基于gprs透明传输终端的设

湖南科技大学本科生毕业设计（论文）I摘要近年来，移动通信技术高速发展，移动通信业务也由单纯的语通信占主导，逐步转向语音与数据通信齐头并进。针对目前全球信化要求实现有线无线互联，本课题提出设计基于GPRS的无线数据明传输终端，针对的主要应用是工业类的无线数据传输。本文的主要工作和贡献有以下儿个方面首先，作者阐述了课题提出的背景，指出了课题的研究意义，明确课题研究的主要内容。第二，作者阐述了课题研究相关的理论基础，这主要包括GPRS的理论，分析了GPRS登录时的基本工作流程及其涉及的协议。第三，在课题理论背景的前提下，文章提出了GPRS透传终端的设计要求，分析了终端设计的方案。第四，文章详细介绍了基于ATMEGA64及GPRS模块M22设计的GPRS无线数据透明传输终端的硬件各单元电路，给出了其软件工作的流程。最后，针对此终端在电网电压监测系统中的应用，文章构造了基于GPRS的监控系统，并对GPRS无线数据透明传输终端的功能进行了实验和测试，与传统有线系统相比，具有高效、低成本、可维护性高等特点。本文的主要贡献在于设计和验证了GPRS透传终端，实现了移动INTERNET接入，推动了有线无线的互联。关键词GPRSTCP/IP协议，无线数据终端，透明传输湖南科技大学本科生毕业设计（论文）IIABSTRACTINRECENTLYYEARS，MOBILECOMMUNICATIONANDMOBILETECHNOLOGYISDEVELOPINGAPPLICATIONWITHANAMAZINGSPEEDWITHTHEEXPANDINGOFITSMOBILEDATASERVICEWILLPLAYAMOREANDMOREIMPORTANTROLEINALLMOBILECOMMUNICATIONSERVICENOWTHEINFORMATIONINTHEWORLDREQUIRESCOMMUNICATINGBETWEENWIREANDWIRELESSTHESTUDYOBJECTOFTHISARTICLEISTHEGPRSWIRELESSDATATRANSPARENTTRANSMISSIONTERMINALTHEAIMEDAPPLICATIONISTHEWIRELESSDATATRANSMISSIONINTHEINDUSTRYFIELDTHEMAJORWORKSANDCONTRIBUTORSOFTHISPAPERAREASFOLLOWSFIRSTLY,THISPAPEREXPOUNDSTHEBACKGROUNDOFADVANCINGTHESTUDYOBJECTITPOINTSOUTTHESIGNIFICANCEOFTHESTUDYITALSODEFINITIZESTHECONTENTSOFTHESTUDYSECONDLY,THEAUTHOREXPATIATETHETHEORYOFTHESTUDY,INCLUDINGTHETHEORYOFTHEGPRSTHEPAPERGIVESTHEPROCESSTHATTHETERMINALATTACHESTOTHEGPRSNETTHEPAPERALSOANALYSESTHEPROTOCOLSOFTHEPROCESSTHIRDLY,BASEDONTHETHEORY,THEPAPERPROPOSESDESIGNREQUIREMENTSOFTHETERMINALTHENTHEPAPERANALYSESTHESCHEMEOFREALIZINGTHETERMINALFOURTHLY,THISPAPERGIVESTHEDESIGNOFTHEHARDWAREANDTHEFLOWCHARTOFTHESOFTWAREFINALLY,THISARTICLEBUILDSUPTHECOMMUNICATIONPLATFORMOFTHEPOWERNETWORKVOLTAGEMONITORSYSTEMBASEDONTHEGPRSWIRELESSDATATRANSPARENTTRANSMISSIONTERMINALTHROUGHTHISCOMMUNICATIONPLATFORMTHEAUTHORCARRIEDOUTATESTINGONTHETERMINALTHEPAPERALSOCOMPARESTHEGPRSCOMMUNICATIONPLATFORMWITHTRADITIONALWIRECOMMUNICATIONPLATFORMTHEMAJORCONTRIBUTORSTHATTHEAUTHORGAVETHEDESIGNANDTESTOFTHETERMINALANDTHETERMINALPROMOTEDTHECONNECTIONOFWIREANDWIRELESSKEYWORDSGPRS，TCP/IPPROTOCOL，WIRELESSDATATERMINALTRANSPARENTTRANSMISSION湖南科技大学本科生毕业设计（论文）III目录第一章概述111引言112课题提出的背景及意义113课题的主要工作及组织结构2第二章无线移动通信技术综述421介绍和总述422GPRS介绍5221GPRS产生的原因5222GPRS系统的特点6223GPRS系统结构7224GPRS基本工作流程8第三章GPRS无线数据透明传输终端的技术要求及其总体1031GPRS透传终端的功能介绍1032GPRS透传终端的技术要求1133GPRS透传终端的总体方案选择12331GPRS透传终端的协议实现方案分析12332GPRS透传终端组网方案