（计算机系统结构专业论文）基于gprs与arm的环境监测系统的研究与实现.pdf

硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 中文摘要 随着我国经济的快速发展，工业化程度的不断提高，自然生态环境受到了严重 的破坏，而国家对环境保护也越来越重视，但我国环境监测系统相对落后，主要以 人工采集和实验室分析为主。由于环境监测地点分散，不便于数据的统一管理，若 采用人工抄送数据的方式，则监测效率太低、实时性差，而采用有线监测的方式则 需要铺设专用传输线缆，耗费大量人力、物力，针对以上问题本文研究并实现了一 个基于g p i 塔和a r m 的环境监测系统。 首先，本文从理论角度研究了g p r s 无线通信技术、a r m 嵌入式技术，并分 析了环境监测系统的功能需求，从而设计了系统的总体结构，主要包括三部分：监 测仪、g p r s 网络和监测中心软件。监测仪以a r m 7 微控制器l p c 2 2 2 0 为控制核心， 传感器负责采集s 0 2 浓度、温度和湿度，g p r s 模块将环境数据以g p r s 无线的方 式传输到服务器上的监测中心软件。按照模块的设计思想完成了硬件电路的设计， 包括主控制部分、信号采集部分、通信部分和电源变压模块电路，并采取了相关的 硬件抗干扰措施。 其次，本文构建了嵌入式系统的调试开发环境，移植了i 上c o s 1 i 实时操作系统， 设计了各个硬件驱动，将应用程序按功能划分为6 个任务，采用了软件滤波算法处 理环境数据，并利用w m s o c k 和m y s q l 数据库技术设计了监测中心软件，该软件 具备实时数据的查看，历史数据的查询、图表分析和报表打印等功能。 最后，经过实地测试并进行了结果分析，测试结果表明该系统可以达到无线、 实时、连续监测s 0 2 浓度、温度和湿度的目的，且系统工作稳定。该系统利用现有 的g p r s 和i n t e r a c t 网络，把各个孤立的环境监测区域联系成为了一个大的环境监 测网络，为环境保护工作提供了更为有效的监测方式。 关键词：g p r s ；删；环境监测；g c o s ；实时 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t w i 也t h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e ma n dt h er i s i n gl e v e l so fi n d u s t r i a l i z a t i o n , t h e n a t u r a le n v i r o n m e n th a sb e e ns e v e r e l yd a m a g e d a l t h o u g ht h eg o v e r n m e n th a sb e g a nt o p a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，o u re n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g s y s t e mi sr e l a t i v e l yb a c k w a r d , w h i c hi sm a i n l yb a s e do na r t i f i c i a la c q u i s i t i o na n d l a b o r a t o r ya n a l y s i s s i n c et h em o n i t o r i n gl o c a t i o ma r es c a t t e r e d , i ti si n c o n v e n i e n tt o u 曲t h ed a t am a n a g e m e n t , f ft h ed a t ai sc o l l e c t e dt h r o u g hm a n p o w e r a l s o ，i tw o u l db e i n e f f i c i e n ti ft h ed a t ai sc o l l e c t e dt h r o u g hw i r e ，w h i c hr e q u i r e st r a n s p o r t a t i o nw i r ea n d c o n s u m e sl o t so fm a t e r i a lr e s o 嘲f o rt h ea b o v ep r o b l e m s ，a ne n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do ng p r sa n da r m1 e c h n i q u ci sr e s e a r c h e da n di m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h et h e o r yo ft h eg p r st e c h n o l o g ya n da r mt e c h n o l o g ya r es t u