（通信与信息系统专业论文）基于arm开发的无线远程监测系统.pdf

摘要 本文在对现有数据采集系统的分析和比较的基础上，设计并实现了一种基于 a r m 开发的无线数据监测系统，把发展比较完善的g s m 网络引入到数据采集系 统当中，利用g s m 网络的短消息业务来进行数据的远距离传输。本文首先论述 了无线监测系统的研究背景、研究现状及研究意义，接着对g s m 网络、短消息技 术和a r m 嵌入式技术等相关技术作以介绍，特别对短消息的工作原理、格式和 参数给出详尽的描述和说明，在此基础上结合无线监测系统的特点，提出了基于 a r m 开发的无线数据采集系统的实现方案。在设计中，将a r m 控制器和g s m 模块相结合，设计成一个智能短消息无线收发终端，用它把系统接入g s m 网络 完成无线数据传输，最后给出系统实现的硬件结构和软件流程。研制的终端系统 特点如下t 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 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。 3 可扩展性强。在硬件系统上预留了通过g s m 网络传送彩信的能力。 该监测系统通过信号采集技术把现场数据采集下来，在经过相关判别处理后， 形成特定的短消息数据包，将数据包利用a t 命令发送到远程的监测中心或者客 户端。在数据传送方式上能够支持自动定时发送和远端主机查询两种方式。该系 统具有覆盖面广、适应性强、用户投资小、运营费用少的优点，对于解决监测采 集点分散、分布面广、监测点移动、实时性要求不高的数据采集任务具有无可比 拟的优势。 关键词：g s m 短信$ 3 c 2 4 1 0p d u 模式a t 指令 a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ec o m m u n i c a t i o n sm e t h o da b o u td a t a c o i l e t i o ns v s t e m si ne x i s t e n c e ，t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w o r dap r o j e c t ，w h i c h i sa d e s i g no fw i r e l e s sd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m b a s e do ng s ms h o r tm e s s a g e g s mn e t w o r k i sa d o p t e dt ot h ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，w h i c hu s e st h eg s ms h o r tm e s s a g e t 0 c o m m u n i c a t ef o rl o n gd i s t a n c e f i r s t l y , 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 e p r e s e n ts i t u a t i o na n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h ，t h e np r e s e n t s t h es o l u t i o nt ot h e w i r e l e s sm o n i t o rs y 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 s c o m b i n e dw i t 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 e s i g nu s i n gt h ed e s i g nt h e o r yo fg s mn e t w o r k ，s h o r tm e s s a g e ，a n da r m e m b e d d e d s v s t e m , e s p e c i a l l yd e s c r i b e sa n de x p l a i n si n d e t a i lo ft h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs h o r t m e s s a g e ，f o 珊a ta n di t sp a r a m e t e r t h e np u t f o r w o r das y s t e md e s i g ns c h e m e i nw h i c h t h ew r i t e ri n t e g r a t e st h ea r m c o n t r o l l e ra n dt h eg s mm o d e m ，d e s i g n e da ni n t e l l i g e n t d e v i c e ，w h i c hc a nr e c e i v ea n