分析15333GPRS透传终端总体方案1634本章小结16第四章GPRS无线数据透明传输终端的硬件系统描述1841硬件电路总体结构设计1842GPRS透传终端的硬件资源描述19421ATMEGA64微处理器主要性能介绍19422明基M22GPRS无线模块主要性能介绍20423串行FLASH存储器AT45DB16介绍2143GPRS透传终端的各单元电路分析22431电源电路设计22432存储器扩展电路23433SIM卡接口电路及模块与CPU接口电路24434模块状态指示电路25435复位电路及晶振电路26436串口电路单元26437JTAG接口单元2744GPRS透传终端PCB设计注意问题2845本章小结28湖南科技大学本科生毕业设计（论文）IV第五章GPRS无线数据透明传输终端的软件设计2951GPRS透传终端的软件开发环境介绍2952软件设计思路及各功能模块流程30521系统初始化模块31522串口的接收与发送模块32523参数设置模块33524串口数据包接收完成处理模块34525GPRS网络登陆模块35526短消息传送模块36527网络状态检测及保活检测模块4053总流程图4154本章小结42第六章GPRS无线数据透明传输终端的应用及其实验4361GPRS电网电压监测系统的应用背景4362GPRS电网电压监测系统的实现44621GPRS电网电压监测系统的网络拓扑及工作原理44622数据中心上位机软件简介45623GPRS电网电压监测系统的运行界面46624GPRS电网电压监测系统的运行结果4763本章小结47参考文献49致谢51附录52湖南科技大学本科生毕业设计（论文）1第一章概述11引言过去的3个世纪中，每个世纪都有一种推动社会进步的主流技术。18世纪伴着工业革命而来的是伟大的机械时代19世纪则是蒸汽机时代而在20世纪，关键技术是信息收集、处理和发布。我们己经看到了世界范围电话网的安装、收音机和电视机的发明、计算机工业的诞生以及因特网的出现及其史无一前例的迅速发展，通信卫星的发射以及其它种种成就。由于各种技术的飞跃发展，各个领域正在迅速地融合。信息收集、传输、存储和处理之间的差别在不断地消失。在广阔的地理位置上分布有数以万计的商业、办公和科研机构，工作人员可以期望只需要按一下按钮就能够了解最遥远地点的当前情况。在收集、处理和发布信息能力提高的同时，对更复杂的信息收集处理手段的需求增长得更快。尽管网络技术和其他技术相比还很年轻，然而却在短短的时间里取得了惊人的进展，1998年初我国因特网上网用户有61万户，到年底迅速增加到210万户截至到2003年6月30日，我国上网用户已经达到6800万。从20世纪后期开始，网络技术与无线通信技术不断渗透并结合，对信息技术的发展带来了极其深远的影响，人们对信息化的认识也从原先单纯的数字化转为数字化和网络化以及无线化相结合。近20年来，随着无线通信技术的不断发展和社会需求的日益增长，包括移动电话、无线寻呼、卫星通信等在内的无线通信得到了越来越广泛的普及和应用，并展示出广阔的市场前景。从全球范围来看，无线通信用户的年增量和增速都在持续大幅度增长，对无线通信业务的需求也从单纯的语音通信转为丰富多彩的数据业务通信，无线通信己经进入规模化发展的阶段。如今，快速发展的无线通信己成为信息产业中最为耀眼的“亮点”，并成为推动社会经济发展的强劲动力。很幸运，本人所从事的研究课题正是这强劲发展的无线通信领域的一个分支移动INTERNET接入终端。12课题提出的背景及意义人类社会进入了21世纪，科学技术的发展一日千里，在各门学科的脉络以及各行各业中，无处不在的信息是很重要的要素。随着全球信息化进程的发展，各行业对信息化提出了更高的要求，对信息化的认识也从原先单纯的数字化转变为数字化和网络湖南科技大学本科生毕业设计（论文）2化以及无线化相结合。信息化是当今世界发展的大趋势，是推动经济社会变革的重要力量。针对目前信息化的要求，原有的有线系统虽能完成数字化和网络化，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。因此，信息化对无线数据传输的需求日益剧增，不仅新信息化系统需要无线数据传输接口或通道，有线系统也需要增加无线接口和无线通道，在原有的基础上扩展更广泛的信息化网络。因此，研究单独的无线通道不仅是对原有设备改造增加无线接口或无线数据传输通道，还是对新设备的功能扩展都具有很重要的意义。在过去的几十年，移动通信产业和互联网产业的发展及其迅猛，在我们高中英文课本里面学习的在家就可以购物的课文现在已经成为现实，移动通信代表了个人化发展的趋势，互联网INTERNET代表了信息多样化的趋势，而移动通信和互联网这二者的结合更是使人们能够随时随地获得语音、文本、图像等各种数据。因此，无线互联是未来信息传输的趋势，而且目前，这也是研究的热点。移动通信业与互联网的发展促进了这种互联，使互联成为可能。本课题的研究内容就是开发出一种基于GPRS通用分组无线业务的无线数据透明传输终端，这种终端能够方便地嵌入到各行各业的应用中，利用现有的覆盖面巨大的移动网络，超越地理的障碍，实现有线及无线之间的互联，促进信息化的进程。GPRS是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务，它采用与GSM相同的无线调制标准、相同的频带、相同的跳频规则及同样的TDMA（TIMEDIVISIONMULTIPLEACESS，中文翻译为时分多址）帧结构其理论带宽可达1712KBIT/S，实际应用带宽大约在40100KBIT/S，在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用，使基于GPRS网络的无线数据传输成为可能。