W dobie UMTS zajmowanie się technologią GPRS pozornie nie wydaje się najlepszym pomysłem, ale to właśnie GPRS cieszy się coraz większym zainteresowaniem użytkowników prywatnych i instytucjonalnych. Przede wszystkim jest usługą ogólnie dostępną, nie tylko ze względu na zasięg obejmujący prawie cały obszar naszego kraju, ale również z powodu niskich kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych, ponoszonych przez końcowego użytkownika. Ponadto, analizując tą usługę pod kątem zastosowań w branży security można stwierdzić, że technologia GPRS jest pozbawiona niedociągnięć wieku młodzieńczego i, pomimo zaledwie kilkuletniego rozwoju, dopracowana w każdym szczególe.

W dobie UMTS zajmowanie się technologią GPRS pozornie nie wydaje się najlepszym pomysłem, ale to właśnie GPRS cieszy się coraz większym zainteresowaniem użytkowników prywatnych i instytucjonalnych. Przede wszystkim jest usługą ogólnie dostępną, nie tylko ze względu na zasięg obejmujący prawie cały obszar naszego kraju, ale również z powodu niskich kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych, ponoszonych przez końcowego użytkownika. Ponadto, analizując tą usługę pod kątem zastosowań w branży security można stwierdzić, że technologia GPRS jest pozbawiona niedociągnięć wieku młodzieńczego i, pomimo zaledwie kilkuletniego rozwoju, dopracowana w każdym szczególe.

GPRS (General Packet Radio Service) jest technologią stosowaną przez wszystkich polskich operatorów sieci GSM (Global System for Mobile Communications) do pakietowego przesyłania danych. Nie jest to szybki przesył danych, bo oferowana w praktyce prędkość transmisji to jedynie 30-80 kB/s, jednak dla zastosowań telemetrycznych jest ona zupełnie wystarczająca, gdyż w przeciwieństwie do transmisji strumieniowej audio lub wideo pakiety danych telemetrycznych są nieporównywalnie mniejsze. Podstawową zaletą tej technologii jest fakt, że użytkownik płaci za faktycznie wysłaną lub odebraną ilość bajtów, a nie za czas połączenia.

Telemetria

Telemetria to inaczej technika dokonywania pomiarów na odległość. Polega ona zazwyczaj na umieszczeniu w terenie urządzeń pomiarowych wybranej wielkości (temperatury, wilgotności itp.) oraz urządzeń transmisyjnych, służących do przesyłu danych drogą radiową lub inną do centrum zarządzania lub stacji monitorującej. Sygnał wyjściowy urządzenia pomiarowego może mieć postać analogową (interfejs pętli prądowej 4-20 mA), cyfrową (interfejs asynchronicznej transmisji szeregowej RS232C) lub być sygnałem dwustanowym (NO lub NC), sygnalizującym stan urządzenia. Urządzenia transmitujące stosowane w zabezpieczeniach mają również możliwość przesyłania sygnałów DTMF, otrzymywanych np. z dialera centrali alarmowej systemu SSWiN (rys. 1).

Można więc stwierdzić, że istnieją dziś tanie, ogólnodostępne elementy, potrzebne do budowy systemów zbierających dane z urządzeń technicznych, oraz czynne i bierne elementy zbierania dowolnych danych i przekazywania ich do obróbki w programach komputerowych. Wystarczy wiedzieć, czego się chce, i umieć to sformułować formalnie poprawnie, wg zasad logiki - resztą zajmie się oprogramowanie. Zdalne koncentratory danych DDL (Data Definition Language) we współpracy z rodziną konwerterów sygnałów - interfejsów oraz oprogramowanie sterujące do zbierania, wizualizacji, rejestracji i archiwizacji danych pomiarowych na komputerach klasy PC - umożliwiają obecnie rejestrację takich wielkości fizycznych, jak:

• prąd i napięcie w szerokim zakresie,
• temperatura w szerokim zakresie, z wykorzystaniem termopar i RTD (Resistance Temperature Detector),
• ciśnienie i różnica ciśnień,
• siła i naprężenie
• przepływ i poziom cieczy,
• przemieszczenie liniowe i kątowe,
• położenie, prędkość i przyspieszenie.

