（计算机软件与理论专业论文）基于GPRS嵌入式自动抄表系统的研究与实现.pdf

基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 专业名称：计算机软件与理论 申请者姓名：李亮 导师姓名：鲍苏苏教授，詹泳副教授 摘要 与传统的人工抄表系统相比，自动抄表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ) 系统具有高 效、便捷、准确等优点，已广泛应用于水、电、气等公共服务事业中。针对a m r 系统在无线通讯、数据安全和实时性等方面的要求，本文提出了基于g p r s 的嵌 入式i k n u x 实时系统的实现方案并对其中的关键技术进行了研究，主要工作如下： 1 ) 为了便于扩展和维护，提出了三层的a m r 系统通讯架构并进行了软硬 件系统的总体设计。其中上层通讯选用g p r s 无线网络，中、下层采用c a n 总 线。 2 ) 分析了g p r s 用于a m r 系统的安全性问题，提出通过g p r sv p n 解决 方案来保证无线传输的数据安全。 3 ) 分析了l i n u x 抢占式内核的实现思想并通过对调度机制的改进、虚拟内存 管理机制的剔除等策略来解决l i n u x 的实时性问题。仿真结果表明l i n u x 系统的 实时性能得到了提升，可满足a m r 系统的实时性要求。 4 ) 基于上述研究，实现了一个基于g p r s 的嵌入式实时a m r 系统。介绍 了a m r 系统的软、硬件结构及系统运行情况，结果表明达到了系统设计的要求。 关键字：嵌入式系统，自动抄表，g p r s ，l i n u x ，安全性，实时性 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 r e a s e a r c ha n dim p l e m e n to ng p r s - b a s e de m b e d d e da u t o m a t ic a b s t r a c t m e t e rr e a din gs y s t e m m a j o r ：c o m p m e rs o f t w a r ea n dt h e o r y n a m e ：l il i a n g s u p e r v i s o r ：b a os u s u ，z h a ny o n g c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm a n u a lm e t e r r e a d i n gs y s t e m , a u t o m a t i co n e i s e f f i c i e n t ，c o n v e n i e n ta n da c c u r a t e i th a sb e e nw i d e l yu s e di np u b l i cs e r v i c e su t i l i t i e s ， s u c ha sw a t e r ，e l e c t r i c i t y ，g a sa n ds oo n a i m e dt ot h ed e m a n do fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，d a t as e c u r i t ya n dr e a l - t i m ei na m rs y s t e m s ，g p r s b a s e d e m b e d d e dr e a l t i m es y s t e mi sp r o p o s e d t h ek e yi s s u e sa p p l i e dt ot h es y s t e ma r e s t u d i e da sf o l l o w s ： 1 ) i nc o n v e n i e n c et oe x p a n da n dm a i n t a i n , t h r e e - l a y e r ss t r u c t u r ef o r a m r c o m m u n i c a t i o n ss y s t e mi sp r e s e n t e d ，a n dt h ed r a f t so ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s y s t e ma r ed e s i g n e d 。