GSM＆GPRS在無線抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用與比較

摘要：合理地將GSM的SMS短信業(yè)務(wù)和GPRS分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用于遠程無線水表抄表系統(tǒng)，不但可以對用戶用水量進行有效的實時監(jiān)控，而且成本較低，可靠性高。以無線抄表系統(tǒng)為基礎(chǔ)，描述了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸常用的GSM短信業(yè)務(wù)和GPRS分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以兩者的技術(shù)復(fù)雜性、實現(xiàn)方法、費用、延時等進行對比，結(jié)果表明GSM適合通信頻率低，數(shù)據(jù)量小，且時延時不敏感的場合；GPRS適合通信頻率高，數(shù)據(jù)量大，實時性高的場合。結(jié)合無線抄表系統(tǒng)的特點，設(shè)計了大多時間采用GPRS模式而網(wǎng)絡(luò)繁忙時采用SMS模式的數(shù)據(jù)傳輸方案，并通過軟件控制，實現(xiàn)自動切換。結(jié)果表明該方案比采用單一方案費用更低，數(shù)據(jù)的可靠性幾乎可達100％。
關(guān)鍵詞：無線抄表系統(tǒng)；GSM；SMS；GPRS；自動切換

    無線抄表系統(tǒng)是指利用嵌入式系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)自動讀取和處理用戶儀表數(shù)據(jù)，將用戶的水電氣表等儀表的使用信息傳輸?shù)焦芾砥髽I(yè)進行綜合處理的系統(tǒng)。它是在有線抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但由于采用的是無線通信等技術(shù)，可以解決有線抄表系統(tǒng)距離受限、組網(wǎng)困難、建設(shè)成本和維護成本高、功耗較大等同題。
    因此，利用GSM／GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)進行遠程抄表，將用戶用水量發(fā)送到自來水公司，不但可以解決普通用戶水表抄表問題，還可以對用水大戶進行實時監(jiān)控，防止偷水和管道泄漏的發(fā)生。目前，無線傳輸方式主要有2種：利用GSM網(wǎng)絡(luò)和利用GPRS網(wǎng)絡(luò)。但是這2種方式都有優(yōu)缺點，因此，針對不同的使用場合，選用不同的傳輸方式將對系統(tǒng)的性價比產(chǎn)生很大的影響。
    針對上述問題，設(shè)計了基于GSM／GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線遠程抄表系統(tǒng)，從不同角度介紹了GSM短信業(yè)務(wù)和GPRS分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，指出了各自的優(yōu)缺點，給出了適合本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案，為今后無線抄表系統(tǒng)的應(yīng)用與普及提供了設(shè)計依據(jù)。

1 無線抄表系統(tǒng)
    整個無線抄表系統(tǒng)包括光電直讀式水表表頭、Meter-Bus總線接口電路、GPRS／GSM模塊、微控制器和自來水公司計算機監(jiān)控終端5大部分，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。為了降低功耗，本設(shè)計中所有的模塊不一直處于工作狀態(tài)，各個模塊在微控制器的指揮下定時工作，即抄表系統(tǒng)的所有模塊的工作方式為“長時間休眠，短時間工作”。其中，休眠周期(小時、天、周、月)由管理員用計算機終控端通過GPRS模塊發(fā)布。微控制器接收GPRS／GSM模塊收到的指令后，修改抄表周期，同時根據(jù)設(shè)定的抄表周期通過Meter-Bus接口電路控制光電直讀水表表頭讀取當前的水量值，然后再利用GSM／GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)給計算機終端，實現(xiàn)定時自動抄表。

