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太原理工大学硕士研究生学位论文 高压输电线路安全监测系统 摘要 输电线路是电力系统的动脉，其运行状态直接决定电力系统的安全和 效益。本课题所设计的高压输电线路安全监测系统以预防为主的科学管理 思想为基础，在输送电线路发生异常时，及时向管理中心汇报相关数据。 该系统对线路杆塔可以进行全天候的监测，能够及时准确的测量由于地面 沉降等原因造成的杆塔倾斜角度以及周围的环境气候，当杆塔顺线路或横 线路倾斜角度超过预定报警值时，系统可发出报警信息，使工作人员能够 及时处理危情，并且大大的减少了人工的巡视次数。 g p r s 作为新兴的数据传输技术，因其本身具有的覆盖面积广、传输速 率快、建设成本低、升级方便等优点而被工业监控领域所关注。论文在分 析了g p r s 技术的特点和无线监控管理系统的整体设计结构的基础上，把设 计的重心放在了终端模块( 数据采集模块、g p r s 模块) 的设计实现上。首先 给出了终端模块的设计方案包括硬件的结构和软件的实现并分析了终端模 块的功能组成和整体的框架结构图。在硬件方面，选择了微处理器，数据 采集模块和通讯模块，在此基础上搭建了硬件工作平台。在软件实现上进 行了应用程序的设计。 本文从三个部分来介绍高压输电线路安全监测系统的设计与实现： 第一部分介绍了高压输电线路安全监测系统的结构、组成等方案设计。 第二部分介绍了高压输电线路安全监测系统各单元硬件电路设计原 太原理工大学硕士研究生学位论文 理，其中包括单片机、信号采集、信号处理、信号发送等。其中包括各传 感器的硬件设计与使用技巧、数字信号的采集与处理、电源设计、g p r s 设计等。 第三部分主要介绍了高压输电线路安全监测系统软件设计。 论文通过对系统终端软硬件的设计，搭建起了高压输电线路安全监测 系统。能够实现服务器和终端模块的联网，以及命令参数等数据的网络传 送，从而达到对高压输电线路状态的监测。系统的功能还能进一步进行扩 展。总体来说，本论文研究的监测系统具有比较强的实用性和较好的发展 1 le 刖隶。 关键词：杆塔监测，数据采集，g p r s ，远程监控 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h eh i g hv ol - t | a g et ra n s m i s s i o nl 【n e s a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t p o w e rt r a n s m i s s i o nl i n es y s t e mi st h e a r t e r y ，d e c i d e dt od i r e c t t h e i r o p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e ms e c u r i t ya n de f f i c i e n c y t h ep r o j e c t su n d e r t a k e n b yt h eh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n ed e s i g ns a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mt op r e v e n t t h es c i e n t i f i cm a n a g e m e n to ft h em a i ni d e o l o g i c a lb a s i s ，i nt h et r a n s p o r t a t i o n l i n e sa n o m a l i e s ，t i m e l yr e p o r t i n gt ot h em a n a g e m e n to ft h ed a t ac e n t e r t h e s y s t e mc a nb eo nl i n et o w e ra r o u n d - t h e c l o c km o n i t o r i n g ，t i m e l ya n da c c u r a t e m e a s u r e m e n td u et og r o u n ds u b s i d e n c ea n do t h e rc a u s e st o w e rt i l t a n g l e c l i m a t e ，a sw e l la st h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t ，w h e nt h et o w e rw i t hh o r i z o n t a l l i n e so rl i n e se x c e e d sap r e d e t e r m i n e da n g l ea l a r ml e v e l ，t h es