（通信与信息系统专业论文）基于gprs的环境监控系统的研究与实现.pdf

中文摘要 环境监控作为国家环境保护技术实施的前期工作，是环境保护得以实现的重 要基础。为了及时、准确、便捷地获取数量大、种类多、地域分布广的环保信息， 做好环境保护工作，就需要建立起一个传输速度高、实用性强、覆盖面广、灵活 性好的环保数据监控系统。 本文在分析对比了多种有线、无线监控系统的基础上，提出了基于中国移动 g p r s 网和i i l t e m e t 公网的无线监控数据传输解决方案。该方案具有传输速度高、 组网灵活、扩展方便、维护简单、性价比高等优点。本文重点研究了基于g p r s 的环境监控数据系统的终端开发与设计技术。在终端的设计开发中，采用了最新 流行的a r m 微处理器( $ 3 c 4 5 1 0 b ) 和操作系统u c l i n u x 来构建嵌入式系统的开发 平台，提高了系统的性能，为以后系统的升级留下了空间。g p r s 终端采用模块 化设计，即主控制模块、g p r s 网络连接模块、串口通信模块和网络数据通信模 块；增强了系统的稳定性和可移植性。在监控中心的软件设计开发中，采用 v b n e t ( v i s u a lb a s i c n e t ) 语言设计主程序，并配合s q ls e w e r 数据库技术 和s o c k e t ( 套接字) 网络编程技术分别实现了数据库操作和通信操作。在代码 编写过程中充分利用了v b n e t 语言的面向对象编程、支持多线程等新特性；简 便了程序的设计，提高了程序的运行效率，从而保证了远程数据调用和数据处理 的实时性。 本课题是天津市重点研究项目“基于g p r s 环境监控系统研究”的一部分。 由于本系统的软硬件设计都是采用的主流方案，且功能强大，为以后引入新的技 术、增强系统性能打下了坚实的基础。另外，本系统虽然是专门为环境监控设计 的，但是也可以根据实际的需要，方便地移植到诸如交通、电力等领域中加以应 用。 关键词：6 p r s ，环境监控、嵌入式，a r m ，u c l i m l x ，s o c k e t ，s q ls e r v e r a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gi s a l l i m p o r t a n tt e c h n o l o g y d e p a r t m e n t f o rs t a t e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ns y s t e m ，m a n ye n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nm e a s u r e sa r eb a s e d o ni t i no r d e rt og e tag r e a tn u m b e ro fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni n f o r m a t i o ni nt i m e ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na d m i n i s t r a t i o nn e e d st os e tu pae n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g s y s t e m ，w h i c hs h o u l db eg o o di nt r a n s m i t t i n gs p e e d ，p r a c t i c a b i l i t y ，c o v e r i n ga r e a ， f i m c t i o n a la g i l i t y f i r s t , t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e ss e v e r a lk i n d so fw i r eo rw i r e l e s sm o n i t o r i n g s y s t e m s t h e ni t i n t r o d u c e st h ew i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p r sa n d i n t e m e t t h es y s t e mh a ss o m ea d v a n t a g e ，s u c ha sh i g h s p e e di nt r a n s m i t t i n g ， f u n c t i o n a la g i l i t y , c o n v e n i e n te x t e n d a b i l i t ya n dg o o dp r a c t i c a b i l i t y t h ed i s s e r t a t i o n e m p h a s i s e