（机械电子工程专业论文）监控系统中基于gprs的无线数据传输系统的研究与实现.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 监控系统中基于g p r s 的无线数据传输系统的研究与实现 摘要 随着通信技术的发展，无线通信网络在工业数据传输中日益得以应 用。为提高远程监控的灵活性、实时性和经济性，本文研究了基于g p r s ( 通用分组无线业务) 的无线数据传输系统。利用现有的g p r s 网络资源， 发挥网络覆盖率高、传输特性好等优势，为现有远程监控系统提供一种 便捷的无线数据传输方式。 本文首先介绍了课题研究的背景和g p r s 的基本理论，其次，详细阐 述了应用单片机技术，选用台湾明基公司的m 2 2 模块，设计完成g p r s 无 线数据传送终端的过程，主要是g p r s 终端软硬件的设计和调试，使其具 有透明数据传输、数据缓存、断线自动重拨、自动监测在线等功能，同 时，该终端设备具有良好的通用性，可应用于不同的场合和系统中。最 后，结合网络技术，提出了五种不同的组网方案，并依据实际情况，组 建了电力行业中基于g p r s 技术的无线数据传输系统。 经过测试，各项技术性能指标己经达到了设计要求，成功地实现了小 批量，非连续数据的远距离传输，为现有监控系统提供了一种新型的无 线数据传输模式。这也必将成为工业控制及现场监测等领域的发展趋势。 关键词：远程监控数据传输g p r s组网 北京邮电大学硬士学位论文 s t u d ya n di m p l e m e n t a t i o no fd a t aw i r e l e s s t r a n s m i t t i n gs y s t e mb a s e do ng p r si na m o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa t eu s e da sd a t at r a n s m i s s i o ni ni n d u s t r i e s i no r d e rt om a k ei tm o r ef l e x i b l e 、r e a l - t i m ea n de c o n o m i c a l ，ar e m o t eg 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 ) m o n i t o r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e di nt h i st h e s i s b yu s i n ge x i s t i n gg p r sn e t w o r kr e s o u r c e s ，t a k i n gt h ea d v a n t a g eo f 晰d e c o v e r i n g ，g o o dt r a n s m i t t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，a c o n v e n i e n tw i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o nm e t h o dh a sb e e np u tf o r w a r df o rp r e s e n td a t ac o l l e c t i n gs y s t e m f i r s t l y ，t h eb a c k g r o u n do ft h i sp r o j e c ta n dg p r sb a s i ct h e o r i e sa r e i n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ，s e c o n d ! y ，t h e & s i g no fag p r s - d t u ( d a t a t e r m i n a lu n i t ) i sp u tf o r w a r di nd e t a i lt h a ti sm a d eo fam c ua n dab e n q m 2 2m o d u l e t h ew h o l ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ed t ui s d e s c r i b e d t h i sk i n do fg p r s t e r m i n a l s u p p o r t st r a n s p a r e n t d a t a t r a n s m i s s i o na n dd a t ac a nb ed e p o s i t e di nar a m g p r s - d t uc a nd i a l a u t o m a t i c a l l ya n dm i n i t o r i n gw h e t h e rt h en e ti sw o r k i n go rn o tw o r k i n g 。