Wizualizacja polega na stworzeniu odpowiedniej aplikacji wizualizującej wynik pomiaru, sterującej np. ciągiem maszyn linii produkcyjnych, obiektami przemysłowymi, instalacjami wentylacji i klimatyzacji, systemami alarmowymi itp. z wykorzystaniem stosunkowo niedrogich programów, takich jak:

- CitectSCADA firmy Ci Technology,

- iFIX firmy GE Fanuc Intellution,

- InTouch firmy Wonderware,

- Wizcon firmy Axeda Systems.

Należy zaznaczyć, że lista referencyjna wymienionych wyżej programów obejmuje setki tysięcy aplikacji na całym świecie. Systemy te są proste w obsłudze i nie wymagają od personelu wiedzy informatycznej.

Struktura aplikacji programowej to zwykle:

• zestaw obrazów wizualizacji,
• generowanie alarmów i ostrzeżeń,
• przedstawianie zmian parametrów na wykresach,
• generowanie raportów z pracy monitorowanej instalacji (raport godzinowy, dobowy, tygodniowy, miesięczny, kwartalny i inne),
• możliwość zadawania parametrów regulacyjnych przez obsługę systemu,
• zdalne sterowanie systemem poprzez lokalną sieć komputerową, Internet, telefon komórkowy (SMS, GPRS, MMS),
• eksport monitorowanych parametrów do baz danych (dBase, Access, Oracle, FoxPro, Paradox i inne).

GPRS - Internet

Przed erą GPRS sieci telefonii komórkowych, które z definicji miały cyfrową naturę transmisji, nie były przystosowane do przesyłania cyfrowych strumieni danych. Stosowane technologie wykorzystywały tradycyjne protokoły modemowe, co narzucało komutacyjny tryb zestawiania połączeń (CSD - Circuit Switched Data) i ograniczało możliwości transmisyjne do połączeń typu punkt-punkt. Była to więc technologia analogowych łączy komutowanych telefonii tradycyjnej, zaadaptowana do bezprzewodowej transmisji cyfrowej. Połączenie zestawione dla transmisji danych zajmowało cały kanał transmisji głosu, uniemożliwiając jednoczesne prowadzenie rozmów i powodując, że koszt transmisji uzależniony był od czasu jej trwania, a nie od ilości przesłanych danych. Nie było to więc idealne rozwiązanie dla monitorowania w czasie rzeczywistym obiektów wymagających stałego nadzoru i generujących stosunkowo niewielką ilość danych.

Sytuację zmieniło wprowadzenie transmisji danych w standardzie GPRS, która jest podobna do sieciowego połączenia urządzeń transmisyjnych, gdzie kanał transmisyjny jest cały czas otwarty. Tego typu sieć można porównać do struktury łączącej się z Internetem za pośrednictwem stałego łącza, w której płaci się abonament za fakt przyłączenia oraz opłatę dodatkową za ilość przesyłanych danych. Porównanie z Internetem jest nieprzypadkowe, gdyż każdy z przyłączonych modemów GPRS ma przypisany (na stałe lub dynamicznie) numer IP. Transmisja danych w sieci pakietowej, jaka ma miejsce w sieciach GPRS, ma jednak swoje ograniczenia. Standardowy sposób przesyłania danych do modemu GPRS to klasyczny dial- up (połączenie aktywowane po wybraniu numeru telefonicznego operatora) z protokołem PPP (Point to Point Protocol). Protokół ten nie jest niestety standardem dla źródeł danych wykorzystywanych np. w automatyce. Wymaga on zaimplementowania w urządzeniach transmitujących dane standardowego protokołu TCP/IP, a dopiero potem potrzebnego protokołu PPP i tylko niewielu producentów sprzętu już się na to zdecydowało. Są to tzw. modemy inteligentne, które same przekonwertowują odbierany strumień danych (np. ciąg znaków DTMF z dialera centrali) do postaci niezbędnej do transmisji GPRS. Modemy te, a właściwie moduły telemetryczne, gdyż ich możliwości są znacznie większe niż tylko konwersja formatu transmisji, umożliwiają stosowanie nowych technologii transmisyjnych w systemach zdalnego monitoringu.

