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英文文献翻译2
分析GPRSDTU性能及其对远程监控街道照明系统的作用
ZhenYu,ZhongZheng
Dept.ofAutomation,XiamenUniversity,China
班级:
信实0901姓名:
霍子杰学号:
2
摘要:
本文提出一种基于虚拟私人网络的方法来实现远程监控街道照明系统。
通过使用的数据中心提供socket接口与GPRSDTU连接实现了分站和主站之间的通信。
通过借助于数据中心,实现多个主电台接从所有辅助电台收数据和同时控制所有辅助电台是非常重要的。
本文的研究目的分为两部分。
一个是提出的远程无线监控街道照明的系统概述架构和协议层。
另一个是提出GPRSDTU的基本原理,分析其性能和对远程无线监控街道照明系统作用。
同时我们也分析了点对点通讯协议在细节上面的协商机制。
为了更好的实现节点间通过点对点协议在无线网络中通讯,一个很好的基础理论在下文会提出来。
关键字:
虚拟私人网络;数据中心;远程监控;街道照明系统;GPRSDTU
1.引言
目前,远程监控技术是广泛应用于工业控制领域。
它在街道照明控制系统、电气控制系统、石油勘探、水利、交通等众多领域起着非常重要的作用。
不需要线路布局,无线网络技术已经被广泛应用到远程监控系统和其他类型的应用程序。
进一步,它促进工业监测和控制系统越来越智能化和信息化。
已经被广泛部署的公共移动数据网络是通信系统通用分组无线服务(GPRS),其能够利用移动网络集成IP和让我们走近第三代通讯系统[1]。
GPRS支持基于标准协议的应用程序以实现分组交换数据通信。
这些标准包括通过IP网络交互工作程序[2]。
IP网络做到最好当通讯量具有一个不规则的“丛发性”性质;同时,共享基础设施的访问服务,例如GPRS、是按每个单位基础上收费的[3]。
服务包是在GPRS网络用户之间基于分组方式数据的端到端传输。
从用户的角度来看,用户的GPRS受益于短访问时间和高数据率。
GPRS在实践中提供了会话建立时间小于一秒和ISDN-like数据传输速率高达几个十kbit/s[4].更重要的是,占主导地位的优势是,可以让用户GPRS永久联机但将基于数据传输的数量。
这样的特性的GPRS、基于GPRS的远程无线监控系统买得起实时和可靠的控制,以满足需求。
在实际应用中,通常通过使用GPRS数据终端单元(DTU)一个站与另一个进行通信。
GPRSDTU是一种GPRS无线装置,特别适用于通过GPRS网络传输的串行数据。
DTU提供了串行通信接口,如RS-232或RS-485。
每个通信节点连通过Rs-232接到GPRSDTU。
以灵活和成本效益的特性,通过无线数字数据网(DDN)它可以被利用在许多领域提供M2M通信通道。
它是非常必要去分析GPRSDTU性能和对远程无线监控系统作用。
在本文中,我们采取远程无线监控街道照明系统为例。
本文的组织如下。
第二节提出远程无线监控街道照明系统的架构的概貌。
第三节介绍了GPRS的基本面和性能。
第四节给出了对远程无线监控街道照明系统作用,提出一种改进的方法,紧随其后的就是本文结论。
2.远程无线监控街道照明系统
远程无线监控街道照明系统的架构是图1所示。
远程无线监控系统是由两个主车站组成,八个分站和数据中心,以及GPRSDTU。
一方面越来越多年轻的操作员使用电力装置的远程监测和控制系统,另外一些监测控制系统如监控和数据采集系统(SCADA)已经被开发出来。
他可以实现主站监测设备和SCADA系统的无缝连接。
相应地,远程终端装置(RTU)负责发送信息状态和接收从主站的控制命令,RTU是分站的核心。
另一方面,GPRS在本质上是一个“移动”技术和分配的地址是动态管理的与网络运营商有关;然而,对于远程控制应用程序,控制中心必须总是知道远程设备的地址以便发出控制命令[3]。
当系统建立了一个配置指令,一个GPRSDTU通常是从操作员的池的IP(因特网协议)地址分配到一个相对随机地址[3]。
这意味着GPRSDTUs不可能直接相互访问。
这个分配方法不适合远程控制应用[3]。
但是,GPRSDTU可设置用一个静态IP地址自动连接到数据中心。
考虑到通信网络的安全与稳定,数据中心通过使用APN(接入点名称)专线连接到GGSN(网关GPRS支持节点)访问GPRS网络。
直接保护GSM的公共资源移动网络(PLMN)防止XX的访问,防火墙安装在私人的GPRS网络和外部IP网络之间[4]。
在这个远程无线监测系统,我们开发一种数据中心处理数据的新方法,其设计为一个继电器,用于转发包的多主站和分站之间数据。
有三个主要原因,似的这种方法的远程无线监控系统多测点对多测点被提出:
第一、在实际应用中,需要设计一个方法,使得多个主站控制能同时控制其他分站。
第二、特别是多个主站位于不同的偏远地区很难建立一个钢丝网。
但它是更适合通过使用现有的GPRS网络开发一个无线电通信网络。
