基于GPRS的无线煤矿监控监测系统学位论文

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1、中北大学分校学位论文学 位 论 文基于GPRS的无线煤矿监控监测系统Design of Wireless Monitoring Control System of Coal Mines Based on GPRS作 者 姓 名： 薛猛 学科、专业 ： 通信工程专业 学 号 ： 042027106 指 导 教 师： 李艳萍教授 完 成 日 期： 中北大学分校Taiyuan Institute of Technology摘 要煤炭产业是我国的支柱产业，在国民经济中占有重要的地位。矿井安全是煤炭产业健康有序发展的重要保证。由于煤炭资源特殊的生产环境，经常发生瓦斯爆炸、火灾、塌方等重大灾害，严重地制约

2、着煤矿安全的生产。而且，我国矿区分布较为分散，多处于丘陵山区，信息传递很不方便。为了有效的监控和管理煤矿的安全状态，必须远距离、准确、及时地对企业的矿井安全进行不间断的监控。因此，利用高科技开发远程监控系统，以实现对矿井安全的自动监控，同时加大煤矿管理部门对矿井安全的管理力度。多年来，我国小型地方煤矿事故频繁出现，许多政府责令关闭的煤矿还在肆无忌惮地运营，政府部门对这些煤矿不能达到实时监控，究其原因，主要是大部分地方煤矿坐落在边远地区，布点分散、规模小、年产量低、服务年限短，用传统的组网手段存在投资大、施工布线不方便等难以克服的弊端，所以政府不能用先进的通讯手段去监控这些煤矿，给煤矿经营者带来

3、可乘之机。因此，本文提出了一种基于GPRS(General Packet Radio Service)的无线远程监控系统。在以基于GPRS 无线远程监控系统架构的基础上，设计了瓦斯防爆的无线远程监控系统，并对其作了一些探讨和研究。具体内容如下：该系统以GPRS 网络作为远程信号的传输平台。首先对GPRS 网络体系结构和工作原理以及网络协议及其程序实现作了详细的讲解，并且对比了GPRS 和GSM 网络的通信方式和优缺点。由于通信的建立、数据的接受和发送是通过AT 指令来实现的，因此简单介绍了常见的AT 指令及其使用方法。其次，我们介绍系统的硬件设计，对主要硬件无线模块MC35 和MSP430F1

4、49 单片机及其外围电路设计进行了重点详细的讲述。硬件的设计主要分为两个部分监控中心站和远程监控分站，重点介绍远程监控分站的硬件设计和系统组成。接着我们介绍了系统的软件设计，主要包括监测中心站软件设计和远程监控分站软件设计。并且对设计过程中的难点进行详细介绍和分析。论文结合GPRS 远程无线监控系统设计出一套基于GPRS的煤矿安全监控系统，并给出了此系统应用领域的一些探讨和研究关键词 远程监控；GPRS；AT 指令；MSP430 单片机；协议；- I -Design of Wireless Monitoring Control System of Coal Mines Based on GPR

5、SAbstractThe coal industry is the pillar industry of our country, occupying the important position in the national economy.The mineral well safety is development. Because of special production surroundings of the coal resources, there is usually the important disaster of gas blast, a fireetc.,restri

6、cting the safe production of the coal mine. Besides, our country mineral distinction distributes dispersedly, and has several mound mountain areas.For supervising and managing the safe appearance of the coal mine availably,there must be a long-distance, accurate monitor without a break to the minera

7、l well safe parameter of the business enterprise in time. Therefore, making use of the high technology development remote monitoring system, we can carry out to the mineral well the auto monitor of the safety supervision, and enlarge the coal mine management section to the mineral well safety of man

8、agement strength.Frequent accident happened in local small coal mine for the past many years. Some which was ordered to shut down is still in operation. The government can not to monitor them in real time. Of course, there have many reasons. But the most important is a majority of the coal mines are

9、 built in remote and mountain areas, scattered, small ,low volume and the length of service is not long. The traditional network installation need too much capital and the constraction is difficult, so the local government can not to monitor them with advanced means of communication.So in this paper

10、 we present a wireless remote monitor control systembased on GPRS. Based on this system we design a remote monitor control system based on GPRS for avoiding the gas exploding, and present some discussions and investigation in applying field. The detailed content is as following:In this system GPRS n

11、etwork is a medium for transmitting the remote signal. First it presents detailed explanation of GPRS networks system structure and the communication principle and network protocols with the program code and contrast the communication mode, merits, and shortcoming between GPRS and GSM. Because of se

12、tting up the channel forcommunication, transmitting and receiving data is realized by using AT command; it presents the familiar AT command and using method. Then we introduce the hardware design of the system and expatiate on the main hardware MC35 and microchip MSP430F149 MCU with peripheral circu

13、it in detail. The design of the system hardware mainly includes two parts: the monitoring center and the remote monitoring station, we emphasis on the hardware design and construction of the remote monitoring station. Then we introduce the software design of the system, it mainly includes the monito

14、ring center software and the remote monitoring station software in design of system software. And we introduce and analyze the difficulties during the system design. At the end of the paper it represents a remote monitor control system based on GPRS for avoiding the gas exploding with the remote mon

