【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 為現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供一種便捷的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式。 GPRS 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是利用單片機(jī)組成的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò) GPRS 網(wǎng)絡(luò)以短消息的形式完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸，即在傳統(tǒng)的單片機(jī)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(wù)的 GPRS 模塊，并為其分配一個(gè)獨(dú)立的 SIM 卡，結(jié)合單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)串行通信接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸。監(jiān)控終端可以是PC 機(jī) ，也可以是移動(dòng)電話或移動(dòng)終端。 研究 的 內(nèi)容 該項(xiàng)目的研發(fā)是多學(xué)科技術(shù)的綜合應(yīng)用，涉及的相關(guān)技術(shù)包括微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、 GPRS 通信技術(shù)、程序設(shè)計(jì)等。 系統(tǒng)分為兩部分：主站控制中心和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)檢測(cè)控制終端。 采集控制模塊完成對(duì)各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與控制 ， GPRS 模塊結(jié)合微處理芯片建立一個(gè)基于 GPRS 的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端與數(shù)據(jù)采集終端的 GPRS 遠(yuǎn)程通信。監(jiān)測(cè)終端對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每路監(jiān)測(cè)信號(hào)可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)監(jiān)測(cè)報(bào)警。 這種設(shè)計(jì)方式可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制中心監(jiān)測(cè)多個(gè)終端的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要添加控制點(diǎn) 時(shí)，只需在需要控制的現(xiàn)場(chǎng)安裝好遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)檢測(cè)控制終端，同時(shí)在主站控制中心軟件進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，即可對(duì)新加入的控制點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。 該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是采用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，對(duì)裝置進(jìn)行自動(dòng)控制， 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)， 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示，單片機(jī)與 GPRS 模塊的通信與控制等設(shè)計(jì)內(nèi)容。 基于 GPRS 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 第二章 GPRS 網(wǎng)絡(luò)介紹及數(shù)據(jù)傳輸方案選擇 GPRS 概述及應(yīng)用 GPRS 是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù) （ General Packet Radio Service） 的英文簡(jiǎn)稱，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 用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 GPRS 采用與 GSM 同樣的無(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的 TDMA 幀結(jié)構(gòu)。這種新的分組數(shù)據(jù)信道與當(dāng)前的電路交換的話音業(yè)務(wù)信道極其相似，因此現(xiàn)有的基站子系統(tǒng) （ BSS）從一開(kāi)始就可提供全面的 GPRS 覆蓋。 GPRS 允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)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(luò)資源。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)。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(dá) ，實(shí)際應(yīng)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?yīng)用。使用 GPRS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠(yuǎn)在線且按流量計(jì)費(fèi)，迅速降低了服務(wù)成本。 GPRS 作為一種新型的電信技術(shù)和電信服務(wù)，區(qū)別與傳統(tǒng)的移動(dòng)通信，具有以下特點(diǎn)： 為 GSM 提供數(shù)據(jù)包傳輸模式的服務(wù)。 向用戶提供更高的接入速率 115kbit/s 和更短的接入時(shí)間。 通過(guò)支持不同的 QoS 機(jī)制向用戶提供不同種類的可選服務(wù)。 采用無(wú)線頻譜資源的共享使用來(lái)提供資源的利用率。 底層基于 TCP/IP 協(xié)議，可與因特網(wǎng)進(jìn)行無(wú)縫連接。 可提供按時(shí)間、流量、內(nèi)容等更加靈活的計(jì)費(fèi)方式。 GPRS 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，幾乎所有中低速率的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)都可以應(yīng)用，如城市配電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化、自來(lái)水、煤氣管道自動(dòng)化、商業(yè) POS機(jī)、 Inter 接入、個(gè)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(yīng)用， GPRS 也可使無(wú)線終端支持 ； BZB、 BZC 的電子商務(wù)和電子支付、基于 GPRS 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 股票交易、銀行轉(zhuǎn)帳等應(yīng)用。 