s o dt h ed e s i g no ft h em o n i t o r i n gs y s t e m st e r m i n a l i nt h ed e s i g nd f g p r s t e r m i n a l a r mm i c r o p r o c e s s o r ( s 3 c 4 51o b ) a n do sc a l l e du c l i n u xa r ec h o s e n t os e tu pr e s e a r c h i n gp l a t f o r mb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m s ot h e s em e a s u r e s i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ，a n dt h e r ei sr o o mf o rs y s t e mu p g r a d e a tt h e s a m et i m e ，m o d u l ed e s i g ni sa d o p t e di nt h ed e s i g no fg p r s t e r m i n a l t h e r ea r ef o u r m o d u l e si nt h et e r m i n a l ，s u c ha sm a i nc o n t r o lm o d u l e ，g p r sc o n n e c t i o nm o d u l e ， s e r i a lp o r tt r a n s m i t t a lm o d u l ea n dn e t w o r kt r a n s m i t t a lm o d u l e t h es o f t w a r eo f m o n i t o r i n gc e n t e rt a k ea d v a n t a g eo fm a n yp o p u l a rt e c h n o l o g i e si nt h ed e s i g n , s u c h a s v b n e t - s q ls e r v e ra n ds o c k e tn e t w o r kp r o g r a m t h ed i s s e r t a t i o ni sap a r to ft h er e s e a r c ho ne n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do ng p r s i t sa ni m p o r t a n tr e s e a c ht a s ki nt i a n j i n t h es y s t e mi sc o n v e n i e n t f o rs y s t e mu p g r a d ea n da d o p t i n gn e wa d v a n c e dt e c h n o l o g i e si nt h ef u t u r e a l t h o u g h t h es y s t e mi sd e s i g n e df o re n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，i ti ss i m p l yt oa p p l yt h es y s t e m i no t h e ra r e a s ，s u c ha st r a f f i ca n de l e c t r i cp o w e l k e yw o r d s ：g p r s ，e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m u c l i n u x ，s o c k e t ，s q ls e r v e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨垄盘鲎或其他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。 学位论文作者签名：万辫磁曙签字日期：五加6 年一z 月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅蠢壁有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 巧巍鹏 签字日期：彬年二月如日 导师繇 袤餐礴 签字日期：埘年工月二；日 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术的飞速发展，人们的生活、工作速度也不断加快。在许多领域 需要对大范围的数据进行及时的采集、传输、存储，以便及时地掌握情况，并进 行分析处理。诸如电力、自来水、煤气等公用事业部门需要实时监测整个系统的 运行状况、读取用户数据等参数，同时对远端的设备进行监控：环保水利部门需 要监控江河湖海的水文、水质以及不同地区的空气质量等；而交通、公安、消防 部门也需要及时了解各重要场所、路段的交通安全情况。