（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式系统的无线数据终端的研究.pdf

论文题目：基于嵌入式系统的无线数据终端的研究 专业：通信与信息系统 硕士生：韩冰( 签名) 薤如 指导教师：韩晓冰 ( 签名) 豸瑟鹋 孙弋 ( 签名) 幺_ 二盏： 摘要 嵌入式产品现已在i t 领域中占有很大的比重，本文应用嵌入式技术设计了用于工 业监控系统的无线数据传输模型及系统方案，该方案针对目前工业系统所使用的无线专 网传输系统存在建网投资大、维护困难等问题，采用公众移动通信g p r s 网络作为系统 传输平台，并描述了系统的组成、接入方式、工作方式，简要分析了其传输效率及稳定 性。 该系统方案由无线数据终端单元和数据业务中心两部分构成，文章重点研究和实现 了基于嵌入式系统的无线数据终端。提出了无线数据终端的数据传输模型及技术方案， 即应用嵌入式a r m 微处理器和嵌入式实时操作系统l a c o s i i 来设计实现无线数据终 端。在此基础上，搭建了以s 3 c 4 4 b o x 为控制核心的数据终端硬件平台，完成了 s 3 c 4 4 8 0 x 外围电路、存储器模块、g p r s 射频模块和输入输出模块的电路设计和硬件 实现。同时，在软件方面：根据系统需求设计了系统启动加载程序( b o o tl o a d e r ) ；完成 了嵌入式实时操作系统l i c o s i i 在s 3 c 4 4 b o x 上的移植；实现了轻型t c p i p 协议栈 ( l w l p ) 在c ，o s - i i 上的移植用以满足基于i p 的g p r s 数据传输要求；并开发了 g c o s - i i 操作系统之上的无线数据传输上层应用程序。最后在实验室环境下完成了该无 线数据终端的样机研制和基本功能测试，结果表明样机软硬件都能够满足系统需求。 关键词：g p r s ；嵌入式系统；g c o s i i ：s 3 c 4 4 b o x ：l w i p 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：w i r e l e s sd a t at e r m i n a lb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m s p e c i a l t y ：c o m m u n i e a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：h a n b i n g i n s t r u c t o r ：h a n x i a o b i n g s u n y i ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t 趟乳 笾丝攀呜 互丝工i t h ee m b e d d e dp r o d u c t i o nh a sa l r e a d ya p p l i e di ni tf i e l dw i d e l y t h ew i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o nm o d e la n ds y s t e m a t i c a ls c h e m ew e r ed e s i g n e db yt h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y w h i c hw a su s i n gi nt h ei n d u s t r i a lm o n i t o rs y s t e m t h es c h e m eu t i l i z e dt h ep u b l i cm o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kg p r sa st r a n s m i s s i o np l a t f o r mt os o l v et h ep r o b l e m si nt h ec u r r e n t i n d u s t r i a ls p e c i a lw i r e l e s st r a n s m i s s i o n s y s t e m s u c ha se x p e n s i v en e t w o r kc o n s t r u c t i o n ， m a i n t e n a n c ed i f f i c u l t i e sa n de t c t h e nd e s c r i b e dt h es y s t e m a t i c a lc o m p o n e n t s ，a c c e s sm e t h o d a n dw o r k i n gm o d e ，a n da n a l y z e dt h et r a n s m i s s i o np r o f i c i e n c ya n dt h es t a b i l i t ya