15、itor control system based on GPRS, and presents some discussions and investigation in applying field.Keywords： Remote monitor control; GPRS; AT command; MSP430 MCU; Protocol目 录摘 要IIAbstractIII目 录V引 言- 1 -第一章 绪论- 2 -1.1 课题背景- 2 -1.2 研究目的和意义- 3 -1.3 矿井安全监控现状- 4 -1.4 远程监控系统综述- 6 -1.5 本文主要工作- 7 -第二章 GPR

16、S网络结构与工作原理- 9 -2.1 GPRS网络通信综述- 9 -2.1.1 GPRS 现状与发展- 9 -2.1.2 GPRS 的特点与优势- 10 -2.2 GPRS 系统组成及相关接口- 12 -2.3 GPRS 网络工作原理- 14 -2.3.1 分组数据路由及传输- 14 -2.3.2 信令协议平台- 16 -2.4 几种实际应用中的组网方案- 16 -2.4.1 公网静态IP方案- 17 -2.4.2 动态域名解析方案- 17 -2.4.3 SMS通讯方案- 17 -2.4.4 APN专线接入方案- 18 -2.5 GPRS 应用- 18 -2.6 本章小结- 19 -第三章 网

17、络协议原理- 20 -3.1 TCP/IP协议族简介- 20 -3.2 UDP 协议- 23 -3.2.1 UDP 协议功能- 23 -3.2.2 UDP 报文格式- 23 -3.3 IP 协议- 24 -3.3.1 IP 报文格式- 24 -3.3.2 IP 首部定义- 24 -3.3.3 首部检验和方法- 26 -3.4 PPP 协议- 26 -3.4.1 PPP 协议简介- 26 -3.4.2 PPP 数据帧格式- 27 -3.4.3 PPP 会话的四个阶段- 27 -3.4.4 PPP 协议中的验证机制- 28 -3.4.5 PPP 协议的实现- 28 -3.5 本章小结- 29 -第

18、四章 系统硬件设计- 30 -4.1 系统总体结构设计- 30 -4.2 监控中心站硬件设计- 31 -4.2.1 监控中心站服务器- 31 -4.2.2 企业内部局域网- 31 -4.2.3 数据库服务器- 31 -4.3 远程监控分站硬件设计- 31 -4.3.1 MSP430F149 结构概述- 32 -4.3.2 液晶显示- 34 -4.3.3 键盘功能- 38 -4.3.4 串行通信- 42 -4.3.5 A/D 转换功能- 46 -4.3.6 GPRS 无线通信模块MC35- 51 -4.3.7 MC35 与MSP430F149 的连接- 59 -4.4 本章小结- 60 -第五章

19、 系统软件设计- 61 -5.1 系统软件设计基础- 61 -5.1.1 常用的AT命令- 61 -5.1.2 Microsoft VB6.0- 62 -5.1.3 单片机软件开发环境- 63 -5.2 监控中心站软件设计- 64 -5.3 远程监控分站软件设计- 65 -5.3.1 初始化部分- 65 -5.3.2 实现过程中的难点- 67 -5.3.3 A/D 转换部分- 67 -5.4 本章小结- 68 -第六章 总结与展望- 69 -6.1 总结- 69 -6.2 展望- 69 -参考文献- 71 - VII -中北大学分校学位论文引 言第一章 绪论1.1 课题背景能源是经济发展、社会

20、进步的主要物质基础, 煤炭作为我国的主要能源, 在经济全球化的今天发挥的作用显得尤为重要。作为我国的支柱产业, 安全成为制约我国煤矿生产的首要问题。我国的煤炭生产主要来源于地下开采, 井下作业的危险系数较高。近年来国家有关部门虽下大力气整治煤矿安全生产, 通过不断努力, 近段时期煤矿安全状况总体趋于好转, 但由于基础薄弱等原因, 生产状况仍不容乐观。矿井安全生产事故仍时有发生, 井下复杂地形给矿工撤离和事故抢救带来了极大困难, 如何实现煤矿管理的现代化、信息化逐渐成为煤矿企业关心的问题。为了有效地监控和管理煤矿的安全状态, 采取科学、系统、完整的措施改变我国煤矿安全现状及落后面貌, 加强矿井安

21、全生产监控技术及其方法的研究, 是目前煤炭工业需要解决的迫切问题, 建立以灾害预防、事故营救、电子信息化管理为主要目标的信息智能化煤矿管理体系势在必行。 远程监控技术随着Internet 网络的不断发展而得到广泛应用，如远程网络教学、Internet 网络的家电接入、远程故障诊断、网上考试等，利用Internet 网络可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。远程监控系统己广泛应用于邮电、电力、通讯、银行等系统及设施。对于许多监控现场，由于需要监控的区域广、监控的对象种类繁多，因而需要花费大量的人力、物力和财力进行设备的维护。而且还存在着某些容易发生突发性事件的领域，如容易发生火灾

22、和洪灾的场所，由于这些事件发生的概率相对较小，且具有随机性和不确定性，如果在现场实施人员值守是不现实的。同时，在许多条件恶劣、人们不易到达或不能时刻停留的地方偶尔采集一些现场数据，这时如果进行大量的布线工作则是不经济、不合理的。随着移动数据通讯业务的发展，GPRS 网络通信以其更加低廉的价格和永远在线的性能有着不可估量的发展前景。正是基于以上考虑，本文提出并设计了一种基于GPRS 网络通信的、使用低功耗MSP430 单片机的远程无线监控系统，该系统硬件设计的核心采用美国TI 公司生产的MSP430F149 系列单片机和德国SIEMENS 公司生产的MC35 数据通信模块，软件使用Visual

