（机械电子工程专业论文）基于gprs的智能水质化学分析仪.pdf

摘要 油并开发中，注入水质和采出油油水分离后水质分析，对于优化开发方案 提高采收率，保护油霹可采储量具有重要意义。剩用g p r s 无线通讯技术，霹实 现多油井水质实时在线化学分析。为此，本文就基于g p r s 的智能水质化学分析 仪的组成进行了系统研究，测试采用离子选择性电极，并利用g p r s 网络所提供 的公用平台来实现远程离子分折的数据传输及控制，缀成了基于g p r s 的智麓水 质化学分析仪。主要完成的任务有以下几个部分： 一、采用主从结构，用p c 架构的a d a m 一5 5 1 0 m 作为现场数据中心，对f o 资源和开关量资源进行分配，透过c 环境制作了p l c 控制的远程通讯系统，实 现自动溶液滴定、离子电极清洗、油井水质的离子信息的实时采集与存储。 二、在基于调用a d a m 5 5 1 0 中m o d b u s 协议库的基础上，设计了g p r s 网络的数据传输子系统。根据g p r s 网络系统结构和数据传输接口，完成了系 统数据交换命令集的定义和传输接口程序的开发。 三、在数据处理与监控子系统的后台服务器上，应用v c + + 编程环境和 w i n s o c ka p i 接口，将数据处理和监控等各子系统进行模块化处理，实现了数 据收发及数据文件管理、系统参数设置和监测结果分时显示等功能；利用a d o 技术在程序中实现数据库访问，实现在历史查询界面中观察试验历史记录的功 能；采用多线程技术，实现p l c 与计算机之间的数据通信子程序和监控界面中 实时参数检测子程序的实时并进。 四、对完成的试制装置进行软、硬件综合调试，在数据采集的自动实现过程 中，利用标准曲线法对离子电极的进行了测试。并对终端的预定功能进行了验证， 检验了误码率。 在测试中，仪器工作稳定，检测误差为1 0 m g l 左右，数据误码率为1 0 以 内，该远程通讯控制化学分析测试技术在实验室或油田现场等需要快速检测的 场合有着广泛应用l ； f 景。 关键词：离子分析；g p r s ；a d a m 5 5 1 0 a b s t r a c t i nt h ee x p l o i t a t i o no fo i lw e l l ，t h ea n a l y s i sb e t w e e ni n p u tw a t e ra n dd e t a c h e d f r o me x p l o i t a t i o no i lt h a ti sb e n e f i tf o rt h ep r o j e c ta n dp r o t e c t i n gt h ew e l li sv e r y i m p o r t a n t t h et e c h n o l o g yo fg p r sc a nc a r r yo u tt h er e a l t i m ec h e m i ca n a l y s i so f m u l t i w e l l sw a t e rq u a l i t y a i m e da tt h i sc o n d i t i o n ，t h ea r t i c l ei n v e s t i g a t et h es y s t e m o fi n t e l l e c t u a l i z e di n t e g r a t e dw a t e rq u a l i t yc h e m i c a la n a l y s i si n s t r u m e n tb a s e do n g p r s ，w h i c hi su s i n gi o ns e l e c t i v i t ye l e c t r o d ea n db a s e do nd e e p l yr e s e a r c ho n g p r sd a t as e r v i c et e c h n i c a lm e c h a n i s mc o n c e r n e d t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w i n g ： 1 w i t ht h es t r u c t u r eo fh o s t - c l i e n t p co v e r h c a dc o n s t r u c t i o na d a m 一5 510 m w h a tt a k et h ec e n t e rd i s t r i b u t et h ei op o r t sa n da n a l o gr e s o u r c e s t h ep l cc o n t r o l s y s t e mi sm a d eb ycp l a t f o r m ，w h i c h i su s e df o rt h ea u t o m a t i o no fs o l u t i o nt i t r a t i o n 、 i o ns e l e c t i v i t ye l e c t r