a t 北京邮电大学硕士学位论文 t h es a m et i m e ，t h ed t ui ss og e n e r a lt h a tc a r lb ea p p l i e di na l lk i n d so ff i e l d s f i v ek i n d so fp r o j e c t sa r ep r e s e n t e dc o m b i n e dw i t ht h en e t w o r kt e c h n i q u e a c c o r d i n gt op r a c t i c e ，ad a t at r a n s m i t t i n gs y s t e mo fe l e c t r i ce q u i p m e n ti sb u i l t u pb a s e d o ng p r s t h et e s ts h o w st h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s y s t e md e s i g n e di nt h i s t h e s i sm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s m a l l m a s sa n dn o n - c o n t i n u o u sr e m o t e d a t at r a n s m i s s i o ni sr e a l i z e d 删so f f e r sac o n v e n i e n tw i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o nf o rp r e s e n td a t ac o l l e c t i n gs y s t e m ，w h i c hc a nt a k et h ep l a c eo f e x i s t i n gc a b l er e m o t ed a t at r a n s m i t t i n gs y s t e m t h i ss h o w st h a ti ti st h et r e n d i nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o la n dl i v em o n i t o r i n g k e yw o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n gg p r s d a t a t r a n s m i s s i o nn e t w o r k 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。 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，也不包含为获得北京邮电大学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：盘盘里三 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位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、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：遂盘翌 日期： 导师签名： 斗蹲一 i 1 列舌3 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着数据传输技术的迅速发展，监控系统正在逐渐被用于对工业生产设备、公共 可控设备、家庭电器和环境等进行远程监控。远程监控即对现场设备进行在线实时监 视与控制，通过远程网络把反映设备运行情况的实时图像和测试数据传送到进行预报 或诊断的异地终端m 。相比人工方式，监控系统具有很多优点：可以节省大量的人力 和物力，可以随时进行现场各项运行参数抽测，可以实时发现故障，实现对现场实时 控制等，真正体现了智能化管理。 目前，用于远程监控系统的数据传输方式可采用有线和无线两种。有线数据传输 方式一般采用电话线传输，只适应于小范围小区域的监控系统，线路维护量大，很难 保证其传输质量，并且此种方式对通讯部门程控交换机正常、稳定的运行也有一定的 影响；若采用专线方式，虽传输的质量可以保证但投资成本太高。考虑到有线方式的 现实不可行性，近年来多采用无线传输方式，常用的通讯方式有：无线集群通讯方式、 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，全球移动通讯系统) 短消息通讯 方式、数据传输电台等。无线集群通信系统属于专用移动通信网，需要大量的建设资 金投入，建设周期较长，保养与维护不便，这是它的最大缺点；g s m 短消息通讯方 式为半双工通信方式，不能同时双向收发数据，其平均传输时延较大，实时性不强； 一般商用电台的传输距离都在1 0 0 公里的数量级，不利于长距离数据传输，且受电磁 环境的影响，数据可靠性差 2 1 。 