1、山东省科技发展计划项目可行性研究报告济南市历下区科技发展计划项目可行性研究报告项目名称：UNIWAY嵌入式无线通信网关协同设计及应用领 域：电子信息起止时间：2006年1月1日-2007年12月31日山 东 省 科 学 技 术 厅填报日期：2006年5月25日一、立项的背景和意义1 、技术来源本项目属于电子信息领域，为国家、山东省“十一五”科技指南重点支持领域中嵌入式系统技术、通用型应用平台部分。本项目采用产学研合作方式进行技术攻关研究与开发，拥有自主知识产权。我国的信息化建设是由各行业、各部门、各单位自发搞起来的，在建设初期缺乏整体规划，过去投入大量资金建立起的系统，由于系统平台不同、应用结
2、构和实现方式不同、格式不兼容，导致数据资源无法共享，跨部门的业务处理难以实现，使很多系统实际上成为“信息孤岛”。例如，电力系统中的监测和控制，民航数据通信处理、环境监测数据采集和控制，气象信息采集与分析，地震设备监测与报警，水利设施运行状态监测和控制，高速公路/智能信号交通联合控制等，都呈现跨区域、分布式、大范围，多种通信接入、接口众多，标准繁杂等特点，且新旧设备并存的现象非常普遍。由于信息技术更新换代快，如何利用遗留系统及其数据资源，实现与现有系统的衔接也成为一大问题。上个世纪90年代，现在网络技术有无线、有线通信多种方式。无线通信技术的发展速度与应用领域已经超过了固定通信技术，呈现出如火如
3、荼的发展态势。由于目前主要的无线数据通信网络是CDMA网和GPRS网，而这两个网络互相独立，不宜互相传输数据，给用户造成了很大的不便。而对于数据接收方来说，必须同时拥有这两个网络的数据接收设备，也给用户造成了资金浪费。而且传统的有线PSTN电话网络、DDN网络的各种设备需要有效集成，基于互联网的数据传输，集成TCP/IP和UDP协议等也需要集成。同时还有大量分布式数字量、I/O量、模拟量需要采集和处理。但目前经检索查新，目前没一个方便实用的数据通信产品解决这些问题。造成一方面由于资源无法共享导致系统重复建设、重复投资,另一方面造成信息环境混乱、数据不一致等问题，浪费大量的人力物力。上述问题已经
4、严重影响了当前信息化的继续深入，使信息化的成效大打折扣。特别是随着信息化的发展，所有系统将实现网络互联互通、应用有机集成和数据充分共享。因此，无论是解决信息孤岛问题，还是继续深入推进信息化应用，都要求研制出一种能够实现各种通信方式的互通的中间件产品，即新一代通信网关。目前，电力、民航、环保、地震等行业的信息部门都提出了明确的需求，UNIWAY嵌入式无线通信网关协同设计及应用项目能够连接不同网络的软件和硬件，可以将使用不同的格式、通信协议或结构的两个或多个系统连接起来。该系统利用嵌入式网关作为无线网络到TCP/IP网络无线网络之间的协议转换关口。可广泛用于电力系统中的监测和联合控制，环境监测数据
5、采集和控制，气象信息采集汇总和分析，地震设备监测和报警，水利设施运行状态监测和控制，高速公路/智能信号交通联合控制等领域，且可应用于工业智能型网络的组建。具有十分广阔的应用前景。2、研发形式UNIWAY嵌入式无线通信网关协同设计及应用的开发，采取产、学、研合作的方式与与山东大学、北京航天航空大学为技术依托联合方式进行。公司与山东大学信息科学与工程学院、山东大学现代通信技术研究所、山东大学信息与通信系统实现重点实验室、北京航空航天大学民航数据通信与新航行系统部级重点实验室校企联合，形成了独有的技术整体性、产业互补性，以适应当前产品研究的多学科、跨领域、快速性的要求，保证产品技术上保持领先。因此该
6、项目的技术创新，产品开发方面具有较大的优势。3、对国家及我市经济和社会发展的意义作用。目前，我们在民航总局、国家和山东省地震局、国家和山东省环保局、山东省交警/交通/高速公路、山东电力、胜利油田等部门已经进行了大量的调研和论证分析。认为UNIWAY嵌入式无线通信网关协同设计及应用项目实现有无线、互联网多种通信方式的联接，可以将使用不同的格式、通信协议或结构的系统互联，充分实现数据有机集成和信息充分共享。可以有效解决数据传输的共性问题。真正做到：(1) 在不同行业、不同应用系统之间架起了数据通信的桥梁通过通信网关实现资源共享，可有效解决过去信息化过程中形成的信息孤岛问题。该系统提供了多种通信接口