23、Basic 6.0 及C 语言编写。此系统内嵌TCP/IP 协议，GPRS 数据通信的实现使用串口AT 命令，易于实现。这种终端采集系统可以大量地布控于用户现场，不需要布线，可以随意移动。随着2.5G 的逐渐成熟，世界各国3G 网络的投入研究，基于无线数据应用的各项服务展现出其独特的魅力。基于GPRS 业务的各种应用也蓬勃发展起来。它改变了传统的以语音为主要的通信手段，使GPRS 网络数据通信得到广泛的应用。以GPRS 网络作为无线传输平台可以开发出多种应用领域，这一设计方案的提出，将为煤矿企业的安全生产和日常管理上台阶、上水平以及事故急救带来新的契机。1.2 研究目的和意义关于我国煤矿现状，

24、国家煤矿安全监察局事故调查司为了针对国有重点煤矿07年上半年煤与瓦斯突出事故高发的问题,组织了调研组对今年发生了煤与瓦斯突出伤亡事故的两个国有重点煤矿企业盘江煤电(集团)公司、水城矿业(集团)公司进行了调研,并召开了部分国有重点煤矿煤与瓦斯突出事故原因分析座谈会。对今年发生煤与瓦斯突出伤亡事故的8个国有重点煤炭企业:水城矿业(集团)公司汪家寨煤矿、窑街煤电公司金河煤业公司一号井、邯郸矿业集团陶二煤矿、峰峰矿业集团公司大淑村煤矿、湖南省煤业集团金竹山矿业公司一平硐煤矿、四川煤业集团芙蓉公司白皎煤矿、盘江煤电集团公司金佳煤矿、晋城煤业集团寺河煤矿等发生煤与瓦斯突出的原因、特点、防治、对策等逐一进行

25、了分析、研究。除了地质原因外，下面是专家给出的一些其他原因：1.一些矿井的瓦斯基础工作仍然十分薄弱被调查矿井多数没有瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性系数、排放半径、抽放半径等防突参数和瓦斯抽放参数,这使煤矿不能清楚、准确地了解本矿井灾害的程度和特点,也难以选择和实施适用、有效的技术措施。采取的煤与瓦斯突出预测敏感指标和临界值没有根据本矿的煤层地质条件进行实际考察。此外,突出预测人员缺乏严格的专业技能培训。本次调查的所有的突出事故均为预测指标超标,执行防突措施后检验指标不超标的情况下发生突出的。这可能是措施效果检验钻孔进入工作面深部后,很容易与抽排钻孔穿孔或靠近,使措施效果检验指标测定值偏小, 没

26、有反应工作面前方突出危险性的真实情况,从而导致误报。因此,预测人员的素质对预测结果的准确性具有重要的影响,要求突出预测与效果检验人员有较高的素质。但多数矿井突出预测人员没有进行正规培训,在仪器使用、测定操作过程中不同地程度存在一些不够规范的问题 2.有些矿井没有按要求及时进行煤层的突出危险性鉴定只有经鉴定和批准为煤与瓦斯突出矿井,煤矿才必须按突出矿井进行管理, 安全监察部门才能要求煤矿采取防治煤与瓦斯突出的措施、制定相关管理制度。但按现有的法规、标准,只有已经发生了动力现象的煤矿才必须进行煤与瓦斯突出鉴定,不能将那些尽管还没有发生煤与瓦斯突出,但已经有突出危险的矿井鉴定为突出矿井, 并按突出矿

27、井进行管理,防患于未然。陶二煤矿与相邻的大淑村煤矿距离仅十余公里,属同一井田,开采的主要煤层相同,开采深度相近。大淑村矿已鉴定为突出矿井,而陶二矿却未能进行煤层突出危险性鉴定,仍为高瓦斯矿井,以致发生了突出伤亡事故。 类似的情况还有晋城寺河煤矿。以上情况一个是因为工作人员素质较低，一个是信息不能共享导致严重的煤矿事故，为了防止这种事故再次发生，很多人开始着手开发无线监控系统，便于使官方更多掌握各煤矿的资料。本文论述的基于GPRS的无线监测系统是一种易于实现，投资较少的一种实用系统，它可以将各大煤矿的监测数据传到中心站，由专家统一鉴定，并且可以及时通知相邻煤矿危险信息起到资源共享的作用。GPRS

28、(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称，是在现有的第二代移动通信GSM系统的基础上发展出来的一种基于分组交换传输数据的高效率方式，提供广域、无缝、直接的Internet无线IP连接。每个用户可以同时占有多个无线信道，大大提高信息传输速率；采用“统计复用”的方式，多个用户可以动态共享一个信道，大大提高了带宽资源的利用率，能够确保分组模式数据应用的成本效益和网络资源的有效利用。GPRS在一个发送实体和另一个或多个发送实体之间提供数据传输，这些实体可以是连接到一个GPRS网络或一个外部数据网的终端设备。尤其适用于间歇性、非周期性数传输(相邻两次传输的时间

