（通信与信息系统专业论文）基于gprs技术的无线远程监测系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 远程监测系统在工业控制领域中有着十分重要的意义。在许多工业场合， 尤其是对于一些分散的、无人值守的现场，需要对数据进行定时采集，以便及 时了解现场的情况，并根据情况发送一些简单的控制命令。传统的远程监测系 统的实现方式一般都需要自己建设并维护有线或者无线的通信网络，投资和维 护费用高。随着通信技术的发展，原有的远程监测系统已经日益不能满足多方 面的要求，我们需要成本更低，通信质量更好的通信方式。 因此，本文研究了一种基于g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的无线远程 监测系统。在以基于g p r s 无线远程监测系统架构的基础上，设计了钢厂水网 监测系统，并详细分析了其各层次的设计及功能实现。具体内容如下： 该系统以g p r s 网络作为远程数据的传输平台。首先对g p r s 网络体系结 构和网络传输协议作了详细的讲解，并且介绍了g p r s 通信方式的特点及优点。 将该系统分为远程监测分站、g p r s 网络和监测中心三部分，并对各部分功能进 行了分析。其次，我们介绍了无线数据终端的设计，为了适应工业环境的应用， 本终端的设计采用基于a r m 核的嵌入式系统。终端采用处理器驱动g p r s 模块 的方式实现数据的传输，处理器选用n x p 公司生产的l p c 2 2 1 0 ，并对其进行了 外围硬件的扩展；g p r s 模块选用台湾明基公司生产的m 2 2 模块。接着设计实 现了系统的软件部分，软件部分包括终端软件和监测中心服务器软件两部分。 数据终端和监测中心采用客户机服务器模式通信，终端系统一启动就与监测中 心建立t c p 连接，服务器程序采用w i n d o ws o c k e t 接收数据。 论文的最后部分结合g p r s 远程无线监测系统设计出一套基于g p r s 的钢 厂水网监测系统，并分析了系统的运行状况及其在工业领域推广的前景。 关键词：远程监测，g p r s ，嵌入式系统，客户机服务器模式 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m sp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ei n d u s t r yc o n t r o l f i e l d i nm a n yi n d u s t r ya r e a s ，e s p e c i a l l yf o rt h o s ed i s t r i b u t e da n dn o p e r s o no ns i t e o n e sd a t am u s tb ec o l l e c t e dc h r o n i c a l l yi no r d e rt og e tt h ei n f o r m a t i o no fs i t u a t i o n so n s p o ti nt i m ea n ds i m p l ec o m m a n ds i g n a l sn e e dt ob et r a n s m i t t e dc o n d i t i o n a l l y w i r eo r w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa r es e tu pa n dm a i n t a i n e du s u a l l yf o rt r a d i t i o n a l r e m o t em o n i t o r i n ga n dd e t e c t i n gs y s t e m s t h ei n v e s t m e n ta n dm a i n t a i nc o s ti sv e r y l l i g h a f t e ry e a r so fd e v e l o p m e n to nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a lr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m sa r en ol o n g e rs a t i s f i a b l ef o rt h er e q u i r e m e n t sa n ds y s t e m s 、析t 1 1 l o w e rc o s ta n dh i g h e rc o m m u n i c a t i o nq u a l i t ya r ed e s i r a b l e t h et h e s i sr e s e a r c h e saw i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e ms c e n a r i ob a s e do n