（计算机应用技术专业论文）基于wince的工业设备远程监控系统的研究及设计.pdf

华东师范大学硕士学位论文论文摘要 论文摘要 远程监控工业设备，不仅可以实现对现场运行数据的实时采集，获得现场监 控数据，进行远程故障诊断技术，而且可以使技术人员无须亲临现场，特别是环 境很恶劣的情况就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各种参数， 从而减少值守工作人员，最终实现对远端系统的无人或少人监控，达到减员增效 的目的。目前的监控跟踪系统一般是采用运动目标的检测和跟踪，但是这种跟踪 只能在简单情况下适用，如果环境复杂了，这些算法难以实现对形状变化较大的 非刚体目标进行跟踪。现在通过使用g p s 卫星定位技术，结合g p r s c d m a 移 动通讯技术而开发出的车辆监控系统有很多成功案例，但是使用这类技术实现对 远程无人值守的工业设备的监控和防盗，国内目前几乎没有。 本论文在研究g p s 定位技术、g p r s 通信技术以及w i n c e 操作系统的基础 上，设计了一种新的基于嵌入式技术、g p s 定位技术和g p r s 通信技术的工业设 备远程监控系统的解决方案。系统平台采用v s x 一6 15 4 昭营嵌入式p c 1 0 4 单板， 内置w i n c e 操作系统，通过其丰富的外设接口连接g s u 3 6 a fg p s 模块、m c 5 5 g p r s 模块和u s b 摄像头。通过对摄像头拍摄的图像序列自动进行运动检测， 一旦发现被监测的设备在一定范围内有运动，立即触动g p s 模块，g p s 模块将 接收到的定位信息后通过串口发送到系统的主控模块，经主控模块处理后的定位 信息通过g p r s 网络传送到监控中心，同时g p r s 模块发出报警信号通知监视人 员采取及时有效的处理。这可以在很大程度上减轻监视人员的负担，实现无人监 视。当检测到被监测设备有运动时采用g p s 跟踪技术进行实时跟踪。这种用g p s 跟踪技术代替目标跟踪算法的设计，降低了运动检测的复杂性，而且使得跟踪效 果更为显著。最后经过测试使用，达到了视频监控的要求，并且效果良好。 关键字：w i n c e ，g p s 定位技术，g p r s 通信技术，工业设备远程监控，运动检 测 华东师范大学硕士学位论文 a b s t ra c t a b s t r a c t r e m o t em o n i t o r i n gt h ei n d u s t r i a le q u i p m e n t sc a nn o to n l yc o l l e c tt h er e a l - t i m e d a t ao ft h ee q u i p m e n t st of o rm o n i t o r i n go n s i t ed a t ao rr e m o t ed i a g n o s i s ，b u ta i s o e n a b l e st e c h n i c i a n sg e tt h es t a t ea n dp a r a m e t e r so ft h ed e v i c e sw i t h o u tv i s i t i n gt h e s i t e w h i c hr e d u c et h en u m b e ro fs t a f l fr e a l i z i n gu n a t t e n d e do rf e wp e o p l em o n i t o r e d s y s t e m n cc u r r e n tm o n i t o r i n gt r a c k i n gs y s t e mg e n e r a l l ya d o p t e dm o v i n gt a r g e t d e t e c t i o na n dt r a c k i n ga l g o r i t h m , w h i c hc a l lo n l yb ea p p l i e di ns i m p l ec a s e s w h e n t h ee n v i r o n m e n ti sc o m p l e x ，t h e s ea l g o r i t h m sa r ed i 伍c u l tt od e t e c t i o nt h en o n - r i g i d o b j e c t sw h o s es h a p e sc h a n g e dd r a m a t i c a l l y n o wt h eu s e o fg p sl o c a t i o nt e c h n o l o g y c o m b i n e dw i n lg p r s c d m am 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 yo nv e h i c l e m o n i t o r i n gs y s t e mi ss u c c e s s f u li nm a n yc a s e s ，b u tt h eu s eo fs u c ht e c h n o l o g yf o r r e m o t eu n