总起来说，这些领域的 分支机构分布范围比较广、且分布地域也比较复杂，因此需要有一个高效的数据 监控系统来解决远程数据监测和控制问题。 1 1 2 监控系统的发展“ 监控系统源自自动控制系统，伴随着计算机技术、通信技术、自动控制技术 以及网络技术的不断发展，监控系统历经了集中式控制、集散式控制和现场总线 监控等阶段，目前广为应用的是分布式网络监控系统。 分布式网络监控系统采用现场智能设备来实现实时控制和网络通信协议，并 利用网络技术构成监控系统的操作平台。分布式网络监控系统较好地解决了自动 控制的两个基本问题：即现场设备的实时控制和现场信号的网络通信，这就为构 成可靠高效的监控系统奠定了扎实的技术基础。分布式网络监控系统的主要特点 有： 1 ) 实现了o s i 七层模型，提高了网络的可靠性； 2 ) 可以采用星形、总线型和环形等任何一种网络拓扑结构； 3 ) 可以采用多种通信媒介，例如双绞线、光纤和无线空间等； 4 ) 有大量软、硬件和开发工具可以使用。 分布式网路监控系统根据数据传输方式的不同可以分为有线网络监控系统 和无线网络监控系统。其中有线网络监控系统又主要可以分为： 1 ) 基于l a n 的监控系统； 2 ) 基于i n t e r n e t 的监控系统； 第一章绪论 3 ) 基于p s t n 的监控系统等等。 无线监控系统又主要可以分为： 1 ) 基于集群通信系统的无线监控系统； 2 ) 基于g s m 短消息的无线监控系统； 3 ) 基于g p r s 的无线监控系统等等。 有线监控方式虽然具有稳定可靠、数据传输速率高等特点，但是对于监测点 数目众多、分布广、地形复杂的区域，有线监控的组网成本高、施工难度大、维 护工作量大。 对以上提到的几种无线监控方式比较如下。 1 ) 集群移动通信系统是专用移动通信网，建设资金投入量大、建设周期长、 维护不方便，最致命的缺点是系统的有效覆盖范围有限。 2 ) g s m 短消息通信方式利用移动公网的资源，投资少、维护成本低；但是 g s m 短消息一次最多只能传送1 6 0 个字符，不适合大数据量的无线数据传送； 而且短消息的平均传输时延大，实时性差。 3 ) g p r s “3 系统同样也是利用移动公网的资源，但是基于i p 的网络，传输 速率较高，理论上可以达到1 7 1 2 k b s ，且传输时延小、系统性能稳定。现在中 国移动的g p r s 网络已经基本覆盖了全国，采用g p r s 实现监控推广方便。g p r s 通信是按流量计费，因此通信资费低廉。更重要的是g p r s 网络作为2 5 g 的移 动通信系统，是g s m 网向3 g 宽带移动通信网平滑过渡的中间阶段，网络的升 级对于用户应用是透明的，未来可以为用户提供更高的传输速率和更广阔的应用 空间。 1 1 3 环境监控系统的现状 环境监测部门作为国家环境保护系统的技术部门，是环境管理工作的重要部 门。随着市民环境意识的增强，越来越多的人开始关心所处环境质量的好坏，要 求环境保护工作透明化；上级主管部门为了制定环保政策、及时采取相关措施， 也需要数量更大、种类更多、更加及时的环保信息。所有这一切，给环境监测部 门提出了一个必须重视的问题：如何建立起一个实用性强、覆盖面广、灵活性好 的环保数据监控系统，以满足各方面对环境监测信息的需求。 下面以某省为例对我国的环境监控系统的现状做一个简单的介绍。该省现已 将1 6 个城市的环境监测站及各县区监测站纳入到了省级监测网，三级以上环境 监测站共1 0 2 个。监测的主要对象是工业”三废”的排放、治理情况以及大气环境、 水环境、噪声环境等；具体包括：监测1 4 个城市的空气环境质量现状，1 2 条主 要水系、7 个主要湖库、7 个近岸港湾及1 6 个城市饮用水源的水质现状，9 个城 第一章绪论 市的噪声污染现状等，并通过综合指数等方法进行趋势分析，最后得出环境质量 结论。 省环保数据监控系统是一个由污染源排放监测点和监测中心组成的污染源 监测系统。该系统可对污染源进行自动采样、对主要污染因子进行在线监测，以 掌握城市污染源排放情况及污染源排放总量。监测数据必须自动地被传输到省环 保监测中心，由监测中心的计算机进行数据汇总、整理和综合分析，然后再将监 测信息传到省环保局，由省环保局对污染源进行监督管理。 目前省环保监测站与各采集点之问的数据通信主要采用手工抄录或p s t n 电 话线传输。采用电话线传输数据时，由于每次拨号都需要等待，速度慢、且费用 也较高。同时，由于各监控点分布范围广、数量多、距离远，个别点还地处偏僻， 因此需申请很多条电话线，而且有些监控点有线线路难以到达。 现在中国移动的g p r s 网络覆盖范围在中心城市几乎达到了1 0 0 ，在边远地 区也达到了8 0 以上，实际应用带宽大约为2 0 4 0 k b s ，特别适合像金融交易、 远程监测等行业的通信需求，完全取代了过去传统的有线m o d e m 、x 2 5 、数传电 台、短信等通信方式。从表l 一1 可以看出基于g p r s 的监控方式具有较高的综合 性能价格比。 