（电力电子与电力传动专业论文）gprs数据终端的设计与实现.pdf

北方工业大学硕士学位论文 d e s i g n a n d r e a l i z a t i o n o f g p r s d a t a t e r m i n a l a b s t r a c t a ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya l - om o v i n gf o r w a r df a s t , ah i g h e rd e m a n do nt h em o d e m c o n t r o la n dm o n i t o r i n gt c c l a o l o g i e se m e r g e sw i t l iad i v e r s i f i c a t i o n , a n di ns o m ec a s 既 t e c h n o l o g i e sb a s e do nw i r en e t w o r k ，w h i c ha l ep o p u l a rf o rn o w , h a v eb c x ) i t i ei n e o m p a e n t 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 ) i san e wt e c h n o l o g yd e v e l o p i n gf r o mt h ee x i s t i n g g s m s y s t e m g s mm a k ei tp o s s i b l et h a tu s e r ss e n d m a dr e c e i v ed a t ai nt h em o d eo f t e r m i n a l t ot e r m i n a la n dt e r m i n a lt oc e n t e r , a so f f e r saw i r e l e s so p e t a l i o n 掣o l 巾协粤u l 巾w i t hh i g h e f f i c i e n c y , l o wc o s t ，e s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rd i s c o n t i n u o u s ，p a r o x y s m a la n db u s yd a t at r m l s f e r a i m i n ga tt h eq u e s t i o na b o v e , t h ep a p e rh a sp r o p o s e da m e t h o db a s e do nm i c r oc o n t r o l l e ro f g p r s i tc 锄a l s ob eu s e dt oi n t e l l i g e n tb u i l d i n g , s e c u r i t ys y s t e mt op r o v i d ean e wm 朗t n sf o r u n m a n n e d , o f t e nc h a n g i n gm o n i t o r i n gs p o t a m o n i t o r i n gs y s t e mo f f a c t o r yb a s e d o ng p r sc o m m u n i c a t i o nh a sb e e n p r o p o s e di nt h i s p a p e r n ed e t a i l so fo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dd e s i g no fs o f t & h a r dw a r eh a sb e e ni n t r o d u c e d n l eb a s i cd e s i g ni d e a li st oc o n n e c tt h et e r m i n a lo f g p r sw i t hi n t e r n e tv i ag p r sn e t w o r k a n d t h et r a n s m i t t e do f t h ei n f o r m a t i o ni sr e a l i z e db ys e t t i n gt h ec o m m t m i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h e 譬e v e ra n dt h ec l i e n t 1 1 把s y s t e mi sm a i n l yi n c l u d et h et e r m i n a lo f d a t ac o l l e