GPRS 同樣可以應(yīng)用于公司內(nèi)部網(wǎng) (INTRANET)，基于 IP 的遠(yuǎn)程 LAN 接入，使無(wú)線終端成為 LAN 的延伸。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) GPRS網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有 GSM網(wǎng)絡(luò)中對(duì) BTS、 BSC、 HLR進(jìn)行升級(jí)， 并增加 SGSN (GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn) )和 GGSN (GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn) )來(lái)實(shí)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(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。 圖 21 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu) 移動(dòng)終端 （ MS） ： 移動(dòng)終端包括移動(dòng)物理設(shè)備 （ 例手機(jī)的裸機(jī) ） 和 SIM 卡兩部分。移動(dòng)臺(tái)的類型很多，除了車載臺(tái) 、便攜式移動(dòng)臺(tái)，還有人們熟悉的手機(jī)等。 SIM 卡其實(shí)是一張符合 ISO 標(biāo)準(zhǔn)的 IC 卡 ， 由 CPU 和存儲(chǔ)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(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(tái)（ BTS）和基站控制器 （ BSC）兩部分組成?；咀酉到y(tǒng)一方面通過(guò) BTS 利用無(wú)線接口與移動(dòng)臺(tái)相連 ， 負(fù)責(zé)信息的無(wú)線發(fā)送 /接收和無(wú)線資源的管理；另一方面 ， 通過(guò) BSC 和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中的移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心（ MSC）相連 ， 現(xiàn)移動(dòng)用戶之間以及移動(dòng)用戶和固定電話網(wǎng)絡(luò)用戶之間的通信連接。 移動(dòng)業(yè)務(wù)控制中心（ MSC）： MSC 是網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的核心。 MSC 是交換機(jī) ，具有號(hào)碼存儲(chǔ)、呼叫處理、路由選擇、回波抵消和超負(fù)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(qǐng)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(qǐng)求更新數(shù)據(jù)庫(kù)的部分功能。 GPRS 業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn) (SGSN)：主要功能是對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行鑒權(quán)和移動(dòng)性管理，建立移動(dòng)終端到 GGSN 的傳輸通道，接收從 BSS 傳送來(lái)的移動(dòng)終端分組數(shù)據(jù)，通過(guò) GPRS 骨干網(wǎng)傳送給 GGSN 或者將分組發(fā)送到同一服務(wù)區(qū)內(nèi)的移動(dòng)終端。 SGSN 還可集成計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)、邊緣網(wǎng)關(guān) （ 負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)不同 GPRS 網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián) ）和防火墻的功能。 GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn) （ GGSN）： 是連接 GPRS 網(wǎng)絡(luò)與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。對(duì)于外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，它就是一個(gè)路由器，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)已經(jīng)激活的 GPRS 用戶的路由信息。 GGSN 接收移動(dòng)終端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的外部網(wǎng)路，或接收來(lái)自外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，通過(guò)隧道技術(shù)，傳送給相應(yīng)的 SGSN。另外 GGSN還可以具有地址分配、計(jì)費(fèi)、防火墻功能。 SGSN 和 GGSN 間的通信，以及其它網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間的通信，是通過(guò)新增接口來(lái)完成，實(shí)現(xiàn) GPRS 的新功能， GPRS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入的新的網(wǎng)絡(luò)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(dāng) SGSN 與 GGSN 位于不同的 PLMN 時(shí)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(wù)的網(wǎng)間 MSC）基于 GPRS 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(dòng)交換中心 ） /VLR（ 訪問(wèn)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(jì) 費(fèi)網(wǎng)關(guān) ） 之間的接口 。 Gf 接口 ： SGSN 與 EIR（ 設(shè)備標(biāo)識(shí)寄存器 ） 之間的接口 。 SGSN 和 GGSN 兩節(jié)點(diǎn)可分可合， 即它們的功能既可以由一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)全部實(shí)現(xiàn)，也可以由不同的物理節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它們都應(yīng)有 IP 路由功能，并能與 IP路由器互聯(lián)。 GPRS 主要是用來(lái)提供非語(yǔ)音的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的， GPRS 提供了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)到TCP/IP 或 網(wǎng)絡(luò)的接口，可以把 GPRS 網(wǎng)絡(luò)看作是一個(gè) IP 子網(wǎng)。