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(yuǎn)程無線水表抄表系統(tǒng)，不但可以對(duì)用戶用水量進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)方法、費(fèi)用、延時(shí)等進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明GSM適合通信頻率低，數(shù)據(jù)量小，且時(shí)延時(shí)不敏感的場(chǎng)合；GPRS適合通信頻率高，數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性高的場(chǎng)合。結(jié)合無線抄表系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了大多時(shí)間采用GPRS模式而網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)采用SMS模式的數(shù)據(jù)傳輸方案，并通過軟件控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。結(jié)果表明該方案比采用單一方案費(fèi)用更低，數(shù)據(jù)的可靠性幾乎可達(dá)100％。
關(guān)鍵詞：無線抄表系統(tǒng)；GSM；SMS；GPRS；自動(dòng)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(dòng)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(jìn)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(hù)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(jìn)行遠(yuǎn)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(duì)用水大戶進(jìn)行實(shí)時(shí)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(diǎn)，因此，針對(duì)不同的使用場(chǎng)合，選用不同的傳輸方式將對(duì)系統(tǒng)的性價(jià)比產(chǎn)生很大的影響。
    針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了基于GSM／GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線遠(yuǎn)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(diǎn)，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(jì)依據(jù)。

1 無線抄表系統(tǒng)
    整個(gè)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(jì)算機(jī)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(jì)中所有的模塊不一直處于工作狀態(tài)，各個(gè)模塊在微控制器的指揮下定時(shí)工作，即抄表系統(tǒng)的所有模塊的工作方式為“長(zhǎng)時(shí)間休眠，短時(shí)間工作”。其中，休眠周期(小時(shí)、天、周、月)由管理員用計(jì)算機(jī)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(shí)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(dāng)前的水量值，然后再利用GSM／GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)給計(jì)算機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)定時(shí)自動(dòng)抄表。

2 數(shù)據(jù)傳輸方式
    1)GSM系統(tǒng)GSM即全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication)，是第二代無線數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。它定義了建設(shè)該網(wǎng)絡(luò)及提供服務(wù)的各種標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(ETSI)掌管。通常使用的頻率為900MHz，1800MHz，1900MHz。GSM移動(dòng)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(diǎn)，適合于設(shè)計(jì)一些無線應(yīng)用系統(tǒng)和產(chǎn)品，能滿足實(shí)時(shí)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(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換。正是因?yàn)镚PRS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(jí)，因此，GPRS覆蓋范圍非常廣。這種增加硬件設(shè)備和軟件升級(jí)的方法，投入相對(duì)較小，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)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(jì)費(fèi)、長(zhǎng)期在線、傳輸速度快、入網(wǎng)快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它支持TCP／IP協(xié)議，可以實(shí)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(shí)現(xiàn)無線抄表比較簡(jiǎn)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。基于GPRS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(jìn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。其中，在通信剛開始時(shí)，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(dòng)態(tài)域名，地址映射等技術(shù)，才能實(shí)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(cè)才能設(shè)置。

3. 2 兩者的實(shí)現(xiàn)方法
    GSM的SMS(Shortage Message Service)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短信業(yè)務(wù)是GSM Phasel標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)，并在可以傳遞時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)(開機(jī)，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(duì)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(zhǎng)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包(Packet)透明傳輸，因此多個(gè)用戶可以同時(shí)利用同一無線信道進(jìn)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(fèi)用及延時(shí)比較
    GSM的SMS方案進(jìn)行抄表費(fèi)用包括：2個(gè)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(shí)發(fā)送用戶用量數(shù)據(jù)包，每條短信為0．1元，每月的費(fèi)用為3元，若以小時(shí)為周期抄表，費(fèi)用則更高。GPRS方案費(fèi)用包括：1個(gè)GPRS模塊400元，SIM卡一張40元，每月最低資費(fèi)套餐5元，流量為30M，以每條短信100字節(jié)計(jì)算，折合約30萬條短信，若采用SMS方案頻繁抄表費(fèi)用將非常高。
    由于短消息需在SMSC存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，所以其實(shí)時(shí)性較弱。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，使用GSM短信模塊在中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)內(nèi)同一地區(qū)和品牌的手機(jī)之間，非短信高峰期，手機(jī)信號(hào)良好的情況下，一條短信的時(shí)間延遲時(shí)間至少為10 s，最長(zhǎng)可達(dá)數(shù)分鐘。使用GPRS發(fā)送60 B的數(shù)據(jù)包，平均延時(shí)時(shí)間為5 s。綜上，GPRS方案成本較低，實(shí)時(shí)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(chǎng)合和范圍。利用GSM的SMS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)組建和技術(shù)配置較為簡(jiǎn)單，容易實(shí)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(gè)，適合小數(shù)據(jù)量傳輸且收發(fā)頻率不高的場(chǎng)合。但其延時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)，在對(duì)實(shí)時(shí)性和收發(fā)頻率要術(shù)較高，數(shù)據(jù)量較大的場(chǎng)合，其性價(jià)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(jì)費(fèi)，聯(lián)網(wǎng)“永遠(yuǎn)在線”方式則可以保證通信雙方更加快速實(shí)時(shí)地進(jìn)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(shí)時(shí)性要求較高的復(fù)雜系統(tǒng)。
 