o d ew a s h i n ga n dd a t ac o l l e c t i o n 2 b a s e do nt h el i b r a r yf u n c t i o n so fa d a m - 5 510m o d b u sp r o t o c o l ，t h ed a t a t r a n s m i s s i o ns u b s y s t e mo fg p r sn e t w o r ki sd e s i g n e d a c c o r d i n gt og p r sn e t w o r k s t r u c t u r ea n dd a t at r a n s m i s s i o ni n t e r f a c e ，t h es u b s y s t e md e f i n e sd a t ae x c h a n g e c o m m a n dg r o u p sa n dr e a l - t i m et r a n s m i s s i o no ft h ee n c a p s u l a t e dd a t a 3 i nt h es u b s y s t e mo fd a t ap r o c e s s i n ga n dm o n i t o r i n g a p p l yt h ev i s u a lc + + a n dw i n s o c ka p ip r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n tt oi m p l e m e n tg p r sd i f f e r e n t i a l s o l u t i o n ，d a t af i l em a n a g e m e n t ，s y s t e mp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o n ，m o n i t o r i n gr e s u l t t i m e - s h a r i n gd i s p l a ya n ds oo n ；d a t ai sa c c e s s i n gb ya d ot e c h n o l o g y c o n s e q u e n t l y , t h ee n t i r ep r o d u c t i o nd a t ab a c k u pa n dq u e r y i n gc a nb er e a l i z e de a s i l ya n dq u i c k l y b e s i d e s ，t h ew h o l em o n i t o r i n gs c h e m ew a sd e s i g n e db a s e do nt h em u l t i t h r e a d t e c h n o l o g yt or e a l i z et h ed a t ae x c h a n g i n ga n dm o n i t o r i n gs i m u l t a n e o u s l y 4 s o f t w a r e h a r d w a r ed e b u g g i n go ft h ep r o t o t y p i n gd e v i c ei sa l s oc o n d u c t e da n d t h ep r e p l a n n e df u n c t i o ni sv e r i f i e d t h ec u r v i l i n e a rt r e n da n a l y z e so ft h et e s t i n gd a t a a n dt h ec h o i c eo ft h ep r o p e rd a t ap r o c e s s i n gm o d u l a rc a nm a k et h er e l i a b i l i t yo ft h i s t e s t i n gs y s t e m a f t e rd e b u g g e d ，t h ei n s t r u m e n tw o r k ss t a b l y , a n dt h ee r r o ri sa b o u t10m g l 、t h e e r r o rd a t ar a t ei su n d e r10 t h ec h e m i c a la n a l y s i so fl o n g - d i s t a n c ec o n t r o lc a nb e w i d e l yu s e di nt h ep l a c e ss u c ha sl a ba n do i lf i e l d 。 