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1、上海交通大学硕士学位论文基于无线通信技术的SCADA系统的设计与实现姓名：朱俊申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：田作华20070101上海交通大学硕士论文 4基于无线通信技术的基于无线通信技术的 SCADA 系统的设计与实现 摘 要 系统的设计与实现 摘 要 数据采集与监控系统(SCADA)是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。随着工业自动化技术和无线通信技术的飞速发展，工业企业对 SCADA 系统的可靠性、实时性和灵活性提出了更高的要求。针对这些要求，本文提出了一种基于射频技术和 GPRS 技术的 SCADA 系统，通过先进的无线通信技术，将工业现场的实时数据采集
2、到企业管理层。SCADA 系统的通信方式是决定其性能的最主要因素之一，因此选择合适的通信方式以及通信协议成为了系统设计和实现的重点。在通信方式的选择上，针对现场数据采集系统有线连接通信方式的连线繁多、移动性差的缺点，采用射频技术进行短程无线数据传输，提高了系统的灵活性；针对目前流行的几种远程通信技术的不足，引入GPRS作为本系统的远程数据传输方式，提高了系统的实时性并降低了成本。在通信协议方面，设计了现场数据采集系统的单点对多点的分层通信协议，使用了检错和纠错编码技术，实现了停等、超时重发协议，提高了系统的抗干扰能力；GPRS 应用层则采用了 PPP 协议，设计了心跳算法，保证了数据传输的可靠
3、性和完整性。基于无线通信技术的 SCADA 系统的实现，全部采用无线的通信方式，彻底摆脱了有线的束缚，其数据传输方式具有很强的通用性，对工业领域的数据传输具有重要的借鉴价值。关键词：SCADA，GPRS，射频，通信协议，PPP 上海交通大学硕士论文 5DESIGN AND IMPLEMEMENTATION OF SCADA SYSTEM BASED ON WIRELESS COMMUNICATION TECHNOLOGY ABSTRACT The Supervisory Control and Data Acquisition(SCADA)system is a production cour
4、se control and attemperament automatization system based on computer.With the prominent development of industrial automation and wireless communication technology,industrial corporations demands SCADA system more reliabe,real-time and flexible.In this suitation,this thesis put forward a SCADA system
5、 based on RF and GPRS technologies,which using advanced wireless communication technology to collect the real-time data of industrial field and to report to management layer.Communication technology is one of the most important factors of SCADA system,so selection of communication technology and des
6、ign of communication protocol are very important in design and implemention of the system.For the selection of communication technology,we choose RF technology to replace the wire to transimitting data in the filed for high flexibility.After analyzing the disadvantages of several communication techn
7、ologies,we select GPRS as remote data transimission method.For this,the system becomes more real-time and low-cost.In the facet of communication is SCADA system,this thesis designes the protocol stack for the field data-collect subnet with physical layer,data link layer,network layer and transmissio
