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嵌入式移动信息查询系统研究及应用摘要 摘要 无线数据传输业务已经广泛应用于水利、交通、金融、电力、铁路等各行各 业，其通信方式也多种多样，比如超短波、短波、卫星、短消息、g p r s 、c d m a 等等。针对水利工程分布在野外，存在大量的现场监察、管理、指挥等工作的特 点，本文在调研嵌入式计算机技术、移动通信技术及其在相关行业领域的应用基 础上，分析水利行业对移动数据终端的需求，利用现代无线移动通信技术、嵌入 式计算机技术，开发出集成了嵌入式a r m 处理器、u c l i n u x 操作系统、l c d 触摸 显示屏以及g p r s 移动通信模块的嵌入式移动信息查询系统。 所做的工作主要有： 1 、分析无线数据传输业务现状，构建g p r s 数据传输平台。研究并分析g p r s 无线网络的实现原理及组网方式。 2 、分析移动终端的功能要求，构建移动终端硬件平台。研究分析嵌入式系 统的发展现状，设计开发了集成嵌入式a r m 处理器、l c d 触摸显示屏、c f 卡以及 g p r s 移动通信模块的嵌入式移动信息查询系统。 3 、分析终端的软件功能，进行软件设计。研究嵌入式操作系统及其应用软 件的特点，设计了以u c l i n u x 为操作系统的终端软件应用系统。系统的应用程序 开发主要包括p p p 脚本拨号、s o c k e t 网络编程、u c g u i 用户图形界面、s q l i t e 嵌入式数据库。 4 、分析系统在水利工程方面应用的特点，设计服务器端应用程序，与移动 终端进行联调，组建移动水利信息查询系统。系统成功实现了信息查询功能，同 时具有比较完善的用户图形界面。 关键词：信息查询嵌入式系统a r mu c li n u x g p r s 河海大学_ t 学硕卜学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n b u s i n e s sh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d i n h y d r a u l i c e n g i n e e r i n g ，t r a n s p o r t a t i o n ，f i n a n c e ，e l e c t r i cp o w e r , r a i l w a ya n dm a n yo t h e rf i e l d s t h e r ea r el o t so fd i f f e r e n tw a y so ft r a n s m i s s i o ns u c ha su l t r a s h o r tw a v e ，s h o r t w a v e ， s a t e l l i t e ，s m s ，g p r s ，c d m a ，e t c h y d r a u l i ce n g i n e e r i n gd i s t r i b u t e si n t h ef i e l d t h e r ea r el o t so ft a s k si n c l u d i n gs u p e r v i s i n go nt h es p o t ，m a n a g e m e n ta n d d i r e c t i o n b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g ，t h et h e s i sa n a l y z e st h ed e m a n d t ot h em o b i l ed a t at e r m i n a li nh y d r a u l i ci n d u s t r yb a s e do ni n v e s t i g a t i n ge m b e d d e d c o m p u t e rt e c h n o l o g y , m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o no f t h e r e l a t i v ef i e l d ，m a k e su s eo ft h em o d e mw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , e m b e d d e dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a n dd e v e l o p st h ee m b e d d e dm o b i l ei n f o r m a t i o n i n q u i r ys y s t e mi n t e g r a t i n ge m b e d d e da r mp r o c e s s o r u c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ， l c d t o u c h s c r e e na n dg p r sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h ek e yw o r kt h a th a sb e e n d o n ei