k e yw o r d s ：i o n i ca n a l y s i s ，g p r s ，a d a m - 5 5 10 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：灵哮神 v 功罗年6 月) e 1 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门 大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和 电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进 入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行 检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名：昊乎坤 导师签名：缆 日期：瑚彦年乡月z 日 日期：胁f 月沙日 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 石油工业是我国的一项支柱产业，但是石油开采工业的环境保护问题令人担 忧。在石油的开采过程中，存在着大量的钻井废水污染，原油脱出水污染( 又称 油田采出水) 等环境污染源n 1 。这些油田污水具有含油量大、有机物和悬浮物高、 盐份高、色度深等特点。其主要成分包括氯离子( c l - ) 、钙离子( c a 2 + ) 、镁离子( m 9 2 + ) 、 铁离子( f e 3 + ) 、硫酸根离子( s o 。2 一) 、碳酸氢根离子( h c o 。一) 、碳酸根离子( c 魄2 一) 、少 量原油、硫化氢( h 2 s ) 和大量有机杂质等。若直接将这些污水排放，将给农作物 及周围环境带来极大的危害。我国的水资源相对缺乏，如果能将采油过程中产生 的污水经过一定的处理后，变废为宝，用于回注地层，或用于灌溉，具有十分重 大的经济、社会效益。 但油田中的油井大量分布在野外或海上，检测设备均为露天安装，管理维护 费时费力。而这些监测点中，有很多不适合搭建有线通讯网络。若采用光纤或电 台的方式实现无线通讯，不仅设备投入耗资巨大，也不适应移动的需要。因此， 将融合了无线通信和智能检测技术的远程数据实时监测系统应用干离子监测，己 经成为油田发展的必然趋势。 g p r s ( g e n e r a lp a e k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) 是在g s m ( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o n u n u n i c a t i o n s ，全球移动通信系统) 基础上发展出来的一种 新的分组数据承载业务。它的基本功能是在移动终端与计算机通信网络的路由器 之间提供分组传递业务。它的最大的特点是“永远在线 ，因为它采用的是分组 交换技术，不需要像m o d e m 那样拨号连接，用户只有在发送或接收数据时才占用 资源。g p r s 另外的一个特点就是以传输资料量计费，而不是以传送时间计费，所 以就算遇上网络塞车，也不会白白花钱。g p r s 移动通讯业务的产生和全面投入， 使它相比于传统的监控网络技术具有无可比拟的性价比优势。 1 。2 国内外研究状况 1 - 2 1 监控技术的各种通信方式 基于g p r s 的智能水质化学分析仪 目前国内外的监控系统产品有多种，其本质上的差异是它们所采取的通信 方式不同。随着电信技术的迅猛发展，可用于监控管理的通信方式有多种，一 般可分为有线通信方式、电台数据传输方式、无线集群通信方式、g s m 短信息 通信方式、c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ，蜂窝式数字分组数据) 通信方式、 c d m a ( c o d e d i v i s o nm u l t i p l ea c c e s s ，码多分址) 通信方式和g p r s 通信方式。 下面分别介绍这集中最常用的通信方式口，甜。 1 、有线通信方式 有线通信方式是指通过架设光缆、铺设电缆、租用专用电话线或公众电话 网进行监控终端与监控中心间的数据传输的方式。有线通讯的局限性太大，在 遇到一些特殊的应用环境，比如遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是 移动物体等布线比较困难的应用环境的时候，将对有线网络的布线工程有着极 强的制约力。 2 、电台数据传输方式 电台数据传输方式是指监测系统通过调制解调器把采集到的数字信息转换 成音频信号，通过特定频率的电台发射出去，接收端解调恢复原来的信号的方 式。电台数据传输方式是传统的无线监控系统中应用最广泛的通信方式。 3 、无线集群通信方式 无线集群通信是指系统可用信道可为系统中全体用户所共用，具有自动选 择信道功能、资源共享、费用分担、信道设备共用的多用途、高效能的无线调 度通信系统。从广义上讲，包括无线对讲系统在内的具有调度通信功能的各种 无线通信系统均可被纳入集群通信系统的范畴。所谓数字集群系统就是采用数 字通信技术的集群通信系统，这种通信方式只能实现无线对无线的远程监控。 4 、g s m 短消息通信方式 g s m 短消息通信方式是指充分利用移动公网资源，通过g s m 通信模块发送 和接收有限长度的文本信息，实现对远程设备的监控的通信方式h 3 。