d i e di nt h i s p a p e r , t h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h em o n i t o r i n gs y s t e ma r ca n a l y z e d , t h e nt h e o v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sd e s i g n e d , w h i c hc o m p r i s e st h r e ep a r t s ：m o n i m r ，g p i 塔 c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dm o n i t o r i n gc e n t e rs o f t w a r e n em o n i t o ru s g sl p c 2 2 2 0a s i t sc o n t r o lc 0 r ew h i c hi sa 舢7m i c r o c o n t r o l l e r , n s o r sc o l l e c tt h ed a t ao fs 0 2 。 t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , t h e nt h eg p r sm o d u l eu x m f e r st h e s ed a ma c c o r d i n gt h e g p r st ot h em o n i t o r i n gc e n t e rs o f t w a r ew h i c hi so n 也es e r v e r a l s o t h eh a r d w a r ei s d e s i g n e d , i n c l u d i n gm a i nc o n t r o lc i r c u i t , s i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i t , c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t a n dv o l t a g et r a n s f e rm o d u l ec i r c u i t 恤：t sm o r e , t h ea n t i i m e r f e r e n c ea b o u tt h e h a r d w a r ei se o m i d e r e d s e c o n d l y , t h ed e b u ge n v i r o n m e n to fe m b e d d e ds y s t e mi sb u i l ti nt h i sp a p e r , p c o s - i ii s1 z a n s p l a n t e di n t ot h ea rm d e v e l o p m e n tp l a t f o r m , t h ed r i v eo fe v e r yh a r d w a r ei s d e s i g n e d , a n dt h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi sd i v i d e di n t o6t a s k s ，t h ef i l t e r i n ga l g o r i t h mi s u s e dt od e a lw i t ht h ee n v i r o n m e n td a t a , t h em o n i t o r i n gc e n t e rs o r w a r ei sd e s i g n e db a s e d o n 飘r m s o c ka n dm y s q ld a t a b a s et e c h n o l o g y , w h i c hh a st h ef u n c t i o no fr e a l - t i m ed a t a v i e w , h i s t o r i c a ld a t aq u e r y , c h a r ta n a l y s i sa n dp r i n tc t c f i n a l l y , t h ef i e l d t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a na c h i e v et h ep u r p o s eo f w i r e l e s st r a n s m i s s i o n , r e a l - t i m ea n dc o n t i n u o u sm o n i t o r i n go ft h es 0 2 ，t e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t y m o r e o v e r , t h es y s t e mw o r k ss t a