桥梁检测数据的GPRS无线传输
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作者: 范德宝
[摘 要]本文简要介绍了GPRS技术的特点及目前的部署状况;利用西门子公司的GPRS模块,重点提出了一种基于GPRS实现桥梁检测远程数据传输系统的设计和方法;具体说明了系统实现中的难点和关键技术,克服了传统方法的缺点, 实验测试取得良好效果,同时展望了该技术广泛的应用前景。
[关键词]GPRS;SMS;远程数据传输;桥梁检测
一、GPRS技术简介
通用分组无线业务(General Packet Radio Service, GPRS)是在现有GSM系统上发展起来的一种承载业务,目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS抛弃了传统的独占电路交换模式,采用分组交换技术,每个用户可同时占用多个无线信道,同一无线信道又可以有多个用户共享,有效地利用了信道资源,带宽最高可达171.2Kb/s。目前中国移动的GPRS覆盖范围在中心城市几乎达到了100%,在边远地区也达到了80%以上,实际应用带宽大约在20～40Kb/s,特别适合远程检测行业的通信需求,能够完全取代过去传统的有线MODEM.X.25、数传电台、短信等通信方式。
GPRS通信方式更适合于桥梁数据采集传输业务,目前各桥梁检测站与各采集点采用电话线传送数据或手工抄录,实时性差、误差大、费用也不便宜。GPRS无线传输数据有以下优势:(1)GPRS用户可随意分布和移动自己的网点,无需担心线路的维护或线路在移机时导致的通讯中断。建设新的监测点无需进行拉线、埋线等工作。较光纤或专线系统投资较少,设备安装方便。(2)终端价格比较低,与DDN相比较DTU或DDN专线Modem其终端价格便宜。(3)GPRS资费便宜,计费合理。GPRS数据业务资费包月比有线电话网络资费还便宜。GPRS还可根据通信的数据量和提供的服务质量进行计费。在GPRS网中,用户只需与网络建立一次连接,就可长时间的保持这种连接,并只在传输数据时才占用信道并被计费,保持时不占用信道不计费。这样,检测点既不用频繁建立连接,也不必支付传输间隙时的费用。(4)GPRS能最好地支持频繁的、少量突发型数据业务。通信质量稳定可靠,永不掉线。(5)GPRS网络接入速度快,提供了与现有数据网的无缝连接。由于GPRS网本身就是一个分组型数据网,支持TCP/IP.X.25协议,因此无须经过PSTN等网络的转接,直接与分组数据网(IP网或X.25网)互通,接入速度仅几秒钟,快于电路型数据业务。采用TCP/IP协议,较以前的无线数据网络(集群、双向传呼、GSM短信息)而言,网络接入更加直接方便、覆盖更好。
二、系统的组成和设计
1.系统组成。在整个系统中由于外部环境因素,数据传输系统安装在桥梁上会对数据传输的准确性带来很多不利因素,为此先将桥梁检测数据通过近距离无线传输设备,将采集的数据传输到附近的监测站,再将其通过串口连接到GPRS数据传输终端,GPRS数据传输终端按照专用协议进行解析得到桥梁检测设备传来的数据后,将数据依次进行TCP封装->IP封装->PPP封装,然后将数据发送到GPRS网络,最终通过各种网关和路由到达监控中心。当GPRS网络出现故障时,GPRS数据传输终端切换到使用短消息传送数据的模式,将采集到的数据和网络故障的信息发送到短信报警/数据接收中心,再由短信报警/数据接收中心将数据发送到数据监控中心。这样充分保证了重要的采集数据不会丢失,极大地提高了系统的可靠性和稳定性。
2.系统设计。整个系统的设计内容包括近距离数据无线传输、GPRS终端的硬件与软件的选择与设计、传输终端与用户设备的接口、TCP/IP协议处理、GPRS终端与数据中心的互联、数据中心的网络接入与软件设置。桥梁检测设备为传统的具有RS232/485接口的设备,如位移计、倾角仪、压电加速度计等检测设备。桥梁检测设备有两种工作方式:一是按事先设定好的时间间隔,周期性的采集桥梁状态数据,实时地传送到监控中心;二是实时的响应监控中心的控制命令,按照监控中心发来的命令进行特定的数据采集任务。这就要求作为数据传输模块和终端设备控制模块的GPRS终端能够实时地解析,处理各种控制命令并向数据传输服务提供尽可能大的吞吐率。近距离无线传输用nRF401组成数字收发电路,nRF401是一个单片RF收发芯片,工作在433MHzISM频段和315MHz频段,具有FSK调制和解调能力,抗干扰能力强,适合工业控制应用,采用PLL合成技术,频率稳定性好。
三、远程数据传输