GPRS无线数据透明传输终端对于国民经济具有重要的价值和意义。它的适用范围很广，不仅可以用于工业现场的智能仪表，而且还可以用于银行、证券、保险等金融终端以及税务、公安、交警、交通稽查等系统公共实业实时信息查询终端。通常，需要使用无线数据通信的各行业客户往往只对本行业应用非常熟悉，他们对GPRS技术在终端上的实现毫无头绪，各行业应用迫切需要得到GPRS终端设计方面的技术指导，因此，研究GPRS无线数据透明传输终端具有实践指导意义。13课题的主要工作及组织结构本课题设计和实现GPRS无线数据透明传输终端，利用GPRS网络实现无线数据传输。使GPRS无线数据透明传输终端可以将从RS232串口采集来的数据，通过湖南科技大学本科生毕业设计（论文）3GPRS网络、互联网发送到远端服务器处理，反之，远程服务器也可以通过互联网、GPRS网络将数据发送到GPRS透传终端，继而发送到RS232串口。利用GPRS网络连接到互联网，实现有线无线互联，实现无线上网，克服了有线上网的局限性。特别适用于移动环境、分布系统基于现有条件及本人围绕此课题所展开的研究，本文的主要工作包括以下几个部分1、概述，简单介绍课题从属领域的发展，引出课题名，介绍课题提出的背景及意义，列出本课题所做的主要工作及组织结构等。2、文章介绍了与课题相关的无线移动通信技术，主要介绍GPRS系统产生的原因、特点、系统结构以及GPRS基本工作流程，在此基础上详细阐述了GPRS终端在进行数据传输时所涉及的协议。3、文章提出了GPRS无线数据透明传输终端的功能及技术要求，分析实现此GPRS终端的各种方案，最后选定方案。4、作者详细介绍了GPRS无线数据透明传输终端的硬件设计，介绍该终端的硬件资源及各硬件单元的具体实现，包括ATMEGA64微处理器芯片、M22通讯模块、存储器单元、电源电路等。5、作者讲述了GPRS无线数据透明传输终端的软件设计与实现，介绍了其软件开发环境，给出整个终端软件的设计思路及软件各功能模块的流程。6、文章给出了GPRS无线数据透明传输终端在电网电压监测系统中的典型应用，并通过此应用对GPRS无线数据透明传输终端进行实验。简单介绍了基于GPRS的自动抄表系统的优势，详细讲述了GPRS电网电压监测系统的实现。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）4第二章无线移动通信技术综述无线通信的发展已有100多年的历史，在这一过程中产生了不少新的学科。与此同时，无线通信又在不断地与其他学科进行综合，从而不断地涌现出一系列的通信方式，使得无线通信在不断适应社会需求的同时，自身也得到不断的发展。在这一章中，首先对课题相关的无线移动通信的发展作一概述，主要介绍第25代移动通信系统GPRS系统，介绍其产生的原因、特点及系统结构。其次在简单了解GPRS系统之后，详细介绍GPRS无线通信实现原理及GPRS基本工作流程，使GPRS用户对如何接入GPRS网络以及如何利用GPRS网络访问INTERNET,INTRANET等外部数据网有一认识，再次介绍了GPRS用户利用GPRS网络进行数据传输时所涉及的协议，为本课题的设计打下理论基础。21介绍和总述无线移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。1897年，MG马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为18海里。移动通信技术的发展经历了几个里程碑，都是以其数据通信速率与移动性终端移动速度的技术发展阶段为前提的。1第一代移动通信网1G网1G网为模拟移动通信网，我国采用TACS制式。和固定电话网相似，1G网端到端提供的是模拟通道，各类数据终端所收、发的是数据信息，需通过频带调制解调器MODEM进行模/数或数/模转换后，才能连接模拟移动终端MTMOBILETERMINAL经模拟语音通道进行传输。1G网传送话路数据速率最高为24KBIT/S。2第二代移动通信网2G网2G网指早期的GSM和CDMAIS95A/B数字移动通信网。和现有的NISDN相似，2G网端到端提供的是数字信道。各种数据终端所收、发的是同步或异步数据信息，可直接或通过移动终端中的适配器送数字通道进行传输。2G网单个时隙传送电路数据最高速率为96KBIT/S。2G网在其电路数据承载通道中，开放电路交换数据CSD,CIRCUITSWITCHINGDATA业务，并利用无线应用协议WAP,WIRELESSAPPLICATIONPROTOCOL向用户提供移动上网增值业务。2G网还利用其控制信道开通了短消息业务SMS,SHORTMESSAGESERVICES，短消息业务实质上是一种数据容量很小的移动数据业务，SMS采用存储转发方式，其承载通道为控制信令通道，故信息容量不大。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）53二代半移动通信网25G网25G网是指提高了数据传送速率且增加了分组数据功能的GSM网和CDMA20001X网。