b l y 乃f es y s t e mp r o p o s e di nt h i sp a p e ru s e st h e e x i s t i n gg p r sa n di n t e m e tn e t w o r k , l i n k st h ei s o l a t e de n v i r o n m e n tm o n i t o r i n ga r e a s t oa m a j o rr e g i o n a le n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gn e t w o r ka n dp r o v i d e sam o r ee f f e c t i v ew a yf o r e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n k e yw o r d s ：g p r s ；a r m ；e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ；t t c o s - ；r e a l - t i m e 硕士学位论文 m a s t e r st h e $ i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作孝签名：摩q 午 j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学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。同意华中 师范大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 作者签名： 纠节 f 导师签名： 允许北京万方数据电子出版社出版的中国学位论文全文数据库将本人论岛 以电子、网络、镜像及其他数字媒体形式公开出版。钐卅、z v 储弛：卅于 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回童途塞握变质进卮；旦圭玺；旦= 生；旦三生筮查! 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 引言 第一章绪论 近几年来，为了保护资源环境，国家高度重视节能减排工作，出台了一系列政 策措施。2 0 0 7 年，国务院制定了节能减排综合性工作方案，对节能减排的工作 进行了全面部署。 方案指出，“十一五”期间，中国主要污染物排放总量需减少 1 0 ，到2 0 1 0 年，二氧化硫排放量应由2 0 0 5 年的2 5 4 9 万吨减少到2 2 9 5 万吨n 1 。 s 0 2 是大气主要污染物之一，是一种具有强烈刺激性气味的无色气体。在大气 中，s 0 2 会氧化成硫酸雾或硫酸盐气溶胶，是环境酸化的重要前驱物。s 0 2 浓度在 0 5 p p m 以上对人体健康存在潜在性影响嗍，随着其浓度的增加，支气管炎、肺气肿、 肺癌等发病率增加，死亡率上升，因此必须严格控制其排放。 要严格控制污染物的排放，必须采取有效的监测措施。环境监测的方法是在排 污点及需要监测的区域设置环境监测点，然后将环境监测点采集的数据进行汇总、 分析。我国环境监测系统相对落后，主要以人工采集和实验室分析为主。随着自然 环境受到越来越严重的破坏，对环境监测技术的要求也越来越高，所以监测系统的 实时化、智能化、无线化、网络化成为研究重点。 随着移动通讯网络g s m ( g 1 0 b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i e a t i o m ，全球移动通 信系统) 的发展，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) 技术趋于 成熟，它为无线上网提供了新的手段。g p r s 采用分组交换技术，数据传输速度最 高可达1 7 1 2 k b p s ，另外还具有接入时间短、永远在线、以数据流量计费、覆盖范围 广泛、费用低廉等特点，是目前解决移动通信服务的一种较完美的业务脚。通过现 有的g p r s 网络，设备可方便地利用i n t e m e t 的服务与在i n t e m e t 上的数据中心交换 数据，达到无线传输数据的目的。 经过十几年的发展，嵌入式技术已经在很大程度上改变了人们的生活、工作和 娱乐方式，而且这些改变还在加速。微处理器是嵌入式系统的核心控制部分， a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 是一种3 2 位r s i c 的微处理器，以其精简的硬件核 心、超低功耗、设计灵活、丰富的软件及开发工具支持，被广泛应用于消费电子、 无线通信、手持设备和工业控制系统等领域h 1 。a r m 微处理器占据了3 2 位微处理 器7 5 以上的市场份额，全球8 0 的g s m 3 g 手机、9 9 的c d m a 手机及绝大多 数p d a 产品均采用a r m 体系的微处理器。 