GPRS抄表系统通过GPRS网连接到Internet网与主站计算机进行通信。用户的耗能数据经过GPRS发射模块处理、协议封装后发送出去，由GPRS接收模块接收经Internet网络传送至主站，实现用户耗能数据和主站的实时在线连接。GPRS以GSM网络为基础，采用分组交换的高效率传输方式，克服了GSM电路变换速率低、资源利用率差等缺点，最大限度地利用了现有的GSM网络资源。它的传输速率高，接入时间短，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本，特别适合突发性小流量数据传输。 7.1.2 方案选择
结合国内外抄表系统的发展，在自动抄表技术应用到的所有通信模式中，各种方案都存在着不同程度的缺陷，尤其是我国目前的燃气网络问题很多，因此任何一种采用单一技术的通信方案都很难完全满足客户的多重要求。即使在很大程度上达到了要求，但须付出的代价也难以承受。为解决这类矛盾，本文提出了复合通信方案。
所谓复合通信方案，就是在自动抄表的不同通信阶段采用不同的通信方式。根据抄表系统的结构及传输距离，系统的通信分为底层通信和上层通信。对于数据传输量不太大、传输距离较近的底层数据采集阶段（耗能表到采集器，采集器到集中器）可以使用有线通信，以保证数据传输速度和质量；对于传输距离较远的上层通信（集中器到主站），则可采用无线通信，减少施工量，节约成本。选择什么样的方式相互配合，需根据实际情况统筹考虑，混合使用的各种通信方式之间要有很好的相容性，不能相互干扰。 在方案论证的前提下，出于对数据传输可靠性的考虑，用户耗能表与采集器，以及采集器与集中器之间传输距离短，系统采用RS-485总线作为通信信道，以实现专线专用。其通信成功率几乎为100%，可以实现实时抄收，实时监控，配套设备成本最低。既保证了通信质量，成本又不是很高，其通信协议可根据需要灵活制定。
集中器与主站之间由于传输距离较远，环境复杂，采用专线通信成本太大，工程复杂，信道易遭破坏，因此系统选择GPRS无线网络通信。其优点是无需另外布线，抗干扰性好，抄表范围广，系统传输容量大，数据传送速率高，建设成本及通信费用低等。
7.2 GPRS通讯技术介绍
GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线业务的简称，构建在GSM网络基础之上，对原有的GSM网络子系统和无线系统的设备及功能进行了升级和增强，被称为2.5G系统。GPRS采用了与GSM同样的无线调制标准、同样的带宽、同样的跳频规则和同样的TDMA帧结构，因此现有的GSM网络可以很容易地提供GPRS业务。它支持TCP/IP协议，是一个分组型数据网，无需经过PSTN等网络的转接，就可直接将数据以数据包的形式与Internet互传。因此GPRS业务在无线上网、环境监测、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。
7.2.1 GPRS的网络结构
如图7.1所示，GPRS网络是对GSM的平滑升级，通过在GSM系统的无线侧新增PCU（Packet Control Unit）作为分组接入和控制单元，在网络侧新增SGSN（Serving GPRS Support Node）和GGSN（Gateway GPRS Support Node）实施用户管理和分组支撑，将电路交换系统和数据交换系统合二为一，从而实现系统资源的有效利用，拓展系统功能。 GPRS服务支持节点SGSN（Serving GPRS Support Node）的主要功能是对移动终端进行鉴权和移动性管理，建立移动终端到GGSN的传输通道，接收从BSS传送来的移动终端分组数据，通过GPRS骨干网传送给GGSN或者将分组发送到同一服务区内的
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移动终端。SGSN还可以集成计费网关、边缘网关（负责实现GPRS网络之间的互连）和防火墙的功能。
图7.1 GPRS的网络结构示意图
GPRS网关支持节点GGSN（Gateway GPRS Support Node）是连接GPRS网络与外部数据网络的节点。对于外部数据网络来说，它就是一个路由器，负责存储己经激活的GFRS用户的路由信息。GGSN接收移动终端发送来的数据，转发至相应的外部网络，或接收来自外部数据网络的数据，通过隧道（Tunnel技术，传送给相应的SGSN。另外GGSN还可具有地址分配、计费、防火墙功能。
SGSN和GGSN两节点可分可合，即它们的功能既可以由一个物理节点全部实现，也可以由不同的物理节点来实现。每个GGSN和SGSN都至少拥有一个网内固定IP地址，它们都应有IP路由功能，并能与IP路由器互连。GPRS骨干网络是IP的网络，提供GPRS内部和GPRS之间的通信。对外部数据网络来说，GPRS系统中的GGSN就是一个路由器，实现GPRS骨干网和外部数据网络（X.25网、帧中继网或ATM网）之间的路由寻址功能。因为采用相同的协议，GPRS可以看作是Internet的子网，能够使用GPRS的移动终端可以视为移动主机。每一个GPRS终端都有一个自己的IP地址，并可以依据此寻址。
PCU（分组控制单元）与BSC（Base Station Controller）协同作用，提供无线数据的处理功能，如逻辑链路与物理链路的映射，数据包的拆封和确认，无线数据信道的分配等。PCU可作为模块单元插入BSC，或者作为独立于BSC的单元存在。
7.2.2 GPRS技术优势
GPRS通讯技术具有如下优点： （l）价格合理，资源利用率高
GPRS引入了分组交换的传输模式，使得用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。GPRS通讯采取按流量计费的方式，体现了“得到多少、支付多少”的原则。
