1、 本科生 毕业论文 GPRS 在湛江海域海水 质量 监测系统中的研究与应用 The Research and Application of GPRS in Seawater Quality Monitoring System in The Waters of ZhanJiang 学生 姓名 所在专业 所在班级 申请学位 指导教师 职称 副指导教师 职称 答辩时间 目 录 目 录 摘 要 . I ABSTRACT.II 1 绪论 . 1 1.1 论文研究背景 . 1 1.2 海洋环境监测系统在国内外 的发展状况 . 2 1.3 论文 研究的 目的及 主要 内容 . 2 2 GPRS 系统概述 .
2、 4 2.1 GPRS 主要特点 . 4 2.2 GPRS 系统结构 . 5 2.3 GPRS 主要实体 . 6 2.4 GPRS 协议模型 . 10 2.5 GPRS 连接方式 . 12 3 海水质量监测 系统方案研究 . 14 3.1 海水质量监测系统 总体方案 . 14 3.2 数据采集 终端 系统 . 16 3.2.1 数据采集 终端 设备 的选择 . 16 3.2.2 数据采集的原理和工作过程 . 18 3.2.3 数据采集 终端的 无线测量和控制 . 18 3.3 数据传输 . 19 3.3.1数据传输的工作流程 . 19 3.3.2 连接 GPRS 网络 . 20 3.3.3 数
3、据的封装和传输 . 21 3.3.4 数据的收发 . 25 3.4 中心数据服务器 . 26 3.4.1 连接 方式 . 26 3.4.2 中心数据服务器的功能 . 29 4 用户 终端查询系统 . 30 5 结束语 . 32 鸣 谢 . 33 参考文献 . 34 摘 要 I 摘 要 随着新一代 GPRS(通用分组无线业务 )移动通信业务的产生和全面投入使用，无线移动数据通信的应用越来越广泛。高速的数据传输和永远在线特点，配合按流量收费的资费方式，使 GPRS 通信业务在环境监测系统行业中具有无可比拟的性价比优势。 论文首先介绍 GPRS 技术及原理 ；其次对 海水质量监测系统 中 有线和无线
4、 两种数据传输方式进行比较分析，结合环境监测系统中对数据采集和传输的要求，选择了以 GPRS作为海水质量监测系统的无线数据传输方式， 规划出总体 方案； 然后是对 数据采集终端系统进行研究 ，选择合适的传感器和无线通 讯 设备； 接着 是 描述采集到的 海水质量 数据在 GPRS 网络中 实现的远程无线传送和接收 ；最后 是对中心数据服务器和用户终端 查询系统 的简要介绍。 论文 的主要内容是 研究 GPRS 网络的工作原理和数据在 GPRS 网络中的传输过程， 利用 GPRS 方式解决环境监测中的数据传输问题， 实现了对海水温度和盐度的自动监测，从而实现了监测点所在海域的海水质量数据实时传输
5、，可以让监测人员或者水产养殖户在任何时间、任何能接入 Internet 的地点都可以浏览到现场数据，了解到海水质量参数。 在 论文 中 对 GPRS 的通信系统组成、逻辑结构，特别包括 GPRS 支持节点 (GSN)， GPRS 的相关接口 和 GPRS 的传输协议 做了详细描述。 关键词： GPRS； 海水质量； 自动监测；无线 传输ABSTRACT II ABSTRACT With the development of GPRS(General Packet Radio Service),more and more applications of GPRS are widely used.