25G网的GSM网采用通用分组无线业务GPRS技术，可提供最高速率为1712KBIT/S的分组数据业务，GPRS具有永远在线、实时性好、按流量计费等优点。在本章的第二部分将详细介绍GPRS的相关知识。4第三代移动通信网3G网ITU将第三代移动通信系统称为IMT2000，包括WCDMA和CDMA2000两种主要技术方案以及我国提出的TDSCDMA技术方案。3G网的数据通信速率为静止2MBIT/S，慢速移动384KBIT/S，高速移动144KBIT/S。目前GPRS技术已经比较成熟，是今天的实用技术，而目前3G的道路还不是很清晰，技术发展和市场需求都不是很成熟，并且所有新技术的网络产品和服务都是向下兼容的，也就是说，即使3G已经存在，GPRS由于网络成本、市场渐进性的原因还将与3G共存很长一段时间，所以选择GPRS网络作为无线数据传输终端的网络平台。下面详细介绍GPRS的相关知识。22GPRS介绍GPRSGENERALPACKETRADIOSERVICE是通用分组无线业务的简称，它是第25代移动通信系统，是GSM向3G过渡的一个桥梁。GPRS是在GSM系统基础上引入新部件而构成的无线数据传输系统。它的基本功能是在移动终端和INTERNET网络的路由器之间传输分组数据。221GPRS产生的原因GPRS是移动电话迅猛发展和INTERNET广泛应用的必然产物。它的产生有以下几个原因（1）随着第三代移动通信标准的出台和用户对移动多媒体业务需求的急增加，现有的GSM网络将不可避免地向WCDMA宽带码分多址演变，这种演进的过程估计大约需要23年。（2）随着INTERNET普及，因特网应用的迅速增加，在全球范围内用户对移数据通讯的需求正呈增长态势，INTERNET上的数据业务如EMAIL、文件传送、WEB浏览等急剧增加，而通过采用GPRS通用分组无线业务技术可以使现有的GSM网络轻易地实现与高速数据分组网络的简易接入。（3）GSM网目前是世界最大的蜂窝网，它采用电路交换的方式传输数据。然而迄湖南科技大学本科生毕业设计（论文）6今为止，GSM依然受到传输速率的限制，因此移动数据传送速率令人难以接受，且费用过高。随着因特网业务的增长，高速移动数据通讯市场的需求越来越大。为了适应这一情况，GSM推出了两种高速移动数据规范HSCSD高速电路交换数据业务和GPRS通用无线分组业务，其中GPRS应用前景被普遍看好。222GPRS系统的特点GPRS是GSMPHASE2引入的非常重要的内容之一，与GSM电路交换相比，GPRS非常重要的优点就是引入了分组交换能力，利用GPRS进行数据传输具有“永远在线”、“按流量计费”、“快捷登录”、“高速传输”和“自动切换”等优点。1资源利用率高第二代2GG网中的数据业务承载在电路交换数据通道上。对电路交换模式而言，在整个连接期间，无论用户是否收发数据都将独占无线信道，浪费了宝贵的无线资源。G网引入GPRS后使原来所采用的数据传输方式发生了根本性的变化GPRS从无线接入到核心网均采用分组交换技术，多个移动终端MT共享一个无线信道，且话音信道与数据信道可根据需要动态分配，极大地提高了信道的利用率，尤其是使无线资源得到了充分的利用。GPRS用户按数据流量计费，体现了“得多少，付多少”的合理收费原则。实际上，GPRS可能连接INTERNET的时间可达数小时，却只需支付相当低的连接费。2传输速率高可根据用户需求来分配带宽，可以使多个用户共享一个物理信道时隙或一个用户占用多个时隙。如果空中接口上的一个载频的8个时隙都用来传送数据，那么GPRS最高速率可达到1712KBIT/S。3接入时间短可迅速建立与INTERNET的连接，可以认为GPRS用户一直连接在网络上，既永远在线。且数据传送延时小，实时性好。4支持IP协议GPRS全面支持移动上网，支持IP协议。5分流短消息业务第二代G网短消息长度局限在140字节之内，且容易堵塞。GPRS支持GPRS/SMS互连，因此部分SMS业务可以分流到GPRS网络，从而减轻了信令信道的负担。利用GPRS开通增强型短消息业务，则可提供更丰富的短消息内容。6向3G平稳过渡在25GGSM向WCDMA过渡过程中，3G的无线接入部分起了革命性的变化，而3G核心网在R99阶段中沿用了25GGSM核心网在R4阶段中话音部分引入了软交换湖南科技大学本科生毕业设计（论文）7技术，而分组数据部分仍保留GPRS核心网。223GPRS系统结构GPRS网络是基于现有的GSM网络实现的。为了实现GPRS,需要在现有的GSM网络中增加一些节点，如GGSN和SGSN。GPRS网络参考模型如图21所示。GSNGPRS支持节点是GPRS网络中最重要的网络节点，有两种类型一种为SGSNSERVINGGSN,GPRS服务支持节点，另一种为GGSNGATEWAYGSN,GPRS网关支持节点。SGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并在移动台和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN,PSPDN和LAN等。有的文献中，把GGSN称为GPRS路由器。GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或X25网络。现有的GSM网络主要是针对话音业务设计的，而GPRS则主要是用来提供非语音的图21GPRS网络参考模型数据业务的，GPRS提供了移动网到TCP/IP网络或X25网络的接口，可以把GPRS网络看作是一个IP子网。