表卜1g p r s 无线传输业务与其他网络传输业务的比较 方案名称通信方式建设成本运营成本监控范围传输速实时 度性 电话线f f o d e m电话线拨号 高 较低 密 5 6 k b s 差 s m s 方式 s m s 较低较高较宽1 6 0 字节包差 g p r s 方式 g p r s较低较低 较宽 2 0 4 0 k b s局 因为g p r s 具有速度快、使用费用低的特点，其传输速度理论上可达 1 7 1 2 k b s 。与有线通信方式相比，采用g p r s 无线通信方式则显得非常灵活。它 具有组网灵活、扩展容易、运行费用低，维护简单、性价比高等优点。通过g p r s 无线网络进行数据传输，已经成为环保部门首选的通信手段之一。污染源监测设 备可将采集到的污染数据和告警信息通过g p r s 网络及时传送到环保监测部门， 实现对排污单位或个人的及时管理，可以大大提高环保部门的工作效率。 总之，采用g p r s 无线传输方式解决污染源监测数据的实时传输问题已成为 一个新的研究热点。本课题正是在这样的背景下提出的。 1 2 论文期间所做的工作 第一章绪论 本课题的任务是研究基于g p r s 的无线环境监控系统。本人完成的主要工作 包括系统整体方案的设计、g p r s 终端的开发与设计，同时还参与了监控中心的 软件开发工作。具体工作如下： 调研、比较了各种监控技术和环保监控应用。 对需要实现的系统功能和具体性能要求进行了详细的分析和研究， 提出了系统的整体方案。 在掌握a r m 微处理器( $ 3 c 4 5 1 0 b ) 、嵌入式系统、嵌入式操作系统 u c l i n u x 、s o c k e t 网络编程和数据库等相关知识的基础上，进行了 g p r s 终端的软件开发实现和硬件平台的设计工作。 采用v b n e t 软件，参与了监控中心系统和软件的开发与设计工作， 完成了一整套实用性强的监控中心应用软件。 1 2 1 整体方案的分析设计 为了满足环境保护部门灵活、实用、及时监控的需要，本系统采用了基于 g p r s 的无线传输方案。整个系统主要由以下四个部分组成： 1 ) 环境数据采集系统：一般是由国内外大厂商所提供的专业设备。 2 ) g p r s 终端：在主控制模块的控制下，通过串口通信模块从监控子站的 数据采集系统中提取数据，并由g p r s 无线调制解调器发送到g s m 网络。 3 ) 传输系统：利用现有的g p r s 网和i n t e m e t 网进行数据传输。 4 ) 监控中心：首先接收并保存环境数据信息，然后进行数据汇总、整理和 综合分析。 1 - 2 2 g p r s 终端 g p r s 终端主要由主控制模块、串口通信模块、t c p i p 模块和g p r s 无线模块 等四部分组成。其中前三个模块由基于a r m 和u c li f l u x 的嵌入式系统实现；而第 四个模块是由专用的g p r s 无线调制解调器m c 3 5 实现。 具体的g p r s 终端的开发工作要涉及到基于a r m ( $ 3 c 4 5 1 0 b ) 的u c i n u x 嵌 入式系统开发环境的建立、u c li n u x 的移植、嵌入式系统下的s h e ll 编程、串口 通信编程以及s o c k e t 编程等。 1 2 3 监控中心的应用程序 监控中心是由在接入i n t e m e t 公网的监控中心服务器上安装相关监控系统软 件来实现。监控中心服务器采用的是装有w i n d o w s 2 0 0 0 或w i n d o w sx p 的主流计 算机。监控中心的软件采用模块化设计，分为通信子模块、数据库子模块和主界 第一章绪论 面模块三部分。这部分软件采用v b n e t ( v i s u a lb a s i c n e t ) 语言进行开发， 并配合s q ls e r v e r 数据库技术和s o c k e t ( 套接字) 网络编程技术分别实现了数 据库操作和通信操作。 第二章g p r s 技术及其相关应用 第二章g p r s 技术及其相关应用 2 0 世纪9 0 年代初第1 批g s m 网络正式开始运营，现在已成为全球最大的 移动通信系统。但是g s m 系统存在如下的问题：a 容量不足和频谱利用率不 高，造成频率资源紧张；b 只能提供9 6 k b s 的数据传输速率，无法满足日益 增长的对移动多媒体数据通信的巨大社会需求。 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 ) 即通用分组无线业务，是在g s m 网 络的基础上引入新的网络单元而构成的无线数据传输系统，它使用分组交换技 术，能与g s m 网络兼容，使其能更加有效地传输高速数据。g p r s 系统的网络 结构如图2 1 所示。 g p r s 系统相对于g s m 具有以下的性能特点： 1 ) 基于分组交换，具有其他分组数据系统一样的高效特性，能够高效地 利用现有网络资源，提高频率利用率。 2 ) 支持中、高速数据传输，可提供9 0 5 1 7 1 2 k b s 的数据传输速率。 3 ) 接入速度快，提供了与现有数据网的无线连接。 