??? 摘??要: 從應(yīng)用角度，介紹了利用中國(guó)移動(dòng)的GSM/GPRS無線公網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸手段，構(gòu)建遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集（測(cè)量）系統(tǒng)的方法。?

??? 關(guān)鍵詞： GSM/GPRS; 遠(yuǎn)程測(cè)量; 工業(yè)控制

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??? 移動(dòng)通信技術(shù)是當(dāng)今世界上發(fā)展最快的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一。由于面向公眾和適應(yīng)移動(dòng)的特點(diǎn)，其覆蓋范圍之廣超過任何網(wǎng)絡(luò)。國(guó)內(nèi)從1995年開始建設(shè)GSM網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)前GSM網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全國(guó)。中國(guó)移動(dòng)的GSM基站已達(dá)30.7萬個(gè)，平均覆蓋率高達(dá)98%。雖然無線公網(wǎng)是針對(duì)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)建設(shè)的，但利用其豐富的網(wǎng)絡(luò)資源和信號(hào)延伸能力，開展其他增值業(yè)務(wù)，例如應(yīng)用無線公網(wǎng)構(gòu)建遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)，與采用有線方式相比，具有組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展容易、無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要安裝好設(shè)備就可投入運(yùn)行，建設(shè)成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)。特別適合距離遠(yuǎn)，采集點(diǎn)分散的領(lǐng)域。?

1 GSM及GPRS簡(jiǎn)介?

1.1 GSM的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?

??? GSM移動(dòng)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(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。另外GSM網(wǎng)絡(luò)中還包含短消息業(yè)務(wù)中心。與用戶打交道的主要是移動(dòng)臺(tái)和基站。?

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??? GSM系統(tǒng)支持電信業(yè)務(wù)，包括電話、短信、可視圖文、傳真和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。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(wù)。?

1.2 GSM提供的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)?

??? GSM可提供的業(yè)務(wù)類型眾多，其主要業(yè)務(wù)中包含有多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其中在業(yè)務(wù)信道上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)有傳真業(yè)務(wù)和Internet連接，其數(shù)據(jù)傳遞具有固定時(shí)延，但不保證數(shù)據(jù)完整性的透明傳輸；也可以引入請(qǐng)求重發(fā)機(jī)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(shí)延。?

1.3 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?

??? GPRS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上,是對(duì)原有的GSM網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和無線子系統(tǒng)的設(shè)備及功能增強(qiáng)后的網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。?

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??? 從圖2中可看出，GPRS網(wǎng)絡(luò)是在GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上疊加了一層而組成，包括服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SGSN）、網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN）、分組控制單元(PCU）、計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)(CGF）、域名系統(tǒng)(DNS）和邊界關(guān)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(yīng)的業(yè)務(wù)信道和控制信道及功能，以保證GPRS的多種業(yè)務(wù)。?

1.4 GPRS提供的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)?

??? 雖然GSM網(wǎng)絡(luò)提供了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但不能完全滿足用戶的需要，甚至運(yùn)營(yíng)商自己的業(yè)務(wù)需要也不夠。因而GPRS設(shè)計(jì)了一系列機(jī)制，使其以有效的方式在用戶和外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間傳送用戶數(shù)據(jù)分組。?

??? GPRS系統(tǒng)可以提供比當(dāng)前GSM網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)高得多的數(shù)據(jù)傳輸速率。它通過在同一時(shí)間使用GSM載波上的所有8個(gè)時(shí)隙，可以實(shí)現(xiàn)最高達(dá)到172.2 Kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。?

??? 電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和分組型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)比如表1所示。?

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2 應(yīng)用GSM/GPRS公網(wǎng)建立遠(yuǎn)程工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)?

??? 從GPRS系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)能力來看，應(yīng)用其構(gòu)建實(shí)時(shí)性要求不是很強(qiáng)的系統(tǒng)，特別是開環(huán)的測(cè)量系統(tǒng)，具有明顯的優(yōu)越性。組網(wǎng)非常快捷和靈活。例如構(gòu)建廣域的環(huán)保參數(shù)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)等等都是GPRS網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域。本文在一個(gè)遠(yuǎn)程的溫度參數(shù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了跨省地域的遠(yuǎn)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(gè)系統(tǒng)中，采用GPRS數(shù)據(jù)采集模塊來完成現(xiàn)場(chǎng)模擬量、開關(guān)量信號(hào)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(chǎng)照片，圖5是GPRS數(shù)據(jù)采集模塊照片。?

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??? 這個(gè)裝置由一次性鋰電池供電，每天定時(shí)采集3次，每次喚醒5 min，1節(jié)1#鋰電池可工作6個(gè)月。模塊上插入從移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商購(gòu)買的SIM卡并充值后就可入網(wǎng)。?

??? 模塊設(shè)置成定時(shí)上線，根據(jù)下載的時(shí)間間隔定時(shí)登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，中央管理計(jì)算機(jī)（數(shù)據(jù)中心）可以通過公網(wǎng)使用VPN接入到移動(dòng)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(hào)的軟件，通過VPN方式，客戶端連接到應(yīng)用服務(wù)器前，要經(jīng)過Radius服務(wù)器的認(rèn)證，整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程得到了加密保護(hù)，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(dòng)運(yùn)營(yíng)商的GSN設(shè)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(jìn)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(jìn)行隔離，有效避免非法入侵。對(duì)于特定用戶，可通過數(shù)據(jù)中心分配特定的用戶ID號(hào)和密碼，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。?

