基于GPRS网络构建分布式远程测控系统的研究

基于GPRS网络构建分布式远程测控系统的研究

摘要：

本文简要介绍了GPRS技术的原理和特点，提出了一种基于GPRS网络的远程无线分布式测控系统的构建方案，系统以MSP430F149为终端的MCU，对如何接入GPRS网进行了具体说明，最后分析了系统数据传输的安全性。

关键词：

GPRS

远程监控

无线传输

MSP430

中图分类号：TP274

文献标识码：B

The

Research

in

Building

Distributed

Wirelss

Monitor&control

System

Based

on

GPRS

Tang

zhenyu

Zhou

jinling

(computer

and

information

engineering

college，hohai

university，nanjing

jiangsu)

Abstract:

This

paper

introduces

the

technical

theory

points

of

GPRS

firstly，then

brings

forward

a

project

used

to

build

a

kind

of

tele-wireless

distributed

monitor&control

system

based

on

GPRS。This

project

adopts

MSP430F149

as

MCU，narrates

partically

the

framework

of

the

system，and

expatiate

on

the

approtch

how

to

carrying

out

each

technical

point

concretely，including

the

design

of

hardware

of

the

equipment，the

design

of

software，the

protocols

and

commands

which

will

be

used，and

the

design

of

building

monitor&control

center。And

finaly，the

security

of

data

in

wireless

transmission

is

also

discussed。

KEYWORDS：GPRS

monitor&control

wireless

communication

MSP430

引言：

远程测控系统的构建是计算机技术、通信技术和智能传感器技术的综合应用，现在计算机技术和传感器技术已经比较成熟，对于分布式系统，往往整个系统构建的技术瓶颈在于如何设计一个有效的通信网络，从而保证那些在空间上分散的甚至分布极广而且环境恶劣的传感器能够与监控中心实时地进行数据交换。

传统的方案就是架设专用的通信电缆，或者无线电台，但由于测控点分散，架设专用电缆成本极高，而且在通信网络的拓扑结构上也难以符合要求，长距离通信对于常用的RS232、RS485而言其通信驱动能力也难以实现，架设无线电台虽然建设比较简单，但是受功率和无线频率资源的限制，信号传送距离一般不能超过几十公里，对于空间域跨度很大的分布式测控系统显然无能为力。中国移动的GPRS（通用无线分组业务）服务为远程的无线数据传输提供了一条新的有效途径。GPRS网络适合于小型数据的频繁传输和突发的大数据量的传输，比较适合一般的测量控制系统。

1．GPRS网络的数据传输技术简介

GPRS（General

Packet

Radio

Service）是GSM

Phase

2+阶段引入的一种基于分组的数据业务，是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准。GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构，因此它的一个较大的优势是能够充分利用现有的GSM网。GPRS是基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS充分利用共享无线信道，采用IP

Over

PPP实现数据终端的高速、远程接入。

GPRS系统在GSM网络的基础上增加了分组控制单元（PCU）、服务GPRS支持节点（SGSN）、网关GPRS支持节点（GGSN）三个网元设备。PCU从话音业务中分离出数据业务，控制无线信道的分配。SGSN的功能与MSC/VLR类似，具有网络接入控制、路由选择和转发、移动性管理、计费信息的收集等功能，支持Gb、SS7、Dr等接口。GGSN则是GPRS接入外网的网关，只要功能为网络接入控制、计费信息收集、路由选择、地址映射等，GGSN支持基于IP或X.25协议与外网的透明和不透明连接。

作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术（2.5G），GPRS业务具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性和频发性的小数据量实时传输中有不可比拟的优势，主要有以下几点：

（1）

资源利用率高。GPRS引入了分组交换的传输技术，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这就意味着多个用户可以高效地共享无线信道资源。而GSM采用电路交换模式，在传输数据时必须建立端到端地连接，并且在连接期间无论用户是否传输数据都将独占信道。

（2）

传输速率大大提高。GPRS网络可以提供最高达171.2kbit/s的理论速率。在一般的应用中也能达到几十kbit/s，这主要视数据传输的可靠性要求而定。而GSM所能提供的最高数据传输速率仅为9.6kbit/s。

（3）

接入时间短。分组交换的接入时间一般为1s－3s，甚至可以小于1s，这样大幅度提高了通信和事务处理的效率，为一般的测控系统提供了实时性的保证。

（4）

支持IP协议和X.25协议。GPRS支持现在Internet上应用最广泛的IP协议和X.25协议，GPRS为网内终端分配动态的IP地址，通过GGSN接入Internet，从而将GPRS的连接范围扩大到了全世界，这为广域的分布式系统的构建提供了良好的平台。

因此，GPRS特别适合于远程无线的分布式测量控制系统，比如：运输业、

GPS汽车定位、无线POS、无线ATM等；气象、水文的SCADA系统，对灾害进行遥测和告警；城市公用事业实时监控维护系统，如水、电、气以及热水系统、污水管网等的实时监控和维护，电力农网的配电自动化等等。

2．系统的总体设计

2．1.

