（计算机应用技术专业论文）基于gprs的环境远程监测系统.pdf

中文摘要 环境监测具有地理位置分散、环境恶劣、需要无人职守等特点。长期以来，无线 数传电台方式在远程数据采集、监视与控制方面占据着主导地位。随着我国移动通 信网络的完善，基于g s m 短信的无线数据传输开始应用于工业监控领域。g s m 短信 虽然使用方便、运营费用合理，但实时性较差，传输的数据长度有限，还会出现较 大的延迟，不能广泛应用于工业监控领域。g p r s 作为中国移动主推的数据增值服务， 具有速率高、系统稳定等特点，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数 据传输。这一特点使它很适合于远程监控等小流量高频率传输的数据业务。 本文以水污染源的远程监测作为背景，论述了基于g p r s 进行远程数据采集和监 测系统的实现过程，设计了基于g p r s 远程监测系统原型。 首先，本文就现有几种g p r s 的组网方式，分析各自的优缺点，针对实际应用对 象，采用了中心公网固定i p 的组网方式，确定系统的组网方案，论述了g p r s 数据采 集终端，传输系统和监控中心三个系统组成部分以及各部分的功能。其次，以微处 理器c 8 0 5 1 f 0 2 0 为核心，建立了基于g p r s 的数据采集终端的软硬件平台；对g p r s 通信协议和用户白定协议进行了详细的阐述；在原有电路的基础上，添加了模拟电 流采集和频率量采集，完成了对g p r s 数据采集终端的电路设计和程序设计，编写了 具体的应用代码。第三，基于v b n e t 语言，并配合s q ls e r v e 数据库技术和s o c k e t ( 套 接字) 网络编程技术实现了监控中心相关软件程序设计，包括数据传输中心计算机和 基于b s 架构的监测网站系统。利用g p r s 采集终端的i n t e m e t 接入功能，数据传输中 心计算机软件系统实现了与采集终端的通讯；通过基于b s 架构的监测网站系统，实 现了监控中心对环境数据的远程监测，同时着重说明了如何利用图层嵌套技术实现 监测工作站点的用户电子地图的设计，以及采用v m l 技术实现多条实时数据曲线的 绘制。最后，给出了系统的测试方法和测试结果，结果表明系统运行稳定，达到了 预期目标。 关键词：远程监控系统；g p r s ；远程数据采集终端；b s ；v m l e n v i r o n m e n t a lr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p r s g r a d u a t en a m e ：m e n g y u j i n m a j o ri n ：c o m p u t e ra p p l i e dt e c h n o l g y d i r e c t e db y ：x uy u b i n 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 gh a sc h a r a c t e r i s t i co ft h es c a t t e r i n gg e o g r a p h i c a l p o s i t i o n ，t h eb a de n v i m o m e n ta n ds oo n i nt h ep a s t ，t h ec o m m u n i c a t i o n m e t h o do fr e m o t ed a d ac o l l e c t i o nm a i n l yi st h eu s em i c r o w a v ed a t as y s t e m s w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fc h i n am o b i l e s n e t w o r k ，t h e r e m o t ed a t a t r a n s m i s s i o ni s a p p l i e di nt h e i n d u s t r i a lm o n i t o r i n gb yt h eg s ms h o r t m e s s a g e s a l t h o u g ht h eo p e r a t i o no fg s m s h o r tm e s s a g ei s c o n v e n i e n t ，i t i s n tw i d l ya p p l i e di nt h ef i e l do fi n d u s t r yb e c a s eo ft h eb i g g e rt i m ed e l a y ， r e a lt i m ef e e b l e n e s s ，t h ec o m m u n i c a t i o ne x s i td i s t a n c e sl i m i t e da n ds oo n a s t h en e wc o m m u n i c a t i o nb yc h i n am o b i l ea n dc h i n au n i c o me x t e n d e d ， g p r sh a sa d v a n t a g eo fh i g hs p e e d ，t h es t a b l i t yo fs y s t e ma n