【文章內容簡介】 為現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供一種便捷的無線數(shù)據(jù)傳輸方式。 GPRS 遠程監(jiān)控系統(tǒng)是利用單片機組成的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，通過 GPRS 網(wǎng)絡以短消息的形式完成遠程數(shù)據(jù)的傳輸，即在傳統(tǒng)的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中增加支持短消息、數(shù)據(jù)通信等業(yè)務的 GPRS 模塊，并為其分配一個獨立的 SIM 卡，結合單片機系統(tǒng)通過串行通信接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸。監(jiān)控終端可以是PC 機 ，也可以是移動電話或移動終端。 研究 的 內容 該項目的研發(fā)是多學科技術的綜合應用，涉及的相關技術包括微電子技術、計算機接口技術、傳感器技術、 GPRS 通信技術、程序設計等。 系統(tǒng)分為兩部分：主站控制中心和遠程數(shù)據(jù)檢測控制終端。 采集控制模塊完成對各個采集節(jié)點的數(shù)據(jù)采集與控制 ， GPRS 模塊結合微處理芯片建立一個基于 GPRS 的遠程監(jiān)測平臺，實現(xiàn)監(jiān)測終端與數(shù)據(jù)采集終端的 GPRS 遠程通信。監(jiān)測終端對溫度信號進行監(jiān)測，每路監(jiān)測信號可實現(xiàn)單獨監(jiān)測報警。 這種設計方式可以實現(xiàn)一個控制中心監(jiān)測多個終端的實現(xiàn)。當需要添加控制點 時，只需在需要控制的現(xiàn)場安裝好遠程數(shù)據(jù)檢測控制終端，同時在主站控制中心軟件進行相應設置，即可對新加入的控制點進行監(jiān)控。 該系統(tǒng)的設計要點是采用單片機技術進行數(shù)據(jù)采集和處理，對裝置進行自動控制， 系統(tǒng)軟件設計， 數(shù)據(jù)存儲與顯示，單片機與 GPRS 模塊的通信與控制等設計內容。 基于 GPRS 系統(tǒng)的遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計 5 第二章 GPRS 網(wǎng)絡介紹及數(shù)據(jù)傳輸方案選擇 GPRS 概述及應用 GPRS 是通用分組無線業(yè)務 （ General Packet Radio Service） 的英文簡稱，是在現(xiàn)有 GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務，目的是為 GSM 用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務。 GPRS 采用與 GSM 同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結構、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的 TDMA 幀結構。這種新的分組數(shù)據(jù)信道與當前的電路交換的話音業(yè)務信道極其相似，因此現(xiàn)有的基站子系統(tǒng) （ BSS）從一開始就可提供全面的 GPRS 覆蓋。 GPRS 允許用戶在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務。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。 GPRS 理論帶寬可達 ，實際應用帶寬大約在 10~70Kb/s， 在此信道上提供 TCP/IP 連接，可以用于 Inter連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?。使?GPRS 技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠在線且按流量計費，迅速降低了服務成本。 GPRS 作為一種新型的電信技術和電信服務，區(qū)別與傳統(tǒng)的移動通信，具有以下特點： 為 GSM 提供數(shù)據(jù)包傳輸模式的服務。 