基于GSM的IC卡消费管理系统设计毕业论文.doc

基于基于 GSMGSM 的的 ICIC 卡消费管理系统设计卡消费管理系统设计 摘摘 要要 随着通信技术和计算机技术的迅速发展 无线通信数据网络在工业 民用设 备的数据传输中日益得以应用 无线远程数据采集与传统有线方式的远程数据采 集相比具有不受地理环境 气候 时间限制等诸多优点 为提高远程数据采集和远程监控的方便性 灵活性和经济性 本文研究了基 于 GSM 的 IC 卡消费管理系统设计 短信服务 SMS Short MessageService 作 为 GSM 网络的一种主要的基本业务 它的传递是可靠的 因此 选用 GSM 的短消 息业务来实现远程无线数据传输是可行的 在短消息业务快速发展的背景下 短 消息在无线监控与数据传输方面的应用有着极为重要的现实意义和实际价值 基 于 GSM 短信息功能可以做成传输各种检测 监控数据信号和控制命令的数据通信 系统 能广泛用于远程监控 定位导航 个人通信终端等 利用现有的 GSM 网络 资源 发挥网络覆盖率高 传输性能好等优势 为现有的远程数据采集和远程监 控提供一种便捷的无线数据传输方式 本系统由数据采集部分数据接收和发送部分终端处理部分三个模块组成数据 采集模块将采集到的数据存入存储器中数据收发模块采用双单片机共用 E2PROM 的 方式单片机 2 控制数据从存储器转存入 E2PROM 中单片机 1 负责将数据从 E2PROM 中读出并经 GSM 模块 2 借助 GSM 网络将数据发送出去单片机 1 不仅控制数据的 发送也控制数据的接收在这里 本文首先介绍了课题研究的背景和 GSM 基本理论 其次 详细阐述了应用单 片机 AT89S52 技术 选用 TC35i 模块 设计完成 GSM 无线数据传送的过程 主 要是 GSM 终端软硬件的设计和调试 同时 该终端设备具有良好的通用性 可应 用于不同的场合和系统中 最后 给合 GSM 网络无线数据传输技术 设计出 IC 卡消费管理系统 本系统具备体积小 价格低 可靠性较高的特点 并具备较为 丰富的接口电路 可以以该系统为基础进行进一步的应用开发 能满足各类移动 性强 数据传输量小的应用场合 也适合于偏远地区等不便架设通信线路的地方 使用 具有很好的应用前景 关键词 关键词 数据传输 GSM 单片机 TC35i IC 卡 GSM based IC card management system Abstract With the rapid development of communications and computer technology wireless communications data networks in the industrial civil and data transmission equipment increasingly applied wireless remote data acquisition compared with traditional wired remote data acquisition has from the geographical environment climate time constraints and many other advantages Remote data acquisition and remote monitoring of convenience flexibility and economy the consumption of the IC card management system design based on GSM Short Message Service SMS Short the MessageService as the basic operations of a GSM network the transmission is reliable and therefore the selection of the GSM short message service to a remote wireless data transmission is feasible In the context of the rapid development of short message service short message in the wireless supervisory control and data transmission has a very important practical significance and practical value Made based on the GSM short message function can transmit all kinds of testing monitoring data signals and control commands data communication system widely used in remote monitoring navigation personal communication terminal use of the existing GSM network resources