本课题介绍了一个基于g p r s 与a r m 的环境监测系统，监测对象除了空气中 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s s 0 2 的浓度，还有温度和湿度两个重要的指标，该系统可以集中对各个分散监测区 域中s 0 2 浓度、温度和湿度进行无线、实时、连续的监测。g p r s 无线传输方式依 赖于现有的移动通信网络及服务商，解决了架设通信设备和专用线缆，监测区域分 散而不便于数据统一管理等问题，并且保证了环境数据传输速度快、实时性高、费 用低廉。a r m 嵌入式技术保证了系统的实时化、智能化、稳定性高、扩展灵活。 1 2 课题来源 目前我国环境监测仪器水平不高，环境监测以人工采集和实验室分析为主，国 家高度重视利用科技改进环境保护的工作效率，投入大量的人力、物力做相关的研 发工作，未来环境监测仪器的发展方向为实时化、智能化、无线化和网络化。 本课题源于将科技融入到环境保护方面的研究项目 g p r s 环境监测系统中 的一个子系统，该项目获得湖北省第七届挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛一等 奖。 1 3 国内外环境监测系统的发展及研究状况 国外一些发达国家开展环境监测的研究工作较早，如今已经取得了显著的成 绩，并且拥有大批科研成果和技术专利，在环境监测方面发挥了重要作用。 英国森戈集团研发的a m b i r a k 空气质量监测系统，可以监测氮氧化物( n o x ) 、 碳氧化物( c o x ) 、二氧化硫( s 0 2 ) 、硫化氢0 - 1 2 s ) 、臭氧( 0 3 ) 、甲烷月 甲烷碳氢化合物 ( c h 卅乍c h 4 ) 、氨气c n 1 3 ) 等7 种气体，远程主机能够对系统进行远程控制及通讯， 具备系统记录和诊断功能，能够自动生成数据报表和标定报告嘲。 挪威e n s y s 公司主要研发水资源管理和空气质量等环境监测系统，在很多国 家都组建了区域级以及国家级的环境监测网络，对环境数据实现了分级的收集、管 理、显示及发布。 澳大利亚g r e e ns p a n 公司研发的全自动废水在线监测仪可监测多种污染物， 日本纪本公司生产的v s 5 0 1 0 总氮及v s 5 0 2 0 总磷在线自动监测仪，在控制水体富 营养化方面起着重要作用，两者都是采取j i s 标准方法；在总量控制方面日本使用 c o d 自动监测仪；为了推广实现有机污染物排放总量的控制，还推广了t o c 和u v 在线自动监测仪】。 美国还利用r s ( r e m o t es e n s i n g ，遥感) 与g i s ( g e o g r a p h i ei n f o r m a t i o ns y s t e m ， 地理信息系统) 技术对密西西比河流域地区土地资源、岸线资源等进行调查与动态监 测n 1 。r s 作为一种高效的信息采集手段，为g i s 提供了信息源和数据更新手段，而 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s g i s 提供一系列基本数据库，补偿了卫星数据的不足，并增强信息处理和分析能力， 提高遥感数据的分类精度。 国外的环境监测系统具有无线自动化、高可靠性、高实时性等优点。能实现远 程控制，智能分析，应急处理等功能，智能化水平比较高。但是他们的价格也较昂 贵，单个终端产品在几百美元至几千美元不等，成套产品可到达几十万美元。 我国开展环境监测的研究工作较晚，自主研发的环境监测系统相对落后。随着 我国环境保护工作的发展，我国环境监测技术取得了一定的进步。我国研发的烟尘 采样器、总悬浮微粒采样器、污水流量计等环境监测仪器已接近国际先进的监测水 平，在国内占据了很大的市场份额。但这些仪器多是中小型企业生产，主要为中低 档水平，远不能满足我国环境监测工作发展的需要，并且长期以来对环境因子的监 测，主要集中在两种方案哺1 ： ( 1 ) 利用仪器在各个监测点进行数据采集，然后人r n 这些监测点去抄取数据。 这种方案监测效率不高，不能达到自动化、智能化，需要耗费大量人力、物力。 ( 2 ) 数据传输采用有线传输的方式，铺设专用线缆。这种方案在监测效率上比 第一种方案有所改进，但线缆的后期维护工作复杂，而且也需要耗费大量的人力、 物力。 1 4 本文主要工作 本文是基于g p r s 与a r m 的环境监测系统的研究与实现，首先从理论角度对 环境质量的监测、g p r s 无线传输技术、a r m 嵌入式技术进行阐述，确定了系统的 组网方式，选择了嵌入式处理器及嵌入式操作系统，分析了系统的功能需求后提出 了系统的总体结构，然后分模块对系统的硬件设计进行了描述，构建系统软件调试 开发环境，完成嵌入式操作系统i 上c o s i i 的移植，开发该硬件平台相应的设备驱动 和应用程序，并设计了监测中心软件。最后对系统进行测试分析，总结整个系统的 设计工作，并对系统的改善做出展望。 1 5 论文的组织结构 本论文共分为六个章节，各章节内容分别如下： 第一章，绪论。提出本课题的来源及研究意义，介绍国内外环境监测系统的发 展及研究现状，概述本文的主要工作及章节结构。 第二章，环境监测系统的总体设计。