向用戶提供更高的接入速率 115kbit/s 和更短的接入時間。 通過支持不同的 QoS 機制向用戶提供不同種類的可選服務。 采用無線頻譜資源的共享使用來提供資源的利用率。 底層基于 TCP/IP 協(xié)議，可與因特網(wǎng)進行無縫連接。 可提供按時間、流量、內容等更加靈活的計費方式。 GPRS 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應用范圍相當廣泛，幾乎所有中低速率的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務都可以應用，如城市配電網(wǎng)絡自動化、自來水、煤氣管道自動化、商業(yè) POS機、 Inter 接入、個人信息、股票信息、金融、交通、公安等。除了支持傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)應用， GPRS 也可使無線終端支持 ； BZB、 BZC 的電子商務和電子支付、基于 GPRS 系統(tǒng)的遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計 6 股票交易、銀行轉帳等應用。 GPRS 同樣可以應用于公司內部網(wǎng) (INTRANET)，基于 IP 的遠程 LAN 接入，使無線終端成為 LAN 的延伸。 GPRS 網(wǎng)絡結構 GPRS網(wǎng)絡是在現(xiàn)有 GSM網(wǎng)絡中對 BTS、 BSC、 HLR進行升級， 并增加 SGSN (GPRS 服務支持節(jié)點 )和 GGSN (GPRS 網(wǎng)關支持節(jié)點 )來實現(xiàn)的， 使得用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，其網(wǎng)絡的邏輯結構如圖 21 所示。 圖 21 GPRS 網(wǎng)絡的邏輯結構 移動終端 （ MS） ： 移動終端包括移動物理設備 （ 例手機的裸機 ） 和 SIM 卡兩部分。移動臺的類型很多，除了車載臺 、便攜式移動臺，還有人們熟悉的手機等。 SIM 卡其實是一張符合 ISO 標準的 IC 卡 ， 由 CPU 和存儲器包括 （ RAM，Other PLMN Ummmmmmn Gsn Gdn Grn G Gbn Gin Gnn Gfn Gnn D C E SMS— GMSC SMS— IWMSC SM— SC HLR MSC/VLR SGSN GGSN BSS MT TE PDN TE SGSN GGSN EIR A R Gpn 信令接口 信令和數(shù)據(jù)傳輸接口 基于 GPRS 系統(tǒng)的遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計 7 ROM， EPROM 或 EEPROM） 以及串行通信單元組成。 基站子系統(tǒng)（ BSS）：基站子系統(tǒng)由基站收發(fā)信臺（ BTS）和基站控制器 （ BSC）兩部分組成。基站子系統(tǒng)一方面通過 BTS 利用無線接口與移動臺相連 ， 負責信息的無線發(fā)送 /接收和無線資源的管理；另一方面 ， 通過 BSC 和網(wǎng)絡子系統(tǒng)中的移動業(yè)務交換中心（ MSC）相連 ， 現(xiàn)移動用戶之間以及移動用戶和固定電話網(wǎng)絡用戶之間的通信連接。 移動業(yè)務控制中心（ MSC）： MSC 是網(wǎng)絡子系統(tǒng)的核心。 MSC 是交換機 ，具有號碼存儲、呼叫處理、路由選擇、回波抵消和超負荷控制等功能。 MSC 可以從 HLR， VLR 和 AUC 獲取處理用戶位置登記和呼叫請求所需的全部數(shù)據(jù)。反之 ， MSC 也根據(jù)其獲取的最新信息請求更新數(shù)據(jù)庫的部分功能。 GPRS 業(yè)務支持節(jié)點 (SGSN)：主要功能是對移動終端進行鑒權和移動性管理，建立移動終端到 GGSN 的傳輸通道，接收從 BSS 傳送來的移動終端分組數(shù)據(jù)，通過 GPRS 骨干網(wǎng)傳送給 GGSN 或者將分組發(fā)送到同一服務區(qū)內的移動終端。 SGSN 還可集成計費網(wǎng)關、邊緣網(wǎng)關 （ 負責實現(xiàn)不同 GPRS 網(wǎng)絡之間的互聯(lián) ）和防火墻的功能。 