【正文】 ................................................................................................. 42 Ⅵ GPRS 遠(yuǎn)程登陸數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì) 學(xué) 生 : 萬(wàn)天元 長(zhǎng)江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院信息系 指導(dǎo)教師 : 趙承志 長(zhǎng)江大學(xué)電信學(xué)院 [摘要 ]水表、電表和氣表的抄錄是城市生活的一個(gè)大問(wèn)題。I 工程技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目： GPRS 遠(yuǎn)程登陸數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì) 學(xué) 生： 萬(wàn) 天 元 系 部： 信 息 系 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。該方案底層通信采用從站 RF905 無(wú)線長(zhǎng)距離傳輸，采集用戶(hù)電表數(shù)值，主站接受到眾多從站數(shù)據(jù)再集中處理，處理后通過(guò) 短距離傳輸給上層 GPRS 終端， 上層 GPRS終端利用自身的 Inter 接入功能，把收到的數(shù)據(jù)通過(guò) Inter 再轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)中心，在 Inter 上設(shè)置一個(gè)中心服務(wù)器作為數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)與終端設(shè)備的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸。 [關(guān)鍵詞 ]： GPRS 模塊，基于 GPRS 的無(wú)線抄表系統(tǒng)的研究， ZWG23DP。 GPRS 業(yè)務(wù)允許用戶(hù)在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，從而提供了一種高效、低成本的無(wú)線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。其穩(wěn)定性高，價(jià)格低廉，同時(shí)可以省去協(xié)議的編寫(xiě)，節(jié)約大量開(kāi)發(fā)成 本和時(shí)間，系統(tǒng)軟件均使用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)，稍加改動(dòng)就可以在各種控制器上實(shí)現(xiàn)，可移植性也較強(qiáng)。 GPRS 具有“實(shí)時(shí)在線”、“按量計(jì)費(fèi)”、“快捷登錄”、“高速傳輸”、“自如切換”等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的人工抄表模式的弊病越來(lái)越突出，錯(cuò)抄、漏抄、估抄的現(xiàn)象嚴(yán)重，竊電問(wèn)題嚴(yán)重，尤其是工業(yè)大用戶(hù)的竊電問(wèn)題，由于數(shù)額較大，嚴(yán)重地?fù)p壞了電力企業(yè)的利益。無(wú)線自動(dòng)抄表應(yīng)運(yùn)而生，早在 20 世紀(jì) 60 年代，人們就把信息技術(shù)引進(jìn)了電力系統(tǒng)，從而出現(xiàn)了無(wú)線自動(dòng)抄表（ Automatic Meter Reading—AMR）的概念。根據(jù)電能表的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線自動(dòng)抄表主要有兩種方式： 一是通過(guò)電能表本身來(lái)解決，即是采用 IC 卡或電卡等形式的電能表，用戶(hù)在售電機(jī)上買(mǎi)電后將卡插入自己的表中即可用電，預(yù)先將使用的電量記錄在售電機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)先買(mǎi)電后使用； 另一種就是利用無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)來(lái)解決。 國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的發(fā)展 及現(xiàn)狀 國(guó)外無(wú)線自動(dòng)抄表技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀 從 20 世紀(jì) 60 年代起，一些發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始著手研究低壓電力用戶(hù)的無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)。 20 世紀(jì) 90 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的普及，不少?gòu)S家提出了基于 通訊的無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)，但需要鋪設(shè)專(zhuān)用的通信通道。在發(fā)展中國(guó)家（阿根廷、巴西），由于建立了電力市場(chǎng)，吸引了大量的外資投入到電廠建設(shè)，基本解決了缺電問(wèn)題。 80 年代以來(lái)，美國(guó)在 AMR 技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用上就已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步：在 1998 年度，美國(guó)共有 791 項(xiàng) AMR 應(yīng)用項(xiàng)目，其中約有 550 萬(wàn)臺(tái)電表實(shí)現(xiàn)了無(wú)線自動(dòng)抄表，到 20xx 年已經(jīng)有 910 萬(wàn)美元的營(yíng)業(yè)額。