基于GPRS的电力监控终端网络接入方案

1、收稿日期:2006-08-10作者简介:李玉萍(1982,女,天津人,在读硕士,主要研究方向为嵌入式系统开发;齐志强(1982,男,辽宁人,硕士生,主要研究方向为嵌入式系统开发,通信技术的应用、智能仪器、仪表开发;张良祖,男,陕西人,高级工程师,主要研究方向为嵌入式系统的设计开发及其在网络环境下的应用,网络测控及相关数据库系统的设计开发与应用,I C 卡/射频卡应用系统的设计开发与应用,智能交通控制系统的设计开发与应用,DSP 技术的开发与研究;郑辑光,男,陕西人,副教授,博士,主要研究方向为先进控制系统,工业测控网络,现代检测技术,智能仪器、仪表开发。基于GPRS 的电力监控终端网络接入方案

2、李玉萍,齐志强,张良祖,郑辑光(西安交通大学电子与信息工程学院自动化系,陕西西安710049摘要:针对目前无线通信技术在电力监控系统中的应用,研究了一种通过GPRS 网络将电力监控终端接入互联网的技术方案。该方案利用GPRS 无线模块与GPRS 网络间的无线信道作为物理层接口,在此之上通过PPP 协议实现数据链路层,最后采用u I P 软件协议栈实现精简的TCP /I P 协议作为网络层和传输层。在应用层采用了自定义规约。由于协议各层次都是纯软件实现,因此本方案具有成本低廉、配置灵活的特点,并且在现场使用,效果良好。关键词:GPRS;电力监控;PPP 协议中图分类号:TP393文献标识码:A

3、文章编号:1000-8829(200703-0056-03D esi gn of Electr i c Power M on itor i n g Un it Accessi n g I n ternet Ba sed on GPRSL I Yu 2p ing,Q I Zhi 2qiang,ZHANG L iang 2zu,ZHENG J i 2guang(School of Electric and I nfor mati on Engineering,Xi an J iaot ong University,Xi an 710049,China Abstract:Due t o the ap

4、p licati on of wireless communicati on technol ogy in the electric power monit oring syste m,the method that pow 2er monit oring unit accessing I nternet based on GPRS is p resented .The wireless channels bet w een the GPRS wireless module and GPRS net w ork are as the interface of physical layer,th

5、e PPP is used t o data link layer .A ls o the u I P p r ot ocol instead of the comp li 2cated TCP /I P is used t o i m p le ment the net w ork layer and the trans port layer .The user 2defined p r ot ocol is used t o the app licati on layer .Since the p r ot ocols are i m p lemented by s oft w are,i

6、t is l ow cost and flexible configurati on .And the power monit oring unit is used in good working order .Key words:GPRS;power monit oring;point 2t o 2point p r ot ocol随着现代计算机技术、电子技术、网络通信技术的飞速发展,尤其是无线通信技术的发展,使得远程抄表系统、负荷管理系统、电力调度自动化系统等各种类型的电力监控系统得到了大规模的应用。GPRS 是在现有的GS M 系统基础上引入新的部件构成的无线数据传输系统,它的基本功能是

7、在移动终端和I n 2ternet 网络之间传输分组数据,具有可接入范围广、数据传输速率高、快捷登录、永远在线、按流量计费等优点。1GPRS 技术的特点和优势GPRS (GPRS,general packet radi o service 是通用分组无线业务的英文缩写,是GS M phase2+阶段引入的内容之一,是GS M网络向第三代移动通信过度的第一步。它的基本功能是在移动终端和I nternet 网络的路由器之间传输分组数据。目前GPRS 在国内已经得到了相当大规模的应用。GPRS 能够提供比现有的GS M 网9.6kb /s 更高的数据传输速率,理论最高速度可达170kb /s,巨大的

8、吞吐量改变了以往单一面向文本的无线数据应用。这种较高的通信速率,使得在工业自动化等领域,采用GPRS 作为一个分布式系统的各个部分之间的数据传输通道成为可能。除了速度上的优势外,GPRS 还有“永远在线”和接入范围广的优点。因此,采用GPRS 方式是一种非常实用的网络传输方案。2总体方案2.1终端的硬件平台终端硬件平台电路中采用了美国TI 公司推出的M SP430超低功耗16位单片机。MSP430是一种超低功耗的混合信号控制器,采用16位R I SC 结构具有低电源电压、超低功耗等特点,它内置看门狗定时器、温度传感器、2个带有捕获/比较寄存器的16位定时器和2个串行通信接口等片内外设,系统工作