g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) aw a t e rn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mo fas t e e l p l a n tb a s e do nt h es c e n a r i oi sd e s i g n e da n dt h ed e s i g ni s s u e sa n df u c t i o n so fe a c h l e v e lo ft h es y s t e mi sw e l la n a l y z e d t h em a i nw o r ki n c l u d e s ： t h es y s t e ms e l e c t sg p r sn e t w o r k 鹊r e m o t ed a t at r a n s m i s s i o np l a t f o r m f i r s tt h e g p r sn e t w o r ks t r u c t u r ea n dt h et r a n s m i s s i o np r o t o c o la r ec o v e r e di nd e t a i la n dt h e g p r sc o m m u n i c a t i o na d v a n t a g e sa n df e a t u r e sa r ei n t r o d u c e d t h es y s t e mi sd i v i d e d i n t ot h r e ep a r t si n c l u d i n gr e m o t em o n i t o r i n gs t a t i o n , g p r sn e t w o r ka n dm o n i t o r i n g c e n t e ra n dt h ef u n c t i o n a l i t yo fe a c hp a r ti si l l u s t r a t e d s e c o n dt h et h e s i sc o v e r ss o m e d e s i g ni s s u e so ft h ew i r e l e s sd a t at e r m i n a l i no r d e rt ob ea d a p tt ot h ei n d u s t r y e n v i r o n m e n ta ne m b e d d e ds y s t e mb a s e do na r mw a sa d o p t e d t h eg p r sm o d u l ei s p r o c e s s o r - d r i v e nt ot r a n s m i td a t a t h ep r o c e s s o ri sl p c 2 2 10p r o v i d e db yn x pa n d t h es u p p o r t i n gh a r d w a r ei sw e l ld e s i g n e d t h eg p r sm o d u l ei sm 2 2p r o v i d e db y b e n q t h e nt h es o f t w a r ei n c l u d i n gt e r m i n a lp a r ta n dm o n i t o r i n gc e n t e rp a r ti s d e s i g n e d t h ed a t at e r m i n a la n dm o n i t o r i n gc e n t e rc o m m u n i c a t ei nc s ( c l i e n t s e r v e r ) m o d e l t h et c pl i n k 、 ，i 廿lm o n i t o r i n gc e n t e ri ss e tu po n c et e r m i n a ls y s t e mp o w e r o n t h es e r v e rp r o g r a n u r tb a s e do nw i n d o ws o c k e tr e c e i v e sd a t a l a s tb u tn o tl e a s t ，aw a t e rn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mo fas t e e lp l a n tb a s e do n g p r si sd e s i g n e d i t sr u n n i n gs t a t u si sa n a l y z e da n ds o m ea n t i c i p a t i o no fi t sf u t u r ei n n 武汉理工大学硕士学位论文 i n d u s t r yi sm a d e k e y w o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n g ，g p r s ，e m b e d d e ds y s t e m ，c l i e n t s e r v e rm o d e l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：鲢至益日期：型21 ： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：鳌至垄) 导师( 签名) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着计算机技术和通信技术的不断发展，监测系统在工业领域中扮演着越 来越重要的角色。