（控制理论与控制工程专业论文）基于gprs的路灯远程监控终端的设计与开发.pdf

_j 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其 中包括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文， 学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位 论文；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为 资料在图书馆、资料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供 校内师生浏览部分内容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名：至盟翩签名：丛皇堕 日期：塑多：乡! ：_日期：丝兰：坌：兰 摘要 基于g p r s 的路灯远程监控终端的设计与开发 摘要 随着城市建设的发展，原来的路灯控制模式和方法已经无法胜任 现代城市的需要。因此设计自动化程度高、运行可靠、高效节电、使 用维护方便的路灯监控系统成为了路灯控制和管理的发展趋势。 论文主要是对路灯远程监控终端进行设计与开发。首先介绍了目 前路灯监控系统存在的问题和研究现状，分析了路灯监控系统的构 成，提出了以g p r s 通信作为通信网络和以a r m 7 微处理器为核心的 远程监控终端的设计方案。g p r s 通信采用固定ip 和固定端口的组网 方式，实现监控中心与远程监控终端的通信。论文还介绍了远程监控 终端的设计原则和要实现的功能，给出了硬件整体设计框图和原理 图，并以此为基础完成了以三星公司f l l j s 3 c 4 4 b o x 为基础的核心板和 参数采集控制模块的设计和调试。 综合以上的通信平台和硬件电路的实现，研制了远程监控终端 的控制电路装置，为整个路灯监控系统的研制铺垫下良好的技术基 础，同时也为路灯监控系统的进一步研究提供了试验平台。 关键词：路灯监控系统监控终端g p r sa r m a b s t r a c t d e s i g na ndd e v e l o p m e n to fr e m o t em o n i t o r t e r m i n a lo fs t r e e tl a m pb a s e do n g p r s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc i t yc o n s t r u c t i o n ，t h ec o n t r o lm o d e sa n dm e t h o d s f o rp r i m a r ys t r e e tl a m pf i r en o tc o m p e t e n to ft h er e q u e s to fm o d e mc i t i e s t h u st h e d e s i g no fs t r e e tl a m pm o n i t o rs y s t e mw i t hah i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o n ，f u n c t i o n r e l i a b l e ，s a v i n ge n e r g yh i g he f f i c i e n ta n du s i n ga n dm a i n t e n a n c ec o n v e n i e n tb e c o m ea d e v e l o p i n gt r e n d t h e d e s i g na n dt h ed e v e l o p m e n to fr e m o t em o n i t o rt e r m i n a lo fs t r e e tl a m pi s a d d r e s s e di nt h ep a p e r f i r s t l yt h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n dr e s e a r c ha c t u a l i t yo fs t r e e t l a m ps y s t e m sa r ei n t r o d u c e d ，f o l l o w e db yt h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo ft h es t r e e t l a m pm o n i t o rs y s t e m t h e n ，t h ed e s i g np r o p