to play the network coverage rate transmission performance provide a convenient wireless data transmission for remote data acquisition and remote monitoring The system consists of data acquisition part of the data receive and send part of the terminal processing section composed of three modules data acquisition module to the collected data into a data transceiver module using pairs of single chip shared E2PROM microcontroller control data transfer from memory deposited E2PROM memorythe microcontroller to read data from E2PROM and GSM module with GSM network data sent to the microcontroller not only controls the sending of data to control data reception in here This paper first introduces the research background and GSM basic theory Second elaborated on the application MCU AT89S52 the choice of the TC35i module design is complete GSM wireless data transfer process mainly the GSM terminal software and hardware design and debugging thethe terminal equipment has good versatility can be applied to different occasions and systems Finally to co wireless data transmission technology for GSM networks the design of the IC card management system This system has the small size low price and high reliability features and rich interface circuit the system as the basis for further application development to meet the various types of mobility a small amount of data transfer applications occasions Also suitable for use in remote areas and other inconvenient place to set up communication lines with a good prospect of application Keywords data transmission GSM microcontroller TC35i IC card 2012 届毕业设计说明书 第 I 页 共 III 页 目目 录录 1 绪论 3 1 1 研究背景 3 1 2 IC 卡消费系统的研究现状 3 1 2 1 IC 卡消费系统国外研究现状 3 1 2 2 IC 卡国内研究现状 3 1 3 理论与实际意义 3 1 4 课程目标 3 2 GSM 通信技术简介 3 2 1 GSM 系统组成 3 2 2 GSM 系统的业务 3 2 2 1 短信息业务 3 2 2 2 SMS 发展前景 3 2 3 本章小结 3 3 GSM 终端的硬件设计 3 3 1 GSM 终端设计方案概述 3 3 2 硬件设计的总体结构 3 3 3 硬件资源介绍 3 3 3 1 GSM 模块 TC35i 3 3 3 2 单片机 3 3 4 AT89S52 电路设计 3 3 4 1 芯片电源电路设计 3 3 4 2 AT89S52 芯片介绍 3 3 4 3 串行通信设计 3 3 5 TC35i 外围电路设计 3 3 5 1 TC35i 电源电路设计 3 3 5 2 SIM 卡电路设计 3 3 6 GSM 终端 PCB 板的抗干扰 可靠性设计 3 3 7 本章小结 3 2012 届毕业设计说明书 第 II 页 共 III 页 4 GSM 终端软件的设计 3 4 1 终端软件实现 3 4 1 1 收发短消息数据的 AT 指令 3 4 1 2 收发短消息的格式 3 4 1 3 主应用处理模块 3 4 1 4 短消息的发送过程 3 4 1 5 发送短信息的一般步骤 3 4 1 6 短消息的接收过程 