鉴于此，在当前远程监控系统中，集移动通信和i p 技术于一身的g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 数据业务则可以弥补上述各项技术的不 足。o p r s 数据传输率具有实时性强、稳定可靠、费用低廉等特点，适用于少量的非 连续的数据传输的场合伽。同时，从实际应用的方面考虑，目前，在公安系统( 查询 人口信息、在逃犯信息、车辆管理信息等) 、交通管理系统( 超速监测) 、环保系统( 监 测污水、污气排放) 、电力系统( 自动抄电表) 、市政系统( 路灯夜景照明系统管理) 、 车辆调度( 出租车、公交车、警务车辆定位调度系统) 、企业移动化办公( g p r s 接入 v p n ) 、电子商务( 移动银行、移动理财、移动交易、移动炒股) 等多个有影响力的领域 中，数据传输是间断性、少量的，符合g p r s 通信的特点，较采用其他通信方式有较 北京邮电大学硕士学位论文 大的优势，由此可见，基于全球通网络的g p r s 移动数据通信网络，是目前实现行业 应用数据通信较理想的平台，采用g p r s 终端接入i n t e r n e t 的方式无论在价格还是在 实时性上都有很大的优越性。所以，在监控系统中进行基于g p r s 数据传输的研究具 有十分重要的理论和现实意义。 1 2 国内外研究现状 随着因特网的迅猛发展，人们对数据业务的需求快速增长，再加上城市的信息化 智能化建设需要越来越多的设备进行数据通信，而第二代移动通信系统所能提供的数 据业务能力有限，这就迫使下一代移动通信系统的开发。 第三代移动通信系统是目前正在大力投入开发的系统，其基本特征是提高系统容 量、实现多媒体数据通信和统一的标准和频段。3 g 的速率目标定位在室外静止或者 行人步行速度下为38 4 k b p s ；室外高速运动中提供1 4 4 k b p s ；室内提供最高数据传输 速率为2 mk b p s m 。 为了从第二代平滑地向第三代过渡，出现了目前的2 5 g ，基于g s m 系统提出的 g p r s 方案，是迎合平滑过渡策略的最主要方案，它重点引入了数据通信技术来提高 系统的数据通信能力，以满足现代社会对中、高速数据通信的需求。 g p r s 是基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端盼广域前无线i p 连接。 它充分利用共享无线信道，实现数据终端的高速、远程接入。g p r s 允许用户在端到 端分组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。其主要特色是可以提供高达1 7 1 2k b p s 的 分组数据传送速率，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本咖。 国际上如美国、欧洲等发达国家在g p r s 无线数据应用方面已经菲常普及。美国 著名的m u f t i t e c h 系统公司是广域网( 骶n ) 技术相关设备的主要提供者，在嵌入式无 线m o d e m 市场里在全球处于主导地位，有着3 0 年的m o d 蹦设计和生产经验，在业界 提供了品种最全质量最好的m o d e m ，在2 0 0 3 年m u f t i t e c h 开始进军嵌入式无线接入 设备市场。在当年的嵌入式系统展览上，m u f t i - t e c h 就展示了一种新的s o c k e t m o d e m 和m o d e r 啦o d u l e 模块，这些模块同时使用7g s m i g p r s 以及c d m a 技术，可以在全球的 蜂窝通信网络上进行数据和语音通信，这些新的m o d e m 可以被集成到其它的o e m 设备 中或者针对特定的应用系统中。 我国自从2 0 0 2 年中国移动g p r s 商用化以后，国内各大小企业都加入了无线数据 应用解决方案的行业中，针对特定的行业出现了各种各样的无线接入产品，如在交 2 北京邮电大学硕士学位论文 通系统，通过在高速路和市郊区主干道上架设照相器材和摄像头等监控设备，并连接 一台g p r s 通信终端，即可实现交通管理部门对道路及车流量状况和超速、闯红灯等 违章行为的及时监督和查处。出租车和公交车公司对于旗下的数千车辆的监控和调 度，也有赖于g p r s 网络的支持。g p r s 监控调赓系统综合利用g p r s 网络、计算机 网络、全球卫星定位( g p s ) 、无线通信、地理信息系统( g i s ) 等多学科技术，与调度 指挥工作特点紧密结合，建设基于g p s 位置服务的公交车辆指挥调度中心，为出租 公司和公交公司提供实时可靠的监控调度手段。电力部门依托g p r s 网络或s m s 短消 息系统，将工业和民用电表采集的电力系统数据实时传递到地、市、省级的集中监控 中心，以实现对电力监测设备的统一监控和分布式管理。这项应用充分发挥了g p r s 网络在覆盖和数据传输方面的优势，同时也为电力系统提供了简单高效的通信传输手 段。尽管如此，但就我国整体来说，无线接入产品占的市场份额还远没有其它发达国 家高，如移动p o s 终端在美国占有6 0 的市场份额，而在中国这个数据还不到1 0 。 