（电气工程专业论文）嵌入式远程测控系统在gsmgprs网络基础上的研究.pdf

1 = 程硕士学位论文 摘要 近些年来，由于通讯网络的飞速发展，移动通信与实际应用的结合使得各种 基于g s m g p r s 网络的无线监控系统成为当前远距离无线监控领域最为广泛的 应用。另一方面，基于嵌入式概念的单片机和p c 通过串行口构成的多微机监测 系统己经广泛应用于工业控制、数据传输、水利系统、消防治安、智能楼宇、银 行金融等方面，这些系统原来大多采用有线网络、短距离无线网络等通信方式， 其固有的缺陷很大程度上限制了其使用的场合。 结合g s m g p r s 网络的无线监测系统的出现，弥补了基于其它通讯网络系统 的缺陷。本文研制通过g s m 网络的短消息通讯，结合g p r s 网络的无线数传监 测系统解决了上述的不足，具有低成本、可升级和易扩展的特性，能同时满足个 体用户和小规模用户的需求，应该具有更良好的应用前景。 本文首先论述了无线监控系统的研究背景、研究现状及研究意义。在此基础 上，作者结合无线监控系统的特点，提出了实时数据无线监控系统的实现方案。 随后。作者详细阐明了无线监控系统的硬件和软件的实现过程。作者研制的终端 系统特点如下： 1 功能多样。可用于数据传输、数据采集、远程报警等多方面的应用。 2 成本低。终端的成本远低于其它的无线监控系统 3 输入输出的多样性。系统的软硬件都实现了模块化，可以根据现场的具体 需要，搭配相关的硬件和软件模块，实现多种输入和输出。 文章在最后指出了两个数据终端平台尚存在的问题，并分别提出了改进意见 和下一步要做的工作。 关键词：g s m g p r s 网络，嵌入式系统，无线监控系统，实时操作系统 嵌入式远程测控系统在g s m g p r s 网络基础上的研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si nr e c e n ty e a r s ，w i r e l e s s m o n i t o rs y s t e mb a s e dt h eg s m g p r sb e c o m e st h em o s tw i d e s p f e a da p p l i c a t i o ni nt h e c u r r e n ti o n g - d i s t a n c ew i r e l e s sm o n i t o “n gf i e l d s i nt h eo t h e rh a n d ，t h em u l t i c p u m o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hi sc o n n e c t e db ys i n g l e - c h i p p e dc o m p u t e ra n dp cm a c h i n e t h r o u g hs e r i a li n t e r f a c ei sw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fi n d u s t r ya n dd a t am o n i t o r j n g t h ec o m m u n i c a t i o nw a yo ft h e s es y s t e m si sa l w a y sc a b l em o d e m ，r a d i os t a t i o a n ds o o n b u tt h e i ri n h e r e n tf a u l t1 i m i t st h ef i e l d si nw h i c ht h e s es y s t e m sa r eu s e d t h ea p p e a r a n c eo ft h ew i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mc o m b i n e dw i t hg s m g p r s n e t w o r k ss u p p l yt h eg a po ft h es y s t e m sb a s e do no t h e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s t h e r e f o r e ，t h ea r t i c l er e s e a r c h e sa n dp r o d u c e st h em o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hi st h r o u g h t h es h o r tm e s s a g es e r v i c