b o u tt h e s y s t e mi nt h i st h e s i s t h i ss c h e m ew a sc o m p o s e do fw i r e l e s sd a t at e r m i n a lu n i ta n dd a t as e r v i c ec e n t e r t h e m a i np o i n to ft h i st h e s i si st h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fw i r e l e s sd a t at e r m i n a lw h i c hi s b a s e do nt h ee m b e d d e ds y s t e m p u to u tt h et r a n s m i s s i o nm o d e la n dt e c h n o l o g i c a ls c h e m e a b o u tw i r e l e s sd a t at e r m i n a l ，t h a ti s ，u t i l i z et h ee m b e d d e da r m m i c r o p r o c e s s o ra n dt h e e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mg c o s i it o a c c o m p l i s ht h et e r m i n a l b u i l dt h e h a r d w a r ep l a t f o r mw h i c hd o m i n a n tc o r ei ss 3 c 4 4 b o xa n da c c o m p l i s h e dt h er e a l i z a t i o n s a b o u ts 3 c 4 4 b o x s p e r i p h e r yc i r c u i t ，g p r sm o d e ，m e m o r ym o d ea n di om o d e a tt h es a m e t i m e ，i nt h es o f t w a r e ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h es y s t e m ，t h es t a r t u pl o a dp r o g r a m r b o o tl o a d e rw a sd e s i g n e da n dt h er e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mg c o s 1 1w a sp o r t e dt o s 3 c 4 4 b o x i no r d e rt om e e tt h eg p r sd a t at r a n s m i s s i o nr e q u i r e m e n t ，t h el i g h tw e i g h t t c p i p ( l w l p ) w a sp o r t e dt og c o s i is u c c e s s i v e l y a n dt h ea p p l i c a t i o np r o g r a mo f w i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o nw a sd e s i g n e da b o v eg c o s i io p e r a t i n gs y s t e m a tl a s t ，d e v e l o p e dad e m o o fd a t at e r m i n a la n dt e s t e dt h eb a s i cf u n c t i o nw h i c hi n d i c a t e dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e c o u l dw o r kp r o p e r l yi nl a b k e yw o r d s ：g p r s e m b e d d e ds y s t e m g c o s i i s 3 c 4 4 b o xl w l p t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 西妻错技大季 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：算卜啦日期：了”诤7 扩 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：耸扣 枉 指删雠：磊矾 p 6 年月，p 日 1 绪论 1 - 1 研究无线数据传输的意义 1 绪论 随着我们国家社会、经济的飞速发展，对远程监控系统的要求骤然增加，因此，远 程监控系统在很多行业和领域都得到广泛应用，包括供水、供电、供气、供热、石油、 铁路、环保、矿山、交通、工厂等领域。