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基于嵌入式系统的实时GPRS监控系统
摘要
对于数据监控，GPRS技术是最好的选择，其总是实时连接到从地面到几千多英尺的高空任何移动的媒介或者个体。鉴于GPRS网络的固有特性，设计一个具有CPU和片上系统的客户端电路，来处理点对点协议（PPP）和传输控制协议（TCP/IP）。本文提出一种由客户端进行GPRS连接，并发送GPS和其他数据给服务器端的设计。GIS被应用于跟踪客户端。讨论了系统的体系结构和设计概念。对电路设计和实际测试进行了验证。数据传输延长估计在0.75秒，而监测期可以控制在5到120S之间。该系统通过地面车辆到超轻型飞机在台湾大部分1000英尺以上地区已测试。
关键词：数据监控；GPRS系统，嵌入式系统，uCLinux
1.简介
移动通信技术已经从第一代发展（1G）到第三代（3G），从模拟发展到数字技术，从语音发展到宽带数据传输。虽然手机已经很生活化和流行化，但其其他服务仍存在潜在的价值去研究。移动通信可以很好地被定义为在任何有基站覆盖的地方任何移动的个体都可以发送接收和发送信息。数据监测和实时控制的应用都在不断增长，无论是GSM，还是GPRS。大多数的发达国家和发展中国家，都在各种技术支持下建立了移动服务的基础设施。
在GSM系统里，数据传输可以通过微控制器控制完成。展示了一个通过PPP协议控制的8051传输GPS数据和其他数据给指定终端机的客户端电路。利用GPS提供的实时定位数据，监控中心可以采用GSM来定位移动终端并在电子地图上显示。数据报告和监测为只能交通系统提供一种可行的方案。
在监控系统应用中，所有的客户端都应该实时在线。在实时在线监控系统方案中，最关心的问题是GSM的基于连接时间的资费问题。这些客户端会花费大量的资费。当GPRS系统被应用时，研发出了GPRS的解决方案。GPRS的资费是基于传输流量的。
开发GPRS技术有很多的有点，GPRS在实时在线监控系统中比GSM有更合算的资费计费方式。GSM的语音服务也可以加到GPRS中，此外，GPRS技术采用分组交换技术，多个用户可以共享网络资源的同时使用TCP/IP协议连接Internet网络。
2.技术背景
２.１GPRS网路结构
GPRS网络是通过在ＧＳＭ的基础上增加一个GSN（GPRS支持节点）建立的，GSN提供包含IP网络和X.25的GSM网络的包交换和路由管理功能。有GGSN和SGSN节点。在实际的系统中，语音通信的工作，还是停留在原来的GSM网络结构中，新加入的GSN处理GPRS系统中连接到互联网的功能，在GSN中，SGSN是升级到GPRS网络的主要成分。通过无线网络，SGSN与任何GPRS用户的管理区域内的进行数据包的交换，它们是由SGSN管理的。GGSN也主要采用GPRS蜂窝网络。GGSN作为外部IP分组网络的接口，访问外部ISP功能，如路由器和RADIUS服务器。
GPRS连接互联网可以比GSM网络提供更高的带宽。它在TCP参考模型的IP层网络的工作原理如下。但是也有一些与传统的接入互联网的方式不同，比如私有IP地址。GPRS采用 的传输数据包的方法和网络地址转换NAT一样，如图1所示。NAT是一个互联网标准，相当于一个介于私有网络和互联网直接的路由器，在互联网，使用公共IP地址，在内部网络，使用私有IP地址。GGSN提供了NAT和DHCP服务，当GPRS用户向一个接入点拨“*99#”时，GGSN会分配一个私有IP给用户，并负责传输GPRS客户端和互联网服务器之间的数据。
在本监控系统中，客户端在GPRS私网中使用TCP/IP协议，服务器和GGSN之间使用的通信协议也是TCP/IP。
2.2 TCP/IP网络
TCP/IP协议是开发来让电脑分享网络资源的一整套协议，在数据监控系统中，TCP/IP协议提供了服务器和客户机之间的可靠连接，而GPRS网络向客户机和服务器提供了没有空间限制的无线网络环境 。TCP/IP模型，定义了一个四层的通信模型，分别是网络接口层，网络层，传输层和应用层。
图2说明了本文所采用的系统协议，在网络接口层，客户端采用GPRS网络，服务器端采用以太网建立网络连接，客户端和服务器端都使用IP作为网络层协议，TCP作为传输层协议，应用层，客户端程序和服务器端程序来处理他们之间的通信。