29、间隔远远大于平均传输延迟)；少量数据的频繁传输；较大容量数据的不频繁传输。以GPRS为基础的无线数据应用为实现远距离的数据传输和实时监控提供了一种新的技术手段1.3 矿井安全监控现状在现代工业企业的生产和管理中，大量的物理量、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制。这是现代化工业生产必不可少的基本手段。从单台计算机的直接监测控制到多级计算机监测控制系统，以及分布式、网络化、智能化的系统，在各种企业中都有应用。计算机监控系统，是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构，与被监测控制的对象(生产过程)共同构成的整体。在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。(1

30、)采集和处理功能 主要是对生产过程的各种模拟和数字量进行检测、采样和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等。为生产人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况。(2)监督功能 将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的指令和输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据和历史数据加以储存。(3)管理功能 利用己有的有效的数据、图像、报表等对工作情况进行分析、故障诊断、险情预测。并以声光电的形式对故障和突发事件报警。(4)控制功能 在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于生产过程。一般情况下，计算机监

31、控系统都是在生产现场或附近进行管理的，这样便于生产技术人员及时到达现场指导生产，在发生故障时能够尽快解决问题以便恢复生产。但是如果生产或采集现场地理位置比较偏僻、气候和其它一些条件比较恶劣时就无法在生产现场或数据采集现场建立计算机监控系统，这时就需要建立远程监控系统，另外，对于有许多地理位置分散的分厂或者分部的企业集团，总公司为了能够统一和全面管理各个分厂的生产，也需要建立一个计算机远程监控系统。目前远程监控主要有以下几种方式：短距离长线监控；通过市话网；通过Internet 网络；通过自组网络(CDPD 网)；通过数传电台方式。短距离长线监控和通过自组网络(CDPD 网)首先要自行建设通信网

32、络，建网初期投资巨大，运营期间自主维护耗费人力物力较大，信号质量得以保证，效果好，相对运营费用高；通过市话网和Internet 方式以现有的网络为依托，无需自行建设通信网络，但是由于市话网和Internet 难以达到工业现场覆盖面，接入网络受到限制，局限性很大，网络运行效果取决于网络运营商，线路安全不能得到保证，其通信效果好，信号量大，运营费用相对低廉；数传电台出现较早，应用很广泛，是一种不错的无线数传方式，但是建网初期投资巨大，数传电台的传输范围有限，而且容易受到空间无线信号的干扰，信号不能得到保障，但是数传电台信号传输实时性好，运行费用低。远程监控系统应用广泛，遍及国民经济的很多领域，典型

33、应用概括为以下几个方面：(1)煤气/天然气，石油，电力等能源系统设备以及网络的远程监控 发电机组，变电站，供电所的远程监控；煤气/天然气管线压力，温度，流量等远程监控；石油开采中抽油井各种参数的远程监控等。(2)车辆状态远程监控 如车辆位置/时间，运动方向/速度监控，远程控制车辆中的设备，车辆丢失的查找和监控等。(3)自动化工厂，生产过程，机器和设备的远程监控 在自动化生产线上，一般由可编程逻辑控制器控制，可对其进行远程监控；关键的机器和设备关系到产品的质量和生产线的安全，对此类设备工作参数可实现远程监控，超限报警。(4)对人体有害的环境下的远程监控 化工厂周围的空气质量的远程监控，噪声严重区

34、域的噪声远程监控和噪声抑制；地震测试点的资料上传，气象监控点的资料上传。(5)通风设备，制冷设备等的远程监控 冷库/仓库的远程监控，矿井通风设备，探矿设备的远程监控。(6)水库大坝、水闸、供水系统的远程监控 河流、湖泊、海潮的水位变化，水流量状态等关系到灾害的发生和人民生命财产安全，水质的变化对供水系统和人们的生活影响很大，远程实时监控这些状态数据意义重大。(7)各种信息查询系统 交通信息、天气预报、银行系统等很多领域的信息查询。而目前这些监控系统无论从成本、可靠性、稳定性、使用方便性、还是维护的难易程度等方面都不能最大限度的使人满意。因此本文把GPRS网络引入到远程监控系统中，提出了基于GP

35、RS 的远程监控系统。GPRS是在现有的GSM 网络基础上增加一些硬件设备和软件升级，形成一个新的网络逻辑实体。它以分组交换技术为基础，采用IP 数据网络协议，提高了现有的GSM 网的数据业务传输速率，最高可达170kb/s。GPRS 把分组交换技术引入现有GSM 系统，使得移动通信和数据网络合二为一，具有“极速传送”、“永远在线”、“价格实惠”等特点。GPRS 网络是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟完善、覆盖面最广、功能最强、用户最多的移动通信网络，利用GPRS 实现远程监控可靠性高、信号传播距离远、覆盖面积广，并且可以节省建网初期的巨额投资，运营期间无需维护网络，运行费用低廉。随

36、着科学的不断发展，GPRS也必将用于其他诸多领域。1.4 远程监控系统综述1. 系统组成基于GPRS的数据采集远程网络监控系统主要由三大部分组成：数据采集信息终端(包括数据采集器、通信控制器、GPRS Modem)、GPRS通信部分(包括MSC基站控制器、SGSN业务支持节点、GGSN网关支持节点)、本地监控(包括网关、信息服务器等)。在以GPRS通信网承载的IP数据报形式传输数据时，信息终端和GPRS网关支持节点(GGSN)之间利用GPRS网络无线传输；在GGSN和本地监控之间采用有线(Intemet)传输。2. 系统原理分布式数据采集远程网络监控系统是集现代无线通信技术、信号采集技术以及计

