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基于GPRS的远程监控系统数据终端研究
1.介绍
随着计算机技术的发展，互联网技术广泛地深入了人们生活的各个方面，并且使人们的生活发生了深刻的改变。从工业领域来讲，由于监控区域广，对象种类多，因此需要花费大量的人力、物力和财力来进行设备维护。此外，有许多环境恶劣，人们不易到达或不能时刻停留的地方无法频繁地采集一些现场数据，如果进行大量拉线工作是不经济，不合理的，这就助于无线通信技术在远程监控领域的发展。
移动通信技术从第一代的模拟通信系统发展到第二代的数字通信系统，以及之后的3G、4G、5G，正快速地发展。在第二代移动通信技术中GSM的应用最广泛。但是GSM系统只能进行电路域的数据交换，且最高传输速率为9.6kbit/s，难以满足数据业务的需求。因此，欧洲电信标准委员会推出了GPRS（General Packet Radio Service，即通用分组无线业务）。
GPRS（通用分组无线业务），作为现有的GSM网络演进的过渡到第三代移动通信技术的（2.5G），具有快速接入、始终实时在线等特点，因此流量计在远程实时数据传输中具有在突然性的不可比拟的优势。·
2. GPRS技术
GPRS（通用分组无线业务）是基于GSM移动网络系统，采用分组交换技术，兼容GSM和高速数据传输网络，分组交换技术是计算机网络上一项重要的数据传输技术。为了实现从语音业务到数据业务的转变，GPRS在原有的GSM网络的基础上叠加了支持高速分组数据的网络，向用户提供WAP浏览（浏览因特网页面）、E-mail等功能，有效地推动了移动数据业务的发展，实现了移动通信技术和数据通信技术（尤其是Internet技术）的完美结合。
GPRS在GSM网络中引入传统的三个新组件：PCU（分组控制单元，一种控制单元），SGSN（服务GPRS的支持节点）。GPRS服务节点支持和GGSN（网关GPRS的支持节点）。网关GPRS支持节点具有以下特点：
其资源利用率高， GPRS采用的是分组交换方式的传输模式，只有当用户在发送或接收数据时才能占用资源，这意味着许多用户可高效率地共享同一无线通信，从而提高了利用率。而GSM电路交换数据传输方式为电路交换模式，在整个链接时期内，用户无论是否传输数据都将占用无线信道。GPRS用户计费按照通信的数据流量为计费标准。
高速的传输速度， GPRS数据的传输速度可达57.6kb/s，最高可达115～1172kb/s，完全满足用户需求。
接入等待时间短，GPRS接入时间短，连接速度快，平均为2s。
提供实时在线功能，在用户将初始处于连线和在线状态，这将使访问服务变得非常简单和快速。
支持IP协议和X.25协议，GPRS支持最广泛使用的Internet IP协议和X.25协议，而且由于GSM网络覆盖广，使得GPRS将提供互联网和其他无线分组网络接入到全球网络。
从上面GPRS的特点可以看出，GPRS网络特别适合于频繁的小数据量的实时传输。工业远程数据采集系统是一个典型的数据量相对较小的实时传输系统。
3.GPRS结构
3.1 GPRS的网络结构
GPRS网络结构中新增的网络实体有：
（1）GSN（GPRS Support Node，GPRS支持节点）
GSN是GPRS网络中最重要的网络部件，有SGSN何GGSN两种类型。
1. SGSN（Serving GPRS Support Node，服务GPRS支持节点）
SGSN的主要作用是记录MS的当前位置信息，提供移动性管理和路由选择等服务，并且在MS和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。
2.GGSN（Gateway GPRS Support Node，GPRS网关支持节点）
GGSN起网关作用，把GSM网络中的分组数据包进行协议转换，之后发送到TCP/IP或X.25网络中。
（2）PCU（Packet Control Unit，分组控制单元）
PCU位于BSS，用于处理数据业务，并将数据业务从GSM语音业务中分离出来。PCU增加了分组功能，可控制无线链路，并允许多用户占用同一无线资源。
（3）BG（Border Gateways，边界网关）
BG用于PLMN间GPRS骨干网的互连，主要完成分属不同GPRS网络的SGSN、GGSN之间的路由功能，以及安全性管理功能，此外还可以根据运营商之间的漫游协定增加相关功能。
