（计算机应用技术专业论文）基于gprscdma的嵌入式通信设备的研究与实现.pdf

摘要 摘要 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史( 其间的发展经历了从以单芯片 为核心的可编程控制器形式到以嵌入式c p u 为基础以简单操作系统为核心的嵌 入式系统再到以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统直到现在的以i n t e m e t 为标 志的嵌入式系统) 。近年来随着计算机软硬件的不断发展，对嵌入式设备的通信能 力的要求也越来越高，这包括嵌入式设备之间的通信、嵌入式设备与其它工业设 备的通信以及嵌入式设备与i n t e r n e t 的通信。与此相适应面向各种领域的嵌入式 通信产品也层出不穷，计算机、通信、消费电子的体化趋势日益明显，嵌入式 技术与通信特别是与移动通信技术的结合将推动通信设备升级换代，使通信设备 向更具有更高的实时性、可靠性、智能性方面发展。基于c d m a g p r s 的嵌入式 通信设备由于它具有成本低、易维护、适用范围广的特点受到广泛的关注。 本课题在分析了国内外同类嵌入式通信产品的特征以后，设计并实现了一个 包含完整的p p p 协议及上层t c p i p 协议，具有无线数据传输功能和无线路由功 能的嵌入式移动通信设备。该设备的硬件采用三星的s c 4 5 1 0 b 嵌入式c p u ，西 门子m c 3 5 1 3 9 i 无线通信模块或a n y d a t ac d m a 无线通信模块，软件采用d e l t a o s 嵌入式实时操作系统，并且提供了命令行，远程t e l n e t 和w e b 等多种配置方式方 便用户配置。同时设备具有完善的异常监测机制，配合硬件看门狗能够及时并有 效地发现硬件异常、无线链路异常、t c p 连接故障；通过备份链路和重发机制， 对发生异常期间的数据进行有效的备份；通过异常处理机制使整个系统能够持续、 稳定地运行，并节省了宝贵的系统硬件资源。另外，设备提供了工业标准的 r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口，可以直接与专业工控采集设备、专业的侦测器连接；以移 动通信网络作为传输介质，有助于实现行业管理现代化、数据采集自动化等目标， 为行业用户机器到机器( m a c h i n et om a c h i l i e ，m 2 m ) 的无线数据传输业务提供服 务，为终端设备无线联网提供了很好的方案。 该设备已经成功应用于水文监测、电力抄表、车辆调度等领域并取得了良好 的效果。体现出了高效、实时和抗干扰的特点。 关键词：d e l t a o s ，g p r s ，c d m a ，嵌入式通信设备 a b s t r a c t _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ - a b s t r a c t i th a sb e e nt h i r t yy e a r sf r o mt h ea p p e a r a n c eo fe m b e d d e ds y s t e m r e c e b t l y , w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h er e q u i r e m e n to f c o m m u n i c a t i o na b i l i t yo fe m b e d d e dd e v i c e si sh i g h e ra n dh i g h e r ；i t c o n t a i n s i n t e r c o m m u n i c a t i o ni ne m b e d d e dd e v i c e s ，c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne m b e d d e dd e v i c e a n do t h e ri n d u s t r yd e v i c ea n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne m b e d d e dd e v i c ea n di n t e m e t a sar e s u l t ，e m b e d d e dc o m m u n i c a t i o nd e v i c e sf a c e dt oa l lk i n d so ff i e l d sa r ee m e r g i n g i nm u k i t u d e t h ei n c o r p o r a t i n gt r e n di nc o m p m e r ，c o m m u n i c a t i o na n dc o n s u m p t i o n e l e c t r o