（检测技术与自动化装置专业论文）基于gprs的电梯远程监控系统设计与研究.pdf

摘要 随着社会的发展，电梯作为现代高层建筑最常用的垂直运输工具，已经广 泛而大批量应用到城市建筑的各个角落，而如何保证每台电梯都能够可靠运行， 及时发现故障和排除故障，已成为提高物业管理水平和电梯技术进步的关键所 在。电梯运行质量直接由监控系统的功能决定，而监控系统的功能的又随着计 算机控制技术和网络通信技术的发展而不断提高。目前的电梯远程监控系统均 由电梯生产厂家设计和提供，未来的发展趋势是开发出功能更加完善、通用性 更强、性价比更高的远程监控系统。 随着远程数据传输技术的不断发展，基于6 p r s 网络的无线通信技术逐渐 被广泛应用。本文结合了移动通讯技术、i n t e r n e t 技术、嵌入式技术，实现了 基于移动6 p r s 的多点无线远程监控，设计了一种全方位、廉价、可靠的解决方 案。 本文首先论述了6 p r s 网络结构和工作原理，结合i n t e r n e t 网络技术，分 析了五种不同的组网方案，并依据实际情况，设计了基于6 p r s 技术的电梯远程 监控系统的总体结构。 ， 其次，认真研究了终端的功能需求，并给出了合理的规划设计。详细分析 了应用单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，选用m e 9 96 p r sd t u 通信模块为核心的硬件设计，实 现了硬件系统中的各个功能模块。重点研究了g p r s 模块的功能，用a t 指令实 现i p 模块和g p r s 模块相关设置，实现短消息的收发，完成g p r s 模块拨号上网、 建立连接、发送数据等功能。并且，通过对g p r s 网络传输协议的分析，基于监 控终端为平台，设计了数据采集终端应用程序，分析了终端工作的具体过程， 实现了电梯运行状态数据的采集和终端与监控中心的通讯。 最后，采用v i s u a lc + + 面向对象的编程思想，完成了电梯远程监控系统的 上位机软件设计，具体包括登录权限模块、实时监控模块、电梯数据的维护和 故障的记录查询。实现了电梯运行状态和故障的动态显示，电梯用户信息、故 障处理的数据库管理。然后对电梯远程监控系统的发展进行了展望。 关键词：电梯，远程监控，g p r s ，远程终端，监控中心 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , a st h em o s ti nc o m m o nu s ep e r p e n d i c u l a r c o n v e y a n c et o o lo ft h em o d e mt h ek e yf i g u r e sc o n s t r u c t ，t h ee l e v a t o ra l r e a d yh a s b e e na p p l i e dt ot h ee a c hc o r n e ro ft h es o c i a la c t i v i t ye x t e n s i v e l y b u tt h ea m o u n t o fl a r g e q u a n t i t ya p p l 5 h o wg u a r a n t e et h a te a c hs e te l e v a t o r sc a nr u n d e p e n d e n t l y ，h a v eb e c o m et h ek e yt h a t r a i s ee s t a t e m a n a g e m e n tl e v e la n do u r c o u n t r y sp r o g r e s s i v eo ft h ee l e v a t o rt e c h n o l o g y t h ef u n c t i o no ft h em o n i t o r i n g s y s t e ml i e so nd i r e c t l yt h em o v e m e n t b u ta st h ec o m p u t e rc o n t r o lt e c h n i q u ea n d n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n st e c h n i q u ea r ed e v e l o p i n g t h ef u n c t i o no ft h em o n i t o r i n g s y s t e mi sr i s i n gc o n t i n u o u s l y t h ec u r r e n te l e v a t o rl o n gr a n g es u p e r v i s i o ns y s t e ma r e a l ld e s i g n e da n dp r o v i d e db yt h ee l e v a t o rp r o d u c e df a c t o r y , t h ef u t u r ed e v e l o p m e n t t r e n di st od e v e l o pas u p e r v i s i o ns y s t e mw h i c ht h ef u n c t i o ni sm o r ep e r f e c t ，g e n e r a l u s ei ss t r o n g e r , f u n c t i o np r i c ec o m p a r e si sh i g h e r 。 