（4）CG（Charging Gateway，计费网关）
CG主要完成从各GSN的话单收集、合并、预处理工作，并用作GPRS与计费中心之间的通信接口。
（5）DNS（Domain Name Server，域名服务器）
GPRS网络中存在两种DNS。一种是GGSN同外部网络之间的DNS，主要功能是对外部网络的域名进行解析，作用等同于因特网上的普通DNS。另一种是GPRS骨干网上的DNS，主要功能是在PDP上下文激活过程中根据确定的APN（Access Point Name，接入点名称）解析出GGSN的IP地址，并且在SGSN间的路由区更新过程中，根据原路由区号码，解析出原SGSN的IP地址。
3.2 GPRS的协议栈
所谓协议栈就是对信息进行多次封装和解封的过程，以便能够在不同的实体间传送信息。
（1）AC媒体访问控制：MAC定义和分配空中接口的逻辑信道，并控制移动台接入这些共享的逻辑信道；MAC定义的逻辑信道有公共控制信道PCCCH：控制信令；分组广播信道PBCCH：广播系统消息；分组业务信道PTCH：传输分组数据；分组专用控制信道：功率控制、定时等。
（2）RLC无线链路控制： RLC将上层LLC的数据分段和重组以便在逻辑信道上传送；RLC通过选择性重传，向上层提供一个可靠的链路；它根据无线链路的传输能力将1527个字节（LLC帧的最大长度）按CS（coding scheme）切成不同的小块，以便进行卷积、交织等信道编码。
（3）LLC逻辑链路控制：LLC是MS和SGSN之间的协议。基于HDLC无线链路协议，传输能力1520个字节，加上7个开销字节，总共1527个字节；LLC向上层提供一个或多个由SAPI区别的、高度可靠无差错的、加密的逻辑链路（GMM，SM，SNDCP等）；LLC与下层使用的无线接口协议无关，向下隔离无线网；下层GPRS无线接口协议的改变不会影响上层协议和网络子系统；对中断的帧，可以进行错误检测和恢复；可以实现一对多点寻址(向多个MS发信息)；传送的信息可以有不同的优先级即顺序控制；流量控制等。LLC实现了下层不同协议的向上统一，是保证向3G平滑过渡的一个关键点。它和SNDCP协议一起类同于CDMA1X网络中MS和PDSN之间的PPP协议的功能。
（4）SNDCP子网聚合协议：将外网的各种协议（IPv4、Ipv6、X.25等）格式统一为一种协议格式；用NSAPI区分不同的应用；移动台和SGSN之间的IP数据包或X.25报文被分割成多个SNDC数据包单元，以适应LLC的MTU的大小，数据包的单元被放置到LLC帧内；完成数据的分段和重装；对数据进行压缩，以节约空中接口带宽；负责TCP/IP头的压缩；对数据进行加密等。
（5）NS网络服务协议：网络服务协议是基于帧中继网络的，包括网络层和链路层功能；在PCU和SGSN之间传送BSSGP协议的数据单元；PCU和SGSN可能经过多跳帧中继网；在BSS和SGSN之间要建立通过NSVC识别的逻辑帧中继链路，多个用户的LLC-PDU按负荷分担方式复用在这些虚电路上；该层还负责NS-VC的闭锁、解锁、复位、测试等NS-VC管理功能。在PCU和SGSN的数据库中需要定义NSVCI和GBL、DLCI的映射关系。
（6）BSSGP（BSS GPRS应用协议）：提供PCU和SGSN间的无连接链路；承载上层数据信息即LLC信息，在下行方向上向BSS提供RLC/MAC功能实用的无线相关的信息，在上行方向上向SGSN提供从RLC/MAC功能获得的无线相关的信息；承载SGSN和PCU之间的路由信息和QOS信息；支持SGSN和PCU之间信令管理和分组确认；通过BVCI识别小区；通过NSEI识别PCU，所以通过NSEI BVCI可以唯一地识别每个BSSGP虚连接。
BSSGP的业务模型：
GMM业务接入点的功能：负责GPRS移动性管理。指示BSS寻呼MS；请求SGSN向BSS发送MS当前的无线接入能力；BSS向SGSN发送有关无线接口的状态信息如链路质量差等；MS的附着分离操作等。
（7）NM网络管理的功能：完成FLUCH操作，当手机从一个小区移动到另一个小区时，SGSN通知BSS删除原BVCI相关数据，并向新的BVCI发送数据；BVC的闭锁、解锁和复位；对每一个BVC实行下行方向的流量控制，BSS向SGSN发送有关流量控制的信息，SGSN控制向BSS的业务流量。