传输控制协议TCP是两个设备进行可靠的，面向连接的数据传输服务必要的标准协议。两个设备在进行数据传输之前，必须先进行建立连接。设备通过TCP需要进行三次握手建立可靠连接，这确保数据被正确的传送到服务器，IP协议有助于确定目标设备在通信网络中的位置。但是，IP既不是可靠连接，也不能处理网络设备之间的寻址和路由数据交换。TCP是更高层的协议处理数据包的接收和发送。
通过TCP/IP协议连接服务器，客户端硬件需要一个操作系统启动拨号连接过程。在早期的设计中，我们使用了安装微软WIN98的个人电脑来处理GPRS连接，为了满足TCP连接的要求，有OS的CPU被采纳去开发一种合适的硬件。具有嵌入式操作系统的ARM CPU适合进行开发这样一种硬件。
2.3 嵌入式系统
嵌入式系统中，常用的系统有如下几个，VxWorks，Palm OS，Windows CE，Linux。其中，Linux因以下这些特点成为系统设计的最佳选择：a,免费开源代码，b,简单灵活的模块化设计，c,促进内核可靠性的知识，d,强大的网络能力，e,适合移植到其他系统。
在该客户机系统中，ARM Linux用于核心系统，ARM Linux是把ARM处理器作为核心及并制定uCLinux为运行核心。UCLinux是专门为没有内存管理单元（MMU）的微控制器设计的一种嵌入式Linux操作系统。UCLinux是Linux2内核操作系统的一个延伸，做了一些简化但保证了Linux系统的稳定性。UCLinux最重要的特征就是它对内存的需求只需要不超过900KB。Internet网络的发展支撑是巨大的并且易于访问。为了与基于ARM Linux设计的硬件客户端操作系统一致，设计的主机应该安装Linux PC操作系统来开发应用软件。开发程序是：第一步，开发你的程序；第二步，写一个文件；第三步，建立二进制代码；第四步，下载可执行文件，第五步，执行程序。
主机系统通过RS232连接到客户端的硬件单元进行下载和执行程序，设置波特率为19200bps,8位数据格式，1位停止位，无奇偶校验位。设置完成，重启客户端硬件电路，启动程序下载。
3.G3监控系统框架
如图3所示，G3监控系统全球定位系统（GPS），通用分组无线服务（GPRS）、互联网和地理信息系统（GIS）组成，用来对运动的车辆进行实时监控。客户端通过GPRS网络传送监控数据到互联网，数据通过过TCP/IP协议发送给服务器。
设计包括：
客户端：
a,一个建立数据传输和转换的嵌入式软硬件系统。
B,一个基于TCP/IP建立GPRS连接的实时监控功能的软件
C, 更新GPS数据，存储和发送正确的格式
D, 读和发送所需的逻辑，模拟和数字数据，
E,用看门狗监控整体操作，防止反电子欺骗，错误和失去连接。
服务器：
A,通过互联网实时接收所有客户端的数据
B,控制监控数据间隔在5-120秒之间
C,在GIS定位和跟踪所有客户端
D,单独和每个客户端进行通信
E,建立服务器操作的数据库管理软件
完成G3监控系统，有两个主要工作要完成，第一：使用嵌入式系统技术建立客户端的软硬件来实现所需的功能；第二：建立具有强大的数据库管理和分析能力的基于PC机的服务器。
3.1 G3的客户端系统
为了满足前面提出的G3客户机系统的要求，设计了一种嵌入式系统，实现了数据传输功能。该G3客户机硬件系统如图5所示，其中嵌入式内核调试用来访问数据的输入和输出。监控系统中，GPS数据和其他数据经过逻辑和数字化，通过GPRS模块发送。客户系统的硬件电路规格如下：
三星电子公司的S3C4510B处理器，运行速度达50MHZ;
2MB闪存（1Mtimes;16bit）；
16MB的SDRAM（2*4M*16位）
2个RS232串口
2个可编程输出的LED
1个GPRS / GSM信号的LED
20脚信号输入端口，
1个程序下载开关
RS232端口一个COM1用为GPS定位数据模块，另一端口COM2用于将数据发送到通信系统的GPRS模块。
3.2 UCLinux嵌入式系统
G3客户端系统建立的操作系统软件和应用软件系统，如图7所示，操作系统本身是一个ARM Linux基础设施下的UCLinux系统，包含Bootloader和Linux程序。
Bootloader就像PC机的BIOS，用来初始化硬件和外设，并控制UCLinux系统的启动。
UCLinux是用来分配系统资源和组合所有程序的操作系统。应用系统软件的开发用到以下：PPPD，chat,socket,talkphone