中国目前拥有全世界最大的移动通信网络，覆盖全国的g p r s 网络已成为一种可 持续利用和开发的资源。相信在不远的将来，被移动信息化武装起来的智能政府、智 能交通、智能商业、智能家庭会陆续呈现在我们面前，溶入生活中的每一个角落。目 前要实现这样的应用，开发出高性价比的g p r s 终端系统具有很重要的意义。同时， 由于g p r s 技术的成熟以及嵌入式系统的日益普及，开发这样的无线数据终端也成为 可能。 1 3 课题的目标 本文正是为了满足各个行业的信息化需求而设计基于移动通信网络的无线数据 终端，它特别适用于间断性的、突发性的和频繁的、少量的数据传输。本课题设计和 实现了g p r s 无线数据终端，利用g p r s 网络实现无线数据传输。使用该终端可以将 从r s 2 3 2 串口采集来的数据，通过g p r s 网络，互联网，发送到远端服务器处理， 反之，远程服务器也可以将数据发送到g p r s 无线数据终端。 同时，利用该终端搭建适宜的网络平台，用于在监控系统中进行数据的安全快速 的传输，为现有的监控系统提供一种有效的数据传输方案。 1 4 本文的主要工作 在语音业务日渐趋于饱和的情况下，移动数据通信是未来移动通信领域的主流业 北京邮电大学硕士学位论文 务，要把移动数据通信技术应用到各行各业中，就需要相应的数据终端设备。本文针 对各个领域对移动数据通信的需求，结合前沿的移动通信技术、互联网技术和嵌入式 系统技术而设计全新移动数据终端设各。 本文可以分成三大主要的部分。第一部分是硬件电路的设计和制作，采用b e n q g p r s 模块m 2 2 和f u j i t s u 系列微处理器芯片。该部分涉及到电子电路的设计、p c b 板的设计、排版和制作，以及硬件电路的调试整个过程。第二部分是软件的编制，主 要是微处理器的编程及工作参数设置软件、通信软件的编制。第三部分是g p r s 通信 网络的搭建，针对不周的情况，给出合理经济的网络通信方式，保障数据通信的实时、 安全的传输。 全文章节安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了课题研究的背景、意义、国内外研究现状和课题的目 标等； 第二章详细阐述了g p r s 网络技术和相关的协议，包括g p r s 网络的总体结构、逻 辑体系结构、传输平台、工作协议、路由管理以及目前主要应用领域； 第三章论述了硬件的设计和实现以及调试过程，介绍了g p r s 模块m 2 2 和笳j i t s u 微处理器n i b 8 9 f 5 3 8 ，并对其外围电路进行了详细设计； 第四章重点研究和设计了相应的软件，保障了数据终端的完好运行，并详细介绍 与主控站通信的实现过程； 第五章对g p r s 终端进行测试，并就研究中的难点提出相应的解决方案； 第六章进行数据传输系统总体方案设计，主要是g p r s 数据传输网络的搭建和网 络安全性分析，结合电力系统提供了合理的网络传输系统； 第七章总结了全文的工作，提出系统可能的进一步改进，展望了无线通信技术。 4 北京邮电大学硕士学位论文 第二章g p r s 通信技术简介 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 ) 是通用分组无线业务，是由英国b t c e ll n e t 公司早在1 9 9 3 年提出的。它是在现有的g s m 网络基础上增加一些硬件设备 并同时对原有网络软件进行升级，形成了一个新的网络，提供端到端的、广域的无线 i p 连接，特别适用于间断性的、突发性的和频繁的、少量的数据传输。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，如收发 e - m a i l 、进行i n t e r n e t 浏览、城市供水监控、公交车辆调度等。 2 1g p r s 网络技术 2 1 1g p r s 网络总体结构3 】【5 1 g p r s 网络是在现有g s m 网络中增加g g s n ( g p r s 网关支持节点) 和s g s n ( g p r s 服务支持节点) 来实现的，使得用户能够在端至端分组方式下发送和接收数据。其 系统结构如图2 - 1 所示。 计算机 蜂窝电话 图2 - ig p r $ 系统结构 图中，笔记本电脑通过串行连接到g p r s 蜂窝电话上，g p r s 蜂窝电话与g s m 基 站( b t s ) 通信。g p r s 数据分组从基站发送到s g s n ，s g s n 按照g t p ( g p r st u n n e l i n g p r o t o c 0 1 ) 协议与g g s n 进行通信；g g s n 对分组数据进行相应的处理，再发送到目的 网络，如因特网或x 2 5 网络。反之，来自因特网标识有移动台地址的i p 包，由g g s n 接收，再转发到s g s n ，继而传送到移动台上。 需要补充说明的是，在使用g p r s 业务之前，用户首先要通过g p r s 附着过程( a t t a c h ) 将自己的信息登记在s g s n 中。附着过程结束后，s g s n 建立了移动台的信息，并对移动 台作移动性管理，尽可能地获得移动台的位置信息。