ds e n ds h o r tm e s s a g e f i n a l l y t h ed i s s e r t a t i o np u t s f o r w o r dt h es v s t e mh a r d w a r ei m p l e m e n ts c h e m e a n ds o f t w a r ef l o wc h a r t t h e c 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 m a r ea sf o l l 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 n f o rd 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 l o n g d i s t a n c em o n i t o r i n ge t c 2 m u l t i p l i c i t yf o ri n p u ta n do u t p u t t h es y s t e m c a nb ei m p l e m e n t e dv i as o f 撕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 t r i a lf i e l dn e e d 3 p e f l e e t l ye x p a n s i l ep e r f o r m a n c e t h eh a r d w a r es y s t e ma d v a n c e dr e s e r v e r dt h e a b i l i t yo ft r a n s m i t t i n gm m s t h r o u g hg s m n e t w o r k u t i l i z i n gt h es i g n a lc o l l e c t i o nt e c h n o l o g y t h es y s t e mc o l l e c t e st h ed a t af r o m l o c a l e p a s st h r o u g ht h ec o r r e l a t i o nd i s t i n g u i s hm a n a g e ，t h e nf o r m sa s h o r tm e s s a g e d a t af r a m e ，w h i c hi ss e n t t or e m o t e m o n i t o rc e n t e r o rc l i e n ts e r v e rb ya to r d e r n r o u g hd e c o d i n ga n da n a l y z i n gt h ed a t af r a m e ，t h em o n i t o r c e n t e rc a ng e tt h el o c a l e d a t a t h ew i r e l e s sd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e ，w i d e l yc o v e r i n gb yn e t ， e x c e l l e n ta d a p t a b i l i t y , l o wi n v e s t m e n ta n dl o wm a n a g e m e n tc o s ta sw e l l t h i ss y s t e m h a sa d v e n t a g e sc o m p a r e dw i t ho t h e rs y s t e m st h a ts h o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t s a s d i s p e r s e dl o c a t i o n so fm o n i t o r i n gc o l l e c t i o n ，w i d ec o v e r i n g , n o n s t r i c td e m a n d f o r r e a l t i m e k e y w o r d ：g s ms m s $ 3 c 2 4 1 0 p d um o d ea tc o m m a n d 创新性声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：奎晕斗 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 坐上年嗍与丝l 同期尘孕止 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 作为一项技术的产生与发展，其目的无非是为了人类与自然界的发展，为了 人类短期的或长远的需求。毫不例外，远程监测技术的研究，也就是为人类与各 种设备之间相互传递信息，提供一种更加便捷有效的途径。现在看来无论国内还 是国外已经开始了对这项技术的研究，随着科技的发展，这一科学必将要引起人 们的注目。