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

1、基于GPRS 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)終端的研究張春榮,范寒柏(華北電力大學(xué) 河北保定 071003摘 要:基于GPR S 的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是集現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)、信號(hào)采集技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為一體的現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng),已經(jīng)成為現(xiàn)代監(jiān)控領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢(shì)。隨著GP RS 技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域中的發(fā)展,目前此技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)嶋H應(yīng)用到許多需要無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)念I(lǐng)域。簡(jiǎn)述了GPRS 技術(shù),并闡述了一種基于GPRS 技術(shù)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)終端的設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程監(jiān)控;GP RS;GPRS Modem;I nter net中圖分類號(hào):T N919172 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004373X(20061511003Res

2、earch of Data Terminal in Remote Monitoring System Based on GPRSZH ANG Chunrong,F AN H anbai(North Chi na Electric Power U ni versity,Baodi ng,071003,ChinaA bstra ct :Remote monitor ing system based on GPRS is a modern monitoring system which is com posed of r adio communi 2cation technology,signal

3、collection and computer network technology.It has been a new developing dir ect ion of moder n moni 2toring syst em.With the development of GPR S technology in t he field of mobile communication,GPRS has been used in the sys 2tem of radio data tr ansmission at pr esent.T he paper int roduces the GPR

4、S technology and puts for war d a design of data termi 2nal in remote monitor ing system,which is based on GP RS.Keywords :remote monitor ing syst em;GP RS;GPRS Modem;Inter net收稿日期:200601161 引 言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,尤其是Int ernet 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(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

5、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(wú)線通信技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域的發(fā)展。GPRS 1(通用分組無(wú)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(guò)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(wú)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

6、組件:PCU(Packet Control Unit,分組控制單元、SGSN(ServingGPRS Support Node,GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)和GGSN (Gat eway 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(wú)線信道,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(wú)論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨(dú)自占用無(wú)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

7、輸速度可達(dá)5716kb/s,最高可達(dá)到11511712kb/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 用戶將始終處于連線和在線狀態(tài),這將使訪問(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Int ernet 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Int ernet 和其他分組網(wǎng)絡(luò)的全球性無(wú)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)。11

8、0工控技術(shù)張春榮等:基于GPRS 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)終端的研究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。圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用戶終端設(shè)備通過(guò)串口或無(wú)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(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(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。圖2 GPRS 終端硬件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理模塊主要包含AT89C553,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

9、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E 2PROM 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(wú)線模塊、SIM 卡和串口模塊MAX3238三部分。GPRS 無(wú)線模塊采用SIE 2MENS 公司的MC354GPRS 模塊,其功能是將數(shù)據(jù)或命令通過(guò)與其連接的天線發(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(guò)MAX3238送入單片機(jī)進(jìn)行處理。MAX3238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 卡是必不可少的,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(guò)程。模數(shù)

10、轉(zhuǎn)換模塊的功能是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AT89C55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

11、。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(kāi)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(kāi)串口(OpenComm、關(guān)閉串口(CloseC 2omm、讀串口數(shù)據(jù)(ReadComm、向串口寫(xiě)數(shù)據(jù)(Writ e 2Comm、串口中斷(Interrupt Uart RxISR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(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(guò)程如下:AT+IP R=38400;/把波特率設(shè)置為38400b/s,默認(rèn)值為9600b/s 。 AT+CGCLAS

12、S="B"/設(shè)置移動(dòng)終端的類別為B 類,即具有GPR S 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 0,0CMNET 0;/設(shè)置GPRS 接入網(wǎng)關(guān)。如果Modem 返回/310D 0則表示初始化成功。發(fā)送/ATDT*99*1#0,若Modem 返回/310D 0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(guò)程遵循LCP,PAP,CH AP,IPCP 等協(xié)議。其中LCP 用于建

13、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,并分配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(guò)收發(fā)IP 數(shù)據(jù)包來(lái)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Int ernet 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(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程。4

14、實(shí)現(xiàn)過(guò)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(guò)程,即終端系1115現(xiàn)代電子技術(shù)62006年第15期總第230期þ電子技術(shù)應(yīng)用ü統(tǒng)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。圖3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)商程序流程圖網(wǎng)絡(luò)協(xié)商過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,協(xié)商過(guò)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)PAPREQ 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。GPRS 網(wǎng)關(guān)選擇CH AP 或PAP 方式驗(yàn)證,我們只接受PAP 方式。然后進(jìn)行PAP

15、 驗(yàn)證用戶名和密碼過(guò)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)就完成了與GPRS 網(wǎng)關(guān)的協(xié)商過(guò)程。流程如圖3所示。5 結(jié) 語(yǔ)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?xì)夤芫W(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(wú)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。參 考 文 獻(xiàn)1呂捷.GPRS 技術(shù)M.北京:北京郵電大學(xué)出版社,2001.2Laur a A Chappell.TCP/I P 協(xié)議原理與應(yīng)用M .北京:清華大學(xué)出版社,2005.3Atmel.8bit Micr oco

16、ntr oller wit h 20k Bytes F lashAT89C55,2002.4MC35Siemens Cellular Engine V05100Z.Siemens.2002.5AT Commands Interface,2000.作者簡(jiǎn)介 張春榮 河北衡水人,碩士研究生,在讀于華北電力大學(xué)。范寒柏 河北保定人,華北電力大學(xué)副教授。(上接第104頁(yè)制表示,數(shù)據(jù)用16個(gè)32位的整數(shù)數(shù)組M 表示。(6輸出結(jié)果。5 結(jié) 語(yǔ)分布式管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通訊是一個(gè)重要而復(fù)雜的問(wèn)題,隨著相關(guān)研究的進(jìn)展,通訊手段一直在不斷的研究與變化中。因此,要充分發(fā)揮通訊平臺(tái)在分布式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的作用,必須及時(shí)了

17、解相關(guān)研究的新進(jìn)展,及時(shí)采用新技術(shù)。參 考 文 獻(xiàn)1萬(wàn)常選.數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)M.北京:清華大學(xué)出版社,2001.2黃義弘,黃文鈺.數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)M.北京:清華大學(xué)出版社,2005.3Douglase E.Internet Wor king with T CP/I P M .ComerP rentice Ha ll,2000.4Rober t Orfali.The Essentia l Client/Server Survival GuideM.Wiley Computer P ublishing,2000.5蔣東興.Windows Sockets 網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)大全M .北京:清華大學(xué)出版社,2000.作者簡(jiǎn)介 焦 健 女,1971年出生,陜西西安人,講師。主要從事計(jì)算機(jī)教學(xué)及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)方向的研究。(上接第106頁(yè)以上的設(shè)計(jì)思想,開(kāi)發(fā)了對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程虛擬試驗(yàn)系統(tǒng),在實(shí)際應(yīng)用中收到了良好的效果。參 考 文 獻(xiàn)1The Virtual Reality Modeling Langu