PPPD用于点对点协议的设计，完成拨号和连接，处理数据包。“聊天”是一个程序，用于命令拨号和连接后发送用户ID与PIN，协助PPPD完成拨号连接。“Socket”控制数据端口，用于收集输入数据和GPS数据，打开与服务器的通信信道，然后传输所有数据给服务器IP。“talkphone”进行语音信号检测和恢复数据传输后固定的时间（1分钟）或服务器到客户端之间的语音终端。
由于GPRS不能操作的语音和数据的同时，应用程序的“talkphone”是用来暂停数据传输之前，服务器可以发送语音呼叫的客户。由于所提出的应用程序都集中在监视数据传输，只有服务器可以调用客户端的时间有限，1分钟，这缩减了通信费用。
3.3 G3服务器系统
在提出的G3的监控系统，服务器采用个人电脑上安装微软Windows 2000服务器和微软SQL Server 2000。VB软件和MapX电子地图数据库封装在一起，用于处理GIS数据和跟踪监测。服务器系统将接收的来自网络的所有客户端数据，并把他们所有的数据显示到电子地图上。建立数据库是为了保证数据的永久存储和进一步分析。
3.4 数据格式和数据库设计
当客户端连接时，可以根据预定的时间间隔和数据格式发送到预定的地址。在应用中，我们需要从客户端中获取GPS的定位数据，逻辑和数字数据。从客户端系统的数据格式将出现像：
SGPRS-KGT$GPRMC,082908,A,ZZ59.6952,12013.3S50,E,37,309,0S0103,05,2.4,14bA60 FFF
详细的数据格式描述如下：
ID = GPRSKGT,
Longitude = 12@ 13.3550/60= 120.2225833 degrees,
Latitude =22 59.6952/60 =22.99492 degrees,
Speed = 37*1.852 = 68.524 km/h,
Course =309 degree,
Altitude = 14m,
UTC=082908 time,
Receiving Satellites = 05,
In3 = 62@exadecimai) gt; 98(decimal),
In2=A6@exadecimal) gt; 166(decimal),
In1=OF(hexadecimal) gt; I5(decimal),,
InO=FF@exadecimal) gt; 255(decimal), = 8bit digital input of 1111 1111,
Time = local time to write data, hhmmss.
Date = local date to write data, ddmmyy.
数据报告是从20引脚输入端口读：4对0或者1的逻辑电平输入，2对模拟输入，和一组8位数字输入。我们只选择必要的数据读取和发送，真正的数据是根据GPS状况的140-150字节的数据。
4 实施和验证
G3系统由两部分实现，第一部分是完成客户端系统的硬件设计和制作，同时，第二部分致力于开发一个服务器系统在个人电脑上。对线路板电路进行了试验阶段，包括网络拓扑结构和软件验证拨号和传输的可靠性。硬件电路采用表面贴装技术（SMT）设计的微型整体印刷电路板（PCB），并提高其产品质量。在系统设计中以前提出的概念，也对基本测试进行了验证。
接下来是关键参数的测试。数据周期是基于监视系统要求的，在我们的验证中，数据的周期是从3到120秒，对于5秒以下的周期，客户数据可能在基站切换时出现堵塞，当超过90秒时，移动系统可能关闭GPRS连接。在拥塞情况下，客户端硬件系统将数据保留到下一个可用时隙，并发送出去。客户端硬件系统看门狗功能将激活重新拨号，恢复GPRS的连接过程。在航空监视应用中，与雷达相类比，数据周期应为5秒，在地面车辆监控应用中，数据周期可能会从30秒到120秒不等，以避免巨大的数据处理或互联网拥塞。
4.1转换时间测试
由于GPRS要连接到互联网来传输数据，进行数据传输测试，以检测数据包的延迟。图为3660个样品的数据包传输时间测试。在测试中，客户端系统将数据发送到互联网，并通过计算机读取服务器，我们记录发送和接收的时间差。平均传输时延统计约750毫秒，如图11所示。
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