sb e l o w ： 1 、a n a l y z ed i f f e r e n tk i n d so fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nb u s i n e s sc h a r a c t e r i s t i c ， b u i l dg p r sd a t at r a n s m i s s i o np l a t f o r ma n ds t u d yt h et h e o r yo fg p r st h o r o u g h l y 2 、a n a l y z et h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n to fm o b i l et e r m i n a l a n db u i l dm o b i l e t e r m i n a lh a r d w a r ep l a t f o r m s t u d yt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fe m b e d d e ds y s t e ma n d d e v e l o pe m b e d d e dm o b i l ei n f o r m a t i o ni n q u i r ys y s t e mi n t e g r a t i n ge m b e d d e da r m p r o c e s s o r , g p r sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，l c d & t o u c h s c r e e na n d c fc a r d 3 、a n a l y z es o f t w a r ef u n c t i o no f t e r m i n a la n dd e s i g ns o f t w a r ea p p l i c a t i o n s t u d y t h ec h a r a c t e r i s t i co fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n da p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n dd e s i g n t e r m i n a ls o f t w a r ea p p l i c a t i o ns y s t e mu s i n gu c l i n u xa si t so p e r a t i n gs y s t e m t h e d e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o ni n c l u d e sp p ps c r i p td i a l u p ，s o c k e tn e t w o r kp r o g r a m m e ， u c g u iu s e rg r a p h i ci n t e r f a c ea n ds q l i t ee m b e d d e dd a t a b a s e 4 、a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e mu s e di nh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g ，d e s i g n t h ea p p l i c a t i o no fs e r v e ra n db u i l dm o b i l eh y d r a u l i ci n f o r m a t i o ni n q u i r ys y s t e m t h e f u n c t i o no fi n q u i r yi sa c h i e v e da n dt h et e r m i n a lh a sg o o du s e rg r a p h i ci n t e r f a c e k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o ni n q u i r y e m b e d d e ds y s t e ma r m u c l i n u xg p r s 2 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：曝，蕴2 0 0 6 年，月) 阳 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家图书 馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文 的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 2 0 0 6 年厂月2 b 日 嵌入式移动信息查询系统研究及应用第章绪论 1 1 研究的目的 第一章绪论 信息化是当今世界经济和社会发展的趋势，也是我国产业优化升级和实现 现代化的重要组成部分。 以水利系统为例，必须在水利行业中大力推广信息化建设，推进水利现代 化进程。