2 數(shù)據(jù)傳輸方式
    1)GSM系統(tǒng)GSM即全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication)，是第二代無線數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)標準。它定義了建設(shè)該網(wǎng)絡(luò)及提供服務(wù)的各種標準，這些標準由歐洲電信標準化協(xié)會(ETSI)掌管。通常使用的頻率為900MHz，1800MHz，1900MHz。GSM移動通信網(wǎng)具有提供語音業(yè)務(wù)、傳真、短信等通信業(yè)務(wù)的能力，其中短信功能因覆蓋范圍廣、投入成本低、可靠性高等優(yōu)點，適合于設(shè)計一些無線應(yīng)用系統(tǒng)和產(chǎn)品，能滿足實時性要求不是很高的小數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需要。
    2)GPRS系統(tǒng) GPRS即通用分組無線服務(wù)(General Packet Radio service)，是在GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的承載業(yè)務(wù)。它突破了GSM網(wǎng)絡(luò)只能提供電路交換的思維方式，通過增加相應(yīng)的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現(xiàn)分組交換。正是因為GPRS使用現(xiàn)有的GSM無線網(wǎng)絡(luò)，只是在其基礎(chǔ)上增加了一些硬件設(shè)備和軟件升級，因此，GPRS覆蓋范圍非常廣。這種增加硬件設(shè)備和軟件升級的方法，投入相對較小，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當可觀，可提供9．05～171．2 kbit／s的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于采用了分組交換技術(shù)，所以不需占用專有信道，提高了無線網(wǎng)絡(luò)的利用率，具有按流量計費、長期在線、傳輸速度快、入網(wǎng)快等優(yōu)點，同時它支持TCP／IP協(xié)議，可以實現(xiàn)與高速發(fā)展的Intemet無縫連接，方便間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)和偶爾大量數(shù)據(jù)的傳輸。

3 GSM和GPRS的比較和選擇
3．1 技術(shù)復(fù)雜性的比較
    利用GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線抄表比較簡單，它由光電直讀表頭、數(shù)據(jù)采集器、GSM模塊和監(jiān)控中心組成。數(shù)據(jù)采集器與監(jiān)控中心通過GSM模塊連上GSM網(wǎng)絡(luò)即可，以短信的形式將數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示?；贕PRS的抄表系統(tǒng)由光電直讀表頭、數(shù)據(jù)采集器、GPRS模塊、Intemet網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。數(shù)據(jù)采集器和GPBS模塊通過串口進行通信，將采集的數(shù)據(jù)通過GPBS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，然后再接入Intemet網(wǎng)絡(luò)，最后傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實現(xiàn)遠程抄表。其中，在通信剛開始時，GPRS模塊首先發(fā)起連接監(jiān)控中心，監(jiān)控中心從收到的數(shù)據(jù)包中獲得必要的信息后，兩者才能建立通信。監(jiān)控中心通過Internet接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，需要采用動態(tài)域名，地址映射等技術(shù)，才能實現(xiàn)無縫連接。綜上所述，GPRS的安裝、配置和技術(shù)要求比GSM復(fù)雜得多，一般需要參考相關(guān)手冊才能設(shè)置。

