基于GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)終端的研究

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是Internet技術(shù)廣泛深入到人們生活的各個(gè)方面，使人們的生活發(fā)生了深刻的變化，從工控領(lǐng)域來講，由于需要監(jiān)控的區(qū)域廣、監(jiān)控的對(duì)象種類繁多，因而需要花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)，而且存在許多條件惡劣、人們不易到達(dá)或不能時(shí)刻停留的地方偶爾采集一些現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如果進(jìn)行大量的布線工作則是不經(jīng)濟(jì)、不合理的，這就推動(dòng)了無線通信的技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域的發(fā)展。

GPRS^[1]（通用分組無線業(yè)務(wù)）作為現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動(dòng)通信演變的過渡技術(shù)（2.5G）具有接入迅速、永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi)等特點(diǎn)，在遠(yuǎn)程突發(fā)性數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸中有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2 GPRS技術(shù)

GPRS（General Packet Radio Service）通用分組無線業(yè)務(wù)），是在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，他使用分組交換技術(shù)，能兼容GSM，并在網(wǎng)絡(luò)上傳輸高速數(shù)據(jù)，GPRS在傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò)中引入了3個(gè)新的組件：PCU（Packet Control Unit，分組控制單元）、SGSN（Serving GPRS Support Node，GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)）和GGSN（Gateway GPRS Support Node，GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）GPRS通信具有以下特點(diǎn)：

資源利用率高 GPRS引入了分組交換的傳輸模式，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，這意味著多個(gè)用戶可高效率地共享同一無線通信，從而提高了資源的利用率，而GSM傳輸數(shù)據(jù)方式為電路交換模式，在整個(gè)連接期內(nèi)，用戶無論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨(dú)自占用無線信道。GPRS用戶的計(jì)費(fèi)按通信的數(shù)據(jù)流量為計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。

傳輸速度高GPRS數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)57.6KB/s，最高可達(dá)到115-117.2kb/s，完全可以滿足用戶應(yīng)用的需求。

接入時(shí)間短 GPRS接入等待時(shí)間短，可快速建立連接，平均為2s。

提供實(shí)時(shí)在線功能 用戶將初始處于連線和在線狀態(tài)，這將使訪問服務(wù)變得非常簡(jiǎn)單、快速。

支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議 GPRS支持Internet上應(yīng)用最廣泛的IP協(xié)議和X.25協(xié)議，而且由于GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，使得GPRS能提供Internet和其他分組網(wǎng)絡(luò)的全球性無線接入。

從上述的GPRS特點(diǎn)可以看出，GPRS網(wǎng)絡(luò)特別適合于頻發(fā)小數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)傳輸。

工業(yè)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是一個(gè)比較典型的頻發(fā)小數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

用戶終端設(shè)備通過串口或無線方式連接到GPRS數(shù)據(jù)終端上，然后將數(shù)據(jù)打成IP包，再通過GPRS空中接口接入到GPRS網(wǎng)絡(luò)，最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心。

3.2 終端硬件設(shè)計(jì)

GPRS數(shù)據(jù)終端的硬件結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，共包含數(shù)據(jù)處理模塊，遠(yuǎn)程通信模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和顯示模塊四部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)處理模塊主要包含AT89C55^[3]，X25045兩個(gè)芯片，AT89C55用于處理與遠(yuǎn)程通信模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和顯示模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，為了保證數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)榈綦姸鴣G失，采用串行E2PROM器件X25045對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

遠(yuǎn)程通信模塊主要包含GPRS無線模塊、SIM卡和串口模塊MAX3238三部分，GPRS無線模塊采用SIEMENS公司的MC35^[4]GPRS模塊，其功能是將數(shù)據(jù)或命令通過與其連接天線發(fā)射出去，或接收遠(yuǎn)端監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)，再將接收到的數(shù)據(jù)或命令進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議處理后，通過MAX3238送入單片機(jī)進(jìn)行處理，MX3238起電平轉(zhuǎn)換和串口通信的功能，由于傳輸數(shù)據(jù)的承載方式是GPRS網(wǎng)絡(luò)，故SIM卡是不可缺少的，功能是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和在安全條件下完成客戶身份鑒權(quán)和客戶信息加密算法的全過程。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的功能將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，作為單片機(jī)處理信息源，電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了AD0832芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，先將模擬信號(hào)送入AD0832轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再送入T89C55芯片進(jìn)行計(jì)算和處理。

顯示模塊主要是考慮到當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有管理人員巡視時(shí)，可以方便實(shí)時(shí)地了解現(xiàn)場(chǎng)情況，系統(tǒng)使用了一種管理鍵盤和LED顯示器的專用智能控制芯片HD7279A，HD7279A與處理器之間采用串行接口，其接口電路和外圍電路電簡(jiǎn)單，占用口線少，只需4條，具有較高的性價(jià)比。