从前在工业领域大多采用基于有线的监测方式，主要是针对 生产过程分布范围不大，相距不远的场合，这些系统大多采用r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 或有线m o d e m 的通信方式，虽然经济实用，但是采用有线的数据传输方式， 在很大程度上限制了应用场合的拓展。随着企业生产规模不断扩大，不同的生 产部门可能在地域上分布极广，相距遥远，可达几十，几百甚至上千公里，如 电力、铁路、采矿和大型钢厂等，这些部门要对相距遥远的生产过程进行监测， 如果还是沿用有线的监测方式，则在技术上和经济上都是不足取的。显然，有 线方式已显得力不从心，必须采用专门的措施来克服相距遥远造成的困难，所 以基于无线的监测系统的需求就日益突出了。 近年来我国无线通信技术得到了飞速发展，尤其是g p r s 技术得到了广泛 的应用，现已趋于成熟。g p r s 1 , 2 】是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) 的英文简称，是一种新的分组数据承载业务。作为第二代移动通信向 第三代过渡的技术，g p r s 与现有的g s m 语音系统最根本的区别是，g s m 是一 种电路交换系统，而g p r s 是一种分组交换系统。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【3 】。相 对原来g s m 的拨号方式的电路交换数据传送方式，g p r s 是分组交换技术，具 有“实时在线一、“按量计费 、“快捷登录 、“高速传输、“自如切换 的优点。g p r s 的这些特点及优点正符合无线监测系统的需求，为无线监测系统 提供了一个理想的数据传输的平台。 本课题来源于由武汉理工大学光纤中心承担的“武钢能源动力水网监测系 统的设计项目 。为了实现对水资源的信息化管理，适应企业未来发展的需要， 该钢铁集团能源动力公司构建了能源调度水网监测系统，该系统要求能够快速 方便地对广泛分布在钢厂各个地点的3 5 个水站的水资源计量数据进行查询、统 计、分析，还能够随时掌握全公司水资源管网的动态平衡，并及时将数据反馈 至监测中心。由于各水站地理位置分布分散，采用有线监测方式不论技术上还 武汉理工大学硕士学位论文 是经济上都存在困难，因此需要一种新的解决方案。 鉴于以上原因本文研究了一种基于g p r s 的远程监测系统方案，即以g p r s 网络作为无线数据的传输平台，将现场数据传输到监测中心实现对现场设备的 实时监测。该课题的研究成果不仅在工业领域具有推广价值，对环境监测、公 共场所监测等领域也有重要意义。 1 2 远程监测系统的发展状况 远程监测系统是不需要人员到现场，使用计算机技术、通信技术、网络技 术和微电子技术相结合，通过安装在现场的传感器及音、视频设备，远隔千里 便可随时了解现场生产及设备状况，对生产现场进行监测和诊断。使用远程监 测系统可以降低技术人员的劳动强度，提高工作效率，在一些高危环境更是必 不可少的。 早在2 0 世纪6 0 年代，我国就开始了对远程监测系统的研究和开发，国内 一些企业也涉足此类系统的研究，但由于技术和成本等原因约束都未取得太多 成果，此类系统也始终未能得到大范围的推广应用。 2 0 世纪9 0 年代后期，随着计算机、通信技术的迅速发展，监测系统在各行 业得到了广泛的应用，国内各企业也在研究和开发方面有了新的进展。这一时 期远程监测系统通常采用超短波通信、数字微波通信或租用卫星信号等方法实 现监测终端与监测中心的通信，以上方法虽然有技术成熟通信效果好等优点， 但同时也有一定的局限性，如采用数字微波通信需架设中继站前期投资费用高 而且后期不易维护；采用卫星通信虽能有较广的覆盖面但对卫星依赖强投资大 也容易受到各方面因素的影响。 近年来我国移动通信事业得到了飞速发展，g p r s 技术逐渐成熟，在这种环 境下基于g p r s 的监测系统就应运而生t 4 , 5 j 。将g p r s 技术引入到无线监测系 统中，通过g p r s 网络实现数据的传输可以节省建网初期的巨额投资，且运营 期间无需维护网络，运营费用低廉。基于g p r s 的监测系统还处于研究阶段， 但该系统方案是无线远程监测领域的研究热点，随着我国移动通信技术的迅猛 发展和技术的不断成熟基于g p r s 的远程监测系统必将在国民经济的各个领域 得到广泛应用。