一、引言 隨著計算機和網絡技術的發展，基于TCP/IP協議的有線以太網為工業監控網絡帶來了一個新的時代，這是因為基于TCP/IP協議的有線以太網相對于以往的工業控制網絡有更高的通信帶寬，能滿足不斷增長的數據通信的需要。然而對于作業點分散、環境惡劣、遠程監控為特點的工業現場，特別是存在突發、小數據量傳輸的場合，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在工業控制領域的發展。 GPRS（General Packet Radio System）的出現，為構建低成本的無線工業監控網絡提供了可能， GPRS是架構在傳統的GSM網絡之上的一種標準化的分組交換數據業務，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，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、大的覆蓋區域等特點，在遠程突發性數據傳輸中，相對于有線網絡有不可比擬的優越性。另外，采用大功率、電信專線、衛星通信等方式構建的監控網絡，組網成本很高，特別對大范圍、分散的遠程監控系統基本上是不可行的。采用GPRS構建的工業遠程監控系統，其構建成本（粗略估計）僅為有線網絡的十分之一，而且運行成本亦很低。正是由于這些優點，基于GPRS構建的監控系統正在成為當今的熱點領域之一。 二、GPRS監控系統的構建 作為監控系統關鍵部分的GPRS DTU（Data Transmission Unit）的設計顯得尤為重要，因為系統的穩定性和可靠性要由GPRS DTU來實現。目前國內外很多公司開發的基于GPRS的監控系統，其GPRS DTU只實現了TCP/IP協議，所有的通信聯絡都由監控主機來實現，這種模式在有線網絡上是可行的，但是在無線網絡上就不合適了，因為無線網絡上有太多的異常，而這些異常應該劃分到底層協議中去。 通過對目前開發的產品及GPRS網絡的傳輸特性進行分析研究，我們提出了一個比較實用的、易于實現的基于GPRS的監控系統（如圖1）。該系統由GPRS DTU、GPRS AS（Access Server）、監控主機、數據備份服務器、新浪郵件服務器（Mail Server）組成，監控主機與GPRS AS通過1OM/100M的以太網互連，一直不停的交流各自的負荷信息和各種動態表。GPRS AS是整個監控系統的通信聯絡中心，負責設備群的遠程接入（本文主要論述GPRS DTU的實現，GPRS AS的實現暫不論述）。 下面詳細介紹GPRS DTU的硬件及其軟件的具體實現。 三、GPRS DTU的硬件實現 在本系統中，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模塊的初始化和數據收發功能；同時擴展 MMX232標準串口與微控制單元MCU（Micro - Control Unit）進行數據交換。 S3CA510B是由Samsung公司生產的基于以太網應用系統的高性價比16/32位RISC微控制器，內含一個由ARM公司設計的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用場合，如：工業控制、移動電話、嵌入式應用等。 MC35是西門子公司生產的GPRS無線通信模塊，雙頻EGSM900和GSMl800（GSM Phase2+），支持聲音、數據、SMS（短消息）、FAX（傳真）；進行GPRS數據傳輸時，工作電流只有360mA，空閑時電流為15mA；數據上傳速度達到21.4Kbps，下載速度更是高達85.6Kbps；用戶可通過AT指令與MC35進行命令與數據的交互，MC35是通過 RS232雙向串行通道與用戶連接的。MC35的主要優點是永久在線連接、快速的數據存儲及更快的數據傳輸速度。 系統ROM選用一片16Mbit的HY29LVl60來構建16位的Flash存儲芯片，其存儲容量為2MB，對于我們的系統此容量已經足夠；Flash存儲器在系統中用于存放程序的代碼，系統上電或復位后從此獲取指令并開始執行，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。 系統采用32位的SDRAM存儲器系統，即采用兩片HY57V641620來構建32位的RAM存儲系統，其單片容量為8MB。這能充分發揮32位 CPU的數據處理能力，滿足嵌入式操作系統及各種相對較復雜的算法的運行要求。 四、GPRS DTU的軟件實現 GPRS DTU的軟件實現由操作系統、TCP/IP協議、PPP協議以及一些應用軟件等組成。 （一）應用軟件部分 這部分通常跟MCU（微控制單元）聯系緊密，主要是控制MCU進行數據采集，或者是控制 MCU進行相關操作。 （二）操作系統部分 操作系統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，結構簡單。且可移植性非常好，已經成功移植到了ARM芯片上，而且在移植過程中，只需修改跟操作系統相關的部分即可。 （三）TCP/IP協議部分 GPRS核心網絡基于IP技術，因此，基于 GPRS的監控系統的DTU需要利用TCP/IP協議來完成GPRS業務數據的裝幀和拆幀，以及保證數據在網絡中的安全可靠傳輸。 