1、第 1 页 共 40 页 基于 GPRS 的无线温度监测系统设计摘要：随着信息技术和数字技术的发展，特别是对 Internet 和多媒体通信需求的增长，通信技术的发展主要集中在宽带通信网络和无线通信领域。而 GPRS技术又将互联网等宽带数据网络与无线通信网络连接在一起，GPRS 的应用范围很广，可以用于开发互联网、用于移动性管理以及无线监控等方面。本文主要是针对 GPRS 在无线温度监控方面的应用进行研究。本文首先对课题背景和无线温度监控系统的应用现状及发展前景进行了综述，并对 GPRS 技术原理和 C/OS-II 嵌入式操作系统进行了适当的描述和研究，然后从软硬件两个方面构建了系统的整体框架
2、。根据给定的应用方案设计了无线温度监测系统的模型，并对各个环节的软硬件关键技术实现进行了研究。课题的主要工作集中在两个方面：一方面是温度采集、模数转换和 GPRS 无线收发设备的硬件实现，这一部分涉及到传感器的选型、控制器的选型、无线模块选型、串口连接和电路图设计；另一方面是软件设计，主要包括基于 C/OS-II 操作系统的程序设计，通过 GPRS 网络使监控终端和服务器应用程序在 Internet 上建立联接，从而达到通信的目的。关键词：GPRS，无线测温，ARM，C/OS-II 操作系统第 2 页 共 40 页 Design of Wireless Temperature Monitori
3、ng System Based on GPRSABSTRACT ：With the development of Information Technology and Digital Technology in recent years,especially with the growing requirement of Internet and multimedia communication, the development of communication technology mainly concentrated in broadband and wireless communica
4、tion network. The broadband data network such as the Internet is connected with the wireless communication network by GPRS technologies. GPRS is applied for wide range, and can be used for the development of the Internet, Mobility Management and wireless monitoring etc. This paper researches the app
5、lication of GPRS in wireless temperature monitoring system.This article summarized the background of the subject and the application situation and development prospect of wireless temperature monitoring system, and described properly the principle of GPRS technologies and C/OS-II embedded operating
6、system. After that constructed the framework of the system from two aspects of hardware and software.The model of wireless temperature monitoring system will be designed and the key technologies of software and hardware of each link will be studied in my paper according to the given application solu
7、tions. The main topic is on two aspects: one is the hardware realization of temperature gathering, DAC and GPRS wireless transceivers. It involves the selection of sensor , controller, wireless module and serial links and circuit design in this part. On the other hand is a software design,which main
8、ly includes the program design based on C/OS-II operating system and makes monitor terminal connect with the applications in the Internet through GPRS networks so as to achieve the goal of communication.Key words: GPRS, wireless temperature monitor, ARM, C/OS-II operating system第 3 页 共 40 页 1 引言温度（t