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)中， GGSN 承擔(dān)了類似于路由器的工作，使 GPRS 的特性對(duì)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的。移動(dòng)終端就像 GPRS 子網(wǎng)中的普通主機(jī)，通過(guò) IP 地址來(lái)識(shí)別。 GPRS 連接原理 一個(gè)能夠正常使用的 GPRS 移動(dòng)臺(tái)，如果沒(méi)有開(kāi)機(jī)，網(wǎng)絡(luò)是無(wú)法得知它的位置的 ； 盡管 SIM 卡和 HLR 中存放有該移動(dòng)臺(tái)的信息，但 VLR 中并沒(méi)有和其關(guān)的數(shù)據(jù)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)開(kāi)機(jī)時(shí)，向 MSC/VLR 發(fā)送位置登記報(bào)文，同時(shí)更新 SGSN中的位置信息。 GPRS 移動(dòng)臺(tái)不僅僅是一個(gè)電話，它更像是一個(gè)內(nèi)置了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(dòng)臺(tái)也有自己的標(biāo)識(shí)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(dòng)臺(tái)在接入網(wǎng)絡(luò)之前，必須先通知網(wǎng)絡(luò) ； 網(wǎng)絡(luò)得到這個(gè)通知之后，會(huì)為其分配一個(gè) IP 地址。 GPRS 移動(dòng)臺(tái)連接到網(wǎng)絡(luò)上的過(guò)程可以分為兩個(gè)階段 ： 基于 GPRS 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 （ 1） 連接到 GSM 這一過(guò)程也叫做 GPRS attach， GPRS 移動(dòng)臺(tái)開(kāi)機(jī)后，向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個(gè) attach消息， SGSN 得到該消息后，向 HLR 請(qǐng)求有關(guān)用戶數(shù)據(jù)并驗(yàn)證用戶身份，決定是否允許移動(dòng)臺(tái)接入網(wǎng)絡(luò)。 （ 2） 連接到 IP 網(wǎng)絡(luò) 這一過(guò)程叫做 PDP 上下文激活， GPRS 移動(dòng)臺(tái)完成 attach 之后，網(wǎng)絡(luò)會(huì)為其分配一個(gè) IP 地址，使其成為 IP 網(wǎng)絡(luò) 的一部分。一個(gè) GPRS 用戶可能有一個(gè)靜態(tài)IP 地址 ： 該 IP 地址固定分配給某個(gè)用戶，用戶每次上網(wǎng)都使用同一個(gè) IP 地址 ；或者有一個(gè)動(dòng)態(tài) IP 地址 ： 每次開(kāi)始新的會(huì)話時(shí)，網(wǎng)絡(luò)都隨即為用戶重新分配一個(gè) IP 地址。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)工作原理 GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái) 傳輸平臺(tái)由一個(gè)分層協(xié)議結(jié)構(gòu)組成。用于用戶信息傳輸以及與此相關(guān)的信息傳輸中的過(guò)程控制（例如：流量控制、檢錯(cuò)、糾錯(cuò)和錯(cuò)誤恢復(fù)等）。傳輸平臺(tái)通過(guò)底層無(wú)線接口和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（ Network Switching Subsystem，簡(jiǎn)稱 NSS）平臺(tái)連接，這種獨(dú)立性是通過(guò)保留 Gb 接口來(lái) 實(shí)現(xiàn)的。 GPRS 傳輸協(xié)議平臺(tái)如圖 22所示。 1. GPRS 隧道協(xié)議（ GPRS Tunneling Protocol，簡(jiǎn)稱 GTP） GPRS 骨干網(wǎng)中 GSN 間的用戶數(shù)據(jù)和信令利用 GTP 進(jìn)行隧道傳輸。所有的點(diǎn)對(duì)點(diǎn) PDP 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ PDP Data Unit， PDU）將由 GTP 協(xié)議進(jìn)行封裝。 GTP是 GPRS 骨干網(wǎng)中 GSN 節(jié)點(diǎn)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(duì) GTP 作了規(guī)范。 2. TCP 協(xié)議（ Transport Control Protocol，簡(jiǎn)稱 TCP） 在 GPRS 骨 干網(wǎng)中需要一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)鏈路（如 ）進(jìn)行 GTP PDU 的傳輸時(shí)，所用的傳輸協(xié)議是 TCP 協(xié)儀。如果不要求一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)鏈路（如 IP），就使用 UDP 協(xié)議來(lái)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(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 PDU 丟失或破壞的功能。 UDP 提供防護(hù) GTP PDU 受到破壞的功能。 圖 22 GPRS 傳輸協(xié)議平臺(tái) 3. 網(wǎng)際協(xié)議（ Inter Protocol，簡(jiǎn)稱 IP） 這是 GPRS 骨干網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)上的 ， 隨著 IPv6 的廣泛使用 ， GPRS 會(huì)最終采用 IPv6協(xié)議。 4. 子網(wǎng)相關(guān)融合協(xié)議（ Subwork Dependent Convergence Protocol，簡(jiǎn)稱SNDCP） 這個(gè)傳輸功能將網(wǎng)絡(luò)級(jí)特性映射到底層網(wǎng)絡(luò)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(dòng)臺(tái)和 SGSN 之間傳送的數(shù)據(jù)被分割為一個(gè)或多個(gè) 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(nèi)。 SNDCP 在 中有說(shuō)明。 5. 邏輯鏈路控制（ Logical Link Control，簡(jiǎn)稱 LLC） LLC 是一種基于高速數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程 HDLG 的無(wú)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(fù)責(zé)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