gprs远程登陆数据终端设计毕业设计(编辑修改稿)

gprs远程登陆数据终端设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

加快实行电力无线自动化工程是一个必然的趋势。 电力系统中推行远程无线自动抄表是电力企业提高服务质量的有效手段，是推行电力企业市场化运作的关键技术。 本论文的主要工作 本课题研究的目标是通过分析目前国内外的无线自动抄表方案并联系我国的实际情况，找到一种切实可行的无线自动抄表方案，解决无线自动抄表中的无线传输部分的难题。 课题的研究内容包括以下几个方面： GPRS 远程登录数据终端设计 第 4 页 共 42 页 （ 1）系统分析目前存在的各种无线自动抄表解决方案，综合考虑每种方案的技术适用场合、技术难点、资金花费等方面的问题，提出一种切实可行的有效方案，解决方案的系统组网方式和整体构建。 本文所提出的是复合式无线自动抄表解决方案，底层数据采集采 905RF 结构而上层数据传输采用 GPRS 无线传输并接入 Inter 的方式实现与数据中心的连接。 （ 2）在确定整体方案的基础上解决系统的软硬件实现问题，其中关键部分是无线自动抄表传输终端的设计实现。 在硬件设计方面综合比较了市场上各种 GPRS 模块的性能，选择了一款合适的 GPRS 模块， 在此基础上构建了硬件平台； GPRS 无线通信技术概述 第 5 页 共 41 页 2 GPRS 无线通信技术概述 GPRS（ General Packet Radio Service）是通用分组无线业务的简称，它是第 代移动 通信 系统 ，是 全球移 动通 讯系 统 GSM （ Global system for Mobile munication）向 3G 过渡的一个桥梁。 GPRS 是在 GSM 系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统。 GPRS 技术及优点 GPRS 是在现有 GSM 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为 GSM 用户提供分组形式的数据业务。 GPRS 采用与 GSM 同样的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及 TDMA 帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。 因此，现有的基站子系统（ BSS）从一开始就可提供全面的 GPRS覆盖。 GPRS 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。 GPRS 特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输 ，也适用于偶尔的大数据量传输。 利用 GPRS 进行数据传输具有以下诸多优点： （ 1）接入范围广： GPRS 是在现有的 GSM 网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以使用户数据终端方便、快速、低成本的远程接入网络； （ 2）高速传输：传输速率高，数据传输速度最高理论值可达 ，是当前 GSM网络中电路数据交换业务速度的十几倍，下一代 GPRS 业务的速度甚至可以达到384kbps，完全可以满足用户应用需求； （ 3）快捷登陆：接入时间短， GPRS 接入等待时间短、可快速建立连接、平均耗时为两秒； （ 4）永远在线 ：提供实时在线功能。 “实时在线”或“永远在线”即用户随时与网络保持联系，即使没有数据传送终端还一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、快速； （ 5）按流量计费：用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，计费方式是按照用户接收和发送数据包的数量，没有数据流量传递时，用户即使挂在网上也不收费的； GPRS 远程登录数据终端设计 第 6 页 共 42 页 （ 6）切换自如：用户在进行数据传送时，不影响语音信号的接收，数据业务和语音业务的切换有两种方式：无线自动和手动，具体形式依据不同终端而定。 GPRS 网络结构 GPRS 网络构建在 GSM 网络的基础之上，为了升级至 GPRS，在 NSS 侧， GSM 网络需要新增节点 SGSN、 GGSN 以及新增节点与其他硬件设备相连接的接口。 