8、n layer.We implement the protocals such as stop-wait,overtime re-issued to improve reliable of the 上海交通大学硕士论文 6system.We also implement PPP protocol and design heartbeat algorithm.The implementation of SCADA system based on wireless communication technology,uniquely uses wireless technology for data
9、 transmission,avoids the problems of disposing cable and improves the agility.This offers a convenient wireless data transmission method for industrial data transmission.KEY WORDSKEY WORDS:SCADA，GPRS，RF，Communication Protocal，PPP 上海交通大学硕士论文 72缩略语 缩略语 ASK：Amplitude Shift Keying 幅移键控 CPLD：Complex Prog
10、rammable Logic Device 复杂可编程逻辑器件 CRC：Cyclical Redundancy Check 循环冗余码校验 DSP：Digital Signal Processor 数字信号处理器 DSSS：Direct Sequence Spread Spectrum 直接序列扩频 FCC：Federal Communications Commission 美国联邦通信委员会 FHSS：Frequency Hopping Spread Spectrum跳频扩频 FSK：Frequency Shift Keying 频移键控 GPRS：General Packet Radio
11、Service 通用无线分组业务 GSM：Global System of Mobile communication 全球移动通信系统 IEEE：Institute for Electrical and Electronic Engineers 美国电气与电子工程师协会 IrDA：Infrared Data Association红外数据组织 ISM：Industrial,Scientific and Medical 工业，科学和医学 Kbps：Kilo bits per second 千位每秒 MCU：Micro Controller Unit 微控制器 NRZ：Non Return to
12、Zero 不归零编码 PCB：Printed Circuit Board 印刷电路板 PSTN：Public Switched Telephone Network 公共交换电话网络 RF：Radio Frequency 射频 SCADA：Supervisory Control And Data Acquisition 数据采集与监视控制 SPI：Serial Peripheral Interface 串行总线接口 USB：Universal Serial Bus 通用串行总线 WBFH：Wide Band Frequency Hopping 宽带调频 上海交通大学硕士论文 2 上海交通大学上海
13、交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：朱俊 日期：2007 年 1 月 30 日 上海交通大学硕士论文 3 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，
14、允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：朱俊 指导教师签名：田作华 日期：2007 年 1 月 30 日 日期：2007 年 1 月 30 日 上海交通大学硕士论文 1 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 课题研究背景与意义 课题研究背景与意义 1.1.1 无线通信技术的飞速发展 无线通信技术的飞速发展 现代通信领域中，无线通信的发展无疑是最为迅速和最具潜力的。不仅新的无线
15、通信理念层出不穷，而且各种无线通信系统及其技术日新月异，无线通信的任何重大观念的改变和关键技术的进步都会像其他技术革命一样给我们的工作与生活带来巨大的改变。从现有的发展来看，无线通信涉及蜂窝移动通信系统、卫星通信系统、数字广播系统和无线局域网等，基本上形成了满足不同层次应用需求的无线网络1。本课题主要采用了基于射频技术的短程无线通信技术和基于 GPRS 的远程无线通信技术。1985 年，美国联邦通信委员会(FCC)授权普通用户可以使用“工业、科技、医学”(ISM,Industrial,Scientific and Medical)频段，这使得短程无线通信技术向着商业化发展。ISM 频段为无线网