Użytkownicy systemu mogą wysyłać do siebie komunikaty w postaci pakietów adresowanych numerem IP wybranego odbiorcy. Transmisję może prowadzić każdy użytkownik do dowolnego innego, z całkowitą pewnością, że nie trafi się na stan zajętości adresata. W przypadku trudności w przekazaniu danych, pakiety będą przechowane w systemie przez czas niezbędny do skutecznego przesłania ich do adresata. Ponadto urządzenia mogą pracować w wydzielonej wirtualnie sieci prywatnej (VPN - Virtual Private Network). Wydzielenie VPN, wzorem instalacji kablowych, na wniosek i koszt zainteresowanej firmy, oznacza stworzenie zamkniętej grupy użytkowników mogących, po zalogowaniu do systemu, przesyłać do siebie pakiety GPRS z pełną gwarancją ochrony przed niepowołanym dostępem. Sieć ta może być wykorzystana do łączności użytkowników mobilnych, czyli wszystkie terminale łączą się ze sobą poprzez GSM lub udostępniane jest dodatkowo internetowe łącze TCP/IP do systemu komputerowego np. firmy monitorującej alarmy. Daje to praktycznie nieograniczone możliwości łączeniowe, zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz sieci operatora GSM. Pakietowa transmisja danych umożliwia efektywne wykorzystanie zasobów sieci operatora (np. podczas przeglądania stron WWW wykorzystana jest jedynie część pasma, a w tym samym czasie inny klient może wykorzystać to samo łącze w celu transmisji danych). 

Klasy GPRS - przykłady

GPRS teoretycznie umożliwia znacznie szybszą transmisję danych niż CSD, jednak w godzinach szczytu, w sieciach komórkowych o dużym natężeniu ruchu abonenckiego, może okazać się, że połączenie jest wolniejsze niż maksymalna szybkość transmisji GPRS, ponieważ pierwszeństwo w sieciach komórkowych mają połączenia głosowe. Szybkość przesyłania danych zależy także od tego, jaką klasę multi-slot ma moduł GSM. Klasy GPRS odnoszą się do kanałów przeznaczonych do wysyłania i odbioru danych

Class 10 (4+2, 5)

Liczba 10 oznacza klasę multi-slot. Cyfra 4 w „(4+2, 5)" odnosi się do maksymalnej liczby slotów (kanałów) wykorzystywanych do odbioru - im więcej jest w użyciu, tym szybsza transmisja danych. Druga cyfra (2) dotyczy wysyłania danych, a ostatnia (5 - ta cyfra nie musi być podawana) odnosi się do maksymalnej liczby slotów, które mogą być wykorzystywane jednocześnie do wysyłania i odbioru danych. Tak więc w tym przypadku mogą występować 4 sloty odbiorcze i jeden nadawczy (4+1=5) lub 3 odbiorcze i 2 nadawcze (3+2=5), ponieważ każdy slot może w danym czasie być wykorzystywany tylko do nadawania lub do odbioru. Jednakże nie może być 2 slotów odbiorczych i 3 nadawczych, gdyż przekraczałoby to maksymalną liczbę slotów przeznaczonych do odbioru. Ten profil jest wystarczający, aby używać usługi GPRS do nadawania i odbioru, jak w przypadku wiadomości telemetrycznych.

Class 8 (4+1)

Class 2 (2+1, 3)

GPRS w praktyce

Monitorowanie systemów SWiN z wykorzystaniem modułów GPRS staje się coraz popularniejszą alternatywą dla monitorowania przez publiczną komutowaną sieć telefoniczną lub dedykowaną sieć radiową. Jak już wspomniano, moduł GPRS, oprócz wejść konfigurowanych jako NC lub NO, może także przekazywać tony DTMF, generowane przez dialer centrali alarmowej. Zachowuje się wtedy jak komunikator, wysyłający zakodowane sygnały do klasycznej stacji monitorującej, która obsługuje format Contact ID, Ademco Express 4/2 lub inny. Moduł przyłączony jest do wyjścia linii telefonicznej centrali alarmowej, symulując jej obecność. W momencie, gdy centrala alarmowa rozpoczyna transmisję raportu, moduł generuje sygnał zgłoszenia centrali telefonicznej, a po wybraniu numeru przez dialer - sygnał Hand Shake. Po otrzymaniu ciągu tonów DTMF moduł wysyła sygnał Kiss Off i przechodzi do stanu oczekiwania na następne połączenie. Odebrane ciągi tonów DTMF są kodowane i w postaci pakietów danych przekazywane do wybranego urządzenia odbiorczego (np. w stacji monitorowania alarmów) o adresie IP określonym w czasie instalacji modułu.