37、算机网络技术为一体的廉价、高效、应用范围广泛的高科技系统。为现代测控技术提供了一个实时、高效、经济、安全的监测手段。数据采集远程网络监控系统其原理是通过信号采集技术，把现场需要监测的数据采集下来，通过通信控制器对采集到的数据进行存储、编码和转发，经过先进的无线通信方式 GPRS分组交换，定时把数据发送到远程Intemet网络上的本地监控。当被监测数据超过设备正常工作的临界值时报警触发，信息终端自动将变化的报警信息上传给本地监控。因此，只要在本地监控对监测数据进行分析就可以完全了解现场的具体情况，并且可以随时做出判断，给监控终端发送控制和查询命令，让信息终端做进一步的、更详尽的监测1.5 本文主

38、要工作远程监控系统一般由本地监控站和远程监控分站两部分组成。论文首先给出系统的拓扑结构，论述系统的结构组成；然后对本地监控站和远程监控分站两部分进行硬件设计，搭建整个系统的硬件框架；最后对本地监控站和远程监控分站两部分进行软件设计并进行调试。设计目标是真正实现基于GPRS 的远程数据通信，使其能够运用在实际的监控系统中，最终面向产品开发。课题的主要工作是单片机的合理选型及其外围电路的设计、GPRS 模块的选择、外围硬件设计和整个系统的软件设计；单片机采用美国TI 公司生产的MSP430F149 系列芯片，论文中将详细讲述这一系列单片机的特点；GPRS 模块选择德国西门子公司的MC35 模块，通

39、过标准AT 指令控制；系统的硬件设计是本论文的重点；整个系统的软件设计包括本地监控站程序设计和远程监控分站程序设计。其中，本地监控站程序设计采用Visual Basic 6.0 作为开发工具。远程监控分站程序设计以IAR 公司为MSP430 系列单片机开发的Embedded Workbench 集成开发环境为开发平台，其软件包括单片机初始化、主程序、数据显示程序、定时信号采集及处理子程序、数据收发子程序。论文结构安排如下：第一章为绪论，主要介绍课题的背景，分析了远程监控系统的意义和需求，远程监控系统的发展现状，并依此总结了提出基于GPRS 网络监控系统的必要性和本课题的主要工作。第二章为GPR

40、S 网络结构与工作原理，主要介绍GPRS 网络的体系结构、系统组成及相关接口，并详细讲述GPRS 网路的工作原理，另外还详细介绍了GPRS 的应用。第三章简单介绍了TCP/IP 协议族，详细分析了TCP/IP 协议族中的两个协议：UDP 协议和IP 协议，并详细分析了登录GPRS 网络时所使用的链路层协议：PPP 协议。第四章为系统的硬件设计部分，分本地监控站和远程监控分站两部分进行设计。本地监控站部分设计本地监控服务器，企业内部局域网，数据库服务器，以及本地监控的网络连接方案。远程监控分站部分主要讲述MSP430F149 单片机的特点，设计包括液晶显示、键盘功能、串行通信、A/D 转换等几个

41、功能模块，GPRS 无线通信模块MC35 的硬件特性并设计外围电路。最后设计给出整个远程监控系统的硬件结构。第五章为系统的软件设计部分，首先讲述对于本系统很重要的软件设计基础，然后分本地监控站和远程监控分站两个部分进行软件设计。软件设计基础主要讲述常见AT 指令及使用方法和如何通过设置GPRS 通信模块，如何登陆GPRS 网关。远程监控分站软件设计部分首先给出主程序流程，GPRS 模块的初始化流程，以及过程当中的难点，然后对A/D 转换部分程序进行设计 第六章为总结和展望 叙述将来GPRS更大的用处第二章 GPRS网络结构与工作原理2.1 GPRS网络通信综述GPRS 是通用分组无线业务(Ge

42、neral Packet Radio Service)的英文简称，是在现有的GSM 系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。GPRS在现有的GSM 网络基础上增加一些硬件设备和软件升级，形成一个新的网络逻辑实体。它以分组交换技术为基础，采用IP 数据网络协议，提高了现有的GSM 网的数据业务传输速率，最高可达170kb/s。GPRS 把分组交换技术引入现有GSM 系统，使得移动通信和数据网络合二为一，具有“极速传送”、“永远在线”、“价格实惠”等特点。GPRS 与现有的GSM 语音系统最根本的区别是，GSM 是一种电路交换系统，而GPRS 是一种分组交换系统。因此，GPRS 特别适用于间断的

43、、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输，这一特点正适合大多数移动互联的应用。2.1.1 GPRS 现状与发展在固定电信网上，许多国家数据业务己经超过了话音业务，我国在骨干传输网上，数据业务也己经超过了话音业务。最近几年，许多国家在GSM网络上短消息业务的极大成功，说明移动数据通信的市场具有极大的潜力。尽管由于缺少经验，特别是移动数据通信的应用千变万化，如何开拓和规划技术与市场，一直困扰着各移动运营商、设备供应商和内容提供商。但是，可以肯定地说，正如话音经历了从第一代、第二代发展到第三代移动通信一样，总体来说，移动数据通信的发展历程也必然会经历同样的过程。而且，随着我国电