16、络设备供应商提供了产品频段，而且终端用户无需向无线电管理委员会申请许可证就能直接使用设备，这对无线通信产业的发展产生了巨大的积极作用，促进了短程无线通信技术的快速发展。进入二十一世纪后，短程无线通信技术的大量商业化应用进一步促进了技术的发展，相继出现了以下具有代表性的短程无线通信标准：IrDA、IEE802.11a、802.11b、802.11g、Bluetooth、HomeRF、ZigBee、UWB、WiFi、WiMax 等。短程无线通信技术具有灵活性好、简单快捷、可扩展性强、成本低廉等优点，有着广泛的应用前景2。短程无线通信技术迅速发展的同时，远程无线通信技术也有了极大的发展。欧洲邮电管理
17、部门(CDPT)于 1982 年成立了一个移动特别小组(GSM)，开始制定适合欧洲各国的一种数字移动通信系统的技术规范，并于 1988 年确定了主要技术规范以及实施计划。1990 年起 GSM 开始在欧洲以及其它很多国家投入商业运行3。上海交通大学硕士论文 2随着互联网技术和计算机技术的迅猛发展，人们对数据业务的需求快速增长，加上城市信息化智能化建设需要越来越多的设备能够进行数据通信，而现有的第二代移动通信系统所能提供的数据业务能力有限，这一切促使了下一代移动通信系统的研究与开发。第三代通信技术(3G)是目前正在大力投入研发的系统，其基本特征是提高系统容量、实现多媒体数据通信和统一的标准和频段
18、。为了从第二代平滑地向第三代过渡，出现了目前的 2.5 代产品(2.5G)。2.5 代产品中比较有代表性的是基于 GSM 系统提出的 GPRS 方案，它重点引入了数据通信技术来提高系统的数据通信能力，以满足现代社会对中、高速数据通信的需求。GPRS 是通用无线分组业务(General Packet Radio Service)的英文简称，它是在现有的 GSM 系统上发展起来的一种新的承载业务，目的是为 GSM 用户提供高效、低成本的分组形式的数据业务。其主要特点是可以提供高达 171.2Kbps 的分组数据传送速率，用户永远在线而且按流量计费，降低了通信费用4。1.1.2 SCADA 系统的发
19、展系统的发展 SCADA 系 统 即 数 据 采 集 与 监 视 控 制(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，是以计算机为基础的监测控制与调度管理自动化系统。它可以对现场运行的设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等功能。SCADA 系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、市政公用、石油、化工、水利等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域5。SCADA 系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。SCADA 系统发展到今天已经经历了三代：第一代是基于专用计算机和专用操作系统的 SCADA 系统
20、。这一阶段是从计算机应用到 SCADA 系统时开始到 20 世纪 70 年代。第二代是 20 世纪 80 年代基于通用计算机的 SCADA 系统。它广泛采用了VAX 等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的 UNIX 操作系统。第一代与第二代 SCADA 系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。第三代 SCADA 系统是 20 世纪 90 年代按照开放的原则，基于分布式计算机上海交通大学硕士论文 3网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的 SCADA 系统。这一阶段是我国 SCADAiEMS 系统发展最快的阶段，
21、各种最新的计算机技术都汇集进 SCADA系统中。第四代 SCADA 系统的基础条件己经具备。该系统的主要特征是采用移动通信技术、Internet 技术、面向对象技术、神经网络技术等技术，继续扩大 SCADA系统与其它系统的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要。SCADA 系统在不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止过。当今，随着各行业对 SCADA 系统需求的提高以及计算机技术的发展，为 SCADA 系统提出新的要求，概括地说，有以下几点：(1)SCADA 系统与其它系统的广泛集成；(2)远端(受控端)综合自动化；(3)专家系统、模糊决策、神经网络等新技术研究与应用；(4)移动通信
22、技术、面向对象技术、Internet 技术的应用。移动通信技术为 SCADA 系统的数据传输提供了先进的通信手段，大大扩大了 SCADA 系统的应用范围，可以说，目前只要移动通信网络能覆盖到的地方，就有 SCADA 系统的用武之地6。1.2 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 SCADA 系统的通信手段是制约其应用范围的最主要的因素，从目前情况看，几乎成为了 SCADA 系统发展的瓶颈。在很多情况下，通信条件的好坏直接决定了 SCADA 系统的性能，而无线通信技术的发展成熟及广泛应用为 SCADA 系统提供了一种新的通信方式。本课题提出了一种基于无线通信技术的 SCADA 系统。在此系统中应