二是預(yù)付費(fèi)方式，抄表人無(wú)需到用戶(hù)處，用戶(hù)通過(guò)銀行劃撥收費(fèi)或到儀表管理部門(mén)購(gòu)買(mǎi)磁卡、IC 卡等，按購(gòu)買(mǎi)額提供用量，完成收費(fèi)工作。因此，在我國(guó)電力網(wǎng)絡(luò)中、低壓配電系統(tǒng)加快實(shí)行電力無(wú)線自動(dòng)化工程是一個(gè)必然的趨勢(shì)。本文所提出的是復(fù)合式無(wú)線自動(dòng)抄表解決方案，底層數(shù)據(jù)采集采 905RF 結(jié)構(gòu)而上層數(shù)據(jù)傳輸采用 GPRS 無(wú)線傳輸并接入 Inter 的方式實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心的連接。 GPRS 技術(shù)及優(yōu)點(diǎn) GPRS 是在現(xiàn)有 GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為 GSM 用戶(hù)提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 GPRS 特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸 ，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。在 BSS側(cè)，因?yàn)?GPRS 與 GSM 采用相同的基本調(diào)制方式和無(wú)線信道傳輸速率，因此不需改動(dòng)現(xiàn)有基站無(wú)線設(shè)備的硬件。 任何數(shù)據(jù)傳送之前， MS 要建立 PDP 上下文鏈接，必備的參數(shù)包括 MS 的 IP 地址， APN 等等。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析 TCP/IP 協(xié)議族中的各協(xié)議，許多協(xié)議在無(wú)線自動(dòng)抄表數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中是用不到的。上層函數(shù)的實(shí)現(xiàn)需要應(yīng)用到底層函數(shù)，而底層函數(shù)的任務(wù)就是為上層函數(shù)提供服務(wù)，最終完成應(yīng)用層任務(wù)。微控制器通過(guò)串行口，采用 AT 命令控制 GPRS 模塊，進(jìn)行撥號(hào)、設(shè)置等操作。 系統(tǒng)總體通信結(jié)構(gòu) 在客戶(hù)端，終端設(shè)備將數(shù)據(jù)送入 GPRS 通信模塊，模塊將數(shù)據(jù)組成 GPRS 分組，通過(guò) GPRS 網(wǎng)絡(luò)和 Inter 送到用電管理中心的服務(wù)器。附著過(guò)程用于接入 GPRS 網(wǎng)，通過(guò)附著過(guò)程將自己的信息登記在 SGSN 中，SGSN 就可以對(duì)用戶(hù)進(jìn)行移動(dòng)性管理；激活過(guò)程用于激活 IP 協(xié)議，使數(shù)據(jù)能以 IP 報(bào)的形式進(jìn)行傳送，通過(guò)激活過(guò)程， GPRS 通信模塊與 GGSN 建立一條邏輯通路，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 GPRS 承載業(yè)務(wù)支持標(biāo)準(zhǔn)的 IP 協(xié)議，因此在終端設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)可以在 IP 協(xié)議的基礎(chǔ)上使用 TCP 或 UDP 協(xié)議。通信模塊將收到的 PPP 幀解包，重新封裝成 SM 消息，通過(guò)無(wú)線鏈路傳到 SGSN。監(jiān)控中心 將根據(jù) GPRS 通信模塊被分配的內(nèi)部IP 號(hào)與之聯(lián)系。塊（包）數(shù)據(jù)典型的應(yīng)用為電能計(jì)量和抄表等系統(tǒng)，其應(yīng)用環(huán)境通常是配網(wǎng)，分布的面很廣，單獨(dú)為其建立通信網(wǎng)成本很高，維護(hù)困難。 收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動(dòng)器將 TTL 電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出；在接收端，接收器將差分信號(hào)變成 TTL 電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測(cè)低達(dá) 200mV 的電壓，故數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)千米以外。 總線抄表系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示?？晒┻x擇的 驅(qū)動(dòng)芯片有 SN75176， MAX485，MAX1480B， SN75LBC184 等。 低壓電力線載波抄表 電力線載波的抄表方式是一種利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)進(jìn)行抄表的方式，低壓電力線通到了每家每戶(hù)，利用低壓電力線作為無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)通道，具有無(wú)需布線、安裝使用比較方便，而且無(wú)需支付抄表數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁M(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。低壓電力線載波通信網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為總線結(jié)構(gòu)。