（2）传输速率高
GPRS的数据传输速度理论最高可达到115kbps-170kbps，是常用有线Modem理想速率的两倍，是当前GSM网络中电路数据交换业务速度的十几倍。
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（3）接入时间短
分组交换接入时间少于1秒，能提供快速及时的连接，可大幅度提高一些事务（如信用卡核对、远程监控等）的效率，并可使己有的Internet应用（如E-mail、网页浏览等）操作更加便捷、流畅。
（4）基于IP协议，可提供强大的Internet接入能力。 （5）永远在线，可靠性高，抗干扰能力强。
下面我们以列表的形式从实际应用中将GPRS通讯技术与其他的无线的通讯技术进行一下比较，如表7.1所示。
表7.1 GPRS与无线数据通讯的比较
传输方式 比较内容 覆盖范围 建设费用 施工难度 计费方式 运行费用 通信速率 可靠性 传输时延 维护成本 GPRS 全国 一般 较低 流量，无月租 较低 20kbps 较高 短 低 短消息 全国 低 低 0.1元/条 较高 -- 一般 不确定 低 无线数传电台 不大于20km 高 高 占频费 一般 1.2kbps 一般 短 高
通过以上客观分析可以看出，无论从建设周期、建设费用和运行费用，还是系统的可靠性、稳定性和技术的先进性等用户比较关心的角度而言，GPRS技术在远程的分散数据采集应用领域具有很大的优越性。因此，在分布范围较广，数据采集点多，实时性要求较高的场合，GPRS通讯技术比较合适，同时它也符合远程测控领域的发展趋势，那就是测控网络和信息网络的融合。
7.3无线抄表系统的总体设计方案
经过方案论证与选择，系统的总体方案也随之确定，按照无线抄表系统的设计要求和要实现的功能，将本系统大体分为三个功能部分：无线抄表终端（下位机）、通讯网络和监控中心（上位机）。
上位机监控中心服务器不管采用何种方式接入Internet都必须有固定IP地址，并对各终端开放相应的侦听端口，在接人网络后需尽量保持在线。下位机终端完成对多功能电能表的数据采集、数据处理、数据及事件上报等任务。其中智能电表部分直接采用市面上现有的大唐公司的产品，该部分已经完成了电能数据的采集，并按照规约格式发送数给之后的采集终端，从而不再做具体设计。
7.3.1 系统框图及工作原理
图7.2给出了系统的整体结构框图，其中抄表终端的GPRS通信部分将是本论文的重点设计部分。下面简单介绍本系统的工作原理。
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下位机终端工作后会主动与服务器建立连接，告知服务器自己的终端地址，服务器收到后将其加到动态地址数据库中，服务器自动定时刷新数据库以确定哪些表还挂在网络上，再根据管理员设定的自动抄表时间对连接在网络上的终端进行参数设置、数据读取、校时等操作。在系统的运行过程中，始终保持这一连接不断开，一旦断开必须重新建立连接，保证GPRS模块“永远在线”。
下位机终端接入Internet网要通过两个过程：GPRS附着过程（通过基站系统BSS与节点SGSN建立连接），PDP上下文激活过程（通过节点GGSN）。因本文设计的终端采用内嵌TCP/IP协议栈，这两个接入过程只需使用AT命令就可以实现。 在下位机终端接入Internet后，就可进行数据传输，我们知道Internet网的传输层上支持TCP，UDP等协议，它们是TCP/IP协议族中的协议，因此在移动终端分配到IP地址，要对传输层上的协议进行选择，接下来就来了解一下GPRS通讯的传输层协议。
图7.2 系统总体方案图
7.3.2 GPRS通讯的传输层协议选择
GPRS通讯是基于TCP/IP协议的网络通讯，它支持两种不同的传输层协议，分别是面向连接的TCP协议和无连接的UDP协议。
（l）TCP协议
TCP协议：传输控制协议，是一种面向连接的，可靠的传输层协议。面向连接是指一次正常的TCP传输需要通过在TCP客户端和TCP服务端建立特定的虚电路连接来完成，该过程通常被称为“三次握手”，如图7.3。
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图7.3 TCP协议连接的三次握手
TCP报文格式如图7.4所示：
源端口号：16位字段，在主机中发送这个报文段的应用程序的端口号，这和前面介绍的UDP源端口号的作用是一样的。
信宿端口号：16位字段，在主机中接收这个报文段的应用程序的端口号，和UDP的目标端口号的作用是一样的。
序号：32位字段，定义了指派给本报文段第一个数据字节的一个数。TCP是流式传输协议。为了保证连通性，要发送的每一个字节都要编号。序号可以告诉目的端，这个序号中的哪个字节是报文段的第一个字节，目的进程在知道数据块长度后就可以确定最后一个字节的序号。
确认号：32位字段，定义了源进程期望从对方接收的报文段的序号。
首部长度：这个4位字段指出了TCP首部共有多少个4字字节。首部长度可以在20-60字节之间。因此，这个字段的值可以在5（5×4=20）至15（15×4=60）之间。
保留：6位字段，保留为今后使用。 标识域：6位字段，定义了6种不同的控制位或标志，在同一时间可以设置一个或多个这样的位。
窗口大小：16位字段，定义了对方必须维持的窗口值（以字节为单位）。TCP校验和：TCP首部+数据的校验和。
紧急指针：16位字段，这时的报文段中包括紧急数据。紧急指针定义了一个数，把这个数加到序号上就得出报文段数据部分中最后一个紧急字节。
选项：在TCP首部中可以有多达40字节的可选信息。
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