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学位论文

学位论文

基于GPRS的无线煤矿监控监测系统

DesignofWirelessMonitoringControlSystemofCoalMinesBasedonGPRS

作者姓名：

薛猛

学科、专业：

通信工程专业

学号：

042027106

指导教师：

李艳萍教授

完成日期：

中北大学分校

TaiyuanInstituteofTechnology

摘要

煤炭产业是我国的支柱产业，在国民经济中占有重要的地位。

矿井安全是煤炭产业健康有序发展的重要保证。

由于煤炭资源特殊的生产环境，经常发生瓦斯爆炸、火灾、塌方等重大灾害，严重地制约着煤矿安全的生产。

而且，我国矿区分布较为分散，多处于丘陵山区，信息传递很不方便。

为了有效的监控和管理煤矿的安全状态，必须远距离、准确、及时地对企业的矿井安全进行不间断的监控。

因此，利用高科技开发远程监控系统，以实现对矿井安全的自动监控，同时加大煤矿管理部门对矿井安全的管理力度。

多年来，我国小型地方煤矿事故频繁出现，许多政府责令关闭的煤矿还在肆无忌惮地运营，政府部门对这些煤矿不能达到实时监控，究其原因，主要是大部分地方煤矿坐落在边远地区，布点分散、规模小、年产量低、服务年限短，用传统的组网手段存在投资大、施工布线不方便等难以克服的弊端，所以政府不能用先进的通讯手段去监控这些煤矿，给煤矿经营者带来可乘之机。

因此，本文提出了一种基于GPRS（GeneralPacketRadioService）的无线远程监控系统。

在以基于GPRS无线远程监控系统架构的基础上，设计了瓦斯防爆的无线远程监控系统，并对其作了一些探讨和研究。

具体内容如下：

该系统以GPRS网络作为远程信号的传输平台。

首先对GPRS网络体系结构和工作原理以及网络协议及其程序实现作了详细的讲解，并且对比了GPRS和GSM网络的通信方式和优缺点。

由于通信的建立、数据的接受和发送是通过AT指令来实现的，因此简单介绍了常见的AT指令及其使用方法。

其次，我们介绍系统的硬件设计，对主要硬件无线模块MC35和MSP430F149单片机及其外围电路设计进行了重点详细的讲述。

硬件的设计主要分为两个部分——监控中心站和远程监控分站，重点介绍远程监控分站的硬件设计和系统组成。

接着我们介绍了系统的软件设计，主要包括监测中心站软件设计和远程监控分站软件设计。

并且对设计过程中的难点进行详细介绍和分析。

论文结合GPRS远程无线监控系统设计出一套基于GPRS的煤矿安全监控系统，并给出了此系统应用领域的一些探讨和研究

关键词远程监控；GPRS；AT指令；MSP430单片机；协议；

DesignofWirelessMonitoringControlSystemofCoalMinesBasedonGPRS

Abstract

Thecoalindustryisthepillarindustryofourcountry,occupyingtheimportantpositioninthenationaleconomy.Themineralwellsafetyisdevelopment.Becauseofspecialproductionsurroundingsofthecoalresources,thereisusuallytheimportantdisasterofgasblast,afire…etc.,restrictingthesafeproductionofthecoalmine.Besides,ourcountrymineraldistinctiondistributesdispersedly,andhasseveralmoundmountainareas.Forsupervisingandmanagingthesafeappearanceofthecoalmineavailably,theremustbealong-distance,accuratemonitorwithoutabreaktothemineralwellsafeparameterofthebusinessenterpriseintime.Therefore,makinguseofthehightechnologydevelopmentremotemonitoringsystem,wecancarryouttothemineralwelltheautomonitorofthesafetysupervision,andenlargethecoalminemanagementsectiontothemineralwellsafetyofmanagementstrength.

Frequentaccidenthappenedinlocalsmallcoalmineforthepastmanyyears.Somewhichwasorderedtoshutdownisstillinoperation.Thegovernmentcannottomonitortheminrealtime.Ofcourse,therehavemanyreasons.Butthemostimportantisamajorityofthecoalminesarebuiltinremoteandmountainareas,scattered,small,lowvolumeandthelengthofserviceisnotlong.Thetraditionalnetworkinstallationneedtoomuchcapitalandtheconstractionisdifficult,sothelocalgovernmentcannottomonitorthemwithadvancedmeansofcommunication.

