GPRS DTU 技術白皮書

3.2 客戶效益
u 覆蓋率高、部署成本低，借助電信級移動通信平臺，網絡可靠穩定，無需自行組網與維護。節約大量投資與工作強度。
u 內置看門狗電路及系統復位電路
u 對于構建在串行接口的系統和TCP/IP協議的系統，用戶幾乎不做任何改動，即可基于無線互聯網工作，即插即用。 大大節省人力及開發的大量投資
u 提供C#語言編寫的Server端通訊軟件或源代碼參考，加速用戶2次開發進度。
u 基于windows的中文產品配置軟件及快速使用指南，方便客戶設置需要的工作模式及參數配置，就可滿足各行業數據傳輸業務
u 完備的系統構建和測試工具軟件，伴您實現進一步的深入研究和開發出嚴格的業務系統。
4 第三章 產品應用
無線數據通信產品利用最新的GPRS 移動通信技術與GSM 移動通信網絡作為傳輸介質，有助于實現行業管理現代化、數據采集自動化等目標。此系列產品功能強大，穩定性高，能夠應用在電力、自來水、天然氣等領域表計的計量，還可實現自動測量讀取、自動計量發送、遠程信息處理、遠程設備監控，以及安防、車輛調度、公眾流量業務、工業處理自動化等任何需要統一管理服務終端的應用方案中，可廣泛用于金融、保險、證券、商業、公用事業、公安、交通、稅務、氣象、石油等行業和領域。無線數據通信系列產品具有使用成本低、準確性高、對環境適應性好、易于安裝、易于維護等特點，能夠為用戶提供高速、永遠在線、可靠的數據傳輸服務和虛擬專用數據通信網絡服務，完全能夠滿足行業數據采集、傳輸和監控的需要。

4.1 應用領域
n 無線數據通信系列產品主要應用領域有：
n 工業遙信、遙測、遙控及公用事業
n 電信行業無人值守站機房監控和遠程維護（如移動基站、微波、光纖中繼站等）
n 城市配電網自動化系統與抄表數據傳輸
n 高壓供電設備監測
n 自來水、煤氣管道、閘門、泵站與水廠監控
n 供熱系統實時監控和維護
n 環境保護系統數據采集
n 三防與水文監測
n 氣象數據采集
n 油田油井遠程數據監測
n 煤礦遠程數據監測及生產安全監控
n 其他無人值守（如倉庫、辦公樓等）監控
n 城市路燈，景觀燈，廣告燈的遙控、遙測、遙信、遙調、遙視
n 城市防汛中的雨量檢測
n 金融、零售行業
n 車載移動銀行
n POS機聯網
n 自動售貨機刷卡和商品信息報告
n 自動柜員機（ATM）聯網
n 銀行儲蓄所機房監控
n 移動證券交易和信息查詢
n 公安交通行業
n 公安移動性數據（身份證、犯罪檔案等）查詢
n 交警移動性數據（車輛、司機檔案等）查詢
n 交通流量監測
n 車輛違章監測
n 城市路口交通信息指示牌信息發布
n 移動車輛監控調度系統
n 公安、110、交警車輛監控調度
n 銀行運鈔車、郵政運輸車監控調度
n 出租車刷卡與管理調度
n 公交車輛調度和指示
n 集團車輛監控調度
n 物流系統車輛調度

