应用GSM/GPRS技术实现远程测量的探讨

摘 要: 从应用角度，介绍了利用中国移动的GSM/GPRS无线公网作为数据传输手段，构建远程数据采集（测量）系统的方法。

关键词： GSM/GPRS; 远程测量; 工业控制

移动通信技术是当今世界上发展最快的科学技术领域之一。由于面向公众和适应移动的特点，其覆盖范围之广超过任何网络。国内从1995年开始建设GSM网络，当前GSM网络和GPRS网络已覆盖全国。中国移动的GSM基站已达30.7万个，平均覆盖率高达98%。虽然无线公网是针对移动通信业务建设的，但利用其丰富的网络资源和信号延伸能力，开展其他增值业务，例如应用无线公网构建远程测量系统，与采用有线方式相比，具有组网灵活、扩展容易、无需建设网络，只要安装好设备就可投入运行，建设成本低、维护简单、运行费用低的特点。特别适合距离远，采集点分散的领域。

1 GSM及GPRS简介

1.1 GSM的网络结构

GSM移动通信系统由许多功能单元组成，从图1的系统结构可以看到其中包含4个独立的子系统。另外GSM网络中还包含短消息业务中心。与用户打交道的主要是移动台和基站。

GSM系统支持电信业务，包括电话、短信、可视图文、传真和数据业务。包括300～9 600 b/s的电路交换异步数据，1 200～9 600 b/s电路交换同步数据和300～9 600 b/s分组交换异步数据业务。

1.2 GSM提供的数据业务

GSM可提供的业务类型众多，其主要业务中包含有多种数据业务，其中在业务信道上的数据业务有传真业务和Internet连接，其数据传递具有固定时延，但不保证数据完整性的透明传输；也可以引入请求重发机制以保证数据完整性的非透明传输，但却引入了可变时延。

1.3 GPRS网络结构

GPRS网络构建在GSM网络基础之上,是对原有的GSM网络子系统和无线子系统的设备及功能增强后的网络。其网络结构如图2所示。

从图2中可看出，GPRS网络是在GSM网络的基础上叠加了一层而组成，包括服务支持节点(SGSN）、网关支持节点(GGSN）、分组控制单元(PCU）、计费网关(CGF）、域名系统(DNS）和边界关口(BG）。在无线子系统中为支持用户的数据传送增加了相应的业务信道和控制信道及功能，以保证GPRS的多种业务。

1.4 GPRS提供的数据业务

虽然GSM网络提供了数据业务，但不能完全满足用户的需要，甚至运营商自己的业务需要也不够。因而GPRS设计了一系列机制，使其以有效的方式在用户和外部分组数据网络之间传送用户数据分组。

GPRS系统可以提供比当前GSM网络中数据业务高得多的数据传输速率。它通过在同一时间使用GSM载波上的所有8个时隙，可以实现最高达到172.2 Kb/s的数据传输速率。

电路型数据业务和分组型数据业务对比如表1所示。

2 应用GSM/GPRS公网建立远程工业测量系统

从GPRS系统提供的业务能力来看，应用其构建实时性要求不是很强的系统，特别是开环的测量系统，具有明显的优越性。组网非常快捷和灵活。例如构建广域的环保参数监测系统，系统可随意按省、市、县行政区划布置和跨区布置。油田井位数据采集系统、水文数据监测系统、远程抄表系统等等都是GPRS网络的应用领域。本文在一个远程的温度参数采集系统中应用GSM/GPRS网络实现了跨省地域的远距离联网，其系统的结构图如图3所示。

在这个系统中，采用GPRS数据采集模块来完成现场模拟量、开关量信号的采集和通过无线信道入网。图4是装置安装在野外的现场照片，图5是GPRS数据采集模块照片。

这个装置由一次性锂电池供电，每天定时采集3次，每次唤醒5 min，1节1#锂电池可工作6个月。模块上插入从移动运营商购买的SIM卡并充值后就可入网。

模块设置成定时上线，根据下载的时间间隔定时登录GPRS网络，进行数据传输，中央管理计算机（数据中心）可以通过公网使用VPN接入到移动GPRS网。采用VPN方式，成本较低，不用租用专线，但终端需要安装VPN二次虚拟拨号的软件，通过VPN方式，客户端连接到应用服务器前，要经过Radius服务器的认证，整个数据传输过程得到了加密保护，安全性比较高。

数据中心也可以采用APN接入方式，租用专线接入到移动运营商的GSN设备上，这种成本高了一些，但安全性更高，更稳定可靠。也可考虑VPN和APN混合接入方式，进一步提高系统的安全性。

由于采用了虚拟专网模式，用户通过接入行业内部虚拟专网方式与Internet进行隔离，有效避免非法入侵。对于特定用户，可通过数据中心分配特定的用户ID号和密码，进一步增强系统的安全性。

对于整个系统规模不大的项目，也可采用数据中心安装GPRS接收(发送)的方式，通过无线公网接入GPRS，在这类系统中，现场采集点的数据通过GPRS模块经无线信道发送入GPRS网络，数据中心也经过GPRS模块访问GPRS网络，进而实现数据互联传输。