w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h el o n g r a n g et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yo ft h ed a t a ， w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni sa d o p t e de x t e n s i v e l ya n dg r a d u a l l y , a m o n gt h e mt h ed a t a b u s i n e s so fg r o u p i n gb a s e do ng p r sn e t w o r kh a sg o tt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n i n t h i st h e s i s ，w ei n t e g r a t ea d v a n c e d t e c h n o l o g i e ss u c h a sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ， i n t e r n e t ，e m b e d d e dt e c h n o l o g i e st o r e a l i z em u l t i - p o i n tc o n t r o lb a s e do nm o b i l e p l a t f o r m p r o v i d eac h e a p ，r e l i a b l es o l u t i o n t h i st e x td i s c u s s e ss t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l eo ft h eg p r sn e t w o r kf i r s t ， a n di n t e g r a t e si n t e r n e t t e c h n o l o g y , p u t t i n gf o r w a r df i v e k i n d so fd i f f e r e n tn e t f r a m e w o r k p u t t i n gf o r w a r dt o t a ls t r u c t u r eo fe l e v a t o rr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do ng p r sa c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc i r c u m s t a n c e s e c o n d l y , t h i st h e s i ss t u d i e st h ef u n c t i o nr e q u e s to ft h et e r m i n a lh a r d l y , a n d g i v e sr e a s o n a b l ep r o g r a m m i n gd e s i g n a n a l y z i n gt h a ts i n g l es c mc 8 0 5 1f 0 2 0i s a p p l i e d ，a n dt h eh a r d w a r ew h i c hc h o o s e st ou s et h ec o r r e s p o n d e n c em o l dp i e c eo ft h e m e 9 9g p r sd t ua sc o r ed e s i g n e d ，c a r r y i n go u te a c hf u n c t i o nm o l dp i e c ei n h a r d w a r es y s t e m t h ep o i n ti st h a ts t u d y i n gt h ef u n c t i o no fg p r sm o l dp i e c e ， c a r r y i n go u ti pm o l dp i e c ea n dt h er e l a t e dc o n s t i t u t i o no ft h eg p r sm o l dp i e c ew i t h i i t h ea t i n s t r u c t i o n c a r r y i n go u ts h o r tn e w st or e c e i v ea n ds e n d ，c o m p l e t j n