（控制理论与控制工程专业论文）基于gsmgprs网络的嵌入式远程测控系统的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 近些年来，由于通讯网络的飞速发展，移动通信与实际应用的结合使得各种 基于g s m g p r s 网络的无线监控系统成为当前远距离无线监控领域最为广泛的 应用。另一方面，基于嵌入式概念的单片机和p c 通过串行口构成的多微机监测 系统己经广泛应用于工业控制、数据传输、水利系统、消防治安、智能楼字、银 行金融等方面，这些系统原来大多采用有线网络、短距离无线网络等通信方式， 其固有的缺陷很大程度上限制了其使用的场合。 结合g s m g p r s 网络的无线监测系统的出现，弥补了基于其它通讯网络系统 的缺陷。本文研制通过g s m 网络的短消息通讯，结合g p r s 网络的无线数传监 测系统解决了上述的不足，具有低成本、可升级和易扩展的特性，能同时满足个 体用户和小规模用户的需求，应该具有更良好的应用前景。 本文首先论述了无线监控系统的研究背景、研究现状及研究意义。在此基础 上，作者结合无线监控系统的特点，提出了实时数据无线监控系统的实现方案。 随后。作者详细阐明了无线监控系统的硬件和软件的实现过程。作者研制的终端 系统特点如下： 1 功能多样。可用于数据传输、数据采集、远程报警等多方面的应用。 2 成本低。终端的成本远低于其它的无线监控系统 3 输入输出的多样性。系统的软硬件都实现了模块化，可以根据现场的具体 需要，搭配相关的硬件和软件模块，实现多种输入和输出。 文章在最后指出了两个数据终端平台尚存在的问题，并分别提出了改进意见 和下一步要做的工作。 关键词：g s m g p r s 网络，嵌入式系统，无线监控系统，实时操作系统 基丁g s m g p r s 网络的嵌入式远程测控系统的研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si nr e c e n y e a r s ，w i r e l e s s m o n i t o rs y s l e mb a s e dl h eg s m g p r sb e c o m e st h em d s tw j d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nt h e c u r r e n tl o n g d i s t a n c ew i t e l e s sm o n i t o r i n gf i e l d s i nt h eo t h e ih a n d ，t h em u l t i c p u m d n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hi sc o n n e c t e db ys j n g l e c h i p p e dc o m p u t e ra n dp cm a c h i n e c h r o u g hs e r i a ii n t e r f 矗c ei sw i d e f yu s e di nt h ef i e i d so fj n d u s t r ya n dd a t am o n i t o r i n g t h ec o m m u n i c a t i o nw a y o f t h e s es y s t e m si sa l w a y sc a b l em o d e m ，r a d i os t a t i o na 玎ds o o n ，b u tt b e j ri n h e r e d lf a u l tl 如m n st h ef i e l d sj j l 1 ) l ，h j c ht h e s es y s t b m sa r eu s e d t h ea p p e a r a n c eo ft h ew i r e i e s sm o n i t o r i n gs y s t e mc o m b i n e dw n hg s m g p r s n e t w o r k ss u p p l yt h eg a po ft h es y s t e m sb a s e do no t h e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s t h e r e f o r ，t h ea r t i c l er e s e a r c h e sa n dp r o d u c e st h em o n n o r j n gs y s t e mw h i c hi st h r o u g h m es h o nm e s s a g es e r v i c eb a s e do ng s mn e t w o r k sa n dc o m b i n e dw t t ht h ew i r e l e s s d a t a t r a n f e r so fg p r sn e t w o r k s ， t h i ss y s t e ms o l v e st h ea b o v ep r o b l e m sa