a t t e n d e dm o n i t o r ia n da n t i t h e f ts y s t e mo fi n d u s t r i a le q u i p m e n th a v ev e r y l i t t l ed o m e s t i cr e s e a r c h i nt h i sp a p e r ，a u t h o rd e s i g na ni n d u s t r i a le q u i p m e n tr e m o t em o n i t o r i n gs o l u t i o n w h i c hc o m b i n e se m b e d d e dt e c h n o l o g y g p sl o c a t i o nt e c h n o l o g ya n dg p r sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h cs y s t e mp l a t f o r i l li si c o pv s x 615 4w h i e l lu s e sa n e m b e d d e dp c 10 4 s i n g l eb o a r da n d b u i l t i nw i n c eo p e r a t i n gs y s t e m i tl i n k g s u 3 6 a fg p sm o d u l e , m c 5 5g p r sm o d u l e sa n du s bc a m e r at h r o u g hi t sr i c h p e r i p h e r a li n t e r f a c e o n c et h em o n i t o r i n gd e v i c ew a sf o u n dm o v e dt h r o u g hm o t i o n d e t e c t i o nt h ec a m e r ac a p t u r e di m a g es e q u e n c e ，t h es y s t e mt r i g g e rg p sm o d u l e i m m e d i a t e l y t h e ng p sm o d u l ew i l ls e n dp o s i t i o ni n f o r m a t i o nt h r o u g ht h es e r i a lp o r t t ot h em a i nc o n t r o lm o d u l eo ft h es y s t e m t h ep o s i t i o ni n f o r m a t i o nw h i c hp r o c e s s e d b yt h ec o n t r o lm o d u l et r a n s m i tt ot h em o n i t o r i n gc e n t e rt h r o u g ht h eg p r s n e t w o r k ，g p r sm o d u l es e n da l a r ms i g n a lt oi n f o r ms u r v e i l l a n c ep e r s o n n e ls oa st o t a k et i m e l ya n de f f e c t i v ea c t i o n t h i sc a nr e d u c em o n i t o r sp e r s o n n e l sb u r d e nt oa g r e a te x t e n ta n dr e a l i z e su n a t t e n d e ds y s t e r n 恤c at h em o n i t o r e de q u i p m e n tw a s d e t e c t e dm o v e d w eu s e st h eg p si n f o r m a t i o nt oc a r r yo nt h er e a l t i m et r a c kt h i sg p s t r a c k i n gt e c h n o l o g yr e p l a c e dt a r g e tt r a c k i n ga l g o r i t h mr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo f m o t i o nd e t e c t i o na n dm a k e st h et r a c k i n ge f f e c tm o r er e m a r k a b l y f i n a l l ys y s t e mh a s b e e nt e s t e dt oa c h i e v eg o o dr e s u l t sw h i c hm e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e m o t e m o n i t o r i n g k e yw o r d ：w i n c e ，g p sl o c a t i o nt e c h n o l o g y , g p r sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , r e m o t em o n i t o r i n gf o ri n d u s t r i a le q u i p m e n t ，m o t i o nd e t e c t i o n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：圭釜丕日期：迎盆玺2 兰国2 a 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：善a 弓 日期：幽笙! 