Średni koszt prostego modułu GPRS to 180-300 zł. Do tego trzeba doliczyć cenę modemu przemysłowego (telefonu GSM): 280-350 zł. Dostępne są również gotowe zestawy z modułem GPRS, modemem, zasilaczem i akumulatorem, zamknięte w obudowie z anteną. Mając taki zestaw, można wykupić abonament u dowolnego polskiego operatora telefonii komórkowej za cenę 5-7 zł na miesiąc. W ramach abonamentu otrzymuje się wtedy pakiet 100 SMS i limit 5 MB na transmisję GPRS. Oczywiście operatorzy walczą o klienta i istnieją oferty np. abonamentu z dzierżawą modemu. Wówczas abonament miesięczny wynosi 15-17 zł. Według doświadczeń zgromadzonych przez stacje monitorowania, średniomiesięczna transmisja z monitorowanego obiektu kształtuje się na poziomie 0,9 MB przy UDP i 1,1 MB przy TCP, zapas jest tu więc spory. Inaczej wygląda kwestia przesyłania komunikatów poprzez SMS. Praktyka pokazuje, że w przypadku 50% obiektów oferowany przez operatora limit 100 SMS jest niewystarczający. Należy zdawać sobie z tego sprawę, zwłaszcza gdy w przypadku utraty łączności GPRS chce się otrzymywać wszystkie informacje poprzez SMS. Dlatego nowsze nadajniki pozwalają na programowe ograniczenie liczby i częstotliwości wysyłanych wiadomości SMS, co pozwala na minimalizację kosztów. Przyczyny utraty łączności GPRS są różne: niewłaściwa instalacja, czynniki atmosferyczne (np. silne burze), prace konserwacyjne w stacji BTS (Base Transceiver Station) czy imprezy masowe w rejonie takiej stacji nadawczo-odbiorczej. Jednak od pewnego czasu zwiększony ruch w sieci operatora komórkowego nie wpływa na dostępność GPRS, ponieważ większość operatorów rezerwuje część zasobów na potrzeby tej usługi. W praktyce nawet w okresie szczytu sylwestrowego nie obserwuje się problemów z łącznością GPRS. Z wiadomościami SMS jest nieco gorzej; statystycznie opóźnienia, z jakimi SMS-y docierają do stacji odbiorczej, są jednak minimalne - kilkusekundowe. Tu rozwiązaniem jest wykupienie SMSC (Short Message Service Center) - fragmentu pamięci w obszarze serwera centrum SMS z możliwością bezpośredniego dostępu ze stacji monitoringu.

Pomimo dużych możliwości wykorzystania modułów GPRS jako elementów pośredniczących dla dialerów central alarmowych oraz prostoty ich programowania (dostępne są różne wersje programów konfiguracyjnych - zrzut ekranowy jednego z nich prezentuje rys.2), szacuje się, że w praktyce dopiero 10% systemów alarmowych monitorowanych jest w ten sposób. Liczba ta wciąż rośnie, a liderami na tym polu są duże firmy monitorujące systemy alarmowe. Oprócz poprawy jakości i obniżenia kosztów eksploatacji, sprzyja temu także podobieństwo do instalacji w sieciach radiowych. W przypadku modułów GPRS powszechnie wykorzystuje się również ich wejścia dwustanowe. Ponadto takie podłączenie urządzenia nadawczego zajmuje doświadczonej ekipie bardzo mało czasu i przede wszystkim nie wymaga znajomości kodu instalatora centrali alarmowej (moduł GPRS może być „przezroczysty" dla centrali).

Okno programu konfiguracyjnego modułu GPRS

Podsumowanie

Transmisja GPRS to kolejny sposób skutecznego monitorowania chronionych obiektów. Warto o nim pamiętać, mieć go w swojej ofercie lub korzystać z niego w przypadku ochrony swojego obiektu. Przedstawiona wyżej ogólna charakterystyka pakietowej transmisji danych w sieciach łączności komórkowej wskazuje na duże możliwości powszechnego wykorzystania jej w systemach monitorowania alarmów i innych sygnałów telemetrycznych. Relatywnie niskie koszty i powszechna dostępność urządzeń oraz sieci komórkowych to kolejne argumenty przemawiające za tym rozwiązaniem. Podobnie, jak nie trzeba już dziś nikogo przekonywać do zalet systemu mobilnego w przypadku telefonii komórkowej, już wkrótce niepotrzebne stanie się propagowanie komunikacji GPRS w systemach monitorowania alarmów.

dr inż. Krzysztof Serafin 

Zabezpieczenia 5/2006