3 4 2 IAR MSP430 集成开发环境 Wordbench 3 4 3 本章小结 3 5 IC 卡消费系统硬件设计 3 5 1 IC 卡消费系统两个终端 3 5 2 总体方案 3 5 3 系统硬件框图 3 5 4 IC 卡模块 3 5 4 1 SLE4442 的主要特征 3 5 4 2 SLE4442 卡的触点 3 5 4 3 SLE4442 卡的引脚定义和功能 3 5 5 显示模块 3 5 5 1 控制器接口信号说明 3 5 6 报警模块 3 5 7 本章小结 3 6 IC 卡消费系统软件设计 3 6 1 主控程序设计 3 6 2 SLE4442 卡的读写 3 6 2 1 传输协议 3 6 2 2 指令 3 6 3 LCD12864 的控制 3 6 4 本章小结 3 2012 届毕业设计说明书 第 III 页 共 III 页 7 结束语 3 附录 A 电路图 3 附录 B PCB 图 3 附录 C SLE442 操作程序 3 参考文献 3 致谢 3 2012 届毕业设计说明书 第第 1 页 共 75 页 1 1 绪论绪论 1 11 1 研究背景研究背景 随着计算机技术和网络技术的迅速发展 人类科学正进入信息时代 信息技 术本身正对教育的改革产生深远的影响 现代化的学校少不了现代化的教学设施 设备的武装 建设 IC 卡消费管理系统 为学校的教师 学生和教学管理人员 提供具有开放性 灵活性 面向学校应用服务的管理平台 是教学管理科学化的 必要前提和基本途径 所以 IC 卡消费管理系统 的建设势在必行 随着社会的进步与变革 各学校原有的消费和管理模式已不能适应新的发展 要求 基于目前现状 IC 卡消费系统管理 应运而生 所谓 IC 卡消费系统管理 即在学校内 凡有现金 票证或需要识别身份的场合均采用卡来完成 此种管理 模式代替了传统的消费管理模式 为学校的管理带来了高效 方便与安全 建立 先进的信息管理系统是实现高等教育现代化的必由之路 而智能卡技术的推广运 用 则是推进高校信息化管理的重要举措之一 IC 智能卡可供学生用于校园内部 处理杂务 购买食品 饮料 书本 借阅图书 查资料 洗澡等 学生只需在管 理中心开设帐户并存入金额 即可启用其电子钱包功能 可反复充值 IC 卡管 理系统 可真正意义地实现 一卡在手 走遍校园 独具特点的通用查询子系统 使其可充当管理学校日常消费 管理的角色 并为领导的决策提供可靠的数据依 据 同时也为教职员工和学生提供了方便 随着智能技术的高速发展和计算机应用的普遍推广 在国家机关 学校 公 安部门的信息管理中引入智能卡应用系统正逐步成为一种趋势 作为其一员的 IC 卡消费系统也不甘示弱地充当着重要的角色 广泛地应 用于食堂 超市等收费系 统中 用于控制现金的直接流通 这一功能有效的解决了传统的饭票流通所带来 的不卫生 零钱不够找 工作人员偷饭票 学生伪造饭票等一系列让管理者费尽 脑思的疑难问题 由于 IC 卡消费系统在安全性 可靠性 使用寿命和对环境的 适应性方面均优于其它系统 克服了以往光电卡 磁卡 条码卡信息外露 易伪 造 不安全等缺点 使得它逐以风靡全球 为此它也 正朝着单方面应用 电子货 币 向 一卡多用 的方向延伸和发展 并且具备技术的成熟性和实用性 对加 强资金管理 提高管理水平和效率起到重要的促进作用 2012 届毕业设计说明书 第第 2 页 共 75 页 1 21 2 ICIC 卡消费系统的研究现状卡消费系统的研究现状 1 2 1 IC 卡消费系统国外研究现状 这些年来 一卡多用已经在世界各个地方多个行业得到了广泛应用 由于美 国在电子货币流通方面做了很多的研究 特别是在公共交通出行方面 但还没形 成完整的规模 通过多方面的分析指出 跨行业应用非接触式 IC 卡为载体的货币 流通方式是发展方向 同时为一张卡应用到多行业问题做了探讨 最初 在 TransLink 项目中起初采用磁卡 后来这个项目的负责人研究了各 种接触式和非接触式卡的技术 在其他一些国家 通过对综合系统和 IC 卡技术相 结合的研究 给出了可以建设以非接触式 IC 卡为基础的城市多行业收费系统 克 里夫兰地区的交通部门对一系列能够参与整个消费系统的各行各业做了组织方式 的分析 最后 决定将接触式与非接触式 IC 卡结合的方式 针对 3 于一些其他的 消费系统没有做广泛的研究和实验 在一些本身的行业内做了一些实验 在此基 础上 得到了一些资料进行了各方面的评估进行广泛的推广 比较典型的系统包 括 1996 年德国的 PayCard 项目 1994 年华盛顿地铁 Smartrip 工程 纽约运输 局 MetroCard 项目 1995 年澳大利亚悉尼一卡通系统等 这些国家完成的项目有 一些相似的特点就是都是现在交通行业应用 通过研究再将其推行到其他的消费 领域中 由于没有对跨行之间结合做充分的计划 虽然在交通上这些系统比较完 善 但与其他行业的结合并不是那么的完善 1998 年 Daniel Fleishman Carol Schweiger David Lott 等人通过最一卡多用系统做了详细的 调查后总结了运营模式 提出要在具体的组织形式 规范的条文和技术 统一的 管理模式下完成初步的规划设计 但是 并未涉及具体内容和方法以及一卡多用 系统的评价 2000 年的时候 弗吉尼亚州运输局通过大范围的调查华盛顿用户消 