4.2 GPRS DTU基本組成模式
基本的GPRS DTU無線數據傳輸系統，是以下3個部分組成：
n 數據中心服務器
n GPRS DTU
n 用戶的終端設備
系統組成如下圖所示：

一個典型的大規模GPRS DTU應用，如下圖所示

5 第四章 數據傳輸模式
GPRS DTU可設定成不同的工作模式，滿足不同應用領域用戶的要求。不同工作模式下，GPRS DTU在GSM/GPRS通信系統平臺中的位置也不相同。
透明傳輸模式：設備不解析從串口收到的任何數據，直接將數據作為TCP 或UDP 的數據進行打包發送，而對具體數據的解析分別由后端數據采集終端設備或由數據中心的相關服務器進行處理。
命令模式：如果用戶的終端可以輸出AT命令集，那么可以把GPRS DTU 當作一個帶有TCP/IP協議棧的Modem來使用。用戶可輸出AT命令的終端設備，通過其串口，向GPRS DTU發送諸如PPP撥號、建立TCP的socket連接、發送與接受數據的AT命令。
短信模式：GPRS DTU工作在用戶中心服務器一方，串口直接與短信服務器相連。設備利用GSM 網絡收發短消息，完成對短消息的編解碼，并與短信服務器通過串口傳輸短消息的內容。
5.1 透明傳輸模式
透明傳輸模式是適用范圍最廣、通用性最強的一種工作模式。在透明傳輸模式下，設備不解析從串口收到的任何數據，直接將數據作為TCP 或UDP 的數據進行打包發送，而對具體數據的解析分別由后端數據采集終端設備和前端數據中心的相關服務器進行處理。設備即工作在透明傳輸模式下，設備與監控中心的數據傳輸采用TCP 以Socket 連接方式，被傳輸的數據格式是由后端的各類工業儀表與監控中心應用服務程序約定好的，是設備所不關心的。因此，對于不同的應用系統來說，設備具有即插即用的特性，如果系統中其他設備沒有特殊約定，建議采用該工作模式。
為了滿足SCADA 系統要求，Modbus TCP模式下也提供一系列通信保障措施：配置命令串反向控制終端采集設備，按用戶所需改變終端采集設備的工作方式；定義數據成幀的方式，即設備直接將數據按要求的格式封裝成規定的幀，然后通過TCP/UDP傳送到上位機。設置各個環節的波特率；IP地址注冊；定時重起；緩沖區大小的設定；基于硬件的流量控制等。
在透明傳輸模式下，通過TCP協議建立的數據鏈路可以為長連接也可以為短連接。當為長連接時，數傳終端將一直保持與數據中心的連接，一旦鏈路斷開，數傳終端自動與中心重新建立連接，此時設備始終保持在線狀態；當為短連接時，數傳終端在一個時間周期（如：5分鐘）內自動監測數據通信的數據流，當在這個時間范圍內沒有數據流量時，數傳設備將斷開這個連接并退出GPRS網絡，要想使數傳設備再次激活，可通過短信、電話撥號（此時數傳設備的SIM卡需支持語音呼叫功能）、下位機主動向串口寫數據這兩種方式，使設備再次上線，與中心建立連接實現數據通信。
利用透明傳輸模式組建網絡非常簡單，需要對GPRS DTU用本地/遠端方式設置基本參數，同時數據采集設備具有RS232/485接口即可；一旦進入透明傳輸模式，終端設備與中心數據服務器建立C/S結構的socket方式的TCP/IP鏈接，用戶終端設備此時已具備了在互聯網網絡上雙向傳輸數據的功能，使得串口數據采集設備轉換成以太網上的設備。
5.2 命令模式
在標準MODEM 指令集中所有的指令均以AT 為前綴，簡稱AT 命令。有很多工控、金融領域的數據終端產品直接輸出AT 命令，控制外接設備，或是用戶自行開發的單片機系統，其應用軟件支持AT命令集。在這種情況下，用戶可以將GPRS DTU 看作一個帶TCP/IP 功能的擴展MODEM，可從GPRS DTU 串口接收來自用戶數據終端發來的AT 命令集，并執行相應的操作。GPRS DTU支持所有標準的AT命令，主要用于控制GPRS模塊；同時GPRS DTU還根據應用，可實現GPRS功能的高級應用命令：如：設置GPRS DTU 通信參數、激活/斷開GPRS 連接、發送/接收短消息、激活/終止TCP連接、發送/接收TCP報文、發送/接收UDP報文等。這些高級應用的AT指令集，用戶可參考相應GPRS模塊供應商所提供的AT指令集文檔，以實現用戶數據終端設備的2次開發。

