GPRS DTU的設計及研究

第26卷第3期電力自動(dòng)化設備Vol.26 No.32006年3月Electrice Power Automation EquipmentMar.2006 89GPRSDTU的設計及研究劉教瑜,吳美玲,譚杰(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 ,湖北武漢430070)摘要:通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù)(GPRS)是一種基于全球移動(dòng)通信系統(GSM)的無(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù),提供端到端的、廣域的無(wú)線(xiàn)IP連接,具有永遠在線(xiàn)等特點(diǎn)。介紹了基于GPRS網(wǎng)絡(luò )的數據終端單元(DTU)。該單元是由以ARM芯片S3C44B0X和GPRS模塊G20為核心的硬件和軟件組成。在概括工業(yè)GPRS監控系統構成的基礎上,介紹了GPRS DTU硬件設計,GPRS DTU軟件是由μC/OSI操作系統TCP/IP協(xié)議、點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議組成。該單元使用戶(hù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )實(shí)現用戶(hù)設備和用戶(hù)數據中心之間的數據傳輸。關(guān)鍵詞:通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù);數據終端單元;無(wú)線(xiàn)通信;遠程監控中圖分類(lèi)號: X 84;TN 914文獻標識碼: A文章編號: 1006- 6047(2006)03 -0089-03工業(yè)監控、環(huán)境監測、交通管理等行業(yè)的遠程傳輸數0引言據應用。通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio1工業(yè)GPRS監控系統的構成Service)是第2代移動(dòng)通信技術(shù)全球移動(dòng)通信系統(GSM)邁向第3代(3G)的過(guò)渡技術(shù),是由英國B(niǎo)T用戶(hù)設備通過(guò)RS-用戶(hù)數據中心 .Cellnet公司早在1993 年提出的,是CSM Phase2+232和GPRS DTU相連,將[nternet(1997年)規范實(shí)現的內容之一,是一一種基于CSM的數據傳人DTU。進(jìn)入DTU移動(dòng)分組數據業(yè)務(wù),面向用戶(hù)提供移動(dòng)分組的IP或后的數據被GPRS模塊封GPRS網(wǎng)絡(luò )者X.25連接!"。GPRS在現有的GSM網(wǎng)絡(luò )基礎上疊裝成適合于網(wǎng)絡(luò )通信的數GPRS DIRS-232加了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò ),同時(shí)在網(wǎng)絡(luò )上增加硬件設備和據包后,被發(fā)送至GPRS網(wǎng)用戶(hù)設備軟件升級,形成了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò )邏輯實(shí)體,提供端絡(luò ),再通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )進(jìn)人圉1工業(yè)GPRS監控到端的、廣域的無(wú)線(xiàn)IP連接,為構建低成本的無(wú)線(xiàn)Internet上傳輸,最后被指系統構成圉定IP地址的用戶(hù)數據中心Fig.1 Construction of indus-廣域工業(yè)監控網(wǎng)絡(luò )提供了可能。讀取。工業(yè)GPRS監控系tial GPRS sperisoryGPRS數據終端單元(GPRS DTU)無(wú)需后臺計算統的構成如圖1所示。and control system機的支持,充分利用GPRS網(wǎng)絡(luò )的“永遠在線(xiàn),接人速度快,采用數據流量計費方式”(2.3)的特點(diǎn),具有無(wú)2硬件設計可比擬的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢,特別適用于電力系統自動(dòng)化、在本系統中,GPRS DTU采用的硬件芯片主要有收稿日期:2005-09-08;修回日期:2005-11-17ARM芯片S3C44B0X和MOTOROLA的GPRS通信Substation automation object modeling based on IEC 61850XU Ning' ,ZHU Yongli'2, DI Jian2 ,YU Cheng-yang' ,XIE Qing'(1.College of Electrical Engineering, North China Electric Power University ,Baoding 071003 ,China ;2.College of Computer Science and