摘 要： 為提高數(shù)據(jù)傳輸過程中完整性，提出了一種結(jié)合嵌入式技術(shù)和GPRS/GSM無線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸方案。設(shè)計(jì)了基于GPRS和GSM短信服務(wù)混合通信的嵌入式數(shù)據(jù)采集傳輸終端，用于在惡劣的環(huán)境下對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并通過GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控中心。在高峰時(shí)期或傳輸網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí)，嵌入式終端將采取GSM的SMS方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程測控終端；GPRS/GSM；嵌入式技術(shù)，數(shù)據(jù)完整性

　　隨著工業(yè)的發(fā)展，很多設(shè)備在惡劣環(huán)境中工作，需要定時(shí)采集數(shù)據(jù)，例如電力系統(tǒng)中自動(dòng)抄表，自來水廠對水質(zhì)監(jiān)測，農(nóng)業(yè)中對土壤的監(jiān)測等。環(huán)境惡劣或路途遙遠(yuǎn)等會(huì)導(dǎo)致用人工現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)有很大的困難。遠(yuǎn)程測控終端[1](RTU)在工業(yè)數(shù)據(jù)采集中應(yīng)用非常廣泛。為此,設(shè)計(jì)一款基于GPRS/GSM混合通信的RTU,將GPRS與GSM的SMS方式進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ), 來滿足用戶對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集所面臨的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蛯?shí)時(shí)性需求。本文研究了一種運(yùn)用ARM處理器和Linux操作系統(tǒng)嵌入式數(shù)據(jù)采集裝置，添加GPRS/GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊來傳輸數(shù)據(jù)。將無線通信技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)結(jié)合，外加 Internet通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、存儲(chǔ)，并在監(jiān)測指標(biāo)出現(xiàn)異常時(shí)報(bào)警，做到遠(yuǎn)端無人值守。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 GPRS/GSM技術(shù)

　　GPRS作為現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動(dòng)通信演變的過渡技術(shù)(2.5G)，其具有下列特點(diǎn)。

　?。?） GPRS作為無線通信技術(shù)，已經(jīng)非常普遍，基本在全國范圍內(nèi)都能進(jìn)行GPRS通信，而且它的速度和建設(shè)成本以及方便性都非常適合。

　?。?）傳輸速率高，GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣入m然不是非常高，但一般能夠滿足正常的數(shù)據(jù)傳輸要求，一般都有30 kb/s，已經(jīng)完全能夠滿足本設(shè)計(jì)需求。

　　（3）按流量計(jì)費(fèi)，如手機(jī)，用了多少流量算多少錢，而且當(dāng)流量需求量過大時(shí)，還可以與移動(dòng)公司合作，進(jìn)行包月流量5元30 MB，這樣對于數(shù)據(jù)傳輸量比較大的用戶也能夠滿足他們的需求。

　　1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本文采用GPRS/GSM為數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，系統(tǒng)主要分為監(jiān)控中心、RTU和數(shù)傳模塊三大模塊，如圖1所示[1]。

　?。?）遠(yuǎn)程測控終端RTU。為環(huán)境惡劣中的數(shù)據(jù)采集裝置，RTU將采集的數(shù)據(jù)通過自己內(nèi)部定義的協(xié)議打包，通過GPRS/GSM和Internet傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。在RTU不止一個(gè)的情況下，需給每個(gè)RTU設(shè)置不同的ID號(hào)。

　?。?）監(jiān)控中心。監(jiān)控中心直接與Internet相連，通常與RTU采用一對一或一對多的應(yīng)用模式。監(jiān)控中心獲取到從RTU傳來的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行協(xié)議解析，還原用戶數(shù)據(jù)，如果傳來的數(shù)據(jù)不在預(yù)設(shè)的正常區(qū)間內(nèi)，將產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，同時(shí)監(jiān)控中心對RTU 進(jìn)行控制。

　?。?）數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊由于要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議，而且要實(shí)現(xiàn)與Internet的連接。核心板與GPRS 模塊通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使用AT 指令實(shí)現(xiàn)對GPRS 模塊的控制[1]。

　　1.3 RTU硬件設(shè)計(jì)

　　RTU的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示[2]，以三星S3C2440為嵌入式處理器核心，外擴(kuò)SDRAM/Nand Flash模塊用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，GPRS/GSM模塊用于數(shù)據(jù)傳輸，JTAG為調(diào)試接口，RS-232為串口通信接口。

　?。?）S3C2440處理器。是三星公司開發(fā)的基于ARM920T內(nèi)核32位RISC微處理器，適用于低成本、低功耗、高性能的設(shè)備。

　　（2）Nand Flash：Nand Flash芯片為Samsung廠商生產(chǎn)的，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為64 MB，采用塊頁式存儲(chǔ)管理。

