（精密仪器及机械专业论文）基于GPRS的远程监控系统的应用研究.pdf

东南人学颂i j 学位论义 摘要 本文在对目前远程监控系统可能采用的几种主要的通信方式的原理和特点进行比较的基础上， 选择了g p r s 作为远程监控系统中的通信方式，并以车辆定位信息远程传送模块币1 电力远程数据采 集模块为例，开展了具体的研究和设计。 采用g p r s 技术，硬件上需要加入g p r s 无线模块，软件上需要实现p p p 、i p 、u d p 币jt c p 等 网络仂、议。本文根据两个模块硬什平台的不同特点，设计了两种不同的硬件结构利软什框架。 乍辆定位信息远程传送模块的处理器采用5 1 系列单片机，通过扩展的两个串口分别与g p sl5 ( g p s 接收机) 和c m s 9 1 ( g p r s 无线模块) 相连。由于单片机性能有限，对软件结构和网络协议 都作了必要的殴计和简化。为避免处理器堆栈溢出，各协议的函数不相互调用，而是由主程序调j ； j 。 协议数据报存放在内存页中，传递数据报只需给出内存页号即可。p p p 协议的协商自动机根据实际 的协商流程作了简化，运输层使用u d p 协议。 电力远群数据采集模块的处理器采用高性能的s 3 c 4 4 b o x ，它的两个串口分别与c m s 9 i 和现场 智能设备相连。在s 3 c 4 4 b o x 上移植了l a c o s i i 嵌入式操作系统。各软什模块都以任务的形式存在， 由 t c o s 一润度运行。为了增强可椎性，传输层使j 【； jt c p 协议，能够与对方建立一个连接，有重发 和基本的流控功能。 经测试，两个模块能够顺利地进行g p r s 拨号，并发送数据。数据通过i n t e r n e t 传至测试主机 的延时不超过3 秒，丢包率很低，基本满足了设计要求。 关键字：远程监控，g p r s ，t c p i p ，p p p ，嵌入式系统无线通信，a r m 7 ，j i c o s j 题名：基于g p r s 的远程监控系统的应刚研究 研究生姓名：朱炫鹏 导师姓名：朱欣华 学校：东南大学 东南大学嘲t ? 学位论文 a b s t r a c t r e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do ng 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 ) i s d i s c u s s e di nt h i sp a p e r g p r si so n ek i n do fw i r e l e s sn e t w o r k ，a n df i t sf o rr e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m v e h i c u l a ro r i e n t a t i o ns y s t e mb a s e do ng p r sa n de l e c t r i c i t yr e m o t em o n i t o rs y s t e mb a s e do n g p r sa r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e ra se x a m p l e s t h es y s t e mb a s e do ng p r sn e e d sa d d i t i o n a lg p r sw i r e l e s sm o d u l ea n ds o m en e t w o r k p r o t o c o l s w h e r e a st h eh a r d w a r ep l a t f o r m so fv e h i c u l a ro r i e n t a t i o ns y s t e ma n de l e c t r i c i t y r e m o t em o n i t o rs y s t e ma r ed i f i e r e n t ，t h ed i f i e r e n ts o f t w a r ef r a m e w o r k sa r ed e s i g n e d t h em i c r oc o n t r o l l e ro fv e h i c u l a ro r i e n t a t i o ns y s t e mi s51s e r i e ss i n g l e c h i pp r o c e s s o r w i t hl i t t l e m e m o r y t h e r e f o r e ，t h en e t w o r kp r o t o c o l si nt h i ss y s t e ma r er e d u c e d ，t h e ，i n c t i o n so ft h ep r o t o c o l sa r ec a l l e db yas i n g l em a i nf u n c