Начало » 2007 » Июль » 19 » Реализация каналов GSM/GPRS в беспроводных системах сбора и передачи информации
Реализация каналов GSM/GPRS в беспроводных системах сбора и передачи информации
11:29
Организация каналов передачи данных между удаленными объектами является актуальной задачей при создании автоматизированных систем сбора и передачи информации в рамках систем учета энергоресурсов и расхода воды, безопасности и оповещения, удаленного контроля и мониторинга, регулирования транспортных потоков, , управления уличным освещением. Кроме того, в каналах передачи данных нуждается торговое, медицинское оборудование и парковочные счетчики.
Рассмотрим организацию таких каналов на примере типовой автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ). Это коммерческая система сбора информации со счетчиков электроэнергии, установленных на различных объектах (в жилых домах, на предприятиях и т. п.), обработки ее и выставления счетов каждому потребителю электроэнергии. Системы АСКУЭ, как правило, включают в себя группы электронных счетчиков электроэнергии, серверы их опроса, каналы передачи данных и автоматизированные рабочие места специалистов. Создание таких систем сопряжено с решением целого комплекса организационных и технических вопросов. На рисунке показана типовая схема организации АСКУЭ.
Сбор информации о показаниях счетчиков может осуществляться как проводным, так и беспроводным способом. На сегодняшний день преобладает первый способ, а самыми востребованными технологическими решениями для проводных сетей счетчиков являются интерфейс RS-485, токовая петля и интерфейс передачи по силовым линиям PLC. До последнего времени беспроводные технологии использовались меньше, чем проводные, но сейчас с появлением нового стандарта беспроводной связи IEEE 802.15.4, изначально ориентированного на подобное применение, ситуация в области создания беспроводных сетей счетчиков меняется.
Полную версию данной статьи смотрите в 6-ом номере журнала за 2006 год.
Информация со счетчиков поступает в локальный центр сети счетчиков — концентратор, в памяти которого она сохраняется в виде массивов данных. Подобных концентраторов в системе АСКУЭ может быть множество, но для их обслуживания и мониторинга достаточно всего одного центра сбора и обработки информации (ЦСОИ).
Возникает вопрос: как организовать передачу данных со всех концентраторов системы в единый ЦСОИ? Наиболее востребованным и актуальным на сегодняшний день вариантом ответа на него является организация передачи данных по сети GSM.
Способы передачи данных по сети GSM
При использовании беспроводной технологии GSM данные могут передаваться тремя основными способами: с помощью службы коротких сообщений SMS (Short Message Service), по голосовому каналу GSM и с использованием пакетной передачи данных GPRS (General Packet Radio Service). Рассмотрим более подробно каждый из этих способов.
Служба SMS весьма популярна среди пользователей мобильных телефонов. Однако для передачи массивов данных она подходит меньше всего. Посредством SMS-сообщений целесообразно передавать команды (например, на подключение к серверу) или служебную информацию малого объема (IP-адрес сервера и т. п.). Основные достоинства этой службы — простота использования, относительно низкая стоимость услуг и удобная организация доставки сообщений. К недостаткам ее следует отнести в первую очередь негарантированность быстрой доставки сообщения и малое число символов в нем — до 160. Эти обстоятельства накладывают существенные ограничения на применение SMS, например, в системах непрерывного мониторинга производственных процессов или контроля мобильных объектов.
Службу SMS имеет смысл использовать при небольших объеме и числе информационных посылок, например, если опрос текущего состояния концентратора сети счетчиков осуществляется с удаленного диспетчерского пункта один раз в смену. Эта служба также подходит для передачи тревожных сообщений о нештатных ситуациях в приложениях, не критичных по времени оповещения.
Высокоскоростная передача данных с коммутацией каналов HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) позволяет организовать обмен данными любого объема между двумя объектами в реальном масштабе времени (on-line) в формате соединения “точка—точка”. Основными достоинствами этого способа связи являются более высокие надежность и скорость передачи данных.
Максимальная скорость передачи данных по одному голосовому каналу GSM (режим CSD) составляет 9600 Кбит/с, а многоканальный режим HSCSD обеспечивает передачу данных на скорости 19 200 Кбит/с и выше. К недостаткам использования голосового канала GSM можно отнести значительную стоимость пересылки килобайта информации и существенное негативное влияние (на экономические показатели системы) времени организации сеанса связи между модемами (своего рода handshaking) при передаче малых объемов данных. Например, время передачи 20 Кбит информации равно примерно 2 с, а время организации сеанса может варьироваться от 2 до 16 с, в зависимости от режима работы модемов. Поскольку абоненты оплачивают это время, то налицо неэффективное использование финансовых ресурсов.