水利工程分布在野外，存在大量的现场监察、管理、指挥等工作，如 防汛抢险、抗旱等现场指挥及水情等信息的现场查询等。目前水利信息化应用 系统越来越普及，但绝大部分的应用系统的终端都是固定的，限制了其在水利 工程现场或移动状态下的推广和普及使用。虽然有的水利部门已建设了车载移 动防汛指挥系统，备有笔记本电脑和无线上网卡等移动终端，可以接入防汛指 挥中心，但因笔记本电脑耗电量大、携带不便，且价格昂贵，因而不利于其在 野外或移动状态下的推广和使用。因此，研究开发性能可靠、价格合理、便携 式的移动水利信息终端，开发移动式水情信息查询系统，对提高水利工程现场 管理的科学水平，进一步推进水利信息化的发展具有重要的意义。 本文在调研嵌入式计算机技术、移动通信技术及其在相关行业领域的应用基 础上，分析水利行业对移动数据终端的需求，利用现代无线移动通信技术、嵌入 式计算机技术，研究开发出集成了嵌入式a r m 处理器、u c l i n u x 操作系统、l c d 触 摸显示屏以及g p r s 移动通信模块的嵌入式移动信息查询系统。移动终端通过g p r s 无线通信网络和信息中心联网，现场或移动状态的指挥或管理人员可以及时查询 水利信息，为防汛、抢险及抗旱现场指挥或水利工程管理提供了科学手段。本系 统对其他相关行业的移动查询系统的开发具有一定的参考意义。 1 2 研究的技术背景 目前，无线数据传输业务已经广泛应用于水利、交通、金融、电力、铁路等 各行各业，其通信方式也多种多样，比如超短波、短波、卫星、短消息、g p r s 、 c d m a 等等。本文研究的移动信息查询系统采用中国移动g p r s 网络作为移动数据 通信平台，构建基于3 2 位a r m 7 微处理器移动终端硬件平台和采用u c l i n u x 操作 系统的移动终端软件平台，不仅实现了信息查询的基本功能，同时系统具有良好 的实时性及人机交互界面。本节将从通信平台以及移动终端的硬件、软件三个方 面对研究的技术背景进行详细分析。 河海大学工学颀士学位论文 1 2 1 通信平台 嵌入式移动信息查询系统采用无线数据传输。无线数据传输的方式多种多 样。早期采用的超短波、短波、卫星等通信方式均存在覆盖范围有限、需要建立 专l ，司等缺点，比如卫星通信，一般用户很难得到卫星的通信线路。近年来，我国 移动通信衍i k 迅猛发展，第二代移动通信技术日益成熟、完善；第三代移动通信 技术电在不断发展。因此，采用移动通信网络作为本设计的无线通信平台是具有 发展前景的选择。 一直以来，由于短消息技术发展较早，技术相对成熟也易于实现，许多无线 数据传输业务都采用短消息的方式进行数据传输。虽然通信费用比较低廉，但由 于其在传输过程中存在时延，无法满足对数据实时性要求比较高的系统要求；如 果传输的数据量超过短消息允许的最大长度，必须通过多次分组打包才能把数据 传输完毕，这样造成的时延就更长，而且通信费用也随之增加。 目前3 g 技术正在迅速发展，但还没有进入大规模的商用阶段。所以主流的 无线传输技术仍然是g p r s 与c d m a 。基于g p r s c d m a 无线数据传输业务广泛在移 动办公、工业控制、远程遥测等多方面应用，中国移动的g p r s 和中国联通c d m a 各有其特点。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) ，即通用分组无线业务，是在现有 的g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务。它支持t c p i p 协议和x 2 5 协议， 可与标准i n t e r n e t 无缝连接。g p r s 网络传输速度快，永远在线，利用g p r s 技 术实现查询系统，实时性强、安全可靠，按流量计费、经济合理。g p r s 为无线 数据传输业务提供了新的途径“。 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 是“码分多址数字无线技术”的 英文缩写，它拥有频率利用率较高、功耗低等优点，是与g s m 并列的移动通信技 术。c d m a 有i s 9 5 a 、i s 一9 5 b 、c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 和t d s c d m a 等几种。i s 一9 5 b 是通常指的窄带c d m a ，它是基于2 g 的一种网络技术，采用的数据传输的方式也 是与g s m 一样的电路交换型；i s 一9 5 a ( c d m a2 0 0 0i x ) 是一种c d m a 的2 5 代的 技术；c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 和t d s c d m a 则是属于第3 代的网络技术。现在大部分 运营商在国内建设的c d m a 是i s 一9 5 b 或i s 9 5 a ( c d m a2 0 0 0i x ) 。采用c d m a 方式传输数据的特点是永远在线、快捷登陆、高速传输、抗干扰能力强、保密性 能好、发射功耗小。 与g p r s 相比，c d m a 虽然在传输速率、带宽等方面占有优势，但是目前来说， c d m a 网络的覆盖范围没有g s m 网络广泛，尤其是水利工程大多分布在野外或偏 远地区，考虑到网络覆盖范围的原因，本系统确定了采用g p r s 作为通信平台的 方案。 嵌入式移动信息查询系统研究及麻用 第一章绪论 12 2 终端硬件 嵌入式移动信息查询系统的移动终端是本设计的核心内容。