??? 摘??要: 從應用角度，介紹了利用中國移動的GSM/GPRS無線公網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸手段，構(gòu)建遠程數(shù)據(jù)采集（測量）系統(tǒng)的方法。?

??? 關鍵詞： GSM/GPRS; 遠程測量; 工業(yè)控制

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??? 移動通信技術是當今世界上發(fā)展最快的科學技術領域之一。由于面向公眾和適應移動的特點，其覆蓋范圍之廣超過任何網(wǎng)絡。國內(nèi)從1995年開始建設GSM網(wǎng)絡，當前GSM網(wǎng)絡和GPRS網(wǎng)絡已覆蓋全國。中國移動的GSM基站已達30.7萬個，平均覆蓋率高達98%。雖然無線公網(wǎng)是針對移動通信業(yè)務建設的，但利用其豐富的網(wǎng)絡資源和信號延伸能力，開展其他增值業(yè)務，例如應用無線公網(wǎng)構(gòu)建遠程測量系統(tǒng)，與采用有線方式相比，具有組網(wǎng)靈活、擴展容易、無需建設網(wǎng)絡，只要安裝好設備就可投入運行，建設成本低、維護簡單、運行費用低的特點。特別適合距離遠，采集點分散的領域。?

1 GSM及GPRS簡介?

1.1 GSM的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)?

??? GSM移動通信系統(tǒng)由許多功能單元組成，從圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看到其中包含4個獨立的子系統(tǒng)。另外GSM網(wǎng)絡中還包含短消息業(yè)務中心。與用戶打交道的主要是移動臺和基站。?

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??? GSM系統(tǒng)支持電信業(yè)務，包括電話、短信、可視圖文、傳真和數(shù)據(jù)業(yè)務。包括300～9 600? b/s的電路交換異步數(shù)據(jù)，1 200～9 600 b/s電路交換同步數(shù)據(jù)和300～9 600 b/s分組交換異步數(shù)據(jù)業(yè)務。?

1.2 GSM提供的數(shù)據(jù)業(yè)務?

??? GSM可提供的業(yè)務類型眾多，其主要業(yè)務中包含有多種數(shù)據(jù)業(yè)務，其中在業(yè)務信道上的數(shù)據(jù)業(yè)務有傳真業(yè)務和Internet連接，其數(shù)據(jù)傳遞具有固定時延，但不保證數(shù)據(jù)完整性的透明傳輸；也可以引入請求重發(fā)機制以保證數(shù)據(jù)完整性的非透明傳輸，但卻引入了可變時延。?

1.3 GPRS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)?

??? GPRS網(wǎng)絡構(gòu)建在GSM網(wǎng)絡基礎之上,是對原有的GSM網(wǎng)絡子系統(tǒng)和無線子系統(tǒng)的設備及功能增強后的網(wǎng)絡。其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖2所示。?

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??? 從圖2中可看出，GPRS網(wǎng)絡是在GSM網(wǎng)絡的基礎上疊加了一層而組成，包括服務支持節(jié)點(SGSN）、網(wǎng)關支持節(jié)點(GGSN）、分組控制單元(PCU）、計費網(wǎng)關(CGF）、域名系統(tǒng)(DNS）和邊界關口(BG）。在無線子系統(tǒng)中為支持用戶的數(shù)據(jù)傳送增加了相應的業(yè)務信道和控制信道及功能，以保證GPRS的多種業(yè)務。?

1.4 GPRS提供的數(shù)據(jù)業(yè)務?

??? 雖然GSM網(wǎng)絡提供了數(shù)據(jù)業(yè)務，但不能完全滿足用戶的需要，甚至運營商自己的業(yè)務需要也不夠。因而GPRS設計了一系列機制，使其以有效的方式在用戶和外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間傳送用戶數(shù)據(jù)分組。?

??? GPRS系統(tǒng)可以提供比當前GSM網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)業(yè)務高得多的數(shù)據(jù)傳輸速率。它通過在同一時間使用GSM載波上的所有8個時隙，可以實現(xiàn)最高達到172.2 Kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。?

??? 電路型數(shù)據(jù)業(yè)務和分組型數(shù)據(jù)業(yè)務對比如表1所示。?

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2 應用GSM/GPRS公網(wǎng)建立遠程工業(yè)測量系統(tǒng)?

??? 從GPRS系統(tǒng)提供的業(yè)務能力來看，應用其構(gòu)建實時性要求不是很強的系統(tǒng)，特別是開環(huán)的測量系統(tǒng)，具有明顯的優(yōu)越性。組網(wǎng)非?？旖莺挽`活。例如構(gòu)建廣域的環(huán)保參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)可隨意按省、市、縣行政區(qū)劃布置和跨區(qū)布置。油田井位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水文數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、遠程抄表系統(tǒng)等等都是GPRS網(wǎng)絡的應用領域。本文在一個遠程的溫度參數(shù)采集系統(tǒng)中應用GSM/GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)了跨省地域的遠距離聯(lián)網(wǎng)，其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。?