在 BSS侧，因为 GPRS 与 GSM 采用相同的基本调制方式和无线信道传输速率，因此不需改动现有基站无线设备的硬件。 但 BSS 设备需要增加新的 Gb 接口，用于与 SGSN 相连，由于 Gb 接口采用帧中继，原有 BSC 的电路交换设备无法使用，所以需增加相应的硬件设备 PCU。 GPRS 网络传输协议平台 GPRS 网络传输平台由分层的协议结构组成，它能提供用户信息的传递，采用信息传递的控制过程，如流量控制、差错检测、差错纠正和错误恢复等。 传输平台独立于网络子系统平台。 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。 系统整体协议数据流程 终端的精简协议层次 数据终端设备的软件实现主要是在微处理器中嵌入 TCP/IP 协议栈，实现控制GPRS 模块实现数据传输。 嵌入式 GPRS 协议主要包括嵌入式 TCP/IP 协议和其它的一些附加函数。 经过仔细分析 TCP/IP 协议族中的各协议，许多协议在无线自动抄表数据传输系统中是用不到的。 有一些协议的目的是为了保证数据的安全传输，而当网络对数据传输速度的要求远高于对安全性的要求时，这些协议可以省略；有些协议的目的是为了使 TCP/IP 协议适应更多的应用系统，而具体到某种应用时，也没有实现的必要；还有些协议的作用几乎相同，它们只不过是让 TCP/IP 协议提供更强大的GPRS 无线通信技术概述 第 7 页 共 41 页 功能，因而对嵌入式应用来说，也无多大的实现必要。 因此经过精 简后的嵌入式TCP/IP 协议如图 所示： 图 精简的 TC P/IP 协议栈 程序采用分层的结构，从底到上分别为：串口驱动层、 GPRS 模块驱动层、 PPP协议层、 IP 协议层、 UDP 协议层与应用层。 上层函数的实现需要应用到底层函数，而底层函数的任务就是为上层函数提供服务，最终完成应用层任务 ——传送数据。 上层函数的实现需要应用到底层函数，而底层函数的任务就是为上层函数提供服务，最终完成应用层任务。 首先是串行口驱动层。 它实现打开关闭串口，读写串口数据等功能。 然后，在串口函数的基础上编写 GPRS 模块的驱动函数。 微控制器通过串行口，采用 AT 命令控制 GPRS 模块，进行拨号、设置等操作。 根据这些操作，编写 GPRS驱动函数：初始化 GPRS 模块函数 (GPRSInit)、拨号函数 (GPRSDial)、断开连接函数(GPRSHangup)、检测是否处于在线状态函数 (GPRSOnline)。 这些底层的驱动函数将会使上 层协议的编写很方便，更重要的是，它为我们提供了一个驱动抽象层。 当底层硬件做出改动的时候，只需要对底层的驱动函数进行改动，而上层函数的代码不变。 系统总体通信结构 在客户端，终端设备将数据送入 GPRS 通信模块，模块将数据组成 GPRS 分组，通过 GPRS 网络和 Inter 送到用电管理中心的服务器。 管理中心除了接收上传的数据外，也可以通过 Inter 和 GPRS 网络向终端设备发出各种指令。 管理中心应当接入 Inter 并且具有外部 IP。 在对 GPRS 模块进行了 GPRS 附着过程和 PDP（ Packet Data 应 用 层 传 输 层 网 络 层 数 据 链 路 层 用户字定义 UDP/TCP IP PPP GPRS 远程登录数据终端设计 第 8 页 共 42 页 Protocol，分组数据协议）上下文激活过程后，我们就可以使用 GPRS 来进行系统的通信了。 附着过程用于接入 GPRS 网，通过附着过程将自己的信息登记在 SGSN 中，SGSN 就可以对用户进行移动性管理；激活过程用于激活 IP 协议，使数据能以 IP 报的形式进行传送，通过激活过程， GPRS 通信模块与 GGSN 建立一条逻辑通路，进行数据传输。 管理中心和终端设备的各种类型数据传送都要经过 GPRS 模块、 SGSN、GGSN、 Inter。 在传送的各个阶段都是完全不同的介质，协议也各不相同，因而涉及到不同协议之间的转换。 在系统通信的设计中，常常需要将数据封装成不同的格式，以适用相应的协议。 GPRS 承载业务支持标准的 IP 协议，因此在终端设备设计时可以在 IP 协议的基础上使用 TCP 或 UDP 协议。 终端设备将原始数据按照格式封装成 TCP 或者 UDP 数据包，然后再加上 IP 报头以及报尾生成 IP 数据报。 接着进行数据链路层的封装，由于各种不同的终端设备与GPRS 无线模块之间的物理连接不同（有串口、 USB、红外等），因而进一步的封装所依据的协议会有不同。 