[讨论] GPRS系列应用6

GPRS在远程测控系统中的应用

      远程测控系统中的通讯需求分析

    远程测控系统数据传输包括各种检测、监视、生产、报警等，行业涉及到油田、环保、地震、水利、电力、气象、燃气、管道、自来水等各个部门。远程测控系统数据有数据量小、定时或非定时及实时发送等特点，一方面需实现数据的上传，另一方面亦需下达各种传输、控输、控制指令，即双向的数据、指令传输，同时须结合自己的测控系统。传统的数据传输主要有数传电台、电话拨号、卫星通信等方式来解决；这些传输方式存在覆盖范围、实时性、投资及运行费用等问题，同时对工控设备的无人守值守运行存在较大困难。目前中国移动主推的GPRS 通讯方式是一种新兴的数据传输技术，将从根本上解决传统传输方式的弊端，更加贴近专业数据传输的需求。
　
    GPRS技术概述

    GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有GSM 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM 用户提供分组形式的数据业务。GPRS 采用与GSM 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的TDMA 帧结构。这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似，因此现有的基站子系统只要增加一些模块即可提供GPRS 服务。GPRS 允许用户在分组交换模式下发送和接收数据，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。分组交换的基本过程是把数据先分成若干个小的数据包，可通过不同的路由，以存储转发的接力方式传送到目的端，而组装成完整的数据。分组交换基本上不是实时系统，延时也不固定，但可以使不同的数据传输“共用”传输带宽：有数据时占用带宽，无数据时不占用，从而分享资源。在GSM 无线系统中，无线信道资源非常宝贵。如采用电路交换，通信需要建立端到端的连接，信道只能被一个用户独占，在成本效率上显然缺乏可行性。而采用分组交换的GPRS 则可灵活运用无线信道，每一个用户可以有多个无线信道，而同一信道又可以由几个用户共享，从而极大地提高了无线资源的利用率。在理论上，GPRS可以将最多8 个时隙组合在一起，给用户提供高达171.2kb/s 的带宽。由于GPRS 用户的数据通信费是以数据流量为基础，而不考虑通信时长，所以GPRS用于IP 业务的接入将更为用户所接受。

    GPRS用于无线数据接入具有多方面的优势，一是接入范围广，可充分利用全国范围的电信网络，方便、快速、低成本地为用户数据终端提供远程接入网络的部署；二是传输速率高，数据传输速度可达57.6kbps，最高可达到171kbps，是常用有线56k Modem 理想速率的两倍，下一代GPRS 业务的速度甚至可以达384kbps，完全可以满足用户应用需求；三是接入时间短，GPRS 接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为两秒；四是提供实时在线功能，现在用GPRS MODEM上网，用户将始终处于连线和在线状态，这将使访问服务变得非常简单、快速；五是按流量计费，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，用户可以一直在线，按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时，用户即使挂在网上也是不收费的。以上优势使GPRS 非常适用于开展行业和企业无线接入应用。

    GPRS数据传输方式及网络结构
   
    无线移动通讯网络的发展，特别是GPRS的出现为工业自动化设备的通讯提供了新的手段，通过GPRS服务，设备可采用互联网Internet的标准方式与在互联网上的服务器交换数据。GPRS的基础是以IP包的形式进行数据的传输，GPRS无线终端接入GPRS 网络的方法与普通有线MODEM 类似， 都采用建立PPP(Point-to-Point Protocol) 连接方式。PPP协议是一种被广泛采用的串行点对点链路上传输数据报的方法，包括LCP、PAP、IPCP、NCP等。GPRS MODEM通过PPP协议获得动态分配的IP地址。连接建立后，在PPP协议的基础上通过数据传输协议，如TCP、UDP等实现与互联网上其它计算机的数据通讯。以下为基于GPRS 技术的测控系统网络典型应用示意图：

    GPRS传输方式：在远程终端，采集数据通过A/D接口送入GSM/GPRS无线通信控制终端，GSM/GPRS无线通信控制终端首先将数据打包成TCP/IP 数据包，再转换成GPRS 数据包，通过无线链路传送到无线数据交换中心（MDEC）。MDEC再剥离GPRS 数据包并通过GGSN网关将TCP/IP 数据包传送到Internet，再由Internet传送到通信控制计算机，通信控制计算机通过Socket 套接字接受TCP/IP 数据包，并把它还原成原始数据。当数据由无线数传监控中心到远程终端方向时，情况是类似的。

    短信传输方式：短信传输方式为点到点的传输方式，将采集到的数据通过短信发送到控制中心，控制中心通过短信收发设备接收短信，并通过计算机串口送入计算机处理。

    目前中国移动开通的GPRS 数据服务主要是为手机和计算机用户提供无线上网功能，针对专业数据的传输，必须解决以下几个问题才能实现测控数据的及时、准确、安全地传输。

    <1>PPP、TCP/IP 协议在终端设备上的实现

    对于计算机用户来说，实现拨号接入Internet 是件很容易的事，因为在PC上有非常成熟的软件能够轻松实现PPP 和TCP/IP 协议。但是对于采用嵌入式设备的终端，尤其是对单片机来说，由于硬件资源的制约和协议的复杂繁琐，实现起来还是比较困难的。

    <2>服务器的接入方式

    由于GPRS 网络工作方式是以IP 地址寻址为基础的，所以服务器端理论上只需要接入Internet，并具备公网（Internet）分配的IP 地址即可。但是在实际系统应用中，如果服务器是拨号或ADSL 等接入方式，每次接入所获得的IP 地址不是固定的，而GPRS MODEM 也是动态地获得IP 地址，两个动态的IP 地址设备在Internet 上是无法直接通信的。因此要求服务器具有静态IP 地址或通过其它方式中转。这样，服务器的接入方式就受到一定限制。中国移动开通的GPRS 服务中现阶段只提供点对多点的传输服务。点对多点传输方式是指多个GPRS 无线终端把数据传输到一个固定的数据处理中心。GPRS终端与终端间的点对点传输理论上可行，但技术上还有待更好的支持。

    <3>移动网和公网（Internet）互联

    GPRS MODEM 动态地获得的IP 地址为移动骨干网内地址，无法被公网服务器直接解析，在未进入连接状态时，服务器是无法与GPRS MODEM 直接通讯的。必须先由GPRS MODEM 主动向服务器发送数据，进行连接。当连接的路由建立以后，服务器和终端设备才可以双工地进行数据传输。所以通讯必须是由GPRS MODEM首先发起连接，这一点在制定测控系统通讯方式时要考虑进去。

    <4>终端设备的身份识

    GPRS MODEM 动态地获得的IP 地址，对于服务器来讲就无法象普通计算机网络那样靠IP 地址或MAC 地址来判断终端设备的身份，无法准确地定位终端设备。另外，从网络安全的角度来说，也存在这个问题。所以必须建立一个ID 识别机制。

    <5>GPRS MODEM 的长期稳定性

    测控系统中的终端设备一般都安装在野外环境中，地点偏远、分散，无人职守，设备必须能在特殊的环境下长期、稳定地工作。系统必须具有自动拨号、断线重拨功能,在GPRS 网络状况不稳定时，具有自动恢复通讯能力,保证系统稳定工作,无需人为干预。另外，在电源抗干扰及散热等方面也必须进行特殊设计，才能使终端设备适应恶劣工作环境。