y s t e mm a yb e i s s u e da l a r mi n f o r m a t i o nt oe n a b l es t a f ft od e a lw i t h a d v e r s i t yt i m e l y i n t e l l i g e n c e ，a n dg r e a t l yr e d u c et h en u m b e r o fi n s p e c t i o n s g p r sa san e wd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ，b e c a u s eo fi t sw i d ea r e ao f c o v e r a g e ，f a s tt r a n s f e rr a t e s ，l o wc o n s t r u c t i o nc o s t s ，t h ea d v a n t a g e so fu p g r a d i n g t of a c i l i t a t em o n i t o r i n gb yt h ei n d u s t r i a la r e a so fc o n c e r n i nt h ep a p e r so fg p r s w i r e l e s st e c h n o l o g ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo v e r a l l m o n i t o r i n g a n d m a n a g e m e n ts y s t e md e s i g n e do nt h eb a s i so ft h es t r u c t u r e ，f o c u so nt h ed e s i g n 1 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 o ft h et e r m i n a l m o d u l e ( d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，g p r sm o d u l e ) d e s i g n r e a l i z a t i o n f i r s ti st h et e r m i n a lm o d u l ed e s i g ni n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s t r u c t u r ea n dt h er e a l i z a t i o no f t h ef u n c t i o n a lc o m p o n e n t st e r m i n a l sm o d u l ea n d t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ef r a m e w o r k i nt e r m so fh a r d w a r e ，t h ec h o i c eo f m i c r o p r o c e s s o r ，d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e sa n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，b a s e do n t h i sh a r d w a r ep l a t f o r ms t r u c t u r e s i nt h er e a l i z a t i o no fas o f t w a r ea p p l i c a t i o n d e s i g n i nt h i s p a p e r ，t h r e ep a r t s t oi n t r o d u c e h i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o n l i n e s s a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n ： t h ef i r s tp a r to ft h eh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n eo ns a f e t ym o n i t o r i n g s y s t e ms t r u c t u r e ，c o m p o s i t i o n ，s u c ha sp r o g r a m m ed e s i g n t h es e c o n dp a r to f t h eh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n eo ns a f e t ym o