其硬件的选择格 外重要。这里主要指的是嵌入式处理器的选择。目前，一般将嵌入式处理器分为 嵌入式微控制器( e m c u ) 、嵌入式d s p 处理器( e d s p ) 、嵌入式微处理器( e m p u ) 、 嵌入式片上系统( e s o c ) 4 类。 l 、嵌入式微控制器( e m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌 入式微控制器一般以莱一种微处理器内核为核心，：占片内部集成r o m e p r o m 、 r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、脉宽调制输出、 a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要的功能和外设。微控制器的最大特点 是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目 前嵌入式系统工业的主流。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括 8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s 一2 5 1 、m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 c 0 5 1 1 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等。另外还有许多半通用系列，如支持u s b 接i z l 的m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ： 支持i i c 、c a n b u s 、l c d 及众多专用m c u 和兼容系列。 2 、嵌入式微处理器( e m p u ) 嵌入式微处理器( e m p u ) 的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处 理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可 以大幅度地减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处 理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、 可靠性等方而一般都做了各种增强，它具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高 的优点。 嵌入式微处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、p o w e rp c 、m o t o r o l a 6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。 3 、嵌入式d s p 处理器( e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法， 编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算 法正在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。 嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系 列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。 4 、嵌入式片上系统( e s o c ) 随着半导体工艺技术的发展，特别是超深亚微米( v d s m ， o 2 5um ) 工艺技术 的成熟，使得在一块硅芯片上集成不同功能模块成为可能。这种将各种功能模块 河海大学工学硕上学位论文 集成于一块芯片上的完整系统，就是片上系统s o c 。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括i n f i n e o n 的t r i c o r e ，m o t o r o l a 的m - c o r e ，某些a r m 系列器件，e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等。 专用s o c 一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个具有代表性的 产品是p h i l i p s 的s m a r tx a 。 分析以上各类嵌入式处理器的特点可知：嵌入式微控制器( e m c u ) 成本较低， 只能实现简单的功能，无法满足移植嵌入式操作系统及用户图形界面的需要；嵌 入式d s p 处理器( e d s p ) 是主要用于数字信号处理，是专用的处理器；嵌入式片 上系统( e s o c ) 工艺复杂，成本较高。根据嵌入式移动信息查询系统终端的要求， 移动终端需要具有强大的数据查询功能和良好的人机交互界面，需要功能较为强 大的c p u 来支持嵌入式操作系统的运行，决定采用合适的嵌入式微处理器( e m p u ) 作为终端核心处理器。 