通过分析监测系统的功能需求后设计了系 统的总体结构，并介绍了g p r s 技术与a r m 嵌入式技术的特点，确定了组网方式、 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a r m 微处理器l p c 2 2 2 0 和嵌入式实时操作系统g c o s 。 第三章，监测仪的硬件设计。给出了监测仪硬件的总体结构，按功能将其划分 为主控制部分、信号采集部分和通信部分，分模块完成各个硬件电路的设计，并介 绍了硬件的抗干扰设计。 第四章，环境监测系统的软件设计。系统的软件设计包括监测仪软件和监测中 心软件的设计。介绍了监测仪总体软件设计流程，构建了嵌入式调试开发环境，完 成r t c o s n 操作系统的移植，设计相关硬件的驱动程序，并在环境数据的处理中采 用了软件滤波，最后设计了监测中心软件的总体结构，介绍了通信部分及数据表的 设计。 第五章，系统测试，先分模块对g p r s 模块的信息状态和数据传输进行测试， 然后进行系统的总体测试。 第六章，总结与展望，总结系统开发的工作内容，并对系统的改善提出了一些 展望。 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章环境监测系统的总体设计 2 1 系统的功畿分析 该环境监测系统是为了集中对各个分散监测区域中s 0 2 浓度、温度和湿度进行 远程、实时、连续的监测。可以在各个监测区域安装监测仪，监测仪实时地将采集 的s 0 2 浓度、温度、湿度值通过g p r s 无线的方式传输到服务器上的监测中心软件， 从而达到实时监测的目的。 项目的开发首先要立足于明确的需求分析，嵌入式系统的开发更是这样，只有 明确了系统的功能需求，才能做出好的产品。本环境监测系统的功能分析如下： 1 监测仪长时间连续的工作 若要实时、连续的监测环境数据，则监测仪必须在监测区域中长时间连续的工 作，所以应该提供不问断的电源供应。考虑到某些偏远地区市电供应不方便及停电 的因素，监测仪采用市电、太阳能电池板和蓄电池的供电方式。另外监测仪采用低 功耗芯片，节约能源并可延长供电中断情况下蓄电池的续航能力。 2 实时性 本系统要到达实时监测环境数据的目的，应该具备环境数据传输的实时性。 g p r s 采用分组交换技术，提供端到端的、广域的无线口连接，数据传输速度 最高可达1 7 1 2 k b p s 、具各接入时间短、永远在线等特点，保证了环境数据传输的 实时性。g p r s 数据通信的传输层可利用的协议有t c p 和u d p 。t c p 是面向连接 的传输，传输可靠保证数据的顺序，但速度慢：而u d p 是面向无连接的传输，传 输速度快，可靠性比不上t c p 。本系统要达到数据实时传输的目的，要保证数据传 输的速度要求，部分数据的丢失或顺序颠倒并不影响性能，所以g p i l s 数据通信的 传输层采用u d p 的传输协议。 3 采集监测区域空气中s 0 2 浓度、温度、湿度 为了达到自动化、智能化的要求，环境数据的采集功能可以采用相应的传感器 来实现。 s 0 2 为有毒气体，需要采用气体传感器来采集，气体传感器是一种将气体的成 份、浓度等信息转换成被人员、仪器仪表等利用的信息的装置，一般被归为化学量 传感器。气体传感器包括：半导体式、催化燃烧式、电化学式、红外线式、热导式 等。电化学传感器是线性传感器，通过电极与被测气体发生电化学反应并产生与气 体浓度成正比的电信号来工作，该类型传感器的优点是检测气体的灵敏度高，选择 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 性好幻】，信号处理算法简单，所以采用s 0 2 电化学传感器。 为了减小电路设计规模，降低系统复杂度，采集温度和湿度采用温、湿度集为 一体的智能传感器。 4 实时的将监测区域的环境数据通过g p r s 网络传输 要知道环境数据所对应的时刻，可以采用r t c 时钟芯片来达到计时的目的， 时钟芯片一般采用纽扣备用电池，可保证供电中断情况下时钟芯片继续工作；若要 实现数据通过g p r s 网络传输功能，可以采用内嵌t c p i p 协议的g p r s 模块，整 个模块集成度高，通信干扰小，支持a t 指令，通过串口方便控制，大大缩短开发 时间，并提高整个系统的稳定性。该模块具有网络工作模式、短信工作模式和透明 传输工作模式，网络工作模式可实现数据通过g p r s 网络传输功能。 5 若监测区域的环境数据超过安全值，则将报警短信发到监测人员的手机上 g p i 峪模块具有短信工作模式，可以实现发送报警短信的功能。 6 服务器上的监测中心软件实时的接受环境数据 本环境监测系统的通信结构可采用客户栅服务器的模式，通信通过w m d o w s s o c k e t ( 简称w m s o c k ) 套接字来实现，它是网络通信的基本操作单元，是应用层到传 输层的接口，提供了基于t c p i p 协议的接口实现。同样为了保证实时性，通信的 传输层采用u d p 协议。 7 通过监测中心软件可以对历史数据进行查询、图表分析、报表打印等操作 监测中心软件需要数据库来完成数据的存储及相关操作功能。m y s q l 是一个 小型关系数据库管理系统，虽然其规模和功能比不上其他大型数据库如o r a c l e 、 d b 2 、s q ls e r v e r 等，但其体积小、速度快、代码开源等特点，使其广泛应用于中 小型系统n 町。