n i t o r i n g s y s t e m h a r d w a r ec i r c u i t d e s i g np r i n c i p l em o d u l e s ，i n c l u d i n gs i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r ，s i g n a la c q u i s i t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，s u c ha ss e n d i n gs i g n a l s i n c l u d i n ga l l s e n s o rh a r d w a r ed e s i g na n du s eo fs k i l l s ，t h ea c q u i s i t i o na n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，p o w e rs u p p l yd e s i g n ，g p r sd e s i g n t h et h i r d p a r t i n t r o d u c e st h e h i g h - v o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n e s s a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e ms o f t w a r ed e s i g n p a p e r so nt h es y s t e mt h r o u g ht h et e r m i n a lh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ， s e t t i n gu pah i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n es e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e m s i tc a n b e a c h i e v e da n dt e r m i n a ls e r v e rn e t w o r k i n gm o d u l e ，a sw e l la sa no r d e r p a r a m e t e rd a t at r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，s oa st oa c h i e v et h es t a t u so fh i g hv o l t a g e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 t r a n s m i s s i o nl i n em o n i t o r i n g t h ef u n c t i o no ft h es y s t e mc o u l db ef u r t h e r e x t e n d e d o v e r a l l ，t h em o n i t o r i n gs y s t e mt h e s i sr e s e a r c hw i t has t r o n gp r a c t i c a l ， a n dg o o dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：t o w e rm o n i t o r i n g ，d a t a a c q u i s i t i o n ，g p r s ，r e m o t e m o n i t o r i n g v 太原理工人学硕士研究生学位论文 图表目录 图2 - 1 系统示意图3 图2 - 2 系统单元逻辑关系原理图6 图2 - 3 电源稳压电路7 图2 - 4 系统结构图9 表2 1 系统太阳能供电系统配置方案1 0 图3 - 1 a d u c 8 4 5 的最小系统原理图1 2 图3 - 2 高压输电线路安全监测系统原理图1 3 图3 - 3 倾角传感器内部结构1 4 图3 - 4 s c a i o o t 产品示意图1 4 图3 - 5s c a l o o t 传感器输出特性1 5 图3 - 6s c a i o o t 与单片机系统硬件电路图1 5 图3 - 7 风速传感器示意图1 6 图3 - 8 风速传感器频率信号整形电路1 6 图3 - 9 风向传感器示意图1 7 图3 - 1 0 格雷码信号整形电路1 8 图3 11 s h t 7 1 数字式温湿度传感器的内部结构框图1 9 图3 - 1 2 温湿度传感器示意图1 9 图3 1 3s h t 7 1 温湿度传感器与单片机连接图1 9 图3 - 1 4 行扫描驱动原理图2 0 图3 - 1 5 液晶显示模块硬件连接图2 1 图3 - 1 6 按钮键盘电路图2 3 图3 - 17 无线数据处理原理图2 5 图3 1 8g p r s 网络结构2 6 图3 1 9g p r s 网络传输平面2 6 图3 2 0m c 5 5 工作电压特性2 8 图3 - 2 1m c 5 5 串口连接2 9 l x 太原理工大学硕士研究生学位论文 表3 1 s i m 接口引脚2 9 图3 - 2 2 通讯模块部分硬件电路图3 l 图3 - 2 3 太阳能发电系统3 2 图3 2 4 电压转换电路3 3 图4 - 1 主程序流程图3 7 图4 - 2 倾角计算子程序的流程图4 0 图4 - 3 风速计算子程序流程图4 1 表4 1 格雷码表4 4 图4 - 4 温湿度模块子程序流程图4 7 图4 - 5 测量温度命令和测量湿度命令对应的时序图4 9 图4 - 6 串行控制界面时序5 2 图4 - 7 键盘工作的流程图5 3 图4 - 8m c 5 5 上电示意图5 5 图4 - 9m c 5 5 初始化程序框图5 6 图4 - 1 0g p r s 数据处理流程图6 0 x 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作孝签名：j 吝痒 日期：上碰立_ 皇l 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名- _ 一莹罩竭一一日期： 导师签名： 枷莎呔而 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着科技进步及工农业的现代化发展，人民生活水平不断提高，用电量大幅上升， 对电网供电安全性、可靠性提出了越来越高的要求。架空高压输电线路是电力系统的动 脉，高压传输电缆、杆塔密布于各个角落，其运行状态直接决定电力系统的安全和效益。 目前我国对线路等的检测经验还较少，还没有相应的国家标准。另外随着近年来煤矿的 大量开采造成形态各异的地下采空区，引起地面沉降、断裂等一系列工程地质灾害，这 些采空塌陷区，大多分布广，延伸远，输电线路在这些区域，轻者可造成基础倾斜、开 裂、杆塔变形，重者造成基础沉陷、杆塔倾倒，严重威胁输电线路的安全运行。输电线 路人工正常巡视时，不能及时发现地面沉降。当发现沉降时，输电线路已处于危险状态。 地处采空区的输电线路杆塔地表沉降时，造成导地线的拉线位移变型，引起杆身、塔身 受力弯曲或杆塔倾斜。杆塔倾斜后造成杆塔导地线的不平衡受力，引起绝缘子串和地线 线夹迈步，电气安全距离不够等问题，当问题扩大时容易造成倒杆断线，电气距离不够 引起跳闸等事故。 本课题所设计的高压输电线路安全监测系统以预防为主的科学管理为基础，在输送 电线路发生异常时，及时向管理中心汇报相关数据。该系统对于处在采空区的线路杆塔 可以进行全天候的监测，能够及时准确的测量由于地面沉降等原因造成的杆塔倾斜角 度，当杆塔顺线路或横线路倾斜角度超过预定报警值时，系统可发出报警信息，使工作 人员能够及时处理危情，并且大大的减少了人工的巡视次数。 该系统能有效监控精确测量杆塔倾斜角度，杆塔附近的风力、风向、湿度、温度能 够做到防患于未然，保证电网安全运行。 1 2 高压输电线路安全监测系统的发展现状 该系统是针对近年来高压输电线路监测系统的发展情况及国内外电网市场的需求 太原理工大学硕士研究生学位论文 进行的研发设计。目前国内已涉及线路监测系统的研究，例如高压输电线路绝缘子带 电检测、杆塔故障在线监测、杆塔倾斜测量等。国外在这方面也有较多的研究。 该系统采用移动通信网络作为数据传送媒介，为系统的数据传输提供更加简捷、便 利的手段。因此，高压输电线路安全监测系统能够解决依靠工人巡线的问题，及时进行 线路抢修和恢复送电，减少停电损失，便于综合分析输电线路上各种故障的起因，制定 全网切实可行的反事故措施，进一步提高系统的运行水平。 本项目拟综合运用倾斜测量技术、g p r s 远程通讯技术、微气候监测等，目前在国 内综合应用上述多项技术进行高压线路性能监测的尚属领先水平。 1 3 本文主要研究内容及本人的主要工作 本论文主要研究杆塔倾斜测量技术，传输线路周围的温度、湿度、风速、风向等微 气候检测技术，无线网络数据远程通讯，仪表供电等几个方面的研究。本人主要完成了： 1 - 杆塔倾斜角度的信号检测、处理的设计； 2 传输线路周围的温度、湿度、风速、风向检测、信号处理的设计； 3 系统的软、硬件设计； 4 系统供电电源的设计； 5 无线网络数据远程通讯的设计。 2 太原理一l 人学硕十研究生。学位论文 第二章高压输电线路安全监测系统总体结构方案设计 2 1 系统设计总体要求 2 1 1 设计要求 1 系统要实现的功能 输电线路安全监测系统是采用传感器技术、嵌入式系统技术、网络通信技术等而 开发的新一代高科技产品，该系统通过无线方式采集杆塔的倾斜角度和线路周围的风 速、风向、气温、湿度等气象环境参数，在线分析判断杆塔的横向和纵向的倾斜角度， 协助运行部门对输电线路进行有效的维护。 输电线路安全监测系统主要功能包括：系统接受各传感器发送的测试数据，杆塔 倾角达到预警值时向管理中心发送预警信息，管理中心可以查询和接收数据、发送数据， 系统可以连接到企业主页，仪表通过无线网络向互联网发送数据，系统接受发送的数 据可以备份。