基于GPRS遠程監控系統數據終端的研究

隨著計算機技術的發展，尤其是Internet技術廣泛深入到人們生活的各個方面，使人們的生活發生了深刻的變化，從工控領域來講，由于需要監控的區域廣、監控的對象種類繁多，因而需要花費大量的人力、物力和財力進行設備的維護，而且存在許多條件惡劣、人們不易到達或不能時刻停留的地方偶爾采集一些現場數據，如果進行大量的布線工作則是不經濟、不合理的，這就推動了無線通信的技術在遠程監控領域的發展。

GPRS^[1]（通用分組無線業務）作為現有GSM網絡向第三代移動通信演變的過渡技術（2.5G）具有接入迅速、永遠在線、按流量計費等特點，在遠程突發性數據實時傳輸中有不可比擬的優勢。

2 GPRS技術

GPRS（General Packet Radio Service）通用分組無線業務），是在GSM系統的基礎上建立的移動網絡系統，他使用分組交換技術，能兼容GSM，并在網絡上傳輸高速數據，GPRS在傳統的GSM網絡中引入了3個新的組件：PCU（Packet Control Unit，分組控制單元）、SGSN（Serving GPRS Support Node，GPRS服務支持節點）和GGSN（Gateway GPRS Support Node，GPRS網關支持節點）GPRS通信具有以下特點：

資源利用率高 GPRS引入了分組交換的傳輸模式，用戶只有在發送或接收數據期間才占用資源，這意味著多個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傳輸數據方式為電路交換模式，在整個連接期內，用戶無論是否傳送數據都將獨自占用無線信道。GPRS用戶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，完全可以滿足用戶應用的需求。

接入時間短 GPRS接入等待時間短，可快速建立連接，平均為2s。

提供實時在線功能 用戶將初始處于連線和在線狀態，這將使訪問服務變得非常簡單、快速。

支持IP協議和X.25協議 GPRS支持Internet上應用最廣泛的IP協議和X.25協議，而且由于GSM網絡覆蓋面廣，使得GPRS能提供Internet和其他分組網絡的全球性無線接入。

從上述的GPRS特點可以看出，GPRS網絡特別適合于頻發小數據量的實時傳輸。

工業的遠程數據采集系統就是一個比較典型的頻發小數據量的實時傳輸系統。

3 系統設計

3.1 系統結構

整個系統的結構如圖1所示。

用戶終端設備通過串口或無線方式連接到GPRS數據終端上，然后將數據打成IP包，再通過GPRS空中接口接入到GPRS網絡，最終通過各種網關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，為了保證數據不會因為掉電而丟失，采用串行E2PROM器件X25045對數據進行存儲。

遠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，其功能是將數據或命令通過與其連接天線發射出去，或接收遠端監控中心發送的數據，再將接收到的數據或命令進行相應的協議處理后，通過MAX3238送入單片機進行處理，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網絡，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身份鑒權和客戶信息加密算法的全過程。

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芯片進行計算和處理。

顯示模塊主要是考慮到當現場有管理人員巡視時，可以方便實時地了解現場情況，系統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單，占用口線少，只需4條，具有較高的性價比。

3.3 終端軟件設計

數據終端必須具備以下基本功能：自動登錄GPRS網絡，自動向數據中心注冊動態IP地址和SIM卡的IMSI號，進行數據傳輸。

3.3.1 串口驅動

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

3.3.2 登錄GPRS網絡

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

AT+IPR=38400；

//把波特率設置為38400b/s，默認值為9600b/s。

AT+CGCLASS=“B”；

//設置移動終端的類別為B類，即具有GPRS上網和GSM語音功能，但二者不能同時使用，可自動切換。

AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”；

//設置GPRS接入網關，如果Modem返回“310D”則表示初始化成功。

發送“ATDT*99***1#”若Modem返回“310D”則表示成功接通GPRS網絡。

3.3.3 網絡協商

GGSN與Modem通信時遵循PPP協議，Modem撥號后首先要與GGSN進行通信鏈路的協商，即進行點到點的各種通信鏈路的參數配置，協商過程遵循LCP、PAP、CHAP、IPCP等協議，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協議用于設置網絡協議環境，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送配置后的數據幀，告知其動態IP地址和IMSI號，數據中心存儲收到的信息，作為下傳數據的聯絡信息。

3.3.4 傳輸數據

網絡協商之后即可進行數據傳送，GPRS網絡支持TCP/IP協議，所以通過收發IP數據包來傳送數據，此時，終端系統向GGSN發送的所有包含IP報文的PPP報文都會被傳送給Internet網中相應的IP地址，從而完成終端系統向遠程監控中心通過互聯網傳輸數據的過程。

4 實現過程中的難點

系統實現的一個難點是登錄GGSN的過程，即終端系統登錄GPRS網關（GGSN）并與網關通過LCP，PAP，IPCP協議進行協商的過程。

網絡協商過程是一個復雜的過程，協商過程大致如下，在撥號成功連接后GPRS網關首先會返回一個PAP REQ幀，我們發送一個空LCP REQ幀，以強迫進行協議協商階段，隨后，GPRS網關發送LCP設置幀，我們拒絕所有的設置并請求驗證模式，GPRR網關選擇CHAP或PAP方式驗證，我們只接受PAP方式，然后進行PAP驗證用戶名或密碼過程，如果成功，GPRS網關會返回IPCP報文分配動態IP地址。此時就完成了GPRS網關的協商過程，流程如圖3所示。

5 結語

遠程監控技術在工業控制領域中的應用非常廣泛，在電力系統、燃起管網、石油勘測、水利、交通運輸等領域有著非常重要的作用，采用GPRS技術使得無線監控系統的實時性、可靠性有了很大的提高，進一步促進了工業監控系統的智能化和信息化。