费市场的特性 对整个地区的十年规划的远景 实施战略和收费系统的逻辑结构 提出了具体的计划 目前 美国为了指导一卡通的规划和实施 就对城市公共交 通的一卡通系统的指导方针和规范做了详细的研究 1 2 2 IC 卡国内研究现状 与其它一些交通方式相比 公共交通出行具有环保 节约能源 城市用地和 缓解交通拥堵方面等方面明显的优势 但目前国内大部分城市的公共交通发展却 严重滞后于经济发展和社会需求 在经济发展相对落后的城市 资金缺乏是城市 2012 届毕业设计说明书 第第 3 页 共 75 页 公共交通发展滞后的一个主要原因 而在一些经济相对发达地区 私人交通方式 的快速发展给城市公共交通发展带来较大的阻碍 同时政府也在公共交通发展上 的政策不够完善 使得公共交通的发展步履维艰 但是也有城市在早期就意识到 发展公共交通的重要意义 并在政策和资金上给予支持 使得城市的交通状况得 到较好的改善 自从 1993 年 金卡工程的实施使我国各行各业的建设领域也将先进的 IC 卡 技术引进进来 并逐步得到开发与应用 现已取得显著的成果 北京 上海 重 庆 广州 深圳 西安等二十多个城市在公交 燃气 自来水等领域试用 IC 卡 智能水表自动收费系统在大连 哈尔滨等地已有应用 IC 卡智能燃气表自动收费 系统在西安 南宁等地已有应用 IC 卡公交 公共电车 汽车 出租车 地铁以 及轮渡等 自动收费系统在深圳 贵阳 上海 南京 大连等地已有应用 路桥不 停车 IC 卡自动收费系统 小区物业管理 IC 卡自动收费系 4 统以及有关 IC 卡住户 信息管理系统在深圳等地已经出现公园 风景名胜区门票 lC 卡自动收费系统在武 汉等地已有应用 1 31 3 理论与实际意义理论与实际意义 随着信息业和服务业全球化的发展 人们对信息载体的便携性 高安全性及 易用性等方面提出更高的要求 于是非接触式 IC 卡以其无接触磨损 容易维护 方便使用等优点 成为了 IC 卡中发展潜力最大的信息载体收到各行各业的瞩目 由于非接触式 IC 卡具有更加方便 快捷的特点 可广泛应用于电子钱包 地铁自 动收费 公交自动售票 停车自动收费 食堂售饭 考勤和门禁等多种场合 根 据 CCID 统计的资料 2002 年我国共发行各种 IC 卡 4 28 亿张 总的销售额约为 28 2 亿元 其中非接触式 IC 卡共发行了 3795 万张 约占总发卡量 8 9 尽管 目前非接触式 IC 卡在各行各业发行的数量比重不是很大 但随着用户对便捷性和 安全性的要求的不断提高以及非接触式 IC 卡本身所具有的优点 对非接触式 IC 卡的需求将会逐渐增加 应用将会越来越广 所占的比例也会稳定上升 非接触 式 IC 卡是在 IC 卡技术应用的一个质的飞跃 具有更好的保密性 较大存储量 较高安全度 它的出现是真正意义上的城市交通成为可能 一卡多用的特点是 整个系统同时覆盖几个行业和公共事业单位的多个系统 消费 POS 站点 发卡储 值网点 大量持卡用户均通过该收费管理系统实现自动消费和缴费 并且在系统 2012 届毕业设计说明书 第第 4 页 共 75 页 内传输的数据均为含金额的交易数据 整个系统结构庞大 流水数据量大 由于 以上的应用特点 整个系统的安全性和可靠性需要重点考虑 非接触式 IC 卡的多 用与单行业非接触式 IC 卡应用系统相比较 一般来说还具有以下特点 由于系统 由多个行业的应用组成 每个行业有各自行业的特殊性 一卡多用安全性要求更 高 应用软件复杂性和可靠性的要求相对也更高一些 IC 卡在城市建设行业中的具体应用行业有 城市公共交通 出租车 园林 公园 燃气 房水 道路桥 停车场 物业管理的收费与管理 利用先进的非 接触式 IC 卡技术和高效 GPRS 的网络系统 可以为公共交通系统提供安全可靠 方便高效的支付方式和完整的数据处理系统 为提高公共交通系统行业的服务质 量 树立城市行业优质高效服务的新形象奠定坚实的技术基础 在我国 1993 年开始 IC 卡得到了应用 虽然起步比较晚 但其快速的发展 是让人刮目相看的 据不完全统计 96 97 两年全国共发行了 6000 万张 IC 卡 98 年发行了 8000 万张 IC 卡 目前 我国还没有完全形成网络化的非接触式 IC 卡应用系统 没有庞大的系统设备发展惯性 这样我们可以采用最新技术来发展 非接触式 IC 卡技术在中国的应用 由此可见 我国非接触式 IC 卡具有十分广阔 的应用前景 而且具有其他发达国家无法比拟的优势 在不久的将来 我们会迎 来一个 IC 卡应用的大发展 本课题正是在这一大的应用背景下应运而生的 对于 中国城市交通收费系统的实际应用 对于建设部在城市交通领域的试点和相关应 用标准的确定 都有较好的参考和借鉴价值 1 41 4 课程目标课程目标 基于 GSM 的 IC 卡消费系统是数字化校园的一个重要组成部分 实施 IC 卡消 费系统是为广大师生员工的教学 科研学习和生活提供以人为本的电子服务 本 论文通过对本校数字化校园基础融入 GSM 网络系统着手进行研究 通过基于 GSM 网络技术的研究 实现数据的无线传输方式 对校园 IC 卡消费系统进行总体规划 与设计 以软件集成为主 辅以硬件集成的综合信息管理系统 通过具体的需求 分析 总体设计 模块设计 最终实现构建在数字化校园 2012 届毕业设计说明书 第第 5 页 共 