系统示意图如下图2 1 所示。 图2 1系统示意图 f i g u r e2 - 1s y s l e md i a g r a m 3 太原理上大学硕士研究生学位论文 2 可扩展性 系统支持并能动态扩展多路模拟量信号。 通讯方式的扩展，由g p r s 扩展到支持短信息。 3 安全性、可靠性、低功耗 通信链路的安全，可靠。 数据库的安全，主要是权限管理和数据备份。 系统低功耗，系统不工作时处于休眠状态。 4 成本控制 。 本系统设计尽量使用成熟的、通用的技术实现系统，降低软硬件投入及人力成本。 2 1 2 设计约束 1 系统的性能指标 ( 1 ) 杆塔倾角测量 量程：双轴3 0 。 分辨率：0 0 1 。 非线性： 0 2 。 响应时间： o 2 s ( 2 ) 环境湿度测量 量程：o p , h 1 0 0 r h 精度：5 r h 分辨率：0 i r h 响应时问： 2 0 s 工作温度：一4 0 1 0 0 ( 3 ) 环境温度测量 量程：一4 0 1 0 0 精度：3 分辨率：0 1 响应时间： v 一时，电压比较器输出为高电平“1 ”，如果v + 0 时，在一 定的i f 作用下，所对应的i c 基本上与v c e 无关。i c 与i f 之间的变化成线性关系，光 电耦合器还可作为线性耦合器使用。 17 太原理工大学硕士研究生学位论文 _ = f 图3 1 0 格雷码信号整形电路 f i g u r e3 - 1 0g r a y - c o d es i g n a ls h a p i n gc i r c u i t 3 2 4 温湿度传感器信号采集电路 1 温度传感器工作原理：温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的 增加而增加这一特性来进行温度测量的。温度传感器就是利用这一效应来工作的。温度 传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采 用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。 2 湿度传感器工作原理：湿度传感器主要由湿敏电容和转换电路两部分组成。它由 玻璃底衬、下电极、湿敏材料、上电极几部分组成。两个下电极与湿敏材料，上电极构 成的两个电容成串联连接。湿敏材料是一种高分子聚合物，它的介电常数随着环境的相 对湿度变化而变化。当环境湿度发生变化时，湿敏元件的电容量随之发生改变，即当相 对湿度增大时，湿敏电容量随之增大，反之减小( 电容量通常在4 8 5 6 p f 间) 。传感器 的转换电路把湿敏电容变化量转换成电压量变化，对应于相对湿度o l o o r h 的变化， 传感器的输出呈o l v 的线性变化。 3 s h t 7 1 是一种全新的基于智能传感器设计理念的新型传感器，该传感器将温度、 湿度传感器、信号调理、数字变换、串行数字通信接口、数字校准全部集成到一个高集 成度、体积极小的芯片当中，实现了温湿度传感器的数字式输出、且免调试、免标定、 1 8 太原理- 1 ：大学硕士研究生学位论文 免外围电路。图3 一l l 为s h t 7 1 数字式温湿度传感器的内部结构框图，图3 1 2 为s h t 7 1 数字式温湿度传感器的示意图。温湿度传感器输出信号直接送入单片机，如图3 1 3 所 不。 时蠛 曩艘 图3 - 1 1 s h t 7 1 数字式温湿度传感器的内部结构框图 f i g u r e3 - 11 s h t 7 1d i g i t a lt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o rd i a g r a mo ft h ei n t e r n a ls t r u c t u r e 温湿度传感器芯片的管脚加上拉电阻用来加大输出引脚的驱动能力，提高输出电 平，从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。 图3 1 2 温湿度传感器示意图 f i g u r e3 - 12s c h e m a t i ct e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o r v c c 5 d 图3 1 3s h t 7 1 温湿度传感器与单片机连接图 f i g u r e3 13s h t 7 1t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o ra n dm c uc o n n e c t i o ng r a p h 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 3 显示部分 3 3 1l c d 显示器简介 在单片机系统中，最常用的显示器有：发光二极管( l e d ) 、液晶显示器( l c d ) 、 荧光管显示器( v d ) 。其中l c d 是一种极低功耗显示器，最适于在本次设计中，本系 统设计中采用点阵式l c d 。 