t i o nt oa v o i dt h es t a c ko ft h em i c r o c o n t r o l l e ro v e r f l o w i n g t h ep a c k a g e so ft h ep r o t o c o l sa r es t o r e di nt h em e m o r yp a g e s i n a d d i t i o n t h ef i n i t ea u t o m a t i o no fp o i n t t o p o i n tp r o t o c o li sr e d u c e d t b em i c r oc o n t r o j l e r c o m m u n i c a t e sw i t hc m s 9 1a n dg p sr e c e i v e rb yt w os e r i a ip o r t s t h e m i c r o p r o c e s s o r o f e l e c t r i c i t y r e m o t em o n i t o r s y s t e m i s h i g h p e r f o r m a n c e s 3 c 4 4 8 0 xt h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m g c o s i i i sp o r t e dt os 3 c 4 4 8 0 x e a c h s o f t w a r em o d u l eo ft h es y s t e mi sat a s ki nt h eg c o s i it h ep r o c e s s o rc o m m u n i c a t e sw i t h c m 8 9 1a n di n t e l l i g e n td e v i c eb yt w os e r i a jp o r t s t h et w os y s t e m sb a s e do ng p r sa r ea b l et os e n dd a t at ot h ec o m p u t e ro ni n t e r n e t i n a d d i t i o n t h ei n t e r v a io fc o m m u n i c a t i o ni si e s st h a n3s e c o n d s k e yw o r d s ：r e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m ；g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ；t c p i p ；p p p e m b e d d e ds y s t e m ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；a r m 7 ；g c o s i i 1 i i 东南大学坝士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用l 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。 研究生签名：笠盆乞道曰期：趁翌壁 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学何沦文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：塞琏越导师签名： 日期：筮塑鲑 第章绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 随着通信技术和信息处理技术的迅猛发展，两者的结合远群监控系统已成为当前研究领域 的火热点。远稚监控系统是指在远离被控对象的情况r ，能够及时获知被控对象的i 作状况，必 要时发出指令对其进行遥控的系统。远程监控系统的出现，使上作人员不需要到达现场，只要坐在 监控中心就能够掌握全局，及时得到被控对象的详细情况，迅速作山决策并有效地执行，人人提高 了：】j 作效率，节省了人力物力也提高了系统对突发事件的应变能力，将是并行业监控系统的发展 趋势。 远群监控系统的用适十分广泛，在交通、电力、1 农业、水利、环保、建筑等行业已有人量的 应j _ i j 。 在交通领域，n , l hg p s 全球卫星定位系统、g i s 地理信息系统平| j 无线通信技术【日以构成一个币 辆监控禾i 调度指挥系统。它具有对机动车辆导航、调度、管理、防盗、防抢、救助等功能，能够很 好地满足指挥凋度系统的管理以及车辆防洛、报警、求助的需要。它利削g p s 系统确定车辆的位置， 通过无线通信技术向监控中心报告这些信息，监控中心的g i s 实时显示车辆的准确仿管。受过训练 的专业人员为使用者提供管理、凋度、救生、咨询等服务，使司机的生命安全得到保证，对集团i l j 户则可以提高车辆的运营效率，降低运营成本。