【導(dǎo)讀】一套基于GPRS的原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)。杜絕偷盜油現(xiàn)象。整個(gè)系統(tǒng)旨在提高分布式油田的信息化管理水平。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端和計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心。前閥門狀態(tài)，并提供報(bào)表打印等功能。通信模塊、圖像采集模塊、鍵盤與顯示模塊和系統(tǒng)供電模塊。模塊由BenQ公司的M23AGSM/GPRS模塊及相關(guān)外圍電路組成，論文中對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊、GPRS通信。次化的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。件分層，再結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)、利用事件驅(qū)動(dòng)的方法來設(shè)計(jì)的。論文最后對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心的軟件開發(fā)作了簡(jiǎn)要說明。關(guān)鍵詞：GPRS，分布式油田，計(jì)量和防盜，Cortex-M3內(nèi)核，

　　

【正文】 TDMA 幀結(jié)構(gòu)。因此，在 GSM 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建 GPRS系統(tǒng)時(shí)， GSM 系 統(tǒng)中的絕大部分部件都不需要作硬件改動(dòng)，只需作軟件升級(jí)。有了 GPRS，用戶的呼叫建立時(shí)間大大縮短，幾乎可以做到 “ 永遠(yuǎn)在線 ” 。此外， GPRS 是以營(yíng)運(yùn)商傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量而不是連接時(shí)間為基準(zhǔn)來計(jì)費(fèi)，從而令每基于 GPRS 的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè) 14 個(gè)用戶的服務(wù)成本更低 [ 23]。 GPRS 是在原 有的基于 電 路交換數(shù)據(jù)業(yè) 務(wù) CSD（ Circuitswitched data services） 方式的 GSM（ Global System of Mobile munication） 網(wǎng)絡(luò)上引入了 兩個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) [ 24]： GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn) SGSN（ Serving GPRS Suport Node） 和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn) GGSN（ Gateway GPRS Suport Node）。 GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)和 移動(dòng)交換中心 MSC（ Mobile service switching center） 在同一等級(jí)水平，并跟蹤單個(gè) MSC 的存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)安全功能和接入控制，并通過幀中繼連接到基站系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn) GGSN 支持與外部分組交換網(wǎng)的互通，并經(jīng)由基于 IP的 GPRS 骨干網(wǎng)和 GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn) SGSN 連通。圖 35 給出了 GPRS 與Inter 連接 的 框圖。 G P R S 骨 干 網(wǎng)S G S NB S SG P R S 模 塊I n t e r n e tG G S N數(shù) 據(jù) 中 心 圖 35 GPRS 與 Inter 連接框圖 Fig35 GPRS link with Inter diagram GPRS 終端通過接口從 數(shù)據(jù)采集器 取得數(shù)據(jù)，處理后的 GPRS 分組數(shù)據(jù)發(fā)送到 GSM 基站。分組數(shù)據(jù)經(jīng) SGSN 封裝后， GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn) SGSN 通過GPRS 骨干網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)支持接點(diǎn) GGSN 進(jìn)行通信 ， GGSN 對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)，如 Inter 或 網(wǎng)絡(luò)。 （ 3） GPRS 的幾種組網(wǎng)方式 [ 25] 利用 GPRS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸， 數(shù)據(jù)鏈路的建立是 關(guān)鍵，數(shù)據(jù)鏈路建立的方式 如圖 36， 主要有：數(shù)據(jù)中心通過 ADSL 撥號(hào)上網(wǎng) 、 數(shù)據(jù)中心申請(qǐng)固定的公網(wǎng) IP、 數(shù)據(jù)中心使用專線方式連接至移動(dòng)網(wǎng)關(guān) 、 數(shù)據(jù)中心 通過 VPN 隧道連接 和 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接 幾種方式。 基于 GPRS 的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 G P R S 數(shù) 據(jù) 采 集 終 端G P R S 無(wú) 線 基 站I n t e r n e t 網(wǎng) 絡(luò)A D S L M o d e m數(shù) 據(jù) 中 心 通 過 A D S L 撥 號(hào) 上 網(wǎng)數(shù) 據(jù) 中 心 申 請(qǐng) 固 定 的 公 網(wǎng) I P內(nèi) 部 設(shè) 備G P R S 網(wǎng) 絡(luò)專 線 方 式 連 接 至 移 動(dòng) 網(wǎng) 關(guān)V P N 隧 道 連 接G P R S 通 信 貓點(diǎn) 對(duì) 點(diǎn) 連 接 圖 36 GPRS 幾種組網(wǎng)方式 Fig36 Several GPRS’work connections modes 1）數(shù)據(jù)中心通過 ADSL 撥號(hào)上網(wǎng) 這是一種最經(jīng)濟(jì)的方案，數(shù)據(jù)中心通過普通的 ADSL（ Asymmetric Digital Subscriber Line） 包月業(yè)務(wù)連接上 Inter。但是每次連上 Inter 后數(shù)據(jù)中心獲得的公網(wǎng) IP 地址都不一樣，所以在 GPRS 數(shù)據(jù)采集終端 中無(wú)法直接設(shè)置目標(biāo) IP 來連接數(shù)據(jù)中心。 2）數(shù)據(jù)中心申請(qǐng)固定的公網(wǎng) IP 該方案和 ADSL 撥號(hào)方式類似，只是使用該方案時(shí)，用戶需要向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商（比如電信、網(wǎng)通）申請(qǐng)一個(gè)固定的公網(wǎng) IP 地址。使用該方案的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的穩(wěn)定性，并且速度上較普通 ADSL 更快些 ， 缺點(diǎn)是費(fèi)用稍高，具體情況請(qǐng)咨詢當(dāng)?shù)氐木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)商。 3）數(shù)據(jù)中心使用專線方式連接至移動(dòng)網(wǎng)關(guān) 中國(guó)移動(dòng) 針對(duì)行業(yè) 應(yīng)用還 推出 了 無(wú)線 數(shù)字 數(shù)據(jù) 網(wǎng) DDN （ Digital Data Network） 業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)使用數(shù)據(jù)專線連接用戶的數(shù)據(jù)中心和 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn) GGSN。該方案的優(yōu)點(diǎn)是具有更高的速度和更低的時(shí)延，并且在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和在數(shù)據(jù)安全性方面也有較大的提高 ， 但是費(fèi)用較高。 4）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接 當(dāng)數(shù)據(jù)中心無(wú)法連接公網(wǎng) Inter 時(shí)，可以使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式。在這種方式下，與數(shù)據(jù)中心相連的 GPRS 通信 終端 要設(shè)置為 服務(wù)器 模式，遠(yuǎn)程的 GPRS數(shù)據(jù)采集終端 要配置為 客戶機(jī) 模式。 5） VPN 隧道連接 中國(guó)移動(dòng)的無(wú)線 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng) DDN 業(yè)務(wù)除了數(shù) 據(jù)專線方式外還有 VPN 隧道方式，該方式指數(shù)據(jù)中心通過公共 Inter 與 GPRS 接入平臺(tái)間建立起 IP 隧道基于 GPRS 的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè) 16 來進(jìn)行連接。該方案比專線方式更經(jīng)濟(jì)，而速度和數(shù)據(jù)安全性比數(shù)據(jù)中心通過ADSL 撥號(hào)上網(wǎng)的方案更有優(yōu)勢(shì)。 