75 页 2 2 GSMGSM 通信技术简介通信技术简介 GSM Global System for Mobile Communications 全球移动通信系统 是目 前基于时分多址技术的移动体制中最成熟完善 覆盖面最广 功能最强 用户最 多的移动通信系统 GSM 系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统 具有 抗干扰能力强 鉴权和加密功能 确保用户保密和网络安全 覆盖区域内的通信 质量高等特点 GSM 系统具有灵活和方便的组网结构 在数据通信方面能满足用 户对大容量 高密度业务的要求 欧洲各国为了建立全欧统一的数字蜂窝通信系统 在 1982 年成立了移动通 信特别小组 提出了开发数字蜂窝通信系统的目标 1986 年 欧洲有关国家在进 行大量研究和实验的基础上 向 GSM 提出了 8 种不同的方案 并在法国巴黎进 行了现场测试 对 8 种方案进行了比较和论证 最后制订出 GSM 标准 于 1988 年公布 1991 年 第一个实用系统在欧洲开通 同时 GSM 被更名为 全球移动 通信系统 从此移动通信跨入了第二代数字移动通信的发展阶段 此后 GSM 系 统又经历了不断的改进与完善 尽管其他的一些二代数字系统 如北美的 ADC 和 日本的 PDC 也陆续被开发出来并投入使用 但是由于 GSM 系统规范 标准的公 开化和优点的诸多性 很快就在全世界范围内得到了广泛的应用 实现了世界范 围内移动用户的联网漫游 2 12 1 GSMGSM 系统组成系统组成 GSM 的各个字系统又是由若干个功能实体构成的 所谓功能实体 指的是通 信系统内的每一个具体的设备 它们各自具有一定的功能 完成一定的工作 如 VLR HLR 等 各个子系统之间是通过接口来连接的 如 Um 接口 A 接口等 各 个子系统之间的路由又分为通信路由和信令路由两种 GSM 系统的整体结构框图 如图 2 1 所示 GSM 蜂窝移动通信系统主要包括三个相互独立的子系统 网络交 换子系统 NSS 无线基站子系统 BBS 和移动台 MS 其中 BBS 介于 MS 和 NSS 之间 提供和管理它们之间的信息传输通路 也管理 MS 与 GSM 系统的功能 实体之间的无线接口 NSS 保证了 MS 与相关的公用通信网 如 ISND 和 PSTN 或与其他 MS 之间建立通信 也就是说 NSS 不直相接与 MS 相互联系 BSS 也 不直接与公用通信网互相联系 2012 届毕业设计说明书 第第 6 页 共 75 页 MS 移动台 BSS 基站子系统 NSS 网络交换子系统 SC 短信息业务中心 OMC 操作维护中心 MSC 移动业务交换中心 VLR 来访位置寄存器 HLR 归属位置寄存器 AUC 鉴权中心 EIR 移动设备识别寄存器 BSC 基站控制器 BTS 基站收发台 PSPND 分组交换公用数据网 PSTN 公用电话网 ISDN 综合业务数字网 图 2 1 GSM 系统整体结构图 1 移动台 MS 为便携台 手机 或车载台 也可以配有终端设备 TE 或终端适配器 TA 2 基站收发台 BTS 包括无线传输所需要的各种硬件和软件 如 发射 机 接收机 支持各种小区结构 如全向 扁形 星状或链状 所需的天线 连 接基站控制器的接口电路以及收发台本身所需要的检测和控制装置等 3 基站控制器 BSC 是基站收发台和移动交换中心之间的连接点 也为 基站收发台和操作维护中心之间交换信息提供接口 一个基站控制器通常控制几 个基站收发台 其主要功能是进行无线信道管理 实施呼叫和通信链路的建立和 拆除 并为本控制区移动台的越区切换进行控制等 4 移动交换中心 MSC 是蜂窝通信网络的核心 它主要功能是对位于本 MSC 控制区域内的移动用户进行通信控制和管理 主要完成以下功能 1 信道的管理和分配 2 呼叫的处理和控制 3 越区切换和漫游的控制 4 用户位置信息的登记与管理 5 用户号码和移动设备号码的登记与管理 2012 届毕业设计说明书 第第 7 页 共 75 页 6 服务类型的控制 7 对用户实施鉴别 8 为系统中连接其他 MSC 和为其他公用通信网络 如公用交换电信网 PSTN 综合业务数字网 ISDN 和公用数据网 PDN 提供链路接口 保证用 户在转移或漫游的过程中实现无间隙服务 由此可见 MSC 的功能与固定网络的交换设备有相似之处 如呼叫的接续和 信息的交换 也有特殊之处 如无线资源的管理和适应用户移动性的控制 5 原籍位置寄存器 HLR 是一种用来存储本地用户位置信息的数控库 在蜂窝通信系统中 通常设置若干个 HLR 每个用户都必须在某个 HLR 相当于 该用户的原籍 中登记 登记的内容分为两类 一种是永久性的参数 如用户号 码 移动设备号码 接入的优先等级 预定的业务类型以及保密参数等 另一种 是暂时性的需要随时更新的参数 即当用户当前所处位置的有关参数 即使用户 漫到 HLR 所服务的区域之处 HLR 也要登记由该区传送来的位置信息 这样做的 目的是保证当呼叫任一个不知处于哪一个地区的移动用户时 均可由该移动用户 的原籍位置寄存器获知它当时处于哪一个地区 进而建立起通信链路 6 访问位置寄存器 VLR 是一个用于存储来访用户位置信息的数据库 一个 VLR 通常为一个 MSC 控制区时 它必须向该地区的 VLR 