相对无线 集群通信方式而言，它可以大大节约建设投资、降低维护成本。目前，g s m 短 消息通讯方式主要应用在一些数据量不是很大、实时性要求不是很高的场合。 5 、c d p d 通信方式 c d p d 主要由移动数据中介系统，移动数据基站及移动终端系统组成。 2 第一章绪论 它是以数字分组数据技术为基础，以蜂窝移动通信为组网方式的移动无线 数据通信技术。这种技术通过在蜂窝电话网上增加分组数据处理装置( 无线和放 大发射设备可与现有模拟电话系统共用) ，使蜂窝网能同时处理语音和数据业务 啼1 。其基本思想是利用蜂窝网的空闲话音信道发送分组数据。g p r s 和c d p d 都可以提供数据业务服务，主要应用的场合与g p r s 类似。 6 、w c d m a 通信方式 w c d m a 是一种由3 g p p 具体制定的，基于g s mm a p 核心网，u t r a n ( u m t s 陆地无线接入网) 为无线接口的第三代移动通信系统。目w c d m a 有r e l e a s e 9 9 、r e l e a s e 4 、r e l e a s e 5 、r e l e a s e 6 等版本。w c d m a ( 宽带码分多 址) 是一个i t u ( 国际电信联盟) 标准，它是从码分多址( c d m a ) 演变来的， 在官方上被认为是i m t 2 0 0 0 的直接扩展，与现在市场上通常提供的技术相比， 它能够为移动和手提无线设备提供更高的数据速率。c d m a 作为新一代移动通 信技术的新潮流，具有绿色更健康、清晰更逼真、保密性能好、业务功能多等 独特魅力的高品质特点。但是目前的c d m a 并非g 3 ，而是类似g p r s 的g 3 的过渡产品。 7 、g p r s 通信方式 g r p s 通信方式是指监控系统以g p r s 分组型数据业务为基础，通过g p r s 网络完成远程数据传输和远程终端监控的通信方式。g p r s 突破了g s m 网络只 能提供电路交换的思维方式，只需要通过增加相应的功能实体和对现有的基站 系统进行部分改造来实现分组交换3 。由于g p r s 网络的数据传输的高速性和 使用成本的低廉性，当前对g p r s 在远程监控方面的开发和应用，可谓如火如 茶。可以说g p r s 是目前远程监控系统中性价比最高的通信方式。 1 2 2 各种通信方式的比较 和g p r s 的通信方式相比，其他几种通信方式都有其固有的缺陷，下面分 别加以说明： 1 、传统上使用电台作无线数据传输的设计方案和g p r s 相比有显著的缺陷： ( 1 ) 产品硬件部分成本高昂。一般商用电台或电台模块价格都在1 0 0 0 元到 2 0 0 0 元之间，从而导致再开发产品的成本居高不下，限制了客户的发展空间。 g p r s 模块价格只有电台的3 0 0 5 。 基于g p r s 的智能水质化学分析仪 ( 2 ) 数据传输距离短。一般商用电台的传输距离都在1 0 0 公里的数量级， 不利于长距离数据传输。g p r s 模块可以实现全球通信。 ( 3 ) 数据传输可靠性低。一般商用电台都工作在固定单一的频点，电磁环境 恶劣。另外，基于数据传输协议的缺陷等问题也是可靠性低的重要原因。而g p r s 系统目前已经比较成熟，运行可靠。 ( 4 ) 维护困难。商用电台工作功率大、货源复杂等都导致商用电台故障频率 较高，另外其维修人工费用也比较高。而g p r s 模块的集成度很高，故障率低。 2 、无线集群通信方式与g p r s 通信方式相比，存在几个致命缺点： ( 1 ) 无线集群移动通信系统属于专用移动通信网，需要大量建设资金的投 入，建设周期较长，保养与维护不便，这是它的最大缺点。 ( 2 ) 由于专网的覆盖范围有限，不利于全局整体控制。 ( 3 ) 无线集群通信系统主要的服务业务是无线用户与无线用户之间的通 信，对无线用户与有线用户之间的通信业务有较大的限制。 3 、与g p r s 相比较，g s m 短消息通信方式有几个较大的缺点： ( 1 ) g s m 短消息通信方式为半双工通信方式，不能同时双向收发数据。 ( 2 ) 相对g p r s 而言，它的平均传输时延较大。 ( 3 ) 在重大活动或重大节同等通信高峰期，容易发生信道堵塞，导致通信不 畅。 4 、与g p r s 相比较，c d d p 有以下几个缺点： ( 1 ) 在g s m 网络中每发展一个用户的成本约为2 0 0 0 元，g p r s 用户的成本 是根据网络规模决定的，现在g p r s 网络的覆盖能力己经有相当规模。而c d p d 在建网的初期基站数量不会很多，加上必须的交换机和网管的投资，平摊到每 个用户的成本约为2 5 0 0 、3 0 0 0 元左右。 ( 2 ) g p r s 通信所能达到的传输速度要比c d p d 通信高，尽管g p r s 通信是以 牺牲信道资源为代价。 ( 3 ) c d p d 是工作在m a p s ( a d v a n e e d m o b i l e p h o n e s y s t e m ，高级移动电话系 统) 频段，只有m i h z 频段，而g p r s 可用频段要宽得多，因此在g p r s 每个小 区内可用于数据的信道数远大于c d p d ，容易满足组件公网对信道数的需要。 