GPRS通信在水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳東俊,郭易,馬嵐

(北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司,北京100038)

1 GPRS通信

移動(dòng)通信(Modilecommunication)可以說(shuō)是目前通信領(lǐng)域中發(fā)展最快的一種通信方式，我國(guó)自1987年開(kāi)通移動(dòng)通信業(yè)務(wù)以來(lái)發(fā)展迅猛，其用戶量已位居世界第一位，并且在不斷地?cái)U(kuò)大其業(yè)務(wù)范圍和功能。

GPRS——GeneralPacketRadioService，通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線IP連接。通俗地講，GPRS是一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，方法是以“分組”的形式將資料傳送到用戶手上。雖然GPRS是作為現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動(dòng)通信演變的過(guò)渡技術(shù)，但是它在許多方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

由于使用了“分組”的技術(shù)，用戶上網(wǎng)可以免受斷線的痛苦，而且下載資料和通話是可以同時(shí)進(jìn)行的。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，聲音的傳送(即通話)繼續(xù)使用GSM，而數(shù)據(jù)的傳送便可使用GPRS，這樣的話，就把移動(dòng)電話的應(yīng)用提升到一個(gè)更高的層次。發(fā)展GPRS技術(shù)也十分“經(jīng)濟(jì)”，因?yàn)橹恍柩赜矛F(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)來(lái)發(fā)展即可。GPRS真正實(shí)現(xiàn)了“alwaysonline(永久在線)”和“IPinhand(掌中網(wǎng))”，數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分組發(fā)送和接收，這同時(shí)意味著用戶總是在線且按流量計(jì)費(fèi)，迅速降低了服務(wù)成本。

GPRS的最大優(yōu)勢(shì)在于帶寬。目前的GSM移動(dòng)通信網(wǎng)的傳輸速度為每秒9.6K字節(jié)，GPRS手機(jī)在今年年初推出時(shí)已達(dá)到56Kbps的傳輸速度，理論峰值達(dá)到了115Kbps(此速度是常用56Kmodem理想速率的兩倍)。GPRS是在第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，GSM網(wǎng)絡(luò)為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的傳輸增加了支持分組交換的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備，GPRS在業(yè)界也俗稱2.5代移動(dòng)通信系統(tǒng)。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)，該網(wǎng)絡(luò)全面支持高速、寬帶的多媒體數(shù)據(jù)傳輸。第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)正在制定之中。

2 GPRS的特點(diǎn)

(1)“alwaysonline”即“實(shí)時(shí)在線”，指用戶隨時(shí)與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系。舉個(gè)例子，用戶訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，GPRS無(wú)線終端就在無(wú)線信道上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送，GPRS無(wú)線終端還會(huì)一直與網(wǎng)絡(luò)保持連接，不但可以由用戶側(cè)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，還可以從網(wǎng)絡(luò)側(cè)隨時(shí)啟動(dòng)push類業(yè)務(wù)，發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸,而不像普通撥號(hào)上網(wǎng)那樣斷線后必須重新?lián)芴?hào)才能再次接入互聯(lián)網(wǎng)。

(2)按量計(jì)費(fèi)。對(duì)于電路交換模式的GSM，在整個(gè)連接期內(nèi)，用戶無(wú)論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨(dú)自占有無(wú)線信道。而對(duì)于分組交換模式的GPRS，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，這意味著多個(gè)用戶可高效率地共享同一無(wú)線信道，從而提高了資源的利用率。相應(yīng)于分組交換的技術(shù)特點(diǎn)，GPRS用戶的計(jì)費(fèi)以通信的數(shù)據(jù)流量為主要依據(jù)，體現(xiàn)了“得到多少、支付多少”的原則。沒(méi)有數(shù)據(jù)流量傳遞時(shí)，用戶即使掛在網(wǎng)上也是不收費(fèi)的，實(shí)現(xiàn)了信道共享。

(3)快捷登錄。GPRS無(wú)線終端一開(kāi)機(jī)就能夠附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，即已經(jīng)與GPRS網(wǎng)絡(luò)建立聯(lián)系，需要的時(shí)間一般是3s～5s。每次使用GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，需要一個(gè)激活的過(guò)程，一般是1s～3s，激活之后就已經(jīng)完全接入了互聯(lián)網(wǎng)。而固定撥號(hào)方式接入互聯(lián)網(wǎng)需要撥號(hào)、驗(yàn)證用戶姓名密碼、登錄服務(wù)器等過(guò)程，至少需要8s～10s甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。

(4)高速傳輸。GPRS采用分組交換技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率最高理論值能達(dá)171.2Kbps，此時(shí)已經(jīng)完全可以支持像多媒體圖像傳輸業(yè)務(wù)這樣一些對(duì)帶寬要求較高的應(yīng)用業(yè)務(wù)。但171.2Kbps的理論值是在采用CS－4編碼方式且無(wú)線環(huán)境良好、信道充足的情況下實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率要受網(wǎng)絡(luò)編碼方式、終端支持、無(wú)線環(huán)境等諸多因素影響。目前GPRS用戶的接入速度還在40Kbps左右，在使用數(shù)據(jù)加速系統(tǒng)后，速率可以提高到60Kbps～80Kbps左右。