c t i o na n dm o n i t o r i n gc e n t e ro f p c n l et e r m i n a lo f d a t ac o l l e c t i o nm a i n l yi n c l u d e st h ed a t ac o l l e c t i n ga n dt h ew i r e l e s st r a n s m i t t i n g b yg p r s n 圮s e r v e ri sc o n n e c t e dt h ep c st ot h en e t w o r ka n dr e a l i z e dt h ea n a l y z a t i o na n d s a v eo f t h ed a t a b e c a u s eo f t h er e a lt i m er e q u i r e m e n to f t h es y s t e m , t h ed e v i c ei sc o n s i d e r e dt ou s et h er e a l - t i m es y s t e mu c o s - i it os o l u t i o nt h et i m er e q u i r e m e n t n ep r o g r a mi sd i v i d e dt os e v e r a l t h r e a d s , e a c ho f t h e mh a v eau n i q u ep r i o r i t y , t h ek e r n e lc o m p l e t et h et h r e a ds c h e d u l e k e yw o r d s ：g p r s ，r e a l - t i m e ，e m b e d e ds y s t e m , u c o s - i l 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，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，也不包含为获得j e 友王些太堂或其他教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名通融签字日期矽) 年占月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j b 左王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权j e 友王些太堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：首日乏 签字日期：咿月j 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：t 开袅卅 签字日期年汨1 日 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 引言 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 - 通用分组无线服务) ，它是利用“包交换”的概 念发展出的一套无线传输方式。g p r s 是在现有g s m 网络上开通的一种新型的分组数 据传输业务，借助g p r s 无线接入技术，无论在何时，何地，人们都可以轻松地接入互 联网。 利用g p r s 无线接入技术组成无线数据传输系统有很大的应用范围，目前几乎所有 中低速率的数据传输业都可以应用，包括：工业遥控，遥测以及金融，零售行业的p o s 机联网，自动柜元机联网，移动银行等，还有车载移动性数据传输，移动车辆调度与监 控等。我国g p r s 技术在手机中的应用已经很广泛，而在工业方面才刚刚起步，本文是 利用g p r s 无线接入技术设计实现工业监控，是g p r s 技术在工业遥信，遥测，遥控方 面的典型应用。 本文分为六章，绪论首先介绍了课题背景，来源及课题主要研究的方向。 第二章介绍了g p r s 网络。对g p r s 的网络特性，结构与传输平台及连接原理进行 了分析，简要地介绍了a t 指令。同时对g p r s 工业应用问题及方案选择进行了探讨。 第三章对各部分电路的设计进行了分析。详细地分析了在g p r s 通讯电路部分。最 后简要分析了抗干扰措施。 一 第四章介绍了数据终端的软件设计。设计中采用了d y n a n l i c ：c 软件编写代码。软件 设计中采用的是分层结构。简要地分析了各层的软件设计，给出了部分代码。 第五章介绍了中心服务器的软件设计。简要地介绍了在v i s u a l b a s i c 中实现远程通 信的方法。给出了部分代码。 最后一章是结论，简要地说明了课题研究的意义，目地和工作内容。 