移动台如果要访问外部数据网， 北京邮电大学硕士学位论文 需要发起p d p 上下文激活过程，通过此过程使移动台到g g s n 建立一条逻辑通路，从而 可以访问外部数据网。 在g p r s 网络结构中，s g s n 是其中的一个节点，通过帧中继与b t s 相连。s g s n 的主 要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和g g s n 之间完成移动分组数据的 发送和接收。 g g s n 通过基于i p 协议的g p r s 骨干网连接到s g s n ，是连接g p r s 网络和外部分组交换 网( 如因特网和局域网) 的网关。g g s n 主要是接收移动台发送的数据，选路到相应的外 部网络，或接收外部网络的数据，根据其地址选择g p r s 网内的传输通道，传给相应的 s g s n 。 在s g s n 和g g s n 之间，利用g p r s 隧道协议( g t p ) 对i p 或x 2 5 分组进行封装，实现二者 之间的数据传输。 当运行g p r s 业务时可能涉及到任何其他网络，这时就产生了网络互通的需求。 g p r s 网络通过g i 参考点和g p 接口实现同其他网络的互通。图2 2 给出了g p r s 网 络结构的接入与参考点的简图口l 。 r 参考点 u g i 参考点 因2 - 2g p r 5 总体结构及接八接口和参考点 如图所示，g g s n 到外部网络是通过g i 参考点( 各参考点定义见附录3 ) 连通的， 而其他g p r s 网络是通过g p 接口连通的。另外，从移动台( m s ) 端到g p r s 网络有两个 接入点，u m 接口用于无线通信接入而r 参考点用于信息的产生或接收。 对于具有g p r s 业务功能的移动终端，由于它本身具有g s m 和g p r s 业务运营商提 供的地址，这样，分组公共数据网的终端利用数据冈识别码即可向g p r s 终端直接发 送数据。 2 1 2c 羽峪传输协议平面 传输平面采用分层的结构来实现用户信息的传输，同时，还定义了相应的控制机 制，实现对信息传送的分级控制。图2 3 是移动台( 1 i s ) 和b s s 、s g s n 、g g s n 之闻的 6 北京邮电大学硕士学位论文 g p r s 传输平面啷。 i l z p x 2 5 i p i p s n d c f潞 g t p i p i p x 2 5 t c p u d p x 2 5 x 2 5 l l c l l c u d pt c p 、迅e 1 计一， r l cr l i 、目毯g p b s s g pi pi p 一 网络 网络 l 2 m a c m a c 业务一 辑 l 2 l 2l 2 l 2 l 1 g s mr f b s mr f l l b is -l l b i 8l 1- - 。一i 1l l l l m su mb s sg bs g s ng ng g s ng ir o u t e r 图2 - 3 传输平面 数据包从r o u t e r 传到m s 要经过四个接口：g i ，g n ，g b 和u m 。下面我们就顺序介 绍在这个过程中所使用到的传输协议f 6 1 。 在g i 接口上没有新的协议。与普通的路由器一样，g g s n 利用现有的传输方法接 收二层数据帧，再对帧进行处理得到i p 数据包。分析该i p 包的目的地址，恰为本地 分组数据协议( p d p ) 上下文所标示的某一m s 地址，则将此数据包送至g n 接口的软 件模块，做进一步处理。 在g n 接口，最先对数据包做处理的是g t p ( g p r st u n n e l i n gp r o t o c 0 1 ) 协议， 它实现了从g g s n 到s g s n 的虚拟传输通路，即隧道。g n 网络本身是一个t c p i p 网络， g n 网络中的元素都是靠i p 来寻址的。g t p 协议数据包需要由t c p 或u d p 承载，之后， t c p 或u d p 的数据包进一步封装成i p 包，此i p 包的目的地址即为目标s g s n 的地址。 g n 网络中的i p 包传送也是靠一系列的路由器和交换机来完成的。当数据到达s g s n 之后，对其层层解封，最终还原出用户的i p 数据包。 在g b 接口，首先需要s n d c p ( s u b - n e t w o r kd e p e n d e n tc o n v e r g e n c ep r o t o c o l ， 子网相关收敛协议) 对i p 数据包进行处理，这一步的目的是提高g p r s 的可扩展性。 除此之外，s n d c p 还负责数据的压缩和分段，压缩的目的是节约空中接口带宽，分段 的目的是适应下层l l c 的m t u ( m a x i m u m t r a n s m i s s i o nu n i t ，最大传输单元) 。 l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，逻辑链路控制) 协议负责从s g s n 到手机的数据传 输。