考虑到速度、成本和功能要求，本系统采用m y s q l 数据库。 2 2g p r s 技术简介 2 2 1g p r s 技术的原理及特点 移动通信技术起源于无线电发明之日，而蜂窝移动通信是从二十世纪七十年代 中后期开始发展的。移动通信综合了有线和无线的传输方式，给人们带来了一种方 便快捷的通讯手段。我国移动通信发展至今，已经经历了两代，而第三代正处于推 广阶段1 。 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 ) 是通用分组无线服务技术的简称，是一种基 于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线p 连接n 2 】。这项技 术处于2 g 和3 g 移动通讯技术之间，被描述成“2 5 g 。g p r s 突破了g s m 只能提 6 硕士学位论文 h l a s t e r st h e s i s 供电路交换的方式，分组型数据业务与电路型数据业务的对比如表2 1 所示。 表2 1分组型数据业务与电路型数据业务的对比表 对比内容 ( g p r s ) 电路型数据业务( 9 6 l ( b p s 以 分组型数据业务 下数据业务及h s c s d ) 无线信道专用，最多4 个时隙捆绑共享，最多8 个时隙捆绑 链路建立时间呼叫建立时间长短，有“永远在线”之称 传输时延短，适合于实时性强的业务适度的传输时延 传输速率 从小于9 6 k b p s 到5 7 6 k b p s最大1 7 1 2 k b p s 初期投资少，需增加l w f 单元 费用较大，需增加网络 网络升级费用 及对b t s b s c 进行软件升级 设备，但节省基站投资 提供相同业务代价价格昂贵、占用系统资源多价格较便宜、占用系统资源少 g p r s 在通信过程中，首先进行数据分组，数据被分解成一定长度的数据 包，每个数据包具有一个包头，包头中的地址标志表示该分组被发送的地址。 在数据传送之前不用分配信道，建立连接，而是当每个数据包到达的时候，根 据数据包头中的目的地址信息，临时分配一个信道将该数据包发送出去。在 g p r s 的通信过程中，数据的发送和接收方没有占有固定的信道，信道相当于 被所有的用户共享。 g p r s 网络只需要在g s m 网络中增加g g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ， g p r s 网关支持结点) 、s g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ，g p r s 服务支持结点) 和p c u ( p a c k e tc o n t r o lu n i t ，分组控制单元) 来实现n 到，使用户能够在端到端分组方 式下发送和接受数据，s g s n 与g p r s 网关支持节点进行通信，g g s n 对分组数据 进行相应的处理后发送到目的网络，如i n t e m e t 或x 2 5 网络，g p r s 网络的结构如 图2 1 所示。 分组交换业务通道 图2 1g p r s 网络的结构图 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s g p r s 技术具有以下特点n 劬： ( 1 ) 传输速度高。传输速度相当g s m 的1 0 倍，最高可达1 7 1 2 k b p s 。 ( 2 ) 接入时间短。能够提供快速即时的连接，接入时间小于1 秒。 ( 3 ) 永远在线。由于接入时间极短，不需要每次数据的访问建立呼叫连接，所 以可以随时与网络交换数据。 ( 4 ) 按数据的流量计费。通信所产生的费用按数据的流量来计算，而不是以上 网的时间为标准。 ( 5 ) 支持m 协议和x 2 5 协议。g p r s 支持应用最广泛的m 协议和x 2 5 协议， 并且由于g s m 网络覆盖广泛，使g p r s 能够与i n t e r n e t 和其它分组网络实现全球性 的无线互联。 本系统利用g p r s 的数据传输方式不用自己铺设专用线缆，依赖于现有的移动 通信网络及服务商，无线、覆盖范围广泛等特点解决了监测区域分散的问题，方便 数据的集中，g p r s 的传输保证了环境数据传输速度快、实时性高、费用低廉等优 点。按照目前中国移动的收费标准，5 元一个月包3 0 m 流量，大于单个监测仪在一 个月内产生的流量，随着3 g 技术的推广，g p r s 服务的费用会越来越优惠。 2 2 2 组网方案 本环境监测系统的监测仪必须接入g p r s 网络才能与监测中心软件进行数据通 矗 l 目o 目前中国移动g p i 述用户有两种网络接入方式：c m n e t ( c h i 】隐m o b i l ei n t e m e t ) 和a p n ( a c c e s sp o i n tn a m e ) 。c m n e t 是供大众用户接入i n t e r a c t 使用，而a p n 主要针对相关行业用户，需要向中国移动申请，具有良好的安全性，但需要另外支 付相应的费用。 监测中心软件接入i n t e m e t 也有两种方式：采用固定妒地址和动态域名解析的 方式。动态域名解析方式需要为域名支付相应的费用并增加了应用的难度，而固定 p 地址方式稳定、费用相对较低。 