9、非常稳定,并支持JT AG 在系统编程。硬件平台中的无线Modem 选择了西门子公司的MC35i,该款无线Mode m 集成了标准的RS232接口、SI M 卡和无线接口。并在标准贺氏AT 指令集的基础上扩展了若干专用于GPRS 等功能的AT 指令。可以工作于900/1800MHz 网络下,作为工业级产品,工作性能稳定,信号质量极高。但MC35i 并没附带协议栈,因此协议栈需要自行实现。2.2通信协议栈在终端侧的实现对终端而言,要通过GPRS 接入互联网,该过程涉及到5个层次的通信:物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。其65测控技术2007年第26卷第3期物理层是无线信道,通过终端内部

10、的无线Mode m 拨号到GGS N 的号码即可实现。具体来说,终端内部的单片机通过串口与无线Mode m 通信,通过无线Mode m 提供的AT 指令驱动无线Mo 2de m 拨打GGS N 的接入号码,待GGS N 应答后,就建立了载波。从而实现了物理层接口。数据链路层一般采用PPP 协议,通过PPP,终端可以与GPRS 网络之间收发I P 数据包了。终端发出的I P 数据帧被封装成PPP 帧后,又被无线Mode m 打成数据分组,进入GPRS 网络,在GPRS 网络内部经过多种接口和协议转换,经GGS N 接入I nternet 。因此对终端而言,其网络接口层最终通过GPRS 信道之上的

11、PPP 来实现,这种GPRS 信道之上的PPP 称为PPPoG (PPP over GPRS,GPRS 之上的PPP 。为了提高可靠性,在传输层采用了T CP 协议。终端与I n 2ternet 层通过I P 数据建立了一种连接关系。虽然能够收发I P 数据,但是还需要在I P 数据之上添加TCP /I P 协议栈u I P0.9。对于收到的I P 数据,u I P 使用I P 协议从中解析出I P 帧,然后再使用TCP 协议解析成TCP 数据交给应用层。反过来,u I P 把应用层提供的数据根据TCP 协议封装成报文,再根据I P 协议组成I P 包,最后经由PPPoG 提供的网络接口层发出

12、去。3工作流程3.1终端通过拨号实现物理层MC35i 无线Mode m 内置了AT 指令集用以操作控制Mo 2de m 。同时它还内置了8个扩展AT 指令,专门用于GPRS 应用。在拨号前,首先应该附着到GPRS 网络,接下来就可以进行P DP 上下文激活了。当激活完成后,就可以开始拨号到GGS N 提供的号码,GGS N 应答拨通后,就建立了载波。具体连接共使用了4个AT 指令,如表1所示。表1终端拨号到GGS N 使用的AT 指令#001AT +CG ATT =1用来附着到GPRS 网络#002AT +CG DCONT =1,I P,C MNET用来定义P DP 上下文,使用I P 协议,

13、接入点(AP N 是C MNET #003AT +CG ACT =1用来激活P DP 上下文#004AT D 3993331#拨号到GGS N依次执行这些指令,前3条AT 指令执行后返回“OK ”表示指令执行正确。第4条执行后,返回“CONNECT ”则表示与GGS N 之间的载波建立。至此,物理层的通道就建立成功了,实际上不采用AT D 3993331#指令,而是采用AT +CG DAT A =PPP,1也可以与GGS N 建立物理通道。之后就由PPP 来实现数据链路层了。需要说明:GGS N 的接入号码有多个,如399#,3991#都是中国移动提供的接入号码。根据本项目的实际经验,拨入这几

14、 个号码都可以成功建立物理链路,但是在之后的PPP 链路建立过程中,有的号码会失败。经测试,3993331#是比较可靠的接入号码,在各地基本都能成功接入并建立PPP 链路。3.2终端通过PPP 实现数据链路层当终端接入GPRS 网络时,PPP 负责与GGS N 鉴权、协商、数据封包。PPP 规范由RFC1661定义,是为建立在两个对等实体之间传输包的简单链路而设计的。这种链路提供全双工操作,并按照顺序串行传递数据包。PPP 的目的是提供一种可以方便连接不同主机、网桥和路由器等的公共解决方案。在建立点对点的通信链路过程中,PPP 链路经历了几个不同的阶段,如图1所示。图1PPP 链路状态转换图在