23、用了短程无线通信技术和 GPRS 无线通信技术，将两者很好的结合在一起，实现了SCADA 系统全部采用无线通信方式，使得系统应用更加灵活，并大大降低了成本，对电力监控、工业测控以及环境检测等都有相当重要的参考价值。本系统是多种学科技术的综合应用，涉及的相关技术包括微电子技术、高频电子技术、计算机接口技术、计算机网络技术、射频通信技术以及 GPRS 通信技术等。上海交通大学硕士论文 4本系统从整体上分成两部分：现场短程无线通信子系统和 GPRS 远程无线通信子系统。现场短程无线通信子系统负责将各分散采集点的数据集中到现场主控节点，它以短程无线收发模块为收发器，组建成一个单点对多点的无线局域网，由
24、局域网完成数据的采集与收发；设计内容主要为短程无线收发模块的设计(硬件电路的设计与软件程序的编写)、现场主控节点的设计和单点对多点通信协议的编制。GPRS 远程无线通信子系统主要有 GPRS 无线收发终端、GSM 网络、Internet 和远程监控中心四个部分构成。它完成将现场主控节点的数据通过 GPRS网络无线发送到远程监控中心，同时也接收监控中心的指令并转发指令或者执行相应的操作；设计内容主要包括 GPRS 无线通信技术的研究、GPRS 无线收发模块的设计、远程监控软件的设计以及提高 GPRS 数据传输正确率的研究。整个系统中的每个节点都采用模块化设计，使得系统能够很好的网络化管理和控制。
25、本论文共分六章，各章的内容安排如下：第一章为绪论，主要介绍了课题研究的背景、意义以及研究的主要内容等；第二章详细阐述了 SCADA 系统的总体设计，包括系统组成原理、所用关键技术、系统设计原则等内容；第三章论述了现场短程无线通信子系统的设计，介绍了短程无线通信子系统的设计方案、短程无线通信模块的硬件设计和软件编程，并描述了子系统采用的单点对多点通信协议的具体实现；第四章论述了 GPRS 远程无线通信子系统的设计，介绍了 GPRS 无线通信技术、GPRS 无线通信模块的硬件电路设计以及系统软件的实现等；第五章重点探讨了系统设计过程中出现的难点以及解决方案；最后，对文章进行了总结，展望了基于无线通
26、信技术的 SCADA 系统的前景，并指出了进一步的研究方向。上海交通大学硕士论文 5第二章第二章 SCADA 系统总体设计方案与设计原则系统总体设计方案与设计原则 2.1 系统总体设计方案描述系统总体设计方案描述 2.1.1 通信系统结构介绍通信系统结构介绍 SCADA 系统中的通信系统负责把远程采集到的数据传送到监控中心，同时接收监控中心的指令。为了适应不同的环境条件以及成本的要求，通信系统的构成方案有多种，按照线路连接的不同可分为星型与总线两种。1.星型通信系统 星型通信系统是以中心处理工作站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与集控器相连，形成一对多的连接构架。信道通信数据量较大，要求
27、有一定的传输速率和带宽，一般光纤、无线和电话线通信都采用该连接方式。(1)光纤通信网 光纤通信有许多优点，如频带宽、传输速率高、传输距离远，以及高抗干扰性等特点，非常适合上层通信网的要求。因为光纤本身难以实现 T 型连接，不能实现总线结构，因此特别适合与星型连接，星型连接节点造价高，安装费用也较高，所以在 SCADA 系统上很少使用。(2)租用电话线网 中国电话网的普及率非常高，利用现有的电话网进行数据通信也是一个经济有效的方案。利用电话网通信，只需在数据集中器和主机之间加调制解调器(MODEM)即可，其通信速率可为 2.4kbps,9.6kbps 或 56kbps，主机对数据集中器的呼叫可以
28、通过拨号由公共电话网(PSTN)交换机自动完成，当然也可以租用专线，但费用较高。租用电话网方式进行数据通信时，线路续接时间较长，通常需要几秒到几十秒，当集中器数量较多时，通信效率将大幅度下降，而且租用电话线路多，其租用费用也很高，因此不适合大容量系统。(3)无线通信网 利用无线电波对范围广、分布分散的数据集中器进行无线数据通信，是一种上海交通大学硕士论文 6比较好的选择。考虑到通信容量、可靠性和成本问题，根据实际情况采用不同的无线通信方式。常用的无线通信方式包括工作于 ISM 频段的短程无线通信、利用现有的 GSM 网络的 GPRS 通信和申请频点自建小型电台进行无线通信等方式。本文采用了前两
29、种方式相结合的无线通信方式。2.总线型通信系统 总线型通信系统是为克服星型连接的不足而采用的。它以一条串行总线连接多个分散的采集器，实现各节点的采集和测量。特点是信道上节点较多，传输速率不高，传输距离较短，RS-485 总线网是常见的总线型结构。2.1.2 系统总体实现方案系统总体实现方案 本文提出的 SCADA 系统是一个通用的无线数据通信平台，适用于需要远程传输数据、有 GSM 网络覆盖而且现场采集点较为分散的情况。采用了短程无线通信技术与 GPRS 远程无线通信技术相结合而构成了一个复用的无线通信系统结构。系统从整体结构上分为两部分：工作在现场的短程无线通信子系统和基于GPRS 网络的远