ds oo n i n s p e c i a l ，a st h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o d ，g p r sc a r lb e u s e di nt h ed a t a t r a n s m i s s i o nf o rd a t aw h i c hi s d i s c o n t i n u o u s ，p a r o x y s m a lo rf r e q u e n t l y , a n daf e wf l u x t h i sc h a r a c t e r i r t i co fg p r ss h o w si ts u i tt ot h ef e wf l u xa n d h i g hf r e q u e n t l yd a t at r a n s m i s s i o ni nr e m o t em o n i t o r i n g b a s e do nw a t e r p o l l u t i o nm o n i t o r i n g ，t h ep a p e r i sd e s c r i b e dt h e i m p l e m e n t a t i o np r o c e d u r eo ft h er e m o t ed a t ac o l l e c t i o na n dt h em o n i t o r i n g s y s t e mb yg p r si nt h i sp a p e r 1 1 1 eo r i g i n a lm o d e li sd e s i g n e d f i r s t l y , m a k et h ed e e p l ys t u d yo fh o wt o e s t a b l i s ht h eg p r sd a t a t r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，a i ma tt h ep r a c t i c a lo b je c t ，t h ep u b l i cn e t w o r kw h i c h h a sf i x e di pi sc h o o s e da st h ec o n n e c t i o nw a y a n dt h ep a p e rd e s c r i b e dt h r e e c o m p o n e n t so ft h es y s t e m ( t h er e m o t ed a t ac o l l e c t i o nb a s e do ng p r s ， t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dt h em o n i t o r i n gc e n t r e ) a n dt h ef u n c t i o no f e a c hp a r t s e c o n d l y , o nt h ec 8 0 5 1f 0 2 0m i c r o p r o c e s s o r , t h eh a r d w a r e s o f t w a r ep l a t f o r m a b o u tt h er e m o t ed a t ac o l l e c t i o nb a s e do ng p r si sb u i l t ；a d d r e s s e dt h e 1 1 1 p r o t o c o lo fg p r sm o d e la n du s e rd e f i n e d ；b a s e do nt h eo l de l e c t r o c i r c u i t ， t h ec o l l e c t i o no fs i m u l a t ec i r c u i ta n dp u l s ei sa d d e d t h ed a t am o n i t o r i n g t e r m i n a la n dt h ec o d ei sf m i s h e d t h i r d l y , a d o p t e dv b n e ta n du s et h es q l s e r v e rc o n n e c t e db yt h es o c k e tt of i n i s h t h ed e v e l o p m e n to fd a t a t r a n s m i s s i o nc e n t e rs o f t w a r e i ti n c l u d e dt h es o f t w a r eo ft h ed a t a t r a n s m i s s i o na n dt h em o n i t o r i n gw e bs y s t e mb a s e do nb s u s e dt h e c o n n e c t i o n sb e t w e e nt h eg p r sa n di n t e m e t ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e s o f t w a r eo ft h ed a t at r a n s m