3.3 終端軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)終端必須具備以下基本功能：自動(dòng)登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)向數(shù)據(jù)中心注冊(cè)動(dòng)態(tài)IP地址和SIM卡的IMSI號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.3.1 串口驅(qū)動(dòng)

由于數(shù)據(jù)終端是用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，必須從底層的串口通信開始逐漸實(shí)現(xiàn)GPRS登錄，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，串口驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)打開串口（OpenComm）、關(guān)閉串口（CloseComm）、讀串口數(shù)據(jù)（ReadComm）、向串口寫數(shù)據(jù)（WriteComm）、串口中斷（Interrupt UartRxISR）等。

3.3.2 登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)

通過GPRS Modem支持的AT^[5]命令集對(duì)其進(jìn)行初始化設(shè)置，初始化設(shè)置成功后即可進(jìn)行撥號(hào)連接，GPRS Modem的初始化及撥號(hào)過程如下：

AT+IPR=38400；

//把波特率設(shè)置為38400b/s，默認(rèn)值為9600b/s。

AT+CGCLASS=“B”；

//設(shè)置移動(dòng)終端的類別為B類，即具有GPRS上網(wǎng)和GSM語音功能，但二者不能同時(shí)使用，可自動(dòng)切換。

AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”；

//設(shè)置GPRS接入網(wǎng)關(guān)，如果Modem返回“310D”則表示初始化成功。

發(fā)送“ATDT*99***1#”若Modem返回“310D”則表示成功接通GPRS網(wǎng)絡(luò)。

3.3.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)商

GGSN與Modem通信時(shí)遵循PPP協(xié)議，Modem撥號(hào)后首先要與GGSN進(jìn)行通信鏈路的協(xié)商，即進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的各種通信鏈路的參數(shù)配置，協(xié)商過程遵循LCP、PAP、CHAP、IPCP等協(xié)議，其中LCP用于建立、構(gòu)造、測(cè)試鏈路連接，PAP或CHAP用于處理密碼驗(yàn)證部分；IPCP協(xié)議用于設(shè)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議環(huán)境，并們配IP地址。Modem接收到IP后將其存入數(shù)據(jù)終端的配置地址域，數(shù)據(jù)終端向數(shù)據(jù)中心發(fā)送配置后的數(shù)據(jù)幀，告知其動(dòng)態(tài)IP地址和IMSI號(hào)，數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)收到的信息，作為下傳數(shù)據(jù)的聯(lián)絡(luò)信息。

3.3.4 傳輸數(shù)據(jù)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)商之后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，GPRS網(wǎng)絡(luò)支持TCP/IP協(xié)議，所以通過收發(fā)IP數(shù)據(jù)包來傳送數(shù)據(jù)，此時(shí)，終端系統(tǒng)向GGSN發(fā)送的所有包含IP報(bào)文的PPP報(bào)文都會(huì)被傳送給Internet網(wǎng)中相應(yīng)的IP地址，從而完成終端系統(tǒng)向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的過程。

4 實(shí)現(xiàn)過程中的難點(diǎn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)難點(diǎn)是登錄GGSN的過程，即終端系統(tǒng)登錄GPRS網(wǎng)關(guān)（GGSN）并與網(wǎng)關(guān)通過LCP，PAP，IPCP協(xié)議進(jìn)行協(xié)商的過程。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)商過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，協(xié)商過程大致如下，在撥號(hào)成功連接后GPRS網(wǎng)關(guān)首先會(huì)返回一個(gè)PAP REQ幀，我們發(fā)送一個(gè)空LCP REQ幀，以強(qiáng)迫進(jìn)行協(xié)議協(xié)商階段，隨后，GPRS網(wǎng)關(guān)發(fā)送LCP設(shè)置幀，我們拒絕所有的設(shè)置并請(qǐng)求驗(yàn)證模式，GPRR網(wǎng)關(guān)選擇CHAP或PAP方式驗(yàn)證，我們只接受PAP方式，然后進(jìn)行PAP驗(yàn)證用戶名或密碼過程，如果成功，GPRS網(wǎng)關(guān)會(huì)返回IPCP報(bào)文分配動(dòng)態(tài)IP地址。此時(shí)就完成了GPRS網(wǎng)關(guān)的協(xié)商過程，流程如圖3所示。

5 結(jié)語

遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，在電力系統(tǒng)、燃起管網(wǎng)、石油勘測(cè)、水利、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著非常重要的作用，采用GPRS技術(shù)使得無線監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性有了很大的提高，進(jìn)一步促進(jìn)了工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的智能化和信息化。