44、信体制的进一步放开，电信增值业务会极大地促进移动数据业务的开展，例如基于位置业务(LBS)，将带来一大批新的应用业务的开展，特别是移动电子商务的发展。GPRS 的现状己经非常成熟，目前，全世界己有近百个运营商开通了商用系统、试商用系统或实验系统。从1999 年开始，英国的BTCellNET、荷兰的TELFORT、中国香港的SMATONE 等多个国家和地区的运营商，纷纷在其GSM 网叠加发展GPRS。2001 年各运营商有了非常大的发展，2002 年基本进入商用化。随着网络覆盖的不断扩大和用户数量的不断增加，中国移动和中国联通也都在积极采用新技术，推出新业务。除基本话音业务外，两家公司都开通了三

45、类传真、9600 波特及以下数据业务、语音信箱、移动秘书、短消息、移动互联网、手机拨打IP 电话、信息点播、手机银行、WAP 业务等形式多样的业务。运营商们发现，一方面，短消息业务因其价格低廉、随时随地收发信息，不受关机影响的特点而倍受用户青睐，发展态势喜人；而另一方面，WAP 业务虽然宣传描绘得很好，用户也十分想用，但实际应用却并不理想。WAP 业务之所以不能广泛推广的主要原因是它是基于GSM 电路交换数据(CSD)方式承载的，CSD 的速率低，并且资费政策不符合用户实际应用的需要。而现在人们移动上网的传输方式是基于电路交换的，需要拨号连接，占用固定通信时隙，对资源的利用不可动态调整，资源利

46、用效率低，用户最高只能以9.6kbit/s 的速度进行数据通信，如Fax、E-mail、FTP 等，这种速度用于传送静态图像还基本能满足要求，但随着因特网的飞速发展，用户往往希望传送高质量的视频和声音。显然，现有的GSM 数据业务无法满足这个要求。并且现在的数据业务与话音业务计费方式一样，用户只要连接到网就要按时间付费。在速率低的情况下，必然造成连接时间长，并且用户浏览Web 网页并不是一个连续占用信道的过程，它是“用户提交网页请求服务器响应后向用户发送网页用户阅读网页用户再提交新的请求”这样一个突发和间歇占用信道的过程，在用户阅读网页的时间里信道其实是空闲的，但用户也要为此付费。CSD 方式

47、的明显缺陷就是造成了无线资源的浪费和用户费用较高，用户对GSM 数据业务需求的积极性就这样被抑制了，即便使用WAP 业务也不能从根本上解决这一问题。而GPRS 将改变这一现状，由于它是基于IP 协议的二层协议，因此GPRS可提供与因特网更有效的连接2.1.2 GPRS 的特点与优势GSM 网络已经具有和互联网络连接的功能了，那么GSM 和GPRS 又有什么不同呢31？通过以下对比来说明GPRS 的优势。从数据传输方式说： 现在主要存在2 种数据传输方式：电路交换(CS)方式与分组交换方式(PS)。电路交换方式(CS)：采用公共控制方式，在源端和目的端间实时建立起电路连接，构成一条信息通道，专供

48、两端用户通信。通信期间，信道一直为通信双方占用。通信结束则释放电路。端对端的物理电路由若干电路组成。目前GSM 的数据业务就是基于电路交换方式，因而受无线速率的影响，最高速率为9.6kbit/s。分组交换方式(PS)：利用存储转发原理，使不同终端的数据采用长度不大的等长标准数据格式，通过非专用的许多逻辑子信道进行数据快速交换，即将信息分成为数据分组或信息包，再加上目的地址，分组编号，控制比特等的分组头，沿不同的路由进行传送，收端可按分组编号重新组装成原始信号。分组通信的实质是依靠高处理能力的计算机来充分利用宝贵的通信信道资源。基于分组交换的GPRS 业务理论上的速率可以达到171.2kbit/

49、s。与GSM 数据通信相比，GPRS 有许多独特的特性：(1)传输速率高 定义了新的GPRS 无线信道，且分配方式十分灵活，每个TDMA 帧可分配1 到8 个无线接口时隙。时隙能为活动用户所共享，且上行链路和下行链路的分配是独立的，在上行链路上网络需要对MS(移动台)进行争抢判决，多个MS 可共享一个时隙的无线资源；在下行信道上采用排队的机制，多个MS 可共享多时隙的下行资源。通过同时使用8 个时隙，GPRS 网络数据传输速率最大可达171.2kbit/s，GPRS 采用了与GSM不同的信道编码方案，定义了CS1、CS2、CS3、CS4 四种编码方案。而且通过不同的编码方式，支持不同速率的传输

50、。(2)接入时间短 GPRS 的核心网络层采用IP 技术，很方便地实现与高速发展的IP 网和现有数据网的快速无缝连接，保证通信的实时性。(3)频谱效率 由于采用分组交换方式，用户只有在数据传输时才占用无线信道，无线资源可以同时被若干用户共享，大大提高了频段利用率，避免了资源的浪费。(4)支持协议 TCP/IP 协议和X.25 协议，可以和Internet 网、X.25 网互联互通 支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理,突破了GSM 通信中数据流量的限制。GPRS 在数据通信领域独有的技术优势为它赢得了广泛的应用，在数据采集和监控、移动办公、调度和定位等方面有很好的应