人机交互的过程实际上是信息通过不同的途径在人与机器之间的传递 过程。通常人机交互的过程多种多样，例如人们通过人体感觉系统，从计算机或 其它多媒体设备上获取信息，把它与人们当前的思考内容相结合，并分析得出结 论，再传递到计算机上，计算机通过一定的外设获取信息进行适当的操作。随着 计算机、通信、自动控制、微电子等技术的发展，大量智能控制芯片和智能传感 器的不断出现，并随着在传感器、通信和计算机领域所取得的巨大成就是人们对 系统的综合性能尤其是其安全性能提出了越来越高的要求：希望能对系统设备的 工作状况进行实时的检测和控制，并在此基础上实现设备的智能维护( s m a r t m a i n t e n a n c e ) n 1 。对企业自动化的设备而言，对其工作状况进行远程监测和控制， 不仅可以方便设备管理者随时了解设备的工作状态，设备出现异常时主动报警， 便于及时维修，而且还可以拓宽设备的服务范围，提高工作性能，延长使用寿命。 这一目标的实现对控制网络在开放性、互连性、分散性等方面提出了更高的要求。 近几年来，科学技术的发展突飞猛进，人们对外部客观世界的研究越来越深入， 对设备产品的要求越来越高。对设备的远程监测和控制逐步被提了出来，并且目 前国内外对此领域已经有一些研究。然而，真正考虑到我国现实情况并相应采取 适当技术进行开发还处于逐步发展之中。 随着移动通信的高速发展，用户对移动通信业务的需求也越来越高，用户已 不局限于进行基本的通话功能，更需要诸如呼叫转移、主叫号码识别、数据、传 真等业务。作为2 g 时代无线通讯的一个基本业务，短消息业务( s h o r tm e s s a g e s e r v i c e ，s m s ) 被开发出来此标准于上世纪8 0 年代提出，原本是在g s m 系统中最为 简单和方便的数据通信方式。谁也没有想到，短消息一经推出便取得了前所未有 的成功。经过几年来的推广和发展，短消息已经成为人们同常生活中沟通情感、 节同期间传递祝福的新工具，开通方便、收费低廉、内容丰富、应用广泛等特点 满足了人们爆炸性增长的信息需求，使人们可以以低廉的价格、便捷的方式随时 随地进行沟通和得到充满个性化的信息。短消息服务正从单纯数据增值服务演化 2 基于a r m 开发的无线远程监测系统 成一个全方位赢利的服务。无论是通信设备制造厂商、电信运营商或者一些专注 电信增值领域的应用服务提供商，都在积极的寻找合适的切入点，都希望把自己 的业务同短消息发生联系，以期带来滚滚商机。众多的公司都在短消息的基础上 进行开发应用，作为移动互联时代商务服务的尝试，本课题正是在此背景下进行 的相关研究。 1 2 论文研究意义及主要工作 在传统产业方面，随着现代信息技术的发展和知识经济时代的来临，人们越 来越意识到现代企业人力资源成本占运营成本的比重逐渐增大，传统产业中的许 多人员密集型的数据采集、有人值守工作将被现代化的电子信息监测系统所代替， 实现监测现场无人值守，监测中心集中监测、集中管理、集中维护的现代化监测 系统，通常监测系统中的现场与监测中心的数据传输网络可以由有线网络或无线 网络构成。在众多的控制领域中，远程监测己成为一种重要而且便利的控制技术。 如果利用现有的通用通讯技术和设备，无疑将大大提高遥控系统的便利性，并迅 速降低成本。由于现代网络技术的飞速发展，使得通过网络进行各种事物的操作 成为可能。国外在这方面的研究及推广已经证明了此项技术的可行性。 进入2 1 世纪后，移动通信技术以惊人的速度迅猛发展。无论是c o m a ，g s m ， 无论2 5 g 还是3 g ，移动通信的发展目标都是在更好的语音通信之外，向用户提 供更加丰富多彩的高速无线数据应用。移动通信技术的进步使得高速的无线数据 应用成为可能。可以预见，高速的无线数据应用的发展也将使新的移动通信技术 更具吸引力，基于无线数据应用的各项服务展现出其独特的魅力。短消息业务( s m s ) 作为g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b il ec o m m u n i c a ti o n ) 网络的一种基本业务，以 其连接简单、费用低廉、覆盖范围广、实现方便等优点得到越来越多的系统运营 商和系统开发商的重视，基于短消息业务的各种应用也蓬勃发展起来。短消息业 务与语音及传真是g s m 网络提供的主要电信业务，它通过无线控制信道进行传 输，经短消息中心完成存储和转发功能，每条短消息的信息量为1 4 0 b i t 。在短消 息的可靠传递基础上，g s m 专业调制解调器的出现给g s m 的发展注入了新的活力， 它改变了传统的以语音为主要的通信手段，使g s m 网络数据通信得到广泛的应用。 目前市场上提供的g s m 模块提供了r s 2 3 2 标准数据接口，采用a t 指令控制，符合 e t s i 标准g s m 0 7 0 7 和g s m 0 7 0 5 。基于这种技术，似g s m 网络作为无线传输平台可 以开发出多种应用领域。 课题设计并实现了一种基于a r m 开发的无线数据监测系统，把发展比较完善 的g s m 网络引入到数据采集系统当中，利用g s m 网络的短消息业务来进行数据的 远距离传输。 第一章绪论 3 本课题的提出和完成，不仅满足了社会上各种不同用户对远程无线监测系统 的迫切需要，促进了无线监测系统的发展，而且还在科研上提出一种设计思想。 