GSM＆GPRS在无线抄表系统中的应用与比较

摘要：合理地将GSM的SMS短信业务和GPRS分组数据业务用于远程无线水表抄表系统，不但可以对用户用水量进行有效的实时监控，而且成本较低，可靠性高。以无线抄表系统为基础，描述了系统数据传输常用的GSM短信业务和GPRS分组数据业务，以两者的技术复杂性、实现方法、费用、延时等进行对比，结果表明GSM适合通信频率低，数据量小，且时延时不敏感的场合；GPRS适合通信频率高，数据量大，实时性高的场合。结合无线抄表系统的特点，设计了大多时间采用GPRS模式而网络繁忙时采用SMS模式的数据传输方案，并通过软件控制，实现自动切换。结果表明该方案比采用单一方案费用更低，数据的可靠性几乎可达100％。
关键词：无线抄表系统；GSM；SMS；GPRS；自动切换

    无线抄表系统是指利用嵌入式系统和无线网络等技术自动读取和处理用户仪表数据，将用户的水电气表等仪表的使用信息传输到管理企业进行综合处理的系统。它是在有线抄表系统的基础上发展起来的，但由于采用的是无线通信等技术，可以解决有线抄表系统距离受限、组网困难、建设成本和维护成本高、功耗较大等同题。
    因此，利用GSM／GPRS无线通信网络进行远程抄表，将用户用水量发送到自来水公司，不但可以解决普通用户水表抄表问题，还可以对用水大户进行实时监控，防止偷水和管道泄漏的发生。目前，无线传输方式主要有2种：利用GSM网络和利用GPRS网络。但是这2种方式都有优缺点，因此，针对不同的使用场合，选用不同的传输方式将对系统的性价比产生很大的影响。
    针对上述问题，设计了基于GSM／GPRS网络的无线远程抄表系统，从不同角度介绍了GSM短信业务和GPRS分组数据业务，指出了各自的优缺点，给出了适合本系统的数据传输方案，为今后无线抄表系统的应用与普及提供了设计依据。

1 无线抄表系统
    整个无线抄表系统包括光电直读式水表表头、Meter-Bus总线接口电路、GPRS／GSM模块、微控制器和自来水公司计算机监控终端5大部分，其结构图如图1所示。为了降低功耗，本设计中所有的模块不一直处于工作状态，各个模块在微控制器的指挥下定时工作，即抄表系统的所有模块的工作方式为“长时间休眠，短时间工作”。其中，休眠周期(小时、天、周、月)由管理员用计算机终控端通过GPRS模块发布。微控制器接收GPRS／GSM模块收到的指令后，修改抄表周期，同时根据设定的抄表周期通过Meter-Bus接口电路控制光电直读水表表头读取当前的水量值，然后再利用GSM／GPRS无线网络发给计算机终端，实现定时自动抄表。

2 数据传输方式
    1)GSM系统GSM即全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication)，是第二代无线数字蜂窝移动通信系统的网络标准。它定义了建设该网络及提供服务的各种标准，这些标准由欧洲电信标准化协会(ETSI)掌管。通常使用的频率为900MHz，1800MHz，1900MHz。GSM移动通信网具有提供语音业务、传真、短信等通信业务的能力，其中短信功能因覆盖范围广、投入成本低、可靠性高等优点，适合于设计一些无线应用系统和产品，能满足实时性要求不是很高的小数据业务的需要。
    2)GPRS系统 GPRS即通用分组无线服务(General Packet Radio service)，是在GSM系统基础上发展起来的一种新的承载业务。它突破了GSM网络只能提供电路交换的思维方式，通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换。正是因为GPRS使用现有的GSM无线网络，只是在其基础上增加了一些硬件设备和软件升级，因此，GPRS覆盖范围非常广。这种增加硬件设备和软件升级的方法，投入相对较小，但得到的用户数据速率却相当可观，可提供9．05～171．2 kbit／s的数据传输速率。由于采用了分组交换技术，所以不需占用专有信道，提高了无线网络的利用率，具有按流量计费、长期在线、传输速度快、入网快等优点，同时它支持TCP／IP协议，可以实现与高速发展的Intemet无缝连接，方便间歇的爆发式数据和偶尔大量数据的传输。