本設計中TCP/IP協議采用的是瑞士計算機科學院的Adam Dunkels等開發的一套用于嵌入式系統的源代碼開放的TCP/IP協議棧1wip。1wip支持多網絡接口下的IP轉發、支持ICMP協議、支持PPP協議、支持DHCP協議、動態分配IP地址等特點。 lwip中所有的TCP/IP協議都在一個進程（對uC/OSⅡ來說，進程即系統任務）當中，這樣 TCP/IP協議棧就和內核分開了，不再限定于特定的操作系統內核，這便于協議棧在不同操作系統間的移植。之所以把所有TCP/IP協議都放在一個進程內，也是為了減少任務切換的次數（若把協議的每一層作為一個單獨的進程，當接收一個tcp segment時，要進行多次任務切換），任務切換是很浪費時間的。 下面是創建一個和TCP/IP相關的新進程的代碼示例： #define LWIP-STK-SIZE 10＊1024 //和tcp/ip相關任務的堆棧大小 #define LWIP-TASK-MAX 5 //和tcp/ip相關任務最多數目 #define LWIP-START-PRIO 5 //和tcp/ip相關任務的起始優先級 OS-STK LWIP-TASK-STK[LWIP-TASK-MAX] [LWIP-STK-SIZE]；//和tcp/ip相關堆棧區 0 u8-t curr-prio-offset： sys-thread-t；sys-systhread-new（void（＊function）（void＊arg），void＊arg，int prio） ｛//略 ｝ （四）PPP協議部分 業務數據按照TCP或UDP的格式封裝成 TCP數據包或者UDP數據包，然后加上IP報頭和報尾封裝成IP數據報。由于處理器與無線通信模塊的通信遵循PPP（Point to Point Protoc01）協議，因而需要將IP數據報按照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協議包含三個組成部分： 1．壓縮多協議自尋址數據包的方法。 2．用于建立、設定和測試數據鏈路連接的LCP（Link Control Protoc01）。 3．一族用于建立、設定不同網絡層協議的 NCP（Network Control Protoc01）。 此外，還要涉及具體的PAP（Password Authen- tication Protocol，密碼認證協議）和IPCP（Internet Protocol Control Protocol，Internet協議控制協議）等。 DTU要跟外部網絡建立連接，首先要附著在 GPRS網上，然后發起PDP（Packet Data Protocol，分組數據協議）上下文激活過程。只有通過此過程，DTU才能與GGSN（Gateway GPRS Support Node，網關GPRS支持點）建立一條邏輯通路，才能跟外部網絡建立連接，從而使數據以IP報的形式進行傳送。分組協議上下文激活過程如下： （1）系統發送AT指令給無線通信模塊要求建立連接，在指令中包含系統想要連接的APN（Access Point Name，訪問點名稱）； （2）系統發送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）系統開始進行PAP認證，認證通過后，無線通信模塊將對系統給以回應，表明承認其身份，并且會將用戶ID和密碼儲存下來； （4）系統通過發送NCP—IPCP配置請求信息給無線模塊，幀內IP地址為空，表明請求動態分配IP地址； （5）無線模塊向SGSN發送激活PDP上下文的請求信息；GPRS網絡經過認證后動態分配一個IP地址；SGSN向無線模塊發送激活PDP上下文接受消息； （6）無線模塊發送NCP—IPCP配置回應幀給系統，回應幀中包含了被動態分配的IP地址。 至此，PDP上下文激活過程全部完成，DTU與外部數據網之間的數據通道建立起來了。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，再對操作系統初始化，然后進行系統文件配置，創建任務，并對網絡（TCP/IP，PPP）進行初始化，啟動多任務調度；通過PPP發送LCP packets進行設定和測試數據鏈路，跟MC35模塊進行鏈接；然后，進行PAP認證；通過后，PPP發送NCP packets選擇和設定一個或更多的網絡層協議，一旦協議都被設定好了，GPRS DTU就可以發送數據了。 DTU創建的一個任務發送短消息給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的監控系統也就構建起來了。 五、結束語 本文提出了一個比較實用的基于GPRS的監控系統，在此基礎上對其DTU的軟、硬件實現給出了一個完整的解決方案。隨著GPRS網絡的進一步完善，系統的優越性就得到更好的體現，這將使得其能夠在如電力部門的電力系統遠程監控、無人職守電站、電力抄表，水利水電部門的水文資料收集、河流監測、遠程環境監控、工業控制部門的野外作業點的數據采集、遙控機器人，通信部門的遠端無人職守機房監控和遠程維護等等領域得到廣泛的應用。