4 本設(shè)計(jì)采用的方案
4．1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案的設(shè)計(jì)
    綜上所述，對(duì)處于“長(zhǎng)時(shí)間休眠，短時(shí)間工作”的工作模式，實(shí)時(shí)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)目煽啃裕驹O(shè)計(jì)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(shí)，采用GPRS方案實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；在收發(fā)頻率低，網(wǎng)絡(luò)擁堵時(shí)，采用GSM的SMS方案，以短信的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表。這種做法可能在網(wǎng)絡(luò)擁堵時(shí)短信延時(shí)較為嚴(yán)重，但是可以避免采用GPRS方案而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的麻煩。在這種實(shí)時(shí)性要求不是非常嚴(yán)格的抄表系統(tǒng)中，一點(diǎn)延時(shí)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(jì)選用了同時(shí)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(shí)調(diào)用各種API函數(shù)的麻煩。
4. 2 SMS和GPRS自動(dòng)切換的依據(jù)和實(shí)現(xiàn)
   根據(jù)上面的分析可知，對(duì)實(shí)時(shí)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(gè)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(gè)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(huì)增加，此時(shí)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(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的可能，此時(shí)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(jì)能夠根據(jù)不同的條件而自動(dòng)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(gè)抄表系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)定時(shí)喚醒數(shù)據(jù)采集器中的MCU實(shí)現(xiàn)定時(shí)抄表。根據(jù)需要，定時(shí)周期設(shè)為小時(shí)、日、星期和月4種模式，分別由監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)管理員通過GPRS模塊發(fā)布，然后MCU自動(dòng)修改。若處于用水高峰期或水資源缺乏時(shí)，很有必要對(duì)用水大戶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，此時(shí)收發(fā)頻率較高。假設(shè)抄表周期為小時(shí)模式，每隔4小時(shí)抄一次表，則每天的費(fèi)用將是日周期模式的6倍，此時(shí)采用SMS模式費(fèi)用較高。因此，為了降低成本，系統(tǒng)應(yīng)用程序默認(rèn)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(fèi)用。
    2)選擇SMS的依據(jù)系統(tǒng)默認(rèn)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(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，起不到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的作用。此時(shí)很有必要讓系統(tǒng)自動(dòng)切換到GSM的SMS方案，由于其通過短消息中心(SMSC)存儲(chǔ)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(cè)返回確認(rèn)信息的延時(shí)時(shí)間是否大于預(yù)設(shè)值。若大于預(yù)設(shè)值，則認(rèn)為此時(shí)網(wǎng)絡(luò)繁忙，切換到SMS模式重新發(fā)送，直到返回確認(rèn)信息時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為發(fā)送成功，然后進(jìn)入休眠，等待下一次的喚醒。反之，則按照系統(tǒng)默認(rèn)的GPRS方式傳輸數(shù)據(jù)。
    3)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 大多數(shù)時(shí)間網(wǎng)絡(luò)都是正常的，所以系統(tǒng)大多時(shí)間處于GPRS模式，只有在很少一部分時(shí)間處于SMS模式，這樣設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    由上述兩種數(shù)據(jù)傳輸方案費(fèi)用的比較可看出，采用GPRS模式，若按照每隔4小時(shí)的抄表周期進(jìn)行抄表，每月將會(huì)節(jié)省13元，周期越短，節(jié)省越多。經(jīng)過測(cè)試，即使在網(wǎng)絡(luò)擁堵繁忙時(shí)，采用SMS模式以短信形式發(fā)送數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心準(zhǔn)確收到數(shù)據(jù)的概率幾乎是100％，只不過實(shí)時(shí)性較差一點(diǎn)，但是針對(duì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表，成本將會(huì)更低，可靠性將會(huì)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(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)將會(huì)越來越普及，但在網(wǎng)絡(luò)繁忙，多個(gè)用戶同時(shí)使用同一信道時(shí)，就會(huì)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(dòng)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。