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??? 在這個系統(tǒng)中，采用GPRS數(shù)據(jù)采集模塊來完成現(xiàn)場模擬量、開關量信號的采集和通過無線信道入網(wǎng)。圖4是裝置安裝在野外的現(xiàn)場照片，圖5是GPRS數(shù)據(jù)采集模塊照片。?

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??? 這個裝置由一次性鋰電池供電，每天定時采集3次，每次喚醒5 min，1節(jié)1#鋰電池可工作6個月。模塊上插入從移動運營商購買的SIM卡并充值后就可入網(wǎng)。?

??? 模塊設置成定時上線，根據(jù)下載的時間間隔定時登錄GPRS網(wǎng)絡，進行數(shù)據(jù)傳輸，中央管理計算機（數(shù)據(jù)中心）可以通過公網(wǎng)使用VPN接入到移動GPRS網(wǎng)。采用VPN方式，成本較低，不用租用專線，但終端需要安裝VPN二次虛擬撥號的軟件，通過VPN方式，客戶端連接到應用服務器前，要經(jīng)過Radius服務器的認證，整個數(shù)據(jù)傳輸過程得到了加密保護，安全性比較高。?

??? 數(shù)據(jù)中心也可以采用APN接入方式，租用專線接入到移動運營商的GSN設備上，這種成本高了一些，但安全性更高，更穩(wěn)定可靠。也可考慮VPN和APN混合接入方式，進一步提高系統(tǒng)的安全性。?

??? 由于采用了虛擬專網(wǎng)模式，用戶通過接入行業(yè)內(nèi)部虛擬專網(wǎng)方式與Internet進行隔離，有效避免非法入侵。對于特定用戶，可通過數(shù)據(jù)中心分配特定的用戶ID號和密碼，進一步增強系統(tǒng)的安全性。?

??? 對于整個系統(tǒng)規(guī)模不大的項目，也可采用數(shù)據(jù)中心安裝GPRS接收(發(fā)送)的方式，通過無線公網(wǎng)接入GPRS，在這類系統(tǒng)中，現(xiàn)場采集點的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊經(jīng)無線信道發(fā)送入GPRS網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)中心也經(jīng)過GPRS模塊訪問GPRS網(wǎng)絡，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)傳輸。?

??? 本文采用圖3所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一個遠程環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)設成定時喚醒采集的工作方式，裝置的采集數(shù)據(jù)在喚醒狀況下，由數(shù)據(jù)中心經(jīng)GPRS網(wǎng)絡向裝置讀數(shù)。數(shù)據(jù)中心也可下傳修改模塊工作方式的指令。由于野外裝置無人值守，所以在實際應用中，還構(gòu)建了兩個經(jīng)GSM網(wǎng)絡的報警功能，一是遇侵害報警，模塊中的振動傳感器檢測到連續(xù)3次振動，就啟動防盜報警操作；二是當電池電量不足，需要更換電池時啟動維護報警操作。這兩個報警是通過GSM網(wǎng)絡發(fā)送相應短信到預先設定的不同手機上，例如安保人員和維護人員隨身攜帶的手機上，讓有關人員能第一時間到達現(xiàn)場處置。?

??? 在有連續(xù)供電的采集點，例如有市電供電，或太陽能光伏電池供電，模塊就不必設休眠狀態(tài)，這樣便于數(shù)據(jù)中心隨時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)及控制現(xiàn)場模塊。?

??? 在電池供電的采集點，數(shù)據(jù)中心與采集點的聯(lián)絡只能在現(xiàn)場模塊喚醒的時間里進行，包括對模塊休眠與喚醒周期的修改、報警狀態(tài)的啟停，報警參數(shù)的設置。如果設置、修改的參數(shù)比較多，操作時間在原設定的喚醒時間內(nèi)不能完成，可先行將喚醒時間改長，待修改完全部參數(shù)后，再將喚醒時間改回原設定值或新的修改值。?

3 無線公網(wǎng)應用中的技術要點探討?

3.1 關于通信協(xié)議?

??? 通過GPRS網(wǎng)絡以及Internet進行數(shù)據(jù)傳輸，關鍵的是傳輸協(xié)議選擇的問題。目前最為應用廣泛的兩種傳輸層協(xié)議分別為UDP和TCP，至于如何選擇，并沒有明確的標準，需要根據(jù)系統(tǒng)的實際情況分析比較^[2]。TCP適合于網(wǎng)絡質(zhì)量好(通信品質(zhì)優(yōu)良)的情況；UDP適于網(wǎng)絡質(zhì)量一般的情況，長期穩(wěn)定性較好。?