4 第一章绪论 5 、与g p r s 方式相比，c d m a 通信方式在性能上有很大的优势，但也存在 不小的缺陷： ( 1 ) 在成本上，基于d c m a 网络的通信模块要比基于g p r s 网络的通信模块 高将近一倍。 ( 2 ) c d m a 网络的覆盖率不及g p r s 网络的覆盖率高。 综上所述，基于g p r s 的无线监控系统是目前最先进最稳定的无线监控管 理系统。 1 3 课题的研究总体思路和开发路线 1 3 1 课题研究总体思路 本系统以a d a m 5 510 m 做为下位机集群，实现自动配制溶液和对数据的采 集、处理等。将离子选择电极处理后的数据通过与其串口( c o m l ) 相连的g p r s 无 线传输模块m c 5 5 将数据上传，经过g p r s 网络、i i l t e m e t 网络，与远端的数据采 集服务器( 上位机) 相连，实现远程数据采集与监测。远端的数据采集服务器主要 监测离子瞬时数据、历史数据。 1 3 2 技术开发路线 ( 1 ) 测试各种离子电极的性能，研究影响测试结果的因素及规律； ( 2 ) 对g p r s 网络及其协议、t c p i p 协议进行研究，实现数据在g p r s 网络和因特网之间无缝连接； ( 3 ) 实现a d a m 5 5 1 0 和m c 5 5 通信，并掌握相关的a t 指令； ( 4 ) 编写下位机自动配置溶液和数据采集等程序； ( 5 ) 服务器应用程序的设计。服务器应实现和m c 5 5 的w i n s o c k 通信、 和本地数据库的交互，并且服务器应用程序必须有一个友好的人机交互界面； ( 6 ) 分析实验结果。 基于g p r s 的智能水质化学分析仪 第二章g p r s 通信网络 2 1g p r s 的基本原理 全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，g s m ) 为世界上 采用最多的数字移动通信制式，由三个主要部分组成：移动台( m o b i l es t a t i o n ， m s ) 、基站系统( b a s es t a t i o ns y s t e m ，b s s ) 和移动交换中心( m o b i l es e r v i c e s w i t c h i n gc e n t e r , m s c ) 。 移动台有s i m 卡和移动装备两个组件。s i m 卡称为用户标识模块，包括该系统 终端的标识和连接信息；移动装备是g s m 无线设各。把s i m 卡插入g s m 设备中， 通过它所包含的标识信息，可以发出接收以及使用其他预定的服务。 基站系统由基础发射一接收机站和基站控制器组成。基础发射一接收机站包 含着定义信元和移动单元通信相关协议的必要组件。这两个组件集成在一起，能 提供从移动到移动交换中心的服务。 移动交换中心( m s c ) 是无线系统与公用电话交换网( p s t n ) 之间的接口，完 成所有信号处理功能，附带有支持认证和用户注册能力。m s c 还能协调呼叫与基 站控制器之间的转接，协调呼叫路由与预定服务之问的配合。为了能利用高效的 交换方法，m s c 选择了使用七号信令系统网络体系。 2 1 1 通用分组无线业务( g p r s ) 1 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称，通过增加相 应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，是一种基于包 的无线通讯服务，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却 相当可观。 g p r s 系统作为无线和网络的融合，实现技术中既包含无线技术，又包含数 据技术，所以相对于g s m 而言变化较大。g p r s 系统以基站形式覆盖服务地域， 以分组交换的方式进行无线数据传输。其基本原理是按一定规则，把一整份数据 报文分割成若千定长的数据段，并给每一数据段加上收、发终端地址及其它控制 信息，以“分组”为单位在移动通信网上进行传输，统称数据包。系统按照一定 6 第二章g p r s 通信网络 的寻址协议为服务区内的每个用户提供理论峰1 7 1 z k b n 、的数据信道。数据包可 以与话音同时传送而互不干扰。g p r s 在数据业务的承载和支持上具有非常明显 的优势，更有效的利用无线网络信道资源。因此，g p r s 特别适用于间断的、突 发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。 2 1 2 网络组成单元 g p r s 系统通过在原有的g s m 系统引入分组数据单元来提供无线系统上的数 据业务。作为承载网络，g p r s 系统本身采用p i 网络结构，并对用户分配独立地 址( 如p i 或x 1 2 1 地址) ，将用户作为独立的数据用户，从而实现从网络到移动用 户端到端的数据应用口8 3 。