采用第三方成熟的网络，结合嵌入式系统软硬件技术，实现相对实时数据的远程 无线通讯的工业监测系统，因此本课题不仅具有实践意义而且为未来无线监测系 统的开发提供了许多可借鉴的宝贵经验。 本课题的主要工作： 针对目前我国通信网络铺设的情况，给出了一种数据传输，无线远程监测的 解决方案； 提供系统数据采集电路，数据传输电路的硬件实现； 完成各部分控制程序的编写，通信协议的制定，以及数据管理的实现，实现 了整个系统在小范围内的成功运行； 实现一定范围内的无线远程监测。 1 3 监测系统发展状况 目前的远程监测系统的设计五花八门，距离从几米到几千千米几乎都能够实 现。这些系统一般包括以下几个部分，即特定信号的采集、记录、预处理、远传 和显示，每一个部分都有不同的实现方法。对于远程监测系统的设计，要综合考 虑很多重要的因素，其中以下五点因素起到至关重要的作用。 ( 1 ) 学习这个系统需要花费的时间； ( 2 ) 系统执行的速度； ( 3 ) 用户会出现错误数量以及错误的类型； ( 4 ) 用户对于这个系统所学到的操作知识能记忆长度； ( 5 ) 用户喜欢使用系统的这些不同的功能的程度，他们的主观感受。 然而，目前多数的设计还不能很好的考虑到用户的感受，而是单纯从科学研 究的角度出发一这些设计基本上满足了以下这样四点要求：第一点，操作人员可 以获得预期的执行效果；第二点，最少的技术要求，最短的训练时间；第三点， 系统具有预期的可靠性；第四点，在系统的设计中进行一些标准化设计乜】。 目前，人们研究的远程监测系统多种多样，还很难对这些系统进行严格的分 类。通常，人们会按照所使用的数据传输方式的不同，将远程监测系统分为以下 几类：基于r s 2 3 2 4 8 5 标准实现的近距离通讯、基于工业现场总线标准的中距离 通讯、基于工业以太网和i n t e r n e t 的远距离通讯、基于g s m 网络的远距离通讯。 一、基于r s 2 3 2 4 8 5 标准实现的近距离通讯 r s 2 3 2 4 8 5 这两种标准总线出现较早，技术成熟，应用也相当广泛。目前 r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s 2 3 2 被定义为一种 4基ta r m 开发的无线远程监测系统 在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。r s 2 3 2 采取不平衡传输方式，即 所谓单端通讯，收、发端的数据信号是相对于信号地口1 ，实现起来简单，只需要 三条线即可完成通信功能，其不足之处是带负载能力差，通讯范围小一只有十几 米，很难满足一般集散控制系统的需要。对于范围较小的数据传输可以说是一种 很好的实现方式。 r s 4 8 5 标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，接收器 的输入电阻不小于1 2k 欧；驱动器能输出- - 4 - _ 7 v 的共模电压；输入端的电容小于 5 0 p f ；在节点数为3 2 个，配置了1 2 0 欧的终端电阻的情况下，驱动器至少还能 输出电压1 5 v ( 终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关) ；接收器的输入灵敏度 为2 0 0 m v “】【5 1 。因为r s 4 8 5 的远距离( 3 0 0 0 米) 、多节点( 3 2 个) 以及传输线 成本低的特性，使得r s 4 8 5 成为工业应用中数据传输的首选标准。 二、基于工业现场总线标准的中距离通讯 目前出现了共有三十多种牌号的现场总线及其系统应用于各种领域。市场上 的现场总线应分为标准和非标准两种。标准现场总线是符合i e c ( 国际电工技术委 员会) 现场总线协议模型框架，具有近似标准数字信号制的现场总线产品，这些 主要有i e c 6 1 1 5 8 、f f ( 基金会现场总线) 、l o n w o r k s ，p r o t i b u s ，w o r l d f i p 现场总线 叩】【7 1 ，适用于过程控制、制造自动化和楼宇自动化等。非标准现场总线，其余的现 场总线都可看作是非标准现场总线，它们大多具有专用标准，适于专用领域，不 会向国际标准靠拢。 。 无论是标准还是非标准的现场总线，其技术特点基本相同。首先是现场总线 数据传输的及时性和系统响应的实时性。一般地讲，过程控制系统的响应时间要 求为0 0 1 , 4 ) 5 s ，制造自动化系统的响应时间是0 5 2 s ，i t 网络的响应时间为2 6 s ， 因此在r r 大部分使用中，实时性是可以忽略的。其次，现场总线强调在恶劣环境 下数据传送的完整性和可靠性。现场总线具有在粉尘、高温、潮湿、振动、酸( 碱) 腐蚀，特别是电磁和无线电干扰等的工业环境长时间、连续、可靠、完整传送数 据的能力，能够抗上业电网的浪涌、失波、跌落和尖峰干扰等。在可燃或易爆场 合，还要求现场总线具有本质安全性能、数字化、可互操作性、分散性、可靠性、 可维护性和经济性是工业现场总线注重的方面。这些特点使得工业现场总线的应 用基本集中在大型价值不菲的工业生产中，例如输电、铁路运输、地铁、化工、 空间技术、汽车制造等。 三、基于工业以太网平n i n t e m e t 的远距离通讯 随着以太网技术在i n t e r n e t 上的成功，它也逐步进入传统的工业控制领域。