n dw i t h c h a i 诅c t e r i s t j c so fl o w c o s t ，u p g r a d e a b l ea n de a s y e x t e n d e d i tc a nm e e tt h en e e do f t h ep r i v a t eu s e r sa sw e l la st h es m a i l s c a i eu s e r s ，s o ，t h e r em u s tb eab “g h t e rf u t u r e f o ft h i ss y s t e m f i r s t ly t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n d ，t h ep r e s e n ts i t u a t i o na n d s i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h t h e n ，t h ea u t h o rp r e s e n t sm es o l u t i o dt o t h ew j r e l e s s m o n i t o rs v s t e mb a s e do ng s m ，g p r si nd e t a i l ，w h i c hi sc o m b i i l e dw i 【ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m i ta l s og i v e sd e t a i l so ft h ec o n t r o l l e r d 弓s i g nu s i n gt b ed e s i g nt h e d yo fe 1 b e d d e ds y s e m ，a f t e f h es y s t e i 玎d e s j g db e j n g f i n i s h e d ，t h ea u t h o re x p l a i n sb o wt oi m p l e m e n tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e w i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m t h ec h a r a c t e r so ft h ew i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e ma r ea s f o i i o w s ： 1 m u l t i p l e xf u n c t i o n a p p l i c a t i o nf o f d a t at r a n s m i s s i o n ，d a t aa c q u i r i n ga n d i o n g d i s i a 玎c em o n j o i n ge t c 2 l o wc o s t t h ec o s to fc o n t i o l l e ri sl o w e rt h a nt h ew i r e l e s sm o 【l i t o r i n gs y s t e m b a s e do nd t h e rc o n “n u n i c a t i o nn e t w o r k s 3 ，m u 【i p l i c “yf o ri n p u ta n do u t p u 【t h es y s t e mc a nb ei m p l e m e n 【e dv i as o f t w a r e m o d u l ea n dh a r d w a r em o d u l eb a s e do nt h ei n d u s l r i a l “e l dn e e d a l h el a s tc b a p t e ro fl h i sp a p e r ，t h ea u t h o g j v e ss o m bi m p r o v e m e n tt h i n k so n t h e s et w o 口1a t f o r m s 硕：仁学位论文 k e yw o r d s ： g s m g p r sn e t w o r k ，e m b e d d e ds y s t e m ，w i r e l e s sm o n i t o rs y s t e m r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m 墓rg s m g p r s 网络的嵌入式远科测控系统的研究 插图索引 图2 1 短消息业务的体系结构图，5 图2 2s i m 卡的物理结构图6 图2 3 基于s l ；i s 的温度信息遥测遥传系统组成框图，7 图2 4m 2 2 模块的结构，8 图2 5s lh l 卡与m 2 2 连接图8 图2 6u n i c o d e 转换工具，1 1 图2 7 单片机利用s m s 发送温度信号电路图1 3 图2 8 单片机利用s m s 发送温度信号主程序流程图，1 4 图2 9d s l 8 8 2 0 初始化过程“复位和存在脉冲”。