确定、收发信机的工作频率和特性确定等。
LLC在BSS处分为两段,BSS的功能称为LLC桥接(LLCRelay)。
在BSS和SGSN之间,BSSGPRS协议(BSSGP)负责传输路由和与QoS相关的信息,BSSGP工作在帧中继(FrameRelay)的协议之上。
3系统总体方案设计
该系统由前端数据采集控制装置、GPRS数据传输部分和远程监控服务中心组成。
电梯设备采用GPRS模块与监控中心之间通过Internet网络进行双工通讯如图3-1。
图3-1系统组成框图
Fig.3-1BlockDiagramofSystemComposition
单片机系统由STM32单片机最小系统组成,主要负责对GPRS通信模块的控制和数据通信,以及通过RS232串口线与电梯控制器进行数据传输和控制(控制命令由上位机发出,经GPRS通信模块传到单片机再传到电梯控制器)。
GPRS通信模块(SIM900A)主要负责接入INTERNET网络,接受或发送INTERNET网络数据和命令。
上位机(用DELPHI来编写)主要负责在INTERNET上传送数据和管理员的命令到GPRS通信模块中,是一个人机的交互界面。
电梯设备的数据可以上传给监控中心,监控中心的数据或命令也能下达给电梯设备。
每一台的电梯设备用的是GPRS模块,GPRS模块采用的是SIM卡来进行上网身份的确定和收取服务费,每一张SIM卡的卡号都是唯一的,为了实现远程的智能监控,因此必须是监控中心的一台计算机可以同时监控多台电梯设备,多台电梯设备之间的区别正是设备的设备号。
设备的设备号也必须是唯一的,正好每台设备都采用自己的SIM卡的卡号作为本设备的设备号。
当一般有报警时,电梯设备就把要上传的报警信息按照一定的格式打成一个数据包,因为GPRS模块上网的模式也正是数据包的格式,正好把打好的数据包通过GPRS模块上传给监控中心,数据包根据事先监控中心与电梯设备规定好的数据格式打包,监控中心收到数据包之后,对数据包进行解包分析,分析出数据包的信息,如果是事故监控中心就通知相应的处理人员并把相关的数据信息进行存储,处理人员立即就对电梯进行事故处理。
总的方案示意图如图3-2所示。
图3-2总的方案示意图
Fig.3-2theschematicofwholeplan
4系统远程终端设计
4.1系统远程终端硬件设计
4.1.1系统远程终端硬件设计方案
远程终端是系统对监控电梯的数据采集的前端接口,是整个系统运行的基础。
考虑到硬件部分应该符合功能实用/结构简单及成本低廉的特点,而且电梯本身的特点要求系统有实时性,因此在进行系统设计的时候要充分考虑以上的几种因素。
利用电梯本身现有的控制设备,终端机通过串口从电梯控制器取得电梯的运行数据,有嵌入式MCU处理成监控中心能够识别的信息,完成监控系统的信息采集工作。
参考常用的硬件设计方法,有以下三种设计方案可供选择:
①单片机实现
单片机在其发展的几十年里,已经广泛地应用于工业领域的各行各业,由于单片机具有成本低、开发难度低、集成了串口、计数器功能并扩展了I/O口,在大多数的应用中,单片机的这些功能已能够满足需要了。
在单片机应用系统中,常用的有51系列和PIC系列的单片机作为核心芯片,优势在于系统的技术成熟、结构简单和可扩展性强。
单片机系统的优点在于成本低廉、容易实现、解决方案成熟并且维护方便,但是单片机系统也有不足之处,系统的工作频率较低,实现高速数据处理较困难,这类型的单片机由于速度和位宽的限制适用于简单应用场合,不能够满足本系统设计的需要。
②FPGA实现
FPGA是Field-ProgrammableGateArray的缩写,即现场可编程门阵列,是上世纪90年代发展起来的高速可编程的大规模逻辑器件。
由于FPGA具有高集成度、高可靠性和系统编程的优点,采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路),用户不需要投片生产,就能得到合用的芯片。
随着技术的发展,FPGA因其丰富的片上资源,数据处理的高速性能,使得它很适合于高速数字系统的应用。
但是该方案的成本较高,技术开发难度较大,所以在本次系统设计中未采用此方案。
③ARM方案实现
ARM是AdvancedRISCMachines的缩写,ARM处理器以其高性能、小体积、低功耗、紧凑代码密度和多供应源的结合而著称,此类处理器有3大特点:
功耗低、成本低和功能强;16位/32位指令集;全球众多合作伙伴保证芯片供应。
ARM处理器有丰富的片内资源,可扩展应用的I/O接口数量大,使得以ARM为基础的开发工作大大简化;它提供的用于在线调试的JTAG接口,极大地方便软件程序的设计与调试;借助于来自第三方开发者广泛的支持,设计者可以使用丰富的标准开发工具和ARM优化的应用软件。
ARM平台的硬件和软件资源都有大量的技术支持,ARM相技术资料丰富,使得设计开发工作变得相对容易。
考虑到ARM系统成本低、性能优越,结合监控系统的需要,在本次设计中采用ARM处理器+GPRS通信模块的结构平台来实现。
4.1.2系统终端的硬件功能设计
远程终端在GPRS电梯监控系统中是一个十分重要的设备。
从本质上来说,终端机就是一个小型的远程数据处理终端,它有两方面的作用,一方面采集电梯运行状态数据,获取电梯的工作参数和故障信息;另一方面类似于进行数据上传与接收的转发器,将终端采集的数据发送到监控中心,并接收来自监控中心的数据。
终端机的微处理器利用其串行通信接口的功能进行数据通讯的信号传送,把微处理器的一路串口经过RS232电平转换电路连接到电梯控制器,进行电梯运行数据的采集,并对所采集的数据进行处理,按预定格式把处理后的数据打包;另一路串口则与GPRS通信模块相连接在一起,在微处理器与GPRS同模块之间以串行通信的方式实现信息的双向交换传送,微处理器把打包后的数据经GPRS通信模块发送到监控中心,GPRS通信模块则把接收到的监控中心的数据传送到微处理器以待处理。
终端机的工作过程:
终端上电后向SIM900A模块发送一系列的AT指令,使SIM900A登录到GPRS网络后获得一个动态的IP地址,之后向监控中心发送连接请求。
终端机和监控中心连接上后就可
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 辽宁 工程技术 大学 基于 GPRS 电梯 远程 监控 系统 设计