在 各种专用于工控的现场总线协议争夺市场的同时，己经有人预言以太网将是最后 的赢家。在各大公司纷纷推出其以太网计划后，这个进程被大大加快了。将以太 网技术应用到工业底层网络中有以下好处： 第一章绪论 5 ( 1 ) 其高速、大容量的特性适应不断增长的信息要求。 ( 2 ) 可以做到与上层信息管理层或决策层的无缝连接。 ( 3 ) 设备和软件成本大幅下降。 ( 4 ) 以太网技术相对普及，人才成本下降匝删。 四、基于g s m 网络的远距离通讯 如果采用有线的通讯方式，由于工业现场条件较差，铺设专线将使得工程周 期长而且投资昂贵，因而系统成本变得很高。而且对于移动目标的监测，根本无 法使用有线。在无线通信中一般可以选择超短波、微波和g s m 移动网等通信方式。 这些通信方式各有特点：超短波和微波通信是利用电磁波进行无线电通信。一般 子站和中心站通过一对调制解调器、无线电台和反馈系统建立通讯网络，可在自 报和应答方式下工作。其主要优点是子站选址方便，实时性好，在自报方式下可 随时上报数据，运行费用低( 频点使用费是固定的，与通信时间无关) ，主要缺点是 传输距离有限，并且遇到障碍物时信号的质量会衰减，除此之外它的频点资源也 有限，需要向无线通信委员会申请频点。 g s m ( 全球移动通信系统) ，于1 9 9 4 年被确定为我国选用的标准。它采用电路 交换数据( c s d ) 方式传送数据，由下述子系统构成：交换子系统( s s s ) 、基站 子系统( b s s ) 、移动台( m s ) 与操作维护子系统( o m s ) 。由于现在g s m 已得 到了广泛的应用，发展己比较成熟，为研究远程监测接口技术提供了基础。随着 g s m 技术的发展和g s m 网络的普及，g s m s m s 模块可广泛用于遥控、遥测、工业 数据采集系统、防盗报警、交通运输监测管理、广告信息发布等工业领域和智能 家庭仪器等民用产品n 叭，可以说只要g s m 网络能覆盖的地方都可以实现。 相比以上三类通信方式，利用通过g s m 短消息作为数据传输模式，不仅安装 简单而还大大节省了资源，同时这种系统传输数据的可靠性很高，不易受干扰， 信号的覆盖范围大，具有较好的通信质量。对于解决监测采集点分散、覆盖面广、 监测点移动、实时性要求不高的监测采集系统具有无可比拟的优势。目前这一方 向业已处于成熟阶段，但可以预见随着研究的深入，对于数据量不大的业务这种 实现方法将成为首选。 第二章相关技术概述 7 第二章相关技术概述 2 1g s m 系统的基本特点 g s m 数字蜂窝移动通信系统是完全依据欧洲通信标准化委员会( e t s i ) 帝j j 定 的g s m 技术规范研制而成的，任何一家厂商提供的g s m 设备必须符合g s m 技 术规范。g s m 系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统具有下列主要特 点。g s m 系统是由几个分系统组成的，明确和详细定义了标准化接口规范，保证 任何厂商提供的g s m 系统或子系统能互联t ( 1 ) 提供穿越国界的自动漫游功能； ( 2 ) 除了语音业务，还可以开放各种承载业务，补充业务和与i s d n 相关的 业务； ( 3 ) 具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高； ( 4 ) 加密和鉴权功能，确保用户保密和网络安全； ( 5 ) 抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高； ( 6 ) 用户终端设备( 手机、功能和智能化方向发展终端和g s m 模块) 可以向 更小型、多样化发展1 0 1 1 1 3 。 2 1 1g s m 系统结构和组成 g s m 数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和网络子 系统。基站子系统( 简称基站b s ) 由基站收发台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 组成；网络子系统由移动交换中心( m s c ) 和操作维护中心( o m c ) 以及原地位 置寄存器( h l r ) 、访问位置寄存器( v l r ) 、鉴权中心( a u c ) 和设备标志寄存 器( e i r ) 等组成。移动台( m s ) 即便携台( 手机) 或车载台。也可以配有终端 设备( t e ) 或终端适配器( t a ) 。移动台是物理设备，它还必须包含用户识别模 块( s i m ) ，s i m 卡和硬件设备一起组成移动台。没有s i m 卡，m s 是不能接入 g s m 网络的( 紧急业务除外) 。基站收发台( b t s ) 包括无线传输所需要的各种 硬件和软件，如发射机、接收机、支持各种小区结构( 如全向、扇形、星状和链 状) 所需要的天线，连接基站控制器的接口电路以及收发台本身所需要的检测和 控制装置等。基站控制器( b s c ) 是基站收发台和移动交换中心之间的连接点， 也为基站收发台和操作维修中心之间交换信息提供接口。一个基站控制器通常控 制几个基站收发台，其主要功能是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建 立和拆除，并为本控制区内移动台的过区切换进行控制等。