一、引言 隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于TCP/IP協(xié)議的有線以太網(wǎng)為工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)帶來了一個新的時代，這是因為基于TCP/IP協(xié)議的有線以太網(wǎng)相對于以往的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)有更高的通信帶寬，能滿足不斷增長的數(shù)據(jù)通信的需要。然而對于作業(yè)點分散、環(huán)境惡劣、遠程監(jiān)控為特點的工業(yè)現(xiàn)場，特別是存在突發(fā)、小數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膱龊?，以有線來做通信媒介顯然已不太合適，這迅速推動了無線通信技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展。 GPRS（General Packet Radio System）的出現(xiàn)，為構(gòu)建低成本的無線工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)提供了可能， GPRS是架構(gòu)在傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò)之上的一種標(biāo)準(zhǔn)化的分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，提供端到端的廣域的無線 IP鏈接。由于GPRS采用了分組交換技術(shù)，在通信過程中不需要建立和保持電路，且存在呼叫建立時間極短，提供實時在線、按流量計費、大的覆蓋區(qū)域等特點，在遠程突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸中，相對于有線網(wǎng)絡(luò)有不可比擬的優(yōu)越性。另外，采用大功率、電信專線、衛(wèi)星通信等方式構(gòu)建的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)成本很高，特別對大范圍、分散的遠程監(jiān)控系統(tǒng)基本上是不可行的。采用GPRS構(gòu)建的工業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其構(gòu)建成本（粗略估計）僅為有線網(wǎng)絡(luò)的十分之一，而且運行成本亦很低。正是由于這些優(yōu)點，基于GPRS構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)正在成為當(dāng)今的熱點領(lǐng)域之一。 二、GPRS監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建 作為監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵部分的GPRS DTU（Data Transmission Unit）的設(shè)計顯得尤為重要，因為系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要由GPRS DTU來實現(xiàn)。目前國內(nèi)外很多公司開發(fā)的基于GPRS的監(jiān)控系統(tǒng)，其GPRS DTU只實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議，所有的通信聯(lián)絡(luò)都由監(jiān)控主機來實現(xiàn)，這種模式在有線網(wǎng)絡(luò)上是可行的，但是在無線網(wǎng)絡(luò)上就不合適了，因為無線網(wǎng)絡(luò)上有太多的異常，而這些異常應(yīng)該劃分到底層協(xié)議中去。 通過對目前開發(fā)的產(chǎn)品及GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性進行分析研究，我們提出了一個比較實用的、易于實現(xiàn)的基于GPRS的監(jiān)控系統(tǒng)（如圖1）。該系統(tǒng)由GPRS DTU、GPRS AS（Access Server）、監(jiān)控主機、數(shù)據(jù)備份服務(wù)器、新浪郵件服務(wù)器（Mail Server）組成，監(jiān)控主機與GPRS AS通過1OM/100M的以太網(wǎng)互連，一直不停的交流各自的負荷信息和各種動態(tài)表。GPRS AS是整個監(jiān)控系統(tǒng)的通信聯(lián)絡(luò)中心，負責(zé)設(shè)備群的遠程接入（本文主要論述GPRS DTU的實現(xiàn)，GPRS AS的實現(xiàn)暫不論述）。 下面詳細介紹GPRS DTU的硬件及其軟件的具體實現(xiàn)。 三、GPRS DTU的硬件實現(xiàn) 在本系統(tǒng)中，GPRS DTU的硬件框圖如圖2所示，主要的硬件芯片：CPU采用ARM S3CA510B，通信模塊采用MC35（西門子的GPRS Modem）。 ARM芯片S3CA510B通過RS232串口與 GPRS通信模塊MC35連接，ARM芯片完成對MC35模塊的初始化和數(shù)據(jù)收發(fā)功能；同時擴展 MMX232標(biāo)準(zhǔn)串口與微控制單元MCU（Micro - Control Unit）進行數(shù)據(jù)交換。 