基于GPRS遠程監控系統數據終端的研究

隨著(zhù)計算機技術(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(lái)講，由于需要監控的區域廣、監控的對象種類(lèi)繁多，因而需要花費大量的人力、物力和財力進(jìn)行設備的維護，而且存在許多條件惡劣、人們不易到達或不能時(shí)刻停留的地方偶爾采集一些現場(chǎng)數據，如果進(jìn)行大量的布線(xiàn)工作則是不經(jīng)濟、不合理的，這就推動(dòng)了無(wú)線(xiàn)通信的技術(shù)在遠程監控領(lǐng)域的發(fā)展。

GPRS^[1]（通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)）作為現有GSM網(wǎng)絡(luò )向第三代移動(dòng)通信演變的過(guò)渡技術(shù)（2.5G）具有接入迅速、永遠在線(xiàn)、按流量計費等特點(diǎn)，在遠程突發(fā)性數據實(shí)時(shí)傳輸中有不可比擬的優(yōu)勢。

2 GPRS技術(shù)

GPRS（General Packet Radio Service）通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)），是在GSM系統的基礎上建立的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )系統，他使用分組交換技術(shù)，能兼容GSM，并在網(wǎng)絡(luò )上傳輸高速數據，GPRS在傳統的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)支持節點(diǎn)）和GGSN（Gateway GPRS Support Node，GPRS網(wǎng)關(guān)支持節點(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(hù)只有在發(fā)送或接收數據期間才占用資源，這意味著(zhù)多個(gè)用戶(hù)可高效率地共享同一無(wú)線(xiàn)通信，從而提高了資源的利用率，而GSM傳輸數據方式為電路交換模式，在整個(gè)連接期內，用戶(hù)無(wú)論是否傳送數據都將獨自占用無(wú)線(xiàn)信道。GPRS用戶(hù)的計費按通信的數據流量為計費標準。

傳輸速度高GPRS數據傳輸速度可達57.6KB/s，最高可達到115-117.2kb/s，完全可以滿(mǎn)足用戶(hù)應用的需求。

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(xiàn)功能 用戶(hù)將初始處于連線(xiàn)和在線(xiàn)狀態(tài)，這將使訪(fǎng)問(wèn)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(wú)線(xiàn)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)小數據量的實(shí)時(shí)傳輸。

工業(yè)的遠程數據采集系統就是一個(gè)比較典型的頻發(fā)小數據量的實(shí)時(shí)傳輸系統。

3 系統設計

3.1 系統結構

整個(gè)系統的結構如圖1所示。

用戶(hù)終端設備通過(guò)串口或無(wú)線(xiàn)方式連接到GPRS數據終端上，然后將數據打成IP包，再通過(guò)GPRS空中接口接入到GPRS網(wǎng)絡(luò )，最終通過(guò)各種網(wǎng)關(guān)和路由到達系統數據中心。

3.2 終端硬件設計

GPRS數據終端的硬件結構采用模塊化設計，共包含數據處理模塊，遠程通信模塊，模數轉換模塊和顯示模塊四部分，系統結構如圖2所示。

數據處理模塊主要包含AT89C55^[3]，X25045兩個(gè)芯片，AT89C55用于處理與遠程通信模塊、模/數轉換模塊和顯示模塊間的數據傳輸，為了保證數據不會(huì )因為掉電而丟失，采用串行E2PROM器件X25045對數據進(jìn)行存儲。

遠程通信模塊主要包含GPRS無(wú)線(xiàn)模塊、SIM卡和串口模塊MAX3238三部分，GPRS無(wú)線(xiàn)模塊采用SIEMENS公司的MC35^[4]GPRS模塊，其功能是將數據或命令通過(guò)與其連接天線(xiàn)發(fā)射出去，或接收遠端監控中心發(fā)送的數據，再將接收到的數據或命令進(jìn)行相應的協(xié)議處理后，通過(guò)MAX3238送入單片機進(jìn)行處理，MX3238起電平轉換和串口通信的功能，由于傳輸數據的承載方式是GPRS網(wǎng)絡(luò )，故SIM卡是不可缺少的，功能是存儲數據和在安全條件下完成客戶(hù)身份鑒權和客戶(hù)信息加密算法的全過(guò)程。

