GPRS DTU的设计及研究

第26卷第3期电力自动化设备Vol.26 No.32006年3月Electrice Power Automation EquipmentMar.2006 89GPRSDTU的设计及研究刘教瑜,吴美玲,谭杰(武汉理工大学自动化学院 ,湖北武汉430070)摘要:通用无线分组业务(GPRS)是一种基于全球移动通信系统(GSM)的无线分组交换技术,提供端到端的、广域的无线IP连接,具有永远在线等特点。介绍了基于GPRS网络的数据终端单元(DTU)。该单元是由以ARM芯片S3C44B0X和GPRS模块G20为核心的硬件和软件组成。在概括工业GPRS监控系统构成的基础上,介绍了GPRS DTU硬件设计,GPRS DTU软件是由μC/OSI操作系统TCP/IP协议、点对点协议组成。该单元使用户通过GPRS网络实现用户设备和用户数据中心之间的数据传输。关键词:通用无线分组业务;数据终端单元;无线通信;远程监控中图分类号: X 84;TN 914文献标识码: A文章编号: 1006- 6047(2006)03 -0089-03工业监控、环境监测、交通管理等行业的远程传输数0引言据应用。通用无线分组业务GPRS(General Packet Radio1工业GPRS监控系统的构成Service)是第2代移动通信技术全球移动通信系统(GSM)迈向第3代(3G)的过渡技术,是由英国BT用户设备通过RS-用户数据中心 .Cellnet公司早在1993 年提出的,是CSM Phase2+232和GPRS DTU相连,将[nternet(1997年)规范实现的内容之一,是一一种基于CSM的数据传人DTU。进入DTU移动分组数据业务,面向用户提供移动分组的IP或后的数据被GPRS模块封GPRS网络者X.25连接!"。GPRS在现有的GSM网络基础上叠装成适合于网络通信的数GPRS DIRS-232加了一个新的网络,同时在网络上增加硬件设备和据包后,被发送至GPRS网用户设备软件升级,形成了一个新的网络逻辑实体,提供端络,再通过GPRS网络进人圉1工业GPRS监控到端的、广域的无线IP连接,为构建低成本的无线Internet上传输,最后被指系统构成圉定IP地址的用户数据中心Fig.1 Construction of indus-广域工业监控网络提供了可能。读取。工业GPRS监控系tial GPRS sperisoryGPRS数据终端单元(GPRS DTU)无需后台计算统的构成如图1所示。and control system机的支持,充分利用GPRS网络的“永远在线,接人速度快,采用数据流量计费方式”(2.3)的特点,具有无2硬件设计可比拟的性价比优势,特别适用于电力系统自动化、在本系统中,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中国煤化工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电力自动化设备第26卷模块G20。S3C44BOX是由SAMSUNG公司推出的此设计中采用的是LwIP(Light weight IP),它是16/32位RISC处理器(66MHz),它包括了Thumb代瑞士计算机科学院Adam Dunkels 等开发的一套用码压缩器,1个片上的ICE断电调试支持和1个32于嵌人式系统的开放源代码的TCP/IP协议栈18。位的硬件乘法器。本应用中ARM芯片实现与GPRSLwIP具有以下特性:支持多网络接口下的IP转发,模块的数据通信(可采用UART通信方式或USB通支持ICMP协议,包括实验性扩展的UDP,阻塞控制、信方式),控制数据信号采集设备的工作,进行指往返时间(RTT)估算、快速恢复、快速转发的TCP,提示灯控制等4。G20是全新的嵌人式CSM模块,采用最先进的供专门的内部回调功能用于提高应用程序性能,可技术以满足数据及语音通信市场。G20 的主要特性选择的BerkeleyAPI 接口等。LwIP可以是单线程运行,即只有1个tcepip线有:TCP/IP协议栈.GSM频段EGSM900/ 1 800MHz,程,负责处理所有的tep连接,各种网络程序都通过GSM850/ 1 900MHz,GPRS时隙class8,MO/MT SMS、tepip线程与网络交互。但LwIP也可以多线程运行,传真、通过串口的STK功能、RS-232/USB接口、宽以提高效率和降低编程的复杂度。可以通过下面的温度工作范围等。G20的硬件结构包括主控制器,函数创建新线程:与GPRS网通信的接收模块和发送模块,存储器件,电源管理和音频管理模块,接口模块等。G20通过void sys. _thread. new (void (*thread) (void*arg)，70个引脚的接口模块实现与外部电路的数据交换。void*arg);其中,主要包括:UART通信接口USB通信接口、在μC/OSI中,没有线程(Thread)的概念,只有SPI总线接口实现与SIM卡的数据交换和音频信号.任务(Task)。它已经提供了创建新任务的系统API输人/输出接口等。调用OSTaskCreate ,因此只要把OSTaskCreate封装一GPRS DTU的结构图如图2所示。下,就可以实现sys_ _thread_ new。LwIP中的Thread没有μC/OSI中优先级的概[ FlashSIM卡插槽p念,实现时需要由用户事先为LwIP创建的线程分配好优先级。电源管理创建1个和TCP/IP相关的新进程的部分代码S3C44B0X] C20 模坝如下:图2 CPRS DTU的结构图#define LwIP_ STK_ SIZE 10* 1024Fig.2 Construction of CPRS DTU#define LwIP_ TASK_ _MAX 53软件设计#define LwIP_ START_ PRI0 5OS_ STK LwIP_ TASK_ STK[LwIP. _TASK_ MAX]GPRS DTU的软件是由操作系统.TCP/IP协[LwIP. _STK _SIZE];议、点对点协议(PPP)等组成。u8_ t cur_ prio. offset; .3.1操作系统部分sys_ thread_ t;操作系统采用μC/OSI ,它是一个公开源代码sys_ systhread. .new ( void ( *function) (void*arg),的占先式多任务的微内核RTOS,其特点是:公开源void*arg, int prio)代码,代码结构清晰、明了,注释详尽,组织有条理,3.3 PPP 协议部分可移植性好,可裁减,可固化，内核属于抢占式,最多PPP为基于点对点连接的多协议自寻址数据包可以管理60个任务[5]。