它的服务对象为：s n d c p 数据包( 即用户数据) 、用户信令和短消息。服务的类型 有面向连接和无连接两种，用户可以根据q o s 要求选择。 b s s g p ( b a s es t a t i o ns y s t e mg p r sp r o t o c 0 1 ) 是s g s n 与b s s 通讯的最上层协议， 北京邮电大学硕士学位论文 故而它不但发送上层的l l c 数据，还传输s g s n 对b s s 的控制信息。 数据到达b s s 之后，同样是层层解封，最终得到的是l l c 数据帧，b s s 并不对l l c 帧做处理，而只是透明转发。 在b s s 和m s 之间的u m 接口，任何由空中接c i 传输的数据，必须先经过两个协议 的处理，即r l c ( r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 和m a c ( m e d i aa c c e s s c o n t r 0 1 。r l c 将l l c 数据帧拆分成便于空中传输的数据块，并负责空中接口的可靠性保障。m a c 的功能是 控制空中资源的使用，由于一个用户可以使用多个信道，多个用户也可以使用一个信 道，而且，资源的分配是动态的，所以下行传输时，m a c 必须标识当前的数据块是给 哪一个m s 的，上行传输时，必须指定当前资源由谁使用。加上l l c 和m a c 头之后， 数据块被卷积( c o n v o l u t i o n a lc o d i n g ) 和交织( i n t e r l e a v i n g ) 。经过上述处理，最 终得到的突发序列与g s m 无异，每个包含1 1 4 b i t 的数据信息。它们采用和g s m 同样 的方式，通过空中接口，到达m s ，再对m s 解封，即可还原出i p 数据包。至此，i p 包通过了g p r s 网络，承载的功能完成了。 2 1 3g p r s 协议“ 移动台( m s ) 和s g s n 之间的g p r s 分层协议模型如图2 - 4 所示嘲。u m 接目是g s m 的空中接口。u m 接口上的通信协议有5 层，自下而上依次为物理层、m a c ( m d i u m a c c e s s c o n t r 0 1 ) 层、l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 层、s n d c ( s u b n e t w o r kd e p e n d a n t c o n v e r g e n c e ) 层和网络层。 u m 接口的物理层为射频接口部分，而物理链路层则负责提供空中接口的各种逻 辑信道。m a c 为媒质接入控制层。m a c 的主要作用是定义和分配空中接口的g p r s 逻 辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。 网络协议网络协议 s n d cs n d c l l cl l f l 乙c m a c姒c l a p d l a p d 物理链路 物理链路 物理 r f 接口r f 接口 链路 物理链罐 u mr s sg bs g s n 图2 - 4g p r s 协议模型 北京邮电大学硬士学位论文 l l c 层为逻辑链路控制层。它是一种基于高速数据链路规程h d l c 的无线链路协 议。l l c 层负责在高层s n d c 层的s n d c 数据单元上形成l l c 地址、帧字段，从而生成 完整的l l c 帧。s n d c 被称为子网依赖结合层。它的主要作用是完成传送数据的分组、 打包，确定t c p i p 地址和加密方式。 网络层的协议目前主要是p h a s e1 阶段提供的t c p i p 和x 2 5 协议，这些协议 对于传统的g s m 网络设备( 如b s s 和n s s 等设备) 是透明的。 2 1 4g p i l s 的路由管理”1 g p r s 的路由管理是指g p r s 网络如何进行寻址和建立数据传送路由。g p r s 的路 由管理表现在以下三个方面：移动台发送数据的路由建立、移动台接收数据的路由建 立、以及移动台处于漫游时数据路由的建立。 第一种情况，当移动台产生了一个p d u ( 分组数据单元) ，这个p d u 经过s n d c 层处理，称为s n d c 数据单元。然后经过l l c 层处理为l l c 帧，通过空中接口送到g s m 网络中移动台所处的s g s n 。s g s n 把数据送到g g s n 。g g s n 把收到的消息进行解装处理， 转换为可在公用数据网中传送的格式( 如p s p d n 的p d u ) ，最终送给公用数据网的用 户。为了提高传输效率并保证数据传输的安全，可以对空中接口上的数据做压缩和加 密处理。 第二种情况中，一个公用数据网用户传送数据到移动台，首先通过数据网的标 准协议建立数据网和g g s n 之间的路由。数据网用户发出的数据单元( 如p s p d n 中的 p d u ) ，通过建立好的路由把数据单元p d u 送给g g s n 。