如图22所示。基于IP的互联网络中，路由器被用来分隔各个不同的子网。GPRS网络中，GGSN承担了类似于路由器的工作，使GPRS的特性对外部数据网来说是不可见的。移动终端就像GPRS子网中的普通主机，通过IP地址来识别。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）8图22GPRS网络看作是一个IP子网图224GPRS基本工作流程这部分内容具体说明GPRS用户如何接入GPRS网络以及如何利用GPRS网络访问INTERNET,INTRANET等外部数据网。在GPRS用户移动台使用GPRS业务之前，第一步，它首先要通过GPRS注册连接ATTACH过程将自己的信息登记在SGSN中，注册过程结束后，SGSN建立了移动台的信息，并对移动台进行移动性管理，尽可能地获得移动台的位置信息。第二步，移动台如果要访问外部数据网，需要发起PDPCONTEXT激活过程，通过此过程使移动台到GGSN建立一条逻辑通路，从而可以访问外部数据网。GPRS的注册连接ATTACH过程如下当GPRS用户开机时，即GPRS终端上电后，GPRS终端将监听无线信道，接收系统信息，然后在系统信息指出的控制信道上发送接入请求，系统将分配无线信道给GPRS终端之后，GPRS终端将在系统分配的无线信道上向SGSN发送注册连接请求。下面以一种最简单的连接过程举例说明。移动台向SGSN发送一个注册的连接请求来启动注册过程。国际移动用户识别码移动台以一个标志响应消息并将它的IMSI告知SGSN。SGSN用取得的IMSI到HLR中请求认证三码组AUTHENTICATIONTRIPLETS,并对MS移动台进行鉴权。移动台的认证通过后，SGSN向HLR发送位置更新消息。HLR发送一条插入用户数据的消息给SGSN，消息包括移动台的GPRS预定数据。SGSN根据移动台的GPRS预定数据决定是否允许移动台在当前路由区内注册连接，如允许，SGSN将向HLR返回一条插入用户数据的确认消息。HLR向SGSN返回一条位置更新确认消息。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）9以上这个移动台注册连接过程通常由移动台自动完成。移动台注册成功后，要想访问外部数据网，还需发起分组数据协议环境PDPCONTEXT激活过程。移动台是否注册成功，用户可以查询移动台的网络状态，具体查询方法在后续章节中会有详细说明。下面简单讲述一下分组数据协议环境激活过程。当用户想访问外部数据网INTRANET或INTERNET时，第一步，查询移动台是否注册连接成功。只有注册连接成功的移动台或者终端用户才可以使用其访问外部数据网。第二步，在GPRS终端上输入访问点名APN，触发分组数据协议环境激活过程，然后，移动终端向SGSN发送激活分组数据协议环境请求消息，消息中带有如下信息访问点名PDP地址为空，标识请求动态地址分配服务质量和其它选项。第三步，SGSN请求DNS对APN进行解析，得到APN对应的GGSN的IP地址。第四步，SGSN向GGSN发送建立分组数据协议环境请求消息，消息中带有如下信息访问点名PDP地址为空，标志请求动态地址分配服务质量和其它选项。第五步，GGSN对该用户进行认证，认证通过以后使用RADIUS服务器、DHCP服务器或直接由GGSN为该用户分配动态IP地址。GGSN向SGSN返回建立分组数据协议环境响应消息。第六步，SGSN向移动终端发送激活分组数据协议环境接收消息。到此，移动终端和外部数据网之间的数据通路就建立起来了，移动终端可以和该数据网升始通信。23本章小结本章主要是课题相关的无线移动通信理论知识的介绍，主要是介绍GPRS系统，叙述了GPRS系统结构、产生的原因以及特点等内容，同时对GPRS系统的工作流程及利用GPRS网络进行数据传输所涉及的协议进行了阐述。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）10第三章GPRS无线数据透明传输终端的技术要求及其总体本章的主要任务是给出设计GPRS无线数据透明传输终端的总体方案，在了解上一章课题相关理论的基础上，本章首先阐明GPRS无线数据透明传输终端要实现的功能，其次提出设计GPRS无线数据透明传输终端的技术要求，再次，在GPRS无线数据透明传输终端要实现的功能及其技术要求的基础上给出课题的总体方案选择，这包括GPRS无线数据透明传输终端的组网方案及实现TCP/IP协议的方案等。31GPRS透传终端的功能介绍GPRS无线数据透明传输终端是基于GPRS远程无线数据传输的应用，它充分利用GPRS网络技术瞬间上网、永远在线、快速传输、按流量计费等各种优势，为远程的数据采集、数据传输在国民经济各种领域的应用提供一个实时、快捷、经济和便利的解决方案。GPRS无线数据透明传输终端连接着无线数据系统的客户端，可以分布安装在任何适合无线射频信号发送和有网络信号覆盖的环境和地点，实时传递被监控设备的数据，通过GPRS网络，跨越无线通信网络和INTERNET两个不同类型的网络，与管理中心系统建立连接，方便地实现上行和下行双向的数据信息传递。具体说来，GPRS无线数据透明传输终端主要完成以下两方面的功能1数据的透明传输这个功能对用户而言，就是用户不需知道复杂的协议，只需将要传输的数据交给GPRS终端就能实现数据的无线传输。