o s a l ，w h i c hi sc o n s t r u c t e db yu s i n gt h e g p r sa st h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dt h ea r m 7m i c r o p r o c e s s o ra sc o r eo f r e m o t em o n i t o rt e r m i n a l ，i s s u g g e s t e d g p r sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ml i n k st h e n e t w o r k sm o d eo ff i x e di pa n df i x e dp o r t ，a n di m p l e m e n t st h ec o m m u n i c a t i o no f m o n i t o rc e n t e rw i t ht h er e m o t em o n i t o rt e r m i n a l t h ed e s i g n i n gp l i n c i p l ea n dt h e f u n c t i o no fr e m o t em o n i t o rt e r m i n a la r ea l s oi n t r o d u c e di nt h ep a p e r i nt h i sw a y , t h e w h o l ed e s i g nb l o c kd i a g r a mo ft h eh a r d w a r ea n ds c h e m a t i cd i a g r a mh a sb e e nr e a l i z e d a n dt h ed e s i g n i n ga n dd e b u g g i n go ft h ek e yb o a r db a s e do ns 3 c 4 4 b o xo fs a m s u n g a n dp a r a m e t e rg a t h e r i n gc o n t r o lm o d u l ei sf i n i s h e d w i t ht h ec o r r e s p o n d i n gp l a t f o r ma n dc i r c u i tb o a r d ，ac o n t r o ld e v i c eo fr e m o t e m o n i t o rt e r m i n a li sb u i l tu p ，w h i c hm a k e sg o o db a s e sf o rt h er e s e a r c ho ft h ew h o l e s t r e e tl a m ps y s t e m s i na d d i t i o n ，t h e s er e s e a r c h e sg i v eb a s e sf o rf u r t h e rs t u d yo n s t r e e tl a m ps y s t e m s k e y w o r d s ：s t r e e tl a m pm o n i t o rs y s t e m ；m o n i t o rt e r m i n a l ；g p r s ；a r m 目录 目录 第一章概述1 1 1 课题背景l 1 2 现有路灯监控系统存在的问题1 1 3 研究现状2 1 4 本课题的主要意义：3 第二章路灯远程监控终端系统设计4 2 1 路灯监控系统的组成4 2 2 远程监控终端的设计原则5 2 3 远程监控终端的主要功能6 2 4 远程监控终端总体结构6 2 5 通信平台的选择7 第三章g p r s 通信技术9 3 1g p r s 通信概述9 3 2g p r s 网络系统的结构9 3 2 1g p r s 系统的基本结构9 3 2 2g p r s 系统的网络结构1 0 3 3g p r s 传输1 2 3 3 1g p r s 附着过程1 2 3 3 2p d p 场景激活过程13 3 4 基于g p r s 无线通信的城市路灯监控系统组网方式1 4 3 4 1 专线联网方式1 4 1 目录 3 4 2 拨号联网方式1 5 3 4 3g p r s 内网联网方式1 6 3 5g p r sd t u 的具体实现1 7 3 5 1g p r s 模块选择1 7 3 5 2 软件控制流程2 0 3 5 2 1 模块初始化2 0 3 5 2 2 数据传输2 1 3 5 2 3p p p 协议2 1 3 5 2 4 链路层p p p 协议的实现2 2 第四章远程监控终端硬件设计2 4 