9、emperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。它与人们的生产生活密切相关，工农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制占据着极其重要地位。1.1 课题研究背景随着工业的不断发展，对温度的测控精度要求越来越高，测温范围越来越广，因此温度测控技术的研究已成为一个十分重要的研究课题。在工业控制中，对温度的测控是十分重要的。温控过程要严格按照事先设定的温度曲线运行，如果意外掉电使加热终止或控温精度降低，都会导致工业加工的失败。因此以嵌入式系统为控制工具的温控系统具有一定的
10、实际应用价值。随着计算机、通讯技术在工业自动化系统的广泛应用，嵌入式系统的功能也越来越强大。在高新技术的推动下，作为工业主要技术工具的测控仪表正跨入真正的数字化、智能化、网络化时代。由于人们不可能天天守着仪器，有些仪器所处的恶劣环境人是不能去的，比如一些大型冷库，锅炉等，所以无线温度监控系统就应运而生。人们可以通过各种无线通信网络对温度进行远程控制。目前应用于工业的无线通信网络已经多种多样了，本文是基于 GPRS 无线通信模块，以 ARM7-S3C44BOx 为硬件开发平台，设计一个测控系统，以实现对温度的实时监控。1.2 国内外研究现状自 1980 年以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微
11、电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度测控系统发展迅速，尤其是控制方面，在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国家技术领先，都生产出了一批商品化、性能优异的温度控制仪表，在各行业广泛应用。其特点是适应于大惯性、大滞后等复杂温度测控系统，具有参数自整定功能和自学习功能，即温控器对控第 4 页 共 40 页 制对象、控制参数及特性进行自动整定，并根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强等特点。目前，国外温度控制仪表正朝着高精度、智能化、
12、小型化等方向发展。我国在测控仪表研究与生产应用中，总结了很多经验，但从国内生产的温度控制器及测温仪表来说，总体发展水平仍然不高。而无线温度监控系统的发展在国内外均属于初始阶段，主要是用单片机和 P C（个人电脑）终端完成，单片机将采集到的数据经串口发送到 PC 机，PC 机将数据处理后，采用 TCP/IP 协议将数据发到互联网上，实现数据的远程采集。这种方式依赖于 P C 机，不灵活、不稳定、功耗高。比较先进的是基于 GSM（Global System for Mobile communication， “全球通” ）短消息的无线通信系统，但是GSM 网络在实现实时监控时有自身的局限性（下一章
13、将详细介绍） 。1.3 发展趋势基于以上分析，无线温度监控势必会有新的发展。而今GPRS(General Packet Service，通用无线分组业务)的发展越来越成熟，它将克服GSM网络的一系列缺陷，成为目前最先进最实用的无线通信网络。工业上所用到的远程控制系统也将越来越多的选用GPRS网络作为无线通信的基础。1.4 论文研究的主要内容本设计是基于GPRS无线通信技术，以ARM7-S3C44B0X开发板为平台，用C/OS-II嵌入式操作系统，以软硬件结合的形式实现对温度的实时监控。归纳起来，文章的主要工作有：（1）介绍有关GPRS的无线通信的基本原理；（2）构架系统的整体结构；（3）给出系
14、统各个模块的硬件设计，并作相关说明；（4）给出系统的软件设计，并作相关说明。1.5 小结本章首先从温度监控重要性的角度简要的阐述了课题研究的背景；其次介绍了温度监测技术、无线监控技术的发展现状；最后给出了本文研究主要内容的大体框架。第 5 页 共 40 页 2 GPRS 通信技术的基本原理2.1 移动通信技术的发展概况移动通信技术的发展有三个阶段:第一代移动通信是模拟的无线网络，制式采用 FDMA 接入技术，这种技术存在频谱利用率低、保密性差、容量小、与固定电话网的数字化不匹配等缺点，因而不能满足日益增长的移动通信需求。GSM 是 Global System for Mobile commun
15、ication 的缩写，即全球移动通信系统的简称。它是在第一代移动通信系统的基础上发展起来的第二代移动通信系统。GSM 系统克服了第一代移动通信系统难以满足大量用户的需求的缺陷，同时提供了一定的数据业务功能。第二代移动通信系统是数字通信系统，主要还是以语音服务为主，在这一阶段随着移动电话的迅速普及，移动通信网络也得到了快速发展，并直接促使了移动网络上数据业务需求的出现和增长。GSM 系统是一种具有典型的开放式结构的系统，作为面向未来的移动通信系统，真正实现了个人移动性和终端移动性，因此在全球范围内得到了广泛的应用。我国的移动用户至 2003 年底超过 2.68 亿，其中 GSM 用户达到 2.