SointhispaperwepresentawirelessremotemonitorcontrolsystembasedonGPRS.BasedonthissystemwedesignaremotemonitorcontrolsystembasedonGPRSforavoidingthegasexploding,andpresentsomediscussionsandinvestigationinapplyingfield.Thedetailedcontentisasfollowing:

InthissystemGPRSnetworkisamediumfortransmittingtheremotesignal.FirstitpresentsdetailedexplanationofGPRSnetwork‘ssystemstructureandthecommunicationprincipleandnetworkprotocolswiththeprogramcodeandcontrastthecommunicationmode,merits,andshortcomingbetweenGPRSandGSM.Becauseofsettingupthechannelforcommunication,transmittingandreceivingdataisrealizedbyusingATcommand;itpresentsthefamiliarATcommandandusingmethod.ThenweintroducethehardwaredesignofthesystemandexpatiateonthemainhardwareMC35andmicrochipMSP430F149MCUwithperipheralcircuitindetail.Thedesignofthesystemhardwaremainlyincludestwoparts:

themonitoringcenterandtheremotemonitoringstation,weemphasisonthehardwaredesignandconstructionoftheremotemonitoringstation.Thenweintroducethesoftwaredesignofthesystem,itmainlyincludesthemonitoringcentersoftwareandtheremotemonitoringstationsoftwareindesignofsystemsoftware.Andweintroduceandanalyzethedifficultiesduringthesystemdesign.

AttheendofthepaperitrepresentsaremotemonitorcontrolsystembasedonGPRSforavoidingthegasexplodingwiththeremotemonitorcontrolsystembasedonGPRS,andpresentssomediscussionsandinvestigationinapplyingfield.

Keywords：

Remotemonitorcontrol;GPRS;ATcommand;MSP430MCU;Protocol

目录

摘要II

AbstractIII

目录V

引言-1-

第一章绪论-2-

1.1课题背景-2-

1.2研究目的和意义-3-

1.3矿井安全监控现状-4-

1.4远程监控系统综述-6-

1.5本文主要工作-7-

第二章GPRS网络结构与工作原理-9-

2.1GPRS网络通信综述-9-

2.1.1GPRS现状与发展-9-

2.1.2GPRS的特点与优势-10-

2.2GPRS系统组成及相关接口-12-

2.3GPRS网络工作原理-14-

2.3.1分组数据路由及传输-14-

2.3.2信令协议平台-16-

2.4几种实际应用中的组网方案-16-

2.4.1公网静态IP方案-17-

2.4.2动态域名解析方案-17-

2.4.3SMS通讯方案-17-

2.4.4APN专线接入方案-18-

2.5GPRS应用-18-

2.6本章小结-19-

第三章网络协议原理-20-

3.1TCP/IP协议族简介-20-

3.2UDP协议-23-

3.2.1UDP协议功能-23-

3.2.2UDP报文格式-23-

3.3IP协议-24-

3.3.1IP报文格式-24-

3.3.2IP首部定义-24-

3.3.3首部检验和方法-26-

3.4PPP协议-26-

3.4.1PPP协议简介-26-

3.4.2PPP数据帧格式-27-

3.4.3PPP会话的四个阶段-27-

3.4.4PPP协议中的验证机制-28-

3.4.5PPP协议的实现-28-

3.5本章小结-29-

第四章系统硬件设计-30-

4.1系统总体结构设计-30-

4.2监控中心站硬件设计-31-

4.2.1监控中心站服务器-31-

4.2.2企业内部局域网-31-

4.2.3数据库服务器-31-

4.3远程监控分站硬件设计-31-

4.3.1MSP430F149结构概述-32-

4.3.2液晶显示-34-

4.3.3键盘功能-38-

4.3.4串行通信-42-

4.3.5A/D转换功能-46-

4.3.6GPRS无线通信模块MC35-51-

4.3.7MC35与MSP430F149的连接-59-

4.4本章小结-60-

第五章系统软件设计-61-

5.1系统软件设计基础-61-

5.1.1常用的AT命令-61-

5.1.2MicrosoftVB6.0-62-

5.1.3单片机软件开发环境-63-

5.2监控中心站软件设计-64-

5.3远程监控分站软件设计-65-

5.3.1初始化部分-65-

5.3.2实现过程中的难点-67-

5.3.3A/D转换部分-67-

5.4本章小结-68-

第六章总结与展望-69-

6.1总结-69-

6.2展望-69-

参考文献-71-

引言

第一章绪论

1.1课题背景

能源是经济发展、社会进步的主要物质基础,煤炭作为我国的主要能源,在经济全球化的今天发挥的作用显得尤为重要。

作为我国的支柱产业,安全成为制约我国煤矿生产的首要问题。

我国的煤炭生产主要来源于地下开采,井下作业的危险系数较高。

近年来国家有关部门虽下大力气整治煤矿安全生产,通过不断努力,近段时期煤矿安全状况总体趋于好转,但由于基础薄弱等原因,生产状况仍不容乐观。

矿井安全生产事故仍时有发生,井下复杂地形给矿工撤离和事故抢救带来了极大困难,如何实现煤矿管理的现代化、信息化逐渐成为煤矿企业关心的问题。

为了有效地监控和管理煤矿的安全状态,采取科学、系统、完整的措施改变

我国煤矿安全现状及落后面貌,加强矿井安全生产监控技术及其方法的研究,是目前煤炭工业需要解决的迫切问题,建立以灾害预防、事故营救、电子信息化管理为主要目标的信息智能化煤矿管理体系势在必行。