4 1 远程监控终端核心板硬件电路原理设计一2 4 4 1 1 处理器单元2 4 4 1 2 存储器电路2 5 4 1 3 复位电路2 7 4 1 4i i c 接口电路2 8 4 1 5j t a g 接口电路3 0 4 1 6 通信接口电路3 1 4 1 7 以太网控制电路3 2 4 2 远程监控终端扩展板电路3 3 4 2 1 采样信号预处理装置3 3 4 2 2 继电器驱动电路3 5 4 3 远程监控终端电路可靠性分析一3 6 4 3 1 干扰对系统的影响3 6 4 3 2 监控终端的抗干扰措施3 7 i v 目录 4 3 2 1 采用隔离技术3 7 4 3 2 2 采用电流信号抗干扰3 7 第五章远程监控终端软件分析与设计3 9 5 1 嵌入式操作系统3 9 5 2 嵌入式系统的启动流程4 0 5 3 基于a r m 的嵌入式系统开发与调试4 l 5 3 1a r m 软件开发包( a d s ) 4 1 5 3 2a r m 开发调试环境的搭建4 2 1 ；：；：；b o o t l o a d e r 4 3 5 3 4 三星s 3 c 4 4 b o x 的a r m b o o t 实现4 4 5 3 5a r m b o o t 的下载执行4 7 5 3 5 1 超级终端的设置4 7 5 3 5 2a r m b o o t 的运行4 8 5 4 串口通信程序4 8 5 5 测试用例5 0 第六章结束语5 4 参考文献5 5 致谢与声明5 7 在学期间发表的学术论文与研究成果5 8 v i甜：； 第一章概述 第一章概述帚一早t 阢怂 1 1 课题背景 随着社会文明不断进步，城市现代化建设的迅速发展，路灯照明成为 大中小城市不可或缺的一道风景线。夕阳西下，华灯一片灿烂。每天，每 年，周而复始。繁忙了一天的人们在亮丽的城市中享受着现代文明。路灯 行业的建设者们为了广大人民群众的生活舒适成年累月地付出艰辛的劳 作，同时不断探索改进自己的工作条件，减轻文明社会带给自己的心理负 担，提高社会效益和经济效益。 城市路灯的功能同益突出。众所周知，城市公用路灯对美化城市、改 善投资环境、推动社会经济发展和保障人民生活安全及道路交通安全等方 面起着不容忽视的重要作用。特别是改革丌放以来，随着我国经济建设的 逐步发展，城市道路建设的发展速度的逐步提高，社会和人民大众对亮灯 率和城市形象要求越来越高，路灯管理者的责任越来越大；路灯控制范围 同益扩大，管理成本越来越高；路灯建设占用了城市公益事业的大量费用， 路灯管理部门的维修负担越来越重；路灯故障不可避免，同常维护不能间 断，路灯卫士们只能兢兢业业巡查于寒暑风雨。因此，对作为城市建设中 不可缺少的城市道路照明和管理也就提出了更高的要求。为了适应这一发 展的需要，提高城市道路照明的管理水平，就必须加快城市道路照明的科 技进步和现代化建设进程，用现代化的路灯监控系统来替代原来较为落后、 繁琐的路灯运行方式，将有限的人力节约下来，得以发挥其应有的作用， 创造更好的社会效益和更多的经济效益，因此开发路灯监控系统是有市场 前景的。 1 2 现有路灯监控系统存在的问题 目前国内部分大中城市的路灯已采用了先进的集中监控系统，但是大 部分城市仍是延用传统的以钟控、人工控制为主的管理系统，存在以下问 题【l 】【2 】： 1 、系统复杂，难以统一管理 第一章概述 城市路灯类型众多，有道路照明、广场照明、桥梁照明、公用景点应 急路灯以及高层建筑的泛光等，使用传统的控制方式，难以统一管理，另 外许多路段、景区的路灯由不同的业主负责管理，相互各自为政，缺乏统 一协调。 2 、路灯系统覆盖面广，维护困难，维护力量严重不足，疲于奔命 城市路灯系统的覆盖面广，对系统的运行情况需要每天晚上派人及车 辆进行巡视，不仅费财费时费力，而且维护人员疲于奔命，路灯损坏情况 不能及时掌握以及反馈，给快速维护带来困维。而且按照国家建设部的要 求，城市每2 0 0 盏灯必须配置一个维护人员，按此要求大部分城市维护人 员严重不足，也是目前管理跟不上的重要原因。 3 、丌关控制效率低，用电浪费现象严重 目前大部分城市路灯采用的是人工管理模式：一是使用人工开关灯控 制，由工作人员在需要的地段和需要的时间，人工丌关灯：二是使用机械 钟控丌关灯控制方式，在每一开关柜上安装一个机械时钟控制器，设定开 关灯时间。如果需要调整丌关灯时间，则必须人工到各现场调整每一个机 械时钟控制器，工作难度大，造成开关灯时间不能及时变更，难以做到合 理丌关灯，用电浪费严重。特别是在需要完成一些紧迫的特殊任务时，例 如临时丌关灯，就更不能快速反应满足领导的要求，造成负面影响。 4 、存在安全隐患，无法快速掌握运行状态，安全无保障，统计困难 城市路灯系统庞大复杂，对各种漏电、触电、短路、跳闸，电缆和灯 具被盗、破坏等现象不能及时发现，存在较大安全隐患。也无法对整个系 统每一个配电柜的电压、电流、功率等数据进行每天统计，不能及时快速 地掌握路灯系统的运行状态。 