点阵式l c d 使用行驱动和列驱动，使选通点上的选通电压大于开启电压，但由于 多点共用一个电极，在选通点外的非选通点上也加有电压，从而使清晰度下降，产生交 叉效应。在非选通点上施加的电压只有选通电压的1 2 ，使非选通电压值低于显示的截 止电压，减少了交叉效应的影响，这就是1 2 偏压法。在本设计中常用1 4 偏压法，使 选通电压与非选通电压之间差距加大，提高了显示的清晰度。 点阵式l c d 的控制采用行扫描方式，行扫描驱动原理见图3 1 4 所示。 图3 1 4 行扫描驱动原理图 f i g u r e3 - 1 4s c a nd r i v e rs c h e m a t i c 3 3 2l c m l2 8 3 2 z k 液晶显示模块 在这次设计中选用了l c m l 2 8 3 2 z k 液晶显示模块，可显示2 行，每行可显示8 个 汉字。 l c m l 2 8 3 2 z k 液晶显示模块液晶显示模块是一种将液晶显示器件、连接件、集成 电路、p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 线路板、背光源、结构件装配在一起的组件。 考虑到系统资源的问题，本系统设计中选用了串行输入方式，硬件连接如图3 1 5 所示。 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 4 键盘部分 p 0 p 0 r 图3 1 5 液晶显示模块硬件连接图 f i g u r e3 1 5l c d m o d u l eh a r d w a r ec o n n e c t i v i t ym a p 键盘是单片机最简单的输入设备，微机键盘可分为编码和非编码两种，其中非编码 式键盘又分独立式键盘和行列式键盘，独立式键盘中，每个键占用一根i o 口线，每根 i o 口线上的按键土作状态不会影响其它i o 口线上的状态。独立式按键电路配置灵活， 软件结构简单。在本次设计中，根据具体应用情况，选择了独立式键盘。 3 4 1 键盘工作 键盘工作包括键盘工作方式、键盘扫描技术、键盘抖动消除几个部分： 1 键盘工作方式在单片机应用系统中，扫描键盘只是中央处理器的工作任务之一。 在实际应用中要想做到既能及时响应键操作，又不过多地占用处理器的土作时间，就要 根据应用系统中处理器的忙闲情况，选择适当的键盘土作方式。键盘的土作方式分为程 序控制扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式3 种。 ( 1 ) 程序控制扫描方式：是利用处理器在完成其它工作的空余，调用键盘扫描子 程序，来响应键输入要求。在执行键功能程序时，处理器不再响应键输入要求。程序控 制扫描程序应具各以下功能：判断键盘上有无键按下：去除键的抖动影响：扫描键盘，得 到按下键的键号。 2 】 太原理。r 大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 定时扫描方式：单片机对键盘的扫描也可采用定时方式，即每隔一定的时间 对键盘扫描一次。在这种扫描方式中，通常利用单片机内的定时器，产生1 0m s 的定时 中断，处理器响应定时器溢出中断请求，对键盘进行扫描，以响应键盘输入请求。 ( 3 ) 中断扫描方式：对键盘定时扫描控制方式的主要优点，是能及时响应键入的 命令或数据，便于用户对正在执行的程序进行干预。这种控制方式，不管键盘上有无键 闭合，处理器总是定时地关心键盘状态，因为人工键入动作极慢，有时操作员对正在运 行的系统很少甚至不会干预，所以在大多数情况下，处理器对键盘进行空扫描。为了进 一步提高效率，可以采用中断方式，当键盘上有键闭合时产生中断请求，处理器响应中 断，执行中断服务程序，判断键盘上闭合键的键号，并作相应处理。对于本系统的设计， 由于系统的实时性要求小高，所以选择了中断扫描方式。 2 键盘扫描技术检测到有键闭合时，或因有闭合键而申请中断并得到响应后，应进 行键扫描，以判断是哪个键被按下。通常的键盘扫描方式有：行扫描法、状态矩阵法、 线路反转法。 ( 1 ) 行扫描法：是在确认有键闭合之后，逐行( 或逐列) 置低电平，并读入列( 或行) 状态，如果出现非全1 状态，那么o 状态的行列交叉点就是被按下键。 ( 2 ) 状态矩阵法：它主要适用于多定义键。多定义键的含义是多重的，即同一个 键在不同操作状态之下，具有不同的指定功能，即中央处理器执行完成不同任务的程序。 所谓操作状态，指进行该键操作之前，操作了哪个或哪几个键。由于本系统采用单定义 键，在此对状态矩阵法不再赘述。 ( 3 ) 线反转法：通过单片机本身并行口或扩展的并行口均可实现。比行扫描法速 度快，经过两个步骤即可得到键值。 3 按键抖动消除键触点在闭合或断开瞬间，由于机械触点的弹性作用，会产生短暂 的抖动现象。抖动时间长短与机械特性有关，一般为5 m s l om s ，抖动过程引起电平 信号的波动，有可能令处理器误解为多次按键操作，而引起误处理。 消除键抖动影响的硬件方法是为每个键增加一个r s ( r e g i s t e ra n d s t o r a g e ) 触发 器，这种方法只适用于键数目较少的情况。