gf u n c t i o n t h a tag p r sm o d u l et os t i rn u m b e rt og e tt ot h ei n t e r n e t ，b u i l du pc o n i u n c t i o n ，s e n d o u tad a t ae t c a n dt h r o u g ht h ea n a l y s i st h e t r a n s p o r tp r o t o c o l so fg p r sn e t w o r k a c c o r d l n gt om o n i t o r i n gt e r m i n a l ，d e s i g nt h ed a t ac o l l e c t i o n t e n n i n a la p p l i c a t i o n ， a n a l y z i n gc o n c r e t ew o r kp r o c e s so ft h et e r m i n a l ，c a r r y i n go u tt h ea p p e a r a n c ed a t a c 0 l l e c t i o no ft h ee l e v a t o rm o v e m e n ta n dt h e c o m m u n i c a t i o no ft h et e r m i n a la n d s u p e r v i s i o nc e n t e r a t l a s t ，t h et e x tb a s e dv i s u a l c + + l a n g u a g ea n dt h eo b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n gt h o u g h t ，t h es o f t w a r e d e s i g no f i n t e r n e tb a s e dr e m o t e e l e v a t o r m o n i t o r i n gs y s t e m i s c o m p l e t e d s y s t e mi n c l u d e sp e 瑚i s s j o nm o d u l e ，r e a l - t i m e m o n i t o r i n gm o d u l e ，d a t am a i n t e n a n c eo ft h ee l e v a t o ra n dt h eo b j e c to ff a u i tr e c o r d t h ef a i l u r ea n dt h e r u n n i n gs t a t eo fe l e v a t o r ss h o w e da u t o m a t i c a l lv t h eu s e r 1 n f o r m a t l o n ，t h er u n n i n gs t a t eo fe l e v a t o r s ，s o l u t i o no ff a i l u r e a n dm a i n t e n a n c e i n t o 瑚a t l o na r em a n a g e db yd a t a b a s e t h el a s to f a r t i c l eh a sp r o s p e c t e dd e v e l o p m e n t o ft h er e m o t e e l e v a t o r k e yw o r d s ：e l e v a t o r , r e m o t em o n i t o r i n g ， g p r s ， m o n i t o r i n gc e n t e r r e m o t e t e l t l l i n a 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。 研究生签名：送p 盈拎 e t 期： 关于论文使用授权的说明 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、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：教丑丑 导师签名： 研究生签名：型妇越 导师签名：日期：2 业墨：! ? 武汉理l ：人硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着现代化城市的发展，城市中以高层建筑为主的住宅小区大量出现，电 梯已成为必不可少的垂直交通工具。因此电梯的安全运行、故障报警和及时维 修已成为现代社会发展的一个很重要的课题。 为了更好的适应形势的发展，许多电梯生产企业和相关单位都在积极研制 和退出自己的电梯远程监控系统。电梯远程监控系统是指某个区域的大楼中安 装多部电梯后，对这些电梯进行远程监控，数据管理、维护、分析、故障报警 以及救援。有了远程电梯集中监控系统，能够同时监控多处多台电梯的实时运 行状态，通过对电梯控制柜输出信号的实时采集来实现对电梯的方向、所在楼 层、门接点、安全回路和开关门等运行状态的监控，及时发现并排除故障，保 障电梯的正常运行。 