申请登记 VLR 要 从该用户的 HLR 查询其有关的参数 要给该用户分配一个新的漫游号码 MSRN 并通知其 HLR 修改用户的位置信息 准备为其他用户呼叫此移动用户时提供路由 信息 如果移动用户由一个 VLR 服务区移动到另一个 VLR 服务区时 HLR 在修 改该用户的位置信息后 还要通知原来的 VLR 删除此移动用户的位置信息 7 鉴别中心 AUC 的作用是可靠地识别用户的身份 只允许有权用户接 入网络并获得服务 8 设备标志寄存器 EIR 是存储移动台设备参数的数据库 用于对移动 设备的鉴别和监视 并拒绝非法移动台入网 9 操作和维护中心 OMC 的任务是对全网进行监控和操作 例如 系统 的自检 报警与备用设备的激活 系统的故障诊断与处理 话务量的统计和计费 数据的记录与传递 以及各种资料的收集 分析 与显示等 以上概括地介绍了数字蜂窝系统中各个部分的主要功能 在实际的通信中 2012 届毕业设计说明书 第第 8 页 共 75 页 由于网络规模 运营环境和设备生产厂家的不同 以上各个部分可以有不同的配 置方法 比如把 MSC 和 VLR 合并在一起 或者把 HLR EIR 和 AUC 合并在一起 不过 为了使各个厂家所生产的设备可以通用 上述各个组成部分的连接都必须 严格地符合规定的接口标准 GSM 系统遵循 CCITT 建议的公用陆地移动通信网 PLMN 接口标准 采用 7 号信令支持 PLMN 接口进行所需的数据传输 这些接 口共有以下几种 1 移动台与基站之间的接口 Um 2 基站与移动交换中心之间的接口 A 3 基站收发台与基站控制器之间的接口 A 基站收发台与基站控制器不配 置在一起时 使用此接口 4 移动交换中心与访问位置寄存器之间的接口 B 5 移动交换中心与原籍位置寄存器之间的接口 C 6 原籍位置寄存器与访问位置寄存器之间的接口 D 7 移动交换中心之间的接口 E 8 移动交换中心与设备标志寄存器之间的接口 F 9 访问位置寄存器之间的接口 G 在 GSM 网络中 还配有短信息业务中心 SC 即可开放点对点的短信息业 务 类似数字寻呼业务 实现全国联网 又可开放广播式公共信息业务 另外配 有语音信箱 可开放语音留言业务 当移动被叫客房暂不能接通时 可接到语音 信箱留言 提高网络接通率 给运营部门增加收入 2 22 2 GSMGSM 系统的业务系统的业务 GSM 系统在创建之始就把能提供窄带 ISDN 业务作为自己的目标 因此 GSM 系统所能提供的业务与 ISDN 业务有相同之处 只是 GSM 系统更侧重于这些业务 在无线方面的应用 GSM 系统的业务可以分为基本电信业务 承载业务和补充业 务三大类 简单来讲 电信业务主要提供移动台与其他应用的通信 承载业务主 要提供在确定用户界面间传送信息的能力 而补充业务则集中体现了全部使用方 便和完善的服务 电信业务是指端到端的业务 它包括开放系统互连 OSI 的 1 7 层的协议 GSM 系统可以提供的电信业务大致可分为两类 语音业务和非话业务 话音业务是 GSM 系统提供的基本业务 允许用户在世界范围内任何地点与固定电 2012 届毕业设计说明书 第第 9 页 共 75 页 话用户 移动电话用户以及专用用户进行双向通话联系 非话业务又称数据业务 是指话音业务之外的业务 它提供了固定用户和 ISDN 用户所能享用的业务中大 部分的业务 包括文字 图像 传真 计算机文件 Internet 访问等服务 具体来讲 GSM 系统能够提供的电信业务为 电话业务 紧急呼叫业务 话 音信箱业务 短信息业务 可视图文接入业务 智能用户电报传送业务 传真业 务 本设计中 重点应用的是电信业务中短信息业务 下面重点介绍短信息的业 务 2 2 1 短信息业务 一 背景 当今社会流行着一种新的时尚 被称为 拇指文化 尽管历来认为是五个手 指中最笨拙的手指 但是移动信息的出现改变了它的历史地位 我们到处能见忙 碌着发送短信的人们 短信在经历了 SMS Short Messaging Service 短信息业 务 EMS Enhanced Messaging Service 增强型信息业务 后 又发展到今天 的 MMS Multimedia Messaging Service 多媒体信息业务 MMS 将用户从黑白 世界带 二 SMS 的定义 SMS Short Message Service 意为短信息业务 可以提 供移动终端 主要是手机 与其他移动终端或固定网络终端之间文本型短信息的 传递服务 即采用 SMS 技术 消息即可传递于移动网络 如 GSM 网络 用户之 间 又可以传递于移动网络用户与固定网络 如 PTN 用户之间 而这里的文本 可以包括字符 汉字及数字串 SMS 属于第一代的无线数据服务 三 SMS 的网络结构 通常大多数人认为消息是实时传送的 而事实上并非如此 消息的传送必需 要以短消息业务中心中转站 短信息业务中心是在功能上与 GSM 网完全分离的实 体 但是也可以包含于 GSM 基站中 GSM 系统即可以实现点对点的短信息通信 也可以实现点对多点 即广播式 短信息通信 但无论是哪种短信息通信 SMSC 的功能考题存储和转发 借助于基站及与 GSM 互联的其他网络 SMSC 不仅可以 服务于 GSM 用户 也可以服务于具备短信息收发功能的固定网络用户 除了短信 息业务中心以外 