移动交换中心( m s c ) 8基于a r m 开发的无线远程监测系统 是蜂窝通信网络，其主要功能是对位于本m s c 控制区域内的移动用户进行通信 控制和管理。 另外的一个重要构成就是移动台。移动台就是移动客户设备部分，它由两部 分组成，移动终端( m s ) 和客户识别卡( s i m ) 。最常见的移动终端就是“手机 ，它 可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调信息发射和接收。s i m 卡就是“身份卡，它类似于现在所用的l c 卡，因此也称作智能卡。存有认证客 户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法 客户进入网路。s i m 卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入s i m 后移 动终端才能接入进网。 2 1 2g s m 系统关键技术 一、时分多址技术( t d m a ) 多址技术就是要使众多的客户公用公共通信信道所采用的一种技术。实现多 址的方法基本上有三种，即采用频率、时间或码元分割的多址方式，人们通常称 它们为频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。在传统的无线电 广播中，均采用频分多址( f d m a ) 方式，每个广播信道都有一个频点，如果你要收 听某一广播信道，则必须把你的收音机调谐到这一频点上。模拟蜂窝移动系统也 采用了此技术，某- - , l , 区中的某一客户呼叫占用了一个频点，即一个信道( 实际上 是占用两个，在g s m 中，无线因为是双向连接即双工通信) ，则其它呼叫就不能再 占用。在g s m 中，无线路径上是采用时分多址( t d m a ) 方式。每一载频( t r x ) 上可分 成8 个时隙，每一时隙为一个信道。因此，一个t r x 最多可有8 个移动客户同时 使用，我们可用时间和频率图把隙缝化为一个小矩形，其长1 5 2 6 m s 即近似为 0 5 7 7 m s ，宽为2 0 0 k h z ，时间和频率域中的隙缝如图2 1 所示。 i 一一、 辽 _ ( 弋 l b 乒f 1 5 ，2 6 m 。 缝骧 时翘 图2 1 时间和频率域中的隙缝 类似的，我们可把g s m 所规定的2 0 0 k h z 带宽成为频隙( f r e q u e n c ys l o t ) ，相 ， 第二章相关技术概述 9 当于g s m 规范树种的无线频道( r a d i of r e q u e n c yc h a n n e l ) 也称射频信道。 二、g s m 系统话音编码技术 话音编码技术通常分为三类：波形编码、声源编码和混合编码，波形编码和声 源编码是两种传统的话音编码，混合编码是把波形编码的高质量和声码器的高效 压缩性融为一体的一种语音编码。尤其在1 6 ，- - 8 k b i t s 范围内可达到良好的话音 质量，比特率最终可降为4 k b i t s 。g s m 系统话音编码算法选用带长期预测的规则 脉冲激励线性预测编码( r p el t p ) ，属于混合编码。 三、g s m 系统调制技术 目前数字移动通信系统的调制技术，主要有两大类：第一类是连续相位调制技 术，其射频己调波信号具有恒定的包络，因此也称为恒包络调制技术：第二类为线 性调制技术，这类调制技术不适用于非线性移动无线信道。近年来由于放大器设 计技术的进展，实现了高效率而实用的线性放大器，才使得移动无线系统中有效 地使用线性调制方法成为可能。在众多的调制方法中，高斯滤波最小移频键控 ( g m s k ) 以其良好的性能而被g s m 数字移动通信系统所采用。 一 四、g s m 系统的主要业务 g s m 系统定义的所有业务是建立在综合业务数字网( i s d n ) 概念基础上的，并 考虑了移动特点作了修改。g s m 系统可提供的业务可分为两大类：基本通信业务和 补充业务。g s m 系统提供的电信业务共6 类1 2 种。其业务编号、名称、种类如表 2 1 所示。 表2 1g s m 系统提供的电信业务 分类号 电信业务类型 编号电信业务名称 1 语音传输 1 l 电话 1 2 紧急呼叫 2 短消息业务 2 l 点对点m s 终止的短消息业务 2 2 点对点m s 起始的短消息业务 2 3 小区广播短消息业务 3 m h s 接入 3 l 先进消息处理系统接入 4 可视图文接入 4 1 可视图文接入子集l 4 2 可视图文接入子集2 4 3 可视图文接入子集3 5 智能用户电报传递 5 1 智能h j 户电报 6 传真 6 1 交替的语音和三类传真透明 非透明 6 2 自动三类传真透明 其中短消息业务可分为包括移动台起始和移动台终止的点对点的短消息业务 和点对多点的小区广播短消息业务。 1 0基于a r m 开发的无线远程监测系统 2 1 3 短消息业务 系统中是利用g s m 系统的短消息业务来进行数据传送的，它是g s m 通信网所 特有的，不用拨号建立连接，直接把要发的信息加上目的地址，然后通过无线控 制信道发送到短消息服务中心，经短消息服务中心完成存储和转发，最后到达最 终信宿的一种数据业务。