的传输提供了一.种标准方法。PPP 最初设计是为23.2 TCP/ IP协议部分[ FTP HTTPISMTPSNMP Telnet个对等结构之间的IP流量和传输提供一种封装协.TCP/IP通信协议分TCPIP别由传输控制通信协议IF议。在TCP/IP协议集中,它是--种关于同步调制连(TCP)及因特网通信协议网络驱动程序接的数据链路层协议(开发式系统互联参考模型OSI(IP)2部分组成(6]。TCP/媒体访问控制模式中的第2层)。PPP 主要创建电话线路及综合物理层服务数字网(ISDN)拨号接人网络服务提供商(ISP)IP模型如图3所示。工业控制传输领城层采用TCP图3 TCP/IP模型的连接,具有多种身份验证方法、数据压缩和加密及协议,不用UDP协议,因Fig.3 TCP/IP model通知IP地址等功能19-10。实时监控系统中传输量不大,而可靠性要求较高。雪重传始的粉坦地昭?格式封装成TCP数TCP协议为面向对象的通信协议,其主要目的据中国煤化工域IP数据包,再按照是提供数据的传输并确保其传输无误,具有错误侦PPP|YHCNMHG后才能用于传输。测、数据复原及数据重新传送等功能1。TCP在传DTU要想和Internet建立连接,首先要附着在输数据之前,会先在主机间(例如服务器端和客户端)GPRS网上,然后发起分组数据协议(PDP)上下文激建立通信链接,通过此通信链接,数据可在计算机间.活过程,这样才能与GPRS支持节点(GGSN)建立一相互传输。条逻辑通路,从而和Internet建立连接。万万数据第3期刘教瑜,等:CPRS DTU的设计及研究❾3.4 程序流程work in remote data acquisition[J]. Computer Engince-系统上电后,首先硬件初始化,再对操作系统初ring and Design, 2005 ,26(9) :2552-2554.始化,然后进行系统文件配置,创建任务,并对网络[4]李岩,荣盘祥.基于S3C44B0X嵌人式uCLinux系统原理(TCP/IP ,PPP)初始化,启动多任务调度。通过PPP及应用[M].北京:清华大学出版社,2005.发送LCP packets 进行设定和测试数据链路,跟C20[5] LABROSS J J μC/0-I一源码公开的实时 嵌人式模块链接;然后进行密码认证协议(PAP)认证;通过操作系统[M].邵贝贝,译.北京:中国电力出版社.2003.后,PPP发送NCPpackets选择和设定1个网络层[6] PETE L. TCP/IP透彻理解[M].刘谦,苏建平,王军平,等,运行IP协议,一旦设定好协议,GPRS DTU就可以接译.北京:电子工业出版社, 2003.人到Internet。DTU向用户数据中心的IP地址发起[7]李胜后，钟蕾. TCP/IP协议及其安全性分析[J].信息技术,2005(4):99- 101.连接并请求注册,就可开始和用户数据中心交互控LI Sheng-hou,ZHONG Lei. TCP/IP protocol and its safely制指令和数据。analysis[J]. Information Technology ,2005(4):99- 101.4结语[8]夏应清,付晓军.基于μC/OS-I的嵌人式系统以太网通讯功能的实现[J].电子产品世界,2005(9):117- 120.研究和设计GPRS DTU的目的是将其应用于XIA Ying-qing, FU Xiao-jun. Implementations of network武汉理工大学的含油污水远程监控系统,目前实验communication of embedded ethemet based on μC/0S-阶段的测试效果证明了此方案的可行性。I[J]. Electronic Engineering & Product World,2005基于CPRS的远程监控系统相对于传统的基于(9):117- 120.有线连接或GSM短消息的远程监控系统具有很多.[9] PAZHYANNUR R S,ALI L,VUKOVIC L N. PPPmux一优势,如:连接时间短实时性强、永远在线收费合a new protocol for transporting small IP packets [J].理、价格便宜等,相信GPRSDTU也会有很好的市Communications ,2001 ,7(8):2472 -2477.场前景。[10] ZAGHLOUL S,FROST V ,MOHAMMAD A J. ModelingTCP long file transfer latency over long delay wireless参考文献:mutilink PPP [J]. Communications Letters , 2005 ,9(11):988 -990.[1]文志成.通用分组无线业务一 GPRS[M]. 北京;电子工业出版社,2004.(责任编辑:汪仪珍)[2]孟晓宁,王永斌,孙建荣.基于GPRS的无线数据通信及其应用前景[J].现代电子技术,2005(19):31-33.作者简介:MENG Xiao-ning, WANG Yong- bin ,SUN Jian-rong. Wire-刘教瑜(1957-),男,湖北武汉人，副教授,主要从事自动less data conmunication and applied foreground based化检测与智能控制方面的研究(E-mail: liujiaoyu@eyou.com);on GPRS[J]. Modern Electronic Technology ,2005(19):吴美玲(1981-),女,湖北武汉人，硕士研究生,研究方向31-33.为计算机控制与信息系统集成(E-mi:womeil@yaho.com.[3]赵亮,黎峰.GPRS无线网络在远程数据采集中的应用[J].cn);计算机工程与设计,2005 ,26(9) :2552-2554.谭杰(1981-),男 ,湖北武汉人，硕士研究生,研究方向ZHAO Liang,LI Feng. Application of GPRS wireless net-为智能控制理论与应用。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中国煤化工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