3 GSM和GPRS的比较和选择
3．1 技术复杂性的比较
    利用GSM网络实现无线抄表比较简单，它由光电直读表头、数据采集器、GSM模块和监控中心组成。数据采集器与监控中心通过GSM模块连上GSM网络即可，以短信的形式将数据通过GSM网络发送到监控中心，其系统结构图如图2所示。基于GPRS的抄表系统由光电直读表头、数据采集器、GPRS模块、Intemet网络和监控中心组成，其系统结构见图3。数据采集器和GPBS模块通过串口进行通信，将采集的数据通过GPBS网络发送，然后再接入Intemet网络，最后传输到监控中心，实现远程抄表。其中，在通信刚开始时，GPRS模块首先发起连接监控中心，监控中心从收到的数据包中获得必要的信息后，两者才能建立通信。监控中心通过Internet接入GPRS网络，需要采用动态域名，地址映射等技术，才能实现无缝连接。综上所述，GPRS的安装、配置和技术要求比GSM复杂得多，一般需要参考相关手册才能设置。

3. 2 两者的实现方法
    GSM的SMS(Shortage Message Service)点对点短信业务是GSM Phasel标准定义的业务，它通过专有控制信令信道传送，短消息通过短消息中心(SMSC)来存储，并在可以传递时转发(开机，处于服务区内等)，且传输采用专有信道，可靠性很高，不过传输速率有所限制。对其控制可以使用Block模式、Text模式和PDU模式，不管哪种方式，其发送数据的长度受到了限制，因此SMS适合小数据量的传输。
    GPRS采用分组交换技术，突破了GSM采用电路交换的专有信道传输数据的方式，对数据进行打包(Packet)透明传输，因此多个用户可以同时利用同一无线信道进行传输，提高了网络资源的利用率，但网络极易拥堵，数据容易丢失。GPRS携带有TCP／IP协议，可以接入高速的nte-met，能够传输大量数据。
3．3 费用及延时比较
    GSM的SMS方案进行抄表费用包括：2个GSM模块共600元，2张SIM卡共80元，在传输过程中，GSM模块以每天1条短信的频率定时发送用户用量数据包，每条短信为0．1元，每月的费用为3元，若以小时为周期抄表，费用则更高。GPRS方案费用包括：1个GPRS模块400元，SIM卡一张40元，每月最低资费套餐5元，流量为30M，以每条短信100字节计算，折合约30万条短信，若采用SMS方案频繁抄表费用将非常高。
    由于短消息需在SMSC存储转发，所以其实时性较弱。测试数据表明，使用GSM短信模块在中国移动网内同一地区和品牌的手机之间，非短信高峰期，手机信号良好的情况下，一条短信的时间延迟时间至少为10 s，最长可达数分钟。使用GPRS发送60 B的数据包，平均延时时间为5 s。综上，GPRS方案成本较低，实时性高。
3．4 二者的适用范围
   GSM的SMS和GPRS自身的工作原理和特性决定了它们各自的适用场合和范围。利用GSM的SMS进行数据传输，系统组建和技术配置较为简单，容易实现。但由于使用的是短信业务，每条短信发送的数字或字母最多为160个，适合小数据量传输且收发频率不高的场合。但其延时时间较长，在对实时性和收发频率要术较高，数据量较大的场合，其性价比将大大折扣，不再适用。
    GPRS的工作原理保证了它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据的传输。数据传输速度快，按流量计费，联网“永远在线”方式则可以保证通信双方更加快速实时地进行数据交换。因此基于GPRS的系统适合于这种通信频繁、数据量大、实时性要求较高的复杂系统。
 