短消息的收发不影响通话，短消息业务可以使网络端知 道被叫方是否己经收到短消息，如果传送失败，被叫方没有回答确切消息，网络 一侧会保留所传的消息，一旦网络发现被叫方能被叫通时，消息能被重发以确保 被叫方能收到。短消息业务中心是在功能上与g s m 网完全分离的实体，不仅可服 务于g s m 客户，亦可服务于具备接收短消息业务功能的固定网客户，尤其是把短 消息业务与话音信箱业务相结合，更能经济地综合地发挥短消息业务的优势。根 据服务对象的不同，短消息业务可分为两大类，一类是服务于个体对象的点到点 短消息业务；另一类是服务于某一群体对象的小区广播短消息业务。点到点短消 息业务即通过m o ( 起始于移动台的短消息) 和m t ( 终止于移动台的短消息) 将一条 短消息从一个实体发送到另一个实体的业务。最大长度为1 4 0 个八位组，可以承 载1 6 0 个英文字符或7 0 个汉字。点对点短消息的发送或接收即可在m s 处于呼叫 状态( 话音或数据) 时进行，也可在空闲状态下进行。小区广播短消息业务即通过 基站( b s c ) 向指定区域中所有短消息用户发送短消息的业务，如道路交通信息、天 气预报等。移动台连续不断地监视广播消息，并在移动台上向客户显示广播短消 息。此种短消息也是在控制信道上发送，移动台只有在空闲状态时才可接收，其 最大长度为8 2 个八位组( 7 比特编码，9 2 个字符) 。 一、短消息业务的数据接口及控制协议 在g s m 系统中，短消息的收发是通过数据终端设备( d t e ) 和数据电路端接设备 ( d c e ) 之间的终端接口通信来实现的，该接口是一个符合c c i t tv 2 4 ( 与e i a r s - 2 3 2 - c 兼容) 异步串行接口，g s m 规范对通过该接口进行短消息传输定义了三种 控制协议，即二进制协议( 通常称块模式) 、基于字符的使用a t 命令接口协议( 文 本模式) 和基于字符的使用十六进制编码的二进制传输消息块接口协议( p d u 模 式) 。 在上面介绍的三种模式中，对短消息的各种处理始终处于移动终端的控制之 下，块模式是一种依赖于自身功能的自我包含模式。一旦进入块模式，该模式将 一直保持到执行退出命令为止。退出块模式后，控制将回到v 2 5 t e r 命令行状态 或在线命令行状态。文本模式和p d u 模式本身并不处于v 2 5 t e r 状态，而是分别 和v 2 5 t e r 的关系处于各自暂态。这两种暂态是由一些命令构成的简单命令集， 它们运行在v 2 5 t e r 命令行状态或在线命令行状态。每当执行文本模式和p d u 模 式命令时自动进入各自暂态，执行完后自动回到v 2 5 t e r 命令行状态或在线命令 第二章相关技术概述 行状态。在v 2 5 t e r 状态，移动台可以处理各种有关数据和传真的入局和出局呼 叫，这三种模式与v 2 5 t e r 状态的关系如图2 2 所示。 图2 2 三种模式与v 2 5 t e r 状态的关系图 块模式( b l o c km o d e ) ：块模式是用来封装g s m 3 4 q u 定义的s m sp d u 的二进制协 议。该协议包括差错检测，适合应用于手机间的链路受差错控制的情况，在设备 需要远程控制时特别适用。应用部分组合的二进制串应包含报头和短消息p d u 。当 应用被要求从手机到中心台时，可以使用块模式中的很多功能：发送短消息、删 除来自手机短消息、在手机上列出短消息、从电话到应用传送所有或一条短消息、 开启电话使得每次短消息到达时应用都可以被通知到。 文本模式( t e x tm o d e ) ：文本模式是基于字符的协议，该协议基于为g s m 修改 的a t 命令集。该模式适用于非智能终端和仿真器，以及构建于命令结构上的应用 软件。应用将消息按简单文本传递到手机组成t p d u 。这表示文本模式提供功能比 块模式和p d u 模式少。文本模式不支持或自动传送到达消息给应用，而仅仅是通知 消息到达。 p d u 模式( p d um o d e ) ：p d u 模式和文本模式很相似，区别只是它将组装短消息 p d u 的任务留给应用完成，该模式使a t 命令集能方便地组构更多复杂的p d u 。例如 既可以传递二进制数据又可以传送字符数据。 目前发送短消息常用的有t e x t 和p d u 模式。使用t e x t 模式收发短信代码简单， 实现起来十分容易，但是最大的缺点是不能收发中文短信，且通用性不高。而p d u 模式不仅支持中文短信，也能发送英文短信。基于这种a t 命令的应用程序非常适 合这种模式，本文正是采用这种模式，在后续内容中将对p d u 编码作详细的介绍。 二、a t 指令简介 g s m 弓 擎模块提供的命令接口符合g s m 0 7 0 5 和g s m 0 7 0 7 规范。g s m 0 7 0 7 中定义 的a tc o m m a n d 接口提供了一种移动平台与数据终端设备之间的通用接口，g s m 0 7 0 5 对短消息作了详细的规定。在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串 1 2基丁a r m 开发的无线远科监测系统 口发送指示消息，数据终端设备可以j 句g s m 模块发送各种命令。有关的g s ma t 指令 如表2 2 所示。 