姐埋 导师签名：纤 日期：垫q 旦垒2 绍2 国 华东师范大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 现今科学技术飞速发展，尤其是电子技术、自动化技术以及通信技术等的发 展，使得人们对社会信息化、网络化以及移动化的要求越来越高。在许多领域都 需要对大范围的远端设备的数据进行实时的采集、传输，以便人们能够及时地掌 握情况并进行相应的分析处理。例如电力、邮电、商场、交通等公用事业部门需 要实时监测系统的运行状况，并对远端的设备进行监控。但是由于这些系统的分 支机构范围比较广，而且分布地域也比较复杂，如果单单是依靠人力进行监测， 势必会浪费大量的人力、物力，而且效率也比较低，在这种情况下，就迫切需要 一个高效的数据监控系统来解决远程数据监测和控制的问题【l 】。 现在所使用的监控系统通常是由连接到一套电视监视器上的一个或多个摄 像机组成。一些重要的场合如银行、证券交易所、机场、高级社区和大型仓库等 的保安设施中通常都会安装一些可视化的监控设备，从而满足人们“眼见为实” 的要求，但是这种监控系统要求监控人员长期盯着众多的电视监视器来获得视频 信息，然后通过人为的理解和判断，获得相应的结论，做出相应的决策。随着监 视区域的扩大和摄像机安装数目的增多，必须雇佣大量的人员来观察监视器的输 出图像。此外，让监控人员长期盯着众多的电视监视器是一项繁重的工作。监控 人员极易疲倦从而忽略了重要的信息，或者进行了错误的判断，因此使用监控人 员进行监控，会经常发生监控人员漏报警或者误报警，从而极大地降低了系统的 可靠性和可信度。特别在一些监控点繁多的情况下，监控人员实际上几乎无法做 到完整而且精确的监控【2 】。在这种背景下，人们对基于视频图像的智能监控系统 的需求越来越迫切。 当前国内对智能监控系统的研究，主要集中在摄像机标定、多摄像机融合、 目标检测、刚体或非刚体目标跟踪、行为识别与描述等关键技术，其中，运动目 标的检测和跟踪是最基础的核心技术之一。运动检测的目的是从序列图像中将变 化区域从背景图像中提取出来，现在比较通用的经典的运动目标检测算法有：帧 间差分法 3 - 5 】，重建背景、法【6 】等方法。目标跟踪的主要目的是建立目标运动的时 域模型，然后，系统对每个独立的目标进行持续跟踪。这种目标跟踪在简单环境 华东师范人学硕上学位论文第一章绪论 中应用效果比较良好，但是在复杂环境中，要实现对目标快速、稳定的跟踪，就 比较困难。人们提出了在复杂环境下实现跟踪的众多算法，但这些算法都难以实 现对形状变化较大的非刚体目标进行跟踪。 在监控系统中，数据从监控前端传输到处理后台是比较关键的一步。目前用 于远程数据传输的方式通常有： ( 1 ) 、自建微波发射站。这种方式传输速度快、稳定性及可靠性高，但投资庞大， 且运行及维护成本高，而且无线无限频率资源非常紧张。 ( 2 ) 、电话拨号方式。通过现有的电话网，采用m o d e m 拨号的方式进行数据传 输，缺点是易断线，传输速度慢。 ( 3 ) 、租用专用传输线路。租用卫星、光缆、专线等。如d d n 专线、a d s l 专 线。特点是带宽大，但费用很高。 ( 4 ) 、采用无线移动网络。如中国移动的g s m ( g p r s ) 、中国联通的c d m a 等， 在一些现行系统中，有些采用g s m 短信方式，这种方式易于实现，费用不高， 但数据传输量不大，实时性不高，存在时延。 近几年来，以g s m g p r s c d m a 技术为代表的无线通信技术已经相对比较 成熟，监控系统结合先进的无线通信技术，集计算机、通信、机电、自动控制等 多种先进技术于一体，能够实现对分布式系统的实时监控，将运行维护人员从大 量繁琐的工作中解放出来，不仅提高无线监控系统的运行质量，增强无线监控系 统的可靠性和可控性，而且能及时获取系统运行数据以及监控对象的信息数据， 为监控技术提供了先讲的技术手段【6 】。 此外，具有定位精度高、速度快和成本低等特点的全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 的建成和在民用范围的发展，以及其与移动通信技术 的结合，为监控系统提供了良好的技术基础。 1 2 课题主要工作 现在通过使用g p s 卫星定位技术，结合g p r s c d m a 移动通讯技术而开发 出的车辆监控系统已经有很多成功案例，但是使用这类技术实现对远程无人值守 的工业设备的监控和防盗，国内目前几乎没有。 而且目前的监控跟踪系统一般是采用运动目标的检测和跟踪，但是这种跟踪 只能在简单情况下适用，在环境复杂的情况，这些算法则难以实现对形状变化较 2 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 大的非刚体目标进行跟踪。 