这些领域中大多设备投资高、对运行环境要求 严格。目前，这些领域中大多采用有线数据传输来实现远程监控，但由于环境等因素的 影响，无线数据传输逐渐占据重要地位，尤其在一些特殊的环境中无线数据传输甚至成 为唯一的通信方式。如对于火山、断层等特殊地形、地貌的地震测试点的资料上传等， 这成为无线监控系统独特的应用领域。目前无线数据传输已经广泛的应用于车辆状态远 程监控；煤气天然气，电力等能源设备及网络的远程监控；压力，温度，流量等远程监 控等对人体有害的环境的远程监控中，无线数据传输成为了远程监控领域中数据传输方 式的一个发展方向。 1 2 工业系统无线传输方式对比 数据通信以传输模式分类 1 , 2 1 ，可分为有线和无线。有线通信以其简洁的实现方式、 极高的可靠性和巨大的容量得到了广泛的应用。随着通信距离的增加，无论自己架线还 是租用电信专线，有线通信安装不易、使用不灵活、设备和运行费用急剧上升等缺点显 露无遗，在远距离、架设线路不方便的情况下使用无线方式实现数据传输成为较好的选 择。 无线数据传输方式可简单地分为两类：一种是由企业自己利用无线传输技术组建的 无线数据专网方式；另一种则是借用公共移动通信网络来传输企业数据信息的公网传输 方式。 专网设备包括主站和分站电台，占用一个专用频点。目前数据通信电台应用较多的 是数传电台。数传电台阶】的使用从最早的按键电码、电报到模拟电台加无线m o d e m ， 发展到目前数字电台和d s p 、软件无线电，传输信号从代码、低速数据( 3 0 0 1 2 0 0 b p s ) 到高速数据( n x 6 4 k ) ，可以传输包括遥控遥测数据、数字化语音、动态图像等业务。根 据国家无线电管理委员会频率规划，将2 2 3 2 3 5 m h z 作为遥测、遥控、数据传输等业 务使用的频段，其他业务不得对其产生有害干扰。数传电台组成的数据传输网络独占一 个频率资源，在同一频点上同时只能有一个设备发送数据。数传电台建设受城市建设影 响极大，建成的数传网络很可能受城市中新增的高楼大厦对电波的反射、折射影响：自 建电台数据传输网络必须针对城市建设中变化的情况不断调整网络，包括移动天线的位 西安科技大学硕士学位论文 置、增加天线的高度等，必要时可能还要按无线电管理机构的要求调整频率。这些开支 在后期运行成本中占很大的份额，且不知道还会有哪些工作及开支。因而专网传输存在 着建网投资大、维护困难等共同的缺点，限制了其发展。 基于现有无线网络实现传输点移动的数据远距离传输，就是利用移动运营商已经建 立好的覆盖全国的无线网络，实现移动点对移动点、移动点对固定点的数据传输。这种 传输方式具有方便、灵活、稳定、传输距离远、不受地点限制、价格适中等优势。移动 通信网络已经组成了覆盖全国的数据网络，在无线监控领域采用终端+ 网络接入的方式 组网，这种方式组成数据传输网络极其方便，只要附近有移动通信网络基站，就可架设 数据终端，无通信距离的限制。并且移动通信网络是公众生活中的一个重要通信网络， 其工作频率也受到无线电管理委员会的重点保护，频率受干扰的机会非常少。其网络采 用蜂窝网络结构，高大建筑对网络无线信号的影响只局限在小块区域，而且移动运营商 有专门的网络优化部门，根据网络上的流量、通信故障等情况及时调整网络，用户不必 关心网络的调整。 公网无线传输的数据传输通常有四种方式： 一种是基于短消息的数据传输，组网使用方便，但实时性较差，数据容量较低( 1 6 0 字节) 。短消息数据传输方式适合小数据量，中低采集频率的无线采集系统使用。 第二种是基于d a t a 方式( 一种以电路交换为基础的传输方式) 的数据传输，特点 是传输安全、实时性好、数据传输量大，适合于可靠、少次、海量数据传输。 第三种是通过语音方式进行数据传输，该方案主要的优点是可以用来传输音频模拟 数据，实时性很好( 电路交换方式) ，但由于g s m 系统的语音编码方式的局限，对数据 的压缩还原会造成数据的失真。该方案基本不被采用。 最后就是通过i p ( i n t e r n e tp r o t o c o l ，因特网协议) 方式的数据传输( 基于i p 的数据 传输方式在g s m 网络中是由g p r s 来实现的) 。基于i p 的数据传输方式是g p r s 系统 独有的，因为g p r s 是在g s m 网络基础之上新增两个节点( s g s n 和g g s n ) 而形成 的移动分组数据网络。由于g p r s 数据传输的基础是t c p i p 协议，因此基于m 的数据 传输方式的最核心内容是t c p i p 协议的转换。 g p r s 传输数据优势口- 6 1 ： 安装调试方便。g s m 网络是中国移动公司建设的公用网络信息平台，网络信号 稳定可靠，不必考虑传输线路、信号强度、加装中继站等问题。资源利用率高。g p r s 引入了分组交换的传输模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多 个用户可高效率地共享同一无线信道，提高资源的利用率。传输速率高。g p r s 可提 供高达1 1 5 k b s 的传输速率( 最高值为1 7 1 2 k b s ) 。接入时间短。