30、程无线通信子系统。现场短程无线通信子系统由现场主控节点和分散的多个短距离无线通信模块组成；GPRS 远程无线通信子系统由远端的监控中心以及多个工作在现场的 GPRS 无线终端构成。SCADA 系统的两个子系统均采用了无线的通信方式，结构上是单点对多点的星型网络拓扑结构，并以单点对多点的方式完成信令的收发控制和数据的集中。本系统的整体结构如图 2-1 所示。现场采集点1现场采集点2现场采集点3现场主控节点1GPRS终端1GPRS网络Internet监控中心GPRS终端2GPRS终端3短程无线通信子系统GPRS远程无线通信子系统短程无线通信子系统GPRS远程无线通信子系统 上海交通大学硕士论文 7
31、图2-1 SCADA 系统整体结构示意图 Figure 2-1 Sketch map of SCADA system structure 在 SCADA 系统中，每个采集点都配备了一个自主开发的短程无线通信模块。现场采集设备通过 RS232/TTL 接口与短程无线通信模块进行连接，实现透明数据传输；现场主控节点通过 RS232/RS485/TTL 接口与 GPRS 无线终端连接，进行数据通信。系统的每一个现场采集节点、现场主控节点和 GPRS 终端都有一个独立的对应的 ID 号。根据系统的不同应用要求，SCADA 系统的数据采集和传输有以下两种不同的方式：一、监控中心采用授权轮询的方式获得每个
32、现场主控节点所存储的数据。具体的工作过程是：监控中心通过 Internet 网络和 GPRS 网络传送指令到现场主控节点；现场主控节点再通过短程无线通信子系统将监控中心传送过来的指令发送给各个采集点，采集点根据接收到的指令要求采集现场数据然后发送监控中心所需的数据到现场主控节点，现场主控节点将采集点发送过来的数据再通过 GPRS通信系统和 Internet 网络传送到监控中心，然后监控中心对采集到的数据进行分析处理。二、现场主控节点根据系统预设时间自动对每个采集点的数据进行采集并存储在现场主控节点的存储器中，然后根据监控中心的指令或者定时发送所存储的数据到监控中心。这种方式可以很大程度上节省数
33、据通信的时间，实时性更好。(1)现场短程无线通信子系统 现场短程无线系统以现场主控节点为中心通过发散的形式与各个采集点形成一对多的连接网络。数据通信采用了授权时分访问方式：各个现场数据采集终端平时处于数据采集状态，现场主控节点监控各数据终端的状态；当主控节点对某一数据采集终端有数据要求时，则对该数据终端进行授权，建立无线连接并传输数据。一般而言，主机对各数据终端的数据要求是依次进行的。有关该系统的具体设计将在第三章详细介绍。(2)GPRS 远程无线通信子系统 在 GPRS 远程无线通信系统中，分布在采集现场的 GPRS 无线终端平时处于监听状态，当监控中心需要某个现场主控节点的信息时，发送指令
34、将对应的GPRS终端唤醒，并提出采集数据的请求，由采集现场的 GPRS 终端将数据发送到监控上海交通大学硕士论文 8中心。GPRS 远程无线通信系统的数据通信实现有两种方式：一是远端监控中心的GPRS终端和现场的GPRS终端通过收发短消息的方式完成信令的控制和数据的传输；二是各个 GPRS 终端通过 GSM 网络登陆 Internet 网，实现与监控中心之间的数据通信。本系统采用了实时性更高的第二种通信方式。有关 GPRS 远程无线通信子系统具体的方案研究将在第四章详细介绍。2.2 系统关键技术介绍系统关键技术介绍 2.2.1 短程无线通信技术简介短程无线通信技术简介 短程无线通信技术的范围很
35、广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无线方式传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米以内，就可以称为短程无线通信。目前应用于短程通信的无线通信技术主要有两种，一种是IrDA 红外无线通信技术，另一种是工作在 ISM(Industrial,Scientific and Medical)频段的射频通信技术。(一)IrDA 无线通信技术 IrDA 是红外数据组织(Infrared Data Association)的简称，目前广泛采用的IrDA 红外通信技术(Infrared Communications Technologies)就是由该组织提出的。IrDA 红外通信技术是一种历史
36、比较悠久的短程无线通信技术，它一般采用950nm 近红外波段的近红外线，波长在 0.7525mm 之间。目前新的 VFIR 标准将 IrDA 的数据传输速率提高到了 16Mbps，通信距离 35m，同时在点对点通信时要求通信双方在一定角度范围内(120 度)才能通信。IrDA 在技术上主要有以下优点：1)无需专门申请特定频率的使用执照。这一点，在当前频率资源匮乏，频道使用费增加的背景下是比较重要的。2)具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的优点。3)数据传输速率比较高。由于采用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较少，最高数据传输速率可达 16Mbps。IrDA 具有一定的市场优势。目前，全世