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本论文研究的内容 根据课题的相关背景，结合该大型钢厂能源动力水网监测系统的项目实际， 本论文提出了基于g p r s 的设计方案，设计实现了基于g p r s 的远程监测系统。 经过实际的运行，本系统效果良好，给技术人员带来极大便利，有效提高了钢 厂水资源的调度效率。 论文首先给出系统的拓扑结构，论述系统的结构组成及各部分的功能；然 后对g p r s 数据传输终端进行了详细设计，并完成了系统的数据通信部分的设 计，为系统的数据传输提供了基础；最后以钢厂水网监测系统为例介绍了整个 系统的详细设计及实现。本文的设计目标是真正实现基于g p r s 的远程监测系 统，使其能够广泛应用于工业控制领域，最终面向产品开发。课题的主要工作 是系统组成结构的设计、终端处理器的合理选型及其外围硬件的扩展、g p r s 模 块的选择和整个系统的软件设计；终端处理器采用n x p 公司生产的基于a r m 核的l p c 2 2 1 0 处理器【6 ，7 】，论文中将详细讲述l p c 2 2 1 0 的特点；g p r s 模块选 择台湾明基公司的m 2 2 模块，通过标准a t 指令控制；系统的软件设计是本 论文的重点；整个系统的软件设计包括监测中心站服务器程序设计和远程监测 分站数据终端程序设计。其中，服务器程序设计采用v i s u a lc + + 6 0 作为开发工 具；数据终端程序设计以a r m 公司推出的a d s l 2 集成开发环境为开发平台。 论文结构安排如下： 第一章为绪论，主要介绍课题的背景，分析了远程监测系统的意义和需求， 远程监控系统的发展现状，并依此总结提出了基于g p r s 远程监测系统的必要 性和本课题的主要工作。 第二章为g p r s 网络结构与工作原理，主要介绍g p r s 网络的体系结构、 系统组成及相关接口，并详细讲述g p r s 网路的协议传输平面和相关协议，另 外还介绍了g p r s 的特点及优点。 第三章简单介绍了整个监测系统的整体设计方案，包括系统的组成结构， 系统各部分的功能及g p r s 网络接入方案的选择。 第四章为无线数据终端的设计，包括硬件设计和软件设计。硬件设计包括 处理器的选型，处理器外围硬件的扩展以及g p r s 模块的选择；软件设计是本 章的重点，包括串口初始化，数据的发送和接收以及g p r s 模块的初始化等功 能模块，为各任务提供了功能调用的接口。 武汉理工大学硕士学位论文 第五章为系统的通信部分设计，首先对于系统的数据传输方案进行了论述， 数据终端和监测中心之间采用客户机朋艮务器模式和面向连接的t c p 通信方式。 然后讲述了数据链路的建立和服务器端程序的设计。数据终端通过发送a t 指令 与监测中心建立连接，服务器端程序通过w i n d o w ss o c k e t 通信，接收远端传输 来的数据。 第六章为g p r s 远程监测系统在钢厂水网监测中的应用。利用前面的研究 成果，引入具体的监测对象，把基于g p r s 的远程监控系统与工程实践两者结 合起来。 第七章总结了全文的工作，提出系统的不足和可能的进一步改进，并展望 了g p r s 无线通信技术在监测系统中应用的美好前景。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章g p r s 通信技术概述 2 1 移动通信技术的发展概况 移动通信技术的发展有三个阶段【8 】： 第一代移动通信是模拟的无线网络，采用f d m a 技术，这种技术存在频谱 利用率低、保密性差、容量小、与固定电话网的数字化不匹配等缺点，因而不 能满足同益增长的移动通信需求。 第二代移动通信系统是数字通信系统，主要还是以语音服务为主。 g s m ( 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 ) 即全球移动通信系统的简称，是 在第一代移动通信系统的基础上发展起来的第二代移动通信系统。g s m 系统克 服了第一代移动通信系统难以满足大量用户的需求的缺陷，同时提供了一定的 数据业务功能。g s m 系统作为一种面向未来的移动通信系统，真正实现了个人 移动性和终端移动性，在全球范围内得到了广泛的应用【9 】。 第三代移动通信系统主要特征是可提供移动宽带多媒体业务。g p r s 作为第 二代移动通信技术g s m 向第三代移动通信的过渡技术，是由英国b tc e l l n e t 公 司早在1 9 9 3 年提出的，是g s mp h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一【1 0 l l l ，是 一种基于g s m 的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的口或者x 2 5 连 接。 2 2g p r s 网络技术 2 2 1g p r s 网络结构 g p r s 网络是在现有g s m 网络中增加g g s n ( g p r s 网关支持节点) 和s g s n ( g p r s 服务支持节点) 来实现的i l 引，使得用户能够在端到端分组方式下发送和 接收数据。其系统结构【l j 如图2 1 所示。 