目前，国内电梯在安装上具有面广点散的分布特性，其使用环境比较复杂， 电梯型号多种多样，操作运行各异，加之国内维护技术人员比较缺乏，对电梯 的监控系统提出了更高的要求，且以往的集中电梯监控系统多采用固定传输和 现场数据采集，只负责监控自己安装维护的电梯，使用方式单一，缺乏电梯的 管理功能，系统的通用性和兼容性都比较差。此外，使用光纤、m o d e m 拨号等有 线传输涉及到布线施工、建设成本、安全和可靠性等一系列问题。为了更好的 解决这些问题，迫切需要研制和丌发一套运行高效，成本低廉，通用性较强的 新的电梯远程监控系统。 g p r s g s m 数据系统的推出使这一难题迎刃而解，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 ) 为g s m 用户提供分组形式的数据业务而在 现有系统上发展起来的新的承载业务，它允许用户在端到端分组转移模式下发 送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源。利用g p r s 网络的无线数 据通信方式接入i n t e r n e t 或电梯使用单位的局域网的做法代替传统的做法，特 武汉理i ：大学硕十学位论文 别适用于电梯远程监控这种间断的突发的和频繁的少量数据传输。这种监控系 统之间利用现有的网络资源，不用专门铺设线路和搭建设备，让电梯上网，通 过g p r s 网络实时采集和传送以及发布电梯运行状态。 同时，电梯远程监控系统是维护电梯提高服务质量的重要工具。通过安装 远程监控系统，可以变被动为主动，使用户的故障停梯时间大大缩减。并且电 梯系统的故障信息记录数据库能够方便地使维护中心建立起一套电梯运行、故 障及维修档案库。可以对某台电梯，某组群控电梯，或某一特定时问段的电梯 故障及维修情况进行统计。 而且对整个系统网络而言，g p r s 网络覆盖和维护都由中国移动承担，覆盖范 围广，可靠性高，不受地理位置的限制，按流量的方式计费，还提供数据包月服务， 在保证数据传输的及时、准确的前提下，将系统运行费用也降低到了最低。 近年来，随着移动通信技术和网络应用越来越广泛，这给电梯远程监控系 统的发展提供了有力的支持和保障，以远程网络监控为核心的电梯维护新体系 在我国悄然兴起。 ” 。 1 2 国内外电梯远程监控系统的现状及发展 当今先进的监视监控技术集控制、监视、管理以及决策支持等功能于一体， 成为综合自动化系统。电梯远程监控系统也随着监控技术及计算机通信和网络 技术的发展发生了巨大的变化，电梯远程监控系统的重要性越来越引起人们的 关注，国外比较大型的电梯公司都捌有成熟的远程监控系统，如日本三菱、美 国的奥的斯等。 蒂森公司的远程监控系统具有控制电梯的功能，能检测和识别滥用或误操 作紧急呼救功能；能较好的掌握电梯的运行状况，并进行分析和处理，转化为 图标来显示各行驶方向和每层楼的呼叫次数、呼叫与处理时间曲线等；自动故 障报警，该系统同时可以监控电梯、自动扶梯和楼内其他设备；但是该系统仅 适用于其本公司生产的电梯和自动扶梯。 奥的斯公司自行开发的电梯监控系统，具有分级报警的功能。监控系统自 动发出电梯服务中断的信号，显示地点、性质、问题及乘客状况资料。电工电 武汉理i ：人学硕十学位论文 梯的运行表现不符合预定的界限是，系统发出报警信号。 日立电梯远程监控系统以计算机系统2 4 小时监控用户电梯的运行状况， 为每一台电梯建立运行状态数据档案，定期进行检查保养，有效防止电梯故障 的发生，大大延长电梯的使用寿命。当电梯发生故障时，信号自动接通监控中 心，监控装置显示电梯的故障资料并立即向电梯故障发生地的维修人员发出指 令，确保第一时间赶到现场。 远程监控技术是伴随着计算机控制技术和网络技术的发展而发展起来的， 随着国内电梯领域这几年的发展出现了很多比较先进的监控系统，如最近的西 子电梯集团与浙大合作的基于嵌入式 n t e r n e t 的电梯远程监控网络系统，还有 上海新时达电气有限公司开发的c a n b u s 的电梯监控系统。 但是目前国内大多数电梯用户所采用的重要还是以下三类电梯监控系统： ( 1 ) 国外大电梯公司如三菱电梯公司、日立电梯公司、蒂森电梯公司所提供的 与自己的系统相配套的远程监控系统。由于中国特殊的国情，在中国应用还存 在局限性。如采用不同的通讯方式，不同的硬件接口，只能监控本公司的电梯， 对其他公司电梯不能兼容，对电话网络的质量要求高等，难以应用。另外监控 系统的价格也比较昂贵，一般用户难以承受。( 2 ) 采用p l c 构成的网络通讯监 控，尽管p l c 可以很方便的构成系统，并且系统一般具有标准的通讯接口，易 与建筑的其他智能设备一起构成网络，但是必须采用p l c 通讯单元，从而使成 本增加。( 3 ) 用单片机构成一个独立的采样通讯单元，形成一个二级远程监控 系统，它具有成本低，设计灵活的特点。 本系统采用第三种监控系统，但传统远程监控系统的实现方式由以下几种： 铺设光纤或电缆，租用运营商专用线路等，前者有线的方式受布线的局限较大， 增加或减少一个被监控对象都不太容易；后两种无线方式维护和建设费用比较 高。并且监控者和被监控对象都是固定的，无论任何一端都无法随意移动，针 对偏远地域监控很难实现。 