1 3 研究现状 目前国内已有多家公司开发出满足现代城市需求的灯光监控系统。他 们的共同点就是利用现代的无线通信技术( g p r s 、g s m 等通信网络) 实现 监控中心与远程控制基站的通信。比较著名的公司及产品有： 北京城市网尚科技发展有限公司，该公司开发的l m a s 灯光系统已 经在北京市使用。 第一章概述 深圳市中远通电源技术有限公司，产品为g m c l 2 智能路灯监控 器。 亚奇宝通电子技术( 深圳) 有限公司，产品为a r c h n e t 路灯监控系统 这些公司开发的系统在结构体系上都分为监控中心、通信网络、远程 监控终端三大部分。在监控中心的监控软件上有的公司采用c + + 等高级 语言进行开发，有的公司则采用组态软件的方式。对于通信网络，则所有 公司都声称能兼容g p r s 、g s m 、无线专用网等通信网络。对于远程监控终 端的开发，控制核心采用的方案有基于单片机的、基于p l c 的、基于x 8 6 系列微处理器等几种方案。随着城市路灯监控系统的发展，监控要求的 不断提高，上面的硬件方案有些已经不能满足需求。比如目前要求城市路 灯监控系统在某些重要的地段能够进行视频监控，则单片机的数据处理能 力是没有办法胜任的。因此目前各家公司也积极对产品进行更新换代，以 3 2 位处理器作为城市灯光智能监控系统开发的控制核心已经成为必然趋 势。 1 4 本课题的主要意义 “ 本课题是为城市路灯监控系统设计远程监控终端。采用3 2 位的a r m 7 微处理器和合理的硬件结构，提高数据处理能力，使监控终端功能完善， 适应现代化城市发展的需要。主要意义如下： 目前国内城市建设发展很快，道路扩宽，城区扩大，市政在路灯方 面的投资也开始加大，特别是一些新兴的中小城市，其应用前景是很广阔 的； 本课题涉及面较广，包括遥控、遥测、通讯、数据采集等技术。路 灯远程监控终端，既是一个完整的系统，又是城市路灯监控系统的基础， 故它具有一定的代表性。 综上可知，本课题不仅可以应用于城市路灯监控系统改造，也可以推 广到类似的项目。因此研制城市路灯远程监控终端会对今后开展其它工作 具有指导意义。 第二章路灯远程监控终端系统设计 第二章路灯远程监控终端系统设计 路灯监控系统工程是将计算机技术及现代网络通信技术应用于城市路 灯的控制与管理，以实现其遥测、遥信、遥控功能，是现代化城市的重要 组成部分。 2 1 路灯监控系统的组成嘲 路灯监控系统组成如图2 1 所示。 网络 监控终端1监控终端k监控终端n 图2 - 1 系统组成图 f i g 2 1s y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m ( 1 ) 监控中心 监控中心是系统的管理核心，对外围设备的控制，均通过监控中心来 实现。监控中心的规模可大可小，小到使用一台计算机，大到包括计算机 网络，大屏幕显示设备等在内的大规模监控中心，均能够实现监控管理的 功能。监控中心一般由主控机、后备机、显示设备、通信单元、扩展单元、 打印设备、供电设备和计算机网络等组成。 ( 2 ) 通信网络 第二章路灯远程监控终端系统设计 通信网络负责实现监控中心和监控终端的数据通信，实现监控中心指 令的下传和监控终端数据的上传。在国内，路灯监控一般采用以下几种通 信技术：全有线方式、无线专网、无线公网、电力载波等。其中，使用最 多、技术最成熟的是无线专网通信技术。 ( 3 ) 远程监控终端 远程监控终端是系统的外围执行部分，主要负责接收监控中心的指 令，对连接的路灯进行开关，并且采集各个回路的状态，并将信息反馈回 监控中心，使监控中心可以了解到城市路灯的工作状态。监控终端由核心 板、参数采集控制模块和通信模块等部分组成，各部分实现不同功能。 2 2 远程监控终端的设计原则 远程监控终端作为路灯监控系统的外围执行部分，主要完成现场信号的采 集，执行控制命令的功能，因此对于路灯监控系统的远程监控终端的设计主要 遵循以下设计原则： 可靠性 可靠性是路灯监控系统的重要指标，尤其是远程监控终端的可靠性。 由于远程监控终端工作于室外，有时会遇到极其恶劣的气候和环境条件， 再加上强弱电并存，干扰严重。同时城市路灯规模庞大，系统复杂，发生 各种故障时影响面大，影响程度严重，因此要把系统的可靠性放在第一位。 可扩展性 考虑到城市发展和通讯方式的不断发展与变化，远程监控终端在结 构、容量、通信和处理能力等方面具有强大的扩充能力。本系统设计中采 用模块积木式结构设计，预留设备扩展接口，充分保证了系统扩展能力。 易升级性 主要指外围监控终端设备芯片以及芯片级的软件可以在将来进行升 级。 易维修性 远程监控终端结构整体设计、模块化设计以及各单位故障的定位方 便，便于设备维修。 经济性 - 术、通信技术、测控技术、计算机软件技术等先进的技术，保证了系统的 先进性，符合当今技术发展的潮流。 2 3 远程监控终端的主要功能 一般情况下，电力系统自动化中远程监控终端的功能有四遥：遥测、 遥信、遥控和遥调。