n i ci sm o r eo b v i o u s t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t hc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ye s p e c i a l l y w i t hm 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 yw i l la c c e l e r a t et h e u p g r a d e o fc o m m u n i c a t i o nd e v i c e sa n dm a k et h e mm o r em a l t i m e r e l i a b l ea n d i n t e l l i g e n t t h ee m b e d d e dc o m m u n i c a t i o nd e v i c e sb a s e do nc d m a g p r sa t t r a c t p e o p l e sa t t e n t i o nw i d e l yb e c a u s eo f t h e i rl o wc o s t ，e a s y - m a i n t a i na n dw i d e l y u s e d a f t e ra n a l y z i n gt h ef e a t u r e so fd o m e s t i ca n da b r o a dc o n g e n e r ，id e s i g na n d i m p l e m e n t am o b i l ec o m m u n i c a t i o nd e v i c ei n c l u d i n gf u up p p , u p p e rt c p i p _ d a t a - t r a n s p o r tf u n c t i o na n dr o u t i n gf u n c t i o n t h e h a r d w a r eo ft h i sd e v i c eu s e s s a m s u n g s s c 4 510 be m b e d d e dc p u ，s i e m e n sm c 3 5 1 3 9 io ra n y d a t ac d m a w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ；t h es o f t w a r eu s e sd e l t a o sw h i c hi sa ne m b e d d e d r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m t h ed e v i c ea l s op r o v i d e sm a n yc o n f i g u r a t i o nm e t h o d ss u c h a sc o m m a n d l i n e ，t e l n e ta n dw e b a ts a m et i m e ，i th a sp e r f e c te x c e p t i o nh a n d l i n g m e c h a n i s ma n dc a nf i n dh a r d w a r e ，w i r e l e s sl i n ka n dt c pc o n n e c t i o ne x c e p t i o n e f f i c i e n t l yw i t ht h eh e l po fh a r d w a r ew a t c hd o g i tc a nb a c k u pd a t ad u r i n ge x c e p t i o n p e r i o db yb a c k u pl i n ka n dr e s e n d i n gm e c h a n i s m ；c a nm a k et h ew h o l es y s t e mr u n c o n t i n u o u s l ya n ds t a b l yb ye x c e p t i o nh a n d l i n g t h u s ，l i m i t e dh a r d w a r er e s o u r c e sa r e s a v e d a d d i t i o n a l l y , t h ed e v i c eh a sar s 2 3 2 r s 4 8 5i n t e r f a c et h r o u g hw h i c hi n d u s t r y c o n t r o l l i n gc o l l e c t o r so rs p e c i a ld e t e c t o r sc a nc