1 1 1 扯l b 力行业，电女i 的远程监控系统可监视发【也机绸运行、存储机组运行参数，井通过h 联网进 行数据传送。在办公室等任何互联网接入点都可浏览电站的运行情况和监控机绸运行参数， 实现 远稗管理；销售部i j 可以通过互联网演示和介纠发电站机绸的实时运行情况。该系统为电站的管理 提供了方便，现已在多个电站投入应用，并正在逐步推j “。口j 变电站的集中式在线监控系统可实现对变压器套管、避雷器和耦台电容器等设备的在线监控， 监控数据存储在数据库文件中，可被随时调用，也可对监控数据的历史发展变化趋势，随温、湿度 的变化曲线及同类设备的相对变化曲线进行商看和分析。远程监控摆脱了地域的限制，实现了无人 值守，对丁地处偏远的变电站，更具有现实意义。【j j 在f 业领域的其它行业，例如，传统的可移动超重机械的监控方式比较落后，管理人员不能够 对台或多台可移动起重机械进行有效的监控和管理。对于同定的起重i 殳备的监控可以通过传感器 和数据线实现。对丁可移动起重机械，可采熠远程监控系统。在起重臂安装传感器，实时传输起 重机械的j 。作参数，计算， 作量并监控：作的安全性。h 煤矿井f 排水系统则是煤矿生产中的主要i l 作系统之一，它承担着捌山井卜全部涌水的重要任 务，是保证煤矿安全生产的关键设备。排水系统是煤矿生产的耗电人户，有效地控制排水系统，对 煤1 安全生产意义重人，也是降低煤炭生产成本的有效途径。土排水泵计算机远群监控系统实f l t ：i 圳排水系统各项运行参数，计算排水系统的运行效率是否达到要求，判断设嵛检修质量是否符合标 准，白动控制排水泵的运行。对保证设备的安全、经济运行有重大意义。p 1 在农业方面，随着社会经济的发展，我国的温室规模不断扩大。温室环境的远程监控系统是同 时管理多个温室大棚的有效措施，是实现农业生产自动化、高效化的关键环节之一。温室综台环境 控制系统首先对环境的状态进行监洲，乔对采集来的数据经过必要的处理后汇总剖信息数据库经 过分析决策后实施控制行为。该系统可有效提高作物产量，有较好的经济效髓。 6 1 在现代化水产养殖中，养殖产量及安全生产与养殖环境条什密切相关。鱼类对养殖水体的水温、 溶解氧、d h 值、透明度、氨氮值及大气压都十分敏感。因此，对阻上参数进行自动监测准确地为 科学营理提供技术参数，对提高集约化养殖程度，实现养殖生产自动化都有重要意义。1 在水利方面目前对河流水系洪水的监测，对引水闸、排灌站和船闸站的监控及定期收集数据 等，都采用人1 ，操作，现场记录数据汇总后，定时向管理中心报告。管理中心根据这些数据进行巩 策。这种方法- ，动力成本高，受人为因素影响人。在建立了带有无线数据采集模块的i ： 动监测系统 1 i 彳，就可及时获取现场数据，升定时将现场监删数据传送剑管理中心，这样不但1 ，约成本、维护简 东南人学硕士学位论义 单，更重要的是管理中心能及时监测全局的数据，形成精确数据分析系统，以预；9 1 | | 发展趋势，从容 庶列各种紧急情况。p o 近年米，超声波测距技术得到了r 泛的麻州。但是，现有的酱通超声测距仪只能对获取的信号 进行简单的数字化显示，不能分析数据并进行相应的控制。带有远程监控功能的超声波测距系统可 通过台式机动画显示测量数据，远群设置超声测距仪的参数，控制相关设备的运行。h 1 在环保领域，随着现代化程度的提高，整个社会对环保问题越来越重视。为了有效保护城市的 环境，环保部门必须实时监测各处的污染状况及时处理出现的问题。污水排放远程监控系统对众 多排放单位排污口进行2 4 小时不问断监控，采集排污数据并上传，使作人员在调度室就能及时：j ： 握各处的排污情况，若山现超标可及时赶往现场处理。采_ l _ j 这系统，避免了为采集数据米闸奔波， 协省了人蛙的人力，可以有更多的时间去处理山现的问题，使l 。作更加主动。i i o | 对医疗行业米说，在目前的输液治疗中，输液速度和输液量儿乎全是由护+ 手1 ：控制剌估计的， 数值并不精确，误著较大时对疗效会产生一定影响。若使用对人体器官作用敏感需要严格控制输液 速度和输液量的药物，则可能导致病情加重，甚至危及生命。为此，某医院臼行研制开发了一套输 液远程监控系统。该系统由上位机和现场智能节点构成，现场智能节点通过架在输液器观察窗口的 光电传感器米测量输液速度，用步进电机带动执行机构对输液管进行松紧调亿从而精确控制输液 速度。上位机可实时显示各病床的输液情况，使所有病人的输液过程一日了然。该系统实现了输液 过释的无人看护，大大减轻了医护人员的二l ：作量，提高了医护质量。1 对建筑业而言，随着信息技术的发展，人们对生活质量的要求不断提高，已不满足丁在家庭l = | 部实现网络化、白动化，还希望能够在千里之外就可以对所有家庭网络上的电气设备和环境进行监 测和控制，远程监控技术已经成为智能住宅发展的一个重要环节。计算机技术、网络技术审j 移动通 信技术的发展为实现智能住宅远程监控提供了良好的条件。【i “ 日前，城市高层已成为城市规划的主流，电梯是必不可少的乖直交通l ：只。由丁电梯的特蛛性， 怎样对其进行有效的监控，及时的排除突发故障已成为人们十分关注的问题。与计算机技术平通信 网络技术相结合的【乜梯远程监控系统为增强电梯维修的快速反应能力，提高运行的安全可靠性，提 供了一种有效的办法。