g p r sw i r e l e s st e c h n o l o g y i sa p p l i e di nt h et o pl a y e ro f c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k , a n dc a nb u si nt h em i d d l ea n dl o w e ro n e 2 ) t h es e c u r i t yo f g p r s b a s e da m r s y s t e mi sa n a l y s e d ；t h ev p n f o rt h ed a t a s e c u r i t yo f w i r e l e s st r a n s m i s s i o ni si m p l e m e n t e di ng p r s n e t w o r k 3 ) t h ep r i n c i p l eo fp r e e m p t i v ek e r n e li sa n a l y s e d ，a n dt h er e a l - t i m ei se n s u r e db y i m p r o v i n gs c h e d u l i n gm e c h a n i s ma n de l i m i n a t i n gv i r t u a lm e m o r ym a n a g e m e n t u n i t t h es i m u l a t i o ns h o w st h er e a l 。t i m ec a p a b i l i t yo fl i n u xs y s t e mi si m p r o v e d i ts a t i s f i e s a m r s y s t e m sr e q u i r e m e n t s i i 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 4 ) o nt h eb a s i so fa b o v e - m e n t i o n e da c h i e v e m e n t s ，t h eg p r s - b a s e dr e a l - t i m e a m re m b e d d e ds y s t e m si sr e a l i z e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r e so f a r m s y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h er u n n i n gr e s u l ts h o w si ts a t i s f i e st h er e q u i r e m e n t so f t h e d e s i g n k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m , a u t o m a t i cm e t e r - r e a d i n gs y s t e m , g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ，l i n u x , s e c u r i t y ，r e a l - t i m e i i i 华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，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 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 ，、 论文作者签名：李彩佑义丫 ：石，佥稻：w 叩 日期：“年g 月乡日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、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华南师 范大学。学校有权保留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，允许学位论文被检索、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、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的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范围，在年后解密适用 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。 论文作者签名： 日期：“年 名：乒孑 日期：m 年月弓日，、髟妒 名阳 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着社会的不断发展进步，越来越多的控制、采集仪表被引入到人们的生产 生活中来。随着各种仪表在各种场合应用的不断增多，对仪表的数据采集、仪表 的管理也成为人们越来越关心的问题。早期的抄表方法都是人工分时抄表。这种 抄表方式在仪表数量相对较少、仪表位置相对集中的情况下效果很好。随着现代 计算机和通信技术在我国的广泛应用，人工分时抄表劳动强度大、效率低、抄表 不到位、估抄、漏抄、错抄、错算及抄表周期长等问题严重暴露出来，并且人工 分时抄表的方式根本无法满足现代电力生产技术对数据的真实性、一致性、快捷 性和实时性的要求；对于电力生产削峰填谷、降低线损、提高经济效益作用不大 u 。因此自动抄表系统也就应运而生。 自动抄表旺1 ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g 简称a m r ) 是指采用通信、自动化、 计算机等技术，通过专用设备对各种仪表( 如水表、电表、气表等) 进行自动采集 和处理表计数据。