eb a s e do ng s mn e t w o r k sa n dc o m b i n e dw i t ht h ew i r e l e s s d a t a - t r a n s f e r so fg p r sn e t w o r k s t h i ss y s t e ms o l v e st h ea b o v ep r o b l e m sa n dw i t h c h a r a c t e r i s t i c so fl o w - c o s t ，u p g r a d e a b l ea n de a s y e x t e n d e d i tc a nm e e tt h en e e do f t h ep r i v a t eu s e r sa sw e i la st h es m a i l s c a l eu s e r s ，s o ，t h e r em u s tb eab r i g h t e rf u t u r e f o r t h i ss y s t e m f i r s t l y ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n d ， t h ep r e s e n ts i t u a t i o a n d s i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h t h e ，t h ea u t h o rp f e s e n t st h es o l u t i o t ot h ew i r e l e s s m o n i t o rs y s t e mb a s e do ng s m g p r si n d e t a i l ， w h i c hi sc o m b i n e dw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sm o n i t o “n gs y s t e m i ta l s og i v e sd e t a i l so ft h ec o n t r o l l e r d e s i g nu s i n gt h ed e s i g nt h e o r yo fe m b e d d e ds y s t e m a f t e rt h es y s t e md e s i g nb e i n g f i n i s h e d ，t h ea u t h o re x p l a i n sh o wt oi m p l e m e n tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e w i r e l e s sm o n j t o r i n gs y s t e m t h ec h a r a c t e r so ft h ew i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e ma r ea s f 0 1 1 0 w s ： 1 m u l t i p l e xf u n c t i o n a p p l i c a t i o nf o rd a t at r a n s m i s s i o n ， d a t aa c q u i r i n ga n d l o n g d i s t a n c em o n i t o r i n ge t c 2 l o wc o s t t h ec o s to fc o n t r o l l e ri sl o w e rt h a nt h ew i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do no t h e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s 3 m u l t i p l i c i t yf o ri n p u ta n do u t p u t t h es y s t e mc a nb ei m p l e m e n t e dv i as o f t w a f e m o d u l ea dh a r d w a r em o d u l eb a s e do nt h ei n d u s t r i a lf i e l dn e e d a tt h el a s tc h a p t e ro ft h i sp a p e r ，t h ea u t h o rg i v e ss o m ei m p r o v e m e n tt h i n k so n t h