S3CA510B是由Samsung公司生產(chǎn)的基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性價比16/32位RISC微控制器，內(nèi)含一個由ARM公司設(shè)計的16/32位 ARM7TDMI RISC處理器，ARM7TDMI低功耗、高性能的16/32核，最適合用于對價格及功耗敏感的應(yīng)用場合，如：工業(yè)控制、移動電話、嵌入式應(yīng)用等。 MC35是西門子公司生產(chǎn)的GPRS無線通信模塊，雙頻EGSM900和GSMl800（GSM Phase2+），支持聲音、數(shù)據(jù)、SMS（短消息）、FAX（傳真）；進行GPRS數(shù)據(jù)傳輸時，工作電流只有360mA，空閑時電流為15mA；數(shù)據(jù)上傳速度達到21.4Kbps，下載速度更是高達85.6Kbps；用戶可通過AT指令與MC35進行命令與數(shù)據(jù)的交互，MC35是通過 RS232雙向串行通道與用戶連接的。MC35的主要優(yōu)點是永久在線連接、快速的數(shù)據(jù)存儲及更快的數(shù)據(jù)傳輸速度。 系統(tǒng)ROM選用一片16Mbit的HY29LVl60來構(gòu)建16位的Flash存儲芯片，其存儲容量為2MB，對于我們的系統(tǒng)此容量已經(jīng)足夠；Flash存儲器在系統(tǒng)中用于存放程序的代碼，系統(tǒng)上電或復(fù)位后從此獲取指令并開始執(zhí)行，因此要將存有程序代碼的Flash存儲器配置到ROM/SRAM/FLASH BankO，即將S3CA510B的nRCS<0>（pin75）接至 HY29LV-160的CE#端。 系統(tǒng)采用32位的SDRAM存儲器系統(tǒng)，即采用兩片HY57V641620來構(gòu)建32位的RAM存儲系統(tǒng)，其單片容量為8MB。這能充分發(fā)揮32位 CPU的數(shù)據(jù)處理能力，滿足嵌入式操作系統(tǒng)及各種相對較復(fù)雜的算法的運行要求。 四、GPRS DTU的軟件實現(xiàn) GPRS DTU的軟件實現(xiàn)由操作系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議、PPP協(xié)議以及一些應(yīng)用軟件等組成。 （一）應(yīng)用軟件部分 這部分通常跟MCU（微控制單元）聯(lián)系緊密，主要是控制MCU進行數(shù)據(jù)采集，或者是控制 MCU進行相關(guān)操作。 （二）操作系統(tǒng)部分 操作系統(tǒng)采用的是原碼公開的uC/OS-Ⅱ，uC/OS -Ⅱ采用C語言和匯編語言，其中絕大部分是C語言，結(jié)構(gòu)簡單。且可移植性非常好，已經(jīng)成功移植到了ARM芯片上，而且在移植過程中，只需修改跟操作系統(tǒng)相關(guān)的部分即可。 （三）TCP/IP協(xié)議部分 GPRS核心網(wǎng)絡(luò)基于IP技術(shù)，因此，基于 GPRS的監(jiān)控系統(tǒng)的DTU需要利用TCP/IP協(xié)議來完成GPRS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的裝幀和拆幀，以及保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的安全可靠傳輸。 本設(shè)計中TCP/IP協(xié)議采用的是瑞士計算機科學(xué)院的Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的源代碼開放的TCP/IP協(xié)議棧1wip。1wip支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā)、支持ICMP協(xié)議、支持PPP協(xié)議、支持DHCP協(xié)議、動態(tài)分配IP地址等特點。 lwip中所有的TCP/IP協(xié)議都在一個進程（對uC/OSⅡ來說，進程即系統(tǒng)任務(wù)）當(dāng)中，這樣 TCP/IP協(xié)議棧就和內(nèi)核分開了，不再限定于特定的操作系統(tǒng)內(nèi)核，這便于協(xié)議棧在不同操作系統(tǒng)間的移植。之所以把所有TCP/IP協(xié)議都放在一個進程內(nèi)，也是為了減少任務(wù)切換的次數(shù)（若把協(xié)議的每一層作為一個單獨的進程，當(dāng)接收一個tcp segment時，要進行多次任務(wù)切換），任務(wù)切換是很浪費時間的。 下面是創(chuàng)建一個和TCP/IP相關(guān)的新進程的代碼示例： #define LWIP-STK-SIZE 10＊1024 //和tcp/ip相關(guān)任務(wù)的堆棧大小 #define LWIP-TASK-MAX 5 //和tcp/ip相關(guān)任務(wù)最多數(shù)目 #define LWIP-START-PRIO 5 //和tcp/ip相關(guān)任務(wù)的起始優(yōu)先級 OS-STK LWIP-TASK-STK[LWIP-TASK-MAX] [LWIP-STK-SIZE]；//和tcp/ip相關(guān)堆棧區(qū) 0 u8-t curr-prio-offset： sys-thread-t；sys-systhread-new（void（＊function）（void＊arg），void＊arg，int prio） ｛//略 ｝ （四）PPP協(xié)議部分 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按照TCP或UDP的格式封裝成 TCP數(shù)據(jù)包或者UDP數(shù)據(jù)包，然后加上IP報頭和報尾封裝成IP數(shù)據(jù)報。