g p r s 系统网络结构如图2 一l 所示： 图2 1g p r s 系统网络结构 b s c ：b a s e s t a t i o n c o n t r o l l e r ，基站控制器 b t s ：b a s e t r a n s c e i v e r s y s t e m ，基站收发系统 p c u ：p a e k e t c o n t r o l u n i t ，( g p r s ) 包控制单元 d h c p ：d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c o l ，动态主机配置协议 d n s ：d o m a i n n a m e s e r v e r ，域名服务器 r a d i u s ：r e m o t ea u t h e n t i e a t i o nd i a lu s e rs e r v i c e ，远程授权拨入用户服务 n t p ：n e 似o r k t i m e p r o t o e o l ，网络时间协议 7 基于g p r s 的智能水质化学分析仪 l 、p c u p c u 是分组数据处理单元，它与b c s 协同工作，提供无线数据的处理功能， 如逻辑链路与物理链路的映射、数据包的拆封、数据包的确认、无线数据信道的 分配等。p c u 可作为模块单元插入b c s 中，或者作为独立于b c s 的单元存在，它 与b s c 之问的接口方式规范未给出定义。 p c u 与s g s n 之间g b 接口采用帧中继协议。p c u 具有g b 接口管理的功能。 2 、s g s n s g s n 即g p r s 服务支持结点，它通过g b 接口提供与无线分组控制器p c u 的连 接，进行移动数据的管理，如用户身份识别、加密、压缩等功能；通过g r 接口与 h l r 相连，进行用户数据库的访问及接入控制；它还通过g n 接口与g g s n 相连， 提供i p 数据包到无线单元的传输通路和协议变换等功能；s g s n 还可以提供与 m s c 的g s 接口连接以及与s m s c 之间的g b 接口连接，用以支持数据业务和电路业 务的协同工作和短信收发等功能。 3 、g g s n g g s n 负责g p r s 网络与外部数据网的连接，提供g p r s 与外部数据网之间的 传输通路，进行移动用户与外部数据网之间的数据传送。 g g s n 起到路由器的作用，它与其他相关网络单元如p i x ，d n s ，d h c p ，r a d i u s 等设备协同时间数据业务的接入和传送等功能。 g g s n 与s g s n 之间的接口为g n 接口，采用g t p 协议类型：g g s n 与外部数据 网之间的接口为g i 接口，采用i p 协议类型。 对于网络发起的数据单元传送业务，g g s n 需要通过g c 接口到h r l 查询用户 相关信息；对于计费信息的传送工作，g g s n 通过g a 接口完成。 4 、域名解析服务器( d n s j 艮务器) d n s 协议用以提供域名解析功能，负责进行网络域名与i p 地址之间的映射和 转换。g p r s 系统中，d n s 主要用以进行g p r s 网络接入点名称( a p n ，a c c e s sp o i n t n a m e ) 与相关g g n s 地址之间的转换、内部网元i p 地址与名称之问的解析、切换 时位置区信息和相关s g s n 地址之间的转换。 5 、动态地址分配服务器( d h c p 服务器) g p r s 系统采用动态地址池对接入网络的移动用户进行动态地址的分配和管 8 第二章g p r s 通信网络 理，以提供用户地址空问的有效利用，d h c p 协议用以完成这种功能。不同a n p 或企业网可采用不同的地址段，d h c p 服务器根据a n p 信息进行地址段的分配管 理，从而保证了地址使用的灵活性和高效性。 6 、网络时间协议服务器( n t p j & 务器) n t p 用以提供网络的统一时钟，保证数据流的同步。 2 1 3g p r s 传输平面跚 g p r s 传输面层如 蛩2 - 2 所示包括g t p u s n d c p ，l l c ，b s s g p ，n s ，r l c m a c 等协议层。 g p r s 系统中，g p r s 隧道规程g t p u 协议用以进行g n 接口上的数据封装功 能：子网汇聚层s n d c p 用以提供不同协议种类的接入功能，进行数据报中数据 和控制部分的压缩、封装功能；逻辑链路控相j l l c 层用以提供m s 与s g s n 之间稳 定的逻辑链路，并通过确认机制保证数据的可靠传送；无线链路控* , j r l c 层将l l c 数据包变为r l c 数据包，通过无线接口传送，并采用a r q 机制予以传送确认；媒 体接入m a c 层执行接入控制功能，提供多个m s 共享同一物理信道的控制机制； 无线层提供无线信道用以进行m s 与p c u 之间信息的传送。 a 择i f 妇； ，i p l p s 拄岱e 扩 ：漆：焉 s n l xp 。