e s et w od l a t f o r m s i i _ t 程硕士学位论文 k e yw o r d s ：g s m g p r sn e t w o r k ，e m b e d d e ds y s t e m ，w i r e i e s sm o n i t o rs y s t e m ， r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m i i i 嵌入式远程测控系统在g s m g p r s 网络基础上的研究 插图索引 图2 1 短消息业务的体系结构图 图2 2s i m 卡的物理结构图 图2 3 基于s m s 的温度信息遥测遥传系统组成框图 图2 4m 2 2 模块的结构 图2 5s i m 卡与m 2 2 连接图 图2 6u n i c o d e 转换工具 图2 7 单片机利用s m s 发送温度信号电路图 图2 8 单片机利用s m s 发送温度信号主程序流程图 图2 9d s l 8 8 2 0 初始化过程“复位和存在脉冲” 图2 1 0d s l 8 8 2 0 的复位程序流程图 图2 1 ld s l 8 8 2 0 写时间片 图2 1 2d s l 8 8 2 0 读时间片 图2 1 3d s l 8 8 2 0 写数据程序流程图 图2 1 4d s l 8 8 2 0 读数据程序流程图 图2 1 4l c d 显示子程序流程图 图2 1 5s m s 显示发送实物图 图2 1 6 系统实物图 图3 1g p r s 系统网络结构 图4 1s 3 c 4 4 8 0 x 的系统框图 图4 2s 3 c 4 4 b o x 复位后的存储器地址分配 图4 3f 1 a s h 连接电路 图4 4s d r a m 连接电路 图4 5s 3 c 4 4 b o xc p u 电源电路 图5 1u c o s i i 硬件软件体系结构图 图6 1 采用t c p i p 协议芯片接入互联网的无线终端设计框图 图6 2内嵌操作系统及协议栈的互联网无线终端设计框图 图6 3g p r s 模块s i m 卡与串口电路设计图 图6 4 系统软件整体框图 图6 5 通讯协议模型 图6 6 数据封装发送过程 图6 7 数据分组接收过程 图6 8 系统数据流程图 图6 9i p 层收包函数流程图 图6 1 0u d p 协议工作模型 图6 1 1p p p 回话过程 图6 1 2g p r s 网络初始化及拨号过程 图6 1 3l c p 协商过程流程图 图6 1 4g p r s 网络发送给终端的l c p r e q 帧 图6 1 5p a p 协商过程流程图 图6 1 6i p c p 协商流程图 图6 1 7 通过g p r s 网络传数据的程序流程 0 0，0墙m m坫坫坫拍m埔均加约弛弘鹅如甜鹞甜必“钉鸽跎胆弱弱弱盯 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 工程硕士学位论文 附表索弓 表2 1a t 命令的语法规则 表2 2 发送信息的p d u 串解释 表3 1m s 连接后，s g s n 中的关系映射表 表3 2p d p 场景激活后，s g s n 中的关系映射表 表3 3p d p 场景激活后，g g s n 中的关系映射表 表4 1 几种常见的处理器内核 表4 2b a n k 6 b a n k 7 地址 表4 3 数据宽度选择 表4 4 存储器地址线连接 表6 1i p 数据报 表6 2u d p 消息格式 表6 3p p p 数据帧格式 v 均船盟孔拍趴趴蛎鸲 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 、形豸荔 日期：钟钼扩日 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，同意学 校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。本人授权兰州理工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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 蚴不 意吨1 日期：砂，年月汨 日期：2 一一f 年，月，o 日 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的背景 1 1 - 1g s m g p r s 网络的发展现状 目前，中国移动的全球通网络覆盖全国所有地( 市) 和9 8 以上的县( 市) ， 实现了高话务区域的立体覆盖及主要交通干线的连续覆盖，并与中国电信、中国 联通和中国网通等运营公司实现了互联互通。