1 5 图2 ，l od s l 8 8 2 0 的复位程序流程图，l5 图2 1 ld s l 8 8 2 0 写时间片1 5 图2 】2d s l 8 8 2 0 读时间片1 6 图2 md s 】8 8 2 0 写数据程序流程图，1 7 图2 1 4d s 】8 8 2 0 读数据程序流程图一1 7 图2 1 4l c d 显示子程序流程图，1 6 图2 15s m s 显示发送实物图1 8 图2 1 6 系统实物图1 9 图3 1g p r s 系统网络结构2 0 图4 1s 3 c 4 4 b o x 的系统框图，2 9 图4 2s 3 c 4 4 b o x 复位后的存储器地址分配，3 0 图4 3f l a s h 连接电路，3 2 图4 4s d r a m 连接电路，3 3 图4 5s 3 c 4 4 b o xc p u 电源电路，3 4 图j iu c 0 s i i 硬件软件体系结构图，3 8 图6 1 采用t e p t p 协议芯片接入互联网的无线终端设计框图4 0 图6 2 内嵌操作系统及协议栈的互联网无线终端设计框图4 0 围6 ，3g p r s 模块s i m 卡与串口电路设计图，4 l 图6 4 系统软件整体框图，4 3 图6 ，5 通讯协议模型， 。4 3 图6 ，6 数据封装发送过程，4 4 图6 7 数据分组接收过程，4 4 图6 8 系统数据流程图4 4 图6 9l p 层收包函数流程图。，4 7 图6 i o p 协议工作模型，4 8 图6 1 1p p p 回话过程一，。5 0 图6 1 2g p r s 网络初始化及拨号过程，5 2 图6 1 3l c p 协商过程流程图。 。5 4 图6 ，1 4g p r s 网络发送给终端的l c p r e q 帧，5 j 图6 i jm p 协商过程流程图， ，5 5 图6 】6i p c p 协商流程图，5 6 n ， 硕士学位论文 图6 1 7 通过g p r s 网络传数据的程序流程 v 5 7 基丁fg s m o p r s 网络的嵌八式远程洲控系统的研究 附表索引 表2 1a t 命令的语法规则 表2 2 发送信息的p d u 串解释 表3 ，lm s 连接后，s g s n 中的关系映射表 表3 2p d p 场景激活后，s g s n 中的关系映射表 表3 3p d p 场景激活后，g g s n 中的关系映射表 表4 ，1 几种常见的处理器内核， 表4 2b a n k 6 b a n k 7 地址 表4 3 数据宽度选择 表4 4 存储器地址线连接 表6 ii p 数据报， 表6 2u d p 消息格式 表6 3p p p 数据帧格式 1 1 。2 3 2 4 2 4 ，2 6 ，3 0 3 1 3 1 ，4 5 4 8 ，5 0 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所晕交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 瞿华日期：2 口形年斗月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰卅f 理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口；在年解密后适用本授权书。 2 、不保密面。 ( 请在以相应方框内打“”) 日期：2 卯年牛月9l 日期：、v 6 年( 1 月尸曰 华吣、 犯穗卞 钰名签签者师作导 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的背景 1 1 1g s m g p r s 网络的发展现状 目前，中国移动的全球通网络覆盖全国所有地( 市) 和9 8 以上的县( 市) ， 实现了高话务区域的立体覆盖及主要交通干线的连续覆盖，并与中国电信、中国 联通和中国网通等运营公司实现了互联互通。随着s m s 业务的蓬勃发展以及中国 移动g p r s 网络的逐步完善，移动通信正逐步由语音通信占主导，转向数据通信 和语音通信并驾齐驱。通信专家认为：数据通信的业务量将很快超过语音通信， 成为移动通信的主角，工业应用为目的的数据通信构成了整个数据通信中非常重 要和发展迅速的一个分支。 以g s m 网络作为数据无线传输网络，可以开发出多种前景极其乐观的各类 应用，如无线数据的双向传送、无线远程检测和控制等。典型的应用有：工业控 制、环境保护、道路交通、商务金融、移动办公、零售服务等等。 1 1 2 无线监控系统发展现状及前景 远程监控技术的出现，是计算机网络技术与故障监控技术结合的必然结果。 早期远程监控技术是非实时非在线监控方式，而现代远程监控技术是实时在线监 控方式，借助于计算机、互联网和通信技术，操作者可以依靠安装在现场的各种 传感器及音视频设备，远隔千罩便可以随时了解现场生产与设备情况，对生产现 场进行监控、诊断与控制。远程监控技术的模式是与通信技术的发展密不可分的， 伴随着通信技术的发展，出现了三种远程监控模式。 1 人工远程监控 这种方式是通过人工对现场参数及现场运行情况进行记录，然后带回总控室 让工程师进行分析和推理，这就包括的太多的人为因素，而且无法实现实时在线 监控，存在很多弊端，这是比较原始的方式。 