这个功能主要是通过串口实现，现场监控设备或仪表通过其自身的串口将采集的数据发送给GPRS无线数据透明传输终端，终端CPU的一个串口串口0接收发送过来的数据，并将这些数据进行封装打包终端CPU的另一个串口串口1与GPRS模块相连，通过AT命令建立无线方式的PPP链路和TCP连接，注册到管理中心系统，传递终端CPU串口0接收的数据，并接收管理中心的指令并做出相应的反应。2短信的收发用户可以通过参数设置选择GPRS终端工作于短信收发方式，这种工作方式下的湖南科技大学本科生毕业设计（论文）11GPRS终端就相当于一个大容量的短信收发器，它可以存储1000条短信，这样就可以通过短信方式传递和存储数据。32GPRS透传终端的技术要求根据上述GPRS无线数据透明传输终端的功能及GPRS无线数据透明传输终端的应用场合，以及市面上类似产品的性能特点，拟提出本课题所研究的GPRS无线数据透明传输终端的技术要求如下1、供电电源根据通用性原则，为了便于用户使用，GPRS无线数据透明终端采用SV直流供电。2、实时在线GPRS终端上电后根据其参数设置可自动连接GPRS网络并保持实时在线，如果意外掉线，能够及时发现并自动重新连接登录GPRS网络。3、工作环境条件能够适应外界温度范围10C到50C，相对湿度大于等于90。4、接口电平作为通用的无线数据传输终端，支持标准的RS232接口电平，并且接口数据的通信速率可以设置为9600BPS。同时为满足各种无线应用，还能提供奇偶校验功能。5、协议转换、透明传输GPRS无线透明数据传输终端能够将RS232串口通讯转化为无线嵌入式TCP/IP通讯，变传统的串口通讯为GPRS无线网络通讯，实现串口设备的快速无线联网。这要求提供协议转换和数据的透明传输。所谓透明传输方式，具体说就是用户不用知道复杂的GPRS通讯原理和TCP/IP协议，不用更改原有的程序即可实现原有串口设备的无线网络连接，节省宝贵的时间和己有投资。6、看门狗配置硬件看门狗，保障GPRS无线数据透明传输终端稳定运行和自恢复能力。7、数据包大小为满足大部分用户的需求，综合考虑数据传输的误码率及传输的可靠性，数据包大小限制为不大于2KBYTE。8、短消息通道及备用短消息通道GPRS无线数据透明传输终端提供短消息数据通道及备用短信通道。可以通过终端的参数设置使终端工作于短信方式，通过短信数据通道进行数据传输。备用短信通道湖南科技大学本科生毕业设计（论文）12用于GPRS数据透明传输方式下，如果因某种原因GPRS无线数据透明传输终端不能连接服务器，那么可以利用备用的短消息数据通道接收外界的参数配置，如改变GPRS无线数据透明传输终端连接服务器的域名、端口，使GPRS无线数据透明传输终端连接到另外一台服务器等各种设置功能。还有，当GPRS无线数据透明传输终端工作不正常时，可以通过短消息实现报警等功能。9AT命令测试功能GPRS无线数据透明传输终端支持AT命令测试功能，可以方便地熟悉AT指令或GPRS模块的一些参数。33GPRS透传终端的总体方案选择通过上面对GPRS无线数据透明传输终端功能和技术要求的介绍使得我们对GPRS透明传输终端的了解更加深入，综合考虑GPRS无线透明传输终端的功能和技术要求，下面分析实现其功能和要求的方案，首先分析的是其协议实现的方案，其次分析其组网方案。331GPRS透传终端的协议实现方案分析GPRS无线数据透明传输终端的最主要的功能之一就是要实现数据的无线透明传输，而实现无线数据传输的基础是TCP/IP协议，所以分析GPRS透传终端的协议实现既是分析TCP/IP协议的实现。下面先简要介绍TCP/IP协议，然后分析实现TCP/IP协议的方案。TCP/IP协议是一套把因特网上的各种系统互连起来的协议组，保证因特网上数据的准确快速传输。TCP/IP最先在UNIX系统上实现，随后在LINUX,DOS,WINDOWS上也实现了TCP/IP，目前己经出现了TCP/IP协议被移植到嵌入式系统中的应用。参考开放系统互连OSI模型，TCP/IP通常采用一种简化的四层模型分别为应用层应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输SMTP、文件传输协议FTP、网络远程访问协议TELNET等。传输层在此层中，它提供了节点间的数据传送服务，如传输控制协议TCP、用户数据包协议UDP等，TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。网络层负责提供基本的数据封包传送功能，让信息可以发送到相邻的TCP/IP网络上的任一主机上，IP协议就是该层中传送数据的机制。同时为建立网络间的互连，应湖南科技大学本科生毕业设计（论文）13提供ARP地址解析协议，实现从IP地址到数据链路物理地址的映像。链路层由控制同一物理网络上的不同机器间数据传送的底层协议组成，实现这一层协议的协议并不属于TCP/IP协议组。TCP/IP协议实际上是一组提供了两种服务的协议族，即对数据进行打包并路由这些己打包的数据。TCP提供了打包、重组、流控制和错误检测等服务，而IP负责确定到达目标计算机的最短路径。下面简单介绍TCP/IP协议族中最常用的一些协议具备的功能及工作原理。1IP网际协议IP是TCP/IP的心脏，也是网络层中最重要的协议。IP协议负责将数据传输到正确的目的地，同时也负责路由。IP层接收由更低层网络接口层如以太网设备驱动程序发来的数据包，并把该数据包发送到更高层TCP或UDP层相反，IP层也把从TCP或UDP层接收来得数据包传送到更低层。