随着s m s 业务的蓬勃发展以及中国 移动g p r s 网络的逐步完善，移动通信正逐步由语音通信占主导，转向数据通信 和语音通信并驾齐驱。通信专家认为：数据通信的业务量将很快超过语音通信， 成为移动通信的主角，工业应用为目的的数据通信构成了整个数据通信中非常重 要和发展迅速的一个分支。 以g s m 网络作为数据无线传输网络，可以开发出多种前景极其乐观的各类 应用，如无线数据的双向传送、无线远程检测和控制等。典型的应用有：工业控 制、环境保护、道路交通、商务金融、移动办公、零售服务等等。 1 1 2 无线监控系统发展现状及前景 远程监控技术的出现，是计算机网络技术与故障监控技术结合的必然结果。 早期远程监控技术是非实时非在线监控方式，而现代远程监控技术是实时在线监 控方式，借助于计算机、互联网和通信技术，操作者可以依靠安装在现场的各种 传感器及音视频设备，远隔千里便可以随时了解现场生产与设备情况，对生产现 场进行监控、诊断与控制。远程监控技术的模式是与通信技术的发展密不可分的， 伴随着通信技术的发展，出现了三种远程监控模式。 1 人工远程监控 这种方式是通过人工对现场参数及现场运行情况进行记录，然后带回总控室 让工程师进行分析和推理，这就包括的太多的人为因素，而且无法实现实时在线 监控，存在很多弊端，这是比较原始的方式。 2 有线网络远程监控 有线网络监控方式是现代远程监控模式，他将现场各个采样点通过通信线将 其连成网。根据通信方式的不同，可以有以太网、光纤网等等，这种方式也是现 在广为使用的方式，如现场总线，其特点是将多个分散在生产现场，具有数字通 信能力的测量控制仪表作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，以总线作为 通信连接的纽带，把现场控制设备连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务 嵌入式远程测控系统在g s m g p r s 网络基础上的研究 以及现场控制设备与监控计算机之间实现工业数据通信的网络系统i l j 。由于数字 信号远程传输的保真度高，不受时间和空间影响，因此传输数据可靠性高，可以 实现真正意义上的实时在线远程监控与诊断。但是这种方式在网络铺设上投资巨 大，而且受距离限制，各数据点之间的距离越远，铺嘲的投资就要上升。 3 无线网络远程监控 无线网络远程监控又分为两种：一种是单独构建无线网，另一种是利用 g s m g p r s 网络。第一种方式由于要自己进行网络构建，包括传输设备，中继站， 传输协议制定，工作量比较大。第二种用g s m g p r s 网络实现，这类监控的通信 方式是依托遍布全球的g s m 网，它最大的特点是打破了距离的限制，从而可以 实现全国乃至全球漫游监控。这类监控主要是利用g p r s 数据业务通过i n t e r n e t 进行通信。g p r s 技术传输速度快，永远在线，用g p r s 技术实现的监控系统， 实时性强，安全可靠，按流量计费，比短消息更经济更合理。利用g p r s 进行远 程监控，即避免了开发新的频率资源，又丌辟了远程监控的新领域。该系统具有 网络覆盖范围广，系统抗干扰能力强，通信速度快，通信误码率低等优点，并且， 完全利用g p r s 移动通信网络，建设和运行成本低。随着g p r s 网络技术的不断 发展，构筑在g p r s 网e 的远程无线测控系统必然能与移动通信技术的发展同步， 因而具有广阔的前景。 1 2 研究目的 随着我国信息化进程的全面推进，各行业对信息化也提出了较高的要求，对 信息化的认识也从单纯的数字化提升到数字化与网络化、无线化统一的高度。针 对目前信息化的要求，原有的有线系统虽然完成数字化与网络化，但复杂的布线、 高昂的维护成本使得网络节点的分布范围受到了很大的限制，这在很大程度上阻 碍了信息化的深入和普及。冈此，信息化对无线数据传输的需求日益剧增。移动 网络几乎覆盖地球的每一个角落，它所提供的很多数据业务使许多智能设备、仪 表的无线数据传输成为了可能。目前通过移动网络传输数据的手段大体有三种： ( 1 ) 通过语音方式进行数据传输，这种方法是利用语音通道将数据调制到语音 通道传输出去，再由接受方将数据解调出来，但这种方式受g s m 语音编码方式 的局限，对数据压缩还原会造成数据的失真。这种方案基本不被采用。 ( 2 ) 短信业务( s m s ) ，一条短消息中可以容纳7 0 个中文字或1 4 0 个英文字符， 可以满足小数据量的设备进行远程数据传输。 ( 3 ) 通用分组无线业务( g p r s ) ，g p r s 网络传输数据的质量非常稳定，且 传输距离可以达到g s m 网络能达到的地方。g p r s 能实现“永远在线”，所以一旦 建立g p r s 连接，就可以随时发送数据，不需再拨号。数据传输速率可提升到 工程硕士学位论文 5 6 k b p s ，甚至1 1 4 k b p s 。