6、It has two specialties:one is high-speed,the other is permanent online,and the expense is according to the flow of data.GPRS communication service has high capability and low price,it can be used in envivonment monitoring system. The paper followed firstly make a comparition between wire transportat
7、ion and wireless transportation which both used in environment monitoring system,then take on consideration of the requirment for data gathering and transporting,and choose the GPRS which is the best way to transport wireless data for seawater monitoring.Combining with the single chip and communicat
8、ing model,its a advantage generation system for seawater monitoring.With this system ， the salinity and temperature of the seawater can be automonitored continuously；Otherwise,the article describes how to use GPRS technology to solve the problem of data transport,in order to achieve the prupose that
9、 wireless transport and unmanned monitor. This article describes the composition of communication system,the logical structure especially including GPRS support node (GSN),GPRS interface and the transport protocols of GPRS. KEYWORDS: General Packet Radio Service;Seawater-Quality;AutoMonitoring； Wire
10、less Transport 1 GPRS 在湛江海域海水监测系统中的研究与应用 1 绪论 1.1 论文研究 背景 水是人类生存和发展必不可少的资源。大海纳百川，几乎所有河流都汇流入大海。海洋在当今人类的发展过程中占据着越来越重要的地位。二十一世纪是海洋 的世纪 ，海洋资源和环境全面开发，海洋经济蓬勃发展的时代己经到来。然而由于人类生产和生活迅速发展，特别在沿 海地区，大量的工业废水、生活污水未经处理就通过河流排入海洋之中 ,有机污染是现在增加最快和情况最严重的污染。 近 三 年来，湛江港 湾发生过两次规模较大的棕囊藻赤潮。 2005 年，湛江港湾发生历史上面积最大、持续时间最长的赤潮灾情，对
11、湛江市海洋产业构成较大威胁。 2006 年，港湾再次出现规模相对较小的棕囊藻赤潮 。 在 2006 年的广东省 环境保护与生态建设 “十一五 “规划 中指出： 湛江 港 近岸海域海水 水质 较差 ,局部有恶化趋势 ,赤潮发生频率和危害程度较 “九五 “期间均有增加 。 该报道还要求 粤西地区 要 坚持在发展中保护 ， 推动环境管理体制创新 ;强化环境执法和监管 ， 建立健全环境监管长效机制 1。 这表明了 湛江市 要加强 海 洋 环 境 的保护工作，引进实时 、准确、高速 的 海水 质量监 测系统 技术 。 目前我国 在海洋 监测系统的建设中，数据采集和检测技术水平不断提高，数据的传输却存在较
12、大的问题，如传统的拨号和专线的固定网络接入方式严重地限制了个人甚至企业的活动自由和范围，不能满足自动测报的要求 ； 同样无线通信方式中，超短波存在中继站问题，不适合远距离传输 ； 手机短信存在信息阻塞的问题 ； 卫星存在投资和雨衰的问题 2。 针对以上各种传输方式中存在的问题，以及研究了 GPRS 在远程数据传输上的优点，本文提出了基于 GPRS 网络建设海水 质量 监测系统的途径。 2002 年 5 月 17 日世界电信日，中国移动正式推 出了商用的 GPRS 移动互联网技术。GPRS 是一种基于 GSM 系统的无线分组交换技术，它能提供端到端的广域的无线 IP 连接。使用者可以通过无处不在
13、的全球移动通信系统，以无线连接的方式，方便、快捷地接入现有的固定 IP 网络。相对原来 GSM 的拨号方式的电路交换数据传送方式，具有 “高速 ”和 “永远在线 ”的优点 3。随着移动 GPRS 业务的开展，利用 GPRS 来进行 数据传输的优势慢慢的显现出来。相对于传统的远程传输方式 (例如通过电话拨号 )来说， GPRS 数据传输具有 以下 突出的优点。一方面， GPRS 资费比较便宜，可以采用多种资费方 案。对于大数据量业务的用户可以采用包月的方式，对于小数据量业务的用户可以根据通信 2 的数据量和提供的服务质量进行计费。另一方面，在 GPRS 网中，用户只需与网络建立一次连接，就可长时
