無(wú)線抄表系統(tǒng)是指利用嵌入式系統(tǒng)和無(wú)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(lái)的，但由于采用的是無(wú)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(wú)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(lái)水公司，不但可以解決普通用戶水表抄表問(wèn)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(wú)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(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于GSM／GPRS網(wǎng)絡(luò)的無(wú)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(wú)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(wú)線抄表系統(tǒng)

　　整個(gè)無(wú)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(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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。

圖1 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2 數(shù)據(jù)傳輸方式

　　1）GSM系統(tǒng)GSM即移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communication），是第二代無(wú)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(yǔ)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(wú)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(wú)線服務(wù)（General Packet Radio service），是在GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)分組交換。正是因?yàn)镚PRS使用現(xiàn)有的GSM無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)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(jiàn)圖3。數(shù)據(jù)采集器和GPBS模塊通過(guò)串口進(jìn)行通信，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)GPBS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，然后再接入Intemet網(wǎng)絡(luò)，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(kāi)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(guò)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(wú)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。

圖2 基于GSM的遠(yuǎn)程抄表結(jié)構(gòu)圖

圖3 基于GPRS的遠(yuǎn)程抄表結(jié)構(gòu)圖

　　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(guò)專有控制信令信道傳送，短消息通過(guò)短消息中心（SMSC）來(lái)存儲(chǔ)，并在可以傳遞時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)（開(kāi)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(guò)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(wú)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(guò)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(wàn)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，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(wú)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)軟件控制來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換的，這樣可以節(jié)省硬件開(kāi)銷，降低系統(tǒng)成本，軟件控制流程圖如圖4所示。

圖4 軟件控制流程圖

　　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(guò)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(guò)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(jiàn)，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(yǔ)

　　作為GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代網(wǎng)絡(luò)過(guò)度的GPRS技術(shù)，其使用范圍非常廣泛。將其用于遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)將會(huì)越來(lái)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。

參考文獻(xiàn):

[1]. GPRS datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/GPRS_1594650.html.