本论文在研究g p s 定位技术、g p r s 通信技术以及w i n c e 操作系统的基础 上，设计了一种基于嵌入式技术、g p s 定位技术和g p r s 网络技术的远程设备监 控系统。在此系统中，我们抛弃了运动检测中的目标跟踪算法，采用g p s 跟踪 技术代替目标跟踪算法。通过对摄像头拍摄的图像序列自动进行运动检测，一旦 发现被监测的设备在一定范围内有运动，立即触动g p s 模块，g p s 模块接收到 定位信息后通过串口发送到系统的主控模块，经主控模块处理后的定位信息通过 g p r s 网络传送到监控中心，同时g p r s 发出报警信号通知监视人员采取及时有 效的处理。这可以在很大程度上减轻监视人员的负担，从而实现无人监视。当检 测到被监测设备有运动时采用g p s 跟踪技术进行实时跟踪。这种设计，降低了 运动检测的复杂性，而且使得跟踪效果更为显著。最后经过测试使用，达到了视 频监控的要求，并且效果良好。 1 3 论文章节安排 监控系统由监控终端，无线通信网络，监控中心三部分组成。本文重点阐 述了监控终端的设计和实现。本论文在分析g p s ，g p r s ，w i n c e 技术等相关原 理的基础上，详细介绍了基于w i n c e 的工业设备远程监控系统的设计方案和实 现过程，并对系统中的关键技术进行了深入的研究。系统中，根据摄像头采集的 被监控设备的当前帧和之前帧进行比较，若发现设备有运动，则触动g p s 模块 进行跟踪，主控模块通过串口收到g p s 定位信息后，进行相应的压缩处理，然 后通过g p r s 模块上传到监控中心，并进行相应的报警，实现实时监控。 论文的章节按照以下内容来安排： 第一章：智能监控系统的研究背景和意义以及论文的主要工作和章节安排。 第二章：、构成本系统的几个关键技术：g p s 技术，g p r s 技术以及w i n c e 操作 系统。分别阐述了g p s 和g p r s 技术的原理和特点以及w i n c e 操作系统的特点。 第三章：基于w i n c e 的远程监控系统的整体设计，其中，较为详细地分析了此 监控系统的需求，并分别给出了系统的硬件设计和软件设计。此外还介绍了根据 系统需要而自己定义的一种传输通信协议。 第四章：系统的硬件平台构成，对系统的四大硬件平台：主控模块，g p s 模块， g p r s 模块和摄像头模块分别作了详尽的说明。 3 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 第五章：系统各功能模块的软件设计。包括：g p s 模块设计，g p r s 模块设计， 基于w i n c e 的u s b 摄像头驱动设计，图像采集模块设计以及系统的部分性能测 试。 第六章：对本论文主要工作进行了总结，并对下一步工作作出展望。 4 华东师范大学硕士学位论文第二章相关技术与原理 第二章相关技术与原理 2 1g p s 导航技术 全球定位系统，利用导航卫星进行测时和测距。全球定位系统通过在轨的2 4 颗卫星向地面不问断地发射定位信号，通过地面接收机的计算获得实时三维位 置、速度和时间信息，从而实现全球性、全天候、连续的卫星无线电导航服务。 它最早用于军事领域，1 9 9 5 年g p s 系统正式投入商业运行后，已经应用在大地测 绘、车辆定位监控、建筑和农业等各个领域，获得了极高的效益。由于g p s 定位 技术具有定位精度高、速度快和成本低的显著优点，因而成为世界上广泛使用的 全球精密授时、测距、导航、定位系统。 g p s 由美国国防部( d e p a r t m e n to f d e f e n s e ，d o d ) 领导的航空队操作设计 的，且受到美国军方的控制。现在即使全世界范围内有成千上万商业和娱乐用户， 美国国防部仍旧影响着g p s 的规划，运作和使用【刀。整个系统由美国国防部于 1 9 7 3 年开始研究，历经2 0 多年，耗资3 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年投入使用。整个计划 分为3 个阶段实施。第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1 9 7 3 年至1 j 1 9 7 9 年， 共发射了4 颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。第二阶段为全面 研制和试验阶段。从1 9 7 9 年至1 j 1 9 8 4 年，又陆续发射了7 颗试验卫星，研制了各种 用途接收机。实验表明，g p s 定位精度远远超过设计标准。第三阶段为实用组网 阶段。1 9 8 9 年2 月4 日第一颗g p s 工作卫星发射成功，表明g p s 系统进入工程建 设阶段例。 全球定位系统的建成，从根本上解决了人类在地球及其周围空间的导航定位 问题，从军用到民用，对人类的活动产生了巨大的影响。 2 1 1g p s 系统的基本原理 图2 1 为g p s 系统的组成图，g p s 系统包括三大部分【9 】：空间部分g p s 卫星 星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分g p s 信号接收机。 