37、界有 1 亿多台设备采用 IrDA 技术，并且仍然每年以 50的速度增长。大多数的笔记本电脑及打印机、扫描仪、数上海交通大学硕士论文 9码像机等都安装有 IrDA 接口。在成本上，红外线 LED 及接收器等组件较其他产品更便宜。但是，IrDA 的缺点也同样明显：首先，IrDA 是一种视距传输技术(工作距离为 010m)，也就是说在多个具有IrDA 接口的设备之间传输数据，中间就不能有阻挡物，这在两个设备之间是容易实现的，但在多个设备之间传输数据就必须彼此调整其位置与角度等。其次，IrDA 设备的核心部件红外线 LED 是一种不耐用的器件，频繁使用会令其使用寿命大大缩短。IrDA 进入市场较早，
38、产品应用比较多，有一定的市场价值，所以在短期内，还不会退出市场。不过由于其技术的原因，终不能成为短程无线通信技术的标准，已经受到了短程射频通信技术的挑战7。(二)ISM 频段射频通信技术 ISM(Industrial Scientific and Medical)频段主要是开放给工业、科学、医学三个 主 要 机 构 使 用，该 频 段 是 依 据 美 国 联 邦 通 讯 委 员 会(FCC，Federal Communications Commission)所定义出来，属于 Free License，没有所谓使用授权的限制，所以使用时不用申请许可证。工作于 ISM 频段的短程射频通信技术主要有
39、 IEEE802.11、蓝牙(Bluetooth)技术、HomeRF、ZigBee、UWB 超宽频等标准。a)IEEE802.11 无线局域网协议 IEEE802.11 是 IEEE(美国电气和电子工程师协会)制定的无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网的用户与用户终端之间的无线数据业务接入。IEEE802.11 标准定义了无线节点与网络中各种接入点间相互通信的接口和协议。其规范包括红外线(较少使用)、跳频扩频和直接序列扩频等方案。从本质上来说，WLAN 是调制在载波上的一个普通的 LAN 协议。IEEE802.11 是 LAN以太网的无线延伸。IEEE802.11 设备的优点是能够
40、支持复杂的 MAC 特征，如节点隐藏和应用点间的漫游。IEEE802.11系列分为IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE 802.11b和IEEE802.11g四个标准。IEEE802.11 业务主要限于数据存取，传输速率最高只能达到 2Mbps；IEEE802.11b 使用开放的 2.4GHz 直接序列扩频，最大数据传输速率为 11Mbps，无需直线传播。IEEE802.11a 工作在 5GHz 频带，从而避开了拥挤的 2.4GHz 频段。物理层速率可达 54Mbps，传输层可达 25Mbps8。上海交通大学硕士论文 10b)蓝牙(Bluetooth)技术 蓝牙技术是爱立信公
41、司在 1994 年提出的一种的短距离无线通信技术规范，是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。它的学名是 IEEE802.15，是可根据 IEEE802 标准取得一个唯一的 48bit 的 BD_ADDR，这是一个公开的地址码，可以通过人工或自动方式进行查询。蓝牙是面向移动设备间的小范围连接，其本质可以说它是一种代替线缆的技术；从应用的角度来讲，它与日前广泛应用于微波通信中的一点多址技术十分相似。因此，它很容易穿透障碍物，实现全方位的语音与数据传输。蓝牙同 IEEE802.11b 一样，使用 2.4GHz 频段，采用跳频扩频(FHSS)技术，跳频是蓝牙使用的关键技术。对应于单时隙分组，蓝牙的
42、跳频速率为 1600 跳/秒；对应于时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时则提高为 3200 跳/秒。蓝牙以 2.45GHz 为中心频率，来得到 79 个 1MHz 带宽的信道。由于使用比较高的跳频速率，使蓝牙系统具有较高的抗干扰能力。在发射带宽为 1MHz 时，其有效据速率为 721kbps，最大传输距离 10m。在连网上，蓝牙支持点对点和点到多点的连接；在技术规范方面，蓝牙包括协议(Protocol)和应用规范(Profile)两个部分。整个蓝牙协议体系结构可分为 4 层，即核心协议层、线缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其它协议层9。c)HomeRF 技术 HomeRF 无线标准是由 H
43、omeRF 工作组开发的，旨在家庭范围内，有效范围约 50m，使计算机与其它电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。HomeRF 是 IEEE802.11 与 DECT 的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。与前两种技术一样，使用开放的 2.4GHz 频段。采用跳频扩频(FHSS)技术，跳频速率为 50 跳/秒,共有 75 个带宽为 1MHz 的跳频信道。调制方式为恒定包络的 FSK 调制，分为 2FSK 与 4FSK 两种。2FSK 方式下，最大数据的传输速率为1Mbps；4FSK 方式下，速率可达 2Mbps。在新的 HomeRF2.x 标准中，采用了WBFH(Wide Band Fr