s g s n 的主要功能：对移动终端进行鉴权和移动性管理，建立移动终端到 g g s n 的传输通道，接收b s s ( b a s es t a t i o ns y s t e m ) 传送的移动终端分组数据， 通过g p r s 骨干网传给g g s n 或者将分组发送到同一服务区内的移动终端f 8 】。 s g s n 还可以集成计费网关、边缘网关( 负责实现g p r s 网络之间的互连) 和防火 武汉理工大学硕士学位论文 墙的功能。 g g s n 的主要功能：是连接g p r s 网络与外部数据网络的节点。对于外部数 据网络来说，它是一个路由器，负责存储已经激活的g p r s 用户的路由信息。 g g s n 接收传输终端的数据及路由并传送到i n t e r n e t ，或者将数据通过选择g p r s 网内的传输通道，传给相应的服务支持节点( s g s n ) ，再由s g s n 将数据通过 基站系统传给传输终端。从而完成终端与中心的通信。另外g g s n 还可具有地 址分配、计费、防火墙功能。 匿smsi w m s c 匣 i = ：= = l e c 信令和数据接口 图2 1g p r s 网络结构 另外g p r s 网络还需要对原有g s m 设备b t s ，b s c ，h l r ，m s c v l r ，o m c 以及计费系统和终端进行软件和硬件方面的升级，以支持g p r s 业务。 b t s ：对于编码方式c s 1 和c s 2 ，目前只需软件升级支持新的逻辑信道结 构和编码方式即可。 b s c ：需要增加新的分组数据处理单元p c u ( p a c k e tc o n t r o lu n i t ) 模块。( p c u 可以作为b s c 中的一个单元，也可以是一台单独的设备。) h l r ：需要软件升级支持g p r s 的用户数据和路由信息以及与s g s n 的g r 接口。 m s c v l r ：如果需要实现m s c 与s g s n 的g s 接口，则需要对m s c 做软件 6 武汉理工大学硕士学位论文 升级，否则无需对m s c 进行改造。 o m c ：需要增加对新的网络单元进行网络管理的功能。 计费系统：由于g p r s 采用了与电路交换业务完全不同的计费信息，采用 按数据流量而不是按时长计费，因此需要升级原计费系统。 终端：因为g p r s 和g s m 采用不同的数据类型，所以需要采用支持g p r s 的终端。 2 2 2g p r s 网络接口 新的网络元素( 如g g s n 和s s g n ) 的引入要求制定新的相应的接口。和 g s m 网络相比，g p r s 网络增加了如下接口： g b 接口：是b s s ( p c u ) 与s g s n 之间通信的接口。负责移动终端分组数 据经b s s 到s g s n 的传输，同时也支持s g s n 和p c u 间的信令，可以透明传输 从移动终端到s g s n 的信令。 g n g p 接口：是s g s n 与g g s n 间的接口，其中，g n 接口是s g s n 和g g s n 之间，或同一p l m n 网中不同s g s n 之间的接口；g p 接口是不同运营商之间 s g s n 和g g s n 之间互联的接口。 g d 接口：是s g s n 与短消息中心之间( s m s g m s c 和s g s n 之间，或者 s m s i w m s c 和s g s n 之间) 的接口，通过m a p 信令传输，以支持通过g p r s 分组业务信道传送短消息。 研接口：是s g s n 与m s c v l r 间的接口，采用b s s a p 协议，它是用来支 持联合的位置更新及利用分组信道传输寻呼消息。 g c 接口：是g g s n 和h l r 间的接口，以支持g g s n 从h l r 获得移动终端 的位置信息，从而实现由网络发起的数据业务。 g i 接口：是g g s n 与外部分组数据网间的接口，这个接口根据所互通的数 据网不同而采用相应的协议。 g f 接口：是s g s n 和e i r 之间的接口。s g s n 通过g f 接口访问e i r 中存放 的移动设备信息。 上述接口对于g p r s 网络来说都是开放的接口，其中g b ，g - r 接口决定着多 数厂商设备间能否互通，从而影响g p r s 业务的实现。 2 2 3g p r s 传输平面 7 武汉理工大学硕士学位论文 g p r s 传输平面采用分层的结构来实现用户信息的传输，同时，还定义了相 应的控制机制，实现对信息传送的分级控制。图2 2 是移动台( m s ) 和b s s 、s g s n 、 g g n s 之间的g p r s 传输平面。 数据包从r o u t e r 传到m s 要经过四个接口：g i ，g n ，g b 和u m 。下面就顺 序介绍在这个过程中所使用到的传输协议。 在g i 接口上没有新的协议。与普通的路由器一样，g g n s 利用现有的传输 方法接收二层数据帧，再对帧进行处理得到i p 数据包。分析该口包的目的地址， 恰为本地分组数据协议( p d p ) 上下文所标示的某一m s 地址，则将此数据包送至 g n 接口的软件模块，做进一步处理。 