51、用前景。(5)兼容短消息 GPRS 也允许短消息业务(SMS)经GPRS 无线信道传输(需要运营商支持)。(6)业务丰富 GPRS 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据的传输45。它支持四种不同的QoS(Quality ofService，服务质量)级别，能在0.51 秒之内恢复数据的重新传输。GPRS可以实现基于数据流量、业务类型及QoS 的计费功能，计费方式更加合理，用户使用更加方便。GSM 与GPRS 两种业务特点的对比：对比内容电路型数据业务分组型数据业务无线信道专用，最多四个时隙捆绑共享，最多8个时隙捆绑链路建立时间呼叫建立时间长短，有永远在线之称传输时延

52、短，适用于实时性强的业务适度的传输时延传输速率从小于9.6kbps到57.6kbps最大到171.2kbps网络升级费用初期投资少，需要增加IWF单元及BTS/BSC进行软件升级费用较大，需增加网络设备，但节省基站投资提供相同业务代价价格昂贵，占用系统资源多价格较便宜占用系统资源少2.2 GPRS 系统组成及相关接口GPRS 网是在GSM 网的基础上增加以下功能实体构成的：服务GPRS 支持节点(SGSN)、网关GPRS 支持节点(GGSN)和点对多点服务中心(PTMSC)。系统共用GSM 基站，但基站要进行软件更新，并采用新的GPRS移动台；GPRS 要增加新的移动性管理程序；通过路由器实现

53、GPRS 骨干网互联；GSM 网络系统要进行软件更新和增加新的MAP 信令和GPRS 信令等。GPRS 骨干网的逻辑结构如图2-1 所示。GPRS 网络上增加了如下一些接口：无线接口Um 是移动台(MS)与基站(BTS)之间的连接接口，GPRS 中接口标准遵循GSM 系统的标准。与GSM 系统相同的是在GPRS 系统的空中接口中，一个TDMA 帧分为8 个时隙，每个时隙发送的信息称为一个“突发脉冲串”(Burst)，每个TDMA 帧的一个时隙构成一个物理信道，物理信道被定义成不同的逻辑信道。与GSM 系统不同的是在GPRS 系统中，一个物理信道既可以定义为一个逻辑信道，也可以定义为一个逻辑信道

54、的一部分，即一个逻辑信道可以由一个或几个物理信道构成。SGSN 与BSS 间的Gb 口。Gb 口的功能是通过逻辑链路控制(LLC)协议建立SGSN 与MS 之间的连接，以进行信令信息和用户数据的交换，为MS 提供移动性管理(位置跟踪)和安全管理功能。Gb 接口能使多用户复用同一物理资源。资源在用户活动时(当数据发送或接收时)分配给用户，而在活动结束时会马上被收回并重新分配。SGSN 与GGSN 间的Gn 口。SGSN 通过Gn 口和GGSN 相联，通过GPRS 隧道协议(GTP)建立SGSN 和外部数据网(X.25 或IP)之间的通道，实现MS 和外部数据网的互联。SGSN 与MSC/VLR

55、间的Gs 口。Gs 口用于SGSN 向MSC/VLR 发送地址信息，并从MSC/VLR 接收寻呼请求，实现分组型业务和非分组型业务的关联。SGSN 与HLR 间的Gr 口。HLR 保存GPRS 用户数据和路由信息(IMSI，SGSN 地址)，每个IMSI 还包含分组数据协议(PDP)信息，包括PDP 类型(X.25 或IP)、PDP 地址及其QoS 等级以及路由信息。GGSN 与外部数据网之间的Gi 口。GGSN 通过口Gi 口实现GPRS 网和外部分组组数据网(PDN)的互联。GGSN 实际上是两个数据网网关，GPRS本身属于IP 网络领域，Gi 口支持X.25 和IP 协议。通过GGSN

56、与GPRS网互联的分组数据网可以是PSPDN 网，这时GPRS 支持ITUT X.121 和ITUT E.164 编号方案，提供X.25 虚电路及对X.25 的快速选择，还支持网间的X.75 协议连接：也可以是Internet 网，基于IP 协议，在IP 数据报传输方式中，GPRS 支持TCP/IP 头的压缩功能。在SGSN 和SMS 间的Gd 接口。有了这个接口，短消息就可以通过GPRS 网络传送，而不必占用GSM 的资源。在GGSN 和HLR 间的Gc 接口。设置它的目的是为了支持TE( Terminal Equipment)主机发起连接。通常连接是由MS 发起的，SGSN 在对用户鉴权之

57、后，找到指定的GGSN，并与之建立数据通路。如果连接是由外网主机发起的，信息到达GGSN 之后，GGSN 就需要通过Gc 接口查询HLR：目的IP 对应哪一个MS；这个MS 现在由哪一个SGSN 控制。除此之外，还有Gp 接口，在BGGSN 和其他运营商的网络之间，以便实现网间漫游。2.3 GPRS 网络工作原理2.3.1 分组数据路由及传输GPRS 传输协议平台如图2-2 所示。数据包从TE 传到MS 要经过四个接口：Gi、Gn、Gb 和Um。下面我们就顺序介绍在这个过程中所使用到的传输协议。图2.2GPRS传输协议平台在Gi 接口上没有新的协议。与普通的路由器一样，GGSN 利用现有的传输