o n n e c tt oi td i r e c t l y t h ed e v i c et a k e s t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka si t st r a n s p o r tm e d i a ，s oi ti sh e l p f u lt or e a l i z e m o d e mv o c a t i o nm a n a g e m e ma n da m o m a t i cd a t ac o l l e c t i o n i tp r o v i d e sap e r f e c t n a b s 丁r a c t s o l u t i o nt ot e r m i n a l sa c c e s s i n gt on e t w o r ka n dw i r e l e s sd a t at r a n s p o r ts e r v i c ei nt h e s c e n a r i oo f m a c h i n et om a c h i n e ( m 2 m ) f o ri n d u s t r yc u s t o m e r s n o w , t h ed e v i c e sh a v eb e e nu s e dt h ef o l l o w i n gf i e l d s ：h y d r o m o n i t o r , e l e c t r i c p o w e rm e t e ra n dv e h i c l ed i s p a t c h i n g t h e yr u nq u i t ew e l la n dm a n i f e s tt h ec h a r a c t e r s o fe f f e c t i v e n e s s ，r e a l - t i m ea n da n t i - j a m m i n g k e yw o r d s ：d e l t a o s ，g p r s ，c d m a ，e m b e d d e dc o r o m u n i c a t i o nd e v i c e i i i 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 盘蛾 日期：莎伽月? 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) b 凝：a ，0 6 年| r 日 第一章引言 1 1 课题背景 第一章引言 过去2 0 多年来计算机技术取得了巨大的进步，伴随计算机技术、网络及通信 技术的发展，信息化浪潮席卷全球。具有网络通信能力的嵌入式产品越来越受到 重视。尤其是2 0 0 0 年以后随着无线数据通信技术的发展与成熟，嵌入式无线通信 设备的运用更加广泛。嵌入式通信设备的发展经历了从最初功能单一的简单通信， 到实现多种复杂通信协议的完善系统，直到现在的具有无线通信能力并提供多种 接口，开放、互联的系统。 随着中国移动、中国联通等运营商的g p r s 、c d m a 等通信技术的不断发展， 无线上网给人们生活和工作带来了极大的改变。与此同时，也推动了相关无线设 备的发展。 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 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、少量的数据传输，也适用于偶尔 的大数据量传输。由于它是按数据流量收费而不是按通信时长收费，所以更适合 i p 数据业务用户。 目前中国联通的c d m a1 x 网络已经投入运行，它可以提供新型的移动数据 通信业务，c d m a1 x 是在c d m ai s 9 5 系统基础上发展出来的一种新的承载业 务，目的是为c d m a 用户提供分组形式的数据业务。c d m a1 x 理论带宽可达 3 0 0 k b s ，目前的实际应用带宽大约在1 0 0 k b s 左右( 双向对称传输) ，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。c d m a 无线数 据通信系统为用户提供高速、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、交通管理、金融、证券等部门的应用，利 用c d m a 网络平台实现数据信息的透明传输，同时考虑到各行业部门组网方面的 需要，在网络结构上实现虚拟数据专用网。目前的c d m a 移动网络能支持多种丰 电子科技大学硕士学位论文 富多彩的数据通信业务，因此基于c d m a 网络的移动数据通信系统完全能满足各 种数据应用对通信的要求。 目前，嵌入式无线通信设备的应用领域主要有两方面：一是提供无线接入， 比如各类无线路由器，家庭无线网关，无线上网卡等；二是面向行业应用的无线 终端，主要有三种类型，手机终端，p d a 、n o t e b o o k 终端和m 2 m 终端。