基于GPRS的监控系统的DTU的实现

关键词：GPRS DTU；实时；监控；无线 中图分类号：TP368．1；TP316．2 文献标识码：A The Realization of DTU in Supervision System System Based on GPRS ZUO Xi-qing, GONG Guo-qiang, ZEI Wei-lu, CHEN Hui-e (College of Electric Engineering & Inforraation Science, China Three Gorges Univ. , YiChang 443002, China) Abstract: Along with the rapid development of information technology, communication technology and the networks accelerate equipments networking. This paper has analyzed the features of GPRS. In addition, a real- time supervision system based on GPRS has been constructed, and we still put forward the solution of implementing GPRS DTU. In the end of this paper, we make a prospect about its applications. Key words: GPRS DTU; real time; supervision; wireless 1 引 言 随着计算机和网络技术的发展，基于TCP／IP协议的有线以太网为工业监控网络带来了一个新的时代，这是因为基于TCP／IP协议的有线以太网相对于以往的工业控制网络有更高的通信带宽，能满足不断增长的数据通信的需要。然而对于作业点分散、环境恶劣、远程监控为特点的工业现场，特别是存在突发、小数据量传输的场合，以有线来做通信媒介显然已不太合适，这迅速推动了无线通信技术在工业控制领域的发展。 GPRS(General Packet Radio System)的出现，为构建低成本的无线工业监控网络提供了可能， GPRS是架构在传统的GSM网络之上的一种标准化的分组交换数据业务，提供端到端的广域的无线 IP链接。由于GPRS采用了分组交换技术，在通信过程中不需要建立和保持电路，且存在呼叫建立时间极短，提供实时在线、按流量计费、大的覆盖区域等特点，在远程突发性数据传输中，相对于有线网络有不可比拟的优越性。另外，采用大功率、电信专线、卫星通信等方式构建的监控网络，组网成本很高，特别对大范围、分散的远程监控系统基本上是不可行的。采用GPRS构建的工业远程监控系统，其构建成本(粗略估计)仅为有线网络的十分之一，而且运行成本亦很低。正是由于这些优点，基于GPRS构建的监控系统正在成为当今的热点领域之一。 2 GPRS监控系统的构建 作为监控系统关键部分的GPRS DTU(Data Transmission Unit)的设计显得尤为重要，因为系统的稳定性和可靠性要由GPRS DTU来实现。目前国内外很多公司开发的基于GPRS的监控系统，其 GPRS DTU只实现了TCP／IP协议，所有的通信联络都由监控主机来实现，这种模式在有线网络上是可行的，但是在无线网络上就不合适了，因为无线网络上有太多的异常，而这些异常应该划分到底层协议中去。 通过对目前开发的产品及GPRS网络的传输特性进行分析研究，我们提出了一个比较实用的、易于实现的基于GPRS的监控系统(如图(1))。该系统由GPRS DTU、GPRS AS(Access Server)、监控主机、数据备份服务器、新浪邮件服务器(Mail Server)组成，监控主机与GPRS AS通过1OM／100M的以太网互连，一直不停的交流各自的负荷信息和各种动态表。GPRS AS是整个监控系统的通信联络中心，负责设备群的远程接入(本文主要论述GPRS DTU的实现，GPRS AS的实现暂不论述)。 下面详细介绍GPRS DTU的硬件及其软件的具体实现。 3 GPRS DTU的硬件实现 在本系统中，GPRS DTU的硬件框图如图(2)所示，主要的硬件芯片：CPU采用ARM S3CA510B，通信模块采用MC35(西门子的GPRS Modem)。 ARM芯片S3CA510B通过RS232串口与 GPRS通信模块MC35连接，ARM芯片完成对MC35模块的初始化和数据收发功能；同时扩展 MMX232标准串口与微控制单元MCU(Micro - Control Unit)进行数据交换。 S3CA510B是由Samsung公司生产的基于以太网应用系统的高性价比16／32位RISC微控制器，内含一个由ARM公司设计的16／32位 ARM7TDMI RISC处理器，ARM7TDMI低功耗、高性能的16／32核，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合，如：工业控制、移动电话、嵌入式应用等。 MC35是西门子公司生产的GPRS无线通信模块，双频EGSM900和GSMl800(GSM Phase2+)，支持声音、数据、SMS(短消息)、FAX(传真)；进行GPRS数据传输时，工作电流只有360mA，空闲时电流为15mA；数据上传速度达到21．4Kbps，下载速度更是高达85．6Kbps；用户可通过AT指令与MC35进行命令与数据的交互，MC35是通过 RS232双向串行通道与用户连接的。MC35的主要优点是永久在线连接、快速的数据存储及更快的数据传输速度。 