5.3 短信模式
要進入短信模式，首先是以命令模式為前提，通過模式轉換命令切換到短信模式，此時DTU就像Modem一樣，可接收所有的AT命令，執行相應的功能。
該模式下，GPRS DTU工作在用戶服務器一方，串口直接與短信服務器相連。設備利用GSM 網絡收發短消息，完成對短消息的編解碼，并與短信服務器通過串口傳輸短消息的內容。
短消息收發存在兩種編碼方式，分別是文本方式和PDU編碼方式，在以PC為硬件平臺的服務器如果直接從GPRS DTU 模塊上接收的短消息，需自己完成短消息的編解碼工作。

6 第五章 GPRS DTU工作原理與特性
6.1 在透明傳輸模式下GPRS DTU自動的IP注冊機制
GPRS工作在透明數傳模式下，一旦GPRS DTU上電后自動撥號上線，通常在通過GPRS方式下PPP連接的過程中就會被分配一個動態的IP地址。在一個多終端的應用系統中，每個GPRS DTU因此通過GPRS網絡獲得一個獨一的動態IP地址，如果終端要建立與中心數據服務器的TCP連接，那么必須要求中心數據服務器有一個固定的IP地址，或是中心數據服務器IP地址綁定一個動態域名解析，由此終端的GPRS DTU在上線后，主動向有固定IP地址或一個綁定了IP動態域名解析的域名，發送一個自身設備編號、自身動態IP地址以及端口號的注冊信息包，用于保持與中心數據服務器TCP鏈路保持活躍狀態。這種為保持與數據中心服務器的TCP鏈路保持活躍狀態的注冊包，我們稱之為“心跳包”。每當GPRS重新上電，或是應系統地要求被遠程喚醒、或根據GPRS DTU配置設定的發送心跳包間隔時間自動上線，GPRS DTU則應自動的向中心發送心跳包信息，告知數據中心服務器其已保持鏈路正常。評價GPRS DTU性能優劣的重要指標，就在于GPRS DTU在絕大多數情況下，是否都能正常的保持與數據中心的鏈路暢通，這對一個要求做到無人值守的應用非常重要。
一個典型的GPRS DTU組網，是由這樣幾個部分組成，首先是需要通過無線聯入以太網的用戶終端，如PLC、RTU、讀卡器等和與之相配的GPRS DTU，通訊前置機（大型系統采用），一個具有公網固定IP地址或是可做域名解析服務的數據中心服務器（GPRS DTU與中心數據服務器的架構為典型的Clinet/Server結構），與數據中心服務器通過企業局域網相連的操作員工作站（工作站與中心數據服務器可采用Browser/Server結構）。
我公司提供以C#編程，運行在數據中心服務器，用于建立與GPRS DTU建立socket連接、監視GPRS DTU上線狀態、轉發給各操作員工作站來自GPRS DTU的數據等功能后臺軟件，并可以提供此軟件的原始代碼用于客戶的2次開發。用戶則自行開發具體的應用軟件和決定是否建立B/S數據結構。