如前所述，嵌入式微处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、p o w e rp c 、 m o t o r o l a6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。 m i p s 是m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s 的缩写， 是一种处理器内核标准，它是由m i p s 技术公司开发的。m i p s 技术公司是一家设 计制造高性能、高档次的嵌入式3 2 位和6 4 位处理器的厂商，在r i s c 处理器方 面占有重要地位。 p o w e rp c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。p o w e rp c 处理器品种很多， 既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工 作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。 目前p o w e rp c 独立微处理器与嵌入式微处理器的主频从2 5 删z 7 0 0 删z 不等， 它们的能量消耗、大小、整合程度、价格差异悬殊。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司是全球领先的1 6 3 2 位r i s c 微处理器知 识产权设计供应商。a r m 公司通过转让高性能、低成本、低功耗的r i s c 微处理 器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色 的芯片。a p a t 已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的r i s c 标准。a r m 处理器有三大特点：小体积、低功耗、低成本、高性能；1 6 位3 2 位 双指令集；全球众多的合作伙伴”。 综合考虑，决定采用目前较为流行而且功能强大a r m 系列的处理器。a r m 处 理器有不同的产品系列，主要包括a r f l 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l1 和s e c u r c o r e 等， 本设计采用a r m 7 系列的处理器。 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功 耗要求较高的消费类产品中。采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 体积小、低功耗、低成本、高性能；支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令 4 嵌入式移动信息查询系统研究及应用第一章绪论 集，能很好的兼容8 位1 6 位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多 数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r n e t 设备、网络和数据 设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用怕。 1 2 3 终端软件 如前所述，移动终端除了实现数据传输的基本功能外，还具有良好的人机交 互界面，这就需要开发相应的图形用户界面等。所以决定移植合适的嵌入式操作 系统以减少开发难度。目前比较流行的嵌入式操作系统主要有w i n c e 、v x w o r k s 、 p a l mo s 、v r t x 等 ( ； o 1 、w i n c e w i n c e 是微软公司推出的嵌入式操作系统。其模块化设计允许它对于从掌上 电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至 少2 0 0 k b 。但它的最大缺点是实时性不好，是软实时操作系统，只能用于对实时 性要求不高的场合。 2 、v x w o r k s v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的嵌入式实 时操作系统。它是美国w i n d r i v e r 公司的产品，以其良好的可靠性和卓越的实时 性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领 域中，已经在包括爱国者导弹和火星探测器等许多领域上得到成功应用。 3 、p a l mo s p a l mo s 操作系统是3 c o m 公司推出的。它在p d a 市场上占有很大的市场份 额，它有开放的操作系统应用程序接口，开发人员可以根据需要白行开发所需要 的应用程序。 4 、v r t x v r t x 是老牌的嵌入式实时操作系统，在早期的商用嵌入式操作系统中曾扮 演“领头羊”的角色。v r t x 的特点包括易于载入定制硬件、文件系统支持及 a n s i p o s i x 接口。此外，v r t x 还支持多种网络协议。目前v r t x 主要有v r t x s a 、 v r t x 5 和专门支持单芯片的v r t x m c v r t x o c3 个版本。 