4 ) 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的计费功 能，计费方式更加合理，用户使用更加方便。 5 ) 核心网络层采用i p 技术，底层可使用多种传输技术( 帧中继、a t m 等) ， 因此可以很方便地实现与高速发展的i p 网络( i n t e m e v i n t r a n e t 网) 的 无缝连接。 第二章g p r s 技术及其相关应用 2 1g p r s 网络单元与接口3 邶3 为了实现数据承载，g p r s 系统引入了几种新的网络单元，如p c u 、s g s n 、 g g s n ，以及其他辅助进行数据业务管理和应用的单元如d n s 和d h c p 服务器、 防火墙( f i r e w a l l ) 、网络时间协议( n t p ) 、计费网关( c g ) 等。 从逻辑上说，g p r s 通过在g s m 网络结构中增加了s g s n 和g g s n 两个 新的网络节点来实现；因此需要命名新的接口。图2 2 说明了g p r s 网络的逻 辑体系结构。 图2 _ 2g p r s 功能单元与接口 2 1 1g p r s 网络单元 1 p c u p c u 是分组数据处理单元，它与b s c 协同作用，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。 2 s g s n s g s n 即g p r s 服务支持节点，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；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；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 第二章g p r s 技术及其相关应用 输通路和协议变换等功能等。 3 g g s n g g s n 是g 职s 网关支持节点，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d n s ，d h c p 等 设备协同实现数据业务的接入和传送等功能。 4 d n s d n s 服务器，即域名解析服务器，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 ) 与 相关g g s n 地址之间的转换、内部网元i p 地址与名称之间的解析、切换时位 置区信息和相关s g s n 地址之间的转换。 5 d h c p d h c p 服务器，即动态地址分配服务器。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理，以提供用户地址空间的有效利 用，d h c p 协议用以完成这种功能。 6 f i r c w a l l 防火墙用以提供g p r s 网络与外部网络之间的安全管理功能，它通过过滤 机制或加密认证机制进行某些类型数据包的过滤，以防止某些网络地址或规程 的非法接入，从而保证g p r s 网络的安全性。 7 n t p n t p 服务器，即网络时间协议服务器；用以提供网络的统一时钟，保证数 据流的同步。 8 c g g p r s 系统中计费数据包括s g s n 与g g s n 所产生的计费信息。计费网关 ( c g ) 用以提供系统中各网元内部计费数据的收集，并进行网络与计费系统之 间的数据转发工作。 9 o m c 操作维护系统( o m c ) 提供方便的系统告警处理、维护管理、统计分析、 性能管理等功能，通过友好的用户界面实现操作的简便性及维护的灵活性，是 第二章g p r s 技术及其相关应用 系统维护和管理的得力助手。 2 1 2g p r s 主要接口 1 u m 接口 u m 接口是空中无线接口，用于移动台与g s m 系统的固定部分之间的互 通，传递的信息包括无线资源管理、移动性管理和接续管理等。 2 a 接口 a 接口是b s s 和m s c 之间的接口，基于2 m b s 数字接口，采用1 4 位七号 信令方式，传递移动台管理、基站管理、呼叫处理、移动性管理等信息。 3 g n g p 接口 g n 是同一个p l m n 内部g s n 之间的接口，g p 是不同p l m n 中g s n 之间 的接口，g n 与g p 接口都采用基于i p 的g t p 协议规程，提供协议规程功能数 据包在g s n 节点间通过g t p 隧道协议传送的机制。g n 接口一般支持域内静态 或动态路由协议，而g p 接口由于经由p l m n 之间路由传送，所以它须支持域 间路由协议( 如边界网关协议b g p ) 。 4 g i 接口 g i 接口是g p r s 网络与外部数据网络的接口点，它可以采用x 2 5 协议或i p 协 议等接口方式。 2 2g p r s 网络上的分组数据传输“8 2 2 1 移动台终止的分组数据传输 分组发送方处于本地局域网内，给移动台发送一个i p 数据分组。分组经过 本地局域网，再通过可以路由器和p s p d n ，达到g g s n 。当发送给某个移动台 的分组达到g g s n 时，g g s n 检验该移动台是否有登陆g p r s 。