Technology ，North China Electric Power University , Baoding 071003 , China)Abstract: The latest intermational standard IEC 61850 is established for power system seamlesscommunication based on object-oriented technique ，which rules the substation information modeland modeling method and provides many public actual中國煤化工module models.Based on it ,a simple substation information model andThe abstractcommunication service provided by IEC 61850 is andMHCNMHCicemodel forcommunication between control center and substation is built up. The substation configurationperformances are described according to the definition of IEC 61850 configuration language.Key words: IEC 61850; XML(eXtensible Maykup Language); information model; logic device; logicnode; communication service電力自動(dòng)化設備第26卷模塊G20。S3C44BOX是由SAMSUNG公司推出的此設計中采用的是LwIP(Light weight IP),它是16/32位RISC處理器(66MHz),它包括了Thumb代瑞士計算機科學(xué)院Adam Dunkels 等開(kāi)發(fā)的一套用碼壓縮器,1個(gè)片上的ICE斷電調試支持和1個(gè)32于嵌人式系統的開(kāi)放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧18。位的硬件乘法器。本應用中ARM芯片實(shí)現與GPRSLwIP具有以下特性:支持多網(wǎng)絡(luò )接口下的IP轉發(fā),模塊的數據通信(可采用UART通信方式或USB通支持ICMP協(xié)議,包括實(shí)驗性擴展的UDP,阻塞控制、信方式),控制數據信號采集設備的工作,進(jìn)行指往返時(shí)間(RTT)估算、快速恢復、快速轉發(fā)的TCP,提示燈控制等4。G20是全新的嵌人式CSM模塊,采用最先進(jìn)的供專(zhuān)門(mén)的內部回調功能用于提高應用程序性能,可技術(shù)以滿(mǎn)足數據及語(yǔ)音通信市場(chǎng)。G20 的主要特性選擇的BerkeleyAPI 接口等。LwIP可以是單線(xiàn)程運行,即只有1個(gè)tcepip線(xiàn)有:TCP/IP協(xié)議棧.GSM頻段EGSM900/ 1 800MHz,程,負責處理所有的tep連接,各種網(wǎng)絡(luò )程序都通過(guò)GSM850/ 1 900MHz,GPRS時(shí)隙class8,MO/MT SMS、tepip線(xiàn)程與網(wǎng)絡(luò )交互。但LwIP也可以多線(xiàn)程運行,傳真、通過(guò)串口的STK功能、RS-232/USB接口、寬以提高效率和降低編程的復雜度?？梢酝ㄟ^(guò)下面的溫度工作范圍等。G20的硬件結構包括主控制器,函數創(chuàng )建新線(xiàn)程:與GPRS網(wǎng)通信的接收模塊和發(fā)送模塊,存儲器件,電源管理和音頻管理模塊,接口模塊等。G20通過(guò)void sys. _thread. new (void (*thread) (void*arg)，70個(gè)引腳的接口模塊實(shí)現與外部電路的數據交換。void*arg);其中,主要包括:UART通信接口USB通信接口、在μC/OSI中,沒(méi)有線(xiàn)程(Thread)的概念,只有SPI總線(xiàn)接口實(shí)現與SIM卡的數據交換和音頻信號.任務(wù)(Task)。它已經(jīng)提供了創(chuàng )建新任務(wù)的系統API輸人/輸出接口等。調用OSTaskCreate ,因此只要把OSTaskCreate封裝一GPRS DTU的結構圖如圖2所示。下,就可以實(shí)現sys_ _thread_ new。LwIP中的Thread沒(méi)有μC/OSI中優(yōu)先級的概[ FlashSIM卡插槽p念,實(shí)現時(shí)需要由用戶(hù)事先為L(cháng)wIP創(chuàng )建的線(xiàn)程分配好優(yōu)先級。