路灯监控系统远程监控终端的基本功能则主要包括前 三遥。具体来说： 采集：采集路灯配电线的输出电压、电流；采集接触器位置数字量； 通信：与数据中心交换数据，接收数据中心的命令，执行命令，更改 远程监控终端设置，上传采集到的模拟量和数字量； 控制：按预定时间控制路灯丌关；响应遥控命令，控制路灯丌关； 事故判断与报警：对采集到的电压电流进行越限检查，结合当前丌关 状态和运行时间段，判断运行状态正常与否。如果发生异常或发生事 故，远程监控终端立即报警。 其它：远程监控终端设备自诊断；程序自恢复；当地开关运行状态显 示。 2 4 远程监控终端总体结构 远程监控终端硬件结构原理图如图2 2 所示。 其中数据采集和控制模块主要是采集三相电压、各支路的电流信号输 入量，经过a d 转换后送入处理器单元进行处理，最后通过通信模块把处 理后的数据送回数据中心集中管理，并且还可以定时或者通过接收数据中 心的指令用来控制继电器的通断，实现路灯的开关控制。 6 第二章路灯远程监控终端系统设计 图2 - 2 远程监控终端硬件结构图 f i g 2 - 2h a r d w a r es t r u c t u r ed i a g r a mo fr e m o t em o n i t o rt e r m i n a l 厶 口 2 5 通信平台的选择 随着城市现代化的发展，原来那种老式的路灯控制方式已经不适合需 求，需要新的监控系统对整个城市的路灯进行统一的控制、管理。城市路 灯监控系统是现代计算机技术运用于城市市政建设中有效且必然的产物， 实现了城市路灯系统的计算机集中控制、监测与管理。 路灯系统作为城域网，常用的通讯方式有有线通讯和无线通讯两种。 有线与无线方式各有利弊。其争议的焦点是系统造价和通信可靠性，一般 认为应按不同地区、不同系统区别对待。 有线系统的优势在于数据传输的可靠性，但大容量系统投资费用问题 突出，铺设专用线路的工程造价太高且较难审批。有线通讯方式可采用公 用数据网、光纤通讯、专用路灯控制线等等，但是可以看到使用公用数据 7 _吲翘：q 第二章路灯远程监控终端系统设计 网、光纤通讯、专线电缆的通讯模式投资将相当大，运行起来费用较高并 且维护起来也很不方便。 无线监控系统只要解决好数据传输的可靠性这一关键问题，则在大规 模的监控系统中优势明显。在无线通讯中，以前系统采用的是无线电台的 通信平台方案，但是系统的稳定性、可靠性得不到保证，并且通信速度不 高也是这种方案的一个问题。g s m 短消息业务的通信方式是目前用的较多 的一种，因为其覆盖范围大，并且可以全国漫游。但是，时延问题是系统 的瓶颈所在，特别是网络短信中心负荷过重，严重阻塞时，路灯控制系统 的实时性得不到保证。 所以，本课题就是依托现在己经在全国推广覆盖的g p r s 网络，研究和 试验基于g p r s 网络平台的通信系统及其通信解决方案网络，利用它的“实 时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”，“自如切换”等优 点，研究和试验基于g p r s 平台的通信系统及其通信解决方案，并应用到城 市路灯系统中。这将会进一步提高该系统的使用效率、降低其运行成本， 带来新的经济和社会效益【6 j 【7 j 。 第三章g p r s 通信技术 第三章g p r s 通信技术 3 1g p r s 通信概述 在上一章的论述中，本文提出了进行城市路灯系统通信方案改进的必 要性和迫切性。在现阶段，使用g p r s 网络来代替原有的无线电台的通信方 式，主要的原因一是g p r s 网络在我国较为普及的应用，二是g p r s 网络相 对于其他通信方式的优势。 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 ) 的英文简称， 是g s m p h a s e 2 1 规范实现的内容之一，是一种基于g s m 的新型移动分组数 据承载业务。g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的 突发结构、同样的跳频规则以及同样的t d m a 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【6 j 。因此，现有的基站子系 统( b s s ) 从一开始就可提供全面的g p r s 服务。g p r s 允许用户在端到端分组 转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从 而提供了一种高效、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。g p r s 网络可以对任何一个g s m 网络进行升级，使g s m 网络能够提供数据业务， 从而真正实现g s m 网络与i n t e r n e t 的兼容。