3 GPRS的應(yīng)用

3.1 GPRS模塊介紹

GPRS模塊由我公司開(kāi)發(fā)研制，模塊同時(shí)具備GPRS與SMS短信兩種通信功能，其設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)符合ETSIGSMGPRS標(biāo)準(zhǔn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合我國(guó)GSM移動(dòng)通信網(wǎng)技術(shù)規(guī)范的規(guī)定。模塊型號(hào)為MC55i-TLP。

模塊嵌入了完整的TCP/IP協(xié)議，是一款設(shè)計(jì)完善的通信單元。該模塊可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口與最為復(fù)雜的應(yīng)用相連接，內(nèi)置SIM卡閱讀器以及支持即插即用的特性給產(chǎn)品應(yīng)用帶來(lái)很大便利。使用GPRS技術(shù)帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn):永久在線加上高速價(jià)廉的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。

模塊的控制電路以8位單片機(jī)為基礎(chǔ)，加上邏輯電路和低功耗元器件實(shí)現(xiàn)了高性能、多功能、低功耗。

模塊依托相應(yīng)的軟件，可實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)和INTERNET連接；模塊封裝了PPP/TCP/Telnet/FTP/SMTP等通信協(xié)議，可以設(shè)置串口的波特率、校驗(yàn)方式、數(shù)據(jù)位、停止位，無(wú)需后臺(tái)支持即可打包數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)TCP、UDP或FTP傳輸。

模塊可以靈活實(shí)現(xiàn)點(diǎn)～點(diǎn)、點(diǎn)～多點(diǎn)、中心～多點(diǎn)的對(duì)等數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用更全面、更廣闊；傳輸模式多樣化，提供AT指令模式和透明傳輸模式，支持三頻模式方案和GPRS(class10)標(biāo)準(zhǔn)；采用專用電源管理芯片，實(shí)現(xiàn)低功耗，更適用于在野外電源供給困難的情況下數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 GPRS模塊的基本功能

·信道上提供TCP/IP連接，可用于互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用；

·內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)；

·低功耗、快速握手、高可靠性；

·通過(guò)振鈴聯(lián)通；

·透明數(shù)據(jù)傳輸與協(xié)議轉(zhuǎn)換；

·GPRS和短信數(shù)據(jù)互為備用；

·動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中心地址尋址;

·可同時(shí)設(shè)置目的IP地址和短信號(hào)碼；

·實(shí)時(shí)時(shí)鐘(可校時(shí))；

·支持RS-232接口；

·抗干擾設(shè)計(jì)，適合電磁環(huán)境惡劣的應(yīng)用需求。GPRS模塊的外形如圖1所示。

3.3 GPRS模塊的技術(shù)指標(biāo)

·支持三頻:900/1800/1900MHz；

·靈敏度及發(fā)射功率:GSMRX不大于-100dBm，GSMTX不小于30dBm；

·協(xié)議:AT指令集，符合GSM0707、GSM0705(SMS)和GPRS標(biāo)準(zhǔn)；

·可同時(shí)設(shè)置3個(gè)目的IP地址和3個(gè)目的短信號(hào)碼；

·時(shí)鐘誤差:±2s/天，可隨時(shí)進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)；

·響應(yīng)時(shí)間:1s以內(nèi)；

·通信接口:RS232；

圖1 GPRS模塊的外形

·MTBF:25000h；

·能耗指標(biāo):守候電流(在線狀態(tài))≤7mA，工作電壓12V；

·可運(yùn)行環(huán)境:溫度:-20℃～+55℃,濕度:99%RH(40℃)；

·儲(chǔ)存溫度:-40℃～+85℃；

·尺寸:90mm×54mm×26mm(長(zhǎng)×寬×高)。

3.4 GPRS的應(yīng)用

(1)遙測(cè)站應(yīng)用

水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)遙測(cè)站大多建在鄉(xiāng)村野外和江河兩岸，電源供給十分困難，一般采用太陽(yáng)能光板浮充蓄電池供電方式。特殊的供電方式要求野外遙測(cè)站必須是低功耗的，而遙測(cè)站中的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的功耗最大。我們研制的MC55i-TLP低功耗GPRS數(shù)據(jù)通信模塊解決了多年來(lái)遙測(cè)站不能與中心站永久處于連接狀態(tài)的問(wèn)題。以往為使遙測(cè)站與中心站永久處于在線狀態(tài)要加大遙測(cè)站的蓄電池和太陽(yáng)能光板的容量，造價(jià)昂貴，同時(shí)給征地、土建、維護(hù)帶來(lái)不少的困難。MC55i-TLP低功耗數(shù)據(jù)通信模塊的研制成功使野外遙測(cè)站與中心站永遠(yuǎn)保持在線狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)站無(wú)線上網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)時(shí)向中心站傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)中心站也可實(shí)現(xiàn)對(duì)遙測(cè)站的實(shí)時(shí)召測(cè)。值班人員可隨時(shí)在網(wǎng)上了解流域內(nèi)的降雨情況和江河水位、流量的變化情況以及遙測(cè)站的工作狀態(tài)。