5 华东师范人学硕士学位论文第二章相关技术与原理 图2 1g p s 系统的组成 1 ) g p s 卫星星座 g p s 由2 l 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成g p s 卫星星座，1 i ( 2 1 + 3 ) g p s 星座。2 4 颗卫星均匀地分布在6 个轨道平面内。在用g p s 信号导航定 位时，为了使用三维坐标，必须至少观测到4 颗g p s 卫星，称为定位卫星。 这4 颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某 地某时，甚至都不能测到精确的点位坐标，这种时间段称为“间隙段 由于 这种时间间隙段一般都是很短暂的，从而并不影响全球绝大多数地方的全天 候、高精度、连续实时的导航定位测量。 2 ) 地面监控系统 地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。主控站主要用 于收集、处理本站和监测站收到的全部资料，计算出每颗卫星的星历和g p s 时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导 航电文传送到注入站。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，必要时调度卫星， 让备用卫星取代失效的工作卫星。另外还负责监测整个地面监测系统的工作， 检验注入给卫星的导航电文，监测卫星是否将导航电文发送给用户。注入站 的任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。每天注入三次， 每次注入1 4 天的星历。此外，还能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次 自己的工作状态。五个监测站均用g p s 信号接收机对每颗可见卫星每6 分钟 进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。监测站在主控 站的遥控下自动采集定轨数据并进行各项改正，每1 5 分钟平滑一次观测数 据，依此推算出每2 分钟间隔的观测值，然后将数据发送给主控站t 9 l 。 3 ) g p s 信号接收机 g p s 信号接收机能够捕获到待测卫星信号，并跟踪这些卫星的运行，对所 接收到得g p s 信号进行变换、放大和处理，以便测量出g p s 信号从卫星到 接收机天线的传播时间，解译出g p s 卫星所发送的导航电文，实时地计算出 6 华东师范大学硕士学位论文第二章相关技术与厥理 测站的三维位置，然后根据g p s 卫星在轨的已知位置，计算出接收机天线所 在位置的三维坐标。 2 1 2g p s 系统的定位原理 g p s 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据， 采用空间距离后方交会的方法【l o 】确定待测点的位置。定位有二维和三维之分， 二维定位至少需要接受三颗卫星的星历；而三维定位至少需要接收4 颗卫星的星 历( 这里，星历指的是g p s 卫星的时空信息，即高速运行的g p s 卫星瞬间的空 间位置) 。g p s 共有2 4 个卫星，由于地球上任一点到各颗卫星的距离不等，且都 有一组相对应的比较确定的数据，当用接收机接收到这一组数据信号时，即可用 这组数据到达的时间差来计算该点相对卫星的距离，并以此来确定该点的相对位 置，从而达到定位的目的。 如图2 2 所示，假设t 时刻在地面待测点上安置g p s 接收机，可以测定g p s 信号到达接收机的时间a t ，再加上接收机所接收到得卫星星历等其它数据可以 确定以下四个方程式： 卫星1 星4 图2 2g p s 足位原理图 ( 五- x ) 2 + ( x - y ) 2 + ( z i - z ) 2 】2 + c ( k 。一圪) = d l ( 1 ) 【( 五- x ) 2 + ( 匕- y ) 2 + ( z 2 - z ) 2 】2 + c ( 一) = d 2 ( 2 ) ( 墨- x ) 2 士( e - y ) 2 + ( z 3 - z ) 2 】“2 + c ( 一) = d 3 ( 3 ) ( 以一x ) 2 + ( k - y ) 2 + ( z 4 - z ) 2 】“2 + c ( 一) = d 4 ( 4 ) 上述四个方程式中待测点坐标x 、y 、z 和v 。为未知参数，其中d i = c a t i ( i = l 、 7 华东师范大学硕士学位论文 第二章相关技术与原理 2 、3 、4 ) ，d ，( 忙1 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 到接收机 之间的距离。t i ( i _ l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的信 号到达接收机所经历的时问。c 为g p s 信号的传播速度( 即光速) 。 四个方程式中各个参数意义如下： x 、y 、z 为待测点坐标的空间直角坐标。 x 。、y ；、z ，( i _ l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星l 、卫星2 、卫星3 、卫星4 在t 时刻 的空问直角坐标，可由卫星导航电文求得。 