i s s i o na n dt h ed a t ac o l l e c t i o nt e r m i n a li s i n p l e m e n t e d ；b yt h em o n i t o r i n gw e bs y s t e mb a s e do nb sm o d e l ，t h ep a p e r f i n i s h e dt h er e m o t em o n i t o r i n gf o re n v i r o n m e n t a ld a t a a tt h es a m et i m e ，t h e p a p e re x p l a i n sh o wt of i n i s ht h eu s e re l e c t r o n i cm a pd e s i g n e db yt h el a y n e s t i n g ，h o wt od e v e l o pt h er e a l t i m ed a t ac u r v eb y m ，a tl a s t ，t h et e s t w a ya n dt h e r e s u l ta r es h o w e d t h er e s u l to ft e s ts h o w st h eh i g h l ys t a b l e s y s t e ma n da c h i e v e st h ea n t i c i p a t e dt a r g e t k e y w o r d s ：m o n i t o rs y s t e m ；g p r s ；r e m o t em o n i t o r i n gt e r m i n a l ；b s ；v m l i v 承诺书水话吊 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导 下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。 如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关 的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的文献 资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ： 2 0 0 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1研究背景 环境污染是指人类直接或间接地向环境排放超过其自净能力的物质或能量，从 而使环境的质量降低，对人类的生存与发展、生态系统和财产造成不利影响的现象。 具体包括：水污染、大气污染、噪声污染、放射性污染等。水污染是指水体因某种 物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性污染等方面特性的改变，从而 影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象。 在水污染监测领域，由于需要监测的污染源大多地理位置比较偏远，或者污染 监测设备架设的难度很大，这样都很难将网络线缆铺设到我们需要的地点，有的甚 至是不可能实现的。地域上的局限性使得通信问题成为监测系统中的关键。传统的 通讯手段包括电力载波、双交线、光纤、专用无线电台等，它们各自都存在着需要 投入庞大的建设、运营费用高且难于维护和扩展的问题。 在这种情况下，基于g p r s 的远程监控系统被引入到环境监测领域中。这一系统 的有效应用，开辟了环境监测监控的新领域。 g p r s 即通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) ，是g s m 运营商在 g s m 网络基础上推出的一种服务，是从g s m 网络向3 g 发展的一种过渡技术，也被称 为2 5 g 。g p r s 网络是在现有g s m 网络中增加g g s n ( 网关g p r s 支持节点) 和s g s n ( 服务g p r s 支持节点) 来实现的，使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数 据。它可以充分利用现有的g s m 网络，具有覆盖面广，实时性好，传输速率高， 运营费用低等优点。 基于g p r s 的远程监控系统是将g p r s 通信技术和远程监控技术结合在一起的系 统。g p r s 技术依托中国移动和中国联通通信在全国的普及性，很好的解决了监测系 统在地域上的限制；远程监控系统通过i n t e m e t ，利用网络通信技术、s o c k e t 技术、 数据采集技术及面向对象等软件技术实现了整个系统的系统管理、用户管理、设备 监控、数据显示等模块，以信息的实时获取和实时控制为中心，实现信息、资源及 任务的综合共享和全局一体化的管理n 1 。 将g p r s 数据业务连接i n t e m e t 用作监测终端的通信线路，具有连接速度快、永远 在线、实时性强等特点。 1 2 国内外动态 1 2 1 远程无线监测的国内外动态 基于g p r s 的环境远程监测系统 远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究。