m su mb s sg b g n g g s ng i a p p l l e m t t o m s g s n i p 啊( 2 5 i p x 2 5 r e l a y g t p s n d c p s n d c p 鲫 u d p t c p l l c 1 7 d p 广r l r e l a y l l c r l c b b s g p c p i p i p r l c b s s gn c t w o r m a c m a cn s e d ：v i o r k k l 2l 2 s c r v i e , e g s mr f g s m _ il i f l l b i sl l l l r f l i d l s b s s g p ：b s sg p r sp r o t o c o l g t p ：g p r st u n n e l l i n gp r o t o c o i l l c ：l o g i i e a ll i n kc o n t r o l l d 屺：m e d i u ma c c e s sc o n t r o l r l c ：r a d i ol i n kc o n t r o l s n d c p ：s u b n e t w o r kd e p e n d e n tc o n v e r g e n c ep r o t o c o i 基站子系统g p r s 协议 g p r s 隧道协议 逻辑链路控制协议 媒体接入控制协议 无线链路控制协议 依赖子网的汇聚协议 图2 2g p r s 传输平面 在g n 接口，最先对数据包做处理的是g t p ( g p r st u n n e l i n gp r o t o c 0 1 ) 协议， 它实现了从g g s n 到s g s n 的虚拟传输通路，即隧道。g n 网络本身是一个t c p i p 网络，g n 网络中的元素都是靠i p 来寻址的。g t p 协议数据包需要由t c p 或u d p 承载，之后，t c p 或u d p 的数据包进步封装成p 包，此m 包的目的地址即为 目标s g s n 的地址。g n 网络中的i p 包传送也是靠一系列的路由器和交换机来完 成的。当数据到达s g s n 之后，对其层层解封，最终还原出用户的i p 数据包。 在g b 接口，首先需要s n d c p ( s u b - n e t w o r kd e p e n d e n tc o n v e r g e n c ep r o t o c o l ， 子网相关收敛协议) 对i p 数据包进行处理，这一步的目的是提高g p r s 的可扩展 8 武汉理工大学硕士学位论文 性。除此之外，s n d c p 还负责数据的压缩和分段，压缩的目的是节约空中接口 带宽，分段的目的是适应下层l l c 的m t u ( m a x i m u mt r a n s m i s s i o nu n i t ，最大 传输单元) 。 l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，逻辑链路控制) 协议负责从s g s n 到移动终端的 数据传输。它的服务对象为：s n d c p 数据包( 即用户数据) 、用户信令和短消息。 服务的类型有面向连接和无连接两种，用户可以根据q o s 要求选择。 b s s g p ( b a s es t a t i o ns y s t e mg p r sp r o t o c 0 1 ) 是s g s n 与b s s 通讯的最上层协 议，故而它不但发送上层的l l c 数据，还传输s g s n 对b s s 的控制信息。 数据到达b s s 之后，同样是层层解封，最终得到的是l l c 数据帧，b s s 并 不对l l c 帧做处理，而只是透明转发。 在b s s 和m s 之间的u m 接口，任何由空中接口传输的数据，必须先经过 两个协议的处理，即r l c ( r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 和m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 。r l c 将l l c 数据帧拆分成便于空中传输的数据块，并负责空中接口的可靠性保障。 m a c 的功能是控制空中资源的使用，由于一个用户可以使用多个信道，多个用 户也可以使用一个信道，而且，资源的分配是动态的，所以下行传输时，m a c 必须标识当前的数据块是给哪一个m s 的，上行传输时，必须指定当前资源由谁 使用。加上l l c 和m a c 头之后，数据块被卷积( c o n v o l u t i o n a lc o d i n g ) 和交织 ( i n t e r l e a v i n g ) 。经过上述处理，最终得到的突发序列与g s m 无异，每个包含1 1 4 b i t 的数据信息。它们采用和g s m 同样的方式，通过空中接口，到达m s ，再对 m s 解封，即可还原出i p 数据包。