由于處理器與無線通信模塊的通信遵循PPP（Point to Point Protoc01）協(xié)議，因而需要將IP數(shù)據(jù)報按照PPP的幀格式封裝成PPP幀，然后才能通過串口傳給無線通信模塊。 PPP協(xié)議包含三個組成部分： 1．壓縮多協(xié)議自尋址數(shù)據(jù)包的方法。 2．用于建立、設(shè)定和測試數(shù)據(jù)鏈路連接的LCP（Link Control Protoc01）。 3．一族用于建立、設(shè)定不同網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的 NCP（Network Control Protoc01）。 此外，還要涉及具體的PAP（Password Authen- tication Protocol，密碼認證協(xié)議）和IPCP（Internet Protocol Control Protocol，Internet協(xié)議控制協(xié)議）等。 DTU要跟外部網(wǎng)絡(luò)建立連接，首先要附著在 GPRS網(wǎng)上，然后發(fā)起PDP（Packet Data Protocol，分組數(shù)據(jù)協(xié)議）上下文激活過程。只有通過此過程，DTU才能與GGSN（Gateway GPRS Support Node，網(wǎng)關(guān)GPRS支持點）建立一條邏輯通路，才能跟外部網(wǎng)絡(luò)建立連接，從而使數(shù)據(jù)以IP報的形式進行傳送。分組協(xié)議上下文激活過程如下： （1）系統(tǒng)發(fā)送AT指令給無線通信模塊要求建立連接，在指令中包含系統(tǒng)想要連接的APN（Access Point Name，訪問點名稱）； （2）系統(tǒng)發(fā)送PPP LCP幀給無線模塊，此LCP幀的配置選項告訴無線通信模塊想要鑒定的協(xié)議是PAP（Password Authentication Protoc01）（在配置中賦值為C023），不是CHAP（Challenge Handshake Authentication Protoc01）（在配置選項中賦值為 C223）； （3）系統(tǒng)開始進行PAP認證，認證通過后，無線通信模塊將對系統(tǒng)給以回應(yīng)，表明承認其身份，并且會將用戶ID和密碼儲存下來； （4）系統(tǒng)通過發(fā)送NCP—IPCP配置請求信息給無線模塊，幀內(nèi)IP地址為空，表明請求動態(tài)分配IP地址； （5）無線模塊向SGSN發(fā)送激活PDP上下文的請求信息；GPRS網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過認證后動態(tài)分配一個IP地址；SGSN向無線模塊發(fā)送激活PDP上下文接受消息； （6）無線模塊發(fā)送NCP—IPCP配置回應(yīng)幀給系統(tǒng)，回應(yīng)幀中包含了被動態(tài)分配的IP地址。 至此，PDP上下文激活過程全部完成，DTU與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通道建立起來了。PDP上下文激活過程如圖（3）所示： （五）程序流程圖 本DTU采用了uC/0S-II+lwip+PPP的方案，程序流程圖如圖（4）所示。 通上電后，首先進行硬件初始化，再對操作系統(tǒng)初始化，然后進行系統(tǒng)文件配置，創(chuàng)建任務(wù)，并對網(wǎng)絡(luò)（TCP/IP，PPP）進行初始化，啟動多任務(wù)調(diào)度；通過PPP發(fā)送LCP packets進行設(shè)定和測試數(shù)據(jù)鏈路，跟MC35模塊進行鏈接；然后，進行PAP認證；通過后，PPP發(fā)送NCP packets選擇和設(shè)定一個或更多的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，一旦協(xié)議都被設(shè)定好了，GPRS DTU就可以發(fā)送數(shù)據(jù)了。 DTU創(chuàng)建的一個任務(wù)發(fā)送短消息給GPRS AS報告其IP地址，GPRS AS得到DTU的IP地址后，就可以跟DTU進行通訊了，基于GPRS的監(jiān)控系統(tǒng)也就構(gòu)建起來了。 五、結(jié)束語 本文提出了一個比較實用的基于GPRS的監(jiān)控系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上對其DTU的軟、硬件實現(xiàn)給出了一個完整的解決方案。隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)的進一步完善，系統(tǒng)的優(yōu)越性就得到更好的體現(xiàn)，這將使得其能夠在如電力部門的電力系統(tǒng)遠程監(jiān)控、無人職守電站、電力抄表，水利水電部門的水文資料收集、河流監(jiān)測、遠程環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)控制部門的野外作業(yè)點的數(shù)據(jù)采集、遙控機器人，通信部門的遠端無人職守機房監(jiān)控和遠程維護等等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。