因此，随着世界各国2 5 g 和3 g 网络陆续建成并投入使用，基于无线数据 应用的各项服务逐渐展露出其独特的魅力。但国内的一些科研单位和公司也尝 试开发了电梯无线远程监控系统，一般基于专用网络和总线，系统功能一般局 限于电梯内、外呼叫和门信号的实时监控和自动报警等基本功能，而基于网络 3 武汉理1 ：人学硕卜学位论文 通讯技术、数据库技术和多媒体技术对电梯控制信号、视频音频信号、报警信 号进行管理和分析的监控系统还在逐步探索中。 1 3 本文研究的内容 所谓智能化电梯安全远程监控系统，集地理信息、计算机控制和远程通讯 技术与一体，通过设定的电梯数据采集器和信息网络系统，将分布在各处的电 梯运行状况和故障信息及时传递到监控中心的监视终端，监控中心采用各种巡 检方式不断检查电梯的运行状态，处理并显示各个电梯发生来的数据和报警信 号，从而实现对各处电梯进行远程监视和控制。本文借助网络资源、计算机平 台和通信技术，通过面向对象语言编程，开发了一套功能丰富的智能电梯远程 监控系统。主要内容如下： 第1 章分析了本课题的研究背景和意义，并依次总结了基于g p r s 网络的无 线远程监控系统的必要性。 第2 章详细论述了g p r s 的概念、特点，g p r s 网络的工作原理，系统组成结 构及相关的接口规程，g p r s ，的组网方式和g p r s 网络性能的分析认识，为本文后 面的研究作基础。 第3 章结合i n t e r n e t 网络技术，并依据实际情况，提出了基于g p r s 技术 的电梯远程监控系统的总体结构。 第4 章认真分析研究了监控系统远程终端主要功能和特点，并对终端的各 个硬件功能模块进行了合理的分析设计。此外在硬件设计的基础上还对远程终 端数据传输的软件系统进行了详细的分析设计。 第5 章根据电梯远程监控的功能要求，采用v i s u a lc + + 语言的面向对象的 编程思想，完成了电梯远程监控系统界面的设计，实现了电梯运行状态的动态 显示和系统主界面的设计。 第6 章总结了全文的工作，提出系统的进一步改进，展望了无线通信技术。 4 武汉理。l ：大学硕十学位论文 第2 章g p r s 通信技术 2 1g p r s 的一些预备知识 2 1 1g s m 系统简介 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b il ec o m m u n i c a ti o n ) 是一种无线数字蜂窝通 信系统网络规范。它定义了建设该网络及提供服务的各种标准，这些标准有欧 洲电信标准化协会( e t s i ) 掌管。我国g s m 移动通信网具有提供语音业务、传真、 短信等通信业务的能力，其中短信功能因覆盖范围广、投入成本低、可靠性较 好等优点，适合于设计一些无线应用系统和产品，能满足实时性要求不高的小 数据业务的需要。 g s m 系统主要由三个相互独立的子系统构成：移动台( m s ) 、基站子系统( b b s ) 和网络子系统( n s s ) 。如图2 1 所示。 。 图2 1g s m 通信系统的组成 1 ) g m s 移动台( m s ) 移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动台物理设备( 即手 机裸机) 和客户识别卡( s i m ) 。 移动终端就是“机 ，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的 调制和解调、信息发射和接收。 白眶 武汉理l ：人誓硕十学位论文 s i m 卡就是“身份卡”，它类似于我们现在所用的i c 卡，因此也称作智能卡， 存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息， 以防止非法客户进入网路。s i m 卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插 入s i m 后移动终端j 能接入进网，但s i m 卡本身不是代金卡。 2 ) 基站子系统( b s s ) b s s 系统是在一定的无线覆盖区中由m s c ( 移动业务控制中心) 控制，与m s 进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。 功能实体可分为基站控制器( b s c ) 和基站收发信台( b t s ) 。 b s c ：具有对一个或多个b t s 进行控制的功能，它主要负责无线网路资源的 管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。 b t s ：无线接口设备，它完全由b s c 控制，主要负责无线传输，完成无线与 有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。 3 ) 网络子系统 交换网络子系统( n s s ) 主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全 性管理所需的数据库功能。n s s 由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如 下： ( 1 ) 移动业务控制中心( m s c ) ：是g s m 系统的核心，是对位于它所覆盖 区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其 它公用通信网之间的接口。