7、，兼容多种通信协议，因此很容易实现各系统之间的互联互通。通信网络为各种应用提供了基础性的平台，为构建综合网络系统提供保障。(2) 真正实现跨区域的分布式数据事务处理，数据交换网络的核心平台目前信息化常局限在某一部门，系统之间很难实现协作业务，该系统为跨部门跨组织的事务处理平台，本项目可以真正实现一站式数据信息服务。(3) 实现大量、异构数据的实时同步更新处理本项目为建立数据中心提供了保障，数据处理在智能控制领域起着非常重要的作用，采用数据软交换技术，也是下一代数据通信软硬件系统的核心。总之，本项目在电力系统中的监测和控制，民航数据通信处理、环境监测数据采集和控制，气象信息采集与分析，地震设备监
8、测与报警，水利设施运行状态监测和控制，高速公路/智能信号交通联合控制多个领域将起到重要的作用，实时保障各种数据的传输畅通、高效率运行。研制UNIWAY嵌入式无线通信网关协同设计及应用数据通信网关的意义在于：(1) 数据通信网关在两个不同的应用系统之间架起了桥梁，可以实现数据资源的充分共享，通过数据网关可有效解决过去信息化过程中形成的信息孤岛问题。(2) 数据网关是当前信息化继续深入应用，实现跨部门跨组织的事务处理的有力平台。一方面，会形成数亿元的市场空间，带来几千万的直接经济效益。另一方面，由于解决了一次仪表数据的实时传输，对气象、环境、地震方面有效进行监控和预警，对航空、交通、电力、油田的可
9、靠运行有明显的社会效益。二、国内外现状和发展趋势1、国内外基本情况及发展趋势目前我国通信技术水平刚起步，缺乏兼有数据采集功能和远程控制的网关设备。下一代网络是一种开放的网络体系架构，在该网络之上可以同时提供数据和多媒体业务。以软交换为核心、下一代网络将是一种融合的网络，不仅能够实现传统的电信网络、计算机网络的融合，也将实现固定和移动网络的融合。现行的各种设备和网络将作为边缘网络并通过网关技术进行接入，从而实现数据和信息的融合。网关设备是网络通信之间通讯的桥梁，在数据之间提供通路，并且将不同的通信协议进行协议转换。网关设备一般分为三类。（1）协议网关：协议网关在使用不同协议的网络区域间进行协议转
10、换。转换过程可以发生在OSI参考模型的第2层、第3层或2, 3层之间。（2）应用网关：应用网关在使用不同数据格式间进行数据转换。典型的应用网关接收一种格式的输入，将之转换后以新的格式发送。（3）其他网关：包括很多种类型，例如用于网络安全的安全网关等。但上述网关设备功能普遍局限在两种网络之间的互联上，没有提供更多的网络联接和访问接口。UNIWAY嵌入式无线通信网关协同设计及应用采用嵌入式网关技术实现新一代集群稀疏分布式网关应用。既消除了各种移动设备对接入网络的麻烦，也适应了各种通信设备终端连线网络的需求。网关平台采用高效的进程组织结构提高网关吞吐率，采用层次化，模块化设计思想和柔性机制提高网关灵
11、活性。网关与数据传输系统之间采用无线通信方式传输数据，避免了总线式测试系统需要布线等缺点。数据通信网关是基于统一标准开发的数据传输的中间件，用于实现跨平台、跨组织的异构系统之间的数据接收、数据处理、和数据转换、数据传输等功能。UNIWAY嵌入式无线通信网关协同设计及应用采用的嵌入式技术与发展状况：嵌入式系统可以说是专用的微型计算机系统。通常嵌入式处系统包含一个微处理器和相应的操作系统。纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段:（1）无操作系统阶段；（2）简单操作系统阶段；（3）实时操作系统阶段（系统操作系统的实时性得到了很大改善，己经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化
12、和扩展性。此时的嵌入式操作系统己经具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面(GUI)等功能，并提供了大量的应用程序接口(API)，从而使得应用软件的开发变得更加简单。实时采集控制是我们要研究的问题）(4)面向Internet阶段（Everything ov IP是我们通信网关要研究的问题。）典型的嵌入式操作系统与uCOS、Linux、WinCE、VxWorks等，各自有不同特点。我们设计网络和通信应用主要考虑实时性、可靠性、开放性，选择以嵌入式Linux和VxWorks为主的操作系统。（1）嵌入式Linux操作系统具有开放性的特点，支持多用户、多任务模式，具有良好的用户界面，
13、更重要的是，完善的内置网络使Linux在网络功能方面优于其他操作系统。（2）VxWorks 是美国 Wind River System 公司推出的一个实时操作系统。WRS是一个专门从事实时操作系统开发与生产的软件公司，该公司在实时操作系统领域被世界公认为是最具有领导作用的公司。VxWorks 是一个运行在目标机上的高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美国的 F-16、FA-18 战斗机、B-2 隐形轰炸机和爱国者导弹上，1997年4月在火星表面