综合考虑稳定性、费用等因素，本系统采用c m n e t 与固定d 地址的组网方 案。 2 3a r m 嵌入式技术简介 2 3 1 嵌入式系统的组成及特点 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是当今最热门的技术之一，嵌入式系统本 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l 8 身是个相对模糊的定义，一个被普遍认同的定义n 匐是：以应用为核心，以计算 机技术为基础，软硬件可裁减，适应于对功能、可靠性、安全性、体积、重量、成 本、功耗、环境、安装方式等方面严格要求的专用计算机系统一实现某些特定要求 的计算机应用系统。 嵌入式系统应用广泛，包括工业控制、消费电子、网络、医务医疗、航空 航天、军事国防、环境监测等领域，像我们平常常见到的手机、p d a 、m p 4 、 数码相机、机顶盒、交换机、路由器等都是典型的嵌入式系统。 嵌入式系统与通用的计算机系统相比，具有如下特点： 1 专用性强 嵌入式系统是根据特定应用而设计的，系统功能专一。嵌入式系统的软、硬件 应该根据功能需求来裁剪设计，从而整体达到低成本和高性能的特点。所以嵌入式 系统采用的硬件和软件种类繁多，系统不具通用性。 2 低功耗、高稳定性 嵌入式系统所应用的环境条件各异，有的场所环境非常恶劣，有的要求其能够 长时间连续地运行，因此嵌入式系统应该具备高可靠性、高稳定性和低功耗等性能。 3 高实时性 嵌入式系统应该具备良好的响应速度，特别是在处理高实时性事物的场合，而 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求，并且软件固化在存储器中，以 此提高系统的运行速度。 4 代码优化 嵌入式系统的硬件资源有限，因此软件代码应该尽量占用较少的空间，并且具 备较强的健壮性。 5 多任务的操作系统 嵌入式系统的应用程序可以在没有操作系统的情况下直接在芯片上运行，但为 了保证每个任务问工作的稳定性以及传输数据和命令的准确性与实时性，应该采用 r t o s ( r e a lt n n eo p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，并且可以减少系统的开发时间，保障 软件的质量。 6 专门的开发工具和环境 嵌入式系统的开发需要专门的开发工具和环境d 叼，这些工具和环境是基于通用 计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、信号示波器等调试工具，开发时往往 有宿主机和目标机的概念，宿主机即通用计算机，目标机即嵌入式设备。在宿主机 中做程序的开发工作，程序代码开发完毕后，通过下载工具将程序固化在目标机中， 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 从而目标机可以正常运行，在系统的开发过程中往往需要进行交叉结合开发。 嵌入式系统由硬件和软件两部分组成，硬件包括嵌入式微处理器和外部设备， 软件包括嵌入式系统和应用软件。 l j 嵌入式系统的硬件 嵌入式系统的控制核心是嵌入式处理器n 7 1 ，它的种类多样，从最初的4 位处理 器，到目前任大规模应用的8 位单片机，再到最新受到广泛青睐的3 2 位、“位嵌 入式c p u ，目前全世界嵌入式处理器的品种数量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结 构有3 0 多种。其中从单片机、d s p 到f p g a 都有各种样式，速度越来越快、性能 越来越强、价格也越来越低。 近年来嵌入式微处理器的发展方向是小体积、高性能和低功耗。专业分工也越 来越明显，出现了专业的i p ( i n t c u e c t u a lp r o p e r t yc o r e ，知识产权核) 供应商，如a r m 、 m i p s 等，他们通过提供优质、高性能的嵌入式微处理器内核，由各个半导体厂商 生产面向各个应用领域的微处理器芯片。 2 嵌入式系统的软件 嵌入式系统的软件由嵌入式操作系统和应用软件两部分组成。操作系统是连接 硬件与应用程序的系统程序，操作系统可以更高效地调度硬件资源工作。 目前嵌入式操作系统主要有两大类：实时操作系统和分时操作系统。其中实时 操作系统是指能够实时控制系统工作的操作系统n 耵，它的首要任务是调度可利用的 资源来达到实时控制的目的，其次才是提高系统的使用效率。 嵌入式实时操作系统在目前嵌入式应用中越来越广泛，尤其在功能复杂、系统 庞大的应用中n 明，这归因于嵌入式实时操作系统的以下特点： ( 1 ) 提高了系统的可靠性。利用自身的监控进程，嵌入式实时操作系统能够修 复受损的进程，并且采取相关的可靠措施来应对异常的情况，从而保证了系统的可 靠稳定性。 ( 2 ) 提高了开发效率。嵌入式实时操作系统环境下的应用程序可分解为多个任 务模块，每个任务的调试修改都不影响其他的模块，所以其开发可以同步进行，并 且其配套的开发工具和软件也大大提高了开发效率。 ( 3 ) 充分发挥了3 2 位c p u 的多任务性能。