若键数目较多，通常采用软件延时的方法： 当检测到有键按下时，调用一个延时( 一般为5 m s 2 0m s ) 子程序，然后再次检测到该 键电平仍为闭合状态，才确认该键已按下，并进行相应处理工作。这种软件延时以消除 键抖动影响的措施是切实可行的。 2 2 太原理- 】= 大学硕士研究生学位论文 3 4 2 本系统键盘设计 系统键盘设计选用非编码键盘系统中的中断扫描方式，系统有3 个按键，分别为 s e t 键、加键、确认键，设计的三个按钮键盘电路如图3 1 6 所示。 单片机通过读取p 0 2 p o 4 的状态，即可知道有无键按下。当键盘上没有键闭合时， 该端口的对应电路线上是断开的，所有端口p o 2 - 1 ) 0 4 输入全部为高电平。当键盘上某 个键被按下闭合时，该端口的对应的输入电压为低电平，这样在对应端口处产生中断信 号，调用相应的中断处理程序。消除键抖动影响的硬件方法采用每个键增加一个 r - s ( r e g i s t e ra n d s t o r a g e ) 触发器。采用这种方式主要是考虑到系统所需要的按钮不 多，而且这样方法简单有效。 冰枝 图3 1 6 按钮键盘电路图 f i g u r e3 1 6b u t t o nk e y b o a r dc i r c u i t 2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 5 数据传输部分 3 5 1g p r s 的概述 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，它是第2 5 代移 动通信系统，是g s m 向3 g 过渡的一个桥梁。g p r s 是在g s m 系统基础上引入新的部 件而构成的无线数据传输系统。g p r s 与现有的g s m 语音系统最根本的区别是，g s m 是一种电路交换系统，g p r s 是一种分组交换系统。因此，g p r s 特别适用于间断的、 突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。 1 g p r s 相对于其它的通讯模式有很多优点： 相对其它通讯方式来说，采用g p r s 技术可以充分利用中国移动公网资源，将极 大节约建设成本，缩短建设周期，整个系统的性能价格比高，系统建设投资与建无线专 网的投资相比估计可节约5 0 以上； 永远在线； 上网连接时间很快，一般只要3 到6 秒； 数据传输速率与其它通讯技术相比最快，最高可达1 7 1 2 k b l s ，通信传输时延较 小，最长不超过3 秒； 按照流量收费，目前形式灵活； 兼容g s m ，在网络覆盖不大的地区自动切换； i p 接近i n t e r n e t ，一旦登陆了g p r s 网络，就自动附着在i n t e r n e t 上，可 以直接进行通信； 可以采用大数据中心模式； 系统容量大，可以容纳更多的终端节点： 监控覆盖范围广阔，系统规模扩展快速； 通信服务质量安全可靠，服务质量等级可根据用户的不同应用需求与运营商协商 确定； 整个系统维护方便，系统升级简单快速； 无线监控系统还可采用g s m 短消息通讯方式作为g p r s 通讯万一中断后的备用 手段。在正常情况下，无线监控系统采用g p r s 通讯方式，当g p r s 通信万一中断后， 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 立即切换成g s m 短消息通讯方式。 2 g p r s 数据传输的方式和原理 现阶段g p r s 服务主要提供点对多点的传输服务，即指多个g p r s 无线数据( m a o ) 把数据传输到一个固定的数据处理中心。g p r s 的基础是以i p 包的形式进行数据的传 输，当g p r s 无线终端进入g p r s 网络时，就自动附在i n t e r n e t 上1 6 8 1 。所以 这种传输方式并不需要g p r s 提供商提供更多的服务和支持就可以把数据从任何g p r s 覆盖地区传到中心。无线数据处理原理图如下图3 1 7 所示。 图3 1 7 无线数据处理原理图 f i g u r e3 - 1 7w i r e l e s sd a t ap r o c e s s i n gs c h e m a t i c 首先，在系统搭建时，数据中心直接接入互联网，为g p r sd t u 打开指定的s o c k e t 连接端口；g p r sd t u 通过p p p 拨号方式与基站建立连接，通过身份验证，获取口地 址并接入i n t e r n e t 。登入网络后g p r sd t u 通过串口获取数据采集终端的数据，以 u d p 或t c p 包形式发送至数据中心，并将数据中心下传的u d p 或t c p 包转换为串口 数据传至终端设备。 3 g p r s 网络结构 g p r s 网络构建在g s m 网络的基础之上，为了升级至g p r s ，g s m 网络在n s s 侧需要 新增节点s g s n 、g g s n 以及新增节点与其他硬件设备相连接的接口。