分组交换接入时间 缩短为少于1 s ，能提供快速即时的连接，可大幅度提高一些事务( 如信用卡核对、远程 监控等) 的效率。可扩充性好。由于使用了公用网络信息平台，网络覆盖面广，在覆 1 绪论 盖区域内建立管网监控点不用考虑网络的问题，在需要的地方都可以建立，而且通讯成 本都是一样的。无网络维护。通讯质量可靠，覆盖面积大，网络的速率高。 根据目前大部分工业系统的需求并综合以上方案的优缺点，本文选择g p r s 网络作 为无线数据传输平台，来实现一般的无线工业监控传输系统。 1 3 无线数据传输终端的开发平台 继桌面计算机之后，最重要的i t 技术产业莫过于嵌入式系统了。自1 9 4 6 年电子计 算机诞生以来，在相当长的一个时期里，计算机始终是一种供养在技术要求极高、价格 极其昂贵的特殊机房中实现数值计算的大型设备。直到2 0 世纪7 0 年代，由于微处理器 的出现，才使计算机的应用出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机，以 其小型、廉价、高可靠性及具有高速数值解算能力的特点，迅速引起了自动控制领域专 业人员的极大兴趣和关注。因为把微型机嵌入到一个对象体系( 如汽车、火箭等) 中， 可以很方便地实现这个对象体系的智能化控制，这种用途的计算机系统在一定程度上改 变了通用计算机系统的形态与通用计算机系统的功能。为了区别于原有的通用计算机系 统，人们把嵌入到对象体系智能化控制的计算机系统称作嵌入式计算机系统，即嵌入式 系统。 目前，嵌入式系统的应用技术已成为通信和消费类产品的共同发展方向。通用计算 机系统的技术要求是高速、海量的数值计算，技术发展方向是总线速度的无限提升、存 储容量的无限扩大等；而嵌入式系统的技术要求则是对象的智能化控制能力，技术发展 方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性等。 从以上嵌入式系统的简单描述以及其与通用计算机系统的比较上可以看出嵌入式 系统是为各工业应用系统量身定做的，不具备通用性，但却具有很强的针对性，就本系 统数据传输终端的设计与实现的具体应用而言，它是一个针对无线数据传输系统中的一 个部分，即它是嵌入到无线数据传输系统中应用的一个专用计算机系统，完全符合嵌入 式计算机系统的特点，因而该数据传输终端的实现是以嵌入式系统的概念为平台来进行 研究和实现的。 1 4 论文的技术路线 根据以上的论述，本文选用g p r s 网络作为无线数据传输平台并以嵌入式系统为无 线数据传输终端的实现平台。因而本课题所采用的技术路线是：在嵌入式系统概念的平 台下，以3 2 位a r m 微处理器s 3 c 4 4 b o x 为控制核心，研究实现了个基于嵌入式实 时操作系统g c o s i i 的无线数据传输终端系统。 本文的技术路线具体如下： ( 1 )根据大多数工业无线数据传输的需求，设计基于g p r s 网络的无线数据传输模型 西安科技大学硕士学位论文 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 及技术方案。 在对嵌入式系统做较为详细的研究后，根据一般工业监控系统的需求提出无线数 据终端单元的传输模型及技术方案，即应用嵌入式a r m 微处理器和嵌入式实时 操作系统p c o s i i 设计实现无线数据终端系统。 在方案确定之后开始设计系统的硬件平台，根据需求硬件平台分为c p u 模块、 无线射频模块、存储器模块和输入输出接口模块几个部分。 在搭建系统硬件平台的同时，要设计软件平台及应用程序。在软件部分要完成的 工作有：设计启动加载程序；研究嵌入式实时操作系统g c o s i i 的工作机制并 将其移植到微控制器s 3 c 4 4 b o x 上；为了使g p r s 能够正常工作，还需要在 s 3 c 4 4 b o x 上实现简化版t c p i p 协议栈l w i p 的移植；最后在搭建好的软件平台 上实现系统的上层应用程序。 最后将软件放在搭建好的硬件平台上运行，完成实验室环境下的样机研制并验证 其功能。 4 1 绪论 1 - 1 研究无线数据传输的意义 1 绪论 随着我们国家社会、经济的飞速发展，对远程监控系统的要求骤然增加，因此，远 程监控系统在很多行业和领域都得到广泛应用，包括供水、供电、供气、供热、石油、 铁路、环保、矿山、交通、工厂等领域。这些领域中大多设备投资高、对运行环境要求 严格。目前，这些领域中大多采用有线数据传输来实现远程监控，但由于环境等因素的 影响，无线数据传输逐渐占据重要地位，尤其在一些特殊的环境中无线数据传输甚至成 为唯一的通信方式。如对于火山、断层等特殊地形、地貌的地震测试点的资料上传等， 这成为无线监控系统独特的应用领域。目前无线数据传输已经广泛的应用于车辆状态远 程监控；煤气天然气，电力等能源设备及网络的远程监控；压力，温度，流量等远程监 控等对人体有害的环境的远程监控中，无线数据传输成为了远程监控领域中数据传输方 式的一个发展方向。 1 2 工业系统无线传输方式对比 数据通信以传输模式分类 1 , 2 1 ，可分为有线和无线。有线通信以其简洁的实现方式、 极高的可靠性和巨大的容量得到了广泛的应用。