電源管理創(chuàng )建1個(gè)和TCP/IP相關(guān)的新進(jìn)程的部分代碼S3C44B0X] C20 模壩如下:圖2 CPRS DTU的結構圖#define LwIP_ STK_ SIZE 10* 1024Fig.2 Construction of CPRS DTU#define LwIP_ TASK_ _MAX 53軟件設計#define LwIP_ START_ PRI0 5OS_ STK LwIP_ TASK_ STK[LwIP. _TASK_ MAX]GPRS DTU的軟件是由操作系統.TCP/IP協(xié)[LwIP. _STK _SIZE];議、點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議(PPP)等組成。u8_ t cur_ prio. offset; .3.1操作系統部分sys_ thread_ t;操作系統采用μC/OSI ,它是一個(gè)公開(kāi)源代碼sys_ systhread. .new ( void ( *function) (void*arg),的占先式多任務(wù)的微內核RTOS,其特點(diǎn)是:公開(kāi)源void*arg, int prio)代碼,代碼結構清晰、明了,注釋詳盡,組織有條理,3.3 PPP 協(xié)議部分可移植性好,可裁減,可固化，內核屬于搶占式,最多PPP為基于點(diǎn)對點(diǎn)連接的多協(xié)議自尋址數據包可以管理60個(gè)任務(wù)[5]。的傳輸提供了一.種標準方法。PPP 最初設計是為23.2 TCP/ IP協(xié)議部分[ FTP HTTPISMTPSNMP Telnet個(gè)對等結構之間的IP流量和傳輸提供一種封裝協(xié).TCP/IP通信協(xié)議分TCPIP別由傳輸控制通信協(xié)議IF議。在TCP/IP協(xié)議集中,它是--種關(guān)于同步調制連(TCP)及因特網(wǎng)通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序接的數據鏈路層協(xié)議(開(kāi)發(fā)式系統互聯(lián)參考模型OSI(IP)2部分組成(6]。TCP/媒體訪(fǎng)問(wèn)控制模式中的第2層)。PPP 主要創(chuàng )建電話(huà)線(xiàn)路及綜合物理層服務(wù)數字網(wǎng)(ISDN)撥號接人網(wǎng)絡(luò )服務(wù)提供商(ISP)IP模型如圖3所示。工業(yè)控制傳輸領(lǐng)城層采用TCP圖3 TCP/IP模型的連接,具有多種身份驗證方法、數據壓縮和加密及協(xié)議,不用UDP協(xié)議,因Fig.3 TCP/IP model通知IP地址等功能19-10。實(shí)時(shí)監控系統中傳輸量不大,而可靠性要求較高。雪重傳始的粉坦地昭?格式封裝成TCP數TCP協(xié)議為面向對象的通信協(xié)議,其主要目的據中國煤化工域IP數據包,再按照是提供數據的傳輸并確保其傳輸無(wú)誤,具有錯誤偵PPP|YHCNMHG后才能用于傳輸。測、數據復原及數據重新傳送等功能1。TCP在傳DTU要想和Internet建立連接,首先要附著(zhù)在輸數據之前,會(huì )先在主機間(例如服務(wù)器端和客戶(hù)端)GPRS網(wǎng)上,然后發(fā)起分組數據協(xié)議(PDP)上下文激建立通信鏈接,通過(guò)此通信鏈接,數據可在計算機間.活過(guò)程,這樣才能與GPRS支持節點(diǎn)(GGSN)建立一相互傳輸。條邏輯通路,從而和Internet建立連接。萬(wàn)萬(wàn)數據第3期劉教瑜,等:CPRS DTU的設計及研究?3.4 程序流程work in remote data acquisition[J]. Computer Engince-系統上電后,首先硬件初始化,再對操作系統初ring and Design, 2005 ,26(9) :2552-2554.始化,然后進(jìn)行系統文件配置,創(chuàng )建任務(wù),并對網(wǎng)絡(luò )[4]李巖,榮盤(pán)祥.基于S3C44B0X嵌人式uCLinux系統原理(TCP/IP ,PPP)初始化,啟動(dòng)多任務(wù)調度。通過(guò)PPP及應用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.發(fā)送LCP packets 進(jìn)行設定和測試數據鏈路,跟C20[5] LABROSS J J μC/0-I一源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí) 嵌人式模塊鏈接;然后進(jìn)行密碼認證協(xié)議(PAP)認證;通過(guò)操作系統[M].邵貝貝,譯.北京:中國電力出版社.2003.后,PPP發(fā)送NCPpackets選擇和設定1個(gè)網(wǎng)絡(luò )層[6] PETE L. TCP/IP透徹理解[M].劉謙,蘇建平,王軍平,等,運行IP協(xié)議,一旦設定好協(xié)議,GPRS DTU就可以接譯.北京:電子工業(yè)出版社, 2003.人到Internet。DTU向用戶(hù)數據中心的IP地址發(fā)起[7]李勝后，鐘蕾. TCP/IP協(xié)議及其安全性分析[J].信息技術(shù),2005(4):99- 101.連接并請求注冊,就可開(kāi)始和用戶(hù)數據中心交互控LI Sheng-hou,ZHONG Lei. TCP/IP protocol and its safely制指令和數據。analysis[J]. Information Technology ,2005(4):99- 101.4結語(yǔ)[8]夏應清,付曉軍.