58、方法接收二层数据帧。之后再对帧进行处理得到IP 数据包。分析该IP包的目的地址，恰为本地PDP 上下文所标示的某一MS 地址，则将此数据包送至Gn 接口的软件模块，做进一步处理。在Gn 接口，最先对数据包做处理的是GTP(GPRS Tunneling Protocol)协议，它实现了从GGSN 到SGSN 的虚拟传输通路，即隧道。隧道有两个优点：一是便于MS 的移动，当MS 由一个SGSN 转移到另外一个SGSN的控制下时，只需改变GTP 的配置，使隧道的末端发生变化即可，对于被承载的IP 数据包来说是透明的；二是在Gi 和Gn 两个网络之间，即TE 和运营商网络之间不存在路由，只有封装关系，

59、安全性得到了保障。Gn 网络本身是一个TCP/IP 网络，Gn 网络中的元素都是靠IP 来寻址的。GTP 协议数据包对于Gn 网络来说是高层的应用数据，需要由TCP 或UDP 承载，对应GTP 应用的四层端口号是3386。之后，TCP 或UDP 的数据包进一步封装成IP 包，此IP 包的目的地址即为目标SGSN 的地址。Gn网络中的IP 包传送也是靠一系列的路由器和交换机来完成的。注意，这时传送的是运营商内网IP(或者内层IP、下层IP)，与此相对应的是封装在GTP 协议内部的IP 叫做外网IP(或者外层IP、上层IP)。当数据到达SGSN之后，对其层层解封，最终还原出用户的IP 数据包。在G

60、b 接口，首先需要SNDCP(Sub-Network Dependent Convergence Protocol，子网相关收敛协议)对IP 数据包进行处理，这一步的目的是提高GPRS 的可扩展性，将来只需改变SNDCP 就可以适应新的三层协议，比如IPv6。除此之外，SNDCP 还负责数据的压缩和分段，压缩的目的是节约空中接口带宽，分段的目的是适应下层LLC 的MTU(Maximum Transmission Unit，最大传输单元)。LLC(Logical Link Control，逻辑链路控制)协议49,50负责从SGSN 到手机的数据传输。它的服务对象为：SNDCP 数据包(即用户数据

61、)、用户信令和短消息。服务的类型有面向连接和无连接两种，用户可以根据QoS 要求选择。BSSGP(Base Station System GPRS Protocol)是SGSN 与BSS 通讯的最上层协议，故而它不但发送上层的LLC 数据，还传输SGSN 对BSS 的控制信息。NS(Network Service)提供网络传输服务，目前，这个服务是基于帧中继PVC 的。也就是说，Gb 接口是帧中继接口，可以租用帧中继服务商的线路，也可以在专线上运行帧中继协议。数据到达BSS 之后，同样是层层解封，最终得到的是LLC 数据帧，BSS 并不对LLC 帧做处理，而只是透明转发。在BSS 和MS 之间

62、的Um 接口，任何由空中接口传输的数据，必须先经过两个协议的处理，RLC(Radio Link Control)和MAC(Media Access Control)。RLC 将LLC 数据帧拆分成便于空中传输的数据块，并负责空中接口的可靠性保障。MAC 的功能是控制空中资源的使用，由于一个用户可以使用多个信道，多个用户也可以使用一个信道，而且，资源的分配是动态的，所以下行传输时，MAC 必须标识当前的数据块是给哪一个MS 的，上行传输时，必须指定当前资源由谁使用。加上LLC 和MAC 头之后，数据块被卷积(Convolutional Coding)和交织(Interleaving)。卷积指在数

63、据中添加冗余信息，以减少非连续比特错误。卷积处理之后的数据块统一为456bit。交织是将数据块交叉分散到四个突发序列(Normal Burst)中，可以抵抗连续比特错误。经过上述处理，最终得到的突发序列与GSM 无异，每个包含114bit的数据信息。它们采用和GSM 同样的方式，通过空中接口，到达MS。再对MS 解封，即可还原出IP 数据包。至此，IP 包通过了GPRS 网络，承载的功能完成了。控制GPRS 操作的有两个重要的上下文过程，在SGSN 之前(靠近MS一侧)有MM (Mobile Management) 上下文，SGSN 之后 (靠近网络一侧) 有PDP(Packet Data P

64、rotocol)上下文。MM 上下文过程负责移动管理，它有三种状态，空闲(Idle)、就绪(Ready)和守候(Standby)。PDP 上下文负责数据的传输，任何数据传送之前，MS要建立PDP 上下文链接，必备的参数包括MS 的IP 地址，APN 等等。有了这些参数，SGSN 可以发起建立一条到GGSN 的数据传输通路，IP 地址的动态分配也是在这个过程中完成的。图2-3 描述了分组数据的路由传输方式。2.3.2 信令协议平台GPRS 信令协议平台由控制协议以及支持传输协议平台组成，主要实现如下功能：(1)控制GPRS 网接入连接，如与GPRS 网连接和断开；(2)控制网络接入连接的建立，如分组数据协议PDP ( X.25 或IP ) 地址的激活；