Наиболее оптимальный способ передачи данных по сети GSM — применение технологии GPRS. Главной ее особенностью является возможность постоянного подключения абонента к сети, т. е. наличие активного виртуального канала связи. На время передачи пакета данных абоненту предоставляется реальный (физический) радиоканал, который в остальное время используется для передачи пакетов других пользователей сети. Таким образом, абонент не занимает физический канал постоянно, как при режимах CSD и HSCSD, и поэтому платит только за трафик, а не за все время сеанса связи. В результате существенно снижается стоимость передачи мегабайта информации. Технология GPRS оптимальна для применения в системах непрерывного или квазинепрерывного мониторинга производственных процессов, контроля мобильных и стационарных объектов, а также для поддержки приложений, в которых ключевую роль играет низкая стоимость трафика. Максимально возможная скорость обмена данными с помощью технологии GPRS теоретически может достигать 170 Кбит/с.
Аппаратура GSM для передачи данных
В качестве устройства передачи данных можно использовать и обычный сотовый телефон (большинство современных аппаратов поддерживают услугу GPRS). Однако более приемлемыми с точки зрения стоимости, эффективности и надежности работы, а также устойчивости к неблагоприятным воздействиям окружающей среды (высокие температура, влажность и т. д.) являются специальные модемы, выполненные в виде внешних терминалов и встраиваемых модулей.
Встраиваемый модуль GSM/GPRS — это безкорпусной элемент (OEM-модуль), для функционирования которого необходимы дополнительные компоненты: средства электропитания цифрового и радиочастотного блоков, интерфейсы для связи с внешними устройствами, корпус, антенна и т. д. Напротив, внешний терминал GSM/GPRS представляет собой полностью готовое к работе устройство.
Основное достоинство встраиваемых модулей заключается в возможности их интеграции в проектируемое устройство — например, в концентратор информации на удаленном объекте. Это позволяет избежать появления лишних корпусов устройств на объекте, однако на плате концентратора необходимо разместить дополнительные схемотехнические компоненты, обеспечивающие работоспособность модуля. Модули различных фирм-производителей схожи по своим архитектурам и функциональным возможностям, но отличаются друг от друга по способу подключения — имеют специфические разъемы. Модуль одного производителя не может быть заменен на модуль другого без схемотехнической адаптации хост-устройства. Наряду с базовой функцией реализации канала передачи данных по технологиям GSM и GPRS модули, как прави-ло, предоставляют разработчику аппаратуры более широкие возможности, вплоть до выполнения основных функций концентратора сети счетчиков. По сути такие модули являются управляющими контроллерами. Столь широкая функциональность достигается благодаря открытости архитектуры модулей и предоставлению производителями специализированных программных и аппаратных средств разработки, загрузки и отладки собственных приложений. Этому способствует и наличие в модулях широкого набора интерфейсов: практически все они имеют один или несколько последовательных интерфейсов UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), SPI (Serial Peripheral Interface), I2C (Inter-IC bus) и USB (Universal Serial Bus). Дополнительные возможности для решения тех или иных задач в рамках приложений реализуются с помощью разнообразных линий ввода-вывода общего назначения, каналов АЦП и ЦАП.
Помимо способа подключения и разнообразия интерфейсов, модули различаются диапазонами рабочих температур. Некоторые производители гарантируют работу своих изделий при температурах от –40 °С до +85 °С, большинство же ограничиваются диапазоном от –20 °С до +60 °С. Стандартный диапазон питающих напряжений модулей — от 3 до 4,5 В. Стоит отметить, что токи потребления модулей разных производителей могут отличаться в два и более раз, на что следует обратить внимание при проектировании автономных или малопотребляющих систем.
Задача реализации канала GPRS значительно упрощается, если модуль имеет встроенный стек TCP/IP. Благодаря этому разработчику АСКУЭ или какой-либо другой системы не нужно досконально изучать протоколы TCP/IP, чтобы использовать их для обмена информацией. Встроенный стек TCP/IP позволяет с помощью нескольких АТ-команд организовать канал передачи данных по технологии GPRS. Сейчас все большее число модулей имеют интегрированный стек TCP/IP и поддерживают технологию GPRS класса 8 и выше для более надежной и быстрой передачи данных.
В настоящее время на российском рынке представлено множество встраиваемых модулей GSM/GPRS ведущих мировых производителей. Свою продукцию предлагают такие компании, как Sony Ericsson, Siemens, WaveCom, Motorola, MultiTech, Enfora и др.
Ключевым достоинством внешних терминалов GSM/GPRS является возможность в сжатые сроки организовать беспроводные каналы передачи данных, в том числе и на действующих объектах. Масса и габаритные размеры моделей терминалов примерно одинаковы, некоторые производители предлагают изделия в индустриальном исполнении.