它般是通过数据采集器对表计的脉冲进行计数，然后通过传 输控制器将信息传至计算机中心，由计算机对数据进行处理、显示、存储、打印。 同时计算机中心可以对传输控制器发送控制命令，对其状态进行实时的监控。自 动抄表系统的出现解决了传统人工抄表过程中遇到的许多问题，并且提高了工作 效率和数据的准确性，同时能够降低设备成本，提高可靠性。展现出十分广阔的 应用前景。 随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，安全、舒适、现代化的智 能小区建设在我国正在蓬勃兴起，自动抄表系统是智能小区的重要组成部分之 一，是家庭自动化的必然趋势，国内一些城市的智能化居民住宅小区己着手将电、 水、燃气、热量等计量管理加以集中考虑，构建智能化、网络化、自动化的集中 式计量管理模式和管理技术平台，自动抄表系统逐渐成为提升智能小区管理自动 化水平的必然选择。 基t - g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 另外经济的发展，导致资源消耗越来越惊人，一些经济发达的省份用电十分 紧张，一旦出现高温天气，更是频频发生拉闸限电。而且随着人们生活水平的不 断提高，人们对电力的需求己经不仅仅于满足日常生活的需要。良好的供电质量 和服务水平成为电力改革当中首先狠抓的大事。为了提供更好的供电质量和供电 服务，电力部门需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、分时电量 和负荷曲线等。电力管理的发展，需要迅速准确的读取用户耗电数据。而传统人 工抄表方式存在的弊端无法适应电力体制的改革，也直接阻碍了诸如分时电价运 营、预支电费等先进管理模式的推行。自动抄表技术就是在技术与管理两方面急 待进步、改革的迫切需求下逐渐发展起来的。采用自动抄表系统可以缓解抄表人 员的劳动强度、降低人为因素造成的抄表误差，并有利于迅速地统计低压实时线 损，降低用电成本，同时对于加强用电管理、防止国家电力资源的大量流失、杜 绝贪污腐败现象都具有积极的意义d 3 。 1 2 自动抄表系统国内外发展概况 1 2 1 抄表系统的发展现状 国外许多国家和地区都己广泛采用自动抄表系统代替人工抄表，主要集中在 煤气表、电量表和流量表的自动抄表。并逐渐向智能化、无线、低功耗、低成本 和通信标准化设计的过程发展，达到可以大规模推广的实用性阶段。在欧洲，由 于撤消对公共事业的某些管制( 例如供货、销售等) ，引起了公共事业企业间的 竞争加剧。a m r ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ) 技术成为企业提高服务水平、竞 争客户并提供及时的耗用信息、降低销售成本的重要手段，于是英、法、德、意 等国的企业纷纷制订发展a m r 技术的计划，法国的m a g n o l ，德国的s c h l u m b e r g e r 和意大利的m e t r u m n 】。 另外，美国于1 9 8 6 年建立了自动抄表研究协会a m r a ( a u t o m a t i cm e t e r r e a d i n ga s s o c i a t i o n ) ，每一年半左右开一次国际性年会，每次年会都有专题报 道，旨在进一步发展和推广a m r 技术。近年来欧洲自动抄表技术协会( e u r o a m r a ) 和英国自动抄表技术协会( u k a m r a ) 也相继成立。与此同时，i e c 的t c l 3 和t c 5 7 两大标准化组织在其标准体系中都为a m r 系统制定了相关的标准。各种形式的 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 a m r 系统，各种新的a m r 技术不断推陈出新，推动整个a m r 技术行业的发展瞄吲。 国内受国民经济的影响，a m r 技术起步比较晚，9 0 年代后，国内一些研究机 构和企业才投入a d r 技术的研究，并有多种自动抄表系统陆续问世。早期的躺r 系统主要用于大电网的电能量考核结算。经过十几年的发展，a m r 技术已经在我 国得到了广泛的应用，各种a m r 技术和系统( 如电力线载波通信技术、智能化计 量仪表、电能量计量收费系统等) 的研究，已成为各a m r 系统生产企业和科研机 构竟相追逐的热点。到今天，抄表系统已经由当初的研究转到商业用途p 叫。同 时中建部已经正式推出了相应的三表远传标准，标志着国内抄表行业正走向规范 n 0 】 1 2 2 自动抄表系统现有通讯方案的构架及特点 户用能耗计量方式基本采取的是一户一表制，这就决定了抄表系统主要具有 如下两个特点： 其一，系统数据采集点多，成千上万，数据量大： 其二，系统是一个覆盖面很广的通信网络( 采集点具有分散性) 。 目前的自动抄表系统的通信信道主要包括计算机管理中心与集中器的通信 信道和集中器与采集器的通信信道。一般来说，几乎所有a m r s 系统的整体都 采用分布式体系结构。这种体系结构分上下两层：上层( 管理中心与集中器之间) 数据的采集采用星型结构；底层( 集中器与采集器之间) 数据的采集采用总线型结 构。 1 2 2 1 上层星形通信方案 星型通信系统是以安装在管理中心的系统工作站为中心点，以发散的形式分 别通过通信信道与分散于各区域的终端连接，形成1 对n 的连接形式。