v 。( i = l 、2 、3 、4 汾别为卫星l 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的卫星钟的钟差， 由卫星星历提供。v ，。为接收机的钟差。 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x 、y 、z 和接收机的钟差v ， o 2 2g p r s 网络技术 2 2 1g p r s 简介 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 ，g p r s ) 是g s mp h a s e 2 1 规 范实现的内容之一，能够提供比现有g s m 网9 6 k b i t s 更高的数据传输率。它以 分组交换技术为基础，采用i p 网络协议，使现有的g s m 移动通信网的数据业务 突破了传统业务的速度。相对原来的g s m 电路交换数据传送方式，g p r s 是分 组交换技术，允许用户在端对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， 具有“高速和“永远在线 的优点。 g p r s 被认为是第二代移动通信技术( 2 g ，如g s m 数字移动电话系统) 向 第三代移动通信技术( 3 g ，如c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a ，t d s c d m a ) 演进的重 要一步，属于2 5 代移动通信业务。g p r s 的应用，将使移动通信与数据网络合 二为一，使i p 业务能够引入广阔的移动通信市场。g p r s 特别适用于尖端的、 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传输。使用g p r s ， 可以实现数据分组发送和接收。 g p r s 有很多优势【1 1 1 ，主要表现如下： 1 资源利用率高 g p r s 引入了分组交换模式，而g s m 使用的是电路交换模式。电路交换模 式，在整个连接期间，用户无论是否传送数据都将独自占用无线信道。而分组交 华东师范大学硕士学位论文第二章相关技术与原理 换模式，用户只有在发送或接收期间才占用资源，这意味着多个用户可高效地共 享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。实际上，g p r s 用户的连接时间可 以长达数小时，却只需要支付相对廉价的连接费用。 2 传输速率高 g p r s 可提供高达1 1 5 k b i v s 的传输速率( 最高值为1 7 1 2 k b i v s ) 。这意味着 通过便携式电脑，g p r s 用户能和i s d n 用户一样快速地上网浏览，同时也使一 些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。 3 接入时间短 分组交换接入时间为少于1 秒，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，并可使已有的m t e r n e t 应用( 如e m a i l 、 网页浏览等) 操作更便捷、流畅。 4 支持i p 协议和x 2 5 协议 g p r s 支持因特网上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协议。而且由于g s m 网络 覆盖面广，使得g p r s 能提供i n t 锄e t 和其它分组网络的全球性无线接入。 基于以上的技术优势，g p r s 系统能克服了电路交换型数据传输速率低，资 源利用率差等缺点，特别适用于如g p s 系统这样突发性数据的应用。其 g p r s 佃厂r c p 儿d p 协议栈可以满足数据的实时交换，在现有的公用无线通信系 统中拥有最大的带宽。与目前流行的短消息相比，在相同数据长度，相同时间间 隔下通讯费用是短消息的i n ，甚至更少。 本文的监控系统以g p r s 为传输网络，有效地解决了以往短消息传输方式延 时大、系统实时性差的问题。g p r s 技术提供的高速传输速率和“永远在线、按 流量计费”的优点，使该系统具有良好的适用性、可靠性和可扩展性，而且易于 管理与维护。 2 2 2g p r s 无线通信网络的系统结构 2 2 2 1g p r s 的逻辑结构 g p r s 和g s m 相比，具有相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标 准、跳频规则以及相同的t d m a 帧结构。因此，可以在g s m 系统的基础上构 建g p r s 系统。当在g s m 系统上构建g p r s 系统时，g s m 系统中的绝大部件都 不需要作硬件改动，只需作软件升级，从而形成一个新的网络逻辑实体。 9 华东师范大学硕上学位论文 第二章相关技术与原理 图2 3 是g p r s 基于以太网的无线通讯系统的架构。g p r s 网络在g s m 网络 的基础上增加了一些网络节点，其中两个重要的网络节点是：服务支持节点 ( s g s n ) ，g p r s 网关支持节点( g g s n ) 。