1.模块设置。要实现微处理器通过GPRS模块上网,必须先对GPRS模块进行一系列的设置。微处理器与GPRS模块之间使用AT命令进行通讯,遵循“AT command set for GSM Mobile Equipment(ME)(GSM07.07 version 6.4.0 Release1997)”协议规范。对模块的初始化设置工作在系统加电、操作系统完成各项初始化工作之后进行。主要的步骤和命令有:(1)AT+CGCLASS=“B”:设置移动终端的类别为“B”类,即同一时间只能运行一种业务,要么使用GPRS上网,要么收发短消息或使用GSM的语音通信。(2)AT+CGDCONT=1,“IP”,“CMNET”:设置接入网关为中国移动的网络。(3)AT+CSQ:检测信号强度,若返回值为“99,99”,表示检测不到网络信号,重复用户设定的检测次数,如果仍然检测不到,则软件复位重启该传输终端。(4)AT+CGACT=1,1:测试终端是否已经附着到GPRS网络上,如果返回值为“OK”,表示附着成功,可以使用GPRS网络传输数据了;若返回值为“ERROR”,表示附着网络失败,通过串口给出提示信息。这是用户应该检查SIM卡的GPRS业务是否已经开通。对GPRS模块设置完成之后,就可以使用GPRS模块进行数据传输了。
2.数据传输。GPRS网络物理层提供了数据传输的途径,需要一种数据链路层的协议对上层即网络层协议进行封装。由GPRS是基于IP协议,数据以IP分组的形式在终端与GPRS服务器群之间进行传输,为了保证传输的可靠性和实现对终端的身份验证,中国移动采用了PPP协议作为数据链路层使用的协议。PPP协议在网络组件中实现,在这不做讨论。使用PPP拨号时,接入电话号码为“*999*1#”,用户名和密码都为空,开始PPP拨号后,不断的轮PPP状态机的状态,当状态为OPENED时,表示PPP协商成功、连接建立,可以使用GPRS网络进行TCP/UDP传输。由于通过GPRS拨号上网的终端连接上的是中国移动的GPRS内网,它获得的IP地址属于GPRS内网址,初始状态下,数据中心不能直接用这个IP地址主动与终端设备进行通讯,所以通讯过程一般为:(1)终端设通过PPP拨号登录GPRS网络,获得GPRS内网的IP地址;(2)终端设备使用数据中心服务器的Internet上的IP地址或HTTP地址与数据中心建立TCP连接,这时TCP握手请求的IP封包通过GPRS内网与Internet连接的网关路由至数据中心;(3)数据中心收到握手请求后,发送的同步响应报文经过上述GPRS网关的NAT转换递交到终设备;(4)完成握手后,连接建立,开始数据传输。
3.可靠性保证。由于GPRS网络目前存在掉包率偏高、经常掉线、链路不稳定的特点,终端在设计时采取了以下几点措施保证数据传输的稳定性:(1)当通讯过程中,TCP重传次数大于3次时,认为GPRS网络出错,若能使用短信备份功能,切换到定时按事先设定好的命令采集数据以短信发送的工作模式。切换时,首先向GPRS模块发送“+++”命令,从在线传输模式切换到在线命令模式以响应短信发送的AT命令。在短信工作模式下,每隔一段时间,开始PPP拨号,若拨号成功,则将工作模式切换回使用GPRS网络传输。若不具备短消息备份功能,则将终端重新启动。(2)为了保证永远在线,避免在应用环境中由于链路空闲而被服务器强制断连,设备提供心跳功能,主动发送心跳数据,维持链路。具体做法是,设置一个心跳中心(可与数据中心使用相同的服务器),终端每隔一段时间,向心跳中心发送称为心跳的特定UDP报文,该报文不包含有意义的数据,仅表示模块在线。当中心一段时间后收不到心跳信息时,可知模块已经脱离GPRS网络,此时工作人员可以通过拨打终端电话的形式,将传输终端软复位,本工作过程为远程唤醒。远程唤醒的设置为用户提供了更为完善的使用功能。
四、结论
GPRS链路虽然理论速度高达171.2Kb/s,但是实际应用中的带宽一般只有20～40Kb/s,是系统性能提升的瓶颈,因此,如何提高信道的利用率,是建立高性能的数据传输系统的关键。由于远程监控过程有突发性高、数据量不大的特点,导致了有大量的小数据包在链路传输,这意味着链路上的数据传输效率不高。为避免链路上大量小数据包的传输,系统进行了优化,指定串口接收的应用数据缓冲大小(缺省为512字节),只有当缓冲被填满或接收超时(缺省为200ms)才会发送,大大提高了数据传输性能。目前在网络稳定的情况下,系统能以35Kb/s左右的速率发送/接收TCP数据包,对信道的利用率达到了87.5%。
为了进一步提高系统的性能,可以采取以下的方法对本系统进行改进:将射频模块换为CDMA模块,使用更加稳定、传输速率更高的CDMA链路进行数据传输,以获得更高的数据传输速率;将串口的驱动方式由中断方式改为DMA成块传送方式,提高串口的数据吞吐量。
收稿日期:2010-08-12□
(编辑/李舶)
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