3. 2 兩者的實現(xiàn)方法
    GSM的SMS(Shortage Message Service)點對點短信業(yè)務(wù)是GSM Phasel標準定義的業(yè)務(wù)，它通過專有控制信令信道傳送，短消息通過短消息中心(SMSC)來存儲，并在可以傳遞時轉(zhuǎn)發(fā)(開機，處于服務(wù)區(qū)內(nèi)等)，且傳輸采用專有信道，可靠性很高，不過傳輸速率有所限制。對其控制可以使用Block模式、Text模式和PDU模式，不管哪種方式，其發(fā)送數(shù)據(jù)的長度受到了限制，因此SMS適合小數(shù)據(jù)量的傳輸。
    GPRS采用分組交換技術(shù)，突破了GSM采用電路交換的專有信道傳輸數(shù)據(jù)的方式，對數(shù)據(jù)進行打包(Packet)透明傳輸，因此多個用戶可以同時利用同一無線信道進行傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，但網(wǎng)絡(luò)極易擁堵，數(shù)據(jù)容易丟失。GPRS攜帶有TCP／IP協(xié)議，可以接入高速的nte-met，能夠傳輸大量數(shù)據(jù)。
3．3 費用及延時比較
    GSM的SMS方案進行抄表費用包括：2個GSM模塊共600元，2張SIM卡共80元，在傳輸過程中，GSM模塊以每天1條短信的頻率定時發(fā)送用戶用量數(shù)據(jù)包，每條短信為0．1元，每月的費用為3元，若以小時為周期抄表，費用則更高。GPRS方案費用包括：1個GPRS模塊400元，SIM卡一張40元，每月最低資費套餐5元，流量為30M，以每條短信100字節(jié)計算，折合約30萬條短信，若采用SMS方案頻繁抄表費用將非常高。
    由于短消息需在SMSC存儲轉(zhuǎn)發(fā)，所以其實時性較弱。測試數(shù)據(jù)表明，使用GSM短信模塊在中國移動網(wǎng)內(nèi)同一地區(qū)和品牌的手機之間，非短信高峰期，手機信號良好的情況下，一條短信的時間延遲時間至少為10 s，最長可達數(shù)分鐘。使用GPRS發(fā)送60 B的數(shù)據(jù)包，平均延時時間為5 s。綜上，GPRS方案成本較低，實時性高。
3．4 二者的適用范圍
   GSM的SMS和GPRS自身的工作原理和特性決定了它們各自的適用場合和范圍。利用GSM的SMS進行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)組建和技術(shù)配置較為簡單，容易實現(xiàn)。但由于使用的是短信業(yè)務(wù)，每條短信發(fā)送的數(shù)字或字母最多為160個，適合小數(shù)據(jù)量傳輸且收發(fā)頻率不高的場合。但其延時時間較長，在對實時性和收發(fā)頻率要術(shù)較高，數(shù)據(jù)量較大的場合，其性價比將大大折扣，不再適用。
    GPRS的工作原理保證了它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸速度快，按流量計費，聯(lián)網(wǎng)“永遠在線”方式則可以保證通信雙方更加快速實時地進行數(shù)據(jù)交換。因此基于GPRS的系統(tǒng)適合于這種通信頻繁、數(shù)據(jù)量大、實時性要求較高的復(fù)雜系統(tǒng)。
 