电梯远程监控系统可实时地对电梯运行状态进行统计与分析，通过数据分析 定量或定性的对电梯设备运行是否止常做出准确判断。当故障发生时，以手机短信的方式通知电梯 维护人员故障发生的地点、类型，让维护人员在第一时间内就知道故障所在，及时的进行维修，恢 复电梯的止常运行，降低电梯的停运时间和次数。【l ” 随着国民经济和供水给水事业的迅速发展，一户一表制己基本普及，但_ ! _ j 户水表数龄不断地增 多，必将人大n , b l j 人j ：抄表的工作量。采用远程抄表系统则可有效地解决这个问题。该系统由数据 终端采集水表数据，传输至当地的集中器，再采用多种信道传输至管理中心的计算机，对数据进行 记录羊i | 处理。系统投入使用后，节省了人力，电基本杜绝了计量差错的发生，有较好的经济效黼。 4 1 在我国北方城市，民朋采暖和单位供热都由热电公司通过供热管网提供。j 斗户的h = | 热计鼙数据 是系统控制和收费的主要依据，冈此计蕈信息i 作是生产经营环”中重要的基础i 作，它的准确陛、 可靠性、及时性直接影响着企业的经济效益。供热管网无线远程监控系统能及时、近续地记录雨i 反 映管网运行的实际情况，抗干扰性强、可靠性高、绢网简单、不受传输距离限制，使川散累较女r 。 r i5 综上所述，远程监控系统应用的行业众多，功能和结构各异，根据实际情况的不同，所采_ l 的 设备和技术都有较大蔫异。其中，通信是一个关键技术，它的性能、传输速率和可靠性直接影响栏 个系统的运行效率。因此，通信方式的选择是系统设计中的重要内容，将先进的通信方式应_ l _ j 丁远 秽监控系统有着重要的意义。 1 2 国内外的现状、水平及发展 远程监控系统主要由现场监控模块、通信系统和监控中心组成。现场监控模块一般包含传感器、 控制器羽微处理器，处_ = _ 远离监控中心的各监控点，负责完成信息的采集和响应监控中心发山的控 2 第一章绪论 制命令。通信系统负责传输监测数据和命令，随着通信方式的不同，通信系统的组成有很人差异。 监控中心是整个系统运作的核心，负责收集各监控模块上传的监控信息，发送各种操作命令以控制 监控模块的行为。监控中心一般由信息处理能力较强的计算机组成，运行专f1 的图形化监控软什， 将各监控点的状态形象地显示出来，同时对监洲数据进行处理，为决策提供重要参考。 远程监控系统的通信方式分为有线垌i 无线两种，其中有线方式适用于位置吲定、传输距离较近 的场合；无线方式适用于流动性火，距离较远的场合。 ， 1 2 1 远程监控系统中的有线通信技术【l 6 j ( 1 ) 现场总线 现场总线包括r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 总线等技术，主要用于工业现场的通信。其特点是抗干 扰能力强，设备简单，便于微处理器使用，但通信速率低，距离较短，一般在儿十米到儿卣米之间。 ( 2 ) 局域网 局域网有以太网、高速以太网、令牌环网、f d d i ( 光纤分布数据接口) 、a t m ( 异步转移模式) 等类型，传输介质一股为双绞线、同轴电缆和光缆。局域网有很高的带宽( 自兆b p s 甚至千兆b p s ) ， 系统f 1 勺通_ i _ | j 性平可扩展性强，但传输距离只有jl 自米，而且投资较大。 ( 3 ) 广域网 广域网的连接方式包括p s t n ( 公共交换电话网) 希ia d s l ( 非对称数字羽户环路) 。p s t n 是 川m o d e m 莉i 电话线拨号上网是一种很普遍的通信方法，优点是覆盖范俸1 ，连接容易，成本较 低，缺点是数据传输率较低。a d s l 是在普通电话线上传输高速数字信号的技术，它的数字通信年| | 语音通信使用不同的频段，闻而两者可以互不干扰，同时进行。a d s l 的传输速率较高，能达到数 兆b p s 。 1 22 远程监控系统中的无线通信技术 ( j ) 无线【u 台 无线电台利j = j 对讲机和小型无线电台的通活功能米传递信息，是早期采j j 的通信方式。使川的 频率需要向国家有关部i 申请，由于其频率同定，容易被干扰年i i 泄密，可靠i 生较莘。它最人的缺隔 是点对点通信，系统利每个目标之间的通信包括呼叫、接通、信息传递干| i 断开等过程。完成一个目 标的监测起码需几十秒甚至儿分钟，实时性不强。l | 7 1 ( 2 ) 集耕通信系统 柴群通信系统是各种专刚通信系统发展的高级阶段，它将基站平控制中心统一配置，集中管理， 由多用户群共j = = i - - e l 无线信道，并动态地使朋这些信道。它能将所有的话务量分配到所有可能使片j 的话音信道上，保证所有信道都以同等的概率使用，最大限度地降低入网的平均等待时间，消除了 j - | ；| 户等候使刖信道而同时其它信道空闲的情况。其主要特点是共用频率、按需分配信道、共享覆盖 区、共享时间，缺点是需要建设基站，技术复杂，投资较大。【l ” ( 3 ) 微波通信l i 微波通信下作在3 0 0 m h z 3 0 0 g h z 频段，是利刖分米波、厘米波和毫米波作为载波传输信号的 通信方式。可分为模拟微波通信和数字微波通信两种，由于数字微波通信有请多优点，近年米得到 ，快速发展。