北方工业大学硕士学位论文 t 绪论 1 1 课题背景 现代工业的监控技术随着生产科技水平的发展，要求越来越高，形式趋于多样化， 有些情况下通过目前流行的基于有线网络技术已显不足。针对这一问题，本文提出一种 基于g p r s 的微控制器上网的解决方案，即在微控制器中实现p p p 协议，并通过驱动g p r s 模 块经过g p r s 无线网连接到i n t e r n e t 实现上网这种方案的优点在于：覆盖面广，适用于 广大偏远地区：无线上网，适用于可移动目标：使用廉价的微控制器实现简单，成本低 安装简便，维护方便很好地解决远程、无线监控问题，其在灵活性等方面比有线通讯 有着更大的优越性。 本系统可推广应用于智能建筑、安防系统中，为无人值守、灵活变更监控点提供了 新手段。将移动通信技术应用于工业控制中是目前应用技术研究的热点问题之一，研究 成果对拓宽移动通讯技术的应用有着重要的意义。 1 2 课题来源 来源予北京市教育委员会科技发展计划面上项目。为了实现远程监控工业现场的运 行状况，并实时地对突发事件进行处理，这样不仅节省了资源，降低了成本，而且大大 节约了人力资源。 1 3 系统需求 目前，国内的工厂监控系统主要是有线监控系统，这就存在一个共同的不足，即传 输距离短，由于不能进行远程传输，所以监控必须到现场才能进行，这样即浪费了人力 财力，而且维护不方便，因此，需要建立一套节省投资，监控方便，时效性强的监控系 统。 随着通信技术网络技术的迅猛发展，g p r s 技术作为g s m 网络的发展，被广泛的应 用在各个领域。本课题的开发便是通过g p r s 网络来实现工业现场远程无线监控，数据 终端采集到数据，并将数据发送到远程数据服务器或者移动终端上。系统示意图如图 1 1 所示。 2 北方工业大学硕士学位论文 图1 1 系统整体结构图 该系统应具有遥测系统的一般性和共同性要求特点，也就是数据的准确性，完整 性，系统的可靠性，稳定性，开发性，安全性等要求。 1 4 本课题的主要研究内容 设计出基于嵌入式系统实现的g p r s 数据终端。研究g p r s 网络接口技术，数据传输 模式。实现工业现场数据的处理及无线传送。通过该项目的研究为工业级设备的无线上 网提供一个较好的解决方案。本课题由以下几部分内容组成： ( 1 ) 了解t c p i p 网络模型，协议结构和数据终端与控制中心的通讯过程。 ( 2 ) 深入了解该类产品开发的常用方案，常用器件等，并在此基础上提出适合本课题 的系统解决方案。 ( 3 ) 开发板上进行编程与实验，实现本课题的各个实验要求，加深对课题的开发流程 及实现过程的进一步了解。 ( 4 ) 经过以上三个步骤后，设计一块数据终端电路板，主要用在监控现场，实现对监 控对象的监控与数据采集。 ( 5 ) 建立中心服务器监控端，无线数据处理端，可将数据终端采集的数据传 送至主站监控中心和指定的数据处理终端上。 1 5 本章小节 本系统主要可以实现对现场设备的数据进行采集监控并可以与远程终端服务器进行 g p r s 无线数据传输，完成对现场设备的远程监控。而本章则简要地说明了课题背景与 课题的来源，提出了本课题的设计任务，并系统地分析了本课题的各个阶段的任务。 3 雾蕊珊 一制|铡碾一铫一 瓣一 北方工业大学硕士学位论文 2g p r s 网络介绍及数据传输方案选择 2 1g p r $ 概述及应用 g p r s 是通用分组无线业务( 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，目的是为g s m 用户提供分组形式的数据业 务。g p 赂采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳 频规则以及同样的t d m a 帧结构。这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务 信道极其相似，因此现有的基站子系统( b s s ) 从一开始就可提供全面的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。特别适用于问断的、突发性 的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。g p r s 理论带宽可达 1 7 1 2 k b s ，实际应用带宽大约在1 0 7 0 k b s ，在此信道上提供t c p i p 连接，可以用于 i n t e r n e t 连接、数据传输等应用。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【l h ”。 嵌入式g p r s 无线通信模块借助于移动通信运营商的无线通信网络，组成虚拟的专用 数据网络来传输用户数据，具有网络覆盖范围广、传输可靠、扩容性好、组网灵活、建 设周期快、运营成本低等优点。系统的建设成本也极为低廉，中心站只添置一台接口服 务器和通信数据线路，终端站只需要添置一个嵌入式g p r s 无线通信模块就能组建完整的 数据采集和控制系统。另外，嵌入式g p r s 无线通信模块采用透明的数据传输与协议转 换，便于用户进行二次开发应用到不同的系统中。 