3 2 位c p u 的处理速度高于8 、1 6 位的c p u ，适用于对实时性、稳定性、功耗有要求的应用，目前其应用相当广泛， 另外它是为运行多用户、多任务操作系统而设计的，所以要发挥3 2 位c p u 的性能， 应该采用多任务实时操作系统。 随着嵌入式技术与i n t c r n c t 技术的发展，嵌入式系统的研究和应用产生了如下 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 的变化： ( 1 ) 新的微处理器层出不穷，其结构得到优化从而更加有利于移植。 ( 2 ) 嵌入式系统的开发将成为一项系统工程，开发商除了提供更优的嵌入式软 硬件资源，还应该提供强大的硬件开发工具和软件支持包，从而成为一个整体的系 统工程。 ( 3 ) 逐步将通用计算机上的新技术移植到嵌入式系统中，使嵌入式平台更加完 善。 ( 4 ) 各类嵌入式l i n u x 操作系统迅速发展，由于其具有代码开源、系统内核小、 执行效率高、网络结构完整等特点，较符合信息家电等嵌入式系统的需求，形成了 能与w - m d o w sc e 、p a l mo s 等嵌入式操作系统进行竞争的局面。 ( 5 ) 随着信息技术的发展，i n t e m e t 技术的日益成熟，人们对资源共享的要求越 来越多，因此嵌入式系统的网络化、信息化成为必然趋势。 ( 6 ) 随着i c 0 n t e g r a t ec i r c u i t ，集成电路) 技术的发展，精简系统内核，优化关键 算法，降低功耗和软硬件成本成为发展趋势。 ( 7 ) 随着嵌入式系统的发展，嵌入式系统已慢慢深入到人们生活的方方面面， 如智能手机、p d a 、m p 4 等，因此需要这些产品具备更加友好的多媒体人机交互界 面，方便人们享受娱乐。 监测仪是一个典型的嵌入式系统，它专门为监测环境中s 0 2 浓度、温度和湿度 而设计，需要在各种复杂的监测区域中长时间稳定工作，实时嵌入式操作系统可保 证每个任务间协调工作的稳定性以及传输数据和命令的准确性与及时性。 2 3 2 嵌入式处理器的选择 嵌入式处理器是嵌入式系统的控制核心，所以处理器的选择对监测仪至关重 要。 嵌入式处理器可分成4 类，即嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 、 嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u 单片机) 、嵌入式d s p 处理器 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 和嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。d s p 主 要应用于音、视频处理，s o c 是为专用目的而设计的集成电路。 目前广泛应用在控制方面的嵌入式处理器有a r m 微处理器与单片机，它们的 区别如下： ( 1 ) a r m 微处理器的处理速度快。单片机一般是8 位、1 6 位处理器，处理速度 有限，一般在简单的工业控制方面应用较多，而a r m 微处理器为3 2 位处理器，处 硕士学位论文 m 【a s t e r st h e s i s 理速度较快，应用领域广泛。 ( 2 ) a r m 微处理器的接口丰富。a r m 集成了丰富的接口资源，如a d 转换器、 1 2 c 、s p i 等，大大缩小了外围电路的规模，系统的集成度高、体积小、扩展性强。 单片机接口较少，需要外扩接口电路，系统的集成度低、体积大、扩展性弱。 ( 3 ) a r m 支持实时操作系统。一般单片机系统的开发是前后台模式，而实时操 作系统在实时性、稳定性、任务的处理能力方面优于前后台模式。 ( 4 ) 单片机的价格低廉且开发简单。相对a r m 处理器，单片机更适合于对价 格有严格控制且控制简单的应用。 综合以上特点，为了保证系统的智能化、实时化、稳定性高、扩展灵活等要求， 选用删微处理器。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 有三种理解：a r m 公司、a r m 微处理器和a r m 技术嘶1 。a r m 公司主要做基于r i s c 技术的芯片设计工作，然后转让设计许可， 由其合作公司生产具有各种特色的a r m 微处理器芯片。a r m 技术是基于a r m 微 处理器与相关开发工具的设计开发技术。 a r m 公司开发了很多系列的a r m 处理器核( 并非芯片，a r m 核与其他部件如 r a m 、r o m 、片外设组合在一起构成芯片) ，目前应用比较多蚴的是a r m 7 系列、 a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 系列、s e c u r c o r e 系列和i n t e l 的s l r o n g a r m 、 x s c a l e 系列。 a r m 7 t d m i 是a r m 公司最成功的微处理器m 之一，基于a r m 体系结构的 v 4 版本，是目前最低端的a r m 核，具有广泛的应用，其显著应用为数字移动电话。 a r m 7 t d m i 采用三级流水线结构，指令的执行分成取指、译值和执行3 个阶段。 a r m 7 t d m i 的具体含义捌为： ( 1 ) a