微波通信的容量较大，传输速率一般为6 2 0 m b p s ，最高可达1 0 g b p s 。 由丁：微波频率很高，方向性强，所以信号的传输主要是利用微波在视线距离内的直线传播，其 传输特性受地形、地貌和人气层的影响。在大气层中，微波通信视距的一般传输距离人约是5 0 千米， 冈此微波通信必须采_ _ f j 中继接力的方式传输。 ( d ) g s m 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 ，全球移动通信系统) 号称“全球通”，是世界 上最人的通信网络，用户数量非常庞大。g s m 网络的通信方式是时分多址，即每个话音信道分为8 个时间片，能够同时通8 路话音，提高了频率利用率。短消息则是在控制信道里传输的，肖g s m 网络比较空闲时，短消息的实时性很好，一般在几秒内即可到达。但如果g s m 网络繁忙，短消息 的延时就会达到几小时甚至几十小时，实时性很差。因此，短消息这种通信方式不是实时监控系统 理想的通信方式。【l “ 3 东南大学硼1 = | ：学位论文 ( 5 ) w a p 1 2 】 w a p ( w i r e l e s s a p p l i c a t i o n p r o t o c o l ，无线应削协议) 是个用1 i _ 无线终端钾能化信息传递的幼、 议，主要针对屏幕较小、连接速率较低肃i 内存较小的无线设备上网需求而设计。h j 户可以通过移动 电话、寻呼机或其它无线设备访问网络信息。w a p 可建立在g s m9 0 0 、g s m1 8 0 0 、c d m a 等各种 移动通信技术上。 一个完整的w a p 系统由w a p 移动终端、w a p 协议网关和w e b 信息服务器组成。w a p 传输 的数据是w m l ( w i r e l e s sm a r k u pl a n g u a g e ，无线标记语言) 格式的网页，因此w a p 移动终端必须 能够解析w m l 语言。若用w a p 来构建远程监控系统，现场监控模块的软件编制最会比较人，监 控中心还要架设一个w a p 网关，增加了系统的复杂度。 f 6 ) g p r s t “1 “1 j g p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) 是建立在g s m 网络之上，为心户提 供高速分组数据业务的新的网络。它使用与g s m 相同的无线接口，但传输的是网络协议数据报。 它使移动设备和笔记本电脑能够无线接入互联网，实现网页浏览、收发电子邮件、f t p r 载等各种 网络应用。g p r s 采j ；| 分组交换方式传输数据，可以灵活分配网络资源，仅在数据传送时才使川无 线信道，这样多个用户可以共享一条无线信道，火大提高资源利用率。g p r s 技术是当今g s m 向 3 g 过渡的关键技术，与g s m 相比具有许多新的特点和优点： 传输速率高 理论最高选1 7 0 k b p s ，实际使用中g p r s 的传输速率一般为几十k b p s ，人人超过g s m 96 k b p s 的速率。 接入时间短 g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的人麓数据的传输。能在 o5 1 秒之山恢复数据的重新传输。 支持i p 协议和x2 5 协议 g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可咀和i p 网、x 2 5 网互联互通。g s m 网络覆盖面 广，使g p r s 能提供i n t e r n e t 币i 其它分组网络的全球性无线接入。 网络安全性高 g p r s 网络内部传输数据采用隧道技术。隧道协议将其它协议的数据报重新封装后通过隧道传 输到特定地址，从而屏蔽私有网络地址。 1 2 3 有线通信技术和无线通信技术在远程监控系统中的应用比较 总的来说，有线传输方式高速稳定，能够满足监控点相对集中、距离较近的监控系统的需要。 但是，有线传输一般需要铺没专fj 线路，j ：程量人，投资相对较人，易受到城市建i 殳的干扰。此外， 若监控设备处在不能布线的环境中或者是装载在车辆等移动设备里，就很难使川有线网络。”“ 无线传输方式避率一般低丁有线方式，但使用更加灵活、便捷，只要在无线信号的覆盖范用曲， 就可以进行通信，无需组建有线网络。若使用公用移动通信系统g s m g p r s ，还能够省去鲴建无线 网络的费用。特别地，g p r s 是一种先进的无线通信技术，它具有三个突出的优点： ( 1 ) 网络覆盖范围，。 g s m 是日前我国应用范围最广的数字移动通信系统，在全国大部分地区都可使川，除了某些极 端偏远地区，一般没有信号盲区。g p r s 以g s m 为基础，也继承了这个优势，在使t 【； j 中基本没有地 理位置的限制，可实现全国范围内的无线互联。 ( 2 ) 传输速率较高 理论最高达1 7 0 k b p s 实际使用中g p r s 的传输速率一般是几十k b p s ，大火超过g s m 的96 k b p s ， 虽然与微波传输等技术相比有较大的差距，但对于大多数远程监控系统来说已足够使刖。 ( 3 ) 与i n t e r n e t 无缝连接 n t e r n e t 是目前全球最人的通信网络，有人餐的可重州资源平成熟的开发技术。现场监控模块通 过g p r s 接入i n t e r n e t ，发出的数据以网络| 力一议数据报的形式传输，监控中心只需接入i n t e r n e t 就可 接收数据，对地理位置和接入方式均没有要求。监控中心软件的编写使刚标准的s o c k e t 接口，通j | = j 4 第一幸绪论 性经，可利州现有的编程资源，：，省人培的开发时间。可以说，g p r s 与i n t e m e t 相连，使远程监控 系统站在了一个很高的起点上，开发人员无需关心网络的建没、学习特定的软什开发i ：具，可以把 更多的精力投入到系统功能、信息显示和控制算法的设计上。 网此，从总体上说，g p r s 是目前远程监控系统理想的通信技术。将g p r s 戍_ l j 丁远稃蠊控系 统，可以仃省组网费用。没有地理范围限制，通信效果较好，适合于大部分行业的应用需求。 1 t 3 课题研究的主要内容和途径 本课题主要研究基于g p r s 的远程监控系统的开发。对下由监控中心、通信系统和现场监控模 块为土组成的远程监控系统米说，采用g p r s 技术后，监控中心只需使用标准的组网技术接入i n t e r n e t 即可，软什开发使用标准的s o c k e t 接口，总的来说开发难度不大。g p r s 的通信系统由运营商细建 维护，作为心户也不需要关心。现场监控模块在硬件上要通过串口迎接g p r s 无线模块，软什上要 有t c p i p 协议栈至少要实现p p p 、i p 、u d p 、t c p 等儿种协议。这是整个系统开发的一个难点。 现有的监控模块大多是瞅入式系统，软什都没有实现t c p i p 协议栈，有的甚至没有使州嵌入式 操作系统完全是专州的过程化代码。阅此，需要将t c p i p 协议栈移植到监控模块中。而移植是和 处理器性能密切相关的，有的模块使j = j8 位单片机，运行速度慢，内部r a m 只有1 2 8 b 2 5 6 b ，外 部r a m 也只有儿十k b ，无法运行标准的协议栈，必须根据实际情况对协议栈进行人量的改丐；韵。 的模块使川3 2 位的高性能处理器有充足的r a m ，还能运行嵌入式操作系统，移植相对较容易。 将g p r s 技术应用于远程监控系统，开发工作主要是现场监控模块的硬件设计利t c p i p 协议栈的移 植。本课题以干辆监控系统和电力远程数据采集系统的现场模块为例，研究g p r s 技术在远稃监控 中的应i _ j 。 下辆监控系统由车辆定何信息远程传送模块、g p r s 通信系统和监控中心编成，如图ii 所示。 下辆定位信息远程传送模块的处理器采用5 l 系列单片机，外扩3 2 k b 的r a m ，软什开发平台是伟 祸6 0 0 0 ，使川c 5 1 语言。单片机通过串口与g p s 接收机、g p r s 无线模块相连，下作时首九川p p p 进行g p r s 拨号，接入i n t e m e l 。然后从g p s 按l i 复机读入定位数据，经转换历通过g p r s 发山，一 般每秒发送一条，无需人工干预。监控中一c , t l k n 数据后将车辆的位置、速度等信息显示在数字地蚓 匕。 阁1 1 车辆监控系统结构 采剧5 l 系列单片机的原因主要是考虑了以f ) d 个冈素：一是相对而言这类系统的车载部分的成 本较低，能满足山租车等车辆监控系统低成本的要求；2 2 是开发起点较低。便丁殴计起步，开发成 本也较低，三是便下今后批量生产时的调试。 但5 1 系列单片机是8 位处理器，一作频率在1 2 m h z 左右内部r a m 股摄多只有2 5 6 b ，这 样堆栈就十分有限。在这个平台上移植t c p i p 协议栈，必须做较人的修改。经综合考虑，实现的协 议育p p p ( 朋丁g p r s 拨号根据实际拨号流程徽了简化) 、1 p ( 网特网传输的基本协议) 手j ju d p ( 与p c 机通信必须使用传输层协议u d p 或t c p ) 。之所以使, q 4u d p 是闻为它是无连接无流控的协 议，数据报发送后不需再做其它操作，相邻的数据报之间也没有必然联系，实现简单。单片机发“ 报文后即可将数据释放，也不川维护任何状态信息，比较1 ，省内存。而t c p 是有连接有流控的协议， 数据报发送后要等待对方应答才能释放，还要记录与连接相关的状态信息，实现比较复杂。 5 东南大学坝学位论文 电力远挫数据采集系统_ = j 丁采集变电站的f ：作参数，结构如图1 2 所示。现场监控模块通过串 j 读入智能没备测得的参数，再通过g p r s 无线传输。这样，监控中心能够商啕变电站的实时参数、 判别其运行是否止带，并分析j = l ；l 网的负荷。 s 3 c 4 4 8 0 x 图1 2 电力远程数据采集系统结构 系统的数据采集模块采用的是高性能的a r m 7 处理器s 3 c 4 4 b o x ，运行频率4 0 m h z ，内存8 m b 软仆开发平台是a r mp r o j e c tm a n a g e r2 5 1 ，使用c 语言和a r m 7 的汇编语言。