在分布式油田原油 計(jì)量 與 防盜 系統(tǒng)的開發(fā)中，綜合考慮以上幾種 GPRS 組網(wǎng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)， 以及 為 便于整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)和后期維護(hù)， 我們使用了 數(shù)據(jù)中心申請(qǐng)固定的公網(wǎng) IP 的組網(wǎng)方式。 GPRS 模塊選型 GPRS 技術(shù)把 Inter 的通訊方式引入到了無(wú)線通信領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的互連。無(wú)線用戶可以 很方便地采用熟悉 的 標(biāo)準(zhǔn) TCP/IP 通訊模式與 Inter 直接交換數(shù)據(jù)，也就應(yīng)運(yùn) 而 生了 GPRS 終端產(chǎn) 品。 GPRS 模塊就是為使用 GPRS 服務(wù) 而開發(fā)的無(wú)線通信終端設(shè)備， 因此在開發(fā) GPRS 終端產(chǎn) 品的時(shí)候，就而臨著如何 選擇一 個(gè)低成本、易開發(fā)的 GPRS 模塊的問題。 目前市場(chǎng)上 GPRS 模塊很多， 從功能來分， GPRS 模塊可以分為兩類 ： 通用的 GPRS 模塊和內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議 棧的 GPRS 模塊。 （ 1） 通用的 GPRS 模塊 這一 類模塊的特點(diǎn)是只支持 GPRS 短信 的 收發(fā)模式，本身不具備 TCP/IP協(xié)議處理功能。應(yīng)用此類模塊時(shí)，終 端軟件基本要求 是 要能處理 PPP 撥號(hào)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 。當(dāng)處理能力不強(qiáng)或沒有操作系統(tǒng)時(shí)，需要用戶自己開發(fā)或者移植一 些協(xié)議，編程實(shí)現(xiàn) GPRS 的撥號(hào)上網(wǎng)、 PPP 配置并最終建立 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)，實(shí)現(xiàn) GPRS 的附著和激活過程，此后才能與 Inter 通信，因此用戶的開發(fā)任務(wù)較重，有時(shí)甚至超過了應(yīng)用本身的工 作量。此類模塊的代表為 Siemens 公司的 MC3 SonyEricsson 公司的 GR4 Motorola 公司的 G1 Wave 公司的Q2403 系列等。 （ 2） 內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議 棧的 GPRS 模塊 這 一類 模塊是 在通用 GPRS 模塊基礎(chǔ)上內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，用戶一般只需要調(diào)用相應(yīng)的 AT 命令對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，模塊自身就會(huì)完成 GPRS 網(wǎng)絡(luò)和Inter 的互連，然后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，開發(fā)過程比較簡(jiǎn)單。代表如 Siemens 公司的 TC4 Motorola G SIMCOM 公司的 SIM100、 BenQ 公司的 M23A 等。 隨著 GPRS 技術(shù)的不斷發(fā)展， GPRS 模塊的功能越來越強(qiáng)大，成本卻越來越 低，綜合考慮到成本和開發(fā)難度，做無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸開發(fā)時(shí)選用內(nèi)置 TCP/IP協(xié)議棧的 GPRS 模塊才是明智之舉，因此在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端的開發(fā)中選 用的是BenQ 公司 內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議棧 的 M23A GSM/GPRS 模塊。 M23A GSM/GPRS 模塊 M23A GSM/GPRS 是 BenQ 公司 推出 的 GSM/GPRS 雙頻通信模塊 [ 42]，它集基于 GPRS 的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 成了完整的射頻電路和 GSM 的基帶處理器，適合 于 開發(fā)基于 GSM/GPRS 的無(wú)線應(yīng)用產(chǎn)品，如無(wú)線終端、報(bào)警 /安防系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制等產(chǎn)品，應(yīng)用范圍十分廣泛。 M23A GSM/GPRS 模塊 主要的性能指標(biāo)如下： ? 外形尺寸 40，重量 13 克； ? GPRS Class 8 多時(shí)隙功能， Class B 操作模式； ? 支持 EGSM900/DCS1800/PCS1900 三個(gè)頻段； ? 支持 3V SIM 卡接口； ? 