在这种方 式下，信道的通信数据量较大，要求有定的传输速率和带宽，以及数据传输的 实时性。根据信道的介质可分为光纤、电话线和无线三种模式。 1 、光纤通信 光纤通信具有很多优点，如频带宽、传输速率高、传输距离远，以及高抗干 扰性等特点，非常适合上层通信网的要求。但光纤通信星型连接节点造价高，安 基丁g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 装费用也比较高。 2 、电话线网 利用电话网进行数据通信也是一个经济有效的方案。但租用电话线方式进行 数据通信时，线路续接( 包括呼叫应答等) 时间较长，通常需几秒到几十秒。这一 方面使得管理中心无法对用户实时监控；另一方面当终端数目较多时，租用电话 线路多，其租用费用也很可观。 3 、无线通信网 采用无线通信，具有实时性高、成本低，技术含量大、通讯系统的性能能适 应地域分布广等优点。主要用于地理情况复杂、布线困难、采集表分布不集中、 干扰信号多的场合。对于范围广、布局分散的终端进行数据通信，是一种较好的 选择。现阶段各种无线通信技术有蓝牙技术、w l a n 、h o m e r f 、u w b 、g p r s 等。 蓝牙技术n 纠就是一套完整的通信协议体系。具体而言，蓝牙技术产品是采用 低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输的，其传输速率最高为每秒 1 m b ，以时分方式进行全双工通信，通信距离为l o m 左右。其技术主要面向网络 中各类数据及语音设备，如p c 机、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、 移动电话、家电设备等。 w l a n n 朝指采用8 0 2 1 l 无线技术进行互连的一组计算机和相关设备。支持l a n 的新兴无线网络标准是i e e e 8 0 2 1 l a ，其数据传输速率可达到5 4 m b p s ，另一标准 i e e e 8 0 2 i l b 的数据速率可达到1i m b p s 。8 0 2 1 l a 能够同时支持更多无线用户和 增强的移动多媒体应用，如数据流视频。多用在企业无线组网。 h o m e r fn q 是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络射频技术， 它的缺点是开发性不好，抗干扰能力差，不能实现远程无线数据传输，且实现传 输成本较高。 u w b 技术n 卅多年来一直是美国军方使用的作战技术之一，u w b 具有巨 大的数据传输速率优势，但受发射功率的限制传输距离短，所以不适合远 程无线抄表系统。 g p r s n 6 。盯3 是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一 种连接，给移动用户提供广域的高速无线i p 。g p r s 采用分组交换技术，每个用 户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效 4 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 的利用，数据传输速率高达1 6 k b s 。使用g p r s 技术实现数据分组发送和接收， 用户永远在线，且按流量计费，服务成本低。 1 2 2 2 底层总线型通信方案 总线型通信系统是为克服星型连接的不足而采用的，这种方式以一条串行总 线连接各分散的终端，实现各节点的互连。这种方式下，信道上节点较多，传输 速率不很高( 与通信介质有关) ，传输距离短，不超过2 0 0 0 m ，因此一般用于底层 数据的采集。常用的模式有专线通信、低压电力线载波通信和现场总线等。 1 、专线通信 这种方式以r s - 4 8 5 总线u 8 1 为代表，目前国内大部分集中抄表系统采用的都 是这种传输方式。其抗干扰性能很好，信号发送频率最高可达i o m h z 。在使用双 绞线，信号速率小于l o o k h p s 时，传输距离可达1 2 0 0 m 。r s 一4 8 5 作为主要通讯手 段已经不能满足设备对网络的需要，它的主要缺点是： 1 ) 通讯设备容量少，最多容许接入1 2 8 个设备； 2 ) 通讯速率低，百米以上通讯速率 n e e d _ r e s c h e d ) 则进行抢占 w h i l e ( 0 ) 其中c u r r e n t 是当前运行进程的进程结构，当前进程的时间片用完或有高级进程 就绪时置c u r r e n t 一 n e e d _ r e s c h e d 为1 ，表示需要进行调度。 l i n u x 原来的实现中，当使用自旋锁保护临界段时，进入临界段前 s p i n l o c k 0 加锁，离开临界段时使用s p i nu n l o c k 0 释放锁。为了在抢占式内 2 7 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 核现中依然保持系统原来使用的锁，就要在禁止抢占之后再设置自旋锁。将系来 对自旋锁的实现改名为_ r a w _ s p i n l o c k 0 和_ r a w _ s p i n u n l o c k 0 ，用抢占锁的代 替原来的s p i n l o c k ( ) 和s p i n _ u n l o c k ( ) ，这样就由抢占锁代替了自旋锁对临界 供保护，同时也保持了系统原来定义的自旋锁。 