其 中m 2 m ( 机器到机器) 数据传输方式在行业中有着广泛的应用，通过数据采集 终端对分布于各地的数据进行采集，将采集到的数据通过通用接口链接到无线数 据传输模块( d t u ) ，在数据中心一端以配置专门的模块统一收发数据，通过对 数据的透咀传输，将分布到各个地方的数据收集，发送到相应的数据中心。 m 2 m 设备的广泛需求基于这样一个基本的事实：许多现有的工业设备不具 备网络接口或网络连接能力。如何进行低成本的改造使其具备网络通信特别是无 线网络通信能力? 因为大多数工业设备都有标准串口或者能够与标准串口相连接 的接口，所以可以通过串口与m 2 m 设备相连接，利用m 2 m 设备自身的无线模 块和t c p i p 协议栈提供可靠，低成本的无线数据传输解决方案。 本文以移动数据通信业务的和无线网络技术的高速发展为契机，在广泛了解 国内外移动数据通信研发和应用现状、深入研究相关嵌入式通信技术的基础上， 提出了一种基于c d m a g p r s 嵌入式通信设备的方案，并进行了相应的设计和实 现。 1 2 课题综述 本课题的研究内容来自北京科银京成技术有限公司和成都瑞科技术有限公司 的合作研发项目：嵌入式无线通信设备。该系统是专门针对工业终端设备无线数 据传输和i n t e r a c t 无线接入的解决方案。该设备的硬件主要包括三星的s c 4 5 1 0 b 嵌入式c p u ，西门子m c 3 5 1 3 9 i 无线通信模块或a n y d a t ac d m a 无线通信模块， 软件采用d e l t a o s 嵌入式实时操作系统，软件部分实现了完整的p p p 协议及其上 层t c p 佃协议，可以工作在以下两种模式；透明模式、路由模式。透明模式通过 与工控设备或专业的侦测器连接，实现了行业管理现代化、数据采集自动化等目 标，为行业用户机器到机器的无线数据传输业务提供服务。能够应用于电力、自 来水、天然气等领域表计的计量，还可实现自动测量读取、自动计量发送、远程 信息处理、远程设备监控，以及安防、车辆调度、公众流量业务、工业处理自动 第一章引言 化等任何需要统一管理服务终端的应用方案中，可广泛应用于金融、保险、证券、 商业、公安、交通、税务、气象、石油等行业和领域。 本文作者在该项目中担任主要研发人员，独立完成需求分析、前期原型设计 和实现，并参与后期项目产品化的工作。本课题主要的功能模块有1 2 个，本人独 立完成的有5 个，参与完成的有4 个。 本课题的主要工作有： l ，嵌入式无线通信设备的市场研究和需求分析。 2 通过对国内外主要嵌入式无线通信设备的体系结构和实现方式的研究， 制定了基于c d m m g p r s 的设计目标和总则，提供开放的多接口通信平 台，保证结构的灵活性和应用的广泛性。 3 分析国内外嵌入式通信技术方面的难点和热点。 4 嵌入式通信设备的概要设计和详细设计。 5 ，s c 4 5 1 0 b 串口驱动的实现。 6 p p p 协议的实现。 7 ，短信功能的实现。 8 w e b 方式的用户配置界面的实现。 9 设备的异常处理机制的设计和实现。 1 0 参数保存和读取。 11 ，设备远程升级复位的设计和实现，对简化版本设备的独立配置。 1 2 系统的测试。 1 3 参考手册、用户手册及产品技术白皮书等相关文档的编写。 1 3 章节安排 第一章绪论。介绍了本课题的背景和一些情况，说明课题来源、目标和本 论文主要内容安排。 第二章基本概念和设备特点及应用。介绍了本课题所涉及的一些基本概念， 主要是m 2 m 设备的概念，接着介绍了m 2 m 的发展背景和应用前景。还分析了 本课题所实现设备的特点。 第三章嵌入式通信设备软件的总体设计。结合需求分析细致描述了嵌入式 通信设备统软件的总体结构、运行方式、功能模块划分等部分的设计思路和实现 电子科技大学硕士学位论文 方式。 第四章嵌入式通信设备软件的设计与实现。详细说明了串口驱动、p p p 协 议、嵌入式t c p p 协议栈、n a t 技术、路由功能、短信功能的实现。 第六章嵌入式通信设备的测试。介绍了测试设计、测试内容并给出了最后 的测试结果； 第七章结束语。总结本课题所完成的工作内容和创新点，提出对未来发展 和研究的展望。 最后是致谢和参考文献。 4 第二章基本概念和设各特点及应用 2 1 基本概念 第二章基本概念和设备特点及应用 嵌入式通信设备与无线网络的结合，极大地促进了嵌入式通信设备的发展： 它不但丰富了通信设备原有的使用模式，使其拥有了更广阔的应用前景，还推动 嵌入式通信设备向开放、互联、智能和标准化韵方向发展。 本课题实现的嵌入式通信设备是一种典型的m 2 m 设备。m 2 m ( m a c h i n et o m a c h i n e ) 是嵌入式通信设备应用于无线网络的一个重要的领域。它是指在现有的 移动通讯技术平台上，实现机器与机器、机器与人直接通信和交流的一系列技术 及技术组合的总称。