2 有线网络远程监控 有线网络监控方式是现代远程监控模式，他将现场各个采样点通过通信线将 其连成网。根据通信方式的不同，可以有以太网、，匕纤网等等，这种方式也是现 在广为使用的方式，如现场总线，其特点是将多个分散在生产现场，具有数字通 信能力的测量控制仪表作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，以总线作为 通信连接的纽带，把现场控制设备连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务 基rg s m g p r s 网络的嵌入式远程测控系统的研究 以及现场控制设备与监控计算机之间实现工业数据通信的网络系统。由于数字 信号远程传输的保真度高，不受时间和空间影响，因此传输数据可靠性高，可以 实现真f 意义上的实时在线远程监控与诊断。但是这种方式在网络铺设上投资巨 大，而且受距离限制，各数据点之间的距离越远，铺网的投资就要上升。 3 无线网络远程监控 无线网络远程监控又分为两种：一种是单独构建无线网，另一种是利用 g s m g p r s 网络。第一种方式由于要自己进行网络构建，包括传输设各，中继站， 传输协议制定，工作量比较大。第二种用g s m g p r s 网络实现，这类监控的通信 方式是依托遍布全球的g s m 网，它最大的特点是打破了距离的限制，从而可以 实现全国乃至全球漫游监控。这类监控主要是利用g p r s 数据业务通过i n t e r n e t 进行通信。g p r s 技术传输速度快，永远在线，用g p r s 技术实现的监控系统， 实时性强，安全可靠，按流量计费，比短消息更经济更合理。利用g p r s 进行远 程监控，即避免了开发新的频率资源，又开辟了远程监控的新领域。该系统具有 网络覆盖范围广，系统抗干扰能力强，通信速度快，通信误码率低等优点，并且， 完全利用g p r s 移动通信网络，建设和运行成本低。随着g p r s 网络技术的不断 发展，构筑在g p r s 网e 的远程无线测控系统必然能与移动通信技术的发展同步， 因而具有广阔的前景。 1 2 研究目的 随着我国信息化进程的全面推进，各行业对信息化也提出了较高的要求，对 信息化的认识也从单纯的数字化提升到数字化与网络化、无线化统一的高度。针 对目前信息化的要求，原有的有线系统虽然完成数字化与网络化，但复杂的市线、 高昂的维护成本使得网络节点的分布范围受到了很大的限制，这在很大程度上阻 碍了信息化的深入和普及。因此，信息化对无线数据传输的需求日益剧增。移动 网络几乎覆盖地球的每个角落，它所提供的很多数据业务使许多智能设备、仪 表的无线数据传输成为了可能。目前通过移动网络传输数据的手段大体有三种 ( 1 ) 通过语音方式进行数据传输，这种方法是利用语音通道将数据调制到语音 通道传输出去，再由接受方将数据解调出来，但这种方式受g s m 语音编码方式 的局限对数据压缩还原会造成数据的失真。这种方案基本不被采用。 ( 2 ) 短信业务( s m s ) ，一条短消息中可以容纳7 0 个中文字或1 4 0 个英文字符， 可以满足小数据量的设备进行远程数据传输。 ( 3 ) 通用分组无线业务( g p r s ) ，g p r s 网络传输数据的质量非常稳定，且 传输距离可以达到g s m 网络能达到的地方。g p r s 能实现“永远在线”，所以一旦 建立g p r s 连接，就可以随时发送数据，不需再拨号。数据传输速率可提升到 2 坝十学位论文 5 6 k b p s ，甚至1 1 4 k b p s 。所以通信的带宽是足以满足实时通讯的要求的。 其中短信业务( s m s ) 和g p r s 业务可以为微控制器的远程无线接入提供一 个稳定的平台，正如前面的叙述，利用短消息业务来传送数据特别适合数据量少， 实时性要求相对较低的场合。而利用g p r s 业务传输数据适合于实时性要求高， 数据量比较大的场合，但是其开发难度相对过高。且目前工业用数据通讯终端中， 基于s m s 的占大多数。所以作者有理由相信，在今后相当长的一段时间，基于 s m s 方式的通讯终端还将在工业领域大有作为。 本文首先介绍利用s m s 的p d u 格式实现数据远程传输的方法，在后面的篇幅中 介绍利用g p r s 业务实现数据远程传输的方法，试图从硬件和软件两个方面，提 供一种适合工业用途的g p r s 数据通讯终端的最迅速和相对的最佳解决方案。 1 3 研究的主要工作 本文通过对传统的通讯方式进一步了解与研究，并且根据应用场合的不同， 提出了利用移动通讯网络的短消展业务及g p r s 业务设计无线终端进行远程无线 数据传输。并通过调查了解移动通信运营商提供的各种服务，最后根据b e n q 公 司提供的g s m g p r s 通讯模块m 2 2 对短消息发送与接收等作进一步试验，分析 短消息的传输协议，找出其优缺点，并利用g p r s 新型数据业务对其局限性作进 一步的补充。本论文的工作主要经历了以下过程： ( 1 ) 搜集相关资料，阅读有关远程无线传输数据的文献和技术文章，了解远程 无线传输系统的规划及设计方法，并对传统的数据传输途径进行了了解和分析。 。等待m 2 2 返叫a s c i i 字符“ ”，则f j j 将p d u 数据输入，p d u 数据以 + 作为结束符，短消息发送成功，模块返回 o k 。 