　　（3）SDRAM。S3C2440的SDRAM內(nèi)存應(yīng)該焊接在Bank6~Bank7上，最大支持內(nèi)存256 MB。

　?。?）JTAG調(diào)試接口。該接口是在研發(fā)過程中對芯片內(nèi)部進(jìn)行的一些調(diào)試、編程等操作。

　?。?）RS-232串行接口。數(shù)據(jù)采集裝置通過串口將采集的數(shù)據(jù)傳輸給核心板，核心板通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS/GSM模塊。

　　（6）GPRS/GSM模塊。采用內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸GPRS/GSM模塊，用于實(shí)現(xiàn)終端登錄無線網(wǎng)絡(luò)。

　　1.4 RTU軟件設(shè)計(jì)

　　對于RTU的軟件設(shè)計(jì)，從功能上來分，可以分為3個(gè)的部分。（1）Linux系統(tǒng)的核心程序的移植，即操作系統(tǒng)移植，它負(fù)責(zé)系統(tǒng)的工作控制、存儲(chǔ)管理、功能設(shè)置、通信等；（2）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的交互；（3）應(yīng)用程序，它負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的操作，如數(shù)據(jù)的采集、現(xiàn)場處理、存儲(chǔ)、打包以及傳輸。

　　1.4.1 Linux操作系統(tǒng)的移植[3]

　　Linux系統(tǒng)的移植分為Bootloader移植、內(nèi)核移植和文件系統(tǒng)移植。

　?。?）Bootloader移植[4]：Bootloader是操作系統(tǒng)運(yùn)行前執(zhí)行的一段程序。本文系統(tǒng)選用U-Boot 作為硬件板的Bootloader。

　?。?）內(nèi)核移植：核心板采用Linux2.6.8 內(nèi)核。從官網(wǎng)上下載Linux2.6.8.tar.bz2壓縮包解壓，對其中部分文件進(jìn)行修改。設(shè)置PATH環(huán)境變量，Nand Flash分區(qū)，內(nèi)核通過U-boot燒寫到Nand Flash中。

　?。?）文件系統(tǒng)移植：本系統(tǒng)采用的是CRAMFS文件系統(tǒng)，需要添加自己的相應(yīng)程序，編譯生成鏡像文件后，將文件燒寫進(jìn) Flash中。

　　1.4.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)

　　在Linux操作系統(tǒng)下，用戶看到的只是應(yīng)用程序，而要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序和底層硬件的通信，就需要操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序的幫助。這里主要是處理和編寫網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。在完成驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)后，通過open ( ) 、close ( )、read ( )和write ( ) 等操作來實(shí)現(xiàn)對硬件的操作。

　　1.4.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用程序?yàn)橛脩魧映绦?，通過應(yīng)用層可以對遠(yuǎn)程現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行操作,包括數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)和發(fā)送等，如圖3所示。在給遠(yuǎn)程RTU上電后,需通過應(yīng)用程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行一系列的初始化并與網(wǎng)絡(luò)建立通信,設(shè)置采樣周期，周期采集數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測采集的數(shù)據(jù)達(dá)到1 KB時(shí)，首先進(jìn)行GPRS傳輸數(shù)據(jù)。正常情況下，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，結(jié)束傳輸，進(jìn)入下一個(gè)周期[5]。而當(dāng)GPRS傳輸數(shù)據(jù)失敗時(shí)，系統(tǒng)則自動(dòng)切換到SMS短消息傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，進(jìn)入下一個(gè)傳輸周期。

2 數(shù)據(jù)完整性傳輸

　　2.1 采用多線程機(jī)制

　　RTU的應(yīng)用程序需要實(shí)現(xiàn)的功能主要有：通過撥號(hào)來建立GPRS連接，并與服務(wù)器連通；在遠(yuǎn)處惡劣環(huán)境下對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對數(shù)據(jù)分析處理，將處理好的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心，且在監(jiān)控中心發(fā)出控制命令時(shí)作出相應(yīng)的操作。為了提高程序運(yùn)行效率，考慮使用多線程編程[6]。給數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分別新建一個(gè)線程，由于這兩線程對象是同一數(shù)據(jù)，需要注意采集和處理線程之間的同步問題。當(dāng)采集線程數(shù)據(jù)到1 KB時(shí)，數(shù)據(jù)處理線程開始工作，本文利用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)。由于GPRS撥號(hào)需要一定的時(shí)間，如果不新建一個(gè)線程，必然會(huì)導(dǎo)致主線程阻塞，本文為GPRS撥號(hào)連接也新建一個(gè)線程，如圖4所示。

