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(lái)講，由于需要監(jiān)控的區(qū)域廣、監(jiān)控的對(duì)象種類(lèi)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(xiàn)工作則是不經(jīng)濟(jì)、不合理的，這就推動(dòng)了無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)）作為現(xiàn)有g(shù)sm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(xiàn)、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(xiàn)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(hù)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(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(shù)據(jù)方式為電路交換模式，在整個(gè)連接期內(nèi)，用戶(hù)無(wú)論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨(dú)自占用無(wú)線(xiàn)信道。gprs用戶(hù)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(mǎn)足用戶(hù)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(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(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(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(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(hù)終端設(shè)備通過(guò)串口或無(wú)線(xiàn)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。

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(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(shù)據(jù)或命令通過(guò)與其連接天線(xiàn)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，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(hù)身份鑒權(quán)和客戶(hù)信息加密算法的全過(guò)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(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(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(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（closecomm）、讀串口數(shù)據(jù)（readcomm）、向串口寫(xiě)數(shù)據(jù)（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(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+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(lèi)別為b類(lèi)，即具有g(shù)prs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(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(guò)程遵循lcp、pap、chap、ipcp等協(xié)議，其中l(wèi)cp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(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(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程。

4 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。

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)pap req幀，我們發(fā)送一個(gè)空l(shuí)cp 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(hù)名或密碼過(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(wú)線(xiàn)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。