g p r s 允许业务用户在端到端分组 转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。 g p r s 采用分组模式，能够以非常有效的方式传送突发业务。使用g p r s 技 术实现数据分组发送和接收，用户永远在线并且按流量计费，降低了服务 成本6 】【8 】【9 1 。 3 2g p r s 网络系统的结构 3 2 1g p r s 系统的基本结构 g p r s 系统是在g s m 系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输 系统，它是采用分组交换技术，能兼容g s m 网络并在网络上更加有效地传 输高速数据和信令【10 1 。系统原理图如图3 1 所示。 9 第三章g p r s 通信技术 叵 ! 图3 - 1g p r s 系统原理图 f i g 3 - ls c h e m a t i cd i a g r a mo fg p r ss y s t e m 图3 1 中，s g s n 为g p r s j e 务支持节点，g g s n 为g p r s 网关支持节点， p c u 为分组控制单元，p d n 为分组数据网。 3 2 2g p r s 系统的网络结构 g p r s 系统通过在原有的g s m 系统中引入分组数据单元提供无线系统 上的数据业务。作为承载网络，g p r s 系统本身采用i p 网络结构，并对用户 分配独立地址，将用户作为独立的数据用户，从而实现从网络到移动用户 的端到端的数据应用。 为了实现数据承载，g p r s 系统在原有g s m 网络上引入了几种新的网络 单元如p c u 、s g s n 和g g s n 等。这些新的网络单元可区分为无线部分和数 据部分两大类，其中p c u 属于无线管理部分，s g s n 属于无线管理和数据管 理公用部分，而g g s n 则完全属于数据管理部分。其网络结构如图3 2 所示。 ( 1 ) p c u p c u 是分组控制单元。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。p c u 可以作为模块单元插入n b s c 中，或者作为独立于b s c 的单元存在，它与b s c 之间的接口方式规范未作定义。 1 0 第三章g p r s 通信技术 ( 2 ) s g s n s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ) 是g p r s 服务支持节点。s g s n 是 g s m 网络结构中的一个节点，s g s n 通过帧中继与b t s ( 基站收发信机) 相连， 是g p r s 网络结构与移动台之间的接口。s g s n 的主要作用是记录移动台的 当前位置信息，并且在移动台和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接 收。 卜i翮m 瞎口翮 tl 纠。乡拦 l 分 ，、一位n o ，乞口 、 g i 一接口 组 u s 。饭u g c 一接口 f 发射塔 g b 一接口 i jl i l l ll l ；n1 1 7 数 一 据 r 1 剧1 嵝n 7 霉 图3 2g p r s 网络结构图 f i g 3 2s t r u c t u r ed i a g r a mo fg p r sn e t w o r k ( 3 ) g g s n g g s nf g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) 是g p r s 网关支持节点。g g s n 通 过基于i p 协议的g p r s 骨干网连接到s g s n ，是连接g s m 网络和外部分组交 换网( 如因特网和局域网) 的网关。g g s n 主要起网关作用，它可以把g s m 网 中的g p r s 分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远 端的t c p i p 或x 2 5 网络。 事实上，g g s n 和s g s n 可以合在同一个物理节点也可以在不同的物理 节点，都具有i p 路由功能，并能与i p 路由器相连。当s g s n 与g g s n 位于不 同的p l m n 时，通过g p 接口互联。g p 接口提供了g n 接口提供的功能再加上 1 j 、i l 司 第三章g p r s 通信技术 移动通信网络之间通信的安个认证功能，这种安全认证功能是基于运营商 之间的互通协议的。 3 3g p r s 传输 g p r s 骨干网络是基于i p 的网络，提供g p r s 内部和g p r s 之间的通信。 