g p r s 无线数据传输系统应用范围相当广泛，几乎所有中低速率的数据传输业务都 可以应用，如城市配电网络自动化、自来水、煤气管道自动化、商业p o s 机、i n t e r n e t 接入、个人信息、股票信息、金融、交通、公安等。除了支持传统的互联网应用，g p r s 也可使无线终端支持：b 2 b ，b 2 c 的电子商务和电子支付、股票交易、银行转帐等应用。 g p r s 同样可以应用于公司内部网( i n t r a n e t ) ，基于i p 的远程l a n 接入，使无线终端 成为l a n 的延伸。 五 北方工业大学硕士学位论文 2 2 g p 陷的网络特陛 ( 1 ) 分组交换【习 分组交换的基本过程是把数据先分成若干个小的数据包，可通过不同的路由，以存 储转发的接力方式传送到目的端，而组装成完整的数据。分组交换基本上不是实时系 统，延时也不固定，但可以使不同的数据传输“共用”传输带宽：有数据时占用带宽， 无数据时不占用，从而分享资源。同时分组交换可以提供灵活的差错控制和流量控制， 主要是在端到端的高层进行，以减少中间网络低层环节不必要的开销；也可以在网络部 分环节上增加控制，提高安全性。另外通过设置服务等级等手段，可以有效的控制和分 配延时、带宽等性能，所以分组交换非常适用于数据应用。 ( 2 ) 频谱效率 在g s m 无线系统中，无线信道资源非常宝贵。如采用电路交换，通信需要建立端到 端的连接，在通信过程中要独占信道，每条g 剐信道只能提供9 6 k b s 或1 4 4 k b s 传输 速率。如果多个组合在一起( 最多8 个时隙) ，虽可提供更高的速率，但只能被一个用户 独占，在成本效率上显然缺乏可行性。而采用分组交换的g p r s 则可灵活运用无线信道， 每一个用户可以有多个无线信道，而同一信道又可以由几个用户共享，从而极大地提高 了无线资源的利用率。在理论上，g p r s 可以将最多8 个时隙组合在一起，给用户提供高 达1 7 1 2 k b s 的带宽，从1 4 4 k l t l k ，足足比以前超出了1 0 倍的传输速度，保证了更大 数据的传输，更快的因特网接入。由于g p r s 用户的数据通信费是以数据量为基础，而不 考虑通信时长，所以g p r s 用于i p 业务的接入将更为用户所接受。g p r s 最大的特点就是 “永远在线”。人们可以随时获得即时的更新结果，只要移动设备打开，就会一直收到 信息，这使它成为理想的数据传输方法。从无线系统本身的特点来看，g p r s t e g s 3 t 系统 实现无线数据业务的能力产生了本质的飞跃。 ( 3 ) i n t e r n e t 识别 典型的互联网连接是：用户通过拨号接入某一i s p ，通过i s p 的网络访问互联网。因 此用户需要付拨号电话费和网络使用费两部分费用，而g s m 做无线接入时付无线网络电 话费。如果通过g p r s 接入互联网则有很大的不同，因为g p r s 是无线分组数据系统，只要 用户一打开g p r s 终端，就已经附着到g p r s 网络上，g p r s 通过允许现存的i n t e r n e t 和新的 g p r s 网络的互通首次完全实现了移动i n t e r n e t 功能。也就是用户通过g p r s 系统的网关 g g s n 连接到互联网，c g s n 还提供相应的动态地址分配、路由、名称解析、安全和计费等 互联网功能。目前任何一种在固定i n t e r n e t 上的业务( 如文件传输协议( f t p ) 、网页 5 北方工业大学硕士学位论文 浏览、交谈、信函、遥信) 通过利用g p r s 将同样能在移动网络上实现。所以，移动业务 运营商同时也是互联网业务的提供商。 2 3g p r s 网络结构 g p r s 网络是基于现在的g s m 网络实现的。为了实现g p r s ，需要在现在g s m 网络中 增加一些节点。 5 1 g p r s 网络参考模型如下图 图2 1g p r s 网络参考模型 移动终端( m s ) ：移动终端包括移动物理设备( 例手机的裸机) 和s i m 卡两部分。 移动台的类型很多，除了车载台、便携式移动台，还有人们熟悉的手机等。s i m 卡其实 是一张符合i s o 标准的i c 卡，由c p u 和存储器( 包括r a m ，r o m ，e p r o m 或 e e p r o m ) 以及串行通信单元组成。 基站子系统( b s s ) ：基站子系统由基站收发信台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 两部分组成。基站子系统一方面通过b t s 利用无线接口与移动台相连，负责信息的无 线发送接收和无线资源的管理；另一方面，通过b s c 和网络子系统中的移动业务交换 中心( m s c ) 相连，实现移动用户之间以及移动用户和固定电话网络用户之间的通信连 接。 