第三、GPRSDUT的优点全部联机,价格便宜,广泛覆盖。
因此很容易解决布线布局困难和建立一个无线网络的远程监控系统的问题。
然而,它可能会注意到在GPRS网络观察到的传输延迟并不多高于线网络。
通常,数据中心和GPRSDTU之间的传输速率的范围是从10kbps到60kbps。
毕竟,为了实现远程监控系统管理关于安全、性价比高、实时、可靠性等等的要求,GPRS是适合这个应用程序。
图1.远程无线监测系统的架构
所示图2[4],提出了远程无线监控系统使用协议栈。
主站或分站设备通过RS-232串行口连接到GPRSDTU,RS-232串行口是最普遍的通讯媒体的电力接口设备。
所以,远程监控系统的通信过程可以被视为通过使用客户机/服务器模式在数据中心和GPRSDTU之间的端对端通信链路。
与GPRSDTU内置TCP/IP在PPP协议栈,它提供简便的数据传输。
图2.远程监测系统应用的协议
3.GPRSDTU的基本功能与性能
A.硬件模块
如图3,我们做一简要介绍GPRSDTU的组成模块,它主要由CPU嵌入式模块、GPRS模块、存储器模块、RS232和FLASH/RS485接口模块等组成。
用于CPU嵌入式系统的微处理器是一个由飞利浦半导体有限公司制造的32/16位ARM7TDMI-Sprocessor-LPC2220FBD144。
具有实时仿真,嵌入式跟踪,低功耗,10位ADC和外部存储器接口等特点,这种微处理器特别适合工业控制。
具有广泛的串行通信接口,它也非常适合通信网关、协议转换器和嵌入式软调制解调器以及许多其他的通用应用程序。
平台提供网络应用程序与ARM7环境基于uC/OS-II实时操作系统,支持TCP/IP协议栈,提供有效的中断响应,占地空间小。
西门子移动发动机MC39i可供GPRS模块使用。
MC39i的基本SIM应用程序工具包(SAT)功能使SIM卡基于应用程序运行额外的网络。
控制GPRSDTU。
它是简单地通过串行接口发送(注意)命令。
GPRSAT命令是依照GSM标准。
另外,MC39i支持流控制,这是为了防止数据丢失或避免错误。
SRAM(静态RAM)模块采用华晨半导体公司制造的BS616LV2016。
BS616LV2016是一个高性能、非常低功耗CMOS静态随机存取存储器组织成16位的131072字和操作电压从v至v电源电压。
图DTU的硬件模块
B.点对点协议(PPP)
点对点协议是专为简单链接设计,即这两个相对点之间传输数据包[4]。
这些链接提供全双工同步双向操作,和被假定为按顺序交付数据包[4]。
它提供了一种标准方法在点对点的链接来运输多协议数据报。
如图所示图4中,最常见的PPP封装的数据起始标志,结束标志,地址字段,和控制字段等等。
1)开始和结束标志:
确定的开始和结束的界限,PPP框架,作为同步字符在面向字符的同步协议。
2)地址域:
总是设置为0xff,这意味着所有网络节点可以接收这个框架。
3)控制域:
这是一个空闲的序列号框架,其控制字段被设置为0x03。
在默认情况下,PPP协议不使用序列号和确认数据可靠传输。
4)协议字段:
标识数据报(如IP数据报)封装在数据包的有效载荷域[4]。
5)帧检查序列(FCS):
是一个对框架(LAPF)链接访问的16位的选件,一旦它到达接收机,协议这是用于验证其框架的完整性[5]。
最大的接收单位(MRU)是可供负载域的最大长度,包括填充,不超过1500个字节。
在传输,有效负载域可能填补与任意数量的字节到MRU。
当数据包包到达目的地有必要从实际数据区分填充字节。
图四.PPP通讯协议的框架格式
图协议的通讯过程
C.Point-to-Point通讯(PPP)
考虑到我们与外部世界的接口是一个串行端口,适当的链路层协议使用的是点对点协议(PPP)[4],因为它是一种标准的方式使得CPU嵌入式系统模块和GPRS模块通过串口进行通讯。
如图所示在图5,一旦GPRSDTU启动,它首先读了内部flash保存操作参数,其中包括通信波特率(如9600个基点,在默认),数据中心的IP地址和端口号,等等。
然后嵌入式系统发送“AT+CGDCONT=1”在命令GPRS模块启动GPRS附接。
消息包含原来运用的TMSI(临时移动订阅Id),移动网络的身份、位置区和路由区域信息[7]。
拨号成功后,嵌入式系统和GPRS模块之间的通信链路是通过PPP通道建立的。
PPP是由三个基本部分组成:
链路控制协议(LCP)、密码身份验证协议(PAP)或挑战握手协议(CHAP),和互联网协议控制协议(IPCP)[6]。
嵌入式系统传输IPCP_REQ包到GPRS模块后、GPRS模块立即启动分组数据协议(PDP)激活程序为设备获得IP地址。
PDP激活成功后嵌入式系统将通过IPCP得到IP和地址。
因此GPRS网络和GPRSDTU的通讯链路建立完毕。
[7]
D.端对端的通讯
分配的IP地址通常不固定,随着每个拨号改变。
所以不可能直接主站和从站之间通信。
然而DTU可自动利用一个固定的IP地址或域名连接到数据中心和保持这条链路一直工作。