远程监控技术随着Internet网络的不断发展而得到广泛应用，如远程网络教学、Internet网络的家电接入、远程故障诊断、网上考试等，利用Internet网络可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。

远程监控系统己广泛应用于邮电、电力、通讯、银行等系统及设施。

对于许多监控现场，由于需要监控的区域广、监控的对象种类繁多，因而需要花费大量的人力、物力和财力进行设备的维护。

而且还存在着某些容易发生突发性事件的领域，如容易发生火灾和洪灾的场所，由于这些事件发生的概率相对较小，且具有随机性和不确定性，如果在现场实施人员值守是不现实的。

同时，在许多条件恶劣、人们不易到达或不能时刻停留的地方偶尔采集一些现场数据，这时如果进行大量的布线工作则是不经济、不合理的。

随着移动数据通讯业务的发展，GPRS网络通信以其更加低廉的价格和永远在线的性能有着不可估量的发展前景。

正是基于以上考虑，本文提出并设计了一种基于GPRS网络通信的、使用低功耗MSP430单片机的远程无线监控系统，该系统硬件设计的核心采用美国TI公司生产的MSP430F149系列单片机和德国SIEMENS公司生产的MC35数据通信模块，软件使用VisualBasic6.0及C语言编写。

此系统内嵌TCP/IP协议，GPRS数据通信的实现使用串口AT命令，易于实现。

这种终端采集系统可以大量地布控于用户现场，不需要布线，可以随意移动。

随着2.5G的逐渐成熟，世界各国3G网络的投入研究，基于无线数据应用的各项服务展现出其独特的魅力。

基于GPRS业务的各种应用也蓬勃发展起来。

它改变了传统的以语音为主要的通信手段，使GPRS网络数据通信得到广泛的应用。

以GPRS网络作为无线传输平台可以开发出多种应用领域，这一设计方案的提出，将为煤矿企业的安全生产和日常管理上台阶、上水平以及事故急救带来新的契机。

1.2研究目的和意义

关于我国煤矿现状，国家煤矿安全监察局事故调查司为了针对国有重点煤矿07年上半年煤与瓦斯突出事故高发的问题,组织了调研组对今年发生了煤与瓦斯突出伤亡事故的两个国有重点煤矿企业盘江煤电（集团）公司、水城矿业（集团）公司进行了调研,并召开了部分国有重点煤矿煤与瓦斯突出事故原因分析座谈会。

对今年发生煤与瓦斯突出伤亡事故的8个国有重点煤炭企业:

水城矿业（集团）公司汪家寨煤矿、窑街煤电公司金河煤业公司一号井、邯郸矿业集团陶二煤矿、峰峰矿业集团公司大淑村煤矿、湖南省煤业集团金竹山矿业公司一平硐煤矿、四川煤业集团芙蓉公司白皎煤矿、盘江煤电集团公司金佳煤矿、晋城煤业集团寺河煤矿等发生煤与瓦斯突出的原因、特点、防治、对策等逐一进行了分析、研究。

除了地质原因外，下面是专家给出的一些其他原因：

1.一些矿井的瓦斯基础工作仍然十分薄弱

被调查矿井多数没有瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性系数、排放半径、抽放半径等防突参数和瓦斯抽放参数,这使煤矿不能清楚、准确地了解本矿井灾害的程度和特点,也难以选择和实施适用、有效的技术措施。

采取的煤与瓦斯突出预测敏感指标和临界值没有根据本矿的煤层地质条件进行实际考察。

此外,突出预测人员缺乏严格的专业技能培训。

本次调查的所有的突出事故均为预测指标超标,执行防突措施后检验指标不超标的情况下发生突出的。

这可能是措施效果检验钻孔进入工作面深部后,很容易与抽排钻孔穿孔或靠近,使措施效果检验指标测定值偏小,没有反应工作面前方突出危险性的真实情况,从而导致误报。

因此,预测人员的素质对预测结果的准确性具有重要的影响,要求突出预测与效果检验人员有较高的素质。

但多数矿井突出预测人员没有进行正规培训,在仪器使用、测定操作过程中不同地程度存在一些不够规范的问题

2.有些矿井没有按要求及时进行煤层的突出危险性鉴定

只有经鉴定和批准为煤与瓦斯突出矿井,煤矿才必须按突出矿井进行管理,安全监察部门才能要求煤矿采取防治煤与瓦斯突出的措施、制定相关管理制度。

但按现有的法规、标准,只有已经发生了动力现象的煤矿才必须进行煤与瓦斯突出鉴定,不能将那些尽管还没有发生煤与瓦斯突出,但已经有突出危险的矿井鉴定为突出矿井,并按突出矿井进行管理,防患于未然。