所以通信的带宽是足以满足实时通讯的要求的。 其中短信业务( s m s ) 和g p r s 业务可以为微控制器的远程无线接入提供一 个稳定的平台，正如前面的叙述，利用短消息业务来传送数据特别适合数据量少， 实时性要求相对较低的场合。而利用g p r s 业务传输数据适合于实时性要求高， 数据量比较大的场合，但是其开发难度相对过高。且目前工业用数据通讯终端中， 基于s m s 的占大多数。所以作者有理由相信，在今后相当长的一段时间，基于 s m s 方式的通讯终端还将在工业领域大有作为。 本文首先介绍利用s m s 的p d u 格式实现数据远程传输的方法，在后面的篇幅中 介绍利用g p r s 业务实现数据远程传输的方法，试图从硬件和软件两个方面，提 供一种适合工业用途的g p r s 数据通讯终端的最迅速和相对的最佳解决方案。 1 3 研究的主要工作 本文通过对传统的通讯方式进一步了解与研究，并且根据应用场合的不同， 提出了利用移动通讯网络的短消息业务及g p r s 业务设计无线终端进行远程无线 数据传输。并通过调查了解移动通信运营商提供的各种服务，最后根据b e n q 公 司提供的g s m g p r s 通讯模块m 2 2 对短消息发送与接收等作进一步试验，分析 短消息的传输协议，找出其优缺点，并利用g p r s 新型数据业务对其局限性作进 一步的补充。本论文的工作主要经历了以下过程： ( 1 ) 搜集相关资料，阅读有关远程无线传输数据的文献和技术文章，了解远程 无线传输系统的规划及设计方法，并对传统的数据传输途径进行了了解和分析。 ( 2 ) 跟踪移动通讯市场，通过市场调查，对移动通讯运营商所提供的服务进一 步认识，并根据实际的需要找到适合系统要求的服务与产品。 ( 3 ) 阅读g s m 协议标准，利用g s m 通信设备对s m s 传输作进一步试验，阅 读有关移动通信书籍，了解短消息的各种协议。 ( 4 ) 查阅有关微控制器无线上网的技术资料。对微控制器借助g p r s 网络传输 数据设计合理方案，并对软硬件进行调试。将整个系统进行设计并实现部分通信 功能，整理文档，完成论文答辩。 嵌入式远程测控系统在g s m g p r s9 目络基础上的研究 第2 章基于s m s 的终端设计及实现 本章详细介绍基于g s m 网络通信短消息业务的终端设计及实现，通过一个 对温度数据遥测遥传的试验，分别对硬件、软件进行阐述，重点介绍软件方面的 设计。考虑到可读性，尽量多以框图和流程图进行描述。 2 1s m s 的基础知识 2 1 1s m s 的概念和特点【2 】 s m s 是短信息服务( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 的简称，是通过手机发送和接收 有限长度的文本信息的功能。文本信息是词语、数字和字母的组合，一条短信息 可以包含1 6 0 个英文字母( 7 一b i t 编码) 或7 0 个非拉丁字母( 1 6 一b i t 编码) ， 如中文汉字或阿拉伯字母等u n i c o d e 编码。 s m s 具有以下几方面的特点： ( 1 ) s m s 采用的是存储一转发模式，即短消息被发送出去之后，不是直接发送 给接收方，而是先存储在短信服务中心( s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t e r ，s m s c ) ， 然后再由短信息中心将短信息转发给接收方。如果接收方当时关机或不在服务区 内，s m s c 就会自动保存该短信息( 一般不超过3 天) ，等到接收方在服务区出现 的时候再发送给他。 ( 2 ) s m s 对发送的信息具有保证的双向服务，与普通的寻呼机制不同。寻呼机 的发送方不清楚消息是否发送成功，而s m s 发送方可以在将短消息发送出去以后 得到一条确认通知，返回传递成功或失败的信息，以及不可到达的原因。 ( 3 ) s m s 可以与话音、数据、传真等业务一起进行同步传输。由于s m s 是非 对称业务，它使用s s 7 信令信道传输数据分组，所以即使在业务信道处于高峰期 的情况下，也照样可以使用短信息顺利通信，s m s 还可以实现全国和国际漫游。 2 1 2 短信息业务的体系结构 1 移动始发短消息的基本流程 对于手机来说，移动始发短消息和移动终结短消息是完全独立的两个过程， 移动始发的短消息从手机接入系统开始，到收到短消息中心( s m s c ) 发来的发 送成功为止。手机将短信发送给v m s c ，v m s c 根据短信中携带的短消息中心的 标识号，将短信提交给1 w m s c ，由1 w m s c 提交短信中心。 移动始发短消息可以分为以下几个过程： ( 1 ) 接入和鉴权加密 ( 2 ) 发送短消息到短消息中心 ( 3 ) 短消息中心向手机报告发送结果。 