16、5 亿。第三代移动通信系统是分组型的移动业务，称为 3G。目前我国的 3G 项目正式投入商用的还很少，但以 GPRS 为代表的 2.5G 已经发展得十分成熟。GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务）是在 GSM 网络基础上，充分利用现有 GSM 网络的设备增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，改造的投入小，但数据传送速率可由 9.6K 比特提升至 56K 甚至 114K 比特。GPRS 被认为是第二代移动通信系统向第三代移动通信系统过渡的必经阶段。与 GSM 网络只能提供电路型业务相比较而言，用户用 GPRS业务将具有连接
17、时间短、数据传输速率高、通信费用低等特点。2.2 基于 GSM/GPRS 网络的数据传输方式通信系统的好坏很大程度上决定了测试系统的优劣和应用范围，温度测控系统要借助可靠的通信手段，将远方采集终端所采集的各种信息上传至监控中心，第 6 页 共 40 页 同时将监控中心的控制命令下达到远方采集终端。GSM/GPRS 网络被选为上层通信方案的通信基础。基于 GSM/GPRS 网络的数据传输通常有四种方式：一种是基于短消息的数据传输；第二种是基于 Data 方式（一种以电路交换为基础的传输方式）的数据传输；第三种是通过语音方式进行数据传输；最后就是通过 IP（Internet Protocol）方式
18、的数据传输。下面对四种基于 GSM/GPRS 网络的无线数据传输方式的各自特点作简单介绍。基于短消息的数据传输是通过短消息作为数据传输的载体，利用 AT 指令对通信模块进行控制，然后将数据按照短消息的格式发送给目标机。目标机接收到短消息后，利用 AT 指令将短消息读出并将信息还原，这样就完成了一次数据通信。基于短消息的数据传输方式的特点是资费较低（0.1 元/条） ，组网使用方便，但实时性较差，数据容量较低（小于 140 字节） 。短消息数据传输方式适合小数据量，中低采集频率的无线采集系统使用。基于 Data 方式的数据传输是利用 GSM 的 Data（与传真同）传输方式，通过AT 指令来进行
19、数据拨号，等待数据连接建立后，只需将 ASCII 码数据送入通信模块即可。通信模块会按照设定好的通信协议将数据传出，目标机接到数据呼叫后，送出应答信号，然后便可按照相同的协议接收 ASCII 码信息。基于 Data 的数据传输方式数据传输安全、实时性好、数据传输量大，但成本较高，适合于可靠、少次、海量数据传输。通过语音方式进行数据传输，主要是利用话音通道将数据调制到话音频率传输出去，目标机将数据解调出来。该方式的主要优点是可以用来传输音频模拟数据，实时性很好（电路交换方式） ，但由于 GSM 系统的语音编码方式的局限，对数据的压缩还原会造成数据的失真。本设计不予使用。基于 IP 的数据传输方式
20、是 GPRS 系统独有的，因为 GPRS 是在 GSM 网络基础之上新增两个节点（SGSN 和 GGSN）而形成的移动分组数据网络。由于 GPRS 数据传输的基础是 TCP/IP 协议，因此基于 IP 的数据传输方式核心的内容是 TCP/IP 协议的转换。基于 IP 的数据传输方式的优点是数据传输的成本比较低，实时性较好，但缺点是 GPRS 终端开发成本高，使用复杂度较高，因为涉及复杂的组网方案。鉴于以上四种数据传输方式，本系统将采用第四种 GPRS 特有的 IP 数据传输方式，把 GPRS 作为上层通信信道进行无线数据传输。同时 GPRS 又具有实时在线第 7 页 共 40 页 特性，系统无
21、时延，能实时地对温度数据进行传输。数据传输终端的通信模块也将相应的选择 GPRS 模块。2.3 GPRS 的主要特点GPRS 技术以分组交换技术为基础，支持 IP/X2.5(一种基于包的协议，主要在欧洲地区广泛应用)数据网络协议，可以保证计算机和移动用户的持续连接。每个用户可同时占用多个无线信道，而同一无线信道又可以由多个用户共享。用户只有在进行数据传输时才占有系统资源，没有数据传输时，该用户原先占用的系统资源就会动态地分配给其他的多个用户。GPRS 在无线通信中的使用满足了人们对数据业务的日益增长的需求。因此，在很短的时间内，就出现了各种各样的 GPRS 技术的增值业务诸如移动多媒体、远程监
22、控、电子购物等等。具体讲，GPRS 技术具有以下特点：（l）支持中、高速率数据传输。可提供 9.05-171.2kbit/s 的数据传输速率。（2）永远在线。即用户随时与网络保持联系。当没有数据传送时，网络与户之间保持一种逻辑上的连接，用户再次传输数据不需要重新接入网络。GPRS 能在0.5-ls 之内恢复数据的重新传输。（3）GPRS 采用封包（Packet）式传输，可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级（QOS）的计费功能，计费方式更加合理，用户使用更加方便。（5）GPRS 采用分组交换技术的传输模式，多个用户可高效率地共享同一个信道，从而提高了资源的利用率，优化了对网络资源和无线资