4 本设计采用的方案
4．1 系统数据传输方案的设计
    综上所述，对处于“长时间休眠，短时间工作”的工作模式，实时性要求不是很高，数据量也较小的无线抄表系统，采取GSM的SMS方案即可满足要求。但为了降低成本，提高数据传输的可靠性，本设计采用两者结合的方法：在收发频率高、网络不拥堵时，采用GPRS方案实现数据的传输；在收发频率低，网络拥堵时，采用GSM的SMS方案，以短信的方式进行远程抄表。这种做法可能在网络拥堵时短信延时较为严重，但是可以避免采用GPRS方案而导致数据丢失的麻烦。在这种实时性要求不是非常严格的抄表系统中，一点延时是可以接受的，但数据收发的可靠性却非常重要。
    因此，本设计选用了同时支持GSM和GPRS数据传输内核为MC52i(SIEMENS)的GPRS MODEM。它支持MT／MO／CB／PDU模式4种SMS模式，支持CSI-CS4数据编码，携带TCP／IP协议栈，可以直接通过AT指令就能接入Internet，省去了常用的TCP／IP处理模块及编程时调用各种API函数的麻烦。
4. 2 SMS和GPRS自动切换的依据和实现
   根据上面的分析可知，对实时性要求不是十分苛刻的无线抄表系统，考虑其数据传输方案的2个主要因素是成本的高低和数据的可靠性，而决定这2个因素的则是数据收发频率的高低和网络是否拥堵繁忙。若收发频率较高，SMS方案成本将会增加，此时选择GPRS传送数据可大大减小成本，较为合理；若网络拥堵繁忙，GPRS方案将会出现数据丢失的可能，此时选择SMS传送数据可靠性较高。所以根据这2种情况，设计能够根据不同的条件而自动切换数据传输方案将十分必要，既能降低成本，又能提高可靠性。
    1)选择GPRS的依据整个抄表系统通过实时时钟(RTC)定时唤醒数据采集器中的MCU实现定时抄表。根据需要，定时周期设为小时、日、星期和月4种模式，分别由监控中心计算机管理员通过GPRS模块发布，然后MCU自动修改。若处于用水高峰期或水资源缺乏时，很有必要对用水大户进行实时监控，此时收发频率较高。假设抄表周期为小时模式，每隔4小时抄一次表，则每天的费用将是日周期模式的6倍，此时采用SMS模式费用较高。因此，为了降低成本，系统应用程序默认传输方式为GPRS模式，这样不论在哪种模式下，都可以做到降低费用。
    2)选择SMS的依据系统默认为GPRS数据传输模式，但是一旦网络拥堵繁忙，GPRS模式会出现数据丢失的现象，起不到监控数据的作用。此时很有必要让系统自动切换到GSM的SMS方案，由于其通过短消息中心(SMSC)存储转发，可靠性很高，能确保数据的可靠传输。判断网络是否繁忙的主要方法是通过检测返回确认信息的延时时间是否大于预设值。若大于预设值，则认为此时网络繁忙，切换到SMS模式重新发送，直到返回确认信息时，系统认为发送成功，然后进入休眠，等待下一次的唤醒。反之，则按照系统默认的GPRS方式传输数据。
    3)系统软件的设计 大多数时间网络都是正常的，所以系统大多时间处于GPRS模式，只有在很少一部分时间处于SMS模式，这样设计不但大大降低了成本，增加了数据传输速率，而且提高了系统的可靠性和稳定性。不管是采用GPRS模式还是采用SMS模式，都是通过软件控制来实现自动切换的，这样可以节省硬件开销，降低系统成本，软件控制流程图如图4所示。

5 实验结果分析
    由上述两种数据传输方案费用的比较可看出，采用GPRS模式，若按照每隔4小时的抄表周期进行抄表，每月将会节省13元，周期越短，节省越多。经过测试，即使在网络拥堵繁忙时，采用SMS模式以短信形式发送数据，监控中心准确收到数据的概率几乎是100％，只不过实时性较差一点，但是针对抄表系统是可以接受的。由此可见，采用GSM的SMS方案和GPRS结合的方法，利用软件实现自动切换进行远程抄表，成本将会更低，可靠性将会更高。

6 结束语
    作为GSM网络向第三代网络过度的GPRS技术，其使用范围非常广泛。将其用于远程无线抄表系统将会越来越普及，但在网络繁忙，多个用户同时使用同一信道时，就会出现数据丢失的现象，影响系统的可靠性。但若使用本文提及的两者结合的方法，根据网络情况，自动选择数据传输方式，提高了系统的智能性和可靠性，且成本较低，适合推广。