如图2 3 所示。 如果移动台处于g p r s 空闲状态，该移动台的分组业务会被拒绝。如果移 动台处于守候或活动状态，g g s n 会将分组采用封装格式，选择路由给s g s n ， s g s n 拆掉封装。 然后如果移动台处于g p r s 守候状态，s g s n 会请求m s c 在路由区内，对 该移动台进行g p r s 寻呼，以便找到移动台所侦听的小区。移动台在所处于的 小区内进行应答，并且注册登记到活动模式。然后，在所有节点内建立路由， 第二章g p r s 技术及其相关应用 将分组从s g s n 经过m s c 和b s c ，送到b t s 。b t s 在p d c h 上预留出一个时 隙，将分组封装成空中接口协议，然后发送给移动台。如果移动台正确地接受 到数据，可以给出应答。移动台拆掉封装，将分组转发给应用。 图2 - 3 移动台终止的分组数据传输 2 2 2 移动台发起的分组数据传输 移动台从应用到一个i p 分组后，请求分配信道。系统预留好时隙以后，给 出应答。数据在预留的时隙内发送到b t s 。b t s 从空中链路协议拆掉封装，将 数据发送给s g s n 。 s g s n 将数据封装成传送协议，并且发送给g g s n 。g g s n 拆掉封装，检 验分组的地址和协议，从而选择正确的路由。因此，分组能够通过p s p d n 和 路由器，到达接收方的本地网，最后传送给用户。 2 3g p r s 业务“8 在g p r s 提供的承载业务支持的标准化网络协议基础上，g p r s 网络运营 商可以支持或提供给用户一系列交互式电信业务，其中包括承载业务、用户终 端业务和补充业务，以及短消息业务和匿名接入等业务。 2 3 1 承载业务 g p r s 承载业务也叫g p r s 网络业务，包括两种类型：点对点( p t p ) 业务 和点对点( p t m ) 业务。 第二章g p r s 技术及其相关应用 1 点对点业务 点对点业务是在两个用户之间提供一个或多个分组传送的业务，有业务请 求者宿动，由接收者接受。它分为两种：点对点无连接无连接网络业务和点对 点面向连接的网络业务。 ( 1 )点对点无连接网络业务属于数据报业务类型。发送的每个数据包或 数据分组用i p 字头封装，i p 字头内包含信源或目标或新宿的i p 地址，i p 地址 由网络地址或主机地址组成。网关或路由器依据每个数据报中信宿网络地址和 当前网络拓扑结构，通过最佳的路由算法选取去往下一个网关或路由器的路由。 网关路由表配置该网关与其相联的其他网关的网络地址。通过网间网寻径，最 终把数据报送往目标子网。在子网内依据数据报中的信宿i p 地址，把数据送给 目标主机。由于每个分组都是独立完成传送的，用户数据分组不是按照顺序到 达的。分组的交付没有确认保护，用户数据可能丢失或重复接收。点对点无连 接网络业务主要支持突发非交互式应用业务，如基于口的网络应用。 ( 2 )点对点面向连接的网络业务属于虚电路型业务，它为两个用户之间 传送多路数据分组建立逻辑虚电路。面向连接方式传送是指传送之前先建立点 对点连接，数据分组实在建立的虚电路中按顺序传送的，并按照顺序进行交付 数据。由于数据分组内没有信宿地址，所以不能实现单独分组的寻径传输。分 组的交付有确认保护，不会收到重复的分组。点对点面向连接的网络业务支持 基于面向连接网络协议的突发事件处理和交互式应用业务，如x 2 5 的应用。 2 点对多点业务 点对多点业务根据某个业务请求，把信息送给多个用户或一组用户，由 p t m 业务请求者定义用户组成员。点对点服务中心主要执行对p t m 业务请求 者进行鉴权、选取组成员所在的s g s n ，把p t m 业务信息送往相关的s g s n ， 由相关的s g s n ，又相关的s g s n 再把信息送给基站子系统。点对多点业务又 分为三类： 1 ) 点对多点多播业务 2 ) 点对多点群呼业务 3 ) i p 多点广播业务 2 3 2 用户终端业务 用户终端业务可以分为基于p t p 的用户终端业务和基于p t m 的用户终端 业务。 i ，基于p t p 的用户终端业务 第二章g p r s 技术及其相关应用 1 ) 信息点播业务。用户可以根据需要点播存储在数据库中心的数据信息， 信息将按需发送给用户。 2 ) 电子信函( e m n l ) 业务。利用存储转发信箱和信息处理功能通过存储 单元在单独的用户之间提供用户到用户的消息通信。 3 ) 会话业务。在两个用户的实时终端到实时终端之间提供双向信息交换。 4 ) 远程操作业务。主要是小数据量的数据处理业务，如信用卡确认、电 子银行、电子商务、遥测、远程监测、定位业务及调度业务等。 2 基于p t m 的用户终端业务 点对多点应用业务包括点对多点单向广播业务和集团内部点对多点双向小 数据量事务处理业务。点对多点单向广播业务服务的地理区域和用户有业务提 供者定义，利用存贮转发功能可以协商确定信息交付时间和重发时间间隔。应 用业务包括：新闻广播、天气预报、本地广告、旅游信及业务信息等。 2 - 3 3g p r s 补充业务 适用于g p r s 承载业务的补充业务可分为两类：g s mp h a s e 2 的补充业务和 g p r s 特定的补充业务。 