2 移动终结短消息的基本流程 移动终结短消息的过程与移动用户被叫的过程类似，短消息中心将收到的短 消息发送给s m s g m s c ，s m s g m s c 向h l r 取得为发送短消息所必需的路由信 息，然后将短信传送给短信接收者所在的m s c ，由m s c 将短消息发送给手机。 整个过程包括取路由信息，寻呼，接入和寻呼响应，鉴权加密，短消息传送，最 后向短消息中心报告接受结果，这个结果经s m s g m s c 分别送h l r 和短消息中 心，由短消息中心回送始发短消息用户。以下是s m s 体系结构图和部分通信术语。 曰叫 = = h j 口_ 副跚h j 1 j 口 s 腿 h 臣型 商 短信息实体( s h o r tm e s s a g i n ge n t i t y ，s m e ) ：它可以接收或改善短消息，位 于固定电话系统、移动基站或其他服务中心内。 s m s 网关( s m c g m s c ) ：接收由s m s c 发送的短消息，向h l r 查询路由信 息，并将短消息传送给接收者所在的基站的交换中心。 访问位置寄存器( s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ，v l r ) ：含有用户临时信息的数 据库。交换中心服务访问用户时需要这些信息。 受访移动无线局( s i t e dm o b i l es e r v i c e ss w i t c h i n 2c e n t r e ，v m s c ) ：当某个 移动用户离开原籍移动无线局而到达另一个移动无线局所管辖的地域时，则该移 动无线局称为该移动用户的受访移动无线局。 移动交换中心( m o b i l es w i t c h i n gc e n t r e ，m s c ) ：负责系统切换管理并控制 来自或发向其他电话或数据系统的拨叫。 归属位置寄存器( h o m el o c a t i o nr e 画s t e r ，h l r ) ：持久地存储着移动台现时 位置和所有用户参数的原籍数据库。即系统用来管理用户的中央数据库，它存储 了所有已注册移动用户的静态数据( 如接续能力、预约业务和辅助业务等) 和动 态数据( 如移动台实际所在m s c 的信息等，以便接通呼叫) 。 2 1 3s im 卡 5 嵌入式远程测控系统在g s m g p r s 网络基础上的研究 用户识别模块( s u b s c r i b e r i d e n t i t vm o d u l e ) 是一种带微处理器的封装在塑料 中的智能i c 卡，它是g s m 系统中不可缺少的一个重要部分，是用户进入g s m 网络的登记凭证【3 1 。在s i m 卡中，包含有用户识别信息、辅助业务信息、短消息、 移动性信息和无线电资源信息等。在g s m 系统中，通过对s i m 卡的物理接口、 逻辑接口的明确定义，来完成与移动终端的连接和信息交换，同时在s i m 卡内进 行用户信息存储、执行鉴权算法和产生加密密钥等工作。只有插入s i m 卡，移动 终端才能接入网络。它由c p u ( 8 位) 、程序存储器( 3 8 b i t ) 、工作存储器( 6 1 6 b i t ) 、数据存储器( 1 2 8 2 5 6 k b i t ) 和串行通行单元五部分组成。 2 s i m 卡的物理结构 s i m 卡的物理结构如图2 2 所示。s l m 卡共有8 个触点，通过这些触点与移 动终端接口，进行相互问的信息传输，并提供s i m 卡电路工作时所需的电源。 s i m 卡各触点的定义如下： c 1 ：v c c 电源电压。 c 2 ：r s t 复位端。 c 3 ：c l k 时钟，时钟速率通常由移动终端提供，s i m 卡支持1 5 m h z 时钟， 它在指定时间内运行鉴权过程时至少需要1 3 4 m h z 的时钟频率，其它情况下使用 1 3 8 m h z 的时钟频率。 c 4 ：无定义，为将来使用保留。 c 5 ：g n d 地。 c 6 ：v p p 编程电压。 c 7 ：i o 输入输出。 c 8 ：无定义，为将来使用保留。 图2 2s i m 卡的物理结构图 s i m 卡的电性能要求为使s i m 卡能正常工作，各触点的电性能以及电源开 荚时的电性能都是有所要求的。s i m 卡开启电源期间，各触点的激活顺序为：r s t 为低电平状态；v c c 加电；i o 处于接收状态；v p p 加电，提供稳定的时钟信号。 s t m 卡关闭电源时，各触电的去活顺序为：r s t 为低电平状态，c l k 为低电平状 态，v p p 去活；i o 为低电平状态；v c c 去活。电源开启时，s i m 卡有两种工作方 式，即工作方式和空闲方式。在工作方式时完成与移动终端之间的信息传输，在 空闲方式时s i m 卡将保留所有相关数据，并支持内部全休眠、指令休眠和时钟休 6 工程硕士学位论文 眠三种休眠方式。 