在g p r s 系统中，d n s ( 域名系统) 用于提供逻辑接入点名和g g s ni p 地址 之间的映射。对外部数据网络来说，g p r s 系统中的g g s n 就是一个路由器， 实现g p r s 骨干网和外部数据网络( x 2 5 网、帧中继网或a t m 网) 之间的路由 寻址功能。因为采用相同的协议，g p r s 可以看作是i n t e r n e t 的子网，g p r s 的移动终端可以视为移动主机。每一个g p r s 终端都有一个自己的i p 地址， 并可以依据此寻址1 2 2 l 。 g p r s 传输的特点为系统构建无线通信的框架提供了前提条件，g p r s 移动台连接到网络上的过程可以分为两个阶段。 3 3 1g p r s 附着过程 当g p r s 用户开机时，g p r s 手机将监听无线信道，接收系统信息，然 后在系统信息指出的控制信道上发送接入请求，系统将分配无线信道给 g p r s 手机，之后，g p r s 手机将在系统分配的无线信道上向s g s n 发送注册 连接请求【l ，如图3 3 所示。下面以一种最简单的注册连接过程举例说明。 移动台向s g s n 发送一个注册连接请求来启动注册过程； s g s n 向m s 发送一个标识请求消息，请求的标识类型为移动台的 i m s i ( 国际移动用户标识) ； 移动台以一个标识响应消息将它的i m s i 告知s g s n ； s g s n 用取得的i m s i 到h l r 中请求认证三码组并对m s 进行鉴权； 移动台的认证通过后，s g s n 向h l r 发送位置更新消息； h l r 发送一条插入用户数据消息给s g s n ，消息包括移动台的g p r s 签 约数据； 1 2 第三章g p r s 通信技术 图3 - 3g p r s n 着过程示意图 f i g 3 3s k e t c hm a po fg p r sa p p e n d i c l i l a t ep r o c e s s s g s n 根据移动台的g p r s 签约数据决定是否允许移动台在当前路由 区内注册连接，如允许，s g s n 将向h l r 返回一条插入用户数据确认消息； h l r 向s g s n 返回一条位置更新确认消息。 3 3 2p d p 场景激活过程 当用户想接入i n t e r n e t 上的某个网站时( 如网易) ，在g p r s 终端上输入接 入点名( a p n ) w w w 1 6 3 c o m ，则可触发p d p 场景激活过程，该过程如图3 4 所示。 移动终端向s g s n 发送激活p d p 场景请求消息，消息中带有如下信息： 访问点名称w w w 1 6 3 c o m ( p d p 地址为空，表示请求动态地址分配) ，服务质 量和其他选项； s g s n 请求d n s 对a p n 进行解析，得到该a p n 对应的g g s n 的i p 地址； s g s n 向g g s n 发送建立p d p 场景的请求消息，消息中带有如下信息： 问点名称w w w 16 3 c o m ( 若p d p 地址为空，表示请求动态地址分配) ，服务质 量和其他选项： g g s n 对该用户进行认证，认证通过以后使用r a d i u s ( 远端授权拨入 用户服务) 服务器、d h c p ( 动态主机协议配置) 服务器或直接由g g s n 为该用 第三章g p r s 通信技术 户分配动态i p 地址。g g s n 向s g s n 返回建立p d p 场景响应消息； s g s n 向移动终端发送激活p d p 场景接受消息。 图3 4p d p 场景激活过程 f i g 3 - 4a c t i v a t i o np r o c e s so fp d ps c e n e 到此，移动终端和外部数据网之间的数据通路就建立起来了，移动终 端可以和该数据网开始通信。当然，如果用户己经有静态分配的i p 地址， 那么上面提到的有关i p j ：也址动态分配的过程则可以省略，这些都由系统控 制。移动台采用何种地址在用户的用户描述( s u b s c r i b e rp r o f i l e ) 中定义。 3 4 基于g p r s 无线通信的城市路灯监控系统组网方式 常用的基于g p r s 无线通信的路灯监控系统组网方式包括：专线联网方 式、拨号联网方式、g p r s 内网联网方式。 3 4 1 专线联网方式 专线联网方式框图如图3 5 所示。 监控终端通过g p r sm o d e m 、基站以无线方式登陆到g p r s 无线网络， 获得i p 地址，然后与服务器建立t c p 连接，数据由移动运营商的g g s n 经数 据专线连接到用户的数据中心。 采用专线联网方式，数据安全性好，通信速度快，通信质量稳定，但 1 4 第三章g p r s 通信技术 是系统初期建设成本高，适合安全性和实时性要求较高的应用场合。 