陶二煤矿与相邻的大淑村煤矿距离仅十余公里,属同一井田,开采的主要煤层相同,开采深度相近。

大淑村矿已鉴定为突出矿井,而陶二矿却未能进行煤层突出危险性鉴定,仍为高瓦斯矿井,以致发生了突出伤亡事故。

类似的情况还有晋城寺河煤矿。

以上情况一个是因为工作人员素质较低，一个是信息不能共享导致严重的煤矿事故，为了防止这种事故再次发生，很多人开始着手开发无线监控系统，便于使官方更多掌握各煤矿的资料。

本文论述的基于GPRS的无线监测系统是一种易于实现，投资较少的一种实用系统，它可以将各大煤矿的监测数据传到中心站，由专家统一鉴定，并且可以及时通知相邻煤矿危险信息起到资源共享的作用。

GPRS（GeneralPacketRadioService）是通用分组无线业务的简称，是在现有的第二代移动通信GSM系统的基础上发展出来的一种基于分组交换传输数据的高效率方式，提供广域、无缝、直接的Internet无线IP连接。

每个用户可以同时占有多个无线信道，大大提高信息传输速率；采用“统计复用”的方式，多个用户可以动态共享一个信道，大大提高了带宽资源的利用率，能够确保分组模式数据应用的成本效益和网络资源的有效利用。

GPRS在一个发送实体和另一个或多个发送实体之间提供数据传输，这些实体可以是连接到一个GPRS网络或一个外部数据网的终端设备。

尤其适用于间歇性、非周期性数传输（相邻两次传输的时间间隔远远大于平均传输延迟）；少量数据的频繁传输；较大容量数据的不频繁传输。

以GPRS为基础的无线数据应用为实现远距离的数据传输和实时监控提供了一种新的技术手段

1.3矿井安全监控现状

在现代工业企业的生产和管理中，大量的物理量、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制。

这是现代化工业生产必不可少的基本手段。

从单台计算机的直接监测控制到多级计算机监测控制系统，以及分布式、网络化、智能化的系统，在各种企业中都有应用。

计算机监控系统，是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构，与被监测控制的对象（生产过程）共同构成的整体。

在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。

（1）采集和处理功能主要是对生产过程的各种模拟和数字量进行检测、采样和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等。

为生产人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况。

（2）监督功能将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的指令和输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据和历史数据加以储存。

（3）管理功能利用己有的有效的数据、图像、报表等对工作情况进行分析、故障诊断、险情预测。

并以声光电的形式对故障和突发事件报警。

（4）控制功能在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于生产过程。

一般情况下，计算机监控系统都是在生产现场或附近进行管理的，这样便于生产技术人员及时到达现场指导生产，在发生故障时能够尽快解决问题以便恢复生产。

但是如果生产或采集现场地理位置比较偏僻、气候和其它一些条件比较恶劣时就无法在生产现场或数据采集现场建立计算机监控系统，这时就需要建立远程监控系统，另外，对于有许多地理位置分散的分厂或者分部的企业集团，总公司为了能够统一和全面管理各个分厂的生产，也需要建立一个计算机远程监控系统。

目前远程监控主要有以下几种方式：

短距离长线监控；通过市话网；通过Internet网络；通过自组网络（CDPD网）；通过数传电台方式。

短距离长线监控和通过自组网络（CDPD网）首先要自行建设通信网络，建网初期投资巨大，运营期间自主维护耗费人力物力较大，信号质量得以保证，效果好，相对运营费用高；通过市话网和Internet方式以现有的网络为依托，无需自行建设通信网络，但是由于市话网和Internet难以达到工业现场覆盖面，接入网络受到限制，局限性很大，网络运行效果取决于网络运营商，线路安全不能得到保证，其通信效果好，信号量大，运营费用相对低廉；数传电台出现较早，应用很广泛，是一种不错的无线数传方式，但是建网初期投资巨大，数传电台的传输范围有限，而且容易受到空间无线信号的干扰，信号不能得到保障，但是数传电台信号传输实时性好，运行费用低。

远程监控系统应用广泛，遍及国民经济的很多领域，典型应用概括为以下几个方面：

（1）煤气/天然气，石油，电力等能源系统设备以及网络的远程监控发电机组，变电站，供电所的远程监控；煤气/天然气管线压力，温度，流量等远程监控；石油开采中抽油井各种参数的远程监控