2 2 终端硬件设计及实现 2 2 1 系统整体结构 整个系统由两大部分组成，m 2 2 通信模块电路部分和单片机系统。m 2 2 通信 模块电路部分主要由m 2 2 通信模块和s i m 卡电路组成。单片机系统采用i t e l 公 司的8 0 5 1 单片机，控制器可附加键盘和显示单元进行现场显示和设定，也可不选， 而是由手机或上位机通过短信来设定，这样可以减小设备的体积。控制器根据设 定的手机号码将测得的数据编辑为一条短信发送给监控中心主机进行处理或发送 给指定手机。系统的传输模式可以选择为定时发送或通过震铃来触发一次发送， 如果加入了显示和控制单元，也可由监控现场的工作人员通过按键来发送短信。 系统组成框图如图2 3 所示。 卫 控 叫。需毳“、门一暹蒺卜= 2 e yv 巴倒k 呈 制 仆i 凑蒺i 飞卜一手机 器 图2 3 基于s m s 的温度信息遥测遥传系统组成框图 2 2 2m 2 2 通信模块电路 1 m 2 2 模块的结构和特点 m 2 2 模块是b e n q 公司生产的高性能通信模块，主要由基带处理器、射频模 块、闪存、供电模块、天线接口、s i m 卡接口等组成。作为m 2 2 的核心，基带处 理器主要处理g s m 终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有 的模拟和数字功能。m 2 2 模块的结构如图2 4 所示 嵌入式远程测控系统在g s m g p r s 网络基础上的研究 图2 4m 2 2 模块的结构 m 2 2 模块主要特点如下【4 】： 支持语音、数据、短消息和传真业务。 三频g s m 模块，支持g s m 9 0 0 ，d c s l 8 0 0 p c s l 9 0 0 ，执行e t s ig s mp h a s e2 + 的标准，类别4 ( 2 w 9 0 0 m h z ) ，类别1 ( 1 w 1 8 0 0 1 9 0 0 m h z ) 。 通用a t 指令控制 外部尺寸：5 5 5 4 0 5 9 5 m m 重量：1 3 9 ( 包括屏蔽) 通话时功耗：最小2 3 0 毫安，最大2 6 0 毫安。待机模式时：小于6 毫安。 g p r s 通信时：小于2 5 0 毫安。 s i m 工作电压3 v 2 s i m 卡电路 m 2 2 为s i m 卡接口预留了6 个引脚，所添加的c c i n 引脚用来检测s l m 卡支 架中是否有s i m 忙。当插入s i m 卡，该引脚置为高电平，系统方可进入正常工 作状态。但是f 1 前移动运营商所提供的s i m 卡均无c c i n 引脚，所以在设计电路 时不用考虑引脚c c i n 与c c v c c ，如果是8 个引脚的s i m 卡，只需将引脚c c i n 与c c v c c 相连即可。6 引脚的s i m 卡与m 2 2 模块连接如图2 5 所示【。 图2 5s i m 与m 2 2 连接图 工程硕士学位论文 3 a t 指令 m 2 2 模块通过a t 命令与单片机通信。所有a t 命令( 除了重复命令以外) 都 由a t 开头，除了发送短消息最后是以 + 结束外，其余的都是以回车符 结束的。响应形式都是 。表2 1 列出了a t 命令的语法规则饥。 表2 1 a t 命令的语法规则 模块返回由相应写命令或内部处 测试命令 a t + c x x x = ? 理设置的参数和值范围列表 模块返回当前设置的参数或参数 读命令 a t + c x x x ? 值 a t + c x x x = ? 写命令模块返回用户定义的参数值 读取在g s m 内部处理器的不变参 执行命令 a t + c x x x 数 ( 1 ) 常用初始化指令 设置单片机和m 2 2 模块的通信波特率a t + i p r = ， 是回 车符号。指令正确则模块返回 o k ， 是回车换行符 号。参数r a t e 可以是0 ，3 0 0 ，6 0 0 ，1 2 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 ，9 6 0 0 ，1 9 2 0 0 ，3 8 4 0 0 ， 5 7 6 0 0 ，1 1 5 2 0 0 。其中3 0 0 到1 1 5 2 0 0 表示固定波特率的数值；当通信波特率超过 1 2 0 0 时，可设为o 表示自适应波特率，模块根据单片机的串口数据的波特率调整 本身与之相同。本设计中参数r a t e 设为9 6 0 0 ，单片机的串口的波特率为9 6 0 0 b s 。 设置短消息中心号码a t + c s c a = “+ 8 6 1 3 8 0 0 9 3 1 5 0 0 ”( 兰州短消息中 心) ，设置正确则模块返回 o k 。注意短消息中心号码 可能会因不同手机或不同区域而不同。 