至此，i p 包通过了g p r s 网络，承载的功能 完成了。 2 2 4g p r s 协议 移动台( m s ) 和s g s n 之间的g p r s 分层协议模型如图2 3 所示。u m 接口是 g s m 的空中接口。u m 接口上的通信协议有5 层，自下而上依次为物理层、 m a c ( m d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层、l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 层、s n d c ( s u b n e t w o r k d e p e n d a n tc o n v e r g e n c e ) 层和网络层。 u m 接口的物理层为射频接口部分，而物理链路层则负责提供空中接口的各 种逻辑信道。m a c 为媒质接入控制层。m a c 的主要作用是定义和分配空中接 口的g p r s 逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。 9 武汉理工大学硕士学位论文 网络协议网络协议 s n d cs n d c l l c l l r l l c 瞰 m a cl a p d l a p d 物理链路物理链路 物理物理 r f 接口r f 接口 链路链路 m s u mr s sg bs g s n 2 3g p r s 协议模型 l l c 层为逻辑链路控制层。它是一种基于高速数据链路规程h d l c 的无线 链路协议。l l c 层负责在高层s n d c 层的s n d c 数据单元上形成l l c 地址、帧 字段，从而生成完整的l l c 帧。s n d c 被称为子网依赖结合层。它的主要作用 是完成传送数据的分组、打包，确定t c p i p 地址和加密方式。 网络层的协议目前主要是p h a s e l 阶段提供的t c p i p t ”j 和x 2 5 协议，这些协 议对于传统的g s m 网络设备( 如b s s 和n s s 等设备) 是透明的。 2 3g p r s 的特点及优势 g p r s 是g s mp h a s e2 + 引入的非常重要的内容之一，与g s m 电路交换相比， g p r s 非常重要的优点是引入了分组交换功能，利用g p r s 进行数据传输具有接 入范围广、高速传输、快捷登录、永远在线、按流量计费和自如切换等优势【1 4 , 1 5 】。 1 接入范围广 g p r s 是在现有的g s m 网络上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可 以方便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署。 2 高速传输 传输速率高，数据传输速度可以达到5 7 6 k b p s ，最高可以达到 1 1 5 k b p s 1 7 0 k b p s ，是常用有线m o d e m 理想速率的两倍，是当前g s m 网络中电路 数据交换业务速度的几十倍，下一代g p r s 业务的速度甚至可以达到3 8 4 k b p s ， i o 武汉理工大学硕士学位论文 完全可以满足用户应用需求。 3 快捷登录 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。 4 永远在线 提供实时在线功能。“实时在线 ，或叫“永远在线即用户随时与网络保 持联系，即使没有数据传输，终端还是一直与网络保持联系，这将使访问服务 变得非常简单、快速。 5 按流量计费 用户只有在发送或者接收数据期间才占用无线资源，用户可以一直在线， 计费方式是按照用户接收和发送数据包的数量，没有数据流量传输时，用户即 使挂在网上也是不收费的。 6 自如切换 用户在进行数据传输时，不影响语音信号的接收。数据业务和语音业务的 切换有两种方式：自动和手动，具体形式依据不同终端而定。 2 4 本章小结 本章主要介绍了g p r s 网络的结构，并了解了g p r s 的特点和优势。首先 介绍了g p r s 系统的结构和相关接口；然后通过讲解分组数据的路由传输及信 令协议平台理解了g p r s 网络的通信过程；最后分析了g p r s 的特点及优点， 说明了其应用的可行性和优越性。本章对g p r s 网络系统进行了比较全面的介 绍，为利用g p r s 网络来实现远程监测奠定了基础。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统总体方案设计 本课题针对目前对远程监测系统的需求，依托中国移动通信公司的g p r s 网络，构建了一个基于g p r s 的远程监测系统平台。该系统集先进的g p r s 无 线通信技术、计算机控制技术、数据采集技术、数据库技术于一体，以各种需 要监测的现场设备为对象，将采集到的现场数据进行处理并通过g p r s 网络传 送到远端监测中心，为管理人员提供数据参考，从而得知远程设备的实时运行 情况，实现故障诊断、及时报警和数据分析的功能。 3 1 系统组成 本系统由远程监测分站、g p r s 无线通信网络和监测中心三部分组成。