本文采用图3所示的系统结构，构建了一个远程环境参数采集系统。系统设成定时唤醒采集的工作方式，装置的采集数据在唤醒状况下，由数据中心经GPRS网络向装置读数。数据中心也可下传修改模块工作方式的指令。由于野外装置无人值守，所以在实际应用中，还构建了两个经GSM网络的报警功能，一是遇侵害报警，模块中的振动传感器检测到连续3次振动，就启动防盗报警操作；二是当电池电量不足，需要更换电池时启动维护报警操作。这两个报警是通过GSM网络发送相应短信到预先设定的不同手机上，例如安保人员和维护人员随身携带的手机上，让有关人员能第一时间到达现场处置。

在有连续供电的采集点，例如有市电供电，或太阳能光伏电池供电，模块就不必设休眠状态，这样便于数据中心随时采集现场数据及控制现场模块。

在电池供电的采集点，数据中心与采集点的联络只能在现场模块唤醒的时间里进行，包括对模块休眠与唤醒周期的修改、报警状态的启停，报警参数的设置。如果设置、修改的参数比较多，操作时间在原设定的唤醒时间内不能完成，可先行将唤醒时间改长，待修改完全部参数后，再将唤醒时间改回原设定值或新的修改值。

3 无线公网应用中的技术要点探讨

3.1 关于通信协议

通过GPRS网络以及Internet进行数据传输，关键的是传输协议选择的问题。目前最为应用广泛的两种传输层协议分别为UDP和TCP，至于如何选择，并没有明确的标准，需要根据系统的实际情况分析比较^[2]。TCP适合于网络质量好(通信品质优良)的情况；UDP适于网络质量一般的情况，长期稳定性较好。

3.2 实时性问题

低延迟和可靠性是无线网络在工业控制现场应用时必须克服的主要障碍。由于差错重传/冗余校验增加了更多的延时可能，TCP/IP虽然提供了数据包的传输控制避免丢包，但它也在数据包交付时间上带来极大的不确定性，所以无线技术在延迟和可靠性方面还不能真正满足工业应用的要求^[3]。但是在时延要求不严格的系统是能胜任的。

在实时性问题上还有一种情况要给予注意，现场设备通过GSM网络短信方式发来的信息、数据在传输时有时很不实时，网络处于某些情况下，信息会在短信中心滞留很长时间，而且会次序颠倒，例如在数据中心GSM模块离线（掉电)时，没有收到现场多次发出的数据信息，这些信息被暂存在运营商的短信中心，当数据中心GSM模块上线后，移动运营商短信中心会将暂存的多条信息发过来，这时发现时间次序是乱的，夜间与白天的数据颠倒了。所以为克服这种情况，建议在发送的数据中附加上时间标志，虽然这种严重不实时是业务类型造成的，但在应用GPRS网络的时延性也是有限的，如前述，是能够胜任时延需求不是很严格的场合，有文献介绍一般时延在500 ms以内^[2]。

“永远在线”≠“永不掉线”，在GPRS网络特性中，运营商有一种说法叫“永远在线”，这只能理解为进入Internet的上网方式，不能认为设备真正会不离线，就如同我们的手机会掉线一样，因为网络原因，基站信号情况，设备有时会离线，这是无线通信的特点。如果设置为“永远在线”方式时，即是设备掉线后，也会自动重新上线。

3.3 SIM卡的应用及计费方式的选择

SIM卡是移动运营商发售的移动终端身份认证卡。应用于GSM/GPRS无线公网的无线采集装置中的通信模块必须插入SIM卡并充值开通，根据使用情况，一般应在营业厅或上网操作，关闭一些不用的业务，例如语音功能，一般场合不需要，主要保留数据业务，关闭不用的功能，可以节省使用费用。如果数据主要为突发数据，可选择按流量计费，一般情况选包月套餐方式最经济。

各地运营商的SIM卡都可以插入现场模块使用，但要用同一运营商(如中国移动)提供的卡。启动了GSM网络短信报警功能时，需设置相应SIM卡的短信中心，例如北京的SIM卡应设为+8613800100500，而西安的SIM卡就应设为+8613800290500。

在传统的通信网中，应用和业务大都属于网络运营商，即网络运营商同时也扮演着业务提供商的角色。这种模式的特点在于一旦业务建立，即可获得较高的可靠性和安全性，并且统一管理，适用于相对简单，市场需求量大的应用。随着移动和IP网的飞速发展，以及社会对电信业务越来越高的需求，传统的电信业务范围得以扩大，网络资源也被充分利用，特别是通信业与IT业强大的创造性结合，为一些新领域的应用提供了资源，在工控领域的应用，可以说是一种尝试。

参考文献

[1] 张传福,胡敖,彭灿,等.移动通信新业务开发必读.北京：人民邮电出版社, 2005.

[2] 任工昌,孙微庭.分布式油田远程临近系统研究.工业控制计算机, 2008，21(3):68-69.

[3] 顾小洪,吴秋峰.无线网络在工业企业中应用的一些探讨.工业控制计算机，2006，19(11):1-2.