1 g s mp h a s e 补充业务 多数g s mp h a s e 2 补充业务不能在g p r s 网中应用，可用于g p r s 的包括： 1 ) 无条件呼叫前转和移动台不能到达时的呼叫前转。 2 ) 闭合用户群。 3 ) 送付费通知和付费清单。 2 g p r s 特定的补充业务 可以向g p r s 用户提供g p r s 特定的补充业务。该补充业务可针对g p r s 的基本业务来签约使用。现在提供的“闭锁g p r s 互通文件”业务是通知闭锁 激活的互通文件，从而限制用户接入到外部数据网络。 2 3 4 其它业务 1 短消息业务 利用g p r s 的分组信道来传送短消息，效率更高，且容量更大。附着g p r s 的移动台可以通过g p r s 信道传递短消息。 第二章g p r s 技术及其相关应用 2 匿名接入业务 匿名接入业务是指不需要提供i m s i 或p t m s 就可以接入g p r s 网络的业 务，因此在接入阶段不需要对用户鉴权和数据加密等安全措施。 2 4g p r s 网络接入技术 集团用户的应用接入g p r s 现在主要有两种方案，如图2 - 4 所示。 方案二方案一 图2 _ 4g p 赂集团用户接入方案图 方案一是i n t e r n e t 接入方式，其特点有： 1 ) 集团用户要有固定的、永久性连接到i n t e r n e t 的接入； 2 ) g r e ( 通用路由封装) 两端地址、r a d i u ss e r v e r 地址和企业路由器端 口地址都必须是公有的。 3 ) 由于中间经过i n t e r n e t 接入g p r s ，不存在跨地区的问题，企业在任一 城市都可到达欲接入的移动公司的g g s n 。 采用方案一，企业需要提供一台已经接入i n t e r n e t 且具有g r e 隧道功能的 路由器，有条件可以提供r a d i u s 认证服务器。无需进行额外物理网络连接。 方案二是专线接入方式，其特点有： 1 ) 专线接入方式适用于企业没有接入i n t e r n e t 或企业对系统安全要求较 高。 2 ) 企业通过专线接入g p r s 网络侧的接入路由器，需要经过g p r s 网络的防 火墙。用户端的接入路由器必须提供公有的i p 地址。 采用方案二，企业需申请d d n 专线接入当地移动公司的g p r s 网络，专线带 9 害删一瑚 户 q | l l 羚 第二章g p r s 技术及其相关应用 宽根据业务规模而定。企业需提供一台支持g r e 隧道功能的路由器，有条件可 以提供r a d i u s 认证服务器。 2 5g p r s 的应用。 g p r s 向用户提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于 间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。 它的基本功能是在移动终端和i n t e r n e t 网络的路由器之间传输分组数据，与互 联网或企业网相连，向移动通信用户提供高速可靠的数据业务。具体可分为面 向个人用户的应用和面向集团用户的应用。 对于面向个人用户的应用，g p r s 可以提供网上冲浪、e m m l 、文件和静态 图片的传输、数据库查询、增强型短消息等业务。 对于集团用户的应用可分为以下几类： 1 1 运输业：车辆监控调度，物流控制； 2 ) 公共安全业：随时随地接入远程数据库； 3 ) 金融、证券和商业：无线p o s 、无线a t m 、自动售货机、流动银行等； 4 1p t m 业务：可以完美的支持股市动态、天气预报、交通信息的实时发 布；5 ) 远程监控：如电力、气象、水文系统收集数据，对灾害进行遥测、 报警和远程操作： 6 ) 移动办公和远程局域网接入，提供v p n ( 虚拟专用网) 业务，使企业 员工能够随时随地与总部保持联系，降低公司建设自己的广域网的费用。 第三章基于g p r s 环境监控系统方案设计 第三章基于g p r s 环境监控系统方案设计 基于g p r s 环境监控系统主要有：环境数据采集系统、g p r s 终端、传输 系统和监控中心四部分组成。本章将在对系统的功能和性能要求分析的基础上， 提出系统的整体设计方案。基于g p r s 环境监控系统的框架如图3 一l 所示。 图3 一l 基于g p r s 环境监控系统框架图 3 1g p r s 环境监控系统功能分析 3 1 1g p r s 终端的功能 g p r s 终端在加电后首先需要具有自动登录功能，即具有自动附着到g p r s 网络的功能。其次g p r s 发送端要有从采集系统取数据、数据处理、数据无线发 送至g p r s 网络等功能。另外g p r s 发送端还要具有根据接收的远程控制信息进 行相应处理的功能。 第三章基于g p r s 环境监控系统方案设计 3 1 2 监控中心远程的监控功能 监控中心的远程监控功能分为远程监控、远程配置管理和远程故障处理等。 1 远程监控 远程监控功能分为监测功能和控制功能。