GPRS通信在水情自动测报系统中的应用

2010-07-14吴东俊郭易马岚

水电站机电技术 2010年3期

吴东俊,郭易,马岚

(北京中水科水电科技开发有限公司,北京100038)

1 GPRS通信

移动通信(Modilecommunication)可以说是目前通信领域中发展最快的一种通信方式，我国自1987年开通移动通信业务以来发展迅猛，其用户量已位居世界第一位，并且在不断地扩大其业务范围和功能。

GPRS——GeneralPacketRadioService，通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的技术，方法是以“分组”的形式将资料传送到用户手上。虽然GPRS是作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，但是它在许多方面都具有显著的优势。

由于使用了“分组”的技术，用户上网可以免受断线的痛苦，而且下载资料和通话是可以同时进行的。从技术上来说，声音的传送(即通话)继续使用GSM，而数据的传送便可使用GPRS，这样的话，就把移动电话的应用提升到一个更高的层次。发展GPRS技术也十分“经济”，因为只需沿用现有的GSM网络来发展即可。GPRS真正实现了“alwaysonline(永久在线)”和“IPinhand(掌中网)”，数据实现分组发送和接收，这同时意味着用户总是在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。

GPRS的最大优势在于带宽。目前的GSM移动通信网的传输速度为每秒9.6K字节，GPRS手机在今年年初推出时已达到56Kbps的传输速度，理论峰值达到了115Kbps(此速度是常用56Kmodem理想速率的两倍)。GPRS是在第二代移动通信系统GSM基础上发展起来的，GSM网络为实现数据流的传输增加了支持分组交换的网络系统设备，GPRS在业界也俗称2.5代移动通信系统。第三代移动通信系统现在已经开始建设，该网络全面支持高速、宽带的多媒体数据传输。第四代移动通信系统的标准正在制定之中。

2 GPRS的特点

(1)“alwaysonline”即“实时在线”，指用户随时与网络保持联系。举个例子，用户访问互联网时，GPRS无线终端就在无线信道上发送和接收数据，没有数据传送，GPRS无线终端还会一直与网络保持连接，不但可以由用户侧发起数据传输，还可以从网络侧随时启动push类业务，发起数据传输,而不像普通拨号上网那样断线后必须重新拨号才能再次接入互联网。

(2)按量计费。对于电路交换模式的GSM，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。而对于分组交换模式的GPRS，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。相应于分组交换的技术特点，GPRS用户的计费以通信的数据流量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少”的原则。没有数据流量传递时，用户即使挂在网上也是不收费的，实现了信道共享。

(3)快捷登录。GPRS无线终端一开机就能够附着到GPRS网络上，即已经与GPRS网络建立联系，需要的时间一般是3s～5s。每次使用GPRS数据业务时，需要一个激活的过程，一般是1s～3s，激活之后就已经完全接入了互联网。而固定拨号方式接入互联网需要拨号、验证用户姓名密码、登录服务器等过程，至少需要8s～10s甚至更长的时间。

(4)高速传输。GPRS采用分组交换技术，数据传输速率最高理论值能达171.2Kbps，此时已经完全可以支持像多媒体图像传输业务这样一些对带宽要求较高的应用业务。但171.2Kbps的理论值是在采用CS－4编码方式且无线环境良好、信道充足的情况下实现的，实际数据传输速率要受网络编码方式、终端支持、无线环境等诸多因素影响。目前GPRS用户的接入速度还在40Kbps左右，在使用数据加速系统后，速率可以提高到60Kbps～80Kbps左右。

3 GPRS的应用

3.1 GPRS模块介绍

GPRS模块由我公司开发研制，模块同时具备GPRS与SMS短信两种通信功能，其设计和开发符合ETSIGSMGPRS标准，各项技术指标符合我国GSM移动通信网技术规范的规定。模块型号为MC55i-TLP。

模块嵌入了完整的TCP/IP协议，是一款设计完善的通信单元。该模块可以通过标准接口与最为复杂的应用相连接，内置SIM卡阅读器以及支持即插即用的特性给产品应用带来很大便利。使用GPRS技术带来的优点:永久在线加上高速价廉的数据传送服务。

模块的控制电路以8位单片机为基础，加上逻辑电路和低功耗元器件实现了高性能、多功能、低功耗。

模块依托相应的软件，可实现专网和INTERNET连接；模块封装了PPP/TCP/Telnet/FTP/SMTP等通信协议，可以设置串口的波特率、校验方式、数据位、停止位，无需后台支持即可打包数据，实现TCP、UDP或FTP传输。

模块可以灵活实现点～点、点～多点、中心～多点的对等数据传输，应用更全面、更广阔；传输模式多样化，提供AT指令模式和透明传输模式，支持三频模式方案和GPRS(class10)标准；采用专用电源管理芯片，实现低功耗，更适用于在野外电源供给困难的情况下数据传输。