44、equency Hopping，宽带调频)技术来增加跳频带宽，由原来的 1MHz 跳频信道增加到 3MHz、5MHz，跳频的速率也增加到 75 跳/秒，数据峰值达到 10Mbps。HomeRF 标准有以下两个主要特点：一、HomeRF 提供了流媒体(Stream Media)真正意义上的支持。由于流媒体上海交通大学硕士论文 11规定了高级别的优先权并采用了带有优先权的重发机制，这样就确保了实时播放流媒体所需的带宽、低干扰、低误码。二、HomeRF 把共享无线接入协议(SWAP)作为未来家庭联网的技术指标，基于该协议的网络是对等网，因此该协议主要针对家庭无线局域网。其数据通信采用简化的 IEEE
45、802.11 协议标准，沿用类似与以太网技术中的冲突检测的载波监听多址技术(CSMA/CD)CSMA/CA。语音通信采用 DECT(Digital Enhanced Cordless Telephony)标准，使用 TDMA 时分多址技术。不过由于 HomeRF 技术没有公开，目前只有几十家企业支持，在抗干扰等方面相对应其他技术而言尚有欠缺，因此不具有广泛的应用前景10。2.2.2 GPRS 无线通信技术简介无线通信技术简介 GPRS 是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有 GSM 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为 GSM
46、用户提供分组形式的数据业务。GPRS 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。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。GPRS 是移动通信过渡代产品，是一种高速分组数据交换技术，同时支持两种主流的分组数据网络协议：TP 和
47、X.25。它改良了现有的 GSM 网络系统，使得 GSM 系统可以在第三代移动通信系统得到实际应用之前实现同时提供电路交换和分组交换两种承载业务。基于分组数据包，使现有的移动通信系统提供的数据业务首次从 9.6kbps 飞跃到了 100kbps 以上，极大地提高了移动用户的移动通信能力，而且由于分组交换是基于统计复用的原理，它大大地提高了无线信道和核心网络的使用效率。通过 GPRS，移动用户可以直接连接到 Internet 上处于一直在线的状态，而无须拨号连上一个特定的 ISP，而且用户只须为他们实际使用上海交通大学硕士论文 12的通信数据总量付费11。2.3 系统设计原则 系统设计原则 从系
48、统应用的角度出发，如何在较短的时间内建设成能满足实际生产需求、具有一定先进性、较高性能价格比、较高成熟度与可靠度的系统是关键。系统的设计与实施最重要的是系统科学设计这一问题。基于无线通信技术的 SCADA 系统使用射频通信技术进行数据的无线传输，以单片微型计算机作为控制的核心，从总体上看属于一个计算机射频通信系统。我们应当注意到的是，由于射频通信存在许多不同于有线通信的特点，在实际设计与开发射频通信系统时，我们将面临一些特殊的问题。必须对这些特殊的问题做出正确的解决，才能构建实用有效的计算机射频通信系统。下面将选择若干有代表性的问题来加以分析说明。2.3.1 可靠性原则可靠性原则 系统的可靠性
49、是指系统在规定的条件和时间内完成特定功能的能力，即长期稳定工作的能力。对 SCADA 系统来说，可靠性是非常重要的因素，这一原则必须放在首位，而通信的可靠性则是考虑的重中之重。射频通信不同于有线通信方式，其连接是不可靠的。对于射频数据收发而言，可靠性必须采取多种方式予以保证。首先，要依据实际应用情况选择恰当的射频通信芯片。如对于需要频繁移动的应用情形，应选择频率或相位调制的芯片。因为对于信号振幅而言，会随着设备的移动而产生较大的衰落变化，影响数据比特的接收(比如在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动通信设备的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次)。其次，硬件电路上要使得接收灵敏度、发射信号
50、强度足以满足接收距离等要求。在这些“硬”的基础确定后，软件也需要作大量的工作。如由于无线信道的时变性很强，采用软件构成数据帧时不宜过长，因为短帧可以提高每帧数据传输的成功率。再如无线数据传送很容易发生误码或丢失数据比特的现象。因此，需要软件对所传输的数据施加检错或自动纠错的编码。编码的基本实现方法是在发送端将被传输的信息附上一些监督码元，这些多上海交通大学硕士论文 13余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联，一旦传输发生差错，则信息码元与监督码元的关系就受到破坏，从而接收端可以发现错误乃至纠正错误。常用的 CRC(循环冗余效验)可以很好地检测各种各样的接收错误，而且算法实现也比较简单。