系统结构

系统的总体设计如图1.整个系统由智能采集终端、GPRS网络、Internet网和监控中心服务器Server四个部分组成。采集终端是一个集成了GPRS调制解调模块的单片机装置，可以看成是一个GPRS网络中的移动台（MS）。MS到远端Server的路由使用了打包和通道协议的原理，MS采集的数据要发送到Server，同时也可以接收来自远端Server的控制命令。Server是在Internet网中具有固定IP地址的计算机。系统的结构框图如图1所示。

整个系统的设计内容包括数据采集终端以及与GPRS模块接口的设计、终端TCI/IP协议的处理、GPRS终端与监控中心的互联、监控中心的网络接入和软件配置。

2．2．数据采集智能终端的设计

考虑到工业（尤其是工矿、森林、油田等野外边缘地区）测控的一般环境需要，在采集终端的设计中努力实现低功耗指标，MCU采用TI公司的16位MSP430F149作为核心处理部件。MSP430F149能够实现超低功耗的CPUOff和OSCOff工作模式，在1.8~3.6v电压、1MHz的时钟条件下，耗电电流可以低至2.5μA，在RAM保持的节电模式下更是只需0.1μA。在省电模式下将CPU用中断唤醒只需6μS。MSP430F149在片内集成了12位200kbps的A/D转换器，并且自带采样保持，还有3个16位的捕获/比较器，2个全双工串行接口，另外还内置了硬件乘法器。同时，该CPU内拥有多达60KB的FLASH存储空间和2K的RAM，可以适应各种复杂的算法编程，这也为实现TCP/IP协议栈提供了条件。

接入GPRS的调制解调模块采用西门子公司生产的MC35，它提供RS232口，可以用AT指令进行控制。MC35的主要特征有：支持语音、数据传输、短消息和传真业务；有三种不同的语音编码方式（FR/EFR/HR）；支持四种数据传输模式（CS－1、CS－2、CS－3、CS－4），数据下行最大速率为85.6kbit/s，上行速率最大为21.4kbit/s；提供RS232接口，支持AT指令集。

采集终端采用模块化设计，结构图如下：

在智能采集终端中，必须对断口进行相应的设置。首先是片上的UART口，其中第一个接GPRS模块，波特率最大可以设置为115200bps，第二个置为备用。模块与CPU之间的通信采用AT指令集，其规范必须符合“AT

command

set

for

GSM

Mobile

Equipment（ME）（GSM

07.07

version

6.4.0

Release

1997）”。采集来的模拟信号经片内A/D转换后，由CPU接收并进行IP协议打包，再通过第一个串口交给GPRS模块，发送到GPRS网络。在终端设计中需要解决数据和控制命令的TCP/IP协议打包分包问题，现在有现成的的模块可以使用，如E5112。E5112支持标准的TCP/IP4.0协议、PPP协议、UDP等。E5112可以提供透明和非透明通道的两种工作模式。如果不使用这种芯片，则需要在软件中实现至少一部分IP协议栈，目前我们已经可以使用仅6kByte的程序实现部分的PPP协议接入Internet并发UDP报文给监控中心。

2．3．智能采集终端的软件控制

MSP430

F149是利用AT指令来对MC35模块进行初始化、PDP激活、数据传输的。用户签约GPRS业务是以PDP

Context为单位的，PDP是为用户提供GPRS数据服务的基本单位，定义了数据传输过程中的用户端地址、服务接入点和QoS等重要参数，其中PDP类型定义了PDP

Context激活期间用户使用的协议类型，包括IPv4、IPv6、X.25，目前常用的是IPv4。

常用的AT指令有：

（1）

连接到GPRS网络：AT＋CGATT＝1<CR>。MC35回答：OK。

（2）

发起PDP

Context激活请求：AT＋CGDCONT＝1，IP，CMNET<CR>。

MC回答：OK。

（3）

协商QoS(服务质量)：AT＋CGQREQ＝1，3，4，3，0，0<CR>。MC回答：

OK。其中数字表示<PDP

Context标志符>，<服务优先级>，<延迟级别>，<可靠性级别>，<峰值吞吐量级别>，<平均吞吐量>。

（4）进行PDP

Context激活：AT＋CCACT＝1，1<CR>。MC35回答：OK。该

指令用于在数据传输前先激活。

（5）进入数据传输模式：AT＋CCDATA＝PPP，1<CR>。MC回答：CONNECT。然后就可以PPP帧格式直接传输数据,MC35的回答也是以PPP帧格式，只能等到PPP连接终止才可以发送更多的AT指令。

在数据传输的逻辑接口方面，链路层之上是IP层，IP层之上可选的协议主

要有面向连接的TCP协议和非面向连接的UDP协议。当业务的数据要求高可靠性时，应该选用TCP协议，但TCP协议实现起来复杂，系统负荷太大，UDP协议没有可靠性的保证，但它的网络负荷小，比较适合实时数据的传输。

2．4．监控中心的构建

对于分布式的远程测量和控制系统来说，数据监控中心部分也非常重要。在一个实用的系统中，监控中心可能要同时监控数以百计的仪器仪表，本系统的一个优势就是基于IP协议和Internet网，目前基于互联网的分布式应用程序的开发已经积累了相当的经验，有多种开发语言（如JAVA、ASP.NET、C＃等）都支持快速可靠的服务端应用的开发。

3.

关于GPRS数据传输的安全性分析

基于GPRS的数据传输存在的安全威胁有来自无线接入的，有来自GSM网的，也有来自互联网的。GPRS网络的各个接口如Um（提供无线接入服务）、Gp（不同GPRS网络接口）、Gi（GPRS网与外网接口）都有可能受到攻击，GPRS提供一种基本的通信服务，并未有相应的一套强大的安全机制。目前只有组合现有的安全措施如用户认证、防火墙、VPN、数据加密等设计相应的安全方案。用户认证主要由SIM卡完成，防火墙主要构建在GPRS网和外部Internet网之间，由于GPRS也是基于IP的，在大多数情况下，布置VPN的方式主要采用IPSec。IPSec有成熟公开的标准，能提供机密性完整性等方面的安全功能。用户可以在此基础上对传输数据进行加密，以确保数据的安全。

结语：

本文采用GPRS调制解调MC35结合MSP430F149实现数据的实时传送，构建了一种无线远程的分布