該模塊守候電流(在線狀態(tài))僅為7mA，遙測(cè)站RTU控制器值守電流為1mA，這樣整個(gè)遙測(cè)站的值守電流為8mA，并保持與中心站處于在線狀態(tài)。經(jīng)計(jì)算，遙測(cè)站30天消耗安時(shí)數(shù)為5.76Ah，考慮到蓄電池效率、自放電，控制器、傳感器、通信模塊工作時(shí)的耗電，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明連續(xù)陰天無(wú)日照，太陽(yáng)能光板無(wú)法對(duì)蓄電池浮充，僅靠蓄電池供電，12V12Ah能保證遙測(cè)站正常工作30天。如果連陰天不超過(guò)20天，考慮到太陽(yáng)能光板的浮充，一般遙測(cè)站蓄電池配置12V12Ah為宜。

該模塊不但可以實(shí)現(xiàn)GPRS通信，還可以實(shí)現(xiàn)GPRS和短信的雙信道互備通信。如GPRS為主信道，短信為備用信道，一旦主信道出現(xiàn)問(wèn)題，遙測(cè)站自動(dòng)切換到備用信道工作。也可將短信設(shè)為主信道，GPRS設(shè)為備用信道。GPRS通信費(fèi)用按流量收費(fèi)，在國(guó)內(nèi)許多地區(qū)實(shí)行包月計(jì)費(fèi)，一般采用每月20元，每月流量不超過(guò)20M，對(duì)于一個(gè)水文遙測(cè)站來(lái)講其流量充足，這樣一個(gè)遙測(cè)站的一年通信費(fèi)不超過(guò)240元。MC55i-TLP低功耗GPRS通信模塊的投入使用和合理的通信費(fèi)用極大地改善了水情系統(tǒng)的通信現(xiàn)狀。圖2為GPRS遙測(cè)站框圖。

圖2 GPRS遙測(cè)站框圖

(2)中心站應(yīng)用

GPRS中心站接入目前常用的有五種方案，其中三種方案為有線接入方案，另外兩種方案為無(wú)線接入方案，如圖3所示。方案一:有線接入，INTERNET動(dòng)態(tài)IP＋互聯(lián)網(wǎng)DNS；方案二:有線接入，ADSL動(dòng)態(tài)IP＋中國(guó)電信DNS；方案三:有線接入，APN專線＋移動(dòng)網(wǎng)固定IP；方案四:無(wú)線接入，RTU(MC55i-TLP/MB-07)＋移動(dòng)網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP＋移動(dòng)DNS；方案五:無(wú)線接入，RTU(MC55i-TLP/MB-07)＋移動(dòng)APN專網(wǎng)固定IP。除上述五種接入方案外，依據(jù)當(dāng)?shù)氐木W(wǎng)絡(luò)狀況，還有其他特殊的接入方案，在這里就不一一介紹了。

(3)工程應(yīng)用

華能瀾滄江水電集控中心水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中心站采用圖3方案三“APN專線接入”方式。集控中心向中國(guó)移動(dòng)申請(qǐng)APN專線，通過(guò)2M光纖到達(dá)集控中心，經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器、路由器獲得固定IP和移動(dòng)對(duì)端組成局域網(wǎng)，加入APN的每個(gè)SIM卡綁定固定IP，測(cè)站和中心站組成基于移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)的局域網(wǎng)，相互間可以傳輸數(shù)據(jù)。考慮到系統(tǒng)安全性，中心站程序由兩部分組成:GPRS數(shù)據(jù)采集終端程序?qū)崟r(shí)監(jiān)聽(tīng)SOCK端口數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)至串口；數(shù)據(jù)采集平臺(tái)實(shí)時(shí)檢測(cè)串口數(shù)據(jù)，進(jìn)行接收解碼入庫(kù)等操作。經(jīng)過(guò)試運(yùn)行考核證明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，遙測(cè)站實(shí)時(shí)在線，中心站可隨時(shí)了解到水雨情變化和遙測(cè)站的工作狀況。

圖3 GPRS中心站接入方案

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著移動(dòng)通信技術(shù)、服務(wù)水平的提高以及通信網(wǎng)覆蓋范圍越來(lái)越廣，移動(dòng)通信不但為水情測(cè)報(bào)、氣象監(jiān)測(cè)、森林防火以及灌區(qū)自動(dòng)化提供可靠的、建設(shè)成本和運(yùn)行費(fèi)用低廉的通信平臺(tái)，同時(shí)也為這些系統(tǒng)的圖像傳輸?shù)於嘶A(chǔ)，徹底結(jié)束了上述系統(tǒng)自建通信網(wǎng)的歷史。