3.2 GPRS模块的基本功能

·信道上提供TCP/IP连接，可用于互联网及数据传输等应用；

·内置网络协议，可以网络传输数据；

·低功耗、快速握手、高可靠性；

·通过振铃联通；

·透明数据传输与协议转换；

·GPRS和短信数据互为备用；

·动态数据中心地址寻址;

·可同时设置目的IP地址和短信号码；

·实时时钟(可校时)；

·支持RS-232接口；

·抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求。GPRS模块的外形如图1所示。

3.3 GPRS模块的技术指标

·支持三频:900/1800/1900MHz；

·灵敏度及发射功率:GSMRX不大于-100dBm，GSMTX不小于30dBm；

·协议:AT指令集，符合GSM0707、GSM0705(SMS)和GPRS标准；

·可同时设置3个目的IP地址和3个目的短信号码；

·时钟误差:±2s/天，可随时进行时钟校准；

·响应时间:1s以内；

·通信接口:RS232；

图1 GPRS模块的外形

·MTBF:25000h；

·能耗指标:守候电流(在线状态)≤7mA，工作电压12V；

·可运行环境:温度:-20℃～+55℃,湿度:99%RH(40℃)；

·储存温度:-40℃～+85℃；

·尺寸:90mm×54mm×26mm(长×宽×高)。

3.4 GPRS的应用

(1)遥测站应用

水情自动测报系统遥测站大多建在乡村野外和江河两岸，电源供给十分困难，一般采用太阳能光板浮充蓄电池供电方式。特殊的供电方式要求野外遥测站必须是低功耗的，而遥测站中的数据传输设备的功耗最大。我们研制的MC55i-TLP低功耗GPRS数据通信模块解决了多年来遥测站不能与中心站永久处于连接状态的问题。以往为使遥测站与中心站永久处于在线状态要加大遥测站的蓄电池和太阳能光板的容量，造价昂贵，同时给征地、土建、维护带来不少的困难。MC55i-TLP低功耗数据通信模块的研制成功使野外遥测站与中心站永远保持在线状态，实现遥测站无线上网运行，实时向中心站传输数据，同时中心站也可实现对遥测站的实时召测。值班人员可随时在网上了解流域内的降雨情况和江河水位、流量的变化情况以及遥测站的工作状态。

该模块守候电流(在线状态)仅为7mA，遥测站RTU控制器值守电流为1mA，这样整个遥测站的值守电流为8mA，并保持与中心站处于在线状态。经计算，遥测站30天消耗安时数为5.76Ah，考虑到蓄电池效率、自放电，控制器、传感器、通信模块工作时的耗电，经实验证明连续阴天无日照，太阳能光板无法对蓄电池浮充，仅靠蓄电池供电，12V12Ah能保证遥测站正常工作30天。如果连阴天不超过20天，考虑到太阳能光板的浮充，一般遥测站蓄电池配置12V12Ah为宜。

该模块不但可以实现GPRS通信，还可以实现GPRS和短信的双信道互备通信。如GPRS为主信道，短信为备用信道，一旦主信道出现问题，遥测站自动切换到备用信道工作。也可将短信设为主信道，GPRS设为备用信道。GPRS通信费用按流量收费，在国内许多地区实行包月计费，一般采用每月20元，每月流量不超过20M，对于一个水文遥测站来讲其流量充足，这样一个遥测站的一年通信费不超过240元。MC55i-TLP低功耗GPRS通信模块的投入使用和合理的通信费用极大地改善了水情系统的通信现状。图2为GPRS遥测站框图。

图2 GPRS遥测站框图

(2)中心站应用

GPRS中心站接入目前常用的有五种方案，其中三种方案为有线接入方案，另外两种方案为无线接入方案，如图3所示。方案一:有线接入，INTERNET动态IP＋互联网DNS；方案二:有线接入，ADSL动态IP＋中国电信DNS；方案三:有线接入，APN专线＋移动网固定IP；方案四:无线接入，RTU(MC55i-TLP/MB-07)＋移动网动态IP＋移动DNS；方案五:无线接入，RTU(MC55i-TLP/MB-07)＋移动APN专网固定IP。除上述五种接入方案外，依据当地的网络状况，还有其他特殊的接入方案，在这里就不一一介绍了。

(3)工程应用

华能澜沧江水电集控中心水情自动测报系统中心站采用图3方案三“APN专线接入”方式。集控中心向中国移动申请APN专线，通过2M光纤到达集控中心，经过协议转换器、路由器获得固定IP和移动对端组成局域网，加入APN的每个SIM卡绑定固定IP，测站和中心站组成基于移动内网的局域网，相互间可以传输数据。考虑到系统安全性，中心站程序由两部分组成:GPRS数据采集终端程序实时监听SOCK端口数据并转发至串口；数据采集平台实时检测串口数据，进行接收解码入库等操作。经过试运行考核证明系统运行稳定，遥测站实时在线，中心站可随时了解到水雨情变化和遥测站的工作状况。