GSM 系统中的基站作为移动台与消息中心惟一的中间传递者 SMS 消息中继点 必须要添加一个或多个标准化接口 以便于 SMSC 进行互通 2012 届毕业设计说明书 第第 10 页 共 75 页 此外 这里 的终端设备 TE 无论是原有的移动台还是数据设备 如计算机 也都必须要有相应的功能单元 四 SMS 的工作过程及两大机制 无论是 GSM 用户之间 还是 GSM 用户与固定网络用户之间 要进行短信息通 信时就必须经过业务中心 这实际上是一种资源的浪费 如图 2 2 所示为固定网 络用户向 GSM 用户发送短信息的流程图 其具体过程描述如下 首先短信息被送 往业务中心 由业务中心中的自动接收设备接收并存储起来 再转发给被叫用户 如果被叫用户接收了短信息 其终端设备就会发回一个 消息收到 信令 如果 由于某种原因被叫用户没有收到这个短信息 如正忙 关机或覆盖区以外 业务 中心由于不会收到 消息收到 的信令 会认为是发送未成功 则等到网络一旦 确认被叫用户能被接通时 就会再将这条短信息发出 直至收到接收确认信号为 止 同时 中心会把短信息已收到的信息通知用户 以便用户了解短信息传送的 结果 此外 移动用户可以把接收到的短信息逐条存放在移动台的存储器内 以 便查阅 由此可见 GSM 系统的 SMS 技术包含两大机制 存储转发机制和传递确 认机制 正是这两大机制保证了短信息传递的可靠性 也使得它与无线寻呼系统 的文字寻呼相比显得更为优越 图 2 2 发送短信息的流程图 1 存储转发机制 SMS 传送短信息数据包的工作由移动网络中的短消息中 心来完成 而不是用户终端 因此 如果用户终端不在服务区内或者正处于关闭 状态 短信息能够被存储在短信息中心 等用户终端在服务区内或者开机之后再 转发给它 2 传递确认机制 在电路交换数据环境 如普通的 GSM 网络 中 连接是 2012 届毕业设计说明书 第第 11 页 共 75 页 端到端的 所以用户能够知道连接是否完成以及数据传递的情况 用户在发出短 消息后 如果发送成功即会收到确认信息 如果因网络忙等原因而未发送成功 则会收到系统请求稍后重发的信息 五 SMS 业务的分类 1 根据业务特点 短信息可分为 实时点播业务 如股票信息 外汇牌价 标题新闻 话费查询等 定时通知业务 如股票告警 定时提醒 话费通知 欠费催缴等 交易类业务 如资金转帐 证券委托等 Internet 接入业务等 如传真 收发 E mail 等 2 根据信息类别 短信息可分为 公共信息 如天气预报 航班查询 标题新闻等 财经信息 如股市行情 外汇价位 股票告警 外汇到价提示等 Internet 接入 如 Internet 收发短信息 E mail 通知等 全球定位 GPS 如车辆的跟踪和调度等 3 根据发送方式 短信息可分为 点对点的短信息广播业务 这种业务通常只限定在一个特定区域内 如一 个无线覆盖小区 所发送的短信息大都是系统通知消息或是广告信息 点对点的短信息业务 六 SMS 的特点 1 通话互不干扰 短信息业务不占用数字业务信道 话音信道 它是通过数字控制信道 信令 信道 传递的 而数字控制信道除了传递与数字业务信道相关的信令信息外 只 传送短信息 因此 信息发送或接收即可在 MS 处呼叫状态 如通话 时进行 也可以在空闲状态下进行 2 使用方便 短信息的输入类似于通过键盘向计算机进行的输入 十分方便 移动的存储 器内可以存储多条短信息 以备发送不成功后的再次发送 或者存储接收到重要 信息的保存及以后的转发 3 价格低廉 2012 届毕业设计说明书 第第 12 页 共 75 页 短信息的价格一般是 0 1 条 相信以后会越来越越低 4 应用广泛 短信息和苦于短信息的各种新业务层出不穷 如与话音信箱相结合的业务等 它不仅可以在不同的移动网络之间传递 还可以实现与计算机互联网的互连 5 信息传递准确及时 通过 SMS 人们可以及时 动态地获知股市行情 外汇牌价 交通旅游方面 的信息 通过存储转发机制和传递确认机制 不论单个或在整组消息收发 都能 保证其传输的可靠性 七 SMS 的缺陷 1 消息长度受限 由于许多移动台要共用数字控制信道 因而 为了避免争用造成的延迟过长 和负荷过重 一般来讲 短信息的长度在点对点通信中限制在 140 个字节 在广 播通信中限制在 83 个字符以内 而且 SMS 在发送较短信息时还比较划算 但若 发送大量消息时却并不经济 相比之下 EMS MMS 等会话的数据量就可以大很多 2 消息格式单一 只能支持简单文本 同支持图像 视频 音频的 MMS 相比 SMS 未来的发展 潜力不大 3 消息结构不灵活 GSM 30 40 标准定义的 SMS 协议数据单元 PDU 结构不够灵活 数据编码 方案 源地址 协议标识及其它首域都是固定的 不利于新业务的扩展 3G 将对 这些弊端进行改进和完善 4 采用的信令信道速率低 信令信道的资源是很宝贵的 它要完成许多 份内 的任务 如定位手机 管理呼叫等 如果短信息业务量太大 整个移动网络的通信性能就会大打折扣 MMS 将不再使用信令信道 所以速率会较 SMS 有实质性的提高 5 存储转发机制效率低 在 SMS 中 每一条信息从发送到接收 都要经过短信息中心的存储和转发 通信效率自然会受到影响 并且还增加了短信息中心的处理负荷 UMTS 委员会将 2012 