Для подключения к внешнему устройству большинство моделей терминалов GSM/GPRS оборудованы стандартным интерфейсом RS-232, имеются модели, снабженные USB-интерфейсом. В качестве внешнего устройства могут использоваться как персональные компьютеры, так и аппаратные средства, выполненные на базе микроконтроллеров.
Отдельные производители ограничиваются только интерфейсом RS-232 или USB, не предоставляя никаких дополнительных портов для управления терминалом, либо внешним устройством посредством терминала. Большинство же производителей реализуют разнообразные линии включения и выключения терминала, каналы ввода-вывода и АЦП, средства управления внешними силовыми элементами (транзисторами, реле и т. п.), дополнительные интерфейсы (SPI, I2C). В терминалах предусмотрены разъемы для подключения телефонной трубки (аудио) и внешней антенны.
Отметим такую необходимую функцию некоторых терминалов, как аппаратный сброс (hardware reset). Нередки ситуации, когда внутренний микропроцессор терминала “зависает” и перестает реагировать на команды, поступающие к нему по интерфейсу RS-232. При этом никаким другим способом, кроме как аппаратным сбросом, вывести его из этого состояния невозможно. В терминалах есть дополнительные выводы, изменение логического состояния которых вызывает аппаратный сброс. Как показывает практика, эта функция крайне удобна при использовании терминалов на удаленных объектах, работающих в автономном режиме.
Краткая техническая информация о некоторых из наиболее распространенных в России терминалов представлена в таблице. Все приведенные в ней терминалы построены на базе встраиваемых модулей с интегрированным TCP/IP-стеком, возможности которых рассмотрены выше.
Управление терминалом GSM/GPRS осуществляется с помощью АТ-команд. Для инициализации его и передачи данных по голосовому каналу GSM необходимо ввести всего две команды, а для организации передачи данных по технологии GPRS — 5—6 команд, причем реализовывать стек TCP/IP на стороне внешнего устройства не требуется.
Реализация канала передачи данных
Планируя создать систему сбора и передачи данных, необходимо выбрать технологию их передачи — GSM, SMS или GPRS — и аппаратные средства связи. Прежде чем рассматривать возможные варианты реализации канала, напомним некоторые моменты, которые следует учесть. Сначала нужно убедиться, что выбранный вами оператор поддерживает требуемую технологию передачи, а затем активировать соответствующие услуги на SIM-карте. Для передачи данных по голосовому каналу GSM необходимо подключить услугу “Мобильный офис”, а для передачи данных посредством технологии GPRS — услугу “Мобильный GPRS” (названия услуг приведены для оператора “МТС”, у других операторов аналогичные услуги могут называться иначе).
Передача данных по голосовому каналу GSM
Такая передача осуществляется между двумя модемами GSM/GPRS по топологии “точка—точка”. В случае применения внешних терминалов последние подключают к концентраторам сетей счетчиков и к центральному пульту оператора (ЦПО) в ЦСОИ через интерфейс RS-232 (см. рисунок).
При использовании голосового канала GSM для передачи данных любая из сторон может быть инициатором установления соединения. Модем вызываемого устройства должен быть настроен (с помощью АТ-команд) на прием входящего звонка и автоматический ответ на него. Для упрощения передачи данных через модем GSM/GPRS и обеспечения поддержки различных протоколов рекомендуется применять режим “прозрачного соединения”. Он подразумевает отсутствие какого-либо контроля за передачей со стороны модема, все функции, гарантирующие надежность связи, возлагаются на хост-устройство; модемы же выступают лишь в роли транслирующих звеньев между двумя хост-устройствами.
Для снижения влияния помех и уменьшения числа повторных пересылок данных при работе модемов в “прозрачном режиме” рекомендуется на стороне внешнего устройства использовать фрагментацию пакетов передаваемых данных. Это позволит в случае искажения данных в голосовом канале GSM повторно пересылать только часть пакета, что значительно сократит общее время сеанса связи и объем трафика.
Полезной функцией является автоматическое определение номера (АОН) звонящего абонента (эта услуга должна быть подключена у оператора) до ответа на входящий звонок. Благодаря ей появляется возможность отсеивать ложные звонки от неизвестных абонентов и отвечать только на “свои” номера. Другой вариант использования АОНа — оставить звонок без ответа и, убедившись в поступлении вызова от известного абонента, интерпретировать его (вызов) как команду, например, на установку GPRS-соединения.
Передача данных посредством SMS
Как уже говорилось выше, короткие информационные пакеты могут передаваться с использованием службы SMS. Для этого в принимающем модеме (с помощью АТ-команд) необходимо указать место хранения входящих SMS-сообщений (память SIM-карты или модема) и выбрать режим индикации поступления новых сообщений. В отправляющем модеме следует задать параметры отправляемого SMS-сообщения и выбрать его формат.