以上介绍的几种嵌入式操作系统都是商用的操作系统，虽然在系统可靠性和 对用户的技术支持上有自己的优势，但是它们均属于商业化产品，价格相对昂贵， 而且其核心代码往往不公开，导致其兼容性和移植性较差。与它们相比，嵌入式 l i n u x 操作系统自身具有很多优点，比如其源代码开放，内核稳定、可任意裁减， 兼容性好，使用成本低等等。同时对于本设计来说，由于g p r s 网络支持t c p i p 协议，而l i n u x 又提供免费的t c p i p 协议栈，这给开发带来了很大的方便。 河海人学工学硕i j 学位论文 目前，国内外不少大学、研究机构和知名公司都加入了嵌入式l i n u x 的开发 工作、较成熟的嵌入式l i n u x 产品不断涌现，如r t l i n u x 、e m b e d i x 、p o c k e t i x 脑 1 7 】 号子 o l 、r t l i n u x r t l i n u x 是由美国新墨西哥理工学院开发的基于标准l i n u x 的嵌入式操作 系统。到目前为止，r t l i n u x 已经成功地应用于航天飞机的空间数据采集、科 学仪器测控和电影特技图像处理等广泛的领域。r t l i n u x 提供了一个精巧的实 时内核，并把标准的l i n u x 核心作为实时核心的一个进程同用户的实时进程一起 调度，充分利用了l i n u x 下现有的丰富软件资源。 2 、e m b e d i x e m b e d i x 是嵌入式l i n u x 行业主要厂商之一l i n e o 推出的，是根据嵌入式应 用系统的特点重新设计的l i n u x 发行版本。e m b e d i x 提供了超过2 5 种的l i n u x 系统服务，系统需要最少8 m 内存，3 b tr o m 或快闪内存。l i n e o 公司还发布了另 一个重要的软件产品，它可以让在w i n d o w sc e 操作系统上运行的程序能够在 e m b e d i x 系统上运行。 3 、p o c k e t i x p o c k e t i x 是由广州博利思软件公司推出的。它基于标准的l i n u x 内核，并 包括一些可以根据需要进行定制的系统模块。p o c k e t i x 预览版支持标准以太网 和t c p i p 协议，支持标准的xw i n d o w ，带中文支持，可适应个人p d a 、w a p 手 机、机顶盒等广泛的智能信息产品。 4 、e e o s 目前，中科院计算所自行开发的开放源码的嵌入式操作系统e a s y e m b e d d e do s ( e e o s ) 也已开始进入实用阶段。该嵌入式操作系统重点支持p j a v a ，系统目标一方面是小型化，一方面能重用l i n u x 的驱动和其他模块。由于 有中科院计算所的强大科研力量做后盾，e e o s 有望发展成为功能完善、稳定、 可靠的国产嵌入式操作系统平台1 。 本设计采用u c l i n u x 作为移动终端的操作系统。u c l i n u x 是一种优秀的嵌入 式l i n u x 版本，是专门用于微型控制领域的嵌入式l i n u x 操作系统。除了具有 l i n u x 操作系统的源代码开放、稳定可靠、功能强大的特点外，u c l i n u x 是专门 针对没有m m u 的处理器而设计的，这正符合本设计终端硬件采用a r m 7 微处理器 的特点。u c l i n u x 采用实存储器管理策略，通过地址总线对物理内存进行直接访 问。所有程序中访问的地址都是实际的物理地址，所有的进程都在一个运行空间 中运行( 包括内核进程) 。m m u 的省略虽然带来了系统及应用程序开发的限制， 但对于成本和体积敏感的嵌入式设备而言，其应用环境和应用需求并不要求复杂 和相对昂贵的硬件体系，对于本系统这样功能相对简单的专用嵌入式设备完全可 6 嵌入式移动信息查询系统研究及应用第一章绪论 以满足需求。 成功移植嵌入式操作系统之后，就可在此操作系统之上开发相应的应用程序 以实现移动终端的各项功能。 综上所述，本设计将u c l i n u x 与g p r s 无线网络结合起来实现无线数据的传 输，是一个比较合理的选择。 1 3 主要的研究内容及论文组成 1 3 1 主要的研究内容 本文对基于u c l i n u x 和g p r s 的移动信息查询系统进行研究。该系统采用客 户机服务器模式，移动终端和服务器之间通过g p r s 无线网络实现通信，文章的 重点在于移动终端的设计实现。本文的主要研究内容如下： 1 、分析无线数据传输业务现状，采用g p r s 无线网络作为系统的通信平台。 研究并分析g p r s 无线网络的实现原理及组网方式。 2 、分析移动终端的功能要求，确定终端的硬件设计方案。研究分析嵌入式 系统的发展现状，设计了集成嵌入式a r m 处理器、g p r s 移动通信模块、l c d 触摸 显示屏以及c f 卡的嵌入式移动信息查询系统。 3 、分析终端的软件功能，进行软件设计。研究嵌入式操作系统及其应用软 件的特点，设计了以u c l i n u x 为操作系统的终端软件应用系统。系统的应用程序 开发主要包括p p p 脚本拨号、s o c k e t 网络编程、u c g u i 用户图形界面、s q l i t e 嵌入式数据库。 4 、分析系统在水利工程方面应用的特点，设计服务器端应用程序，与移动 终端进行联调，组建移动水利信息查询系统。系统成功实现了信息查询功能，同 时具有比较良好的用户图形界面。 1 3 2 论文组成 本文的内容安排如下： 第一章：绪论。