监测功能即通过远程数据采集， 在监控界面实时显示监控对象的运行数据或查询监控对象的历史运行数据，控 制功能即通过对远端的监控对象发送控制管理命令来实现远程控制功能。 2 远程配置管理 远程配置管理是为了使被监控设备或系统能正常工作或按指定要求工作， 而对其运行参数进行远程配置、浏览和审核。 3 远程故障处理 远程故障处理是为了发现被监控对象或系统本身存在的故障并及时采取措 施处理或消除故障。远程故障处理包括故障监测、故障定位、告警通知、故障 处理和恢复测试等。 3 1 3 系统管理功能 系统管理功能可以分为操作员管理、数据管理和日志管理等功能。 1 操作员管理 操作员管理包括用户定义、登录、授权等。系统通过用户名、口令来确定 操作者的访问权限，只有授权的用户才有权操作监控软件。 2 数据管理 系统将采集到的监测数据分类保存到数据库中。操作员可以根据需要对相 关数据进行查询、分析或生成相应的统计报表。 3 日志管理 曰志包括系统的运行曰志和操作员操作日志。系统运行中的所有重要事件 ( 如告警、故障等) ，以及操作员的所进行的每一项操作，都被记录在数据库中。 这些记录可以帮助系统管理员了解系统运行过程，排除故障和调整系统运行参 数等。 4 其他功能 第三章基于g p r s 环境监控系统方案设计 根据不同的应用，无线监控管理系统还会有其它各种附加功能。 3 2g p r s 环境监控系统性能要求 3 2 1 实时性 作为环境监控系统，及时的从各个监测点获取监测数据，并进行分析处理 是十分必要的。但是相对于航天、军事等领域对系统硬实时性的要求，各任务 要做到准时：环境监测系统只需要做到软实时，即各个任务尽快及时完成。 3 2 2 可靠性 环境监控系统是一个实时的行业应用系统，要求系统能够长时间可靠稳定 的工作。这就要求整个系统的软硬件稳定运行，不能出现硬件故障、进程死锁、 内存泄露等情况。 3 2 3 安全性 环境保护是关系一个国家国计民生、长远发展的重要事业。而环境监控系 统是国家环保部门获取环保数据、采取环保措旌的主要途径和依据。因此在系 统设计中要有良好的安全机制，通过用户认证、访问控制、数据加密、网络防 火墙等技术来防止外界恶意侵入。 3 2 4 实用性 环境监控系统作为一个实用项目，不仅要从技术性能角度考虑，也要从实 用角度考虑。一方面要求建设资金投入少、运营成本低；另一方面要求整个系 统操作简单、维护方便，利于用户使用。 3 2 5 可扩展性 可扩展性也是对监控系统的一个重要性能要求。系统的软件结构要采用分 布式的设计方案，强化各个模块之间的接口关系，便于系统的灵活扩展。例如 监测点的增减、功能的改善、系统的升级等。 3 3 整体方案分析设计 无线环境数据监控系统主要由四部分组成 第三章基于g p r s 环境监控系统方案设计 一、环境数据采集系统； 二、g p r s 终端； 三、传输系统； 四、监控中心。 3 3 1 环境数据采集系统 环保局所采用的环境数据采集系统一般是由国内外大厂商所提供的专业设 备，如美国泰克、德国西门子等公司生产的环境监测子站系统。这些环境监测 子站系统是基于i b m 兼容型工控计算机的数据采集系统，能采集和处理来自各 种仪器和传感器的模拟数据，有专用的a d 板和u o 接口板。 3 3 2g p r s 终端阳1 g p r s 终端的主要任务是通过环境采集系统的相应接口取出数据，并在处 理以后无线发送到g p r s 基站，或从监控中心接收远程控制信息，并做相应处 理。 g p r s 终端可以由控制模块控制串行通信模块、t c p i p 模块和g p r s 无 线发送模块实现。其结构框图如图3 2 所示。 由 传输数据 t c p i p 数据报 行控 l 协议处理l g p r s 通ah制 无线 信 n 模 t c p i p 模块 模块 a t 指令a t 指令 模块 块 l 透明通道l 图3 2g p r s 终端结构框图 1 控制模块 控制模块的作用主要有： 1 ) 控制模块通过a t 指令初始化g p r s 无线模块，使之附着在g p r s 网上， 获得网络运营商动态分配给g p r s 终端的i p 地址，并与目的终端或服 务器之间建立网络连接； 2 ) 控制模块控制串口通信模块通过r s 2 3 2 串口向客户系统收发数据或指 令： 第三章基于g p r s 环境监控系统方案设计 3 ) 控制模块通过r s 2 3 2 串口向t c p i p 模块收发数据； 4 ) 控制模块自主或根据远程控制指令采取的其他操作。 2 串口通信模块 由于环境监测子站系统是基于i b m 兼容型工控计算机的数据采集系统，它 们对外界一般都提供有标准的串行接口。同时，现在大多数的单片机、微处理 器也都提供有标准的串行接口。所以系统可以通过串口通信模块来提取客户系 统所采集到的环境数据。 3 t c p i p 模块 t c p i p 模块通过r s 2 3 2 串口与g p r s 无线模块通信，提供非透明和透明两 路通道。相对应地，该模块有两种传输模式：透明模式和非透明模式。通过软 件切换，模块在处于不同的传输模式时，数据流向也有所不同。当传送a t 指令 集时，模块进入透明模式，可以直接访问g p r s 无线模块；当模块进人非透明传 输方式时，用户数据从串口进入t c p i p 模块