1 9 9 7 年1 月， 首届基于i n t e r n e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主 办，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了有关远程监 控系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技 术发展作了展望。由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于i n t e r n e t 的下一代远 程监控诊断示范系统，这项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的s u n 、 h p 、b o e i n g 、i n t e l 、f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通力配合。之后，由这些公 司共同推出了一个实验性的系统t e s t b e d 。t e s t b e d 用嵌入式w e b 组网、用实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 初步形成在i n t e r n e t 范围内的信息监控和诊断推理。 另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e n s y s t e ma l l i a n c e ) 、s m f p t ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o n t e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t i o na n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 等， 也纷纷通过网络进行设备监控与故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息 交换格式和标准。许多大公司也在他们的产品中加入了i n t e r n e t 的功能，如b e n t l y 公司的计算机在线设备运行监测系统d a t am a n a g e r2 0 0 0 可以通过网络动态数据交 换( n e td d e ) 的方式向远程终端发送设备运行状态信息；著名的n a t i o n a l i n s t r u m e n t s 公司也在它的产品l a b w i n d o w s c v 工以及l a b v l e w 中加入了网络通讯处 理模块，因而可以通过w w w 、f t p 、e - m a i l 方式在网络范围内进行监控数据的传送。 法国“a l a r m 研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个 项目中进行了应用。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。目前，西安交大、华中科技大学、 哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校已取得了较为先进的研究成果，如西安交通 大学研制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统r m m d 、华中科技 大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统k b g m d ”、哈尔滨工业大学的“微计算机化 机组状态监视与故障诊断专家系统m m m d e s 等n 1 。 1 。2 2g p r s 技术应用的国内外动态 基于g p r s 的远程监控系统是集现代无线通信技术、信号采集技术以及计算机网 络技术为一体的现代监控系统，已经成为现代监控领域发展的新趋势，随着g p r s 技 术在移动通信领域中的发展，目前此技术可以实际应用到许多需要无线数据传输的 领域，如运输业：车辆及智能调度；金融、证券和商业：无线p o s 、无线a t m 、自动售 2 第一章绪论 货机、流动银行；遥测、遥感、遥控：如气象、水文系统收集数据，对灾害进行遥测 和告警等；目前国外在g p r s 的远程监控领域应用范例较多，国内也取得了不少成果。 在国外，对无线网络及嵌入式系统的研究己达到很高的水平，例如美国航空公 司( a m e r i c a na i r l i n e s ) 于1 9 9 5 年在达拉斯采用一套名为a i r d a t a 的无线办理登机手 续系统，该系统由s a b r e 公司开发，采用a t & t 的c d p d 无线移动数据通讯网络。通过此 系统，航空公司不必有固定的c h e c k i n 柜台，旅客也不必在柜台前大排长龙，通过 c d p d ( 蜂窝数字分组数据网) 网络，航空公司地勤人员可以在机场内的任何地方为旅 客办理登机手续，资料来回处理时间仅需2 至6 秒，如此航空公司可以为旅客提供更 高品质的服务，节省固定柜台的昂贵租金，同时旅客的满意度也大幅提高，公司的 形象也有所提升隅1 国内现在无线网络设计也初有成果，例如中联科技公司开发的g p r s 警务通，采 用s g 2 0 0 系歹j j g p r s 专用移动终端，实时将事故处理信息传回管理中心，并对事故违章 情况和缴费处理情况进行记录，打印出交通管理处罚通知书；同时在事故现场实现 对各种银行卡实时刷卡，并通过g p r s 与银行实现联网实时划拨，这样就不需要违章 人员再次去银行交费，同时对违章情况有了记录，从而大大提高违章处理的速度和 效率。