系统ROM选用一片16Mbit的HY29LVl60来构建16位的Flash存储芯片，其存储容量为2MB，对于我们的系统此容量已经足够；Flash存储器在系统中用于存放程序的代码，系统上电或复位后从此获取指令并开始执行，因此要将存有程序代码的Flash存储器配置到ROM／SRAM／FLASH BankO，即将S3CA510B的nRCS<0>(pin75)接至 HY29LV -160的CE#端。 系统采用32位的SDRAM存储器系统，即采用两片HY57V641620来构建32位的RAM存储系统，其单片容量为8MB。这能充分发挥32位 CPU的数据处理能力，满足嵌入式操作系统及各种相对较复杂的算法的运行要求。 4 GPRS DTU的软件实现 GPRS DTU的软件实现由操作系统、TCP／IP协议、PPP协议以及一些应用软件等组成。 4．1 应用软件部分 这部分通常跟MCU(微控制单元)联系紧密，主要是控制MCU进行数据采集，或者是控制 MCU进行相关操作。 4．2 操作系统部分 操作系统采用的是原码公开的uC／OS-Ⅱ， uC／OS -Ⅱ采用C语言和汇编语言，其中绝大部分是C语言，结构简单。且可移植性非常好，已经成功移植到了ARM芯片上，而且在移植过程中，只需修改跟操作系统相关的部分即可。 4．3 TCP／IP协议部分 GPRS核心网络基于IP技术，因此，基于 GPRS的监控系统的DTU需要利用TCP／IP协议来完成GPRS业务数据的装帧和拆帧，以及保证数据在网络中的安全可靠传输。 本设计中TCP／IP协议采用的是瑞士计算机科学院的Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的源代码开放的TCP／IP协议栈1wip。1wip支持多网络接口下的IP转发、支持ICMP协议、支持PPP协议、支持DHCP协议、动态分配IP地址等特点。 lwip中所有的TCP／IP协议都在一个进程(对 uC／OSⅡ来说，进程即系统任务)当中，这样 TCP／IP协议栈就和内核分开了，不再限定于特定的操作系统内核，这便于协议栈在不同操作系统间的移植。之所以把所有TCP／IP协议都放在一个进程内，也是为了减少任务切换的次数(若把协议的每一层作为一个单独的进程，当接收一个tcp segment时，要进行多次任务切换)，任务切换是很浪费时间的。 下面是创建一个和TCP／IP相关的新进程的代码示例： #define LWIP-STK-SIZE 10*1024 ／／和tcp／ip相关任务的堆栈大小 #define LWIP-TASK-MAX 5 ／／和tcp／ip相关任务最多数目 #define LWIP-START-PRIO 5 ／／和tcp／ip相关任务的起始优先级 OS-STK LWIP-TASK-STK[LWIP-TASK-MAX] [LWIP-STK-SIZE]；／／和tcp/ip相关堆栈区 0 u8-t curr-prio-offset： sys-thread-t；sys-systhread-new(void(*function)(void*arg)，void*arg，int prio) {／／略 } 4．4 PPP协议部分 业务数据按照TCP或UDP的格式封装成 TCP数据包或者UDP数据包，然后加上IP报头和报尾封装成IP数据报。由于处理器与无线通信模块的通信遵循PPP(Point to Point Protoc01)协议，因而需要将IP数据报按照PPP的帧格式封装成PPP帧，然后才能通过串口传给无线通信模块。 PPP协议包含三个组成部分： (1)压缩多协议自寻址数据包的方法。 (2)用于建立、设定和测试数据链路连接的LCP(Link Control Protoc01)。 (3)一族用于建立、设定不同网络层协议的 NCP(Network Control Protoc01)。 此外，还要涉及具体的PAP(Password Authen- tication Protocol，密码认证协议)和IPCP(Internet Protocol Control Protocol，Internet协议控制协议)等。 DTU要跟外部网络建立连接，首先要附着在 GPRS网上，然后发起PDP(Packet Data Protocol，分组数据协议)上下文激活过程。只有通过此过程，DTU才能与GGSN(Gateway GPRS Support Node，网关GPRS支持点)建立一条逻辑通路，才能跟外部网络建立连接，从而使数据以IP报的形式进行传送。分组协议上下文激活过程如下： ①系统发送AT指令给无线通信模块要求建立连接，在指令中包含系统想要连接的APN(Access Point Name，访问点名称)； ②系统发送PPP LCP帧给无线模块，此LCP帧的配置选项告诉无线通信模块想要鉴定的协议是PAP(Password Authentication Protoc01)(在配置中赋值为C023)，不是CHAP(Challenge Handshake Authentication Protoc01)(在配置选项中赋值为 C223)； ③系统开始进行PAP认证，认证通过后，无线通信模块将对系统给以回应，表明承认其身份，并且会将用户ID和密码储存下来； ④系统通过发送NCP—IPCP配置请求信息给无线模块，帧内IP地址为空，表明请求动态分配IP地址； ⑤无线模块向SGSN发送激活PDP上下文的请求信息；GPRS网络经过认证后动态分配一个IP地址；SGSN向无线模块发送激活PDP上下文接受消息； ⑥无线模块发送NCP—IPCP配置回应帧给系统，回应帧中包含了被动态分配的IP地址。 至此，PDP上下文激活过程全部完成，DTU与外部数据网之间的数据通道建立起来了。PDP上下文激活过程如图(3)所示： 4．5程序流程图 本DTU采用了uC／0S-II+lwip+PPP的方案，程序流程图如图(4)所示。

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