6.2 GPRS DTU的工作與配置模式

GPRS DTU典型的工作模式有3種，即1：）永遠在線模式 2：）空閑下線 3：）空閑掉電
1：）永遠在線模式：在這種模式下，模塊上電后就主動連接預先設定好的數據中心服務器，并一直維持在線狀態，做實時數據傳輸準備。
2：）空閑下線模式：模塊上電后會主動連接預先設定好的服務器，如果在一段時間內沒有進行數據傳輸（數據中心端沒有發數據，串口設備端也沒有發數據），DTU 將斷開與服務器的連接，進入休眠狀態。通信的空閑時間可以在“傳輸控制”配置中使用“空閑下線時間”配置命令進行設定，設定時間最短30 秒，最長65536秒，步進一秒鐘。在DTU 斷開與服務器的連接后，有兩種方法使DTU 模塊與服務器之間重新建立連接。一種是向DTU 模塊的串口發送數據，DTU 將在連接服務器成功后將這些數據送出。另一種是通過短信/電話振鈴激活模塊，可使GPRS DTU連接預定的服務器。
3：）空閑掉電模式：在以使用電池供電或間歇性數據傳輸模式下，用戶可使用空閑掉電模式，用于節省能耗和通訊費用。此模式與空閑下線模式類似，只不過在空閑時DTU將切斷GPRS模塊的供電狀態，只有在向DTU的串口發送數據的狀態下，才能激活GPRS DTU 的掉線重連機制，恢復和預設數據中心服務器的TCP連接。
4；）GPRS DTU的本地配置模式：GPRS DTU以串口電纜連接到PC，GPRS DTU在上電后，會在10秒鐘內判斷用戶是否要進入配置模式，如用戶在10秒內未進行操作，DTU內嵌系統將自動轉入正常工作狀態，當GPRS DTU的串口收到來自用戶鍵盤輸入的”空格”命令后，系統將顯示進入本地配置模式，在本地配置模式下，用戶可以用我們提供的配置軟件，來配置諸如數據中心數量、數據中心IP地址、數據中心以及終端的監聽端口號、備用數據中心設置、DDNS（動態域名解析）設置、以及DTU設備編號能設置，如下圖所示

4；）GPRS DTU的遠程配置模式：GPRS DTU以串口電纜連接到遠端設備后，用戶也可進行遠端的配置方式，用戶可以用我們提供的配置軟件，通過GPRS無線連接的方式，來配置諸如數據中心數量、數據中心IP地址、數據中心以及終端的監聽端口號、備用數據中心設置、DDNS（動態域名解析）設置、以及DTU設備編號能設置。如下圖所示

5：）我公司提供的GPRS DTU的配置軟件，如下圖所示：

6.3 數據中心服務器的設置
在一個典型的GPRS無線數據傳輸網絡中，數據中心服務器是一個重要的組成部分，在大規模的GPRS DTU系統應用中，甚至在數據中心服務器前添加通訊前置機，也是必要的措施。對于客戶不同的互聯網接入狀況，例如固定公網IP接入，或是動態域名解析服務，我公司生產的GPRS DTU有相應的解決方案。GPRS DTU可以配置為能夠連接多數據中心，如主中心數據服務器設置為IP地址和主數據中心配置為邦定動態IP的域名解析。與此同時，為保證系統的可靠性，還需要為GPRS DTU設置備用數據中心IP地址和備用的邦定動態IP的域名解析。GPRS DTU在遇到主IP地址和主邦定動態IP的域名解析出現故障時，GPRS將自動的轉向備用IP地址和邦定動態IP的域名解析。
于此同時，我公司提供的數據中心后臺軟件，同時帶有系統記錄功能，提供的Log文件，可以記錄GPRS DTU 以及數據中心服務器以及所連接的操作員工作站計算機的工作歷史記錄。

6.4 附加的互聯網應用功能
我公司生產的GPRS DTU不僅擁有TCP/IP這個主要應用協議，同時還支持UDP、FTP、HTTP、SMTP、POP3功能，這些功能為高級開發用戶提供了更多附加功能。比如FTP用于數據的存儲和傳輸，以及DTU在報警狀態下，向目標用戶發送電子郵件。