14、间的保持这种连接，并只在传输数据时才占用信道并被计费，保持时不占用信道不计费。这样，数据采集点不用频繁建立连接，也不必支付传输间隙时的费用， 而且 GPRS 能够较好地支持频繁、少量突发型的数据业务。此外， GPRS 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。由于 GPRS 网本身是一个分组型数据网，支持 TCP/IP, X.25 等协议，因此无需 经过 PSTN 等网络的转接，就可以直接与分组数据网 (IP 网或 X.25 网 )互通，而且接入迅速，仅需几秒，快于电路型数据业务。因此，基于GPRS 技术的海水监测系统的研 究和应用，是本 文研究的目标。将采集到的海水质量相关参数信息，即海
15、水温度和盐度，按规范封装，形成 IP 数据后通过 GPRS 网络传送到远程监测系统的中心站计算机，以实现海水质量数据的实时传输和共享。随着移动技术的进一步发展，移动通信运营商提供的服务在不断完善，移动 的 GPRS 网络为海水质量数据的传输提供了良好的通信途径。将此项技术引入海水 质量 监测系统有着广阔的 应用前景与实用价值 。 1.2 海洋环境 监测系统 在 国内外 的发展 状 况 为了预防 海洋环境变化带来 的危害， 早在 20 世纪 90 年代初期， 美国和欧洲已相继建立了自己的近海环境自动检测系统。如美国的 C-MAN(海滨 海洋自动观测网 )系统，欧洲的 MERMAID(海洋环境遥控
16、测量和综合检测系统 )等 。 美国的 C-MAN 系统 使用DACT 全自动数据采集遥控遥测系统，测量参数包括：风速、风向、气温、气压、表层水温、波浪、潮汐、露点温度、降雨量及能见度； 美国 在 90 年代末计划发展的 C-GOOS系统是一个集成度高的，应用型的近岸海洋观测系统，有 代表性的是 CBOS(Chesapeake Bay Observing System)观测系统，该系统由浮标、实时水位计、自动气象站以及卫星地面站组成，其监测要素以动力要素监测为主，目前正向以水质和生物指标自动监测方面发展 4。 在 我国 国家海洋 863 计划 818 课题中，专门提出了海洋环境立体监测系统技术的
17、研究，希望能通过科研攻关建立起一套中国人自己的海洋环境立体监测系统。在 2006年这个海洋环境立体监测系统开始运行，对我国海域内的海洋环境进行实时、准确的监测研究，根据监测系统近几年来相关监测数据，为水产养殖业， 海洋生物植物的保护工作等等提供了非常大的帮助 。 我国不少沿海省市也根据各自 具体的海域情况，建立较有针对性的 海水监测系统 ，这 对海洋水产养殖和 海洋 环境 的保护工作 有重要意义 。 1.3 论文 研究的 目的及 主要 内容 湛江海岸线长达 1556 公里，约占全省海岸线的 2/5 和全国的 1/10，为全省之最；湛江海水养殖面积 55.63 万亩 ,为全省最大 。而在海水养殖
18、业中，海水温度和盐度被列为“温、盐、密”三大海水 质量 参数的首要二个参数 ，作为高投入、高产出、高风险的 行业，能否及时有效地了解温度和盐度这两个重要的海水参数信息，对 掌握养殖产品的 生长、发育、繁殖等情况具有非常重要的现实意义，同时也为指导生产活 动提供有力的科 3 学依据。目前，在湛江市海水养殖业生产中，现有温度盐度监测手段主要是实验室手工分析方法，其效率低、误差大，远不能满足工厂化养殖进一步发展的需要。 实行海水质量环境监测，可以 为 海水养殖户 提供 及 时 可靠的海水 温度和盐度 参数 数据，帮助养殖户更改适当的水产品养 殖 计划，同时还能对红树林的生长情况提供环境参数，对这些附
19、近海 域的污染监测与防治提供决策依据，对发展 湛江市的 海洋经济，保护海洋环境，具有重要意义 。 本 文于 是开展 了对 海域海水环境监测 系统技术的研 究。 论 文 的主要内容 是 研究 GPRS 网络的 工作 原理和 数据在 GPRS 网络中的传输过程 。论文首先 介绍 GPRS 技术及原理 ； 其次对 海水质量 监测系统 的要求 进行 分析 ，规划出 总体 方案； 然后 是对 数据采集终端系统进行研究 ， 选择合适的传感器和无线通 讯 设备； 接着 是 描述采集 到 的 海水质量 数据在 GPRS 网络中 实现的远程 无线 传送和接收 ；再 接 下来是对 中心数据服务器和用户终端 查询
20、系统 的简要介绍； 最后对 论 文进行了总结 和展望 。 4 2 GPRS 系统 概述 2.1 GPRS 主要 特点 GPRS 的英文全称是 :“General Packet Radio Service“ (译作 “通用分组无线业务 ”)，它是利用 “包交换 ”(Packet-Switched)的概念发展起来的一套无线传输方式。所谓 “包交换 ”就是将 数据 封装成许多独立的封包，再将这些封包一一传送出去，形式上有点类似邮局中的寄包裹。其作用在于只有当有资料需要传送时才会占用频宽，而且以传输的资料量计价，这对广大用户来说是较合理的计费方式，因为像 Internet 这类的数据传输大多数的时间频