随着通信距离的增加，无论自己架线还 是租用电信专线，有线通信安装不易、使用不灵活、设备和运行费用急剧上升等缺点显 露无遗，在远距离、架设线路不方便的情况下使用无线方式实现数据传输成为较好的选 择。 无线数据传输方式可简单地分为两类：一种是由企业自己利用无线传输技术组建的 无线数据专网方式；另一种则是借用公共移动通信网络来传输企业数据信息的公网传输 方式。 专网设备包括主站和分站电台，占用一个专用频点。目前数据通信电台应用较多的 是数传电台。数传电台阶】的使用从最早的按键电码、电报到模拟电台加无线m o d e m ， 发展到目前数字电台和d s p 、软件无线电，传输信号从代码、低速数据( 3 0 0 1 2 0 0 b p s ) 到高速数据( n x 6 4 k ) ，可以传输包括遥控遥测数据、数字化语音、动态图像等业务。根 据国家无线电管理委员会频率规划，将2 2 3 2 3 5 m h z 作为遥测、遥控、数据传输等业 务使用的频段，其他业务不得对其产生有害干扰。数传电台组成的数据传输网络独占一 个频率资源，在同一频点上同时只能有一个设备发送数据。数传电台建设受城市建设影 响极大，建成的数传网络很可能受城市中新增的高楼大厦对电波的反射、折射影响：自 建电台数据传输网络必须针对城市建设中变化的情况不断调整网络，包括移动天线的位 1 绪论 盖区域内建立管网监控点不用考虑网络的问题，在需要的地方都可以建立，而且通讯成 本都是一样的。无网络维护。通讯质量可靠，覆盖面积大，网络的速率高。 根据目前大部分工业系统的需求并综合以上方案的优缺点，本文选择g p r s 网络作 为无线数据传输平台，来实现一般的无线工业监控传输系统。 1 3 无线数据传输终端的开发平台 继桌面计算机之后，最重要的i t 技术产业莫过于嵌入式系统了。自1 9 4 6 年电子计 算机诞生以来，在相当长的一个时期里，计算机始终是一种供养在技术要求极高、价格 极其昂贵的特殊机房中实现数值计算的大型设备。直到2 0 世纪7 0 年代，由于微处理器 的出现，才使计算机的应用出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机，以 其小型、廉价、高可靠性及具有高速数值解算能力的特点，迅速引起了自动控制领域专 业人员的极大兴趣和关注。因为把微型机嵌入到一个对象体系( 如汽车、火箭等) 中， 可以很方便地实现这个对象体系的智能化控制，这种用途的计算机系统在一定程度上改 变了通用计算机系统的形态与通用计算机系统的功能。为了区别于原有的通用计算机系 统，人们把嵌入到对象体系智能化控制的计算机系统称作嵌入式计算机系统，即嵌入式 系统。 目前，嵌入式系统的应用技术已成为通信和消费类产品的共同发展方向。通用计算 机系统的技术要求是高速、海量的数值计算，技术发展方向是总线速度的无限提升、存 储容量的无限扩大等；而嵌入式系统的技术要求则是对象的智能化控制能力，技术发展 方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性等。 从以上嵌入式系统的简单描述以及其与通用计算机系统的比较上可以看出嵌入式 系统是为各工业应用系统量身定做的，不具备通用性，但却具有很强的针对性，就本系 统数据传输终端的设计与实现的具体应用而言，它是一个针对无线数据传输系统中的一 个部分，即它是嵌入到无线数据传输系统中应用的一个专用计算机系统，完全符合嵌入 式计算机系统的特点，因而该数据传输终端的实现是以嵌入式系统的概念为平台来进行 研究和实现的。 1 4 论文的技术路线 根据以上的论述，本文选用g p r s 网络作为无线数据传输平台并以嵌入式系统为无 线数据传输终端的实现平台。因而本课题所采用的技术路线是：在嵌入式系统概念的平 台下，以3 2 位a r m 微处理器s 3 c 4 4 b o x 为控制核心，研究实现了个基于嵌入式实 时操作系统g c o s i i 的无线数据传输终端系统。 本文的技术路线具体如下： ( 1 )根据大多数工业无线数据传输的需求，设计基于g p r s 网络的无线数据传输模型 2 基于g p r s 网络的无线数据传输模型及技术方案 2 基于g p r s 网络的无线数据传输模型及技术方案 2 1 概述 g p r s 是通用分组无线业务口 6 】( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是在现 有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务。g p r s 采用与g s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，简称g s m ，全球移动通信系统) 同样的无线调制标准、频带、 突发结构、跳频规则以及同样的t d m a 帧结构，因此在现有的基站子系统( b a s es t a t i o n s y s t e m ，b s s ) 增加功能插板和升级相关软件就可提供全面的g p r s 覆盖。 g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换 模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断 的、突发性的和频繁的、点多分散、中小流量的数据传输。 