23、源的利用。（6）GPRS 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。GPRS 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和 IP 网、互联网互通；支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用，如远程信息处理；GPRS 也允许短消息业务（SMS）经 GPRS 无线信道传输。（7）定义了新的 GPRS 无线信道，且分配方式十分灵活:每个 TDMA 帧可分配1 到 8 个无线接口时隙。时隙能为活动用户所共享，且上行链路和下行链路的分配是独立的。（8）GPRS 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据的传输。它支持四种不同的 QOS 级别。第 8 页 共 40 页 （9）G
24、PRS 的安全功能同现有的 GSM 安全功能一样。身份认证和加密功能由SGSN 来执行，不过 GPRS 使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的。2.4 小结本章主要对 GPRS 无线通信的基本原理作了具体阐述。先介绍了移动通信技术的发展，有对比着 GSM 对 GPRS 的特点、优点做了详尽的介绍，最后分析了 GPRS的四种通信组织，对比了它们的优劣，并选出了合适的组织方式。第 9 页 共 40 页 3 系统总体方案设计3.1 系统总体构架系统可以分为三个层次，如图 3.1 所示。 （1）最底层为温度信息获取、处理与发射系统，即温度监控系统终端。这一层负责从现场采集温度信息，对获取的数据进行
25、加工处理，通过 GPRS 模块将数据发送出去，或是接受控制端发来的数据，以执行各种命令。 （2）第二层为信息在网络间传递(移动通信网 GPRS 与 Intenet)，利用移动通信网的大范围覆盖性与传输可靠性，实现控制温度数据的传输。 （3）第三层为信息接收与反馈(监控中心)，监控中心接收到温度信息后发出控制命令，进行实时反馈，从而完成系统的监控。GPRS 网络与 数据获取 Internet 网络 GPRS 模块 监控中心（第一层） （第二层） （第三层） 图 3.1 系统层次示意图 3.2 系统硬件平台方案在构建系统的硬件平台时不但要严格按照系统要求的功能来考虑，还要做到在完成所需任务的前提下
26、尽量使系统体积最小化，这样有利于节省生产成本，也便于安装使用。系统要完成的任务主要包括:温度信号采集；温度信息处理；GPRS 数据传输等。所以系统硬件平台必须包括以下元件设备：温度传感器；AD 转换器；微控制器；GPRS 发送模块及相应的线路及接口。本系统采用载有 ARM7-S3C44B0x 控制器的核心板及外接串行接口来搭建硬件平台。这款控制器功能强，功耗小，器件多，其开发板上集成有现成的温度传感器，A/D 转换器，串口等各种接口，非常适合本系统的应用，更多特点将在下一章“控制器选型”具体介绍。第 10 页 共 40 页 基于以上叙述，可得到系统的硬件框图，如图 3.2 所示。温度传感器温控
27、设备微控制器 GPRS 模块 Internet 监控中心图 3.2 系统结构框图 3.3 系统软件平台方案传统的单片机控制程序的执行遵循线性方式，执行完一个任务后下一个任务才能执行。这对于简单系统或是实时性要求不高的场合是可以的，但对于实时性要求较高，或是任务繁多的系统，处理起来就显得力不从心。这时就需要在控制芯片上移植嵌入式操作系统来调度协调任务。本系统将为硬件平台移植嵌入式实时操作系统 uC/OS-II,并基于该操作系统进行应用软件程序的开发。在进行应用程序设计的时候必须要有相应的开发环境软件，本文选用的是ADS1.2（ARM Developer Suite 1.2 版本） 。ADS 是
28、ARM 公司的集成开发环境软件，他的功能非常强大。他的前身是SDT，SDT 是 ARM 公司几年前的开发环境软件，目前 SDT 早已经不再升级。ADS 包括了四个模块分别是：SIMULATOR；C 编译器；实时调试器；应用函数库。 ADS 的编译器较 SDT 都有了非常大的改观， ADS1.2 提供完整的 WINDOWS 界面开发环境。C 编译器效率极高，支持 C 以及 C+，使工程师可以很方便的使用 C 语言进行开发。提供软件模拟仿真功能，使没有 Emulators 的学习者也能够熟悉ARM 的指令系统。配合 FFT-ICE 使用，ADS1.2 提供强大的实时调试跟踪功能,片内运行情况尽在掌
29、握。ADS1.2 需要硬件支持才能发挥强大功能。在 ADS1.2 环境软件里编译好程序后，还得有相应的调试工具，ADS1.2 软件自带有一个 AXD 调试器,程序将被此软件通过 JTAG 接口下载到开发板进行调试。JTAG 调试，是通过 ARM 芯片的 JTAG 边界扫描口进行调试的设备。 JTAG 仿真连接比较方便，通过现有的 JTAG 边界扫描口与 ARM CPU 核通信，属于完全非插入式 ( 即不使用片上资源 ) 调试，它无需目标存储器，不占用目标系统的任何端口，而这些是驻留监控软件所必需的。另外，由于 JTAG 调试的目标程序是在目标板上执行，仿真更接近于目标硬件，因此，许多接口问题，如高频操作限制，