删除短消息。由于s i m 卡只能存储有限条短消息，为防止s i m 卡中短消 9 基丁g s m g p r s 网络的嵌入式远程测控系统的研究 息存满而不能再接收短消息，收到一条短消息后，在进行数据分析处理后，将此 消息立刻删除，删除短消息的指令为a i t + c m g d = i n d e x ( c r ，删除后模块返回 ( l f o k ( l f 。 4 短消息的模式与u n i e o d e 编码方式 g s m 移动电话有三种接口协议控制s m s 功能，分别为b l o c k m o d e ( 阻塞模 式) 、t e x tm o d e ( a s c i i 模式) 、p d um o d e ( 二进制模式) 。 阻塞模式适用于连接不是非常可靠的情况。这种模式常见于需要对远方设备 控制的情况。阻塞模式有着与另两种模式完全不同特性的协议，当进入此种模式， 此状态就将一直保持下去，直到程序主动退出阻塞模式，退出阻塞模式以后将返 回到v 2 5 t e r 命令状态，或者在线命令状态。 t e x t m o d e 是基于a t 命令的接口协议，适用于非智能的终端和一些基于命令 结构的应用软件。在t c x t 模式，所有的a r 命令都是以a s c i i 码的形式回答的。 p d u 模式是以1 6 进制编码传输消息块的接口协议，在此模式中，短消息( 包 括短消息的头部分) 都是经过1 6 进制编码的，也即，只有o ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ， 7 ，8 ，9 ，a ，b ，c ，d ，e ，f 这些字符是允许的。 西文字符一般是以7 位一个字节来表示的，最多有1 2 8 种组合方式，最常用 的表示方法是a s c i i 码。对应a s c i i 码表得到相对应的字符为可见字符。如果使 用8 个位形成一个字节，那么可能的组合就是2 5 6 种，也就是a s c i i 码表上2 5 6 个字符，其中包括1 2 8 2 5 5 的不可见字符。英文只需要用到a s c i i 码的前1 2 8 个位置就足以表达全部的字符。 u n i c o d e 是一种统一字符编码标准，采用双字节对字符进行编码。这是a p p l e 和x e r o x 公司于1 9 8 8 年建立的一个技术标准。u n i c d d e 提供了一种简单而又一致 的表示字符串的方法。由于u n i c o d e 用一个1 6 位的值来表示每个字符串，因此总 共可以得到6 5 0 0 0 个字符，这样，它就能够对世界各国的书面文字中的所有字符 进行编码，远远超过了单字节字符集的2 5 6 个字符的数目。这种u n i c o d e 的特点 是所有的字符是以两个字节表示，不仅中文使用两个字节，而且英文也使用两个 字节表示。 汉字的十六进制p d u 编码直接采用汉字的u n i c o d e 编码，由于汉字的编码是 十六位的，当中英文出现在同短消息的时候，中文每个汉字是十六位的，但是 字母和数字是八位的编码，这时统一采用十六位编码，也就是在八位的a s c i l 码 前面补0 。6 1 h 是“a ”的a s c i i 码，补齐十六位后的u n i c o d e 编码为0 0 6 1 h 。 可以利用u n j c o d e 转换i 具得到汉字的u n i c o d e 编码的十六进制，比如“祝您 快乐”四个汉字转换得到相应的编码如图2 6 所示。 硕十学位论文 目2 6u n i c o d e 转换。l ：具 本系统采用p d u 模式进行收发短消息，统一使用u n i c o d e 的编码形式。下面 举例说明p d u 串的结构和编排方式【8 】【叭。 例如：需要发送信息“祝您快乐”到手机1 3 8 9 3 6 8 0 2 6 3 ，其流程如下： 输入：a t + c m g f = o 回车：设置短消息格式，参数0 为p d u 格式，1 为 t e x t 格式 返回：o k 输入：a l t + c m g s = 0 2 3 回车；参数0 2 3 是输入的字节数的总数1 返回： # 自) l ：o o l1 0 0 0 d 9 1 8 3 1 皇8 3 q 8 至3 0 0 0 8 a 9 0 8 2 2 旦q 8 曼旦4 量5 q 返回：+ c m g s ： o k 对各个数据域进行分析如表2 2 所列。 表2 2 发送信息的p d u 串解释 发送码数据 说明 模块使用s i m 卡中已存储的短消息中心 3 0 3 00 0 号码 3 1 3 ll l 文件头字节，一般设为l 【 3 0 3 0 o o 信息类型，一般设为o o 3 0 4 4o d被叫号码长度为1 3 ( 8 6 1 3 8 9 3 6 8 0 2 6 3 ) 3 9 3 】9 l 被叫号码类型，一般设为9 l 实际号码为“8 6 1 3 8 9 3 6 8 0 2 6 3 ”，经过位 3 6 3 8 3 3 3l3 9 3 8 3 66 8 3 1 9 8 6 3 移处理，将相邻的两位数据颠倒，盘u8 6 3 3 3 0 3 8 3 6 3 2 4 6 3 30 8 6 2 r 3 换为6 8 。字母f 是填充位 3 0 3 00