介绍本文的研究目的，技术背景及主要研究工作。 第二章：基于g p r s 的通信组网。g p r s 无线网络为本系统提供了通信平台， 本章主要介绍g p r s 的网络结构以及组网方式，并简要说明了本系统的组网方案 设计。 第三章：移动终端硬件方案设计。本章主要分析移动终端的硬件设计方案， 对各个部分的技术及硬件电路都进行了详细的介绍，主要包括嵌入式a r m 处理 器，g p r s 通信模块、l e d 显示触摸屏以及c f 卡。 第四章：移动终端软件方案设计。主要介绍移动终端的软件设计方案，包括 u c l i n u x 内核及应用程序的移植，嵌入式l i n u x 下的网络结构和协议分析以及 7 河海大学工学硕士学位论文 u c g u i 和s q l i r e 的应用。 第五章：移动终端的实现。这章是本文的重点，主要对移动终端的具体实现 进行详细介绍，分为硬件实现和软件实现两部分。 第六章：嵌入式移动信息查询系统的应用实现。本章首先简要介绍了服务器 端应用程序的设计及实现过程，然后详细介绍了系统在水利工程方面的具体应 用。 第七章：总结与展望。 嵌入式移动信息查询系统研究及应用第二章基于g p r s 的通信组网 第二章基于g p r s 的通信组网 如前所述，无线通信技术发展由来以久，从早期的短波、超短波、卫星通信 到现在的移动通信。移动通信的技术正在不断发展，包括发展比较成熟的短消息、 g p r s 、c d m a 等通信技术以及正在迅速发展的3 g 技术。短消息方式由于其存在传 输时延而且数据量受限并没有得到广泛应用，而3 g 技术正在不断的发展当中， 还未进入大规模商用阶段。因此，目前主流的无线传输技术仍然是g p r s 与c d m a 。 与g p r s 相比，c d m a 虽然在传输速率、带宽等方面占有优势，但其覆盖范围没有 g s m 网络广泛，在较偏远地区存在没有信号的现象，而水利工程又大多分布在野 外地区，所以本系统采用g p r s 无线网络作为通信平台。本章详细分析了g p r s 的网络结构以及组网方式并简要说明了本系统的组网方案设计。 2 1g p r s 概述 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 作为第二代移 动通信技术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术，是由英国b tc e l i n e t 公 司早在1 9 9 3 年提出的，是g s mp h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一，是一种 基于g s m 的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 协议。 g p r s 在现有的g s m 网络基础上叠加了一个新的网络，同时在网络上增加一 些硬件设备和软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体，提供端到端的、广域的 无线i p 连接。它以分组交换技术为基础，用户通过g p r s 可以在移动状态下使用 各种高速数据业务，包括收发e - m a i l 、进行i n t e r n e t 浏览等。g p r s 是一种新的 g s m 数据业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速 无线i p 和x 2 5 服务。g p r s 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线 信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。有了g p r s ， 用户的呼叫建立时间大为缩短，几乎可以做到“永远在线”。此外，g p r s 是以 传输的数据量而不是连接时间为基准来计费，从而使得每个用户的服务成本更 低。g p r s 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶 尔的大数据量传输。 2 2g p r s 网络结构 g p r s 是基于现有的g s m 网络实现的，需要在现有的g s m 网络中增加一些节 点，主要是网关g p r s 支持节点g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 和服务 9 河海大学工学硕士学位论文 g p r s 支持节点s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 。g g s n 在g p r s 网络和公 用数据网之间起网关的作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如i s d n 和l a n 等。g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分 组数据包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络。s g s n 记录移动台的当前位置信息， 并在移动台和各种数据网络之间完成移动分组数据的发送和接收，为服务区内所 有用户提供双向的分组路由。系统共用g s m 基站，但基站要进行软件更新，并采 用新的g p r s 移动台。