GPRS 網(wǎng)關支持節(jié)點 （ GGSN）： 是連接 GPRS 網(wǎng)絡與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的節(jié)點。對于外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡來說，它就是一個路由器，負責存儲已經(jīng)激活的 GPRS 用戶的路由信息。 GGSN 接收移動終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，轉發(fā)到相應的外部網(wǎng)路，或接收來自外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，通過隧道技術，傳送給相應的 SGSN。另外 GGSN還可以具有地址分配、計費、防火墻功能。 SGSN 和 GGSN 間的通信，以及其它網(wǎng)絡實體間的通信，是通過新增接口來完成，實現(xiàn) GPRS 的新功能， GPRS 網(wǎng)絡結構中引入的新的網(wǎng)絡接口如下 ： Gb 接口 ： PCU 與 SGSN 之間的接口 。 Gn/Gp 接口 ： SGSV 與 GGSN 之間的接口，當 SGSN 與 GGSN 位于不同的 PLMN 時為 Gp，否則為 Gn。 Gi 接口 ： GGSN 與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)之間的接口 。 Gd 接口 ： SGSN 與 SMSGMSC/SMSIWMSC（ 短消息業(yè)務的網(wǎng)間 MSC）基于 GPRS 系統(tǒng)的遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計 8 之間的接口 。 Gr 接口 ： SGSN 與 HLR 之間的接口 。 Gs 接口 ： SGSN 與 MSC（ 移動交換中心 ） /VLR（ 訪問位置寄存器 ） 之間的接口。 Gc 接口 ： GGSN 與 HLR 之間的接口 。 Ga 接口 ： GGSN / SGSN 與 CGF（ 計 費網(wǎng)關 ） 之間的接口 。 Gf 接口 ： SGSN 與 EIR（ 設備標識寄存器 ） 之間的接口 。 SGSN 和 GGSN 兩節(jié)點可分可合， 即它們的功能既可以由一個物理節(jié)點全部實現(xiàn)，也可以由不同的物理節(jié)點來實現(xiàn)。它們都應有 IP 路由功能，并能與 IP路由器互聯(lián)。 GPRS 主要是用來提供非語音的數(shù)據(jù)業(yè)務的， GPRS 提供了移動網(wǎng)絡到TCP/IP 或 網(wǎng)絡的接口，可以把 GPRS 網(wǎng)絡看作是一個 IP 子網(wǎng)。 GPRS 網(wǎng)絡中， GGSN 承擔了類似于路由器的工作，使 GPRS 的特性對外部數(shù)據(jù)網(wǎng)來說是不可見的。移動終端就像 GPRS 子網(wǎng)中的普通主機，通過 IP 地址來識別。 GPRS 連接原理 一個能夠正常使用的 GPRS 移動臺，如果沒有開機，網(wǎng)絡是無法得知它的位置的 ； 盡管 SIM 卡和 HLR 中存放有該移動臺的信息，但 VLR 中并沒有和其關的數(shù)據(jù)。當移動臺開機時，向 MSC/VLR 發(fā)送位置登記報文，同時更新 SGSN中的位置信息。 GPRS 移動臺不僅僅是一個電話，它更像是一個內置了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡適配器的數(shù)據(jù)終端。和普通的連在網(wǎng)上的 PC 一樣， GPRS 移動臺也有自己的標識和地址， GPRS 系統(tǒng)使用的地址格式和 Inter 使用的地址格式一樣，都有是 IP 地址。 GPRS 移動臺在接入網(wǎng)絡之前，必須先通知網(wǎng)絡 ； 網(wǎng)絡得到這個通知之后，會為其分配一個 IP 地址。 GPRS 移動臺連接到網(wǎng)絡上的過程可以分為兩個階段 ： 基于 GPRS 系統(tǒng)的遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計 9 （ 1） 連接到 GSM 這一過程也叫做 GPRS attach， GPRS 移動臺開機后，向網(wǎng)絡發(fā)送一個 attach消息， SGSN 得到該消息后，向 HLR 請求有關用戶數(shù)據(jù)并驗證用戶身份，決定是否允許移動臺接入網(wǎng)絡。 （ 2） 連接到 IP 網(wǎng)絡 這一過程叫做 PDP 上下文激活， GPRS 移動臺完成 attach 之后，網(wǎng)絡會為其分配一個 IP 地址，使其成為 IP 網(wǎng)絡 的一部分。一個 GPRS 用戶可能有一個靜態(tài)IP 地址 ： 該 IP 地址固定分配給某個用戶，用戶每次上網(wǎng)都使用同一個 IP 地址 ；或者有一個動態(tài) IP 地址 ： 每次開始新的會話時，網(wǎng)絡都隨即為用戶重新分配一個 IP 地址。 GPRS 網(wǎng)絡工作原理 GPRS 網(wǎng)絡傳輸平臺 傳輸平臺由一個分層協(xié)議結構組成。用于用戶信息傳輸以及與此相關的信息傳輸中的過程控制（例如：流量控制、檢錯、糾錯和錯誤恢復等）。傳輸平臺通過底層無線接口和網(wǎng)絡子系統(tǒng)（ Network Switching Subsystem，簡稱 NSS）平臺連接，這種獨立性是通過保留 Gb 接口來 實現(xiàn)的。 GPRS 傳輸協(xié)議平臺如圖 22所示。 1. GPRS 隧道協(xié)議（ GPRS Tunneling Protocol，簡稱 GTP） GPRS 骨干網(wǎng)中 GSN 間的用戶數(shù)據(jù)和信令利用 GTP 進行隧道傳輸。所有的點對點 PDP 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ PDP Data Unit， PDU）將由 GTP 協(xié)議進行封裝。 GTP是 GPRS 骨干網(wǎng)中 GSN 節(jié)點之間的互聯(lián)協(xié)議，它是為 Gn接口和 Gp 接口定義的協(xié)議。在 中對 GTP 作了規(guī)范。 2. TCP 協(xié)議（ Transport Control Protocol，簡稱 TCP） 在 GPRS 骨 干網(wǎng)中需要一個可靠的數(shù)據(jù)鏈路（如 ）進行 GTP PDU 的傳輸時，所用的傳輸協(xié)議是 TCP 協(xié)儀。如果不要求一個可靠的數(shù)據(jù)鏈路（如 IP），就使用 UDP 協(xié)議來承載 GTP 中的 PDU 。 TCP 提供流量控制功能和防止 GTP 基于 GPRS 系統(tǒng)的遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計 10 PDU 丟失或破壞的功能。 UDP 提供防護 GTP PDU 受到破壞的功能。 圖 22 GPRS 傳輸協(xié)議平臺 3. 網(wǎng)際協(xié)議（ Inter Protocol，簡稱 IP） 這是 GPRS 骨干網(wǎng)絡協(xié)議，用以用戶數(shù)據(jù)和控制信令 的選路。 GPRS 骨干網(wǎng)最初是建立在 IPv4 協(xié)議基礎上的 ， 隨著 IPv6 的廣泛使用 ， GPRS 會最終采用 IPv6協(xié)議。 4. 子網(wǎng)相關融合協(xié)議（ Subwork Dependent Convergence Protocol，簡稱SNDCP） 這個傳輸功能將網(wǎng)絡級特性映射到底層網(wǎng)絡特性中去。它的主要作用是完成傳送數(shù)據(jù)的分組、打包，確定 TCP/IP 地址和加密方式。在 SNDC 層，移動臺和 SGSN 之間傳送的數(shù)據(jù)被分割為一個或多個 SNDC 數(shù)據(jù)包單元。 SNDC 數(shù)據(jù)包單元生成后被放置到 LLC 幀內。 SNDCP 在 中有說明。 5. 邏輯鏈路控制（ Logical Link Control，簡稱 LLC） LLC 是一種基于高速數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程 HDLG 的無線鏈路協(xié)議，能夠提供高可靠的加密邏輯鏈路。邏輯鏈路控制層負責從高層 SNDC 層的 SNDC 數(shù)據(jù)單元上MS BSS SGSN Um Gb Gn Application IP/ SNDCP LLC RLC MAC GSM RF Network Service L1bis L2 GSM RF Relay RLC BSSGP L1 L1ib