在头文件i n c l u d e l i n u x s p i n l o c k h 中抢占锁的实现如下。 1 、抢占锁加锁。 # d e f i n es p i nl o c k ( 1 0 c k ) d o c t x s w o f f ( ) ： 术在进入自旋锁之前禁止抢占木 _ r a w _ s p i n _ l o c k ( 1 0 c k ) ： a 原来的自旋锁加锁术 w h i l e ( o ) 2 、抢占锁解锁。 # d e f i n es p i n _ u nl o c k ( 1 0 c k ) d o _ r a w s p i nu n l o c k ( 1 0 c k ) ； 木原来的自旋锁解锁：l ： c t x s w o n ( ) ： 木释放自旋锁后允许并完成内核抢占牢 ) w h i l e ( 0 ) l i n u x 对中断处理的流程如下b 羽。 中断产生源一 中断向量表( i d t ) 一 中断入口程序一 中断处理程序一 中 断返回 l i n u x 在执行所有的中断处理程序之前，首先都需要先执行一段相同的中断入口 程序，中断入口程序主要的功能是完成保存硬件中断现场等对中断的一般处理。 l i n u x 每次执行完中断处理程序后，都执行中断返回处理程序r e t f r o mi n t r0 ， r e t f r o m _ i n t r0 中将对是否进行抢占作判断。进行抢占判断的代码如下。 e n t r y ( r e t f r o m _ i n t r ) g e t c u r r e n t ( e b x ) m o v le f l a g s ( e s p ) ，e a x# 合并e f l a g s 和c s m o v bc s ( e s p ) ，a l t e s t1 $ ( v m _ m a s k3 ) ，e a x# 是否返回到v m 8 6 模式或用户态 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 j n er e t _ w i t h _ r e s c h e d u l e # 是，则执行调度 j m pr e s t o r ea l# 否则，恢复被中断的进程 c s ( e s p ) 保存了中断产生时代码段的c p u 特权级( c s 寄存器的b i t o 和 b i t l ) ，如果等于3 ，也就是用户态，那么可以执行调度；否则表明在内核态下， 不执行调度，结束中断后返回被中断的进程。可以看出上面的代码限制了内核中 只能有一个进程的实例在运行。在l i n u x 中当异常处理完毕后用 r e t f r o m _ e x c e p t i o n ( ) ，而r e t f r o me x c e p t i o n0 ，也要调用r e t f r o m i n t r ( ) ， 所以从异常返回后对抢占的判断与从中断返回时的情况相同。 为了实现抢占式的l i n u x 内核，必须对中断的处理过程进行修改。对中断进 行处理要点是在中断返回进行抢占性判断时，如果进程在内核态下运行，还必须 要判断是否可以对内核抢占，即判断进程抢占计数器的直是否为o 。修改后的中 断处理流程如图4 2 。 图4 2 修改后的中断处理流程 2 9 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 为了在进行中断处理期间禁止抢占内核，需要修改中断入口程序，在保存硬 件中断现场后增加当前进程的抢占计数器，也就是c u r r e n t 一) p r e e m p t c o u n t ， 这样在中断处理程序执行期间进程的抢占计数器大于o ，进程不会被抢占。在中 断返回处理程序r e t f r o m j n t r0 中首先减小当前进程的抢占计数器，这样就恢 复了进入中断前进程抢占计数器原来的值，然后就可以根据抢占计数器的值判断 当前进程是否可以抢占。对异常入口处理程序的修改与对中断入口处理程序的修 改类似。 4 2 2 实时调度机制改进方法 4 2 2 1 实时调度机制的基本思想 l i n u x 进程调度由s c h e d u l e0 函数在进程就绪队列中选一个进程投入运行， 调度系统根据调度属性选择s c h e d r r 、s c h e d _ f i f o 、s c h e d o t h e r 之一作为进程 的调度策略。为提供较高的执行效率和灵活的调度策略，在l i n u x 内核的进程控 制子模块中增加一个可以支持各种调度算法的面向应用的调度框架，实时任务由 面向应用调度框架提供的调度器调度执行，而全部非实时任务由原l i n u x 调度。 这个框架同时支持4 种类型的调度算法，即：基于优先级的调度、基于周期的调 度、基于时限的调度和基于共享的调度算法。这些调度算法可以采用目前应用比 较广泛的调度算法，另外也可以增加其它的调度算法。对每个实时任务定义了4 种属性通过调整属性值和选择标准来执行相应的调度算法；提供了l i n u x 内核相 同的服务，并增加了实时操作系统的特征汹1 ( 如图4 3 ) ，在l i n u x 内核的进程控 制子系统中增加了实时调度器，调度已经在分配器中注册的实时任务，在内核与 硬件控制层中间增加一个中断仿真程序。 