“l 卜u辨e l j r技c 黜 冬芝滋 u d p ： 0 匐伊 k 披b 油r 鹅s l l 拶辫 凇e m a ek 懿辅，鲥kn e t o i l 1 21 2 s 嚣改s c t 、k c g s - 、l r f ( 话mr fl l b l 孙i 5l l l l u r n翁殛 m sb s ss g s ng g s k 图2 2g p r s 传输面协议层 9 基于g p r s 的智能水质化学分析仪 2 1 4g p r s 的数据传输 在能够发送或接收数据前，必须为( 移动台) 激活( 或创建) 一个p d p 前后关系 ( 数据地址) ，使用p d p f i 后关系实现g p r s 网的路由选择。一个g p r s 签名可以包含 几个p d p 地址，并在移动台、s g s n 和g g s n 中的每个p d p 地址保持一个独立的p d p 前后关系。一个用户所有的p d p 前后关系与同一个删( 移动性管理) 环境相关，该 m m 环境是对用户的i m s - v ( 国际移动台标识符) 而言的。 2 1 5g p r s 前后关系激活 p d p 指分组数据规程( p a c k e td a t ap r o t o c 0 1 ) ，p d p 上下文包含与某个接入网 络( a p n ) 相关的地址映射以及路由信息。移动用户通过激活p d p 上下文得到动态地 址以随时通过g g s n 接入特定数据网络。 p d p 上下文激活过程如图2 3 所示，m s 发送p d p 砂锅内文激活请求信息至u s g s n ， s g s n 根据a p n ( 接入点名称，它与特定的业务类型和企业网相关) 判断可接入性， 并通过d n s 得到相应的g g s n 地址，再通过g n 接口转发p d p 激活请求信息至o g g s n ，由 g g s n 控制进行动态地址分配和接入认证过程。如果a p n 接入允许，m s 与s g s n 、s g s n 与g g s n 之间o o s 协商通过，并且r a d i u s 认证过程能够通过，n m s 将得到i p 地址， 并在m s 与相应的s g s n 和g g s n 中形成m s 的相关p d p 上下文信息。 图2 3g p r s 传输面协议层 1 0 第二章g p r s 通信网络 2 1 6 来自移动台的g p r s 数据传输n 0 1 1 3 在连接s g s n 和激活p d p 前后关系后，移动台被外部的分组数据网( p d n ) 所知 道，而且能够向网络发送和接收来自网络的信息。现在移动台的一个用户应用将 产生i p 和x 25 分组。分组包括源地址、目的地址和信息。分组流程按下面的步 骤进行： ( 1 ) 在s g s n 和移动台之间存在一条逻辑链路，由该移动台专用的t l l 工区别 该链路。在移动台存在一个表，它保存移动台至u t l l i 和相关的n s a p i ( 网络层业务 接入点标识符) 的映射信息。s n d c p ( 子网会聚协议) 层取得原始的i p 分组，加入包 含t l l 工和n s a p i 信息的头信息，然后将这些分组发送n s 6 s n ； ( 2 ) 在s g s n 的表中还存储有t l l i 和n s a p i 至o 对应t i d 和g g s ni p 地址映射信息。 在s g s n 中，去除包含t l l t 和n s a p i 的头，然后在它的位置放上包含t i d 和g g s ni p 地址的g t p 头； ( 3 ) 分组以i p 格式发送至u g g s n ，其中s g s n 的i p 地址作为源地址，g g s n 的 i p 地址作为日的地址。t i d 也是i p 数据分组的一部分； ( 4 ) 在目的端( g g s n ) ，去掉分组头，得到原始的i p 或x 25 兮组。现在这个 分组能够被送到它的目的地，该目的地来自分组的目的地址字段。 2 1 7g p r s 数据向移动台传输 数据向移动台传输过程类似于数据从移动台传输。它们按照下面的顺序进 行： ( 1 ) 来自外部网络的分组到达g g s n ，g g s n 查表去测定移动台的特定的s g s n 地址和t z d ，该移动台是分组的期望接收者； ( 2 ) g g s n 产生i p 数据报( 分组) ，数据报分组包含作为源地址的g g s ni p 地址、 作为目的地址的s g s ni p 和原始的i p 分组及t i d 分组； ( 3 ) s g s n 把t i d 和6 g s n 映射为表中相应的t l l i 和n s a p i 值。在该点，s g s n 知 道移动台在哪里和它必须把分组送给哪个网络应用； ( 4 ) s g s n 取得原始的i p 分组，加入包含n s a p i 和t l l i 的分组头，把它传送 到移动台的s n d c p 层，去掉分组头后把分组送到相关的网络应用层。+ 基于g p r s 的智能水质化学分析仪 2 1 8g p r s 的工作原理n 2 1 3 t 1 铂 g p r s - f 作时，是通过路由管理来进行寻址和建立数据连接的，而g p r s 的路由 管理表现在以下3 个方面：移动终端发送数据的路由建立；移动终端接收数据的路 由建立；以及移动终端处于漫游时数据路由的建立。 