因此,GPRSDTU需要主动连接到数据中心。
在应用层下面、标准协议TCP(传输控制协议)或UDP(用户数据报协议)是用来运输用户数据包。
远程无线监控系统要求实时和可靠的控制,因此TCP得到使用。
通过从动态主机配置协议(DHCP)服务器获得IP地址分配,GPRSDTU启动一个TCP通信请求到数据中心。
在GPRS骨干网,GPRS隧道协议(GTP)传输GPRS支持的节点之间用户数据包的。
在收到数据中心的响应、GPRSDTU与数据中心达成一个信号交换和保持通信链接在线。
如果通信链路中断,GPRSDTU会立即和自动重启连接与数据中心。
最终GPRSDTU和数据中心之间的双向的端到端通信链路建立完毕。
4.对远程无线监控街道照明系统作用
在我们的平台,主站和分站之间的遥控传输协议是循环数字传输(CDC),这是一个最好的的传输通道。
在图6显示了用户数据帧格式的数据包,这是由同步字,控制字和信息词组成。
根据周期时间,分站自动传输数据到数据中心。
从可靠性的角度来看,数据是否及时达到主站在时间,这主要取决于GPRSDTU连接到数据中心的链接状态。
因为GPRS采用TDMA(时分多址)来控制信道访问、灵活分配渠道,一到GPRS八通道可以被分配给一个用户或一个频道由几个用户可以共享。
如果在某一段时间没有数据传输,充分利用通信信道,已经建立的数据中心和GPRSDTU之间的通信链路将由网关GPRS支持节点(GGSN)断开连接。
它可能导致GPRSDTU断开连与底层机制接和重连一次,再一次,然后GPRSDTU可以自动主动连接到数据中心。
最终,远程在线监控系统将失去大量的数据。
图8所示,两个主台接收数据从同一分站同时。
比较两个曲线,在上面的曲线它清楚地表明,一定程度的数据丢失经常导致系统需要重新连接到数据中心。
经过研究,我们发现在第一情况是DTU数据中心基本在每6分钟左右需要重新连接一次,或者是。
与上面的分析,系统的性能对GPRS在可靠性和实时系统的整体有着较大影响。
这个问题的解决方案是使用应用程序级的心跳包保持既定的TCP通信链接线。
如图所示在图7,心跳包只是一个普通的自定义的包没有任何捎带数据。
当通信链接是空转,GPRSDTU会定期发送心跳包到数据中心。
在这个远程的无线控制系统,如果在150秒内它没有发送一些有用的数据包,我们设计GPRSDTU发送心跳包。
只有链接空转时,因此心跳包才出现。
否则正常话务量充当心跳数据包。
特别是,CDT的特点,循环时间可以设置小于150秒利用通道。
最后,通过发送心跳包不仅可以保持通信联系,也不影响网络的正常数据传输。
图用户数据包的框架格式
图7.心跳包的框架格式
(a)
(b)
图8.系统的实验研究图
5.结论和未来的计划
在本文中,一个典型的基于GPRS网络的部署方案远程无线监控系统已经提出和分析了。
此外,结合点对点协议的谈判机制,GPRSDTU的基本原理分析给深入描述GPRSDUT如何建立一个与数据中心通信的链路。
PPP可以视为需要电脑在点对点串行链路通过调制解调器来交换数据包[8]。
由于GPRSDTU已经被广泛的应用到远程无线监控系统和其他工业控制领域,银次有必要分析其性能和观察如何优化远程无线监控街道照明系统。
用心跳包,它大大提高了一个整体系统的可靠和实时性。
在未来几年中,将会有一个广泛的无线数据服务的需求。
特别是,用户和投资者需要用到高性能的无线网络访问。
因为3G可以承受更高的数据传输速率和容量,未来的3G时代将会到来,很可能越来越多的远程无线监控系统和其他类型的应用程序被开发和进行测试,。
参考文献
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[2].AndrewJ.Wilson,“TheuseofGPRStechnologyforelectricitynetworktelecontrol”,Computing&ControlEngineeringJournal,Page(s):
40-45Volume16,Issue2,April-May2005.
[3].ChristianBettstetter,Hans-JörgVögel,andJörgEberspächer,“GSMPhase2+GeneralPacketRadioServiceGPRS:
Architecture,Protocols,andAirInterface”,Simpson,“ThePoint-to-PointProtocol(PPP)”,,C,“Apointedlookatthepoint-to-pointprotocol”,IEEEPress,Page(s):
85-89Volume3,Issue4,July-Aug.1999.
[4].“GPRSAttachandPDPContextActivation”,,“Low-CostIPConnectivity”,
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