它可完成网络接口、公共信道信令系统和计费等功 能，还可完成b s s 、m s c 之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。 另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个m s 还应能完成入口m s c ( g m s c ) 的 功能，即查询位置信息的功能。 ( 2 ) 访问用户位置寄存器( v l r ) ：是一个数据库，是存储m s c 为了处理 所管辖区域中m s ( 统称拜访客户) 的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如客 户的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的服务等参数。 ( 3 ) 归属用户位置寄存器( h l r ) ：是g g m 系统的中央数据库，是存储管 理部门用于移动客户管理的数据。每个移动客户都应在h l r 注册登记，它主要 存储两类信息：一是有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以 便建立至移动台的呼叫路由，例如m s c 、v l r 地址等。 一6 一 武汉理i ：大学硕 学位论文 ( 4 ) 鉴权中心( a u c ) ：用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所 需鉴权、加密的三参数( 随机号码r a n d ，符合响应s r e s ，密钥k c ) 的功能实体。 ( 5 ) 运营与维护中心( e i r ) ：存储着移动设备的国际移动设备识别码在 ( i m e i ) 。主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动 台的使用。 2 1 2t o p ip 参考模型 g p r s 网络是一个基于i p 协议的数据包网络，与i n t e r n e t 可以建立良好的连 接。所以可以将两个节点抽象为g p r s 网络，将g p r s 内部协议简化抽象为g p r s 网关协议，得到以下层次模型，如图2 - 2 所示。下面分别讨论这4 层的功能。 传输层 网络层 链路层 物理层 ：i n te r n e t 远程监控 g p r s 无线模块 中心 t c p u d p一一! 一斗 t c p 佃p i p一一一：- ， i p p p p p p p i p s g p r s g 关网关协议b e t h e r n e t g p r s 图2 - 2 系统分层结构协议栈转换图 1 ) 物理层： 物理层规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功 能特性以及过程特性。该层为上层协议提供了一个传输数据的物理媒体。 在这一层，数据的单位称为比特( b i t ) 。属于物理层定义的典型规范代表 包括：e i a t i ar s - 2 3 2 、e i a t i ar s - 4 4 9 、v 3 5 、r j 一4 5 等。 7 武汉刊l ：人学硕十学位论文 2 ) 链路层：有时也称为网络接i 层，负责接收从网络层传来的i p 数据报， 并将数据报转换成符合低层物理网络的帧格式后发送出去，或者从物理网络上 接收数据帧，取出i p 数据报，传送给上网络层。它的功能相j 刍于o s i 模型中的 物理层和数据链路层。硬件设备的驱动程序就属于这一层，如局域网的网络接 口。网络接口层有以太网、f d d i ，x 2 5 ，a t m 。 3 ) 网络层：主要功能是负责相邻节点之问的数据传送。将数据进行分组，并 选择到达目的节点的合适的路由。【p 协议就是该层中传送数据的机制。同时建 立网络间的互连，提供a r p ( 地址解析协议) 地址解析，实现从i p 地址到数据 链路物理地址的映象，并选择到达目的节点的合适的路由。 4 ) 运输层：主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在t c p i p 协 议族中，有两个互不相同的传输协议：t c p 协议和u d p 协议。 在g p r s 远程监控系统中，在物理层，数据终端通过a t 指令( 带有串行口计 算机操作m o d e m 的指令集) 对无线模块拨号，登录g p r s 网络。登录成功后，一条 连接无线模块和i n t e r n e t 的物理连接建立起来。在数据链路层，通过p p p 协议 ( p o i n t t o p o i n tp r o t o c o l ，点到点协议) 将原始的g p r s 物理层改造成无差错的 数据链路层，系统可以远程登录i n t e r n e t ，并得到g p r s 网关分配的i p 地址。在 网络层，i p 协议将接入i n t e r n e t 的具有不同i p 地址的所有终端全部连接起来， 并由i p 路由选择实现监控终端和i n t e r n e t 中的远程监控中心进行数据交互。 