表2 2 与s m s 有关的g s ma t 指令 a t 指令功能 a t + c m g c s e n da ns m sc o m m a n d ( 发送一条短消息命令) a t + c m g dd e l e t es m sm e s s a g e ( 删除s i m 膏内存的短消息) a t + c m g fs e l e c ts m sm e s s a g e ( 选择短消息信息格式：o p d u ；1 - t e x t ) a t + c m g 乙l i s ts m sm e s s a g ef o r mp r e f e r r e ds t o r e ( 列出s i m 中的短消息信息格 式p d u t e x t ：o “r e cu n r e a d ”一未读，1 “r e cr e a d ”一已读，2 “s t o u n s e n t ”一待发，3 “s t os e n t ”一已发，4 “a l l ”一全部的) a t + c m g rr e a ds m sm e s s a g e ( 读短消息) a t + c m g ss e n ds m sm e s s a g e ( 发送短消息) a t + c m g ww r i t es m sm e s s a g et om e m o r y ( 向s i m 内存中写入待发的短消息) a t + c m s ss e n ds m sm e s s a g ef o r ms t o r a g e ( 向s i m 内存中发送短消息) a t + c n m in e ws m sm e s s a g ei n d i c a t i o n ( 显示新收剑的短消息) a t + c p m sp r e f e r r e ds m sm e s s a g ei n d i c a t i o n ( 选择短消息内存) a t + c s c as m ss e r v i c ec e n t e ra d d r e s s ( 短消息中心地址) a t + c s c bs e l e c tc e l1b r o a d c a s tm e s s a g em e s s a g e s ( 选择蜂窝广播消息) a t + c s m ps e t s m st e x tm o d ep a r a m e t e r s ( 设置短消息文本模式参数) a t + c s m ps e l e c tm e s s a g es e r v i c e ( 选择短消息服务) 2 2 1 嵌入式系统定义 2 2a r m 嵌入式技术 嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。7 0 年代单片机的出现，使得汽车、 家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品司以通过内嵌电子装置来获得更 佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的 应用特点，但是这时的应用只是使用8 位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈 不上“系统”的概念。 从8 0 年代早期丌始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统 编写 嵌入式应用软件，这使得可以获取更短的开发周期，更低的丌发资金和更高的开 发效率，“嵌入式系统 真正出现了。确切点说，这个时候的操作系统是一个实时 核，这个实时核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、 同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。其中比较著名的有r e a d ys y s t e m 公司的v r t x 、i n t e g r a t e ds y s t e mi n c o r p o r a t i o n ( i s i ) 的p s o s 和i m g 的v x w o r k s 、 q n x 公司的q n x 等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点：它们均采用 第二章相关技术概述 1 3 占先式的调度，响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，具 有可裁剪，可扩充和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时和可靠性， 适合嵌入式应用。这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员得 以从小范围的开发解放出来，同时也促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。 9 0 年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时核逐渐发 展为实时多任务操作系统( r t o