m 2 m 包括了机器、人、无线网络这三种因素，体现了他们 直接的通信关系，所以在广义上m 2 m 包括了如下的含义： 机器对机器( m a c h i n et om a c h i n e ) ； 人对机器( m a nt om a c h i n e ) ； 机器对人( m a c h i n et om a n ) ： 移动网络对机器( m o b i l et om a c h i n e ) 。 如图2 - 1 所示，它涵盖了所有实现在人、机器、系统之间建立通信连接的技 术和手段。 图2 1 m 2 m 概念 电子科技大学硕士学位论文 从狭义上说，m 2 m 只代表机器对机器的通信，目前更多的时候是指非i t 机 器通过无线移动通信网络与各种i t 系统的通信。 2 2m 2 m 的发展背景 为来用于人与人之间通信的终端大概只占整个终端市场的三分之一，而更大 量的通信是机器与机器( m 2 m ) 的通信业务。 本课题实现的嵌入式无线通信设备是对m 2 m 狭义概念的种体现，这也是 以往被人们忽略的一个领域。以前，部分非i t 类机器已经具备了些短距离的与 其它机器通信的能力，如许多智能化仪器都带有r s 一2 3 2 或者g p i b 接口，可以和 计算机或其他有相同接口的机器通信；还有一些工业总线技术可以将许多机器连 接成网络。但更多机器设备不具备本地通信能力，如家庭中的音响无法播放家用 p c 中存储的音乐，几乎所有的非i t 机器设备都不具备远程通信的能力。 长期以来，人们致力于发展p c 、p d a 等“r r 设备”的智能和连接，忽略了 数量巨大的普通机器的通信连网能力。m 2 m 技术综合了通信和网络技术，将遍 布在人们日常生活中间的机器设备连接成网络，使这些设备变得更加“智能”，从 而可以创造出丰富的应用，给日常生活、工业生产等的方式带来新一轮的变革。 现在被人们广泛关注的各种智能化系统，例如智能家居、智能楼宇、智能交 通等，处处渗透和体现了m 2 m 技术和理念。 在当今世界，机器的数量至少是人的数量的四倍，一个潜力巨大的市场即将 形成，现代社会是一个网络化的社会，网络技术的出现和发展给人们的生活带来 了巨大的变化，i n t e r n e t 、g s m 移动网络已经融入到我们的日常生活中。现在， 网络技术正处在一个转变时期，即将过渡到一个新的网络时代。向下一代网络的 转变体现在三个方面： 一是i n t e m e t 将走向下一代，i p v 6 是下一代i m t e m e t 技术，能够有效增强网络 安全与移动性能，可以有效解决现行i p v 4 面临的i p 地址短缺问题。 二是第二代移动通信网路正在向3 g 甚至4 0 演变。移动通信正在从基于电路 交换提供语音服务向提供数据、语音、视频等多种服务转变。目前，移动通信的 语音业务市场趋于稳定和饱和，发展空间变得越来越窄。3 g 是移动通信发展的必 然方向，随着通信速率的增加，业务重心从以语音为主发展到以数字业务、多媒 体业务为主。 6 第二章基本概念和设备特点及应用 三是无线局域网技术的新发展表现为更高的速度、更好的互操作性以及安全 性。 未来，各种通信技术将从平行、独立地发展，逐步走向融合，如移动通信技 术与i p 网络的融合；电信网、电视网、计算机网、卫星通信网络走向融合，为实 现人与人( m a nt om a n ) 、人与机器、机器与机器之间畅通无阻、随时随地的通信 提供一个统一的网络平台。 从计算机网络网络的发展来看，通信最初的目的是实现人与人之间( m a nt o m a n ) 的语音信息交流。移动通信网络使人与人之间随时随地的沟通成为可能。除 了各种i t 设备( 如手机、pda 、笔记本电脑等) 以外、现代越来越多的非it 类 机器和设备嵌入了智能( 感知、计算和通信能力) ，具备了“开口说话”的能力， 可以通过通信网络与其它设备或者i t 系统进行信息交流，实现远程的监控与控 制。为机器与机器之间( m a c h i n et om a c h i n e ) 的数据通信提供网络服务，一定会成 为移动通信网络新的业务增长点。 新一代网络技术是m 2 m 技术的核心和基础，第三代移动通信网络提供全球 覆盖的通信能力，更快的通信速率，更高可靠的安全性，更高的网络容量，更好 的服务质量，为打造一个m 2 m 时代提供了强有力的支持。 2 3 影响m 2 m 技术应用与发展的因素 m 2 m 中的m 为什么可以理解为m o b i l e ? 因为m 2 m 和无线通信技术密切 相关。无线技术使得系统更灵活、更快捷，安装更廉价，应用也更加广泛；主要 的技术提供商也对无线技术更感兴趣。现有的大部分m 2 m 应用都是基于 g s m g p r s 通信网络或c d m a 通信网络的。 目前的m 2 m 应用和计算机中的“中断”方式可以类比：人们不需要定期查询 机器的状态，相反，机器在一定的条件下，自主地发起通信，如计算机系统中外 设向处理器发出中断请求样。g p r s 系统经常在线和按照流量收费的特性，很 符合现有m 2 m 的应用模型，另外，蜂窝式移动通信系统的覆盖能力和范围比任 何通信系统都要广，而且价格低廉，这对m 2 m 也是一种促进。 