15、此过程中,先后采用了LCP 、P AP /CHAP 和NCP 进行协商。为了叙述方便,首先定义两个状态机:LCP 状态机和NCP 状态机,在链路建立过程中,LCP 状态机和NCP 状态机发生相应状态变化。本流程不仅仅适用于GPRS 网络的接入,也适用于一般的终端接入到I SP 等典型PPP 应用场合。为了使一次建立通信过程完整,这里包括了物理链路的建立。物理链路的建立和关闭不属于PPP 范畴。流程如表2所示。(1按照步骤2,终端收到一个Config -Request 报文:75基于GPRS 的电力监控终端网络接入方案表2终端建立PPP链路的流程1.终端与I SP间建立物理链路,常见的是通过各种

16、Modem(ADS LMode m、GPRS Modem等拨号,I SP应答,从而建立载波,物理链路建立完毕。物理链路建立成功后,会向PPP数据链路层发送一个Up事件。收到该事件后,链路层开始建立PPP链路,以下转入PPP链路建立过程。2.I SP检测到载波后,立即向终端发送Config-Request(LCP报文。3.终端接收到该请求后,向I SP发送Config-Request(LCP报文,拒绝3好配置项(鉴权方法配置之外所有配置内容。4.I SP再次向终端发送Config-Request(LCP报文,携带内容中只包含鉴权方法配置,一般I SP会请求使CHAP方式鉴权。5.终端向I SP发

17、送Config-Nak(LCP报文,否定采用CHAP方式鉴权,建议I SP采用P AP方式来鉴权。6.I SP又向终端发送Config-Request(LCP报文,按照终端上一步建议,请求用P AP方式鉴权。7.终端向I SP发送Config-Ack(LCP报文,认可I SP的请求。这时候LCP状态机进入Opened状态。8.终端向I SP发送Config-Request(LCP报文,携带内容为请求AC2C M配置。9.I SP向终端发送Config-Ack(LCP报文,认可终端请求的ACC M配置。10.终端收到该报文后,PPP链路状态立即跃迁到链路鉴权阶段。因此终端向I SP发送P AP请

18、求验证报文,携带内容为用户名和密码。接入GPRS时,用户名和密码均为空。11.I SP向终端发送P AP确认验证报文,表示鉴权成功。12.终端收到确认验证报文后,PPP链路再次跃迁到下一个阶段:网络层协议阶段。因此终端马上向I SP发送Config-Request(LPCP报文,请求I P地址。由于终端I P是动态分派,因此无法确认自己I P地址,因此全部填写为0。13.I SP向终端发送Config-Nak(I PCP报文,拒绝了终端的I P地址请求,同时给出了I SP为终端分配的I P地址。14.终端再次向I SP发送Config-Request(I PCP报文,请求I P地址,这个I P

19、地址正是上一步得到的由I SP分配的I P地址。15.I SP向终端发送Config-Ack(I PCP报文,认可这个I P地址。前4个字节含义见说明,0X01为配置申请标志,0X03为帧的标识号,0X19为帧长,0X02为异步控制字符映射选项标志, 0X06为该项长度,0X000A0000为该选项值。(2按照步骤3,终端向I SP发送Config-Request(LCP报文:(3按照步骤4,5,6,7报文依次如下:此时LCP进入Opened状态。(4按照步骤8,终端向I SP发送Config-Request(LCP报文,携带内容为请求ACC M配置,FF03C021*A0206FF FF F

20、F FF DE2C(5按照步骤9,10,11,12终端收到验证报文后,PPP链路再次跃迁到下一个阶段。(6步骤13中,I SP给终端分配新的I P地址的报文:FF0380210108000A030600000000241A(7步骤14,终端得到上一步由I SP分配的I P地址,FF0380210302000A03060A B60A F A CA83000205 06283785D60305C223050C0F(8按照步骤15,I SP认可这个I P地址:FF0380210102000A03060A B60A F A84DB其中,0X0A B60A F A即为I P地址。说明:(1PPP帧结构的

21、起始和结束符0X7E均省略。(20XFF为地址码,0X03为控制码,紧跟着的两个字节是协议类型如0XC021为LCP,再下来是数据域,最后为两位的校验码。当终端收到I SP的Config-Request(I PCP报文后,PPP链路就已经建立起来了,可以承载网络层数据包了。在实际测试过程中,通过上面的步骤建立起来的PPP链路稳定可靠,在实际中已得到测试。3.3使用u I P来实现网络层和传输层通过PPP,终端和GGS N之间已经可以收发I P数据流了。但是还不能够直接通信,还需要在数据流上放置TCP/I P协议栈才可以实现通过GPRS与I nternet上的某一节点间的通信。PPP链路建立完毕后,立即开始建立TCP通信链路。调用u I P的ui p_connect(函数主动连接