（8）L2协议：可以是以太网、也可以是ATM等。
（9）IP网络互联协议：网络互联协议，主要完成路由功能，用于用户数据和信令的路由。目前采用的是IPv4。IP的开放性使得上层的应用和下层的承载网络没有必然的联系，使得应用服务和承载网络技术按照其独立的方向发展，加快了技术发展的速度。
由GPRS系统的端到端之间的应用协议结构可知，GPRS网络是存在于应用层之下的承载网络，它用于以承载IP或X.25等数据业务。由于GPRS本身采用IP数据网络结构，所以基于GPRS网络的IP应用规程结构可理解为两层IP结构，即应用级的IP协议以及采用IP协议的GPRS系统本身。
（10）TCP传输控制协议：提供面向连接的可靠的数据传输链路，在数据传输之前需要建立连接。TCP用来承载需要可靠数据链路(如X.25)的GTP PDU。TCP提供流量控制的功能。
（11）UDP用户数据报协议：提供非面向连接的，不可靠的数据传输链路，在数据传输之前不需要先建立连接，传输数据的可靠性需要上层应用软件来保证。UDP用来承载不需要可靠数据链路（如IP）的GTP PDU。UDP不提供流量控制的功能。
（12）GTP即GPRS隧道协议：由SGSN和GGSN组成的GPRS骨干网是一个纯粹的IP网；GPRS骨干网可以使用与因特网相同的方法构建，或在现有IP网上通过VPN来构建。GPRS骨干网中，GTP可以传输用户分组数据；可以传输有关隧道建立、维护、释放的隧道管理信息；可以传输有关回应请求、回应相应、版本不支持的路经管理信息，这些GTP信令消息是依靠每个消息都有一个序列号、每个请求消息都对应有响应消息以及相关Timer来保证传输的可靠性。GTP允许多种协议包如IP包或X.25包等在GSN组件间用隧道方式穿过。由于每个用户同时只能有一个管道，所以用于区分不同GTP的TID必须用区分不同用户的IMSI和区分不同应用的NSAPI一起加以区分。在现有的IP网上通过VPN来构建GPRS的骨干网可以保证来自网外的IP报文不在骨干网内路由，增加了系统的隐蔽性和报文的保密性；因为隧道可以封装任意数据，这样就可实现GPRS骨干网与多种外部数据网互通。在GPRS骨干网中，GTP依靠下层的UDP/IP协议来实现，端口号为3386，使用GTP协议的接口有同一PLMN内部GSN节点间的GN接口和不同PLMN之间GSN节点间的GP接口，还有GSN和计费网管CG之间的GA接口。
4.系统设计
4.1体系结构
整个系统结构如图1所示。
网络
数据
中心设备
数据
终点站
设备
GPRS
数据
终端
GPRS network
系统结构
用户终端设备通过串口连接到GPRS数据终端上，然后将数据打包成IP包，再通过GPRS空中接口接入到GPRS网络，最终通过各种网关和路由各种数据中心。
4.2终端硬件设计
GPRS数据终端硬件采用模块化设计，包括数据处理模块、远程通信模块，模数转换模块和显示模块，系统结构如图2所示。
ADO8032
E2PROM
X25045
CPU
模块
AT89C55
系列 界面 模块
显示模块
通信
终端硬件
数据处理模块包括AT89C55、X25045芯片、AT89C55用于处理与远程通信模块、模数转换器模块和模块的数据传输。为了确保数据不会因为断电而丢失，采用串行E2PROM 器件X25045设备用于数据存储。
远程通信模块包括GPRS模块和SIM卡和串行模块MX3238部分三部分。西门子GPRS无线模块采用MC35 GPRS模块，其功能是将数据或命令通过与天线连接发射出去，或接收远程监控中心发送的数据，再将接收到的数据或命令进行协议处理后，通过MX3238单片机处理，MX3238起到电平转换和串行通信功能，由于传输数据的承载方式方法是GPRS网络，所以SIM是不可缺少的，其功能是存储数据以及在安全条件下，完成客户信息和客户身份认证加密算法的全过程。
模数转换模块的功能是将采集到的模拟信号转换为数字信号，电路设计时采用了AD0832作为模数转换芯片，其将模拟信号转换成数字信号，然后发送到T89C55芯片进行计算和处理。
显示模块主要是考虑到当现场有管理人员巡视时，可以方便实时了解现场情况。系统使用一种管理键盘和LED显示器的专用智能控制芯片HD7
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