同时，利用g p r s 车辆管理信息系统，路面执勤民警还可以实时从公安信息中 心获得机动车、驾驶员等交通管理的详细信息，使其能在现场快速辨别假机动车牌 证、走私机动车、非法拼装机动车、未按期年审等违法违章现象，从而更有效的遏 制这类现象的发生，规范交通行驶秩序n 们 1 3 课题的主要研究内容和主要工作 本文论述了基于g p r s 进行环境远程监测的实现过程，系统的开发是以水污染环境 监测为对象并兼顾通用性，可以应用于远程监测的各个领域如市政、电力、水文、 水利等。本人完成的主要工作包括系统整体方案的设计、基于g p r s 数据采集终端的 开发与设计，并完成了简单的监控中心平台的软件开发工作。具体工作如下： 研究目前g p r s 接入i n t e r n e t 的四种方案，并进行详细的分析，确定了g p r s 组 网方案。 提出了系统的总体设计方案。 基于单片机、嵌入式开发、s o c k e t 网络编程和数据库等相关理论知识和工具， 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，完成了监控中心软件的开发与设计工作。 3 第二章g p r s 简介 第二章g p r s 简介 2 1g p r s 简介 g p r s 且p 通用分组无线服务( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) ，是g s m 运营商在 g s m 网络基础上推出的一种服务，是从g s m 网络向3 g 发展的一种过渡技术，也被 称为2 5 g 。g s m 是利用电路交换技术来传输数据的，g p r s 则是利用分组交换技术 来传输。g p r s 网络是在现有g s m 网络中增2 h g g s n ( 网关g p r s 支持节点) 和s g s n ( 服务g p r s 支持节点) 来实现的，使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数 据。它是利用“包交换”( p a c k e t ，s w i t c h e d ) 的概念所发展出的一套无线传输方式。 所谓的包交换就是将d a t e 封装成许多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去， 形式上有点类似寄包裹，采用包交换的好处是只有在有资料需要传送时才会占用频 宽，而且可以以传输的资料量计价，这对用户来说是比较合理的计费方式，因为象 i n t e r n e t 这类的数据传输大多数的时间频宽是间置的。g p r s 采用分组交换技术，它 可以让多个用户共享某些固定的信道资源。如果把空中接口上的t d m a 帧中的8 个时隙 都用来传送数据，那么数据速率最高可达1 6 4 k b s 。g s m 空中接口的信道资源既可以 被话音占用，也可以被g p r s 数据业务占用。当然在信道充足的条件下，可以把一些 信道定义为g p r s 专用信道。 2 2g p r s 网络总体结构m 1 g p r s 网络是在现有g s m 网络中增加g g s n 和s g s n 来实现的，使得用户能够在端 到端分组方式下发送和接收数据。其系统结构如图2 1 所示。 无 g t p 隧道协议 图2 - 1g p r s 系统结构 图中，笔记本电脑通过串行或无线方式连接到g p r s 蜂窝电话上；g p r s 蜂窝电话 5 基于g p r s 的环境远程监测系统 与g s m 基站通信，但与电路交换式数据呼叫不同，g p r s 分组是从基站发送到g p r s 服 务支持节点( s g s n ) ，而不是通过移动交换中心( m s c ) 连接到语音网络上。s g s n 与g p r s 网关支持节点( g g s n ) 进行通信；g g s n 对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网 络，如因特网或x 2 5 网络。来自因特网标识有移动台地址的i p 包，由g g s n 接收， 再转发到s g s n ，继而传送到移动台上。 s g s n 是g s m 网络结构中的一个节点，它与m s c 处于网络体系的同一层。s g s n 通 过帧中继与b t s 相连，是g s m 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。 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 主要是起网关作用，也有将g g s n 称为g p r s 路由器。g g s n 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 f l p 或x 2 5 网络。s g s n 和g g s n 利用 g p r s 隧道协议( g t p ) 对口或x 2 5 分组进行封装，实现二者之间的数据传输。 2 3g p r s 的主要特点 ( 1 ) g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络 资源和无线资源的利用。 ( 2 ) 定义了新的g p r s 无线信道，且分配方式十分灵活：每个t d m a 帧可分配1 到 8 个无线接口时隙。时隙能为活动用户所共享，且向上链路和向下链路的分配是独立 的。 ( 3 ) 支持中、高速率数据传输，可提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t s 的数据传输速率( 每 用户) 。g p r s 采用了与g s m 不同的信道编码方案，定义了c s 一1 、c s 一2 、c s 一3 和c s 一4 四种编码方案。 ( 4 ) g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。 ( 5 ) g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5 网互联互通。 支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。g p r s 也 允许短消息业务( s m s ) 经g p r s 无线信道传输。 ( 6 ) g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量 数据的传输。它支持四种不同的q o s 级别。g p r s 能在0 5 - - - 1 秒之内恢复数据的重 新传输。g p r s 的计费一般以数据传输量为依据。 6 第二章g p r s 简介 ( 7 ) 在g s mp l m n 中，g p r s 引入两个新的网络节点：一个是g p r s 服务支持节点 ( s g s n ) ，它和m s c 在同一等级水平，并跟踪单个m s 的存储单元，实现安全功能和接 入控制。节点s g s n 通过帧中继连接到基站系统。另一个是g p r s 网关支持节点g g s n ， g g s n 支持与外部分组交换网的互通，并经由基于i p 的g p r s 骨干网和s g s n 连通。 ( 8 ) g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样。身份认证和加密功能由s g s n 来执行。其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与目前g s m 中的一样，不过g p r s 使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的。g p r s 移动设备( m e ) 可通过s i m 访 问g p r s 业务，不管这个s i m 是否具备g p r s 功能。 ( 9 ) 蜂窝选择可由一个m s 自动进行，或者基站系统指示m s 选择某一特定的蜂窝。 m s 在重选择另一个蜂窝或蜂窝组( 即一个路由区) 时会通知网络。 ( 1 0 ) 为了访问g p r s 业务，m s 会首先执行g p r s 接入过程，以将它的存在告知网 络。在m s 和s g s n 之间建立一个逻辑链路，使得m s 可进行如下操作：接收基于g p r s 的的s m s 服务、经由s g s n 的寻呼、g p r s 数据到来通知。 ( 1 1 ) 为了收发g p r s 数据，m s 会激活它所想用的分组数据地址。这个操作使m s 可被相应的g g g s n 所识别，从而能开始与外部数据网络的互通。 ( 1 2 ) 用户数据在m s 和外部数据网络之间透明地传输，它使用的方法是封装和 隧道技术：数据包用特定的g p r s 协议信息打包并在m s 和g g s n 之间传输。这种透明 的传输方法缩减了g p r sp l m n 对外部数据协议解释的需求，而且易于在将来引入新 的互通协议。用户数据能够压缩，并有重传协议保护，因此数据传输高效且可靠。 ( 1 3 ) g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( o o s ) 的计费功能， 计费方式更加合理，用户使用更加方便。 ( 1 4 ) g p r s 的核心网络层采用i p 技术，底层款可使用多种传输技术，很方便地 实现与高速发展的i p 网无缝连接。 2 4g p r s s o 技术优势 1 资源利用率高 g p r s 引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的g s m 传输数据 方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。按电路交换 模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。而对 于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户 可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。g p r s 用户的计费以通信 7 基于g p r s 的环境远程监测系统 的数据量为主要依据，体现了”得到多少、支付多少”的原则。实际上，g p r s 用户的 连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。 2 传输速率高 g p r s 可提供高达1 1 5 k b i t s 的传输速率( 最高值为1 7 1 2 k b i t s ，不包括f e c ) 。 