模數轉換模塊的功能將采集到的模擬信號轉換成數字量，作為單片機處理信息源，電路設計時(shí)采用了AD0832芯片作為模數轉換芯片，先將模擬信號送入AD0832轉換成數字量，再送入T89C55芯片進(jìn)行計算和處理。

顯示模塊主要是考慮到當現場(chǎng)有管理人員巡視時(shí)，可以方便實(shí)時(shí)地了解現場(chǎng)情況，系統使用了一種管理鍵盤(pán)和LED顯示器的專(zhuān)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(xiàn)少，只需4條，具有較高的性?xún)r(jià)比。

3.3 終端軟件設計

數據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)向數據中心注冊動(dòng)態(tài)IP地址和SIM卡的IMSI號，進(jìn)行數據傳輸。

3.3.1 串口驅動(dòng)

由于數據終端是用單片機實(shí)現的，必須從底層的串口通信開(kāi)始逐漸實(shí)現GPRS登錄，最終實(shí)現數據的傳輸，串口驅動(dòng)實(shí)現打開(kāi)串口（OpenComm）、關(guān)閉串口（CloseComm）、讀串口數據（ReadComm）、向串口寫(xiě)數據（WriteComm）、串口中斷（Interrupt UartRxISR）等。

3.3.2 登錄GPRS網(wǎng)絡(luò )

通過(guò)GPRS Modem支持的AT^[5]命令集對其進(jìn)行初始化設置，初始化設置成功后即可進(jìn)行撥號連接，GPRS Modem的初始化及撥號過(guò)程如下：

AT+IPR=38400；

//把波特率設置為38400b/s，默認值為9600b/s。

AT+CGCLASS=“B”；

//設置移動(dòng)終端的類(lèi)別為B類(lèi)，即具有GPRS上網(wǎng)和GSM語(yǔ)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配置，協(xié)商過(guò)程遵循LCP、PAP、CHAP、IPCP等協(xié)議，其中LCP用于建立、構造、測試鏈路連接，PAP或CHAP用于處理密碼驗證部分；IPCP協(xié)議用于設置網(wǎng)絡(luò )協(xié)議環(huán)境，并們配IP地址。Modem接收到IP后將其存入數據終端的配置地址域，數據終端向數據中心發(fā)送配置后的數據幀，告知其動(dòng)態(tài)IP地址和IMSI號，數據中心存儲收到的信息，作為下傳數據的聯(lián)絡(luò )信息。

3.3.4 傳輸數據

網(wǎng)絡(luò )協(xié)商之后即可進(jìn)行數據傳送，GPRS網(wǎng)絡(luò )支持TCP/IP協(xié)議，所以通過(guò)收發(fā)IP數據包來(lái)傳送數據，此時(shí)，終端系統向GGSN發(fā)送的所有包含IP報文的PPP報文都會(huì )被傳送給Internet網(wǎng)中相應的IP地址，從而完成終端系統向遠程監控中心通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸數據的過(guò)程。

4 實(shí)現過(guò)程中的難點(diǎn)

系統實(shí)現的一個(gè)難點(diǎn)是登錄GGSN的過(guò)程，即終端系統登錄GPRS網(wǎng)關(guān)（GGSN）并與網(wǎng)關(guān)通過(guò)LCP，PAP，IPCP協(xié)議進(jìn)行協(xié)商的過(guò)程。

網(wǎng)絡(luò )協(xié)商過(guò)程是一個(gè)復雜的過(guò)程，協(xié)商過(guò)程大致如下，在撥號成功連接后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，以強迫進(jìn)行協(xié)議協(xié)商階段，隨后，GPRS網(wǎng)關(guān)發(fā)送LCP設置幀，我們拒絕所有的設置并請求驗證模式，GPRR網(wǎng)關(guān)選擇CHAP或PAP方式驗證，我們只接受PAP方式，然后進(jìn)行PAP驗證用戶(hù)名或密碼過(guò)程，如果成功，GPRS網(wǎng)關(guān)會(huì )返回IPCP報文分配動(dòng)態(tài)IP地址。此時(shí)就完成了GPRS網(wǎng)關(guān)的協(xié)商過(guò)程，流程如圖3所示。

5 結語(yǔ)

遠程監控技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應用非常廣泛，在電力系統、燃起管網(wǎng)、石油勘測、水利、交通運輸等領(lǐng)域有著(zhù)非常重要的作用，采用GPRS技術(shù)使得無(wú)線(xiàn)監控系統的實(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)監控系統的智能化和信息化。