o s m g p r s 的带宽比较小，这在很大程度上限制了m 2 m 应用的推广和发展。 如果3 g 乃至4 g 可以推广，增大的带宽可以改进现有的许多服务，比如，些当 前只能使用简单命令交互的应用可以改进成为图形交互界面，会使许多应用实用 电子科技大学硕士学位论文 化，比如远程医疗、远程维修等，当然也会出现大量新的应用。 移动互联网技术对m 2 m 的发展有很大影响。用户的移动设备只要可以访问 i n t e m e t ，就可以在更太的范围内检索更加丰富的信息，也可以以更加灵活多样的 方式与设备交互。总地说，就是尽量使得多种不同的网络，如有线电视、有线通 信、无线通信、互联网等等，整合在一个架构下，可能会给现有的服务带来重大 变革。 标准的制定也很重要。如果所有的设备都可以按照同一种标准通信，那么这 样一种网络将具有普适性，设备的易用性将大大提高，对于在非专业客户中推广 产品也将非常重要。 另外，m 2 m 通信模块的功耗和体积都比较小，这需要依靠微电子技术与产 业的发展。 2 4 嵌入式无线通信设备的应用领域 具有m 2 m 特色的嵌入式通信设备可以应用于以下领域： 工业遥信、遥测、遥控 电信行业无人值守站机房监控和远程维护( 如移动基站、微波、光纤中 继站等) 城市配电网自动化系统与抄表数据传输 高压供电设备监测 自来水、煤气管道、闸门、泵站与水厂监控 供热系统实时监控和维护 环境保护系统数据采集 三防与水文监测 气象数据采集 其他无人值守( 如仓库、办公楼等) 监控 金融、零售行业 车载移动银行 p o s 机联网 自动售货机刷卡和商品信息报告 自动柜员机( a 蹦) 联网 第二章基本概念和设各特点及应用 银行储蓄所机房监控 移动证券交易和信息查询 公安交通行业 公安移动性数据( 身份证、犯罪档案等) 查询 交警移动性数据( 车辆、司机档案等) 查询 交通流量监测 车辆违章监测 城市路口交通信息指示牌信息发布 移动车辆监控调度系统 公安、1 1 0 、交警车辆监控调度 银行运钞车、邮政运输车监控调度 出租车刷卡与管理调度 公交车辆调度和指示 集团车辆监控调度 物流系统车辆调度 2 5 工作模式和应用模型 m 2 m 设备可设定成不同的工作模式，满足不同领域用户的要求。不同工作 模式下，该设备在g p r s c d m a 通信系统平台中的位置也不相同。 短信中心模式：工作在用户服务器一方，设备的串口直接与短信服务器 相连； 路由模式：通过以太口与多个后端设备( 可以是直接带以太口的智能设备 或该设备完成串1 ：3 转以太的终端设备) 相连，m 2 m 设备则提供无线路由 功能，让物理位置比较近的多个终端同时连接上g p r s c d m a 无线网络， 实现终端设备与数据中心的双向数据传输； 其它工作模式：通过串口与不同领域的终端相连，并对串口接收到的数 据采取不同的处理方式，以适用于特定的系统环境。 2 5 1 透明模式 透明模式是适用范围最广、通用性最强的一种工作模式。在透明模式下，设 电子科技大学硕士学位论文 备不解析从串口收到的任何数据，直接将数据作为t c p 或u d p 的数据进行打包 发送，而对具体数据的解析分别由后端数据采集终端设备和前端数据中心的相关 服务器进行处理。图2 2 和图2 3 是设备应用于g p r s 环保污染源在线监控系统 解决方案的实例，在该应用实例中，设备工作在透明模式下，设备与监控中心 的数据传输采用t c p 连接方式，被传输的数据格式是由后端的各类监测仪与监控 中心应用服务程序约定好的，是设备所不关心的。因此，对于不同的应用系统来 说，设备具有即插即用的特性，如果系统中其他设备没有特殊约定，一般会采用 该工作模式。 图2 - 2 环保系统单采集终端方案 图2 - 3 环保系统集群采集终端方案 同时，为了满足s c a d a 系统要求，该模式下也可提供一定灵活性：配置命 第二章基本概念和设各特点及应用 令串反向控制终端采集设备，按用户所需改变终端采集设备的工作方式；定义数 据成帧的方式，即设备直接将数据按要求的格式封装成规定的帧，然后通过 t c p ，u d p 传送到上位机。 2 5 ，28 5 8 3 模式 i s 0 8 5 8 3 是金融、工业控制中常用的一个标准，它定义了数据的封装格式等， 有关i s 0 8 5 8 3 标准的细节请参看详细的规范。在8 5 8 3 应用模式下，m 2 m 设备与 后端终端设备遵循一致的消息格式定义方式，i p m o d e m 解析串口收到的消息，并 按照约定的命令格式识别消息，检查校验和，提取消息字段中特定的命令字，执 行相关操作，完成一次完整的命令处理。图2 - 4 是设备应用于金融卡交易g p r s 新方案的实例，在该应用实例中，设备工作在8 5 8 3 模式下。终端采用p o s 机、 a t m 柜员机或圈存机等，终端与数据中心完成一次交易，对应一系列命令，m 2 m 设备需要执行一系列操作，如：网络配置、建立t c p 连接、发送数据、接收数据 等。m 2 m 设备按照约定执行相关操作，提取8 5 8 3 格式封装的业务数据，并进行 相应的传输。 2 5 3 路由模式 图2 - 4 金融卡交易系统 路由模式主要应用于设备作为无线路由器的情况。