6.5 無線DTU的關鍵功能的匯總

功 能 優 點
集成TCP/IP協議 穩定的TCP/IP協議棧，用戶無需自行開發，加快應用進度。
內嵌PPP協議 GPRS DTU上電后自動撥號通過GPRS接入internet以獲得動態IP，建立與數據中心服務器的TCP連接
TCP/UDP Sockets 支持大規模Socketd應用。GPRS DTU上線后以TCP Clinet方式，建立與數據中心的Socketd連接。
透明傳輸模式 無需修改任何主機應用軟件和硬件設計，就可使任何串口設備具有即插即用的互聯網IP通信能力。
支持多數據中心 可靠的系統設計，DTU可支持多數據中心。數據中心可為固定IP地址，也可以是綁定IP的動態域名解析。數據中心服務器端軟件，可自動記錄遠端數據終端運行狀態，并有Log事件記錄。
本地配置/遠程配置 支持本地與遠程配置2種方式
撥號程序 重撥次數的程序設定和每次重撥的時間間隔設定。
遠程更新與維護 支持GPRS DTU的遠程系統升級與維護。
多種工作模式 支持永遠在線、空閑下線、空閑掉電模式，以滿足不同應用場合的需要。
喚醒機制 當DTU工作于空閑下線與空閑掉電模式下，至此用戶以電話振鈴、短信或是串口發送數據方式激活DTU重新上線。
自動IP注冊 克服動態IP地址的難題。DTU在上線時，自動向中心數據socket服務器，報告其主機名稱，端口號和動態IP地址。一旦注冊，客戶端可以查詢這些服務器以便得到無線DTU的當前IP地址。
自動重連 一旦載波丟失，無線DTU就會建立新的PPP鏈路。在一個上電過程完成后，DTU會立即上線并能夠注冊其IP地址。上線后，后臺中心數據服務器可自動監測到DTU是否上線。
短信備份功能 GPRS DTU可以以短信方式，作為數據傳輸的備份方式，支持Text與PDU編碼格式。
豐富的互聯網協議棧 支持TCP、UDP、FTP、HTTP、SMTP、POP3 協議，功能強大。

7 第六章 技術比較
7.1 幾種移動數據通信設備的比較
設備 GPRS DTU GPRS Modem GPRS 手機 CDMA DTU
TCP/IP、PPP協議 支持 不支持 支持 支持
傳輸速率 20-40Kbit/s 20-40Kbit/s 20-40Kbit/s 80-100Kbit/s
網絡覆蓋 覆蓋范圍基本上同GSM網絡 覆蓋范圍基本上同GSM網絡 覆蓋范圍基本上同GSM網絡 覆蓋范圍基本上同CDMA網絡
透明數據傳輸 支持 不支持 不支持 支持
點對點對等傳輸 支持 取決于網絡 取決于網絡 支持
中心對多點傳輸 支持 不支持 不支持 支持
應用領域 城市電網自動化、交通管理、POS機聯網、金融證券、工業控制、市政管理、物流管理、出租車管理、車輛調度、電子商務、移動上網 移動計算機上網 手機上網或移動計算機上網 城市電網自動化、交通管理、POS機聯網、金融證券、工業控制、物流管理、出租車管理、車輛調度、電子商務、移動上網

7.2 有線與無線數據通信方式的比較
傳輸技術 施工難度 施工周期 使用價格 維護成本 可靠性
電力載波 極易 短 低 較高 差
無線電 易（需特別審批） 短 低 較高 較差
DDN 比較難 長 極高 高 較差
ISDN 比較難 長 高 高 較高
PSTN 比較難 長 一般 高 一般
SMS/GSM 易 短 低 低 一般
CSD/GSM 易 短 高 低 較差
GPRS 易 短 低 低 較高
CDMA 易 短 低 低 較高

8 第七章 幾種重要的組網方案
根據用戶數據中心接入Internet的不同方式，形成以下四種應用組網方案。
8.1 方案一：用戶數據中心直接使用固定的、合法IP 地址
l GPRS DTU與用戶的數據中心之間通過TCP/UDP建立數據連接；
l 用戶的數據中心作為通信的服務器端，具有公用的固定IP，并指定偵聽端口；
l GPRS DTU與用戶的數據中心之間通過TCP/UDP建立數據連接；
l GPRS DTU上服務端的IP和端口號設置為服務器固定IP地址與服務器偵聽端口；GPRS DTU上電自動撥號，如果GPRS DTU與用戶的數據中心之間采用TCP協議傳輸數據，則自動與服務器建立TCP連接；該方案適合于擁有固定IP 地址服務器的企業應用，用戶數據中心直接擁有Internet 上的固定IP地址，用戶設備可與用戶中心直接進行雙向傳輸。