s 3 c 4 4 b o x 可以运 行嵌入式操作系统 _ t c o s i i 。p c o s i i 是实时多任务操作系统可以将应州分解成多个任务住其中 运行，l i t c o s 1 1 能够合理的调度备任务，并提供任务间通信，这样开发者就不需要再花费精力安排 多个模块的运行顺序。电力系统对可靠性要求较高，s 3 c 4 4 b o x 的性能也比较好，冈此实现的协议 有p p p 、i p 和t c p 。t c p 姓有连接的可靠的传输层协议，能够保证数据到达对方，它还有流控功能， 防f r 数据发送过快堵塞网络。 采州a r m 处理器和移植g c o s 1 i 会增加部分t i 则, 1 减本和相应的开发成本，若投入商州还需支 付p c o s | i 的版权费用 2 3 i ，但考虑到应_ l _ | 场合和应州需求，采a r m 处理器侄相关廊川领域是一 种 h 女r 的选择。 练上所述，本课题的研究山容主要包括以r 儿个方面： ( ”g p r s 无线通信原理综述平无线模块的使_ l j ； ( 2 ) p p p 、i p 、u d p 、t c p 等相关协议的研究及实现； ( 3 ) 车辆定位信息远程传送模块的软硬件设计和实现； ( d ) s 3 c 4 4 b o x 和g c o s i i 的研究及应用： ( 5 ) 远程数据采集模块的软硬件设计和实现。 1 4 小结 本章综述了远程监控系统的应用领域以及目前采用的各种通信方式的原理和特点。住此基础上， 得出了从总体上说，g p r s 是目前远程监控系统中一种理想的通信技术的结论。论文将阻下辆监控 系统干电力远程数据采集系统的现场模块为例展开g p r s 技术在远程监控中的应用研究。本章最 后明确了论文的主要研究内容。 6 第一章g p r s 的通信原理 第二章g p r s 的通信原理 住远程监控系统c i 一，g p r s 的通信功能由g p r s 无线模块完成。无线模块的r 作过稃是：开机 后读出s i m 中的用户信息，附着到s g s n 。处理器发出拨号指令后激活p d p ( p a c k e td a t ap r o t o c o l ， 分组数据协议，泛指采用分组交换的网络协议，在g p r s 中是i p 或x 2 5 ) 环境，然后进行p p p 协 商，协商成功后进行数据传输。为了充分理解g p r s 的工作过程，本章讨论g p r s 的通信原理。 2 1 引言 g p r s 是建立在g s m 基础上的无线网络技术，它在现有的g s m 网络上叠加了一个基丁分绸交 换的无线接口，引入三种新的逻辑网络实体：服务g p r s 支持节点( s g s n ) 、网关g p r s 支持肯点 ( g g s n ) 和1 分组控制单元( p c u ) ，同时配合软僻升级，目标是提供高速分组数据业务。刚分纲交 换米补充电路交换是对g s m 技术的一个重要升级。分组交换的一大优点是可以灵活分配网络资源， 仅在数据传送时才使用无线信道，这样多个用户可以共享一条无线信道。大大提高资源利用率。g p r s 的数据传送使川业务信道，速率为9 k b p s 2 14 k b p s ，如果一个用户独- o i8 个信道，总速率将超过 】7 0 k b p s ，在实际中单个用户可以同时使用i 至3 条信道，速率为儿十k b p s 。p o i 2 2g s m 系统结构 g s m 的系统结构如幽21 所示，整个系统可以分为四个相互独立的子系统，分别是移动台( m s ) 、 基站子系统( b s s ) 、网络变换子系统( n s s ) 和操作子系统( o s s ) 。其中，b s s 通过无线接口直接 与移动台通信，负责无线收发和无线资源的管理。n s s 是整个系统的核心，它对g s m 移动h j 户之 间及移动用户与其它通信网用户之间的通信起着交换、连接与管理的功能。o s s 则提供给迄营部门 一种手段米控制和维护这些部分。 i 面i 图2 1 g s m 系统结构 ( 1 ) 移动台( m s ) 移动台是公h jg s m 移动通信网中用户使用的设备，出是整个g s m 系统中用户唯一能够直接接 触刮的设备。移动台由移动设备和s i m 两部分组成。根据应用与服务情况，移动设备可以是移动 终端、手持机或车载机。 移动台的另个重要的组成部分是用户识别模块( s i m ) ，它是一张符台i s o 标准的智能l ，存 储所有与用户有关的信息，包括国际移动用户识别码( m s i ) 、鉴权加密信息嚣。g s m 系统是通过 s i m 卡米识别移动州户的。g s m 的移动台必须要插入s i m 才能够f 作。 ( 2 ) 基站子系统( b s s ) b s s 是g s m 系统实现无线通信的关键组成部分。它通过无线接口直接与移动台通信，负责无 线收发和无线资源管理。另一方面，它与n s s 的移动业务交换中心( m s c ) 接口，实现移动川户的 7 剀 东南大学硕l 一学位论立 通信连接，传送系统信令和片j 户信息等。