6 一 北方工业大学硕士学位论文 移动业务控制中心( m s c ) ：峪c 是网络子系统的核心。m s c 是交换机，具有号码存 储、呼叫处理、路由选择、回波抵消和超负荷控制等功能。m s c 可以从h l r ，v l r 和a u c 获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。反之，m s c 也根据其获取的最新信 息请求更新数据库的部分功能。 g p r s 业务支持节点( s g s n ) ：主要功能是对移动终端进行鉴权和移动性管理， 建立移动终端到g g s n 的传输通道，接收从b s s 传送来的移动终端分组数据，通过g p r s 骨干网传送给g g s n 或者将分组发送到同一服务区内的移动终端。s g s n 还可集成计费网 关、边缘网关( 负责实现不同g p r s 网络之间的互联) 和防火墙的功能。 3 圈2 2g p r s 网络结构模型 g p r s 网关支持节点( g g s n ) ；是连接g p r s 网络与外部数据网络的节点。对于外部 数据网络来说，它就是一个路由器，负责存储已经激活的g p r s 用户的路由信息。g g s n 接收移动终端发送来的数据，转发到相应的外部网路，或接收来自外部数据网络的数 据，通过隧道技术，传送给相应的s g s n 。另外g g s n 还可以具有地址分配、计费、防火 墙功能。 s g s n 和g g s n 两节点可分可合，即它们的功能既可以由一个物理节点全部实现，也 可以由不同的物理节点来实现。它们都应有i p 路由功能，并能与i p 路由器互联。 g p r s 主要是用来提供非语音的数据业务的，g p r s 提供了移动网络到t c p i p 或 x 2 5 网络的接口，可以把g p 脑网络看作是个i p 子网。 7 北方工业大学硕士学位论文 g p r s 网络中，g g s n 承担了类似于路由器的工作，使g p r s 的特性对外部数据网 来说是不可见的。移动终端就像g p r s 子网中的普通主机，通过m 地址来识别。 2 4 g p r s 连接原理 一个能够正常使用的g p r s 移动台，如果没有开机，网络是无法得知它的位置的； 尽管s i m 卡和h l r 中存放有该移动台的信息，但v l r 中并没有和其关的数据。当移动台 开机时，向m s c v l r 发送位置登记报文，同时更新s g s n 中的位置信息。吲8 1 g p r s 的用户信息可以分为4 类：标识，位置，业务和鉴权数据。 g p r s 移动台不仅仅是一个电话，它更像是一个内置了数据网络适配器的数据终 端。和普通的连在网上的p c 一样，g p r s 移动台也有自己的标识和地址，g p r s 系统使用 的地址格式和i n t e r n e t 使用的地址格式一样，都有是i p 地址。g p r s 移动台在接入网 络之前，必须先通知网络；网络得到这个通知之后，会为其分配一个i p 地址。 g p r s 移动台连接到网络上的过程可以分为两个阶段： ( 1 ) 连接到g s m 这一过程也叫做g p r sa t t a c h ，g p r s 移动台开机后，向网络发送一个a t t a c h 消息， s g s n 得到该消息后，向h l r 请求有关用户数据并验证用户身份，决定是否允许移动台 接入网络。 ( 2 ) 连接到i p 网络 这一过程叫做p d p 上下文激活，g p r s 移动台完成a t t a c h 之后，网络会为其分配一 个m 地址，使其成为m 网络的一部分。一个g p r s 用户可能有一个静态口地址：该 i p 地址固定分配给某个用户，用户每次上网都使用同一个m 地址；或者有一个动态m 地址：每次开始新的会话时，网络都随即为用户重新分配一个口地址。 2 50 p r $ 模块分类选型 g p r sd t u 主要由g p r s 模块、s i m 卡、电源变换、r s 2 3 2 接口等部分组成。目 前，市场上的g p r s 模块主要分为带t c p f l p 协议栈和不带t c p i p 协议栈的两大类。不 带协议栈的模块主要有s i e m e n sm c 3 5 i 、t c 3 5 i ，m o t o r o l ag 1 8 ，索爱g r 4 7 等。带协议 栈的模块主要有s i e m e n st c 4 5 ，b e n qm 2 2 ，m o t o r o l ag 2 0 ，p h i l i p sp i m l 等。嵌入式应 用选模块时，若仅使用s m s 及语音的话，西门子的t c 3 5 i 、眦3 5 i 是不错的选择，若 使用g p r s 数据通讯的话，最好选带协议栈的模块，例如b e n q 的m 2 2 、p l l i l i p 的 p i m l 模块或西门子的t c a 5 ，另外m o t o r o l a 、索爱、w a v e c o m 等也有同类产品。