其中 远程监测分站由现场采集控制设备和g p r sd t u ( g p r s 数据传输终端) 组成， 现场采集控制设备负责数据的采集并进行相应的处理，然后通过串口传送给 g p r sd t u 。g p r sd t u 对数据进行t c p i p 协议处理然后通过g p r s 网络传送 到监测中心。监测中心主要由监测中心站服务器，企业内部局域网，数据库服 务器，若干监测台以及相应软件组成。监控中心软件一方面通过网络与远程监 测分站行双向通信，另一方面为用户提供一个可视化界面，让用户实时了解现 场设备运行状况。系统结构如图3 1 所示。 监测分站 “ 五耋备 祝臼臼炯腻网 7 蕊 p 服务器数据库 洲彳少了 监测中心 g ： 3 1 系统结构图 武汉理工大学硕士学位论文 3 。2 系统各部分的主要功能 现场采集控制设备的功能： ( 1 ) 数据采集和处理：现场数据的采集并进行a d 转换等处理。 ( 2 ) 数据缓存：在各监测分站都设有缓存服务器，以防止数据在传输过程 中丢失。 ( 3 ) 报警功能：当现场设备出现异常时报警，并将信息传输到监测中心。 g p r sd t u 的功能： ( 1 ) 协议转换：待发数据送至g p r sd t u ，g p r sd t u 首先对数据进行协 议转换，然后再将其封装成g p r s 分组数据包才能发送至g p r s 无线基站。同 理，g p r sd t u 接收到的数据包同样需要协议转换才能送至现场控制设备进行 接收处理。 ( 2 ) 数据传输：通过串口向现场控制设备收发数据，通过无线通讯方式实 现与监测中心站的通讯，完成数据向中心站的传输和接收中心站控制命令的功 能。 监测中心的功能： 监测中心一方面与远程监测分站双向通信，实时接收从监测分站上传的数 据和报警信息，并记入数据库供查询；另一方面为管理人员提供一个友好的可 视化界面，实时地显示各个参数、报警信息、各项参数统计结果，并能以曲线 图或表格等形式表现出来，使得管理人员可直观地通过监测台了解现场的运行 状况。 3 3g p r s 组网方案 g p r sd t u 和监测中心必须先接入g p r s 网络才能实现数据通信。根据g p r s d t u 和监测中心接入方式的不同可以实现不同的网络组建方案。 3 3 1d t u 接入方式的选择 目前，中国移动g p r s 网络用户可以选择c m n e t ( c h i n am o b i l ei n t e m e t ) 和 a p n ( a c c c s sp o i n tn a m e ，接入点名称) 两个网络接入，c m n e t 通常用于公众用 户接a i n t e m e t ，a p n 针对相关行业用户使用。a p n 用户通常在一个组内，需要 武汉理工大学硕士学位论文 设定用户名和密码，具有更好的安全性，适用于行业用户。此外，a p n 用户可 以申请绑定移动内网的固定i p 地址，但触) n 需要向中国移动申请【1 6 】。根据本系 统对安全性的要求d t u 终端选择a p n 的接入方式。 3 3 2 监测中心接入方式的选择 由于各行业实际需求和应用环境的不同，数据中心的接入有多种方式，但 可以划分为经过i n t e m e t 公网传输和只在g p r s 内网传输两大类【1 7 1 。本系统主要为 工业领域的应用设计，出于安全性考虑，本文选择g p r s 内网传输方式。而g p r s 内网传输又可分为三种方式：g p r s 动态i p + 移动d n s 解析方式、移动a p n 专网固 定i p 方式和g p r sa p n 专线方式。 方案一：g p l 塔动态i p + d n s 解析方式 监测中心以无线方式接入g p r s ，获得g p r s 内网动态i p 地址。监测点先采用 域名寻址方式连接g p r s 内网的d n s 服务器，再由d n s 服务器找到主机动态i p ， 建立连接。此种方式可以大大节约固定i p 的费用，但并不是所有移动公司都提供 d n s 解析服务，所以要在有d n s 解析服务的省市才能采用此种方案。此种方案 实时性和稳定性较差，不推荐使用。 方案二：移动a p n 专网固定i p 方式 监测中心以无线方式接入g p r s 网络，其i p 地址和s i m 卡号绑定。监测中心 具有g p r s 内网的静态i p 地址。此种方案客户需先与移动申请a p n 专网业务。移 动为客户分配专用的a p n ，普通用户不得申请该a p n 。用于g p r s 专网的s i m 卡 仅开通该专用a p n ，限制使用其他a p n 。得到a p n 后，给所有监测点及中心分 配移动内部固定i p 。数据中心采用主副两个g p r sd t u 作接收端，冗余备份，提 高系统稳定性。此种方案无需d n s 解析，本身具有移动内网固定i p ，减少中问环 节，稳定性增强，且无需负担宽带专线月租费用，性价比合理，推荐使用。 方案三：g p r sa p n 专线方式 此种方案监测中心通过一条2 ma p n 专线接入移动公司g p r s 网络，双方互 联路由器之间采用私有固定i p 地址进行广域连接，在g g n s 与移动公司互联路由 器之间采用g r e 隧道