这意味着通过便携式电脑，g p r s 用户能和i s d n 用户一样快速地上网浏览，同时也使 一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。 3 接入时间短 分组交换接入时间缩短为少于1 秒，能提供快速即时的连接，可大幅度提高一 些事务( 如信用卡核对、远程监控等) 的效率，并可使已有的i n t e r n e t 应用( 如e - m a i l 、 网页浏览等) 操作更加便捷、流畅。 4 支持工p 协议和x 2 5 协议 g p r s 支持因特网上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协议。而且由于g s m 网络覆盖 面广，使得g p r s 能提供i n t e r n e t 和其它分组网络的全球性无线接入。 8 第三章系统总体结构设计 第三章系统总体结构设计 本系统主要功能为g p r s 数据采集终端将采集到的环境实时运行数据进行t c p i p 协议下的数据封装，包括i p 地址，s o c k e t 端口号等数据；然后将封装好的数据包通 过串口发送到c p r s 模块进行g p r s 协议数据处理并发送。通过g p r s 网络运营商( 如中 国移动、中国联通) 的g p r s 网关进入i n t e r n e t 互联网。站点服务器通过在线实时监 听对应的s o c k e t 端口号，并获取由数据终端传来的数据，并把数据记录在服务器中 的数据库中。系统方案设计主要包括： 1g p r s 组网方式的选择以及系统的总体构成。 2 g p h s 远程数据终端的设计。 3远程监控中心的平台设计，包括通讯软件的开发，监测系统网站设计等。 31g p r s 的组网方式 o p r s 的应用非常广泛，几乎所有行业都能用到g p r s 的无线数据传输。但每种 行业的实际需求和复杂的应用环境都大不相同，所以每种行业都会有自己独特的功 能要求和组网方式。目前有以下几种可行的g p r s 组网方案( 如图所示) 匝园虱 图3 ig p r s 组网方式 ) 方案一：中心采用a d s l 等i n t e r n e t 公网连接，采用公网固定i p 或者公网 动态i p + d n s 解析服务。此种方案向先i n t e r n e t 运营商申请a d s l 等宽带业 务。 基于g p r s 的环境远程监测系统 1 、中心公网固定p ：监控点直接向中心发起连接。运行可靠稳定，费用经 济。 2 、中心公网动态i p + d n s 解析服务：客户先与d n s 服务商联系开通动态域 名，监控点先采用域名寻址方式连接d n s 服务器，再由d n s 服务器找到中 心公网动态p ，建立连接。此种方式可以大大节约公网固定i p 的费用，但稳 定性受制于d n s 服务器的稳定，所以要寻找可靠的d n s 服务商。此种方案 适合小规模应用。 2 ) 方案二：中心采用主副g p r s d t u ，采用移动内网动态p + 移动d n s 解析服 务。 此种方案客户先与移动d n s 服务商联系开通移动动态域名，监控点先采用 域名寻址方式连接移动d n s 服务器，再由移动d n s 服务器找到中心移动动态p ， 建立连接。中心也用g p r s d t u 做接收端，但g p r s 无线方式的中心不如有线方 式的稳定，所以采用主副两个g p r s d t u 作冗余备份。主中心g p r s d t u 接收 端掉线时，所有监控点自动转到副中心g p r s d t u 接收端。此种方式也可以大大 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。此种方案适合小规模应用。此种方案时 时性和稳定性较差。 3 ) 方案三：中心采用主副g p r s 。d t u ，采用移动a p n 专网固定i p 。 此种方案客户先与移动申请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，给所有监控点及中心分配移动内部固定p 。此种 方案中心也像方案二一样采用主副两个g p r s d t u 作接收端，冗余备份。但此种 方案较方案二而言，无需d n s 解析，本身具有移动内网固定口，减少中间环节， 稳定性增强；且所有数据都在移动g p r s 的a p n 内网传输，无需经过公网，安 全性增强。此种方案无需负担宽度专线月租费用，性价比合理。 4 ) 方案四：中心采用a p n 专线，所有点都采用内网固定i p 此种方案客户中心通过一条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p 地址进行广域连接，在g g s n 与移动公司互联路 由器之间采用g r e 隧道。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，给所有监控点及中心分配移动内部固定p 。移动终端和服务器平台之间采用 1 0 * 三章系统总体结构设计 端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离， 并在防火墙上进行i p 地址和端口过滤。 此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前三种方案都有大大提高，适合于安 全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况 下是最佳的组网方式。 