4 2 2 2 实肘调度机制的实现方法 系统设计了两个调度器组件：分配器和实时调度器。分配器负责设置调度属 性，实时调度器根据调度属性选择合适的调度算法。两个组件之间设计了简单的 系统调用a p i 进行信息交换。 3 0 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 l 寓聪纾务分既 l 霞划任务| i z、 么、 弋7 弋 7 系统调朋接 - 一 7弋 进程控制t - 最统 实时调眨器设簖骧动 rx l ll g p r s 通；最 嚷坎l t s h 4 1 9 0 扛ll l 罩享 毡i 颐粤链 | 辫 ：弘l f 聍、一 陋一驯|块2 理) c k 廖线横块tm 阢9 5 1o ) 李i i 矿腠i 捕硝，l 。社抽x | i 孵l s ：l c 2 4 | 0 徽处娌 勰 t a n 趣缝襁块 t r n l h 蹴终li ，i 一 1 c d p o j ”t ( i j 8 0 v 3 酞；01 ， | 1 戡斑 i f 。蕊蒜黧，l lf t 。a s i t fs a m s v t t g h 篓嚣 l 嘲再约l 簇抄嚣( e j i - n e t 、r k l 2 4 1 0 ) l k 娜i l z o h # 噜1 哇 l 一 ) b 。繇穗谣信 垤袋蓰 l 图5 1 自动抄表系统的硬件平台 5 2 自动抄表系统的软件实现 5 2 1 通信模块驱动 5 2 1 1g p r s 通信模块的实现 在t e 和m t 之间的r 接口上可以采用p p p 规程，由于n c p 支持多种协议规 程，所以采用p p p 规程可以增加m s 对多种网络协议的支持能力。r 接口上采用 p p p 连接支持i p 业务的规程如图5 2 所示。这是g p r s 拨号连接的一个典型过程。 1 ) t e 向m t 发送a t 命令束设置相关参数，并要求激活一个p d p 上下文； 2 ) m t 执行个p d p 上下文激活过程； 3 ) m t 发送a r 回应给t e ； 4 ) t e 上的p p p 协议发送l c p ( l i n kc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) c o n f i g u r e r e q u e s t 到g g s n ， 主要用于建立一条t e 到g g s n 的p p p 链路； 3 9 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 l 盯渤参， 一 】p 脚 ：f 友激衍 。3 娜确；劫 4 l c l a 馘珊编i 5 l c p 就鬻辘认 一 6 l c p 配鬻绪求 7 l c p 毅管国旗 2 长鞔缓梭。 一 一 9 讹p 戮贸绪裳( 缎衙d 蜕鞭。 。1 0 讹p 嬲鬻锟坡f 渤 ；嚣口辫张镛泼 n 图5 2 基于p p p 的g p r s 拨号连接业务流程 5 ) 回一个l c pc o n f i g u r e a c k 回应给t e 用来确认p p p 链路己经建立。如果g g s n 拒绝了l c pc o n f i g u r e r e q u e s t 中的所请求的某些选项，那么将会先发送一个 c o n f i g u r e - n a k 回应给t e 。t e 收到l c pc o n f i g u r e n a k 后会调整选项并重发l c p c o n f i g u r e r e q u e s t 给g g s n 请求再次建立链路。反复这个过程，自到建立链路成 功或者失败为止。 6 ) g g s n 上的p p p 发送l c pc o n f i g u r e r e q u e s t 请求来协商用于主机t e 和g g s n 之间认证的认证协议。一般地，g g s n 会首先与t e 协商c h a p ( c h a l l e n g e h a n d s h a k ea u t h e n t i c a t i o np r o t o c 0 1 ) ，如果协商不成功，则协商p a p ( p a s s w o r d a u t h e n t i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 。 7 ) t e 回应一个l c pc o n f i g u r e a c k 给g g s n 来确认指定的协议。如果t e 拒绝 g g s n 提出的认证协议，那么就先回应l c pc o n f i g u r e n a k 给g g s n 。g g s n 收 到l c pc o n f i g u r e - n a k 后会调整选项后重发l c pc o n f i g u r e - r e q u e s t 给t e 请求再 次协商认证协议。反复这个过程，自到认证协议协商成功或失败为止。 8 ) 利用前一步协商好的认证协议，t e 向g g s n 认证自己。如果t e 上没有认证 协议可以协商，那么g g s n 将拒绝p p p 连接。 9 ) t e 上的p p p 协议向g g s n 发送一个n c pc o n f i g u r e r e q u e s t 请求，这将激活 网络层协议。 