??? 對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)規(guī)模不大的項(xiàng)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(chǎng)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊經(jīng)無線信道發(fā)送入GPRS網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)中心也經(jīng)過GPRS模塊訪問GPRS網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)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(gè)遠(yuǎn)程環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)成定時(shí)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(luò)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(shí)際應(yīng)用中，還構(gòu)建了兩個(gè)經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò)的報(bào)警功能，一是遇侵害報(bào)警，模塊中的振動(dòng)傳感器檢測(cè)到連續(xù)3次振動(dòng)，就啟動(dòng)防盜報(bào)警操作；二是當(dāng)電池電量不足，需要更換電池時(shí)啟動(dòng)維護(hù)報(bào)警操作。這兩個(gè)報(bào)警是通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相應(yīng)短信到預(yù)先設(shè)定的不同手機(jī)上，例如安保人員和維護(hù)人員隨身攜帶的手機(jī)上，讓有關(guān)人員能第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)處置。?

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

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

3 無線公網(wǎng)應(yīng)用中的技術(shù)要點(diǎn)探討?

3.1 關(guān)于通信協(xié)議?

??? 通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以及Internet進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，關(guān)鍵的是傳輸協(xié)議選擇的問題。目前最為應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況分析比較^[2]。TCP適合于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量好(通信品質(zhì)優(yōu)良)的情況；UDP適于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量一般的情況，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好。?

3.2 實(shí)時(shí)性問題?

??? 低延遲和可靠性是無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)必須克服的主要障礙。由于差錯(cuò)重傳/冗余校驗(yàn)增加了更多的延時(shí)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(shí)間上帶來極大的不確定性，所以無線技術(shù)在延遲和可靠性方面還不能真正滿足工業(yè)應(yīng)用的要求^[3]。但是在時(shí)延要求不嚴(yán)格的系統(tǒng)是能勝任的。?

??? 在實(shí)時(shí)性問題上還有一種情況要給予注意，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過GSM網(wǎng)絡(luò)短信方式發(fā)來的信息、數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)有時(shí)很不實(shí)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)處于某些情況下，信息會(huì)在短信中心滯留很長(zhǎng)時(shí)間，而且會(huì)次序顛倒，例如在數(shù)據(jù)中心GSM模塊離線（掉電)時(shí)，沒有收到現(xiàn)場(chǎng)多次發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，這些信息被暫存在運(yùn)營(yíng)商的短信中心，當(dāng)數(shù)據(jù)中心GSM模塊上線后，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商短信中心會(huì)將暫存的多條信息發(fā)過來，這時(shí)發(fā)現(xiàn)時(shí)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(shí)間標(biāo)志，雖然這種嚴(yán)重不實(shí)時(shí)是業(yè)務(wù)類型造成的，但在應(yīng)用GPRS網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延性也是有限的，如前述，是能夠勝任時(shí)延需求不是很嚴(yán)格的場(chǎng)合，有文獻(xiàn)介紹一般時(shí)延在500 ms以內(nèi)^[2]。?

??? “永遠(yuǎn)在線”≠“永不掉線”，在GPRS網(wǎng)絡(luò)特性中，運(yùn)營(yíng)商有一種說法叫“永遠(yuǎn)在線”，這只能理解為進(jìn)入Internet的上網(wǎng)方式，不能認(rèn)為設(shè)備真正會(huì)不離線，就如同我們的手機(jī)會(huì)掉線一樣，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)原因，基站信號(hào)情況，設(shè)備有時(shí)會(huì)離線，這是無線通信的特點(diǎn)。如果設(shè)置為“永遠(yuǎn)在線”方式時(shí)，即是設(shè)備掉線后，也會(huì)自動(dòng)重新上線。?

3.3 SIM卡的應(yīng)用及計(jì)費(fèi)方式的選擇?

??? SIM卡是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商發(fā)售的移動(dòng)終端身份認(rèn)證卡。應(yīng)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(yīng)在營(yíng)業(yè)廳或上網(wǎng)操作，關(guān)閉一些不用的業(yè)務(wù)，例如語音功能，一般場(chǎng)合不需要，主要保留數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，關(guān)閉不用的功能，可以節(jié)省使用費(fèi)用。如果數(shù)據(jù)主要為突發(fā)數(shù)據(jù)，可選擇按流量計(jì)費(fèi)，一般情況選包月套餐方式最經(jīng)濟(jì)。?

??? 各地運(yùn)營(yíng)商的SIM卡都可以插入現(xiàn)場(chǎng)模塊使用，但要用同一運(yùn)營(yíng)商(如中國(guó)移動(dòng))提供的卡。啟動(dòng)了GSM網(wǎng)絡(luò)短信報(bào)警功能時(shí)，需設(shè)置相應(yīng)SIM卡的短信中心，例如北京的SIM卡應(yīng)設(shè)為+8613800100500，而西安的SIM卡就應(yīng)設(shè)為+8613800290500。?

??? 在傳統(tǒng)的通信網(wǎng)中，應(yīng)用和業(yè)務(wù)大都屬于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商，即網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商同時(shí)也扮演著業(yè)務(wù)提供商的角色。這種模式的特點(diǎn)在于一旦業(yè)務(wù)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(duì)簡(jiǎn)單，市場(chǎng)需求量大的應(yīng)用。隨著移動(dòng)和IP網(wǎng)的飛速發(fā)展，以及社會(huì)對(duì)電信業(yè)務(wù)越來越高的需求，傳統(tǒng)的電信業(yè)務(wù)范圍得以擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)資源也被充分利用，特別是通信業(yè)與IT業(yè)強(qiáng)大的創(chuàng)造性結(jié)合，為一些新領(lǐng)域的應(yīng)用提供了資源，在工控領(lǐng)域的應(yīng)用，可以說是一種嘗試。?

參考文獻(xiàn)?

[1] 張傳福,胡敖,彭燦,等.移動(dòng)通信新業(yè)務(wù)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(yuǎn)程臨近系統(tǒng)研究.工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2008，21(3):68-69.?

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