g p r s 分组从基站发送到s g s n ，s g s n 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i n t e r n e t 或x 2 5 网络。来自i n t e r n e t 标识有移动台地址的m 包由g g s n 接收， 再转发到s g s n ，继而传送到移动台。 图2 3g p r s 系统结构图 s g s n 的主要用于记录移动台当前的位置信息，并完成b t s ( 基站收发台) 和g g s n 之间的移动分组数据的发送和接收功能。主要功能如下t 1 在其管辖范围内，利用移动管理实时跟踪记录该移动台的位置。 2 收到移动台呼叫时，s g s n 负责激活对该移动台的寻呼功能。 3 提供基站子系统和g g s n 之间的数据分组通讯接口。 g g s n 在g p r s 网络中起到了无线网关的作用，也有人将g g s n 称为g p r s 路由器。通过g g s n ，g p r s 网络可以和其他网络起到连接的作用，进行数据包 协议转换【1 2 】。主要功能如下： 1 提供与外部数据网络之间的接口。 2 维护路由表，实现分组的转发和路由的功能。 3 实现分组数据的过滤。 4 g p r s 终端设备的硬件。 s g s n 和g g s n 利用g p r s 隧道协议( g t p ) 对m 或x 2 5 分组进行封装， 实现二者之间的数据传输【l3 1 。 从逻辑上讲，g p r s 是在g s m 网络的基础上增加了s g s n 和g g s n 这两种 网络实体以及g b 、g n g p 、g s ( s g s n 和m s c 之间的接口) 、g c ( h l r 和g g s n 之间的接口) 等接口来实现的。s g s n 和g g s n 是实现g p r s 的核心实体，通称 l o 华东师范大学硕士学位论文第二章相关技术与原理 为g s n 。s g s n 是提供移动性管理、路由选择等服务的节点；g g s n 是用于接入 外部数据网络和服务的节点【1 引。 2 2 2 2g p r s 的主要实体 1 、g p r s 支持节点( g s n ) g s n 有两种类型：一种是s g s n ，另一种是g g s n 上文都已详细叙述了。 2 、分组控制单元( p c u ) p c u 用于处理数据业务量，并将数据业务量从g s m 话音业务量中分离出来。 p c u 增加了分组功能，可控制无线链路，允许多用户占用同一无线资源。 3 、g p r s 移动台 g p r sm s 能以三个运行模式中的一个进行操作，其操作模式的选定由m s 所申请的服务所决定；即仅有g p r s 服务，同时具有g p r s 和其他g s m 服务， 或依据m s 的实际性能同时运行g p r s 和其他g s m 服务。 a 类( c l a s s a ) 操作模式：m s 申请有g p r s 和其他g s m 服务，而且m s 能 同时运行g p r s 和其他g s m 服务。 b 类( c l a s s b ) 操作模式：一个m s 可同时监测g p r s 和其他g s m 业务的控 制信道，但同一时刻只能运行一种业务。 c 类( c l a s s c ) 操作模式：m s 只能应用于g p r s 服务。 4 、边界网关( b g ) b g 主要完成分属不同g p r s 网络的s g s n 、g g s n 之间的路由功能，以及安 全性管理功能，此外还可以根据运营商之间的漫游协议增加相关功能。 5 、计费网关( c g ) 主要完成从各g s n 的话单收集、合并、预处理工作，并用作g p r s 与计费中 心之间的通信接口。 6 i 域名服务器( d n s ) g p r s 网络中存在两种d n s ，一种是g g s n 同外部网之间的d n s ，主要功 能是对外部网的域名进行解析，其作用完全等同于固定因特网上的普通的d n s ； 另一种是g p r s 骨干网上的d n s 【1 4 1 。 7 、远程接入鉴权与认证服务器( r a d i u s ) 当g p r s 用户进行非透明接入时，网络需要通过r a d i u s 对用户的身份进行 验证和授权。 华东师范人学硕士学位论文 第二章相关技术与原理 2 2 3g p r s 通信 利用g p r s 网络传输数据包括以下几个过程：连接过程、数据传输过程、终 止过程。 下面分别介绍这几个过程： 一、连接过程 连接过程是指在开始任何g p r s 通信前，g p r s 终端( m s ) 与g p r s 网络建立 通信连接链路的过程。在未进入连接状态时，服务器是无法直接与g p r s 设备终 端进行通讯的，必须先由g p r s 设备终端主动向服务器发送数据，进行连接。当 连接的路由建立以后，服务器和终端设备才可以双工地进行数据传输。建立链路 的前提是g p r s 终端附着在g p r s 网络上( s g s n ) ，附着过程【1 5 】如下： g p r s 附着过程如图2 4 所示。当m s 用户进行数据连接时，首先需要进行 网络附着，即用m s 用户的位置和身份登记，然后通过p d p 激活请求信息中请 网络接入，系统根据接入申请信息中的a p n 信息进行处理，例如通过d h c p 服 务器进行用户地址分配，通过r a d i u s 认证服务器进行用户身份认证，最终使合 法用户得到口地址。