1 0 ) g g s n 通过回应n c pc o n f i g u r e a c k 给t e 通知其p p p 协议现在网络层己经 被激活。如果g g s n 拒绝了n c pc o n f i g u r e r e q u e s t 中包含的某些参数，那么在 回应n c pc o n f i g u r e a c k 给t e 之前，将先发送n c pc o n f i g u r e n a k 给t e 。这将 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 会引起t e 重传n c pc o n f i g u r e a c k 给g g s n ，反复这个过程，自到n c p 配置成 功和失败为止。图5 3 给出了g p r s 终端拨号上网的程序流程图。 ( ， ) 王 l 鹣! 豫“p 靶 钐徽i j 一 艇a 。t + ，似譬：篙黑1 5 _ t 已 | “律”， l m n ” l 奄鼢 牲进“a 丁! 二，：” l m i 鼍釜掰 p 丽 ，j 砩，病甬铲堋。 铲f r 恐1 l m 心：- 执酲 太删 n 泛 ”r 卜m ：象夏剃暇 i 念群 丫 纸。，静，成，讷t j t 辩h 毒毵t 珏；p l 图5 3g p r s 终端拨号上网的程序流程图 5 2 1 2c a n 总线通信模块的实现 硬件平台上的c a n 总线控制器选用m c p 2 5 1 0 ，系统中，$ 3 c 2 4 1 0 通过s p i 同 步串行接口和m c p 2 5 1 0 相连。m c p 2 5 1 0 的片选信号，通过接在$ 3 c 2 4 1 0 的b a n k 5 上的锁存器( 7 4 h c 7 5 3 ) 来控制。$ 3 c 2 4 1 0 带有高速s p i 接口，可直接和m c p 2 5 1 0 4 l 基丁g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 通讯。c a n 总线系统的结构如图5 4 所示： 图5 4c a n 总线系统的结构图 系统通过如下两个函数来实现数据的读取和发送： s e n d s i o d a t a ( d a t a ) 向同步串口发送数据( u h a l h ) r e a d s l o d a t a ( ) 从同步串口读取数据( u h a l h ) m c p 2 5 1 0 中有3 个发送缓冲区，可以循环使用。也可以只使用一个发送缓冲 区，但是，必须保证发送的时候，前一个的数据已经发送结束。 m c p 2 5 1 9 中有2 个接收缓冲区，可以循环使用。 数据的发送和接收均可使用查询或者中断模式，这里，为编程简单，收发数 据都采用查询模式。通过读取命令( r e a ds t a t u si n s t r u c t i o n ) 来判断是否接 收( 或者发送出) 数据。m c p 2 5 1 0 的初始化流程图如图5 5 ： 4 2 嚣目 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 | 软件鸳于复，避入髭霄模或- 主 教级( a 、齄缓渡宰摹零 l 毒乏牛辑 土 挫拨l 璐生德耩 王 掰换戮躞sl 黟嬲l f 麓拔簇 艇j r 姒i ，) l 旃中终唆和竣磁燧p 隧 主 乃讲；撞嫒缓狰隧，矧 ，劾| 图5 5m c p 2 5 1 0 的初始化流程图 5 2 2 数据采集模块设计 管理中心计算机拥有固定i p 地址的服务器联接上i n t e r n e t 网，客户端通过 局域网连接上服务器，传输控制器联接上g p r s 网并主动呼叫服务器，当传输控 制器与服务器联接成功后，双方一直保持在线状态；此时客户端上的管理软件可 以给传输控制器发出各种指令；传输控制器则向其辖下的采集器通过c a n 总线 传送指令；采集器获得指令，并判断指令是否是针对其所辖下的计量表，如是则 读出计量表的数据并向传输控制器传送，传输控制器则向管理中心发送数据，传 输控制器回到接收命令状态。 主程序监视来自上位机的数据帧，并且定时轮询c a n 接口的采集器抄取数据， 程序框图如图5 6 和图5 7 。 4 3 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 图5 6 抄表主程序 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 图5 7 传输控制器轮询数据采集器框图 3 系统的仿真实现与运行 为了验证系统的可靠性和准确性，在实验室搭建一个测试平台，尽可能的模 拟现场的实际情况。 4 5 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 测试平台由两部分组成，2 个u p - n e t a r m 2 4 1 0 的实验箱和一台p c 机。一个 u p n e t a r m 2 4 1 0 的实验箱作为模拟数据采集器，另一个则作为传输控制器，p c 机 作为管理中心计算机。其中p c 机的i p 地址为：1 9 2 1 6 8 0 1 0 ；传输控制器的 i p 地址为：1 9 2 1 6 8 0 1 l ，c a n 总线的i d 标识符设置为：0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ：数据采集 器的c a n 总线i d 标识符设置为：0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ；c a n 总线通讯的波特率的设置为 lm b p s 。