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，g p r s 理论带宽可达1 7 1 2 k b p s ，实际应用带宽 大约在2 0 4 0 k b p s 。使用g p r s 技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量 计费，迅速降低了服务成本。 本文中的无线数据传输系统正是利用g p r s 网络的优势，以中国移动的g p r s 网络为 平台，通过数据终端单元( d a t at e r m i n a lu n i t ，d t u ) 和数据业务中a l , ( d a t as e r v i c ec e n t e r ， d s c ) ，为行业用户( 如电力、石油、环保等) 提供机器到机器( m a c h i n et om a c h i n e ， m 2 m ) 无线数据传输。 2 2 基于g p r s 无线数据传输系统模型 本文阻g p r s 网络作为无线数据传输平台，将数据终端单元和数据业务中心作为 终端设备接入到g p r s 网络平台中来实现最终用户数据的透明传输，其模型如图2 1 所 示。 厂、 ”无线8 图2 1 基于g p r s 无线数据传输系统模型 远端数据终端接入到g p r s 网络中后通过g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ， g p r s 支持节点网关) 接入i n t e m e t 中，并和已接入到i n t e m e t 中的数据中心进行用户数 西安科技大学硕士学位论文 据的透明传输。在该模型中，远端数据终端包括了用户设备和数据终端单元两部分，而 数据中心则包含了数据中心服务器和数据库。 2 3 基于g p r s 无线数据传输系统技术方案 2 3 1 基于g p r s 无线数据传输系统构成 该系统为用户提供永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络。主要针对电 力系统自动化、工业监控、水文、气象、环境保护、交通管理、金融、证券等部门的应 用，利用g p r s 网络平台实现数据信息的透明传输，同时考虑到各应用部门组网方面的 需要，在网络结构上实现虚拟数据专用网。该无线数据通信系统包括： g p r sd t u ：远端站用户数据接口与传输装置，使用串口与用户设备( 工业监控、 交通管理、气象水文站等终端设备) 以r s 一2 3 2 方式连接； 数据业务中心：在中心对多点的应用模式情况下，远端站g p r sd t u 的数据通过 g p r s 网络发往指定数据中心，数据中心在收到d t u 的数据后，进行协议转换还 原用户数据，同时对d t u 进行管理，数据中心可从g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t n o d e ，g p r s 支持节点网关) 或i n t e m e t 接入。 基于g p r s 网络平台的无线数据通信系统可以有点对点、外围设备问、外围设备与 中心节点之间的通信方式，适用于信息互传、远程数据采集等行业应用。在实际的应用 中绝大多数为中心节点对外围设备多点的通信方式。 下面是基于g p r s 无线数据传输系统中几种典型的组网结构。 ( 1 ) 点一点数据传输( 如图2 2 ( a ) ) ：满足两点之间数据传输要求。 ( 2 ) 中心一多点数据传输( 如图2 2 ( b ) ) ：满足中心对多点的数据传输。 ( 3 ) 多点网络传输( 如图2 2 ( c ) ) ：满足多点之间的数据传输( 图中a p p 为应用业务) 。 因为在实际应用中点对点的工业监控网络比较少，大多都采用中心对多点或者多点 网络传输，但考虑到多点网络的组网复杂性及验证的难度，本论文系统采用中心对多点 数据传输模式。对于中心对多点的典型应用如图2 3 所示。 一月n t + 丘月n 务t 一卜朝塥* t & ( 庄月m * & * _ 卜控目& * ) # 拥传毁# ( 月n & # _ 卜控目& ( a ) 点一点数据传输模型( b ) 中心一多点数据传输模型 6 2 基于g p r s 网络的无线数据传输模型及技术方案 叵悃、 ，。 应用业务i t 据 1 卜穆动舟传输戤据( 应用业务数据+ 控制数据) ( c ) 多点网络传输模型 图2 2 基于g p r s 无线数据传输系统中几种典型的组网结构 图2 3 中：g p r s 终端与数据中心之间提供透明数据通道，与用户设备之间的接口为 r s 2 3 2 标准的串口，对于电力系统用户来说，用户设备可以是电力系统自动化设备的 r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ，远端终端单元) 或智能电表，对于水利系统用户来说，用 户设备是水文测量仪表等。 