3.2 實時性問題?

??? 低延遲和可靠性是無線網(wǎng)絡在工業(yè)控制現(xiàn)場應用時必須克服的主要障礙。由于差錯重傳/冗余校驗增加了更多的延時可能，TCP/IP雖然提供了數(shù)據(jù)包的傳輸控制避免丟包，但它也在數(shù)據(jù)包交付時間上帶來極大的不確定性，所以無線技術在延遲和可靠性方面還不能真正滿足工業(yè)應用的要求^[3]。但是在時延要求不嚴格的系統(tǒng)是能勝任的。?

??? 在實時性問題上還有一種情況要給予注意，現(xiàn)場設備通過GSM網(wǎng)絡短信方式發(fā)來的信息、數(shù)據(jù)在傳輸時有時很不實時，網(wǎng)絡處于某些情況下，信息會在短信中心滯留很長時間，而且會次序顛倒，例如在數(shù)據(jù)中心GSM模塊離線（掉電)時，沒有收到現(xiàn)場多次發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，這些信息被暫存在運營商的短信中心，當數(shù)據(jù)中心GSM模塊上線后，移動運營商短信中心會將暫存的多條信息發(fā)過來，這時發(fā)現(xiàn)時間次序是亂的，夜間與白天的數(shù)據(jù)顛倒了。所以為克服這種情況，建議在發(fā)送的數(shù)據(jù)中附加上時間標志，雖然這種嚴重不實時是業(yè)務類型造成的，但在應用GPRS網(wǎng)絡的時延性也是有限的，如前述，是能夠勝任時延需求不是很嚴格的場合，有文獻介紹一般時延在500 ms以內(nèi)^[2]。?

??? “永遠在線”≠“永不掉線”，在GPRS網(wǎng)絡特性中，運營商有一種說法叫“永遠在線”，這只能理解為進入Internet的上網(wǎng)方式，不能認為設備真正會不離線，就如同我們的手機會掉線一樣，因為網(wǎng)絡原因，基站信號情況，設備有時會離線，這是無線通信的特點。如果設置為“永遠在線”方式時，即是設備掉線后，也會自動重新上線。?

3.3 SIM卡的應用及計費方式的選擇?

??? SIM卡是移動運營商發(fā)售的移動終端身份認證卡。應用于GSM/GPRS無線公網(wǎng)的無線采集裝置中的通信模塊必須插入SIM卡并充值開通，根據(jù)使用情況，一般應在營業(yè)廳或上網(wǎng)操作，關閉一些不用的業(yè)務，例如語音功能，一般場合不需要，主要保留數(shù)據(jù)業(yè)務，關閉不用的功能，可以節(jié)省使用費用。如果數(shù)據(jù)主要為突發(fā)數(shù)據(jù)，可選擇按流量計費，一般情況選包月套餐方式最經(jīng)濟。?

??? 各地運營商的SIM卡都可以插入現(xiàn)場模塊使用，但要用同一運營商(如中國移動)提供的卡。啟動了GSM網(wǎng)絡短信報警功能時，需設置相應SIM卡的短信中心，例如北京的SIM卡應設為+8613800100500，而西安的SIM卡就應設為+8613800290500。?

??? 在傳統(tǒng)的通信網(wǎng)中，應用和業(yè)務大都屬于網(wǎng)絡運營商，即網(wǎng)絡運營商同時也扮演著業(yè)務提供商的角色。這種模式的特點在于一旦業(yè)務建立，即可獲得較高的可靠性和安全性，并且統(tǒng)一管理，適用于相對簡單，市場需求量大的應用。隨著移動和IP網(wǎng)的飛速發(fā)展，以及社會對電信業(yè)務越來越高的需求，傳統(tǒng)的電信業(yè)務范圍得以擴大，網(wǎng)絡資源也被充分利用，特別是通信業(yè)與IT業(yè)強大的創(chuàng)造性結(jié)合，為一些新領域的應用提供了資源，在工控領域的應用，可以說是一種嘗試。?

參考文獻?

[1] 張傳福,胡敖,彭燦,等.移動通信新業(yè)務開發(fā)必讀.北京：人民郵電出版社, 2005.?

[2] 任工昌,孫微庭.分布式油田遠程臨近系統(tǒng)研究.工業(yè)控制計算機, 2008，21(3):68-69.?

[3] 顧小洪,吳秋峰.無線網(wǎng)絡在工業(yè)企業(yè)中應用的一些探討.工業(yè)控制計算機，2006，19(11):1-2.