在此模式下，设备完成以 电子科技大学硕士学位论文 太接口所连局域网到无线网络之间的n a t 路由。而设备的串口用作控制台配置接 口，设备对串口接收到的数据作为标准的控制台命令处理，可以实现对嵌入式通 信设备的配置管理。图2 ，5 是设备用于某电信营业厅的实例。 2 5 4 短信中心模式 图2 - 5 某电信营业厅无线网络系统 该模式下，g p r s c d m a i p m o d e m 工作在用户服务器一方，串口直接与短信 服务器相连。设备利用g s m 网络收发短消息，完成对短消息的编解码，并与短 信服务器通过串口传输短消息的内容。 图2 - 6 短信中心系统 在工作模式1 3 中，嵌入式通信设备都是将串1 ：3 收到的部分或全部信息通过 无线网络发送到数据中心，设备在这些工作模式下实时循环检测g p r s c d m a 主 链路，当发现g p r s c d m a 主链路故障后自动切换到备份链路，即短消息链路。 1 2 第二章基本概念和设备特点及应用 在完成切换之前，设备将向指定的短信中心发送告警，切换之后向短信中心发送 关键数据。由于短消息收发都需经过特定编码，在以p c 为硬件平台的服务器如 果直接从g p r s c d m a 模块上接收的短消息，需自己完成短消息的编解码工作， 而设备在短信中心模式下，自动完成对短消息的编解码，用户服务器只需关心应 用数据，不用考虑短消息编解码方式。图2 - 6 中“短信中心”是指用户的短消息 处理中心，设备a 工作在短信中心模式下，与用户的短信中心主机之间通过串e l 相连，负责接收短信，并将短信中包含的数据信息进行解析，再以字符串的形式 发送到短信中心，短信中心即可方便的获得想要的信息。 2 5 5c a m e r a 模式 m 2 m 设备可以通过串口外接摄像头，能够随时随地拍摄照片，以j p e g 的格 式传送到设备，并经过设备打包传送到远端的监控中心，实现远程的图像监控， 特别适合于环境保护、公交系统等多种应用领域。m 2 m 设备将摄像头拍摄的图 片经过无线网络发送到数据中心，数据中心能够通过应用程序实时监控摄像头所 在的现场情况。 2 6 其它一些m 2 m 产品 面向行业应瑙的无线终端中以m 2 m 嵌入式通信设备的发展最为迅速。 n o k i a 公司是最早提出m 2 m 概念的公司，它的m 2 m 产品也最具特色。n o k i a1 2 模块就n o k i a 公司专门为m 2 m 应用和其它无线解决方案设计的嵌入式无线通信 模块，由于它广泛的特性，所以适用范围很广。在n o k i a1 2 模块内部能够用j a v a 来实现应用逻辑。除此之外，n o k i a1 2 模块还提供先进的g s m 连接功能，它可 以通过自动的建立g s m 连接而支持e d g e g p r s 和h s c s d 和与其相对应的鉴权 机制。在可靠性方面n o k i a1 2 模块提供应用级的看门狗，内建自我检查机制和一 个可靠的j a v a 虚拟机。n o k i a1 2 模块具有内建的可靠i n t e m e t 协议；由t c p i p 协 议来保证可靠的数据传输，由u d p i p 协议来保证音频和视频流，由h t t p 协议 来访问页面。通过支持c o r b a 来进行数据交换。为了加强安全性，n o k i a1 2 模 块使用a u t o p i n ，g s m 加密积安全代码。它采用c h a p 协议作为鉴权方式，c h a p 协议是在无线连接建立的时候进行密码鉴别的一种协议。n o k i at 2 模块能够方便 地与符合n m e a 标准的g p s 设备相连。它内建n m e a 解释器，这个解释器可以 1 3 电子科技大学硕士学位论文 解释从外部g p s 设备得到的位置信息( 比如经纬度、海拔、日期和时间) 。j a v a 应 用程序可以非常方便地处理这些位置信息。外部的微控制器可以使用a t 命令来 跟n o k i a1 2 模块通信，利用文本消息就可以对远程i o 应用进行控制。n o k i a l 2 模 块能够提供私有消息，安全消息，通过文本消息提供对i o 应用的定时功能控制。 n o k i a1 2 模块还为软件开发人员提供免费的软件开发包，和一部分通信揍议的简 单实现。图2 7 是n o k i a1 2 模块的结构图。 图2 7 n o k i a1 2 模块结构图 1 4 第三章嵌入式通信设备软件的总体设计 第三章嵌入式通信设备软件的总体设计 3 1 基本设计概念和处理流程 设备软件采用模块化层次结构，目的是减少层次之间的相关性，方便后续的 软件维护。 3 t 1 模块的划分和层次的说明 整个系统按照从下到上的功能划分为以下几个模块：数据通路模块、数据传 输模块、系统支持模块、异常处理模块、配置管理模块。模块结构如图3 1 。 图3 - 1 软件模块结构图 数据通路模块的功能： ( 1 ) 无线链路的连接和关闭； ( 2 ) 链路监控( k e e p a l i v e 、接收监控) ； ( 3 ) 短信传输数据； ( 4 ) 远程唤醒； ( 5 ) 告警。 