这时用户成为独立i p 数据用户，可以进行数据连接，进行 数据收发。在用户附着过程中，主要涉及无线系统，如p c u ，s g s n ，m s c 和 h l r 等业务单元，与数据单元无关。在激活p d p 上下文过程中，涉及数据单元 与无线单元的配合，如p c u ，s g s n ，g g s n ，d n s 服务器和d h c p 服务器。 图2 4g p r s 附着过程图 m s 通过附着过程登录到g p r s 网络，从而能够进行位置区的更新，以发 1 2 华东师范大学硕士学位论文 第二章相关技术与原理 起数据传送和接收过程。m s 在附着过程中，通过p c u 进行接入控制和信道分 配，通过s g s n 和h l r 进行鉴权管理，并从h l r 中获得用户签约信息，最终在 m s ，h l r 与s g s n 内部形成有关用户的移动管理信息m s 在未进行附着之前 脱离g p r s 网络，处于空闲状态，不能进行任何数据业务操作。附着之后用户得 到临时身份识别号t l l i ，并在m s 与s g s n 之间建立起逻辑链路，可以进行p d p 上下文激活过程，进行m 地址的申请。 p d p 分组数据协议上下文包含与某个接入网络a p n 相关的地址映射路由信 息。移动用户通过激活p d p 上下文得到动态地址并可随时通过g p r s 接入特定 数据网络。m s 发送p d p 上下文激活请求信息到s g s n ，s g s n 根据a p n 判 断可接入性，并通过d n s 等到相应的g g s n 地址，再通过g n 接口转发p d p 激 活请求信息到g g s n ，由g g s n 控制进行动态地址分配的接入认证。如果a p n 接入允许，m s 与s g s n ，s g s n 与g g s n 之间q o s 协商通过后分配i p 地址 给m s ，并在m s 与相应的s g s n 和g g s n 之间建立p d p 上下文信息。 g p r s 网络通过g i 参考点接入外部数据网络，一般采用基于p 协议和基于 p p p 协议的连接方式。基于m 协议连接时，g g s n 需要支持口协议，并作为路 由器实现网络之间的连接。基于p p p 协议连接时，g g s n 除了需要支持i p 协议 外，还需要支持p p p 协议和其它基于n c p 的应用协议，g g s n 终结到m m s 的 p p p 连接或将p p p 帧传送到p d n ，p p p 帧可以通过l 2 t p 隧道进行封装。使用 p p p 的虚拟拨号信令连接过程如图2 5 所示【1 6 】。 t e 发送a t 命令到m t ，请求参数设定。m t 发送激活p d p 上下文信息到 s g s n ，s g s n 转发激活请求信息到相应的g g s n 。对于成功的p d p 激活，t e 将在l l c 链路建立后启动p p p 协议过程，然后执行端到端的l c p 、鉴权和i p c p ( i p 情况下) 协商。或者在m s 和g g s n 之间协商。 1 3 华东师范大学硕i 二学位论文第二章拥关技术与原理 图2 5 虚拟拨号信令连接 二、数据传输过程 m s 发起数据传输过程、m s 终止的数据传输过程m s 发起数据传输过程与 由网络发起的过程与之类似，外部分组数据网络为i n t e m e t 。g p r s 的基础是以 i p 包的形式进行数据的传输。 要实现设备终端与连接在i n t e m e t 上的服务器之间的通信，需要它们都采用 相同的协议( ( t c p i p 协议) 和工作在相同的网络层面上。考虑到嵌入式系统的特 点，本系统用了简化设计的t c p i p 协议来实现g p r s 通信。主机发送的u d p 数 据报经g p r s 通道传送给g p r s 通信模块，g p r s 通信模块负责对数据报进行解 析，解析后的数据按照一定的波特率串行传送给主控模块。 三、终止过程 在完成g p r s 通信后，需要去除p d p 的激活过程，其操作与连接过程的激活 p d p 过程正好互逆。 2 3w i n c e 操作系统 2 3 1 常见嵌入式操作系统 嵌入式系统是不同于常见计算机的一种计算机系统，嵌入式系统不以独立设 备的形态出现。嵌入式系统的组件根据主体设备以及应用的需要，嵌入在主体设 备内部，发挥着运算、处理、储存以及控制等等作用。从体系结构看，嵌入式系 统主要由嵌入式处理器、外围硬件和嵌入式软件组成。其中嵌入式处理器通常是 单芯片或微控制器，一般是1 6 位或3 2 位，目前3 2 位正在占据主流地位。外围硬件 1 4 华东师范大学硕士学位论文第二章相关技术与原理 主要包括储存组件，如r o m 、r a m 、闪存( f l a s hm e m o r y ) 等；通信组件，如 u s b 接口、网络接口等：显示组件，如v g a 显示卡、液晶显示组件等；i o 接 口，如r s 2 3 2 接口、键盘等等。不少嵌入式系统的外围硬件中还提供模拟信号 与数字信号之间的转换组件。嵌入式软件包括支持硬件的驱动软件、操作系统、 支持软件以及应用中介软件，如通讯协议、图形接口、数据库系统和浏览器等等。 目前嵌入式系统上常用的操作系统有：w i n d o w sm o b i l e ，l i n u x ( 包括r t l i n u x 和u c l i n u x 等各种衍生版本) ，v x