届毕业设计说明书 第第 13 页 共 75 页 把它修改为有选择性地存储 即接收消息之后即将其传送 如果无法传送出去 再存储 其实 在有些情况下 短信息根本就没有必要在短信息中心进行存储 从手机到手机直接传送则更方便 2 2 2 SMS 发展前景 SMS 有利也有弊 消息技术发展的出发点自然是扬其长避其短 SMS 的优点将 会被集成到以后的 EMS MMS 中 缺点将会逐个抛弃 不过 由于基础网络设施 终端设备 技术规范 市场意识都已经形成 从保护投资的角度出发 运营商也 不愿很快推出取代 SMS 的新业务 所以 在最近三四年内 SMS 仍将保持快速增 长的态势 但随着时间的流逝 GPRS 等更先进的数据业务将逐渐风行 EMS MMS 等新业务将逐渐取代 SMS 2 32 3 本章小结本章小结 本章主要介绍了 GSM 通信技术 首先阐述了 GSM 系统的组成并详细介绍了各 个模块的功能 其次介绍了 GSM 系统的业务 最后深入介绍了短信息的业务 由 于本文主要研究的是基于 GSM 短信息的无线通信 所以本章对短信息的定义 结 构 工作过程 分类 特点 缺陷及其前景进行了详细的介绍 2012 届毕业设计说明书 第第 14 页 共 75 页 3 3 GSMGSM 终端的硬件设计终端的硬件设计 3 13 1 GSMGSM 终端设计方案概述终端设计方案概述 目前 对于 GSM 移动通信终端的设计 主要有两种解决方案 一种称为 芯 片组法 另一种是基于 无线通信模块 的方法 两种方法在使用中各有千秋 各自的优缺点也相当明显 芯片组法 顾名思义是指设计者使用半导体芯片生产商提供的产品从芯片 级开始设计移动通信终端 芯片组又分为射频芯片组和基带芯片组两种 国际上 一些大的移动设备供应厂商 如 Nokia Siemens 等 主要采用 芯片组法 设 计 生产移动终端设备 国内的一些大的手机生产商目前也使用 芯片组法 设 计生产中 低端的手机 无线通信模块 简称无线模块 是指把射频芯片 基带芯片和 GSM 协议栈集 成在一片紧凑的 PCB 上 并向外提供标准的硬件引脚和软件接口 目前在 GSM GPRS 通信终端市场 国内厂商自行设计的移动终端 基于无线通信模块的设 计占绝大多数 而在工业用移动通信终端的设计中 基于无线通信模块的设计几 乎是一统天下 结合目前对国内手机设计厂商的了解 个人认为 国内厂商提供 的套片 在 PCB 设计 EMC 保护 系统集成和 GSM 协议栈等许多方面仍然需要 面对众多的挑战 国内厂商往往起步较晚 这些方面的技术积累还很少 而使用 无线通信模块进行设计可以大大降低开发难度 缩短设计周期 压缩开发费用 因此 本方案选用无线通信模块进行移动终端的设计 针对 GSM 业务的典型应用 目前 对 GSM 数据传输产品的开发 主要方案为 单片机 GSM 模块 该系统依托 GSM 网络 采用短消息进行数据通信 即在传统的 单片机数据采集系统中增加支持短消息 数据通信等业务的 GSM 模块 并为其分 配一个独立的 SIM 卡 结合单片机系统通过串行通信接口 实现数据的远程无线 传输 该系统 有一定的延迟 SMS 的消息长度只有 140 个字节 对数据量较大 的系统 只能分成几条短信息进行传输 进一步增加了延迟时间 因此 基于 GSM 网络的 SMS 不完全能够满足系统的实时性和数据量的要求 但完全可满足于 2012 届毕业设计说明书 第第 15 页 共 75 页 数据量小 实时性不高 单个业务数据量不大 交换不频繁的无线数据传输系统 这里的单片机并不进行 GSM 协议栈处理 只负责传输参数的存储 系统上电 初始化 GSM 网络连接 用户交换数据的缓存及有关状态管理 发挥了单片机的 管理能力及模块的协议处理能力 各取所长 形成真正的智能 GSM 数据终端 3 23 2 硬件设计的总体结构硬件设计的总体结构 根据对应用场合的需求分析 本文设计了基于 GSM 网络通信的高性价比的终 端系统 主要采用 AT89S52 芯片作为处理器 TC35i 模块作为收发数据的 GSM 通 信模块 整个硬件设计的总体结构如图 3 1 所示 图 3 1 GSM 数据传输终端原理图 1 终端模块选用 Siemens 公司的 TC35i 支持 GSM 其工作电压范围为 3 3 5 5V 典型工作电压为 4 2V 2 单片机选用 AT89S52 3 监控中心可以是具有 GSM 网络功能的手机用户或计算机 通过 GSM 网 络可采集各个终端的数据 也可向终端群发数据 进而起到远程监控的作用 4 两个带有 GSM 终端机 通过串口采集到数据 利用 GSM 短消息功能实 现数据的传输 5 无线模块的耗电具有不稳定的特点 如在待机状态 和基站的握手状态 2012 届毕业设计说明书 第第 16 页 共 75 页 通信状态 信号强弱不同的地方等等 这些因素都会直接影响无线模块的耗电水 平 所以无线模块的电源设计非常重要 系统实行双路供电 一路电源模块给 GSM 模块供电 另一路给其他电路供电 以减少对无线模块供电的影响 3 33 3 硬件资源介绍硬件资源介绍 GSM 终端主要由 AT89S52 和 GSM 通信模块构成 为便于理解终端电路的设 计 下面对选用的主要元器件性能作简单介绍 3 3 1 GSM 模块 TC35i 一 GSM 模块 TC35i 的主要性能 TC35i 模块是