数据传输模块的功能： ( 1 ) 模式的运行： 电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) r t u 设备的控制。 系统支持模块的功能： ( 1 ) t c p i p 功能； ( 2 ) d a y t i m e 功能： ( 3 ) 注册功能： ( 4 ) 心跳功能。 异常处理模块的功能： 为以上所有模块运行时产生的错误提供处理方式。 配置管理模块的功能： 提供以上所有模块的配置。 3 1 1 1 数据通路模块 对数据通路层的规定如下： 1 向外提供功能接口。上层使用这些功能接口使用数据通路层的功能； 2 向外提供状态接口。上层使用这些状态接口感知数据通路层的状态； 3 向外提供配置接口。上层使用这些配置接口配置数据通路层的运行方式 4 能够自动的处理发生的异常，保证数据通路层的正常运行； 数据通路层的具体说明： 无线模块状态： 1 i n i t ； 2 r e a d y ； 3 e r r o r ； 数据传输方式： 1 g p r s c d m a 传输； 2 s m s 传输； 无线连接状态： 1 。初始化； 2 正在拨号； 3 成功连接； 第三章嵌入式通信设备软件的总体设计 4 正在断开连接： 5 正在复位； 数据通路的运行流程： 1 无线模块状态 无线模块的状态转换如图3 2 。 图3 - 2 无线模块状态转换 数据通路首先会检测无线模块，并根据检测的结果填写无线模块的状态。如 果无线模块的状态不是r e a d y ，说明无线模块不能正常使用。数据通路层会将该 情况上报，上层感知该情况后可以考虑其它的传输策略。 在设备的运行过程中，数据通路层也会对无线模块进行检测( 主要是在异常 出现时) ，并根据结果填写无线模块状态。 2 数据传输方式 无线模块的状态为r e a d y 时，数据通路层会继续检测数据传输方式。 数据传输方式：g p r s c d m a 传输或s m s 传输； 如果传输的方式为s m s 传输，上层发下来的数据都将使用短信的方式发送出 去： 当使用s m s 发送了一些数据以后，可以将数据传输方式从s m s 切换到 g p r s c d m a 。 3 无线连接状态 如果传输方式是g p r s c d m a ，上层的数据都会通过g p r s c d m a 传输到网 络上，然后由数据通路模块检查运行方式是长连接还是短连接。 a ) 长连接 数据通路尽力维持g p r s c m d a 的连接，并使用它们进行数据的传 输。出现异常时，数据通路使用异常处理，将数据传输方式切换到s m s 传输或初始化无线模块等； 电子科技大学硕士学位论文 b ) 短连接 数据通路的数据还是主要依靠g r p s c m d a 传输。但一般情况下无 线连接的状态维持在“初始化”状态。只有接收到拨号命令时才会去建 立无线连接。出现异常时，数据通路使用异常处理，将数据传输方式切 换到s m s 传输或初始化无线模块等。 3 1 1 2 数据通路以上层模块 对数据通路层之上层次的规定如下： 1 使用数据通路层提供的状态接口感知数据通路层当时的运行状态和运行 方式。并根据这些信息决定自己的处理方式； 2 使用数据通路层提供的接口来控制数据通路层的运行； 数据通路以上层的运行流程： 1 检测数据通路层的“数据传输方式”。 2 如果是“s m s 传输”，需要发送的数据交给数据通路层的短信发送接口发 送出去。而需要使用g p r s c d m a 的其他操作必须等待或使用异常处理； 3 如果是g p r s c m d a 传输方式，检测无线连接状态。如果是“成功连接”， 将进行相关操作；如果不是这个状态，应用必须等待或使用异常处理； 3 1 2 工作模式的划分 系统的工作模式有四种：a t 扩展、透明、路由、摄像模式。每种模式至少要 提供以下几神接口：模式初始化、模式正常运行、模式结束。 模式初始化：模式运行之前所有的初始化活动都由该接口提供。它需要完成 的功能有：串口的初始化、缓冲的分配、s o c k e t 的创建、新任务的创建、设置处 理异常的方式等。 模式正常运行：初始化完成后，模式的主要功能将在该接口中得到体现。它 在系统的主任务中被调用。 模式结束：当模式的功能完成或在人工的干预下，需要切换模式或重新初始 化，系统将会使用该接口。它正好和“模式初始化接口”的功能相反，完成相关 的释放工作。 3 1 3 功能的定义 第三章嵌入式通信设备软件的总体设计 除了以上几种模式外系统还有以下的功能，它们主要用于监控和管理，游离 于各种模式之外。系统的正常运行需要这些功能强有力的支持，以降低错误的发 生率，并根据实际的情况进行必要的调整。以下的所有功能将完全独立出来，不 再和系统中的模式进行绑定。 1 注册：当和无线网络建立了p p p 连接后。将设备相关的信息发送到注船中 心。 2 心跳；定时将设备信息通过无线或有线的方式发送到心跳中心。 3 定时向串口1 发送命令串：定时将配置好的命令串发送到串口1 。可用于 工控设备的控制。