图2 3 中心对多点的典型应用 用户数据中心是中心站主要设备，对d t u 进行管理和协议转换，考虑到应用的具体 情况，通常用户数据中心提供a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，应用程序接1 2 1 ) ， 以便与用户的中心站软件( 如电力自动化监控中心站软件) 进行无缝集成。 在安全方面，用户数据中心可集成安全认证服务器和防火墙系统。 2 3 2 终端设备接入网络的方式 ( 1 ) d t u 接入g p r s 网络的方式 针对行业应用的具体要求和特点，g p r sd t u 通常不能借助p c 机的软硬件资源作为 后台支持。因此，d t u 必须内置相关处理协议栈，以完成用户设备的接口协议转换，同 时必须具备异常和冗错处理的功能。由于g p r sd t u 必须经过g s m 和g p r s 网络的相关 认证，d t u 内部需要插入与普通手机用户类似的s i m ( s u b s c r i b e ri d e n t i f ym o d d e ，用户 譬l 譬 西安科技大学硕士学位论文 标识模块) 卡。 目前，中国移动g p r s 网络用户可以选择c m n e t ( c h i n am o b i l ei n t e m e t 的简称) 和 a p n ( a c c e s sp o i n tn a m e ) 两个网络接入，c m n e t 通常用于公众用户接入h t e m e t ，a p n 针对相关行业用户使用。a p n 是在g p r s 网里单独划分出的一条专线，需要客户单独申 请，a p n 用户通常在一个组内，需要设定用户名和密码，具有更好的安全性，适用于行 业用户，此外，a p n 用户可以申请绑定移动内网的固定i p 地址。但a p n 需要向中国移动 申请，而本系统只是在实验室环境下实现，因而本系统中d t u 选择c m n e t 接入i n t e r n e t 与数据中心进行数据交互。 ( 2 ) 数据中心的接入方式 数据中心的接入有多种方式【2 】，通常有下列方案适合各种不同要求的应用形式( 如 图2 4 ) 。方案的选择主要由业务数据量、时延、可靠性要求、数据保密性、网络状况决 定。 i ! 竺l l ! 坚i 图2 4 数据中心的接入方式 方案一( g p r s 接入) 特点：此种方案适用于没有接入i n t e m e t 、而且对安全要求高 的企业；适合总数据带宽需求不太大的应用；全部数据在g p r s 网内运行：要求所有g p r s 终端之间可以直接通讯，所有终端接入到同一个专有a p n ：数据中心的g p r s 数据终端 接入点邦定固定i p 地址( 即至少提供一个邦定移动内网固定m 地址的s i m 卡) 。 方案二( i n t e m e t 接入方式) 特点：企业已有稳定的、永久的连接至u i n t e m e t 的接入； g r e ( g e n e r i cr o m i n ge n c a p s u l a t i o n ，通用路由封装协议) 隧道与r a d i u s ( r e m o t e a u t h e n t i c a t i o nd i a li nu s e rs e r v i c e ，远程授权拨入用户服务) 用户可选；g r e 两端地址、 r a d i u ss e r v e r ( r a d i u s 服务器) 地址和企业路由器端口地址都必须是公有的。考虑 至i j i p 地址广播，企业端的路由器端口地址，g r e 隧道端地址，r a d i u ss e r v e r 地址应由 为该企业提供i n t e m e t 连接的i s p ( i n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r ，互联网业务提供商) 提供； 2 基于g p r s 网络的无线数据传输模型及技术方案 不存在跨区域的问题，企业数据中心服务器与中国移动g g s n 服务器不必在同一城市。 方案三( 专线接入) 特点：此种方案适于企业没有接入i n t e m e t 或企业对安全方面考 虑较高。适合电力、金融、证券、工业监控等行业使用；企业通过专线接入中国移动的 路由器，移动为用户提供公有或移动私有口地址。数据安全稳定可靠，传输延迟小。 方案四( 直接接入) 特点：此种方案适用于没有接入i n t e m e t 、而且对安全要求极高 的企业。适合电力、金融、证券等行业使用：企业在运营商一端放置g r e 路由器，路由 器不经过g p r s 防火墙直接接入g p r s 内部网络：此方案对g p r s 网络构成一定程度安全 威胁。 在本论文的无线数据通信系统中，d t u 采用c m n e t 接入，而数据中心的接入采用 方案二i n t e m e t 接入方式。 2 3 3 基于g p r s 无线数据传输系统的工作方式 从系统的工作方式上来讲，一般的采用中心对多点的无线数据传输系统有以下几种 工作方式。 永远在线模式：保持d t u 与数据中心永久连接。工作过程为：d t u 开机时自动连接 g p r s 网络，根据数据业务中心( d s c ) 的i p 地址自动连接数据中心，并保持和维护链 路的连接。 定时传输模式：由d t u 向中心定时发送数据。