IP数据包是不可靠的，因为IP并没有做任何事情来确认数据包是按顺序发送的或者没有被破坏。IP数据包中含有发送它的主机的地址源地址和接收它的主机的地址目标地址。2TCPTCP是传输层的协议，它提供与连接相关及与数据传输相关的服务。如果IP数据包中有己经封好的TCP数据包，那么IP将把它们向“上”传送到TCP层。TCP将包排序并进行错误检查，同时实现虚电路伺的连接。TCP数据包中包括序号和确认，所以未按照顺序收到的包可以被排序，而损坏的包可以被重传。3UDPUDP与TCP位于同一层，但与TCP不同，用户数据报协议UDP不以字节流的形式发送数据，另外，它也不提供可靠性。它把应用程序传给IP层的数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。因此，UDP不被应用于那些使用虚电路的面向连接的服务，UDP主要用于那些面向查询、应答的服务，这些服务需要交换的信息量较小。4ICMPICMP与IP位于同一层，它被用来传送IP的控制信息。它主要是用来提供有关通向目的地址的路径信息。ICMP的REDIRECT信息通知主机通向其他系统的更准确的路径，而UNREACHABLE信息则指出路径有问题。另外，如果路径不可用了，ICMP可以使TCP连接“体面地”终止。PING是最常用的基于ICMP的服务。5TCP和UDP的端口结构TCP和UDP服务通常有一个客户/服务器的关系，例如，一个TELNET服务进程开始在系统上处于空闲状态，等待着连接。用户使用TELNET客户程序与服务进程建立一个连接。客户程序向服务进程写入信息，服务进程读出信息并发出响应，客户程序读出响应并向用户报告。因而，这个连接是双工的，可以用来进行读写。如果两个系统间有多重TELNET连接，那么就需要进行相互确认并协调，TCP或UDP连湖南科技大学本科生毕业设计（论文）14接唯一地使用每个信息中的如下四项进行确认源IP地址发送包的IP地址。目的IP地址接收包的IP地址。源端口源系统上的连接的端口。目的端口目的系统上的连接的端口。端口是一个软件结构，被客户程序或服务进程用来发送和接收信息。一个端口对应一个16比特的数。服务进程通常使用一个固定的端口，例如，SMTP使用25,WINDOWS使用6000。这些端口号是广为人知的，因为在建立与特定的主机或服务的连接时，需要这些地址和目的地址进行通讯。总之，TCP/IP是一种网络通信协议，它规范了网络上的所有通信设备，尤其是一个主机与另一主机之间的数据往来格式以及传送方式。TCP/IP是因特网的基础协议，也是一种电脑数据打包和寻址的标准方法，在数据传送中，可以形象地理解为两个信封，TCP和IP就像是信封，要传递的信息被划分成若干段，每一段塞入一个TCP信封，并在信封面上记录有分段号的信息，再将TCP信封塞入IP大信封，发送上网。在接收端，一个TCP软件包收集信封，抽出数据，按发送前的顺序还原，并加以校验，若发现差错，TCP将会要求重发。在简单了解了TCP/IP协议后，下面介绍TCP/IP协议的实现方式以及在本课题中选用的方案。TCP/IP协议实现的方案主要有硬件和软件两种。硬件的TCP/IP协议处理方案就是将TCP/IP协议固化到一个芯片之中，利用其提供的命令协议通过串口进行数据交互，完成TCP/IP协议的转换，然后外接MODEM或网卡芯片来实现与网络的连接。该方案的主要优点是操作简单，开发周期短，对开发人员的要求比较低，但通常成本比较高，灵活性很小，通常只是针对某一种协议需求，协议覆盖面窄。目前，市面上这种集成了TCP/IP协议的硬件芯片的种类很多，其代表有韩国WIZNET公司全逻辑硬件TCPIIP协议的专用标准元件W3150A、精致科技的E5122、现代的HSM917432等。软件的TCP/IP协议处理方案通常是在软件开发包中提供完整的TCP/IP协议栈，利用开发软件的API接口函数完成TCP/IP协议转换。其主要的优点是开发灵活性大，成本比较低，协议覆盖较全面，但编程工作量大，对开发者的要求比较高，同时，这种软件TCP/IP协议的实现方式对CPU及程序存储空间有一定的要求。例如，若选用八位单片机做微处理器，考虑到8位机系统的能力，在软件开发包中，只能选用小型TCP/IP协议栈，软件上在保证一个完整的TCP/IP协议栈的前提下，只保留最必要的一系列特征，尽量使其代码最少、占用的RAM最小，这样能实现的网络接口就比较单一。在本应用中，GPRS无线数据透明传输终端的研制必须用到GPRS模块，而目前市湖南科技大学本科生毕业设计（论文）15场上提供的GPRS模块种类很多，并且有很多种类的GPRS模块内已经嵌入了硬件TCP/IP协议处理集成芯片，如明基公司的M22模块，法国WAVECOME公司的Q2406A，德信公司的PIML900/18000等，这些模块嵌入的TCP/IP协议使用方便，通过其自带的AT命令协议就可以实现。综合考虑自身的技术情况、开发时间及成本要求，在本课题中，选用硬件方案实现TCP/IP协议，即选用嵌有TCP/IP协议的GPRS模块来实现TCP/IP协议。332GPRS透传终端组网方案分析GPRS无线数据透明传输终端作为整个通信网络系统中的一个环节，必将牵涉到与之通信的仪表及上位机服务器的联网方式，组网方式的不同决定了终端软硬件设计的不同。根据上位机服务器数据中心使用IP地址不同，其组网方案有1、方案一上位机服务器数据中心使用固定IP地址或向中国移动申请数据专线。