基于μC/OS-I的嵌人式系統以太網(wǎng)通訊功能的實(shí)現[J].電子產(chǎn)品世界,2005(9):117- 120.研究和設計GPRS DTU的目的是將其應用于XIA Ying-qing, FU Xiao-jun. Implementations of network武漢理工大學(xué)的含油污水遠程監控系統,目前實(shí)驗communication of embedded ethemet based on μC/0S-階段的測試效果證明了此方案的可行性。I[J]. Electronic Engineering & Product World,2005基于CPRS的遠程監控系統相對于傳統的基于(9):117- 120.有線(xiàn)連接或GSM短消息的遠程監控系統具有很多.[9] PAZHYANNUR R S,ALI L,VUKOVIC L N. PPPmux一優(yōu)勢,如:連接時(shí)間短實(shí)時(shí)性強、永遠在線(xiàn)收費合a new protocol for transporting small IP packets [J].理、價(jià)格便宜等,相信GPRSDTU也會(huì )有很好的市Communications ,2001 ,7(8):2472 -2477.場(chǎng)前景。[10] ZAGHLOUL S,FROST V ,MOHAMMAD A J. ModelingTCP long file transfer latency over long delay wireless參考文獻:mutilink PPP [J]. Communications Letters , 2005 ,9(11):988 -990.[1]文志成.通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)一 GPRS[M]. 北京;電子工業(yè)出版社,2004.(責任編輯:汪儀珍)[2]孟曉寧,王永斌,孫建榮.基于GPRS的無(wú)線(xiàn)數據通信及其應用前景[J].現代電子技術(shù),2005(19):31-33.作者簡(jiǎn)介:MENG Xiao-ning, WANG Yong- bin ,SUN Jian-rong. Wire-劉教瑜(1957-),男,湖北武漢人，副教授,主要從事自動(dòng)less data conmunication and applied foreground based化檢測與智能控制方面的研究(E-mail: liujiaoyu@eyou.com);on GPRS[J]. Modern Electronic Technology ,2005(19):吳美玲(1981-),女,湖北武漢人，碩士研究生,研究方向31-33.為計算機控制與信息系統集成(E-mi:womeil@yaho.com.[3]趙亮,黎峰.GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在遠程數據采集中的應用[J].cn);計算機工程與設計,2005 ,26(9) :2552-2554.譚杰(1981-),男 ,湖北武漢人，碩士研究生,研究方向ZHAO Liang,LI Feng. Application of GPRS wireless net-為智能控制理論與應用。Design and research on GPRS DTULIU Jiao-yu, WU Mei-ling,TAN Jie(School of Automation, Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070 , China)Abstract: GPRS(General Packet Radio Service) is a wireless grouping exchanging technology basedon the GSM(Global System for Mobile communication). It provides port-to-port and wide IP connec-tion and has the feature of being on line forever. The DTU(Data Terminal Unit) based on GPRS net-work is introduced. Its hardware and software are bas中國煤化工0X and CPRSmodule G20. After the construction of industrial:DHCNMHGtrol system isgeneralized , the hardware design of GPRS DTU is introduceu. ts sollware CUnsisLs of μC/OS- Ioperating system ,TCP/IP protocol and point-to-point protocol. The data can be transmitted betweenuser equipments and user data centers via GPRS unit.Key words: GPRS; DTU; radio communications; remote control