但随 8 = l l ：y ：r d k 大学硕士学位论文 着自带协议栈的型号越来越多且价格渐与普通g p r s 模块趋同，故普通g p r s 模块已变 得无多少实用价值，采用带协议栈的嵌入式操作系统的应用中最适合采用此模块【1 4 】。 2 6 各种协议及a t 指令的介绍 2 6 1 r c p l p 协议的实现 在本设计中，需要利用t c p i p 协议来完成g p r s 业务数据的打包和解包。t c p i p 协议是一个为广域网( w a n ) 设计的标准协议套件，可以用一个分成四个层次的模型 来描述：数据链路层，互联网层。传输层和应用层。其分层模型及协议如下表所示。 表2 1t c p i p 的分层模型 应用层h t i ? , t e l n 瓯s m t p ，s n m p 传输层 t c p u d p 互联网层i p , a r p , r a p p , i c m p , i g m p 数据链路层e t h e r n e t , x 2 5 ，s l i p , p p p 应用层( a p p l i c a t i o n ) 负责处理特定的应用程序细节。 传输层( t r a n s p o r t ) 主要为应用程序提供端到端的通信。t c p 协议是为了提供高 可靠性的数据通信。这里采用t c p 传输控制协议。 互联网层( i n t e r n e t ) 的功能是寻址，定址，数据打包和安排路径。i n t e r n e t 所 有的数据都以i p 数据报格式传输，其最大特点是提供不可靠的和无连接的数据包传送 服务。在g p r s 业务中，每一次链接都会具体分配一个i p 地址，因此用a r p 队r p 协议 完成i p 地址与物理地址的映射( 即地址解析) ，用i c m p 协议判断网络是否连通。 数据链路层( 1 i n k ) 的任务是把要发出的隗送到线路中去，把要接收的帧从线路中 取出来。g p 路业务是采用i po v e rp p p 实现数据终端的接入。这部分功能由单片机控 制q 2 4 0 3 模块，采用p p p 协议实现。 数据打包处理程序处理数据时，每一层都把自己的信息添加到一个数据头中，而这 个数据头又被下一层协议包装到数据体之中。数据解包处理程序接收到g p r s 数据时， 把相应的数据头剥离，并把数据包的其余部分当作数据体对待n 7 l , p s l 。 2 6 2p p p 协议的实现 由于移动梦网的g g s n 与g p r s 模块通信时遵循p p p 协议，所以要在微控制器中也实现 一部分p p p 协议才能与之对话。g p r s 模块在拨号后首先与g p r s 网关进行链路的协商，即 协商点到点的各种链路参数配置。协商过程遵守l c p ( l i n kc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 等协议。 其中l c p 协议用于建立，构造，测试链路连接；p a p 协议用于处理密码验证部分；i p c p 协 9 北方工业大学硕士学位论文 议用于设置网络协议环境，并分配i p 地址。协商机制用有限状态的模型来实现。一旦协 商完成，链路已经创建，i p 地址已经分配就可以按照协商的标准进行i p 报文的传输了。 根据应用的不同，i p 报文中可以携带u d p 报文，也可以是t c p 报文。本系统采用t c p 报文 传送数据信息的。数据传输完成之后，微控制器会向g g s n 发送l c p 的断开连接报文，以 终止网络连接。【”h 2 1 1 p p p 协议的帧结构如图2 3 ( 左) 所示。微控制器的串口中断接收程序首先以包起始 和结束符来判断是否有完整的p p p 包，并对p p 咆的内容进行校验，以确定包的完整性和 正确性。然后，在主循环中进入p p p 报文解析模块，解析过程如图2 3 ( 右) 所示。 图2 3p p p 报文解析 2 6 3 登陆g g s n 的过程 在拨号成功连接后，g g s n 首先会返回一个p a pr e q 数据帧。发送一个空l c pr e q 帧，以强制进行协议协商阶段。随后，g g s n 发送l c p 设置帧，拒绝所有的设置并请求验 证模式。g g s n 选择c h a p 或p a p 方式验证，只接受p a p 方式。然后，进行p a p 验证用户和密 码过整形，在g p r s 中用户名与密码都为空，如果成功，g g s n 会返回i p c p 报文分配动态i p 地址。此时，就完成了与g g s n 的协商过程。协商过程的状态转换如图2 4 所示。 协商完成后进入i p 数据报通信阶段。此时，微控制器向g g s n 发送的所有包含i p 报文的p p p 报文都会被传送给i n t e r n e t 网中相应的i p 地址；而远端所有向微控制器 i p 地址发送的报文也都会经g p r s 网传送到微控制器上，从而完成微控制器与远程主机 通过互联网的数据传输。 1 0 北方工业大学硕士学位论文 图2 4 协商过程 2 6 4a t 指令简介 q 2 4 0 3 模块的a t 指令主要包括通用指令、网络服务、安全保证、短信命令、数据 命令、g p r s 命令、t c w i p 命令等。