4 本設(shè)計采用的方案
4．1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案的設(shè)計
    綜上所述，對處于“長時間休眠，短時間工作”的工作模式，實時性要求不是很高，數(shù)據(jù)量也較小的無線抄表系統(tǒng)，采取GSM的SMS方案即可滿足要求。但為了降低成本，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，本設(shè)計采用兩者結(jié)合的方法：在收發(fā)頻率高、網(wǎng)絡(luò)不擁堵時，采用GPRS方案實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；在收發(fā)頻率低，網(wǎng)絡(luò)擁堵時，采用GSM的SMS方案，以短信的方式進行遠程抄表。這種做法可能在網(wǎng)絡(luò)擁堵時短信延時較為嚴重，但是可以避免采用GPRS方案而導致數(shù)據(jù)丟失的麻煩。在這種實時性要求不是非常嚴格的抄表系統(tǒng)中，一點延時是可以接受的，但數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性卻非常重要。
    因此，本設(shè)計選用了同時支持GSM和GPRS數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)核為MC52i(SIEMENS)的GPRS MODEM。它支持MT／MO／CB／PDU模式4種SMS模式，支持CSI-CS4數(shù)據(jù)編碼，攜帶TCP／IP協(xié)議棧，可以直接通過AT指令就能接入Internet，省去了常用的TCP／IP處理模塊及編程時調(diào)用各種API函數(shù)的麻煩。
4. 2 SMS和GPRS自動切換的依據(jù)和實現(xiàn)
   根據(jù)上面的分析可知，對實時性要求不是十分苛刻的無線抄表系統(tǒng)，考慮其數(shù)據(jù)傳輸方案的2個主要因素是成本的高低和數(shù)據(jù)的可靠性，而決定這2個因素的則是數(shù)據(jù)收發(fā)頻率的高低和網(wǎng)絡(luò)是否擁堵繁忙。若收發(fā)頻率較高，SMS方案成本將會增加，此時選擇GPRS傳送數(shù)據(jù)可大大減小成本，較為合理；若網(wǎng)絡(luò)擁堵繁忙，GPRS方案將會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的可能，此時選擇SMS傳送數(shù)據(jù)可靠性較高。所以根據(jù)這2種情況，設(shè)計能夠根據(jù)不同的條件而自動切換數(shù)據(jù)傳輸方案將十分必要，既能降低成本，又能提高可靠性。
    1)選擇GPRS的依據(jù)整個抄表系統(tǒng)通過實時時鐘(RTC)定時喚醒數(shù)據(jù)采集器中的MCU實現(xiàn)定時抄表。根據(jù)需要，定時周期設(shè)為小時、日、星期和月4種模式，分別由監(jiān)控中心計算機管理員通過GPRS模塊發(fā)布，然后MCU自動修改。若處于用水高峰期或水資源缺乏時，很有必要對用水大戶進行實時監(jiān)控，此時收發(fā)頻率較高。假設(shè)抄表周期為小時模式，每隔4小時抄一次表，則每天的費用將是日周期模式的6倍，此時采用SMS模式費用較高。因此，為了降低成本，系統(tǒng)應(yīng)用程序默認傳輸方式為GPRS模式，這樣不論在哪種模式下，都可以做到降低費用。
    2)選擇SMS的依據(jù)系統(tǒng)默認為GPRS數(shù)據(jù)傳輸模式，但是一旦網(wǎng)絡(luò)擁堵繁忙，GPRS模式會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，起不到監(jiān)控數(shù)據(jù)的作用。此時很有必要讓系統(tǒng)自動切換到GSM的SMS方案，由于其通過短消息中心(SMSC)存儲轉(zhuǎn)發(fā)，可靠性很高，能確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。判斷網(wǎng)絡(luò)是否繁忙的主要方法是通過檢測返回確認信息的延時時間是否大于預(yù)設(shè)值。若大于預(yù)設(shè)值，則認為此時網(wǎng)絡(luò)繁忙，切換到SMS模式重新發(fā)送，直到返回確認信息時，系統(tǒng)認為發(fā)送成功，然后進入休眠，等待下一次的喚醒。反之，則按照系統(tǒng)默認的GPRS方式傳輸數(shù)據(jù)。
    3)系統(tǒng)軟件的設(shè)計 大多數(shù)時間網(wǎng)絡(luò)都是正常的，所以系統(tǒng)大多時間處于GPRS模式，只有在很少一部分時間處于SMS模式，這樣設(shè)計不但大大降低了成本，增加了數(shù)據(jù)傳輸速率，而且提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。不管是采用GPRS模式還是采用SMS模式，都是通過軟件控制來實現(xiàn)自動切換的，這樣可以節(jié)省硬件開銷，降低系統(tǒng)成本，軟件控制流程圖如圖4所示。

5 實驗結(jié)果分析
    由上述兩種數(shù)據(jù)傳輸方案費用的比較可看出，采用GPRS模式，若按照每隔4小時的抄表周期進行抄表，每月將會節(jié)省13元，周期越短，節(jié)省越多。經(jīng)過測試，即使在網(wǎng)絡(luò)擁堵繁忙時，采用SMS模式以短信形式發(fā)送數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心準確收到數(shù)據(jù)的概率幾乎是100％，只不過實時性較差一點，但是針對抄表系統(tǒng)是可以接受的。由此可見，采用GSM的SMS方案和GPRS結(jié)合的方法，利用軟件實現(xiàn)自動切換進行遠程抄表，成本將會更低，可靠性將會更高。

6 結(jié)束語
    作為GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代網(wǎng)絡(luò)過度的GPRS技術(shù)，其使用范圍非常廣泛。將其用于遠程無線抄表系統(tǒng)將會越來越普及，但在網(wǎng)絡(luò)繁忙，多個用戶同時使用同一信道時，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的可靠性。但若使用本文提及的兩者結(jié)合的方法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況，自動選擇數(shù)據(jù)傳輸方式，提高了系統(tǒng)的智能性和可靠性，且成本較低，適合推廣。