Передача данных с помощью GPRS
Как известно, технология пакетной передачи GPRS использует в качестве механизма доставки пакетов данных протоколы TCP/IP, в случае применения которых каждому из устройств сети присваивается уникальный IP-адрес. Существует два вида IP-адресов: статические и динамические. Статические IP-адреса могут предоставляться либо Интернет-провайдерами, либо операторами сотовых сетей. Наиболее простой способ получения статических IP-адресов — обратиться к Интернет-провайдеру. У операторов сотовых сетей получить такие адреса зачастую трудно и дорого.
Динамические IP-адреса выдает оператор при подсоединении к сети GPRS и только на время сеанса связи. Если по каким-либо причинам сеанс прервался, то при повторном подсоединении устройство, не имеющее статического IP-адреса, получит новый динамический, отличный от предыдущего. Необходимо упомянуть тот факт, что если устройство, в том числе модем GSM/GPRS, авторизовалось в сети и получило динамический IP-адрес, то для поддержания виртуального GPRS-канала в активном состоянии нужно через определенные временные интервалы передавать сигнальные пакеты на любой известный IP-адрес, иначе оператор разъединит соединение с сетью.
Применительно к рассматриваемой системе АСКУЭ возможны разные варианты выделения IP-адресов ЦПО и концентраторам сетей счетчиков. Наиболее часто встречающийся вариант — наличие у ЦПО статического IP-адреса, а у абонентов — динамических. Причем статический IP-адрес выделяет ЦПО не сотовый оператор, а Интернет-провайдер при подключении ЦПО к Интернету по выделенному каналу доступа (образованному с помощью технологий ЛВС, ADSL или др.).
При такой организации системы возможны два сценария установления соединения между устройствами в целях передачи данных. Если инициирующим соединение устройством является концентратор, он организует GPRS-сеанс с инфраструктурой сотового оператора, получает от него динамический IP-адрес и устанавливает TCP/IP-соединение с ЦПО (если “знает” его статический IP-адрес). Последний (ЦПО) должен быть сконфигурирован на прием (и обработку) запросов на соединение по выделенному каналу доступа в Интернет. При поступлении запроса на соединение от концентратора его динамический IP-адрес станет “известен” ЦПО (в IP-заголовке пакета содержится информация об адресе отправителя), что сделает возможным двухсторонний обмен информацией.
Если же инициатором связи является ЦПО, то он дозванивается до удаленного модема по голосовому каналу GSM или посылает SMS-сообщение на его номер. Концентратор воспринимает входящий звонок (или поступившее SMS-сообщение) с известного номера как команду на установление соединения с ЦПО и далее действует так, как было описано ранее. Минимальным требованием при организации соединения с ЦПО является “знание” концентратором статического IP-адреса ЦПО. Если же концентратор не “знает” этот адрес, то его можно сообщить концентратору по голосовому каналу GSM или посредством службы SMS.
При необходимости организовать связь с концентратором, имеющим статический IP-адрес, ЦПО обращается к нему по этому адресу, устанавливая GPRS-соединение. Для этого модем GSM/GPRS концентратора должен быть сконфигурирован на прием (и обработку) запросов на соединение по каналу TCP/IP. Такой способ организации канала передачи данных возможен, однако на практике почти не встречается из-за сложности получения статических IP-адресов у сотовых операторов для всех удаленных устройств системы.
Актуален и такой вариант: концентраторы и ЦПО имеют динамические IP-адреса. Это возможно, когда ЦПО не оснащен выделенным каналом доступа в Интернет, но расположен в зоне действия одного из операторов сотовой связи. В этом случае уже не важно кто является инициатором связи — концентратор или ЦПО, действия по реализации канала передачи данных всегда будут одни и те же.
Инициирующее связь устройство (например, ЦПО) организует GPRS-сеанс с инфраструктурой сотового оператора и получает от него динамический IP-адрес. Затем оно сообщает (например, с помощью службы SMS) полученный адрес другому устройству (концентратору) и передает ему команду соединиться по этому адресу. Вызываемое устройство, организовав GPRS-сеанс и получив динамический IP-адрес, устанавливает TCP/IP-соединение с вызывающим устройством.
***
Существующие на российском рынке аппаратные средства, их доступность и простота использования позволяют эффективно решать задачи по реализации каналов GSM и GPRS в беспроводных системах сбора и передачи информации. Для этого достаточно представлять на уровне пользователя процессы передачи информации в сетях GSM/GPRS и способы конфигурирования модемов GSM/GPRS с помощью АТ-команд. В статье были рассмотрены разные способы организации канала передачи данных — как с помощью GSM/SMS, так и посредством GPRS. Выбирается и реализуется каждый из них, исходя из конкретных требований к системе и условий, в которых она развертывается.
Мой профиль