设置短消息发送格式a t + c m g f = 0 ，设置o 代表p d u 模式，指令正确 则模块返回 o k 。 保存当前的设置a t & w 。把前面设置的通信波特率、短消息中心号码和短 消息发送格式写入模块。 ( 2 ) 常用短消息操作指令 发送短消息指令。p d u 模式中，首先发送短消息数据的长度。a t + c m g s = 。等待m 2 2 返回a s c u 字符“ ”，则可将p d u 数据输入，p d u 数据以 + 作为结束符，短消息发送成功，模块返回 0 k 。 删除短消息。由于s i m 卡只能存储有限条短消息，为防止s i m 卡中短消 嵌入式远程测控系统在g s m g p r s 网络基础上的研究 息存满而不能再接收短消息，收到一条短消息后，在进行数据分析处理后，将此 消息立刻删除，删除短消息的指令为a t + c m g d = i n d e x ，删除后模块返回 0 k 。 4 短消息的模式与u n i c o d e 编码方式 g s m 移动电话有三种接口协议控制s m s 功能，分别为b l o c km o d e ( 阻塞模 式) 、t e x tm o d e ( a s c 模式) 、p d um o d e ( 二进制模式) 。 阻塞模式适用于连接不是非常可靠的情况。这种模式常见于需要对远方设备 控制的情况。阻塞模式有着与另两种模式完全不同特性的协议，当进入此种模式， 此状态就将一直保持下去，直到程序主动退出阻塞模式，退出阻塞模式以后将返 回到v 2 5 t e r 命令状态，或者在线命令状态。 t e x c m o d e 是基于a t 命令的接口协议，适用于非智能的终端和一些基于命令 结构的应用软件。在t e x t 模式，所有的a t 命令都是以a s c i i 码的形式回答的。 p d u 模式是以1 6 进制编码传输消息块的接口协议，在此模式中，短消息( 包 括短消息的头部分) 都是经过1 6 进制编码的，也即，只有0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ， 7 ，8 ，9 ，a ，b ，c ，d ，e ，f 这些字符是允许的。 西文字符一般是以7 位一个字节来表示的，最多有1 2 8 种组合方式，最常用 的表示方法是a s c i i 码。对应a s c i i 码表得到相对应的字符为可见字符。如果使 用8 个位形成一个字节，那么可能的组合就是2 5 6 种，也就是a s c i i 码表上2 5 6 个字符，其中包括1 2 8 2 5 5 的不可见字符。英文只需要用到a s c i i 码的前1 2 8 个位置就足以表达全部的字符。 u n i c o d e 是一种统一字符编码标准，采用双字节对字符进行编码。这是a p p l e 和x e r o x 公司于1 9 8 8 年建立的一个技术标准。u n i c o d e 提供了一种简单而又一致 的表示字符串的方法。由于u i c o d e 用+ 个1 6 位的值来表示每个字符串，因此总 共可以得到6 5 0 0 0 个字符，这样，它就能够对世界各国的书面文字中的所有字符 进行编码，远远超过了单字节字符集的2 5 6 个字符的数目。这种u n i c o d e 的特点 是所有的字符是以两个字节表示，不仅中文使用两个字节，而且英文也使用两个 字节表示。 汉字的十六进制p d u 编码直接采用汉字的u n i c o d e 编码，由于汉字的编码足 十六位的，当中英文出现在同一短消息的时候，中文每个汉字是十六位的，但是 字母和数字是八位的编码，这时统一采用十六位编码，也就是在八位的a s c l l 码 前面补o 。6 1 h 是“a ”的a s c i i 码，补齐十六位后的u n i c o d e 编码为0 0 6 1 h 。 可以利用u n i c o d e 转换工具得到汉字的u n i c o d e 编码的十六进制，比如“祝您 快乐”四个汉字转换得到相应的编码如图2 6 所示。 工程硕士学位论文 图2 6u i c o d e 转换工具 本系统采用p d u 模式进行收发短消息，统一使用u i c o d e 的编码形式。下面 举例说明p d u 串的结构和编排方式【8 1 【9 1 。 例如：需要发送信息“祝您快乐”到手机1 3 8 9 3 6 8 0 2 6 3 ，其流程如下： 输入：a t + c m g f = 0 回车；设置短消息格式，参数o 为p d u 格式，1 为 t e x t 格式 返回：o k 输入：a t + c m g s = 0 2 3 回车；参数0 2 3 是输入的字节数的总数一1 返回： 输入：0 0 1 1 0 0 0 d 9 1 8 3 1 2 8 3 q 8 2 里3 0 0 0 8 a 9 0 8 2 2 5 卫q 8 5 里星旦垒里5 q 返回：+ c m g s ： 0 k 对各个数据域进行分析如表2 2 所列。