根據(jù) Shannon 定理，其信道容量 C=Blog(1+SN)2，其中 B 為信號(hào)帶寬， N 為噪聲的平均功率， S 是信號(hào)的平均功率， S/N為信噪比。擴(kuò)頻系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，由于擴(kuò)頻信號(hào)間的偽隨機(jī)碼不相關(guān)，所以信號(hào)可擴(kuò)展到很寬的頻帶上，進(jìn)入信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾功率大大降低，相應(yīng)地也增加了輸出信噪比，因此此類(lèi)芯片具有很強(qiáng)的抗干擾能力。手持紅外抄表器和電能表均具有紅外通信電路。紅外通信由紅外發(fā)射器和紅外接收器來(lái)完成。紅外載波可以使用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的 PWM 功能實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)外圍硬件電路實(shí)現(xiàn)。 無(wú)線電波抄表 利用無(wú)線電波進(jìn)行無(wú)線通信，對(duì)于范圍廣、布局分散的集中 器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，是一種較好的選擇。使用此方式進(jìn)行抄表，要求電能表和抄表器均內(nèi)置有無(wú)線電收發(fā)模塊。無(wú)線電通信可以使用 433MHz、 868MHz、 916MHz 的 ISM 頻段，無(wú)需申請(qǐng)。散射通信是利用對(duì)流層反射無(wú)線電波的遠(yuǎn)距離通信。 電話線網(wǎng)抄表 由于電話網(wǎng)在城鎮(zhèn)的迅速普及，利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信是一個(gè)有效的方案。這一方面使得管理中心無(wú)法對(duì)用戶(hù)實(shí)時(shí)監(jiān)控；另一方面當(dāng)集中器數(shù)目較多時(shí)，租用電話線路多，其租用費(fèi)用也很可觀，因此不適合大容量系統(tǒng)。兩個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)局域和廣域以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線自動(dòng)抄表的功能。管理中心的 PC 機(jī)可以通過(guò)廣域以太網(wǎng)，透過(guò)嵌入式以太網(wǎng)服務(wù)器來(lái)訪問(wèn)各個(gè)子模塊 ，從而得到各個(gè)子模塊的信息或者狀態(tài)。 圖 以太網(wǎng)抄表結(jié)構(gòu) 無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的整體構(gòu)建 第 15 頁(yè) 共 41 頁(yè) GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)無(wú)線抄表 隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，使用公共無(wú)線信道的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（ GSM）、通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)（ GPRS）通信方式，以其無(wú)需投資建設(shè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、通信覆蓋范圍大、安裝設(shè)施十分方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)中得到應(yīng)用，被越來(lái)越多的用戶(hù)所青睞。當(dāng)終端數(shù)量在 200 臺(tái)以下時(shí)，一般選用前一種模式；當(dāng)終端數(shù)量大于 200 臺(tái)時(shí)，采用后一種模式。 GPRS 通信主要適用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)或通信數(shù)據(jù)量較大的準(zhǔn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，例如配變監(jiān)控、電量計(jì)費(fèi)、負(fù)荷控制等系統(tǒng)。有線抄表方案組網(wǎng)方 便、使用簡(jiǎn)單，但傳輸距離較近。從上一節(jié)介紹的幾種無(wú)線自動(dòng)抄表方式可以看出，紅外抄表只適合于短距離人工 手持抄表。 本文構(gòu)建的復(fù)合式無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)整體采用分布式體系結(jié)構(gòu)，底層數(shù)據(jù)采集為 RF905 無(wú)線傳輸結(jié)構(gòu)。底層數(shù)據(jù)采集為 RF905 無(wú)線傳輸通信方式。鑒于GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)的成熟度較高、覆蓋面較廣，可很好地滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求，因而 GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)被選為上層通信方式。下面對(duì)四種基于 GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式的各自特點(diǎn)作簡(jiǎn)單介紹。短消息數(shù) 據(jù)傳輸方式適合小數(shù)據(jù)量，中低采集頻率的無(wú)線采集系統(tǒng)使用。