　　2.2 傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)[1]

　　為了能夠使得數(shù)據(jù)通信的完整性和實(shí)時(shí)性有更大的提高，需要對傳輸協(xié)議有個(gè)很好的制訂。如發(fā)送的數(shù)據(jù)包過大，不能夠使得數(shù)據(jù)在一個(gè)通道中傳輸，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，在不同的通道中進(jìn)行傳輸，這必然導(dǎo)致傳輸延遲，同時(shí)也增加了數(shù)據(jù)完整性傳輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，因此，RTU數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)格式一定要做得非常精簡，才能更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸格式如表1所示。

　　ID：為RTU的ID號(hào)，使得監(jiān)控中心分辨?zhèn)鱽淼臄?shù)據(jù)的地址。

　　Data：為經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。

　　IO：為當(dāng)前I/O的輸入輸出狀態(tài)。

　　校驗(yàn)位：保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的有效性。

　　RTU 將按照以上協(xié)議數(shù)據(jù)包格式對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包。利用GPRS傳輸模塊和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)包至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心按照協(xié)議解析數(shù)據(jù)包，根據(jù)用戶的要求進(jìn)行顯示。同時(shí)監(jiān)控中心還會(huì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，將進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)監(jiān)控中心根據(jù)用戶需求可以對RTU進(jìn)行相應(yīng)的下行控制。

　　2.3 GPRS/GSM數(shù)據(jù)傳輸功能試驗(yàn)

　　在實(shí)驗(yàn)室條件下，通過手機(jī)給RTU發(fā)送短信的方式來測試RTU數(shù)據(jù)傳輸功能，當(dāng)把GPRS傳輸模塊的緩沖區(qū)設(shè)置得比較小時(shí)，而短信的內(nèi)容又比較多時(shí)，將導(dǎo)致RTU上傳數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，不能夠完整地傳輸數(shù)據(jù)。通過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)增加GPRS模塊接收緩沖區(qū)的長度，就可以解決由于短信量過大而導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出、數(shù)據(jù)傳輸不完整的問題。

　　另外，通過撥打RTU的SIM 卡號(hào)碼，使得語音信道占用數(shù)據(jù)信道，這樣來模擬GPRS網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況。在語音信道一直占用數(shù)據(jù)信道的情況下，RTU嘗試3次建立GPRS 網(wǎng)絡(luò)均不成功，從而轉(zhuǎn)向GSM的SMS方式來傳輸數(shù)據(jù)。這里就驗(yàn)證了在GPRS傳輸出現(xiàn)異常的情況下，GSM的SMS可以傳輸數(shù)據(jù)，從而使得數(shù)據(jù)在傳輸過程中不容易丟包，且傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性得到提高。通過對RTU進(jìn)行672次測試，GPRS和GSM的SMS傳輸次數(shù)、丟包率及誤碼率，測試結(jié)果如表2所示。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，采用GPRS/GSM方式能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的完整性傳輸。 當(dāng)GPRS傳輸遇到異常情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到GSM的SMS方式進(jìn)行傳輸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用混合通信的方式，基本上可以達(dá)到丟包率為0。

3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控中心管理軟件主要完成用戶現(xiàn)場的監(jiān)視性操作及上位機(jī)通信功能及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收發(fā)、存儲(chǔ)、顯示和統(tǒng)計(jì)分析等，如圖5所示。

　　系統(tǒng)管理：主要工作是對要實(shí)施監(jiān)控的對象，監(jiān)控頻率，和監(jiān)控的時(shí)間進(jìn)行配置。

　　通信管理：負(fù)責(zé)上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信，主要是接收下位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，和發(fā)送命令到下位機(jī)去執(zhí)行。

　　數(shù)據(jù)管理：由于采集的數(shù)據(jù)是一包一包的，需進(jìn)行解析后存儲(chǔ)。

　　統(tǒng)計(jì)分析：對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，檢查數(shù)據(jù)是否有異常狀況。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況下，采用GPRS/GSM 混合通信可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾耘c實(shí)時(shí)性。采用多線程編程可以提高系統(tǒng)工作的效率；設(shè)計(jì)一個(gè)良好的協(xié)議，可以使得數(shù)據(jù)在傳輸過程中完整性和實(shí)時(shí)性得到更好的保障；把GPRS和GSM的SMS技術(shù)相結(jié)合傳輸數(shù)據(jù)，使得傳輸?shù)膩G包率基本為0。因此，該系統(tǒng)可以滿足用戶對于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集上傳的完整性、實(shí)時(shí)性需求。

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