32 系统的组网方案的设计 综上所述，基于稳定性和运行成本的考虑本系统采用中心网同定i p 的方 式，即g p r s 数据终端通过网关由g p r s 网络进入h t e m e t 网络，通过t c p i p 协议与作为数据中心的具有公网固定i p 的p c 建立连接。 33 系统的整体构成 本系统分为三部分：g p r s 数据采集终端；g p r s 网络、i n t e m e t 网：监控中心。 如下图所示 圈3 之系统构成 各部分功能如下： ( 1 ) 数据采集终端。主要负责各通道的数据采集，转化；依据用户要求进行输出 量控制i 并负责与监测软件之间进行数掘通讯传输。 ( 2 )监控中心。该中心具有n t e m e t 接入能力的服务器，它具有固定的i p 地址， 与i n 佬m e t 网络相联接。服务器接收数据终端传送来的数据，解析并存入数 据库：同时对数据管理，提供查询，报表功能。 ( 3 )利用中国移动现有的g p r s g s m 网络，监控点和监控中心系统的所有交换信 息通过中国移动的数据通信网关进行数据传输。 基于g p r s 的环境远程监测系统 在水污染监测处理中，测量信号大多是电压和电流信号，考虑到数据终端的通 用性，本系统原型主要完成模拟电压，模拟电流的采集，开关量的输入输出，频率 量的采集。 监控中心应用软件中，数据传输中心软件负责与g p r s 数据采集终端通讯，依据 用户协议对数据进行解析，并存入数据库。为了保证数据传输的实时性，该部分采 用c s 架构的应用程序编写；为了解决有些工作人员的地理位置不定，能随时通过 i n t e m e t 进行数据查询和工作，网站系统采用b s 架构。 3 4 系统工作原理 采集的现场数据以数据流的形示，通过串口方式接到g p r s 模块上，g p r s 模块 与g p r s 基站通信，g p r s 基站s g s n 再与网关支持点g g s n 进行通讯，g g s n 对 分组数据进行相应的处理，数据流经由i p 模块进行t c p i p 协议转化，打成口数据 包，再有内部模块以g p r s 数据包的形式通过g p r s 网络把数据送到中国移动的内 部网( c m n e t ) 然后由中国移动通过g p r s 服务节点( g s n ) ，把数据发送到i n t e m e t 上，并且去寻找在i n t e m e t 上的一个指定的p 地址的i n t e m e t 中心服务器。由于g p r s 网络工作方式是以i p 地址寻址为基础的，所以公网上的i n t e m e t 数据服务器只需要 简单的接入i n t e r n e t 并具备公网分配的i p 地址即可。监控中心通过数据接收软件将 数据接收解析，并发送到到内部网络的指定数据服务器。网站系统将数据以形象直 观的形式显示给用户，方便用户的分析与查询。 1 2 第四章g p r s 数据终端的设计 第四章基于g p r s 的数据采集终端设计 g p r s 数据采集终端( g p r sd a t at e r m i n a t eu n i t ，g p r sd t u ) 是数据接收和发 送的最终单元，是该系统地主要部分；它有三部分功能组成：中央处理器c p u 单元、 t c p i p 数据处理单元以及g p r s 发射接收单元。c p u 单元是g p r sd t u 的核心，它能协 调并管理t c p i p 数据处理单元和g p r s 发射接收单元的工作。g p r s 发射接收单元则 由提供g p r s 功能的无线调制解调芯片组成。本章详细的描述了g p r s 远程数据采集 终端的硬件系统结构设计和软件结构设计，并详细地说明了g p r s 通讯模块的工作 原理。 4 1g p r s 数据采集终端硬件系统结构 硬件系统结构主要有单片机，g p r s 模块，外围电路等构成，其结构如图4 1 所 示。 图4 - 1 数据采集终端硬件连接图 从功能上，数据采集终端划分为以下两个部分： ( 1 ) 单片机控制单元电路：主要完成各种数据的采集和控制，并将数据传送给 无线通讯模块g 2 0 。本系统采用了新华龙的c 8 0 5 1 f 0 2 0 芯片作为控制单元。 ( 2 ) g p r s 模块：主要完成数据的口打包，并以g p r s 数据包的形式传送给g p r s 网络。该模块由g p r s 核心模块，s i m 卡和天线三部分组成。本系统采用了摩托罗拉 公司的g p r s 模块g 2 0 作为核心模块。该模块支持g s m 8 5 0 1 9 0 0 眦， e g s m 9 0 0 1 8 0 0 m h z 工作频率，最大接收速率可达到8 5 6 k b i g s ，同时，该模块在g s m 协议的基 础上，嵌入t c p f l p 协议，应用中无须自行编制。s i m 卡为开通了g p r s 业务的s i m 卡， 该卡的唯一号码作为该数据采集终端的唯一i d 号。 4 1 1g p r s 模块简介 g p r s 模块是g p r s 数据采集终端的核心部分，本系统采用了摩托罗拉公司的 1 3 基于g p r s 的环境远程监测系统 g p r s 模块g 2 0 ，它与外部电路接口通过一个7 0 脚的通用连接器提供。它在g s m 协议 的基础上，嵌入了t c p i p 协议，支持c s l c s 4 数据编码。由于嵌入了可选t c p i p 协 议栈，直接通过a t 指令就能接入i n t e r n e t ，省去了常用的t c p i p 处理模块