14、登陆的火星探路者上也使用了VxWorks。2、申请承担单位目前研发应用情况公司为山东省高新技术企业，自成立以来，相继推出了多项符合时代需求，市场容量充分，前景广阔的行业应用方案和产品，具有自主知识产权。承担过多项省部级和地市级科研和技术攻关课题，开发过多种软、硬件产品，其中包括嵌入式通信终端（实际应用）、GPS通信终端（实际应用）、嵌入式EOS终端（通过市科技局成果鉴定）、分布式工作流平台（山东省科技进步二等奖获奖项目），而且在市场方面取得很好的业绩。获得山东省科技进步二等奖1项、三等奖1项、山东省计算机优秀成果二等奖1项，济南市科技进步三等奖2项、济南市历下区科技进步一等奖等多项奖励。项目合
15、作单位山东大学信息科学与工程学院集教学、科研、科技成果转化于一体，以人才培养和学科建设为中心，积极开展对外交流与合作，服务地方经济建设。学院拥有各种大型精密仪器价值约1100万元，目前承担各种研究课题30余项，每年在国内外重要学术期刊及IEEE所属重要国际会议上发表论文200余篇，每年获得各种奖励几十余项。学院下设电子工程系、通信工程系、光学工程系，并有现代通信技术研究所、电子自动化研究所、计算机与网络技术研究所、微波技术研究所、信号处理与计算机视觉研究所、图像处理与模式识别技术研究所、红外遥感技术研究所、信息光学研究所、光通讯技术研究所、光电技术研究所。另外还设有ASIC设计与通信系统仿真研
16、究中心、实验中心、微波通信研究所、孟尧微电子研发中心、山东省激光工程应用中心等教学和科研机构。有光学工程（省重点学科）、通信与信息系统、信号与信息处理（省重点学科）无线电物理博士学位授权点。UNIWAY嵌入式无线通信网关协同设计及应用项目已经有一定的工作基础。本项目开发成员由具有丰富通信和网络应用开发的人员担任，前期实现了民航、环保、地震、电力、交通等多个网络和数据通信实验性的硬件和软件系统，为本项目的开展和实施创造了良好的环境和条件。三、现有研究基础、特色和优势1、 现阶段已达到的主要技术指标和经济指标UNIWAY嵌入式无线通信网关协同设计及应用项目分为系统设计、软/硬件研制、现场中试、定型
17、设计、项目验收阶段。目前处于系统设计研制阶段。所设计的单元，包括基于GPRS的无线数据传输、CDMA的无线数据传输、TCP/IP与232/485转换等，能够实现工业现场的可靠数据传输。我们已经掌握了嵌入式技术及其应用开发。尚未完成全部网关产品的研制，也没有形成销售。2、 项目创新点及在人才、资源和产业方面的特色优势项目创新点(1) 首次提出通用稀疏分布式集群网关的概念，能够根据数据量的大小，同时快速接收和处理多网络接入的不同行业、不同应用的数据。采用分布式的网络基础结构、协议规范实现数据发送接收处理服务平台，应用层次可以堆叠、组合，形成网关集群应用。(2) 创新地采用协同设计，“平台”概念贯穿
18、产品设计及开发理念，统一平台保障产品高可靠性，较现有的方式先进、方便。提供功能强大的软硬件结构，整个集群网关由软、硬件根据所处理的职责不同，高效、协同工作。硬件设计成嵌入式ARM7/ARM9通用核心单元，形成通用硬件平台，易于扩展。系统支持嵌入式应用和软件集成二次开发，多种不同应用灵活定制。(3) 创新地结合最先进无线通信技术/网络通信技术于一体的集成网关。网关不但具有无线网络功能，且可以接入以太网，兼容并自适应各种网络设备的通信，实现Everything over IP的功能。系统支持并行多任务处理功能。(4) 创新地实现异构数据的转换和集成技术，对已有的系统和设备，实现各种异构数据的转换，
19、使之能够有效实现系统集成。多种扩展接口与统一传输协议相结合。数据集中与分布结合、数据与应用分离，保护数据的独立性。(5) 提出端到中心智能平台（M2C）为各种行业客户提供了一种集数据采集、传输和处理的整套解决方案，中心网关软件支持LINUX和WINDOWS的跨平台应用。接入网络的设备经过统一数据处理，形成数据中心，对数据进行联合分析，且可判断网格上所有设备状态，发出控制指令，达到联合控制目的。支持远程升级。支持大容量终端运行。(6) 应用RCP可靠通信协议，基于无线IP的传输协议，保证数据包在恶劣环境中实现可靠的、安全的、无差错的传输，不会发生由于无线通信网络的可靠性差而导致的有效数据丢失、出