21、宽是闲置的，而且可以传输的资料量计价，这对广大用户来说是较合理的计费方式。 GPRS 是欧洲电信协会按 GSM 标准定义的分组交换协议，目的是为 GSM 用户提供分组形式的数据业务。允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。其具有如下主要特点 5： （ 1）采用分组交换技术 电路交换、报文交换和分组交换是目前通信网上的三大交换技术。而分组交换技术是数据通信的理想选择，它极大地提高了网络带宽的利用率。因此， GPRS 采用分组交换技术可以高效传输高速或低速数据和信令，优化对网络资源和无线资源的利用 。 同时，也
22、使得用户可 长时间保证与外部数据网的连接，而不必进行频繁的连接和断开操作，真正实现“永远在线，永远连接”。 （ 2）支持中、高速率数据传输。 GPRS 采用了与 GSM 不同的信道编码方案，定义了 CS-1,CS-2,CS-3 和 CS-4 四种编码方案，并采用附加虚拟时隙技术，使多用户共享一时隙的多时隙合并传输技术，且向上链路和向下链路的分配是独立的。可为用户提供 9.05 -171.2kbit/s 的数据传输速率。 （ 3）网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。 GPRS 的核心网络层采用IP 技术，支持基于标准数据通信协议的应用 。因此可与其他分组数据网络 (如 Internet
23、网、 X. 25 网 )进行无缝、直接连接，能够快速建立连接。既支持间歇的突发式数据传输，又支持偶尔的大量数据的传输。 （ 4） GPRS 支持四种不同的 QoS 级别，能在 0. 5 -1 秒之内恢复数据的重新传输。可基于数据流量、业务类型及服务质量等级 (QoS)的计费，计费方式更加合理，用户使用更加方便。 （ 5）数据在 MS 和外部数据网络之间透明地传输。 使用封装和隧道技术 ： 数据包用特定的 GPRS 协议信息打包并在 MS(移动台 )和GGSN （ GPRS 网关支持节点 )之间传输。这种透 明的传输方法缩减了 GPRS PLMN 对外部数据协议解释的需求，而且易于在将来引入新的
24、互通协议。用户数据能够压缩，并 5 有重传协议保护，因此数据传输高效且可靠。 2.2 GPRS 系统结构 GPRS 网络是基于现有的 GSM 网络来实现的。为了实现分组交换技术， GPRS 在GSM 原有网络基础上叠加了一层网络，组成 GSM/GPRS 网络。增加了 SGSN(Gateway GPRS Supporting Node, GPRS 网络支持节点 )、 GGSN(Serving GSN, GPRS 服务支持节点 )、 PCU（ 分组数据处理单元 ） 、 CG (计费网关 ，可选 )、 BD(边缘网关 ， 可选 )等节点，GSN 是 GPRS 网络中最重要的网络节点。 GPRS 与
25、GSM 共用基站，但要进行软件升级，增加新的移动性管理程序 、 MAP 信令和 GPRS 信令等，接入终端也要采用新的 GPRS移动台。 图 2-1为 GPRS系统结构图 工作原理 : GPRS 是在原有的基于电路交换（ CSD）方式的 GSM 网络上引入两个新的网络节点： GPRS 服务支持节点（ SGSN）和网关支持节点（ GGSN）。 SGSN 和 MSC 在同一等级水平，并跟踪 单个 MS 的存储单元实现安全功能和接入控制，并通过帧中继连接到防火墙 防火墙 SGSN GGSN GPRS Backbone Internet Internet Other PDN BG ISP CG Bil
26、ling Center DNS ET MS BSS BSC PSTN MSC/VLR PCU HLR/ADC Core Network 6 基站系统， GGSN 支 持 与外部分组交换网的互通，并经由基于 IP 的 GPRS 骨干网和 SGSN连通。 图 2-2 GPRS与 Internet进行连接的原理框图 GPRS 终端通过接口从 数据采集 终端 取得数据，处理后的 GPRS 分组数据发送到GSM 基站，分组数据经 SGSN 封装后， SGSN 通过 GPRS 骨干网与网关支持接点 GGSN进行通信， GGSN 对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如 Internet 或 X.25
27、网络。若分组数据是发送到另一个 GPRS 终端，则一般将数据由 GPRS 骨干网发送到SGSN，再经 BSS 发送到 GPRS 终端。 GPRS 骨干网可分为内部 PLMN(公众陆地移动网 )骨 干 网和外部 PLMN 骨干网。每一个内部骨干网都是 IP 专网，内部和外部骨干网之间使用边界网关 (BG)相连。在 HLR(本地位置寄存器 )中有管理 GPRS 用户的数据和路由信息， SGSN 和 GGSN 都可以访问HLR。 2.3 GPRS 主要实体 GPRS 网络主要实体包括 GSN(GPRS 支持节点 )、 GPRS 骨干网、 HLR（ 本地位置寄存器 ） , SMS-GMSC (短信息业务网关移动交换中心 )和 SMS-IWMSC (短消息业务互通移动交换中心 )、 MS（ 移动台 ） 、 MSC (移动交换中心 )/ VLR (拜访位置寄存器 )、 PDN (分组数据 网 )等 6。 GPRS 模块 SGSN GGSN GPRS 骨干网 Internet 数据中心 BSS