在b s s 侧，因为 g p r s 与g s m 采用相同的基本调制方式和无线信道传输速率，因此不需改动现有基站无 线设备的硬件。但b s s 设备需要增加新的g b 接口，用于与s g s n 相连，由于g b 接口采 用帧中继，原有b s c 的电路交换设备无法使用，所以需增加相应的硬件设备p c u 。其升 级结构如图3 - 1 8 所示，其中，g b 、g n 、g d 、g r 、g s 、g c 、g i 、g p 是各节点或模块之 间的接口。 2 5 太原理：1 = = 大学硕士研究生学位论文 信专和蠡基传递接口 4 g p r s 网络传输平面 图3 1 8 g p r s 网络结构 f i g u r e3 - 1 8 g p r sn e t w o r ks t r u c t u r e i 凹戏， 班护 i m p 强口 疆 、匙蜜( s 】唧 g r p g t p 1 2l 2 u ru r 强豫删 窭缝一 t c ， 托p 融r r l c 、b s s g pb s p 口p 苴茁 甄虻阿络业务孵绍业务 l 2 l 2 l il l 6 s ir f 6 s i 善f l l b x sl l b i ，l l l i 图3 1 9g p r s 网络传输平面 f i g u r e3 - 1 9 g p r sn e t w o r kt r a n s m i s s i o np l a n e 传输平面由分层的协议结构组成，它能提供用户信息的传递，采用信息传递的控制 过程，如流量控制、差错检测、差错纠正和错误恢复等。传输平面独立于网络子系统平 台。在g p r s 中使用图3 - 1 9 所示的传输平面。图中使用的名词解释如下： g p r s 隧道协议( g t p ) ：该协议在g p r s 骨干网络内部的g p r s 支持节点之间采用隧道 2 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 方式传输用户数据和信令。所有点对点的、采用p d p 的分组数据单元( p d u ) 都将通过g p r s 隧道协议进行封装打包； t c p ：传输g p r s 骨干网络内部的g t p 分组数据单元，适合于需要可靠数据链路的协 议，例如x 2 5 ；u d p 传送g t p 分组数据单元，适合不需要可靠数据链路的协议，例如 i p 。t c p 提供流量控制、对损失和被破坏的g t p 分组数据单元的保护。u d p 提供对被破 坏的g t p 分组数据单元的保护： i p ：g p r s 骨千网协议，用于用户数据和控制信令的路由选择。开始时g p r s 骨干网 络可以采用i p v 4 ，以后将采用i p v 6 ； 子网汇聚协议( s n d c p ) ：该传输功能将网络层特性映射成低层网络特性； 逻辑链路控制( l l c ) ：该层提供更可靠的加密逻辑链路。为了允许引入其他的g p r s 无线解决方案，最小地改动网络子系统，l l c 独立于底层无线接口协议； 中继( r e l a y ) ：在基站子系统中，该功能在u m 和g b 接口中继l l c 分组数据单元。在 s g s n 中，该功能在g b 和g n 接口之间中继符合p d p 的分组数据单元； 基站系统g p r s 协议( b s s g p ) ：该层在b s s 和s g s n 之间传递与路由和q o s 有关的信息。 b s s g p 并不执行差错纠正； 网络业务( n s ) ：该层传输b s s g p 协议数据单元。它建立在b s s 和s g s n 之间帧中继连 接的基础上，可以穿越帧中继交换节点网络； r l c m a c ：该层包含两个功能：一是无线链路控制功能，提供与无线解决方案有关的 可靠的链路：二是媒质接入控制功能，控制无线信道的接入信令过程( 请求和允许) 以及 将l l c 帧映射成g s m 物理信道； g s mr f ：空中无线接口。 3 5 2 通讯模块的选型及简介 在本设计中，通讯模块的选择也是非常关键的。在当今的市场中，有很多通 讯模块。我们选择了s i m e m s e 公司的m c 5 5 模块。 1 m c 5 5 模块具有以下特点： 三频的工作模式：9 0 0 ，1 8 0 0 和1 9 0 0m h z ： 带有g s m g p r s 语音和数据功能； 可以支持t c p ，u d p ，h t t p ，f t p ，s m t p ，p o p 3 多种连接方式； 2 7 太原理：i ：大学硕士研究生学位论文 可以同时开3 个t c p 或者u d p 连接； 可以做为t c p 的服务器使用，可支持三个以上的客户端同时连接； 有5 k 的数据缓存区用于g p r s 的数据传输，最大数据包长度可以达到1 5 k ； 提供两个全双工串口，可以实现两个t c p 通道的同时传输，g p r s 与短信或语音 状态自动切换。 2 m c 5 5 电源部分 m c 5 5 通过b o a r d t o b o a r