丽g g s n 再把p ) u 送给移动台 所在的s g s n ，g s n 把p d u 封装成s n d c 数据单元，再经l l c 层处理为l l c 帧单元，最 终经空中接口送给移动台。 第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户，其方式和第 二种情况类似，但不同的是其数据必须经过归属地的g g s n ，然后送到移动用户。 2 2g p r s 的主要特点【q 与g s m 电路交换相比，g p r s 非常重要的优点是引入了分组交换能力，利用g p r s 进行数据传输具有：“永远在线”、“流量计费”、“快捷登录”、“高速传输”等优点。 ( 1 ) 接入范围广 g p r s 是在现有的g s m 网络上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以方便、 快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署。 ( 2 ) 高速传输 北京邮电大学硕士学位论文 传输速率高，数据传输速度可以达到5 7 6 k b o s ，最高可以达到l l s k b p s 一1 7 0 k b p s ， 是常用有线m o d e m 理想速率的两倍，是当前g s m 网络中电路数据交换业务速度的几 十倍。 ( 3 ) 快捷登录 接入时间短，g p r s 接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为两秒。 ( 4 ) 永远在线 提供实时在线功能。“实时在线”，或叫“永远在线”即用户随时与网络保持联 系，即使没有数据传输。终端还是一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常 简单、快速。 ( 5 ) 按流量计费 用户只有在发送或者接收数据期间才占用无线资源，用户可以一直在线，计费 方式是按照用户接收和发送数据包的数量，没有数据流量传输时，用户即使挂在网 上也是不收费的。 2 3 g p r s 的应用 g p r s 是一组新的g s m 承载业务，在有g p r s 承载业务支持的标准化网络协议的基 础上，g p r s 可提供以下一系列交互式业务： 点对点无连接型网络业务( p t p - c l n s ) 点对点面向连接的数据业务( p t p - c o n s ) - 点对多点业务( p t m ) 还能支持用户终端业务、补充业务、g s m 短消息业务和各种g p r s 电信业务 总之，g p r s 可提供网上冲浪、e m a i l 、文件传输、数据库查询、增强型短消息等 业务；可应用于运输业、金融、证券、商业和公共安全业：p t m 业务支持股市动态、 天气预报、交通信息等实时发布；另外，还能提供种类繁多、功能强大的以g p r s 承 载业务为基础的网络应用业务和基于w a p 的各种应用。 北京邮电大学硕士学位论文 第三章g p r $ 终端的硬件设计 3 1g p r s 终端设计方案概述 目前，对于g p r s 移动通信终端的设计，主要有两种解决方案。一种称为“套片 法”或称为“芯片组法”( c h i p s e t ) 。另一种是基于“无线通信模块”( w i r e l e s s m o d u l e ) 的方法。两种方法在使用中各有千秋，各自的优缺点也相当明显。 “芯片组法”顾名思义是指设计者使用半导体芯片生产商提供的产品从芯片级 开始设计移动通信终端。芯片组又分为射频芯片组和基带芯片组两种。国际上一些大 的移动设备供应厂商，如n o k i a ，s i e m e n s ，s u m s u n g 等，主要采用“芯片组法”设 计、生产移动终端设备。国内的一些大的手机生产厂商目前也使用“芯片组法”设计 生产中、低端的手机。 无线通信模块( 简称无线模块) 是指：把射频芯片、基带芯片和g s m 协议栈集成在 一片紧凑的p c b 上，并向外提供标准的硬件引脚和软件接口。目前在g s m g p r s 通信 终端市场，国内厂商自行设计的移动终端，基于无线通信模块的设计( 以下简称为“基 于模块的设计”) 占绝大多数。而在工业用移动通信终端的设计中，基于模块的设计 几乎是一统天下。结合目前对国内手机设计厂商的了解，个人认为，国内厂商偏向于 选择基于模块的设计方法主要还是受到研发能力的限制，即便是采用半导体生产厂商 提供的套片，在p c b 设计、e m c 保护、系统集成和g s m 协议栈等许多方面仍然需要面 对众多的挑战。国内厂商往往起步较晚，这些方面的技术积累还很少。而使用无线通 信模块进行设计就可以大大降低开发难度，缩短设计周期，压缩开发费用。因此，本 方案选用无线通信模块进行移动终端的设计。 针对g p r s 数据业务的典型应用，目前，对g p r s 数据传输产品的开发，主要分为以 下两种方案： 1 ) 、单片机+ g p r s 模块 t c p i p 协议由单片机实现，模块只负责接入g p r s 网络，优点是t c p i p 协议可以灵 活控制，协议内容可根据应用需要进行增减，缺点是对单片机性能要求较高，必须有 内置或外扩的大容量r a m 作为网络通讯协议处理的存储器，相应的硬件成本也较高； 并且由于单片机主要在忙于t c p i p 协议处理也影响了数据传输的速度及可靠性，技术 开发难度也相对较大。 