由于q 2 4 0 3 模块的a t 指令众多，所以不能一一列 举，在这里只对常用指令进行介绍【2 4 j 。 短信命令 r e a dm e s s a g e + c m g r ：这条指令允许应用程序阅读存储的短消息。 l i s tm e s s a g e + c m g l ：这条指令允许应用程序按照分类阅读存储的所有短消息。 指令格式：a t + c m g 表为s t a r 值与存储信息分类关系 t e x tp o s s i l b ev a l u ep d up o s s i b l ev a l u e 存储的消息状态 r e ci 小瓜e a do 接收未读的短消息 r e c r e a d l 接收己读的短消息 s t ou n s i 烈t2 存储未读的短消息 s t os i 孙r r 3 存储已读的短消息 a l l4 全部短消息 s e n dm e s s a g e + c m g s ：这条指令实现短消息的发送，此指令需要知道目标终端的 号码，即接收端的手机号。 指令格式：a t + c m g s = 【 c r 北方工业大学硕士学位论文 t e x ti se n t e r e d 为接收端号码，在发送完a t + c m g s = 后，可以输入要发送的数据，在数 据输入完毕后，可以通过输) k 进行发送，也可以通过 e s 取消要发送的数据， 如果数据发送成功，终端会返回+ g m s c ： ，返回+ c g r e g ： ：0 ：禁止网络登陆不返回状态代码 l ：允许网络登陆并返回状态代码 1 2 北方工业大学硕士学位论文 ：0 ：不能登陆，m t 停止寻找其他网络 l ：登陆成功，国内网络 2 ：不能登陆，m t 正在寻找其他网络 3 ：登陆失败 4 ：未知情况 5 ：登陆成功并开始漫游 t c p i p 指令部分 a t + c i p s t a r t ：建立i n t e m e t 网络连接 指令格式：a t + c i p s t a r t = 俐d p ”，“ma d d r e s s ，端口号 返回值：c o n n e c to k ：成功建立连接 c o n n e c tf a i l ：连接失败 这条指令完成一系列连接最终实现i n t c r n e t 连接，它包括t c p 和u d p 两种连接方 式：为了完成连接，指令必须知道中心服务器的口地址( 或域名) 和端口号。 a t _ i p s e n d ：发送数据 指令格式： 发送值：a 1 k 船s d d q c r 返回值： 发送值：发送数据 返回值：s e n ds ii c c e s s 这条指令实现数据的发送。前提是首先要建立i n t e m e t 连接，每一次最多发送的数 据为1 0 2 4 个字节。 a t + c i p c l o s e ：这条指令用来关闭t c p 和u d p 连接 指令格式：a n - c 口c l 0 s e ，c i 使用这条指令后，数据就不能再被发送和接收，但是，p d p 文本仍然保持激活态， g p r s 网络和c s d 仍然保持连接。 a t + c i p s h u t ：这条指令关闭全部连接。 指令格式：a t + c i p s h u t 一1 3 北方工业大学硕士学位论文 这条指令通常用在获得新m 地址，建立新连接前。 a t + c l p o r t ：设置本地t c p 或u d p 端口。 指令格式：a n c i p o l 淝叮c p i m p ，端口号 这条指令用来设置本地的端口号，在默认模式下，t c p 端口号是3 0 3 0 ，u d p 端口 号2 0 2 0 。端口号取值范围在0 - - 6 5 5 3 5 之间。 a t + c m s r ：获得本地m 地址 指令格式：a t + c i f s r 这条指令获得g p r s 网络或g s m 网络分配给移动终端的内部口地址。 a t 屺i p s t a t u s ：获得目前连接状态值 指令格式：a t _ 屺口s t a t s 砌 返回值： ：o ：i pi n i t i a l ，初始化状态 l ：i ps t a r t ，开始连接 2 ：c o n f i g 3 ：i p i n d ，激活p d p 文本健立c s d 连接 4 ：i pg p r s a c t ，p d p 文本激活成功c s d 连接建立完成 5 ：i ps t a t u s ，获得本地i p 地址 6 ：t c p u d p ，建立t c p u d p 连接 7 ：i pc l o s e ，关闭连接 8 ：c o n n e c to k ，t c p u d p 连接成功 v 2 4 - v 2 5 指令 f i x e dd t er a t e + i p r ：这条指令实现终端波特率设置。 