工作过程为：根据事先设置的发送数 据间隔向数据业务中心( d s c ) 发送数据和接收数据，数据收发完毕后，自动断线。 中心呼叫模式：由数据中心发起数据传输请求，d t u 应答并发送，接收数据。工作 过程为：当中心需要收集或发送给d t u 端数据时，数据中心发出呼叫指令，d t u 立即连 接g p r s 网络并登录数据业务中心( d s c ) ，按照中心的指令传输数据。 数据触发模式：当有用户数据传输时，由d t u 发起连接。工作过程为：当有用户数 据传输时，d t u 连接g p r s 网络并登录数据业务中心( d s c ) ，传输数据。 节电模式：无数据传输时关闭无线传输部分，系统进入休眠状态。 在上述的工作方式中，定时传输模式只是定时发送数据，适合于周期性的业务，但 对于非周期业务并不适用；中心呼叫模式则无法满足d t u 的主动数据传输；而数据触发 模式是由d t u 发起连接，因而对中心呼叫无法响应；节电模式则不适合数据传输频繁的 业务。 为了满足大多数业务的需求本系统的工作方式选择使用永远在线模式，要保证d t u 真正的“永远在线”，d t u 要保持和维护链路的连接。在本文中d t u 采用定时发送无实 际意义的“心跳”信息来保持和维护g p r s 连接的正常运行。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 3 4 基于g p r s 无线传输系统的传输效率与稳定性 ( 1 ) 数据链路传输方式 经中国移动的g p r s 网络实际测试，网络的数据传输质量和稳定性较好，同时考虑 到数据传输的冗余性和效率问题，采用u d p ( u s e r d a t a g r a m p r o t o c o l ，用户自带寻址信 息协议) 方式传输业务数据，对于无冗错处理的文件数据传输采用t c p ( t r a n s m i s s i o n c o n t r o lp r o t o c a l ，传输控制协议) 方式。 ( 2 ) 传输效率 用户数据传输效率( 用户数据占网络层总数据的比例) ： d t u 支持不同组网方式，对不同的数据包长度有不同的传输效率【7 】。下面假设在 d t u 当前最长所能支持的最大用户数据包长的情况下，b p l 0 2 4 字节包长。 仅支持d t u 主动发起到数据中心的数据传输：最大传输效率( w ) - - 9 7 3 支持双向主动互传：最大传输效率( w ) - - 9 5 9 传输时延( 从发送到接收数据之间的时间) ： 不同的数据包长度，传输的时延不同【7 1 。根据目前移动的网络状况，一般一个包长 为1 0 0 至l j 2 0 0 字节之间的数据包可以在1 秒内互传完毕；大于2 0 0 字节的数据包平均在1 秒 n 3 秒之间可以互传完毕。 ( 3 ) 稳定性 有效性：发送成功数据占总发送数据比例。 根据目前在北京移动g p r s 网络测试的结果来看，在网络正常的情况下，一般数据 包的成功率都在9 9 9 以上。 稳定性综合参数：有效性传输效率 网络有效带宽和最大传输单元( m t u ) 之间存在着极其重要的关系，一般m t u 增 大n 2 0 0 字节以上不会明显增加带宽，但会增大平均延迟，m t u 的最优大小是2 5 0 字节左 右。 断线自动连接与切换 d t u 设备具有自诊断、自恢复，自动检测网络连接状况并自动连接。但由于各种原 因，基于g p r s 的无线数据网络提供的服务可能会发生中断，并在短时间内无法恢复， 不能保证1 0 0 的“永远在线”。因此，对于很多行业应用层而言仍然不具足够的可靠 性，在此无线终端选用s m s 短信方式作为辅助承载方式，并可以根据当前的网络状况进 行切换。 终端为保证能够“永远在线”，在没有数据发送时定时向网络发送无意义的数 据用来保持连接，并称该数据为心跳数据。 终端发现网络服务出现故障，在按照故障的自恢复过程进行自动恢复失败后， 2 基于g p r s 网络的无线数据传输模型及技术方案 启动功能切换，将网络从主要承载方式切换到辅助承载方式； 当终端工作在辅助承载方式的同时，对主要承载方式的网络服务进行监测； 当终端发现主要承载方式的网络服务可靠时，切换回主承载方式。 链路检测与激活 设置心跳功能，以确保电路永远在线并激活，心跳间隔根据网络质量和应用要求进 行设置。 2 4 基于嵌入式系统的无线数据传输模型 本文重点完成d t u 部分的设计与实现。g p r sd t u 与数据中心一起提供透明数据传 输通道，组成虚拟用户专用无线数据网络，即基于g p r s 网络平台提供无线数据通信。 图2 5 是d t u 的数据传输模型。 用 户 设 备 厂、 t 6 9 断线网络) 、 图2 5d t u 数据传输模型 图2 5 中的用户设备可以是工业现场的各种数据采集设备，也可以是各种车载数据采 集设备。g p r sd t u 一开机就自动附着蛰 g p r s 网络上，并与数据中心建立通信链路， 随时收发用户数据设备的数据。 d t u 通过串口使用r s 一2 3 2 标准将数据从用户设备中读入，经d t u 做透明数据协议处 理后打包，使用a t 命令( m o d e m 专用控制命令) 控制g p r s 模块通过g p r