在传输层，可以通过t c p 或u d p 来实现数据传输。t c p 协议可靠性较强，但数据包 包头比较复杂，速度较慢：d u p 速度较快，但可靠性不佳。因此可以根据实际需要 进行选择。 2 2g p r s 网络技术介绍 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。作 为第二代移动通信技术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术，它是由英国 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，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i p 或 者x 2 5 连接，特别适用于问断性的、突发性的和频繁的、少量的数据传输。它 武汉理l ：大学硕十学位论文 以分组交换技术为基础，用户通过g p r s 可以在移动状态写使用各种数据业务， 如收发e - m a i l 、进行i n t e r n e t 浏览、城市供水监控、公交车辆调度等。 g p r s 以g s m 为基础，和g s m 共用相同的基站和频谱资源，采用与g s m 相同 的突发结构，无线调制标准、跳频规则以及相同的t d m a 帧结构。它的目标是提 供高达l o o k b i t s z 以上速率的分组数据业务。不少人认为，g p r s 网络建成后 g s m 网络将会被淘汰。这是错误的理解。其实，g p r s 只是一项移动通信技术， 将它应用于今天的g s m 网络，只是对g s m 网络的一个升级而已。也就是说，g p r s 是对目前g s m 网络的补充，他不会取代目前g s m 网络支持的c s d ( 电路交换数据) 和s m s ( 短消息) 等数据业务。但它突破了g s m 网只能提供电路交换的思维方式， 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， 这种改造的投入相对来说并不大，将得到的用户数据速率却相当可观。 2 2 1g p r s 的主要特点 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能力，利用 。 g p r s 进行数据传输具有：“永远在线”、“流量计费”、“快捷登录”、“高速传输” 等优点。 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 ) 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 一1 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。 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 武汉理i ：人学硕十学位论文 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。 2 2 2g p r s 系统结构 g p r s 是基于现有的g s m 网络实现的，需要在现有的g s m 网络中增加一些节 点：网关g p r s 支持节点g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 、服务g p r s 支持节点s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 。g g s n 在g p r s 网络和公用数 据网之间起网关的作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如i s d n 和l a n 等。 s g s n 记录移动设备的当前位置信息，并在移动设备和各种数据网络之间完成移 动分组数据的发送和接收，为服务区内所有用户提供双向的分组路由。系统共 用g s m 基站，但基站要进行软件更新，并采用新的g p r s 移动设备。g p r s 要增加 新的移动性管理程序，通过路由器实现g p r s 骨干网互联，其网络结构图如图2 3 所示。 g p c , p 图2 3g p r s 网络结构 由图2 - 3 可以看出，g p r s 网络是将p c u ，s g s n ，g g s n 等g p r s 网元叠加在 g s m 网络中而构成，其中主要的网络单元的功能： 1 0 武汉理 ：大学硕十学位论文 1 ) 分组控制单元( p c u ) p c u 是传统的g s m 的b s c 中增加的专门用于处理分组数据和无线分组信道管 理的模块，主要功能有：无线资源管理，信道资源分配( m a c 层功能) ，误帧重传 ( r l c 层功能) ，实现到s g s n 的数据传输( g b 接口) 。 2 ) 服务g p r s 支持节点( s g s n ) s g s n 类似于传统g s m 系统中的m s c v l r ，相当于g p r s 网络中的分组交换机， 主要功能包括：终端鉴权即移动终端发起连接时s g s n 负责检查该终端是否有权 限进行g p r s 连接，对移动终端进行移动性管理，路由选择和分组交换。 