在实验箱上用一路模拟信号模拟电表，经过数据采集器上的a d 转换， 将采集到的数据存储到数据采集器中，然后传输控制器定时的抄录数据采集器中 的数据，最后通过以太网传输给p c 机。 在数据采集器的模拟输入端依次输入：1 2 ，1 3 ，1 7 ，1 9 ，2 3 ，2 8 ，3 1 ，3 5 ， 3 6 ，4 2 ，4 3 ：则在p c 机上依次收到网络数据如图5 8 。 埘瞄祭毪啪懒出 畦；“鳓群撼 图5 8p c 机接收网络数据界面 试验数据显示，数据采集器中的数据准确无误的传送到管理中心计算机上， 至此本系统的可靠性和准确性得到了验证。 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 6 1 全文总结 第六章全文总结与工作展望 本文在对目前国内外自动抄表技术的发展状况、几种常见的自动抄表系统的 特点进行分析的基础上，重点从抄表系统的数据通信方式、g p r s 安全性问题、 嵌入式l i n u x 实时性的改进和移植、系统硬件设计、系统软件规划和实现等方面 对基于g p r s 技术嵌入式自动抄表控制器的研究与开发进行了详细地阐述。其主 要工作如下： l 、提出了三层架构自动抄表系统设计方案，上层通讯选用了g p r s 无线网络 实现与上位机通讯，中、下层通讯采用了c a n 总线来实现数据表与采集器、采 集器与传输控制器的通讯；并从系统性能、安全性、稳定性、应用开发复杂性、 产品成本以及网络处理的支持度等实际因素考虑，结合嵌入式l i n u x 操作系统的 特点，提出了基于g p r s + 嵌入式l i n u x 的嵌入式实现方案； 2 、详细分析g p r s 用于无线抄表系统的安全性，提出g p r sv p n 解决方案 来保证g p r s 无线传输数据的安全性和可靠性，并给出其具体的实现方式和实现 过程。 3 、通过对嵌入式l i n u x 内核的改进、调度机制的改进、虚拟内存管理机制的 剔除等改进策略来解决l i n u x 实时性问题；仿真结果表明使其在实时性能方面 得到提升，满足系统实时性能要求。 4 、基于上述研究，实现了一个基于g p r s 的嵌入式实时a m r 系统。介绍 了a m r 系统的软、硬件结构及系统运行情况，结果表明达到了系统设计的要求。 6 2 工作展望 本文研究的内容涉及到g p r s 安全性、l i n u x 实时性的改进等方面，并初步 实现了自动抄表系统的基本功能，但由于本人水平有限，课题研究时间与硬件条 件的限制，本文还有许多的不足之处。在本课题研究的基础上还需要如下完成进 一步的工作： 4 7 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 1 ) 在系统设计方面 监控中心服务器端的应用程序还未设计，比如监控中心实时监测软件模块、 监控中心人工控制软件模块、监控中心数据库管理软件模块等，这使得本系统只 能作为一个无线传输数据终端来使用，将来可以考虑采用一些比较成熟的工控组 态软件来完成监控中心服务器端的功能，以达到完善本系统的目的。 2 ) 嵌入式l i n u x 实时性改进方面 调度算法不能过于复杂。这是由于l i n u x 系统的动态内存分配造成的。如果 调度算法过于复杂，就需要与硬盘进行数据交换。这样就进入了l i n u x 空间，由 于l i n u x 的分时本质无法保证控制系统的硬实时性，需要对调度算法进行进一步 的深入研究。 3 ) 抄表数据安全性和可靠性的研究方面 为确保数据传输的安全和可靠，以后的工作重点是对计量器数据的编码方 式和加密算法的改进，同时嵌入式设备的安全问题随着嵌入式产品的不断发展 己经越来越受到重视。这方面的研究需要结合传统数据安全和嵌入式系统的特 点进行。 4 8 基于g p r s 嵌入式自动抄表系统的研究与实现 参考文献 1 周孝信新世纪我国电力系统技术展望 j ，中国科协：2 0 0 2 年学术年会，w t o 后中国电机工程科技发展的机遇与挑战学术会议论文集2 0 0 2 9 2 蒋俊峰自动抄表技术的研究，电测与仪表，2 0 0 3 ，4 0 ( 1 0 ) ：2 4 ，4 1 4 4 3 白虹电能自动抄表自动化技术的发展电子仪器仪表创新学术会议论文集， 2 0 0 4 4 t j s h e p p a r d ，s o l i ds t a t eg a sm e t e r i n g t h ef u t u r ef l o wm e a s u r e m e n ta n d i n s t r u m e n t a t i o n , v o l u m e5 ，i s s u e2 ，a p r i l2 0 0 0 ，p a g e s10 3 10 6 5 f g a r r e t t j o h n s t o n ，a m r t r e n d s ：i ti s t i m ef o rf i x e dn e t w o r k s ，u t i l i t y a u t o m a t i o n e n g i n e e r i n g j ，2 0