b s s 由基站收发信台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 组成。 ( 3 ) 网络交换子系统( n s s ) n s s 土要完成g s m 系统的交换功能乖i 用y - j = | 户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库 功能，它对移动用户之间的通信起着管理作州。n s s 由八个功能单元组成即移动业务交换中一t l , ( m s c ) 、访问何置寄存器( v l r ) 、归属位置寄存器( h l r ) 、鉴权中心( a u c ) 、移动设备识别寄 存器( e i r ) 羽操作维护中心( o m c ) 。 移动业务交换中一1 1 , ( m s c ) 移动业务交换中心是整个g s m 网络的核心，完成或参与n s s 的全部功能，协调与控制整个g s m 网络中b s s 、o s s 的各个功能实体。 访问位置寄存器( v l r ) 访问位置寄存器存储着进入其服务区域内己登记的移动用户的相关信息。v l r 从移动川户的! j _ - | 属位置寄存器( h l r ) 处获取并存储必要的用户业务档案数据，为己登记的移动用户提供获得服务 的必要条件。 ! j _ 属位置寄存器( h l r ) 归属位置寄存器是g s m 系统的中央数据库，存储着以h l r 所在地区为归属地的所有移动心户 的相关数据。一个h l r 能够控制若干个移动交换区域及整个移动通信网，所有移动用户重要的静态 数据都存储在h l r 中，包括国际移动用户识别码( i m s ) 、访问能力、用户类别羽i 补充业务等数据。 鉴权中一1 5 , ( a u c ) g s m 系统采州了特别的安全措施保障通信安全，包括j _ ；i 户鉴权、对无线接口上的话音、数据午 信号信息进行加密等。a u c 存储着鉴权算法和加密密钥，川来防i r 无权川户接入系统年保证通过无 线按e l 的移动州户信息的安全。 移动设备识别寄存器( e i r ) 移动设备识别寄存器存储着移动设备的国际移动设备识别码( i m e i ) ，通过核蠢白名单( 准诈 使t l - j 的设备名单) 、黑名单( 失窃不准使用的设备名单) 和灰名单( 出现故障需监视的设备名单) ， 使得运营部门对丁失窃以及由于技术故障或误操作而危及网络正常运行的移动设备，都能采取及叫 的防范措施，以确保网络内所使用的移动设备的唯一性和安全性。 操作与维护中心( o m c ) 操作与维护中心朋于对g s m 系统的集中操作与维护。 ( 4 ) 操作子系统( o s s ) 操作子系统是一个相对独立的管理和服务中心，主要包括网络管理中一1 1 , ( n m c ) 、安全性管理 中心( s e m c ) 、用y - j ： j 户识别 管理的个人化中心( p c s ) 、用于集中计费管理的数据后台处理系统 ( d p p s ) 等功能实体。 2 3g p r s 系统结构【2 0 e t 前g s m 网络的业务主要包括语音业务和数据业务两种，实现g p r s 也就是把目前g s m 网络 中的数据业务分离出来，形成一个分组交换的数据业务。为了实现这一点，需要在现有的g s m 网 络中引入三种新的逻辑网络实体：s g s n 、g g s n 和p c u ，同时配合软件升级。g p r s 的系统结构如 酬2 2 所示，各部分简介如下。 图2 2 g p r s 系统结构 8 0 第二章g p r s 的通信原理 ( 1 ) 分组控制单元( p c u ) p c u 是通过对b s s 进行软件升级而引入的，主要 = | j 来处理数据业务。p c u 负责管理分细分段 和规划、无线信道、传输错误检测和自动重发、信道编码方案、质量控制、功率控制等。 ( 2 ) 服务g p r s 支持节点( s g s n ) s g s n 与m s c 处于相同的体系层次，用于跟踪移动台的位置、执行移动性管理、安全性功能并 接入控制。对丁移动台，s g s n 是g p r s 网络的服务访问点。 ( 3 ) 网关g p r s 支持节点( g g s n ) g g s n 提供了g p r s 网络和外部网络如分组交换公用数据网( p s p d n ) 之间的接口，相当丁一 个网关。当外部网有数据包需要传输到移动台时，数据包首先到达g g s n ，再由g g s n 转发刮该移 动台对应的s g s n ：当移动刚户要向外部网发送数据包时，也由g g s n 进行转发。 2 4g p r s 的传输协议平台拉、 2 4 j 、f 2 5 】 g p r s 传输协议平台提供传输用户数据的功能。s n d c p 、g t p 及底层的协议是g p r s 网络的山 部协议，用于承载用户数据，使之能够在移动台和g g s n 之间传输。g g s n 的作用相当丁网关，在 _ h ；j 户和外部分组数据网之间转发数据包，对外起到了屏敞内部刚络细节的作，h ，使外部网和h ；| 户之 间可咀透明的传输数据。 g p r