8.2 方案二：用戶數據中心沒有合法的IP 地址，但連接的路由器有固定合法的IP地址
l GPRS DTU與用戶的數據中心之間通過TCP/UDP建立數據連接；
l 用戶的數據中心沒有固定的全局IP 地址，通過路由器連接到Internet,并在路由器上配置經NAT（端口映射）映射的偵聽端口；
l GPRS DTU上服務端的IP和端口號設置為固定服務器IP地址與路由器上NAT映射的偵聽端口。GPRS DTU上電自動撥號，如果GPRS DTU與用戶的數據中心之間采用TCP協議傳輸數據，則自動與服務器建立TCP連接；該方案同樣適合于擁有固定IP服務器的企業應用，用戶數據中心只擁有內部局域網上的私有地址，并位于具有固定IP地址的路由器后面，GPRS/CDMA DTU透過路由器上的NAT與數據中心建立TCP連接。

8.3 方案三：用戶數據中心采用動態IP 地址
l GPRS DTU與用戶的數據中心之間通過TCP/UDP建立數據連接；
l 用戶的數據中心沒有固定的全局IP地址，通過ADSL等調制解調器設備連接到Internet。ADSL Modem上電自動撥號獲得動態IP地址，數據中心安裝動態域名解析服務程序；
l GPRS DTU設備上的服務端IP和端口號設置為數據中心服務器的域名（可以被域名解析服務程序解析得域名）和偵聽端口號，如果為TCP 連接方式則自動與ADSL等調制解調器設備建立TCP連接。對于一些應用相對簡單、終端數量的容量和實時性要求不高、或者運行經費有限的應用，比如一些查詢類業務、和通信不很頻繁的業務等，可采用動態IP的簡單網絡模式。用戶數據中心通過PSTN、ADSL、GPRS、CDMA 等通信模式接通INTERNET，運行數據中心程序，實現終端設備與數據中心的組網通信。

8.4 方案四：用戶數據中心通過專線方式直接連接到GPRS或CDMA 1X網絡。
l GPRS DTU與用戶的數據中心之間通過TCP/UDP建立數據連接；
l 用戶的數據中心通過專線方式申請GPRS/CDMA1X網絡上固定的IP地址，并指定偵聽端口：
l GPRS DTU上設置服務端的IP和端口號為用戶數據中心的固定IP地址及偵聽端口，DTU上電自動撥號，如果GPRS/CDMA DTU與用戶的數據中心之間采用TCP協議傳輸數據，則自動與服務器建立TCP連接；由于方案一到方案三均是在公共的互聯網絡中進行傳輸，在一些安全性要求較高的情況下，無法使用這些方案，就可以采用方案四專線接入模式進行，這樣就可以保證網絡和數據的完全可靠，典型的應用是移動支付類（無線POS）的業務。該專用網絡需與移動運營商共同建立，租用運營商的端口和接入線路，它是在運營商的GPRS 網絡或者CDMA 網絡中虛擬一個專用網絡(VPN)，所有終端分配在一個特定的號段內。中國移動和中國聯通都開展VPN接入的業務，使用運營商所分配的專用接入號碼，該方案由于需要租用當地移動通信網絡運營商的接入通道（光纖或者DDN專線等）、端口等，使用費用相對較高。

9 第八章 附錄
常見英文縮寫對照表
APN 接入點名稱 Access Point Name
BSC 基站控制器 Base Station Controller
BSS 基站系統 Base Station System
BTS 基站收發系統 Base Transeiver System
CDMA 碼分多址 Code Division Multiple Access
DDN 數字數據網 Digital Data Network
DHCP 動態主機配置協議 Dynamic Host Configuration Protocol
DNS 域名系統 Domain Name System
GGSN GPRS支持節點網關 Gateway GPRS Support Node