通過(guò)語(yǔ)音方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主要是利用話音通道將數(shù)據(jù)調(diào)制到話音頻率傳輸出去，目標(biāo)機(jī)將數(shù)據(jù)解調(diào)出來(lái)。 基于 IP 的數(shù)據(jù)傳輸方式是 GPRS 系統(tǒng)獨(dú)有的，因?yàn)?GPRS 是在 GSM 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上新增兩個(gè)節(jié)點(diǎn)（ SGSN 和 GGSN）而形成的移動(dòng)分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。 鑒于以上四種數(shù)據(jù)傳輸方式，本系統(tǒng)將采用第四種 GPRS 特有的 IP 數(shù)據(jù)傳輸方式，把 GPRS 作為上層通信信道進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。因此，我們采用 GPRS 作為電力抄表的上層通信方式來(lái)設(shè)計(jì)儀器的通信接口。 （ 1）專(zhuān)線接入方式，從移動(dòng)公司到用戶(hù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的服務(wù)器端接一條 DDN 專(zhuān)線，通過(guò)數(shù)據(jù)專(zhuān)線將數(shù)據(jù)由 GPRS 網(wǎng)關(guān)服務(wù)器 GGSN 傳送到監(jiān)控中心，移動(dòng)公司在GGSN 上為用戶(hù)配一個(gè)專(zhuān)門(mén)的 APN 節(jié)點(diǎn)，從而在 GPRS 終端和監(jiān)控中心構(gòu)成一條無(wú)線虛擬專(zhuān)網(wǎng) (VPN)通道。第二種方式的數(shù)據(jù)傳輸全部在 GPRS 網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行，安全性高，遠(yuǎn)程的 GPRS 接口終端通過(guò) GPRS 方式，將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，但是該方案要求由移動(dòng)公司提供網(wǎng)內(nèi) IP，而該類(lèi) IP 很難申請(qǐng)到。 4 數(shù)據(jù)終端設(shè)備的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件平臺(tái)的整體構(gòu)建 抄表數(shù)據(jù)傳輸終端一方連接著 GPRS 網(wǎng)絡(luò)，另一方連接著采集器或電能表，起著管理和協(xié)調(diào) GPRS 網(wǎng)絡(luò)和儀表數(shù)據(jù)通信的作用。抄表終端的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示，主要由微控制器 MCU 為核心，通過(guò) RS232 接口控制 GPRS模塊建立同移動(dòng)基站的鏈接，以及提供同采集器或電能表通信的 接口?，F(xiàn)在西門(mén)子的產(chǎn)品線可以分為三個(gè)部分：汽車(chē)類(lèi)應(yīng)用產(chǎn)品（以 AC45 為代表）、工業(yè)類(lèi)應(yīng)用產(chǎn)品（以 TC35i， MC39i 為代表）和消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用產(chǎn)品（以 MC45 和 MC38為代表）。這兩款無(wú)線模塊憑借良好穩(wěn)定的性能，在市場(chǎng)上具有很高的知名度和很優(yōu)良的信譽(yù)。最近，為了配合中國(guó)對(duì)進(jìn)口元器件的環(huán)保要求，德國(guó)西門(mén)子公司將其原有產(chǎn)品均升級(jí)成了不含鉛的產(chǎn)品，其中 TC35i GSM 通訊模塊升級(jí)后的型號(hào)是 TC35i 環(huán)保型， MC35i GPRS 通訊模塊升級(jí)后的型號(hào)是 MC39i，升級(jí)后的模塊顏色較原來(lái)更顯深綠，大小尺寸不變，管腳和主要性能指標(biāo)不變，跟原來(lái)型號(hào)基本兼容。 （二） MC45 支持 GPRS C1ass10，而 MC388 支持 GPRS Class 8。目前 AC 系列主要有 AC35 和 AC45 兩款產(chǎn)品，德國(guó)奔馳和寶馬是 AC 系列產(chǎn)品的用戶(hù)。 3）內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議棧。迅速崛起的背后，除了價(jià)格方面的因素，還有技術(shù)因素的支撐。硬件方面，IMT100 提供 60 腳的連接器，除了一些常用的引腳外，專(zhuān)門(mén)提供了 5 個(gè)通用輸入接口、 5 個(gè)通用輸出接口，這十個(gè)引腳配合使用，專(zhuān)門(mén)用于讀取鍵盤(pán)輸入。由于 SIMCOM公司的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間還很短，產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性尚需要接受市場(chǎng)的檢驗(yàn)。 WAVECOM 目前在中國(guó)的主打產(chǎn)品是 Q2403 和 Q2406 系列產(chǎn)品（以下簡(jiǎn)稱(chēng) Q24 系列）。 GPIO 是通用 I/O 口（ General PurposeI/O）的簡(jiǎn)稱(chēng)。它具有小巧的體積和靈活的應(yīng)用方式，可以非常方便的嵌入到用戶(hù)的設(shè)備中，使您的數(shù)據(jù)終端設(shè)備的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) 共 41 頁(yè) 設(shè)備具有 GPRS 無(wú)線通信功能。所以本論文的無(wú)線通信模塊也選擇 廣州致遠(yuǎn)電子公司 GPRS 通信模塊 ZWG23DP GPRS DTU，下面將對(duì)該通信模塊做詳細(xì)介紹。 ZWG