在 GPRS 數(shù)據(jù)通信模式下消耗電流最大 280mA； ? 電源電壓范圍 ： 直流 到 ； ? 工作溫度： 20 攝氏度到 60 攝氏度； M23A GSM/GPRS 模塊共有 44 個(gè)引腳，通過一個(gè)插槽引出。這 44 個(gè)引腳大致 可以劃分為 5 類，即電源 接口 、數(shù)據(jù)輸入 /輸出、 SIM 卡 接口 、音頻接口和 控制接口。在接口座上各引腳的編號(hào)及位置如圖 37 所示。 1234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 24 44 34 24 14 03 93 83 73 63 53 43 33 23 13 02 92 82 72 62 52 42 3V B A T T BG N DG N DG N DG N DL E D AR O W 4T X D 2I O 1 2 / D C DG N DS I M C L KS I M I OS I M R S TN CM I C B I A SM I C I PM I C I NA U X IG N DE A R PE A R NA U X O PV R S I MG N DV B A T R FV B A T R FV B A T R FG N DI O 1 0P W O NR X D 2B UG N DT X DR X DR T SC T SD S RI O 8I O 1 3I O 1 1G N DI O 6I O 1 / R 1 圖 37 M23A 模塊引腳編號(hào)及位置 Fig37 M23A module pins’ number and location M23A GSM/GPRS 模塊的各個(gè)引腳的功能如表 32 所示。 表 32 M23A 模塊引腳功能 Tab32 M23A module pins’ function 接口名稱 引腳數(shù)量 功能說明 UART/RS232 6 RS232 傳輸接口 UART2 2 內(nèi)部 軟件調(diào)試 BU 1 蜂鳴器 驅(qū)動(dòng)引腳 基于 GPRS 的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè) 18 GPIO 6 常規(guī)用途 I/O Power On 1 啟動(dòng)引腳 LED Driver 1 二極 管驅(qū)動(dòng) 引腳 SIM 4 SIM 卡接口 VBATRF 3 電 源 輸入 VBATBB 1 電池輸入 Audio 7 音頻信號(hào)接 口 Keypad Interrupt 1 鍵盤中斷 BGND 10 地 ANT 1 天線 M23A GSM/GPRS 模塊支持外部 SIM 卡，可以直接和 的 SIM 連接，模塊能自動(dòng)檢測(cè)和適應(yīng) SIM 卡類型。為使用模塊的 GPRS 功能，應(yīng)用時(shí)選用的SIM 卡需要開通 GPRS 業(yè)務(wù)。 M23A GSM/GPRS 模塊還提供標(biāo)準(zhǔn)的 RS232 串行接口，用戶通過串行口使用 AT 命令完成對(duì)模塊的 操作。 AT 指令集 AT 命令是 Hayes 公司為 MODEM（ 調(diào)制解調(diào)器 ） 制定的一個(gè)控制指令集，用于數(shù)據(jù)終端 （ 計(jì)算機(jī) ） 和 MODEM 之間的通信。由于 Hayes 公司生產(chǎn)的MODEM 產(chǎn)品在工業(yè)界占有主導(dǎo)的地位，為了保持產(chǎn)品的兼容性，其它 MODEM制造廠商也接受并使用了 AT 指令，因此 AT 命令目前在工業(yè)界已經(jīng)成為一個(gè)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，非 Hayes 公司的 MODEM 產(chǎn)品也都支持 AT 指令集。 AT 命令通常是由字符 AT 或 at（ 大小寫應(yīng)一致 ） 作為前綴， MODEM 從這兩個(gè)字符中檢測(cè)出計(jì)算機(jī)使用的波特率、字長(zhǎng)、奇偶校驗(yàn)等信息。發(fā) 給 MODEM的指令一般使用 7 個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)奇偶位和一個(gè)停止位組成的幀，也可以使用有 8 個(gè)數(shù)據(jù)位 、 無(wú)奇偶位和 1 個(gè)停止位組成的幀 ，另 每個(gè) AT 指令都是以 “ \r\n”作為結(jié)束符。 表 33 GPRS 相關(guān)的 AT 命令 Tab 33 Correlative AT mand of GPRS AT指令 指令功能 使用舉例 （指令意義） AT+IRP 設(shè)置模塊串口通信速率 AT+IRP=0(模塊自適應(yīng)串口通信速率 ) AT+COPS 設(shè)置是否自動(dòng)登陸網(wǎng)絡(luò) AT+COPS=1（ 選擇 自動(dòng)登陸網(wǎng)絡(luò)） AT+CREG 當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)情況 AT+CREG=1（查詢是否登陸上網(wǎng)絡(luò)） 基于 GPRS 的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 AT%CGPCO PCO字符串激活指令 AT%CGPCO=1,PAP,1 （激活 PCO字符串） AT+CGDCONT 定義