3 ) 网关g p r s 支持节点( g g s n ) g g s n 负责提供g p r s 网络与外部分组数据网的接口，相当于一台路由器，功 能包括：分组路由和转发。对外部数据网来说，g g s n 就是一个子网路由器。g g s n 的一侧是g p r s 移动子网，另一侧是外部固定数据网( 包括因特网和专网) 。g g s n 接收移动台发送的数据，选路到相应的外部网络：同时接收外部网络的数据，根 据其地址选择g p r s 网内的传输通道，传给相应的终端。g g s n 可以通过多个物理 或逻辑端口同时连接多个外部数据网，通过接入点名称( a p n ) 将彼此区分开。 g g s n 到外部分组网络是通过g i 参考点连通的，而其他g p r s 网络是通过 g p 接口连通的。另外，从m s 端到g p r s 网络有两个接入点，u m 接口用于无线通 信接入而r 参考点用于信息的产生或接收。移动终端m t ( 例如手机) 通过u m 接口 接入g p r sp l m n ( 公共陆地移动网络) ，r 则是m t 和t e ( t e r m i n a le q u i p m e n t ) 之间的参考点。这里的m s 由t e 和m t 两部分组成，它们通过r 参考点组成一个 整体，另外，m s 也可单独由一个移动终端( m o b i l et e r m i n a l ，简称m t ) 组成。 对于一个支持g p r s 的p l m n 当它运行g p r s 业务时可能涉及到任何其他网络，这 时就产生了网络互通的需求。g p r s 网络通过g i 参考点和g p 接口实现同其他网 络的互通。 g p r s 骨干网的逻辑结构如图2 - 4 所示。 武汉理l ：人学硕十学f 节论文 匿s m s 噩m 扣 1i ws ci l = ：= l _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ - 一 悟令和传输接口 图2 4g p r s 骨干网的逻辑结构 2 2 3g p r s 工作原理 以上大致介绍了g p r s 网络的系统结构，根据以上知识，这早进一步的介绍 将g p r s 应用于各数据采集、监控系统有关的应了解的知识。图2 - 5 展示了移动 台( m t ) 、与之相连的终端设备( t e ) 、g p r s 网、以及外部网之间的关系。 r 参考点 u m g i 参考点 m s - + - - g p 图2 - 5g p r s 各接口和参考点 1 2 武汉理i ：人。硕十学位论文 结合图2 4 和图2 5 所知，在工业设计应用中，最关键的接口是u m 接口、 g i 参考点以及r 参考点。u m 是m r | 和g p r s 网络进行无线连接的空中接口。g i 是 g p r s 网与外部数据网( 指分组数据网( p d n ) 如i n t e r n e t 和其它网络如x 2 5 、 x 7 5 等) 的数据通信接口。r 参考点则把t e 和m t 结合为m s ，即是硬件设计者 要着重考虑的部分。 移动台( m s ) 通过附着过程登录到g p r s 网络，从而能够进行位置区的更新， 以及发起数据传送和接受过程。m s 在附着过程中，通过p c u 进行接入控s w j 矛u 信 道分配，通过s g s n 和h l r 进行鉴权管理，并从h l r 中获得用户签约信息，最终 在m s 、h l r 与s g s n 内部形成有关用户的移动管理信息。m s 在为进行附着之前脱 离g p r s 网络，处于空闲状态，是不能进行任何数据业务操作的。在g p r s 终端 成功附着到网络以后，在进行数据通信之前，还需要进行p d p 激活。p d p 即“分 组数据协议”的简称，一般情况下即是i p 协议。p d p 激活即是终端申请分配i p 地址和在g p r s 核心网设备( ( s g s n 和g g s n ) 中建立路由信息和计费信息的过程。 进行了p d p 激活以后，就可以进行i p 数据传输了。 总体来说，现有的g s m 网络主要是针对话音业务设计的，而g p r s 则主要是 用来提供非语音的数据业务的，g p r s 提供了移动网到t c p i p 网络或x 2 5 网络 的接口，可以把g p r s 网络看作是一个i p 子网。如图2 - 6 所示。 主机 2 0 2 1 1 图2 - 6 将g p r s 网络看作是一个i p 网的子网 1 3 主机 1 6 8 2 3 武j 义理l ：人学硕十学位论文 在基于i p 的互联网络中，路由器被用来分割各个不同的子网。g p r s 网络中， g g s n 承 ! l 了类似于路由器的工作，是g p r s 的特性对外部数据网来说是不可见的。 移动终端就像g p r s 子网中的普通主机，通过i p 地址来识别的。 g p r s 工作时，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 ( 逻辑链路控制) 层处理 为l l c 层通过空中接口送到o s m 网络中移动终端所处的s o 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装处理，转换为可在公用数据网中传送的