北京邮电大学硕士学位论文 2 ) 、模块内部嵌入t c p i p 协议 由于模块制造厂商对g p r s 数据业务的看好，纷纷推出内嵌t c p i p 协议的无线模 块，优点是省去了单片机处理协议，降低了硬件成本。缺点是缺乏传输协议控制的灵 活性。 无论怎样，由以上两种方案开发的g p r s 数据传输模块都存在着以下两大弊端： 1 ) 、传输参数的设置需要用户设备的参与。用户设备数据采集m c u 不仅要完成有 关的数据采集，还要处理对g p r s 终端设备的无线上网的参数的设置，对于不同的网络 情况设置的参数也不尽相同，每搭建一个系统都要对m c u 重新编程，非常不方便，系 统构成的效率也非常低。 2 ) 、如果用户使用多台g p r s 终端设各构成系统后，没有完善的网络管理功能，或 者需要编制复杂的设备网络管理软件。 综上所述，有必要开发一种g p r s 数据传输终端来构成一套具有网络管理功能的 g p r s 数据传输系统。 数据传输终端的具体设计方案是，选用单片机+ 内t 获：t c p i p 的协议的g p r s 模块实 现，这里的单片机并不进行t c p 仰协议处理，只负责进行传输参数的存储、系统上电 初始化、g p r s 网络连接、用户交换数据的缓存及有关状态管理。而真正用户数据流 的t c p i p 打包都由模块完成，发挥了单片机的管理能力及模块的协议处理能力，各取 所长，形成真正韵智自跃测良s 数据终端。 3 2 硬件设计的总体结构 根据对应用场合的需求分析，本文设计了基于g p r s 网络通信的低成本的终端系 统，主要采用富士通公司的! i i b 8 9 f 5 3 8 芯片作为c p u 处理器，b e n q 公司的m 2 2 模块作 为收发数据的g p r s 通信模块。整个硬件设计的总体结构如图3 - 1 所示： 图3 - 1g p r $ 敷传终端设计图 北京邮电大学硕士学位论文 ( 1 ) 、g p r s 模块选用台湾明基公司0 j e n q ) 的m 2 2 ，它既支持g s m ，又支持g p r s 。 其工作电压较宽，3 2 v 4 2 v 。同时，m 2 2 也支持嵌入式的t c p i p 协议，该协议解 决了从命令模式连接到数据传输模式的一个比较复杂的过程： ( 2 ) 、w a t c h d o g 主要用来防止终端系统死机。m c u 定时发出喂狗信号，一旦软件 运行失控将无法产生喂狗信号，w a t c h d o g 将产生硬件复位信号使m c u 复位，保证系 统重新正常运行； ( 3 ) 、m c u 选用富士通的m b 8 9 f 5 3 8 ，6 4 脚q f p 封装，双串口，r a m2 k ，f l a s hr o m 4 8 k ，带1 2 c ，高性价比，适用于对硬件资源较高的各种场合； ( 4 ) 、e e p r o m 用来存储工作参数，如i p 地址、端口号、心跳时间等； ( 5 ) 、无线模块的耗电具有不稳定的特点，如在待机状态，和基站的握手状态，通 话状态，拨号状态，信号强弱不同的地方等等，这些因素都会直接的影响无线模块的 耗电水平，所以无线模块的电源设计非常重要。系统实行双路供电，一路电源模块 d c - - d c 给g p r s 模块供电，另一路l d o ( l o wd r o p o u t ) 给其他电路供电，以减少对 无线模块供电的影响。 3 3 硬件资源介绍 g p r s 终端主要由m b g g f 5 3 8m c u 和g s 彤g p r s 通信模块构成，为便于理解g p r s 终端的电路设计，下面对选用的主要元器件性能作简单介绍。 3 3 。1g p r s 模块- - m 2 2 t 9 1 3 3 1 1 主要性能 m 2 2 模块是b e n q 公司2 0 0 3 年末推出的新一代无线三频g s m g p r s 引擎。在业内 被广泛应用，受到大多数工业用户的推崇。其具有以下特征： g s m g p r sc l a s s1 0 三频模块( e g s m9 0 0 i ) c s 1 8 0 0 p c s1 9 0 0 m h z ) 工作模式有省电模式、i d l e 、t a l k 、数据等模式 符合e t s i g s m p h a s e 2 + 内嵌t c p ，d 协议 通讯功能：支持g s m 语音、数据、传真、短消息及g p r s 数据传输等 软件支持标准a tc o m m a n d ( 3 g p p2 7 0 7 2 7 0 s ) 4 4 p i n l c c 封装 北京邮电大学硕士学位论文 尺寸：5 5 5x 4 0 x5 9 5r n m 3 3 1 2m 2 2 功能框图 m 2 2 模块主要由g s m 基带控制器、射频模块、供电模块( v b a t ) 、闪存、z i f 连接 器、音频、天线接口、常用接口等部分组成。m 2 2 的功能框图如下： 图3 - 2m 2 2 功能框图 3 3 1 3 眦2 应用接口 m 2 2 的应用接口z i f 4 4 ，包括了所有的对外的引脚：电源连接、控制命令、数据、 语音