指令格式：a t + i p r = b p p ：3 0 0 ，6 0 0 ，1 2 0 0 , 2 4 0 0 , 4 8 0 0 ，9 6 0 0 , 1 9 2 0 0 , 3 8 4 0 0 , 5 7 6 0 0 , 11 5 2 0 0 d e f a u l tc o n f i g u r a t i o nz ：这条指令恢复默认设置。 指令格式：a t z 1 4 北方工业大学硕士学位论文 s a v ec o n t i g m a f i o n & w ：保存现有激活设置到非易失存储器e e p r o m 中。 指令格式：a t & w r e s t o r ef a c t o r ys e t t i n g s & f ：这条指令恢复出厂设置值。 指令格式：a t & f 2 7o , p r s 工业应用问题及方案选择 g p r s 网络中的终端通信主要分为端对端( 点对点) 或者端对中心( 点对中心) 这 两种方式。大部分地区的移动g p r s 网络是支持点对点通讯的。但像北京，上海等部分 城市移动把g p r s 的内部通讯关闭了。除非a p n 专网可以通讯外，其他c m n e t 网的 点对点通讯不能传送g p r s 数据。所以，本系统选择端对中心的方式来实现g p r s 数据 传输，这样即符合了实际要求，而且节约了成本。 在做测试时，应当注意到如下问题：在采用公网的a p n 的条件下，如果用g p r s d t u 主动向公网上的一个静态公网i p 地址发起t c p 连接，只要这个公网上的机器确实 在侦听相应的端口，这样是可以连上的；但是相反地，如果是由公网上的静态口向 g p r sd t u 动态获得的口地址主动发起的t c p 连接将不会成功。这个现象的原因是： 实际上g p r sd t u 获得的动态m 地址是移动的一个特殊的内部网段上的地址，这个特 殊内部网段里的地址如果要和外部网( 公网) 的地址进行t c p 通信，必须通过一个类 似于t c p 代理( 或者n a t ) 的设备进行通信的转发。这个动态地址对于网络上的其他机 器来说是不可访问的。 另外，在工业场合的应用时还应该注意以下问题： 1 要求实时传输，但也有一些场合是定时传输，总的来说在整个传输过程中要求 服务器中心端和g p r s 终端设备能相互的、实时的传输数据。t c p 本身就是- j - 靠链路传 输，提供一个实时的双向的传输通道，能很好的满足工业现场传输的要求。但是g p r s 网络对t c p 链路也存在一个限制：此条链路在长时间( 大概2 0 分钟左右，视具体情况 而定) 没有数据流量，会自动降低此链路的优先级直至强制断开此链路。所以在实际使 用中可以采用心跳包( 一般是一个字节的数据) 来维持此链路。u d p 由于自身特点， 以及g p r s 网络u d p 端口资源的有限性，在一段时间没有数据流量后，端口容易改 变，产生的影响就是从服务器中心端向g p r s 终端发送数据，g p r s 终端接收不到。具 体的原因就是移动网关从中作了中转，需要隔一定时间给主机发u d p 包来维持这个i p 1 5 北方工业大学硕士学位论文 和端口号，这样主机就能主动给g p r s 发u d p 包了，在测试中发现，这个间隔时间很 短，在1 多分钟发一次u d p 包才能够维持，但是再长可能移动网关那边就要丢失这个 端口了，此时如果主机想主动发数据给g p r s ，那肯定是不行的了，只有g p r s 终端设 备再发一个u d p 包过去，移动重新给你分配一个中转m 和端口，才能够进行双向通 讯。 2 要求数据的丢包率较小。有些工业场合，例如电力、水务抄表，环保监测等 等，不容许传输过程中的数据丢失或者最大限度的要求数据的可靠性。从这一点来看， 很显然在无线数据传输过程中，t c p 比u d p 更能保证数据的完整性、可靠性，存在更 小的丢包率。 3 要求降低费用。目前有很大部分g p r s 设备的应用都是取代前期无线数传电 台，除了使用范围外，其考虑的主要问题就是费用。能降低费用当然都是大家最愿意接 受的。和费用直接相关的就是流量了，流量低，费用就低了。虽然t c p 本身的包头要 比u d p 多，但是u d p 在实际应用中往往需要维护双向通道，就必须要通过大量的心跳 包数据来维护端口资源。总的比较起来，u d p 的实际流量要比t c p 还要大。很多使用 者在初期的时候并不了解u d p 需要大量心跳包来维持端口资源这个问题，往往都认为 u d p 要比t c p 更节省流量，实际上这里存在着一个误区。 4 在某些特定的应用场合，例如一些银行的实时交互系统，对响应速度要求很 高，此时数据传输频率较快，不需要大量心跳包维持u d p 端口资源，采用u d p 就比较 有利了。 1 6 北方工业大学硕士学位论文 3 系统的硬件设计 数据采集是获取信息的一种重要手段。数据采集以传感器、信号测量与处理、微型 计算机等技术为基础形成了一门综合的应用技术，它研究数据的采集、存储、处理和控 制等作业，具有很强的适用性。 数据采集广泛应用于各个测试和