g p r s 要增加新的移动性管理程序，通过路由器实现g p r s 骨干网互联。g p r s 的逻辑体系结构如图2 1 所示1 ： 图2 1g p r s 逻辑体系结构图 其中，虚线表示信令接口，实线表示信令和数据传输接口。 s m - s c ：短消息中心；s m s g m s c ：短消息网关；s m s i i i s c ：短消息业务互通 设备；e i r ：设备标识数据库；v l r ：访问用户位置登记器；h l r ：原籍位置登记 器。 其中各部分网络接口含义为： r ：非i s d n 终端与移动终端之间的参考点。 g b ：提供s g s n 与b s s 之间的接口，传送小区管理和路由切换信息，并进行 m s 与s g s n 之间的数据传送。 g c ：g g s n 与h l r 之间的接口。 g d ：s m s - g m s c 之间的接口，s m s - i w m s c 与s g s n 之间的接口。 g i ：g p r s 与外部数据网络之间的接口点，它可以采用x 2 5 协议、x 7 5 协议 或工p 协议等接口方式。 g n ：同一g s m 网络中两个g s n 之间的接口。 g p ：不同g s m 网络中两个g s n 之间的接口。 g n 和g p 接口都采用基于i p 的g t p 协议规程，提供协议规程数据包在g s n 节点间通过g t p 隧道协议传送的机制。 1 0 嵌入式移动信息查询系统研究及应用第二章基于g p r s 的通信组网 g r ：指g p r s 系统中s g s n 与h l r 之间的接口，用于传送m s 的加密信息、鉴 权信息和用户数据库信息等。 g s ：s g s n 与m s c v l r 之间的接口。 g f ：s g s n 与e i r 之间的接口。 u m ：m s 与g p r s 固定网部分之问的无线接口。 除了这些接口和参考点之外，g p r s 还新增加了分组控制单元( p c u ，p a c k e t c o n t r o lu n i t ) 和g b 接口单元( g b i u ，g bi n t e r f a c eu n i t ) 。其中p c u 负责无线 信道的管理与分配及无线信道到逻辑信道的映射，它控制多个m s 共享同一无线 信道或一个m s 使用多个无线信道进行接入，并进行多个用户之间的碰撞控制。 g b i u 提供从b s s 到s g s n 的标准接口。可以和p c u 合并在同一个物理实体中。 2 3g p r s 组网方式 g p r s 的应用非常广泛，几乎所有行业都能用到g p r s 的无线数据传输。但每 种行业的实际需求和应用环境都大不相同，所以每种行业都会有自己独特的功能 要求和组网方式。目前几种比较可行的组网方式有以下几种1 ： 一、服务器端采用公网连接。即服务器端采用公网固定i p 或者公网动态i p + d n s 解析服务。采用这种方案，需先向运营商申请相应的宽带业务。有以下两 种方式实现： 1 、服务器端采用公网固定i p ：移动终端直接向服务器发起连接。这种方案 运行可靠稳定，是比较理想的方案。 2 、服务器端采用公网动态i p + d n s 解析服务：采用这种方案，需要先向d n s 服务商开通动态域名服务，移动终端先采用域名寻址方式连接d n s 服务器，再由 d n s 服务器找到中心公网动态i p ，建立连接。这种方式可以节约公网固定i p 的 费用，但其稳定性受制于d n s 服务器的稳定，所以要寻找可靠的d n s 服务商。这 种方案比较适合于小规模应用。 二、服务器端采用移动a p n 专网固定i p 。采用这种方案，需先向移动申请 a p n 专网业务。移动为用户分配专用的a p n ，这样，其他普通用户就不能申请该 a p n 。用于g p r s 专网的s i m 卡仅开通该专用a p n ，限制其使用其他a p n 。得到a p n 后，给所有移动终端及服务器分配移动内部固定i p 。这种方案无需d n s 解析， 本身具有移动内网固定i p ，减少中间环节，稳定性强，且所有数据都在移动g p r s 的a p n 内网传输，不经过公网，安全性增强。这种方案不需要负担宽带专线月租 费用，性价比合理。 三、服务器端采用a p n 专线，移动终端采用内网固定i p 。这种方案客户中 心通过一条2 m 的a p n 专线接入移动公司g p r s 网络，双方互联路由器之间采用私 有固定i p 地址进行广域连接，在g g s n 与移动公司互联路由器之间采用g r e 隧道。 河海人学t 学硕i j 学位论文 移动为用户分配专用的a p n ，其他普通用户不能申请该a p n 。用于g p r s 专网的 s i m 卡仅开通该专用a p n ，限制其使用其他a p n 。得到a p n 后，给移动终端及服 务器分配移动内部固定i p 。移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免 信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进 行i p 地址和端口过滤。此种方案无论实时性，安全性和稳定性都比前两种方案 有很大的提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用 环境。在资金允许的情况下是最理想的组网方式。 2 4 本系统的组网方式 根据各种组网方式的特点，本设计采用了上面介绍的第一种