数据采集设备数据采集设备GPRS终端GPRS终端DSN服务器目录服务器INTERNET接入设备INTERNET接入设备GPRS模块数据中心数据中心DSN服务器供应商串口串口数据专线固定IP图31方案一组网图这种方案的组网图如图31所示。GPRS无线数据透明传输终端通过RS232或RS485串口与数据采集设备相连，数据采集设备将要传输的数据传送给终端，然后终端自动拨号登陆GPRS网络，获得移动子网IP地址后，主动与接入INTERNET的上位机服务器数据中心建立SOCKET连接并保持。在SOCKET连接成功之后，GPRS终端将自身的ID号以及子网IP地址通过TCP/IP协议发送至上位机服务器。这样就实现了基于GPRS的无线数据传输。这种方案具有组网简单、易开发等优点，其缺点与不足主要有两方面其一是上位机服务器数据中心必须拥有固定IP地址，或公网IP地址或移动子网IP地址，即数据专线，因此构建GPRS网络的成本比较高其二是为了确保数据中心与GPRS无线数据透明传输终端之间的通信畅通，GPRS终端需不断发送链路维护数据包，用于检测链路并保证GPRS终端实时在线，由于GPRS是按照数据流量收费，因湖南科技大学本科生毕业设计（论文）16此运营成本较高。2、方案二上位机服务器数据中心使用域名在这种方案下，GPRS无线数据透明传输终端通过使用域名解析DNS的方法获取上位机服务器数据中心的IP地址，从而与之建立连接并互相传输数据，如图32所示。这种方案的优点是上位机服务器数据中心不需要拥有固定的IP地址，而是通过域名解析服务提供商获取域名，GPRS无线数据透明传输终端通过域名解析获得上位机服务器数据中心的IP地址。该方案的缺点是降低了使用固定IP地址的成本，但是由于采用域名解析服务，提高了用户的使用成本。数据采集设备数据采集设备GPRS终端GPRS终端DSN服务器目录服务器INTERNET接入设备INTERNET接入设备GPRS模块数据中心数据中心DSN服务器供应商串口串口图32方案二组网图综合考虑上述两种方案，在本课题中选用方案一。随着移动通信的发展，GPRS的资费标准必将越来越低，目前中国移动己经推出了GPRS流量包月服务，这样就相对降低了方案一中用于链路保活的成本，所以选用成本相对比较低、开发相对比较容易的方案一作为本无线数据透明传输终端的组网方案。333GPRS透传终端总体方案实现GPRS无线数据传输终端的方案主要有两种一种是单片机GPRS调制解调器，这种方案硬件成本比较低，但功能比较简单，在协议的开发和支持上都有一定难度另一种是嵌入式CPUGPRS模块，这种方案成本较高，但可以实现丰富的协议接口，便于移植。由于目前市场上出现多种内嵌TCP/IP协议栈的GPRS模块，并且这些模块的价格趋势是越来越便宜，技术支持也是越做越好，因此第一种方案更具可行性并且节约成本、性价比高。鉴于上述协议实现及组网的分析，综合考虑GPRS无线数据透明传输终端的功能及技术要求，拟选用ATMEL公司的ATMEGA64为CPU，明基公司嵌有湖南科技大学本科生毕业设计（论文）17TCP/IP协议栈的M22为GPRS模块实现GPRS无线数据透明传输终端。34本章小结这一章主要提出GPRS无线数据透明传输终端的功能及技术要求，分析设计GPRS无线数据透明传输终端的方案，其中简单介绍了终端涉及的TCP/IP协议以TCP/IP协议的实现方案，最终选定本课题的设计方案，为后面两章的软硬件设计打好伏笔。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）18第四章GPRS无线数据透明传输终端的硬件系统描述本章主要介绍GPRS无线数据透明传输终端的硬件设计，分别介绍其硬件的总体结构、硬件的资源以及各单元电路等。41硬件电路总体结构设计GPRS无线数据透明传输终端的硬件总体结构如图41所示。它主要有以下几个部分组成天线图41GPRS无线数据透明传输终端硬件总体结构图1、央处理器CPU选用ATMEL公司研发的增强型内置FLASH的RLSC精简指令集高速8位单片机ATMEGA64。它具有丰富的外设资源、功能强，最重要的是它具有双串口，满足GPRS无线数据透明传输终端的要求。2、PRS无线通信模块，选用台湾明基公司的工业级双频GPRS模块M22,支持标准的AT命令和标准的3VSIM卡，同时嵌有TCP/IP协议栈，具有良好的温度特性和稳PC机机仪表RS232接口MAX3238看门狗CPUATMEGA64数据存储器AT45DB16JTAG仿真器明基公司M22GPRS无线通信模块湖南科技大学本科生毕业设计（论文）19定的工作性能，并且价格便宜。3、数据器选用ATMEL公司推出的大容量串行FLASH存储器AT45DB16,具有16MB的容量，封装尺寸小，采用SPI接口进行读写，硬件连线少。4、RS232接口选用MAXIM公司的MAX3238,MAX3238要求的供电电压低，实现CMOS电平与RS232电平的转换。5、看门狗电路，这部分由ATMEGA64自带的看门狗实现，提高GPRS无线数据透明传输终端的可靠性。6、程序下载接口部分，ATMEGA64支持JTAG调试。7、天线接口部分是无线通信模块与外部天线50的接口。42GPRS透传终端的硬件资源描述GPRS无线数据透明传输终端主要由ATMEGA64,M22,AT45DB16及MAX3238等组成，下面详细介绍这些芯片资源。421ATMEGA64微处理器主要性能介绍ATMEGA64是