在使用 串口时，终端和通信模块在数据链路层使用 PPP 协议进行连接， IP 数据报被封装成 PPP 帧，然后通过串口送往 GPRS 通信模块。 通信模块将收到的 PPP 帧解包，重新封装成 SM 消息，通过无线链路传到 SGSN。 SGSN对数据进行协议转换，按照 GTP（ GPRS Tunnel Protocol， GPRS 隧道协议）封装成 GTP包，经由 GPRS 骨干网传到相应的 GGSN。 GGSN 同样要根据相应的外网进行协议转换和数据封装。 本课题外网选用的是 Inter，一定要根据管理中心的 IP 地址进行路由选择，最终数据将送往监控中心。 监控中心 将根据 GPRS 通信模块被分配的内部IP 号与之联系。 整个数据传输、封装及其中涉及的协议转换如下图 所示。 GPRS 无线通信技术概述 第 9 页 共 41 页 图 协议数据转换流程图 在整个通信过程中， GGSN 要么接收用户发送的数据，选路到外部网络，这时它相当于接入外部网络的网关；或接收外部网络的数据，根据其目的地址选择 GPRS网内的传输通道，传给相应的 SGSN，这时 GGSN 则相当于子网路由器。 GPRS 的应用 目前 GPRS 技术在电力通信行业应用的环境下有实时流数据和块数据两种典型数据。 块（包）数据典型的应用为电能计量和抄表等系统，其应用环境通常是配网，分布的面很广，单独为其建立通信网成本很高，维护困难。 由于此种数据类型应用一般为非实时传送，因此就更加适合 GPRS 网络的特性，在实际使用中也反映出 GPRS网络能非常好的支持这类应用。 在后面的章节提出了基于无线通信模块构建 GPRS无线数传产品的方法和手段，并使该产品应用于电力远程无线自动抄表系统，在无线数据传输方面开拓新思路，解决制约电力系统发展的问题，满足现代社会生活的需要。 3 无线自动抄表系统的整体构建 无线自动抄表方式分析 总线抄表 的接口是 TLA/ 所描述的接口。 收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将 TTL 电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成 TTL 电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达 200mV 的电压，故数据传输可达千米以外。 最大传输速率可达 10Mbps，当波特率为 1200bps 时，最大传输距离理论上可达 千米。 接口在一个通道上可进行半双工通信，所以只需两根线就能完成双向通信，很方便地构成一点对多点通信网络。 总线上挂接的节点个数因选用的接口驱动芯片而异，最多可接 128 个节点。 总线抄表系统拓扑结构如图 所示。 总线抄表系统采用主从式结构，其中集抄器作为主机，各个电能表作为从机。 集抄器与GPRS 远程登录数据终端设计 第 10 页 共 42 页 总线连接端设置有偏置电阻和终端匹配电阻，电能表 N 的 总线末端设置有终端匹配电阻。 总线抄表一般使用双绞线作为网络总线，对要求较高的系统可考虑选用带光电隔离的、抗雷电及抗静电放电冲 击的收发器，直接使用 驱动芯片即可构成通信网络。 可供选择的 驱动芯片有 SN75176， MAX485，MAX1480B， SN75LBC184 等。 总线抄表方式技术比较简单、成熟，易于实现，对全电子式电能表改造较小，且总线传输速率高，可靠性好。 但是， 总线抄表系统施工布线工作量大，网线易受人为破坏，故障点不易查找和易受雷击和过电压的影响等缺点。 该系统适用于城市居民小区和较密集的商住楼，且电能表已被安装在集中式表箱中。 低压电力线载波抄表 电力线载波的抄表方式是一种利用现有的电力网进行抄表的方式，低压电力线通到了每家每户，利用低压电力线作为无线自动抄表系统的底层数据通道，具有无需布线、安装使用比较方便，而且无需支付抄表数据传输的费用等优点。 在发送数据时，发送器先将数据调制到一个高频载波上，经过功率放大后通过耦合电路耦合到电力线上。 信号频带一般为 ，峰峰值电压不超过 10V，因此不会对 力线路造成不良影响。 此高频信号经线路传输到接收方，接收机通过耦合电路将高频信号分离出来、滤去干扰信号后放大，再经解调电路还原成二进制数字信号。 低压电力线载波通信网的系统结构同 系统结构，为总线结构。 图 为低压电力线载波抄表系统结构图。 但由于我国电力网污染严重，使得这一抄表方式很难真正推广应用，目前在电能表抄表应用方面比较局限，真正推广还要有相当的历程，需对现有的电力线载波抄表技术进行深人的研究和改进，比如采用先进的扩频技术，以提高通信的抗干扰能力。