图3 - 5 专线联网方式框图 f i g 3 5l e a s e dl i n ec o n n e c t e dn e t w o r k sf r a m ed i a g r a m 3 4 2 拨号联网方式 拨号联网方式框图如图3 - 6 所示。 服务器通过各种方式( 拨号方式、i s d n 、a d s l 、固定i p 等) 与i n t e r n e t 网建立连接，获得i p 地址，把获得的i p 地址在服务器内的i p 地址服务中心进 行注册。 监控终端通过g p r sm o d e m 与g p r s 网络建立连接，向服务器发送处 理请求。监控终端从i p 地址服务中心获得服务器的i p 地址，连接到服务器， 请求服务器的处理。 拨号联网方式通信速度适中，通信质量稳定，网络建设工作量小，通 信费用低。 第三章g p r s 通信技术 l 监控终端 - - 1 4 厶色 ：i _ l 己 l g p r s 模块 i n t e r n e t m o d e m 基 厂= = + 二仲 y 三三! y 服务器 兀线 站 。 g p r s n 块f i 监控终端 图3 - 6 拨号联网方式框图 f i g 3 6d i a l - u pc o n n e c t e dn e t w o r k sf r a m ed i a g l a i l l 3 4 3g p r s 内网联网方式 g p r s 内网联网方式框图如图3 7 所示。 监控终端 天线天线 监控终端 基基 g p r s 模块卜_ _ j站站 一r s 图3 - 7g p r s 内网联网方式框图 f i g 3 - 7c o n n e c t e dn e t w o r k sf r a m ed i a g r a mo fi n n e rg p r sn e t w o r k s 服务器通过g p r sm o d e m 登陆到g p r s 网络，获得g p r s 网络分配的动 态全局i p 地址。月艮务器通过短消息等方式告知监控终端自己的i p 地址。 监控终端从i p 地址服务中心获得服务器的i p 地址，连接到服务器，请求 服务器的处理。 g p r s 内网联网方式通信速度适中，通信质量稳定，组网费用低，系统 1 6 第三章g p r s 通信技术 组网简单，可以快速完成组网测试。 综合考虑以上三种g p r s 无线组网方式的特点，结合实验室的条件，以 及三种无线组网方式在城市路灯监控系统实际应用中的经济性和适用性， 本系统选用拨号联网方式作为系统的无线组网方式。 3 5g p r sd t u 的具体实现 3 5 1g p r s 模块选择【2 4 】 目前，用于工业系统的g p r s 数据传输模块有很多，比如西门子的m c 3 5 和m c 3 5 t 、爱立信的g m 4 7 矛1 1 g m 4 8 ，还有w a v e c o m 的w i s m o 。市场上关于 g p r s 的应用主要使用的是西门子的m c 3 5 模块，该模块结合语音、数据传 输、短信服务及f a x 等功能，最大传输速率可以达n 8 5 6 k b p s ，并集成天线、 r f ，b a s e b a n 、闪存等组件，并以4 0 个p i n 脚外接，支持r s 2 3 2 等。根据系统 要求及性能价格比，在本系统中g p r s 模块选用m c 3 5 。 m c 3 5 具有丰富的a t 命令，功能强大，操作灵活方便，是继g p r s 手机 外又一种非常重要的g p r s 移动通信系统的终端设备。它是传统调制解调器 与g p r s 无线移动通信系统相结合的一种数据终端设备，因此，也叫无线调 制解调器。它的出现给g p r s 的发展注入了新的活力。该模块集射频电路和 基带于一体，向用户提供标准的a t 命令接口，为传输数据、语音、短消息 和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用丌发及设计。 1 、它的各项指标如下： 双频带：g s m 9 0 0 g s m l8 0 0 b 类g p r s 移动台 设计简小，易于集成 适用于g s m2 2 + 输出功率：功率级4 ( 2 w ) 在e g s m 9 0 0 功率级1 ( 1 w ) 在g s m l8 0 0 a t 命令控制 波特率：可选波特率3 0 0 k b p s 1 1 5 k b p s ，自动波特率4 8 k b p s 一1 1 5 k b p s s i m 应用工具箱 第三章g p r s 通信技术 工作电压范围：3 3 5 5 v 功耗：空闲模式( e g s m 9 0 0 1 8 0 0 ) ：3 0 0 m a ( 均值) 2 0 a ( 峰值) 睡眠模式：3 m a 掉电模式：1