对于第一种情况，当移动终端产生了一个p d u ( 分组数据单元) ，这个p d u 经 过s n d c 层处理，称为s n d c 数据单元。然后经过l l c 层处理为l l c 数据单元，通过 空中接口送至o g s m 网络中移动终端所处的s g s n ，s g s n 把数据送到g g s n 。 g g s n 把收到的消息进行解析处理，转换为可在公用数据网中传送的格式( 如 p s p d n 的p d u ) ，最终送给公用数据网的用户。为了提高传输效率，并保证数据传 输的安全，可以对空中接口上的数据做压缩和加密处理。 在第二种情况中，一个公用数据网用户传送数据到移动终端时，首先通过数 据网的标准协议建立数据网和g g s n 之间的路由。数据网用户发出的数据单元( 如 p s p d n 中的p d u ) ，通过建立好的路由把数据单元p d u 送给g g s n 。而g g s n 再把 p d u 送给移动终端所在的s g s n 上，s g s n 把p d u 封装成s n d c 数据单元，再经过 l l c 层处理为l l c 帧单元，最终通过空中接口送给移动终端。 第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户。这种情 况下的数据传送必须要经过归属地的g g s n ，然后送到移动用户。 2 2g p r s 数据传输优点 g p r s 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5 7 6 k b p s ，最高可达到1 7 1 k b p s ， 是常用有线5 6 k m o d e m 理想速率的三倍左右，下一代g p r s 业务的速度甚至可以达 3 8 4 k b p s ，完全可以满足用户应用需求；三是接入时间短，g p r s 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g p r s m o d e m 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 第二章g p r s 透信网络 时，用户即使挂在网上也是不收费的。以上优势使g p r s 菲常适用于开展行业和 企业无线接入应用。 2 3g p r s 用于远程控制系统 在远程终端，采集数据被送入g s m g p r s 无线通信控制终端，g s m g p r s 无线通 信控制终端首先将数据打包成t c p i p 数据包，再转换成g p r s 数据包，通过无线链 路传送到无线数据交换中心( m d e c ) 。m d e c 再剥离g p r s 数据包并通过g g s n 网关将 t c p i p 数据包传送至u i n t e r n e t ，蒜由i n t e r n e t 传送到通信控制计算机，通信控制 计算机接受t c p i p 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。由于是在广域网上完成数据的传输，接收 采集数据的服务器必须要有公网上的至p 地址，在采集设各孛珂戬设置服务器至p 地址和服务器监听端口两个参数，这样设备就可以顺利地和服务器进行数据通 讯。 1 3 于g p r s 的智能术质化学丹折怔 第三章远程无线终端 3 1g p r sm o d e m 硬件结构 g p r sm o d e m 机的支持，充分利川g p r s 网络“永远在线，接入速度快，采用 数据流量计费方式”“”的特点，具有无可比拟的性价比优势。现场监控点的a d a m 工控机处理系统通过r s 2 3 2 和g p r sm o d e m 相连，将数批传入m o d e m 。进入m o d e m 后的数据被g p r s 模块封装成适合于网络通信的数据包后，被发送至g p r s 网络， 再通过g p r s 网络进入i n t e r n e t 上传输，最后被指定i p 地址的用户数据中心读 取。 本系统采j f | 的西门子公司，f ：发的m c 5 5 无线通信产品。m c 5 5 是当今市场上尺 寸最小的三频模块其实物图如图3 - l 所示：“” 圈3 - 1 m c 5 5 实物图 该型号的g p r sm o d e m 有以下主要功能特性： 1 工作模式：9 0 0 、1 8 0 0 和1 9 0 0 m h z ：支持g p r sc l a s s1 0 m sc l a s s8 2 支持g s mp h a s e 2 2 + ； 3 输m 功率：g s m9 0 0 时：2 w ：g s m l 8 0 0 1 9 0 0 时：i m ： 4 控制：a t 指令直接控制； 5 支持数据、语音、短信息和传真； 6 输入电压：33 - - 48 v ； 7 可用作t c p 的客户端和服务端： 8 可用作u d p ，f t p ，h t f p ，s g r p p o p 3 客户端。 m c 5 5 内部的功能模块如图4 2 所示：8 第! 章远程无蛙终端 图3