20、错等问题。采用流量控制措施来保证数据流量与实际网络相匹配。可配置的心跳机制和独有的RCP通信软件，保证其数据传输的可靠性并保证终端无线在线。数据安全措施：双向数据加密、动态密匙及反攻击机制。人才优势公司员工绝大多数具有本科以上学历，其中30%以上具有高级职称或博士、硕士学位。中层以上的管理人员多具有硕士以上学历，平均年龄32岁。公司现有员工30人，其中博士2人，硕士7人，本科8人；专业包括电子工程、通讯工程、计算机软件、计算机硬件、工商管理、行政管理、会计学等。员工平均年龄27岁，其中管理人员9人，技术人员21人。本项目聚集了一批与时俱进，具有敏锐眼光、富有时代热忱的行业需求研究人员和多年从事
21、信息技术研究的团队力量。本项目有教授1人，副教授/高级工程师2人，博士3人，硕士6人参加。项目负责人，副教授，硕士研究生导师（博士学位在读），曾获得山东省科技进步二等奖3项，山东省计算机优秀成果二等奖1项，山东省教育厅科技进步一等奖1项。项目组主要成员（第2位），教授，曾获得2005国家科技进步一等奖（首位）1项，国家科技进步二等奖（第二位）1项，部级科技进步一等奖3项。项目组主要成员（第3位），博士在读，山东省科技进步二等奖1项。资源优势承担单位和协作单位在无线与移动通信、微波通信、信道编码与纠错抗干扰、通信信号处理及其实现(DSP、FPGA、ASIC)、通信网络及应用、音视频多媒体与数字电
22、视、智能交通信息、导航定位与地理信息系统方面进行了多年的项目开发和研究。本项目依托的实验室有三个,分别是：山东大学信息与通信系统实验实验室（985校级）重点实验室，设备价值600万元；电子设计自动化实验室，设备价值2000万元；民航数据通信与新航行系统部级重点实验室，设备价值2000万元。上述条件保证项目的顺利进行。项目组织条件和情况已落实，软件和硬件的平台、图纸、技术资料的来源已确定。四、应用或产业化前景、市场需求1、结合发展趋势和基础优势说明，主要应用领域及对相关产业的带动作用及国内外市场需求。国内各行业对信息采集和信息共享的需求越来越大。同时大部分国内企业和通信商还没有采用嵌入式通信网关
23、，国内现有的通信网络无法很好地适应国内产业需求。无线通信网关的应用也包括了广阔的领域，如通信、控制等。对行业的促进最直接的表现是提高工作效率、减少工作人员。而且本项目可以应用于多个产业，可以根据自己行业的需要自由选择组合方式，更能完成多项功能。具体应用领域有以下几个主要方面：电力系统中的监测和联合控制：在电力系统中，可以监控个供电设备的运行情况，及时将故障报告给监控中心，监控中心汇总数据，进行联网调度和控制。民航、公共交通联合控制：民航、公共交通越来越无法承载广大群众出行的要求。只能通过优化调度，才能够充分发挥现有道路的优势。采用该网关，可以将大量的交通数据汇总在一起，统一调度。环境监测数据采
24、集和控制：环境监测历来都是环保系统的一项重要任务，但是采用传统的环境监测方式需要花费大量的人力和物力，延误了环境保护的时间和降低了环境保护的力度。采用该网关设备，可以组成一个大型的监测网络，及时地发现环境污染问题。气象信息汇总和分析：气象信息也可以通过该网关集中汇总数据信息，从而更加精确的预测天气。地震监测和报警：该网关和地震监测传感器一起，形成地震监测网络，为地震的预测提供及时数据，进一步保证广大人民的生命和财产安全。水利设施运行状态监测和控制：水利设施利用该网关可以实现联合调度，为大范围的区域调水提供硬件上的保障。用于电力、石油等各种工业采集、控制系统：该网关还普遍应用于各种工业控制系统。
25、在工业控制当中，网关可以为联合控制提供数据基础和控制渠道。提高控制系统及其数据网络的安全性、可靠性、实时性。总之，能形成数亿元的目标市场。本系统可以应用在国内各种行业、各种规模的信息系统建设项目之中，有极强的普遍应用性和系统移植性，能拉动各个信息产业的建设。2、具体说明已有和有待开发的市场情况。该网关设备可以应用在国内各种行业、各种规模的数据采集和无线通信系统的建设项目之中。目前明确的市场有电力/石油系统中的监测和控制，民航数据通信处理、环境监测数据采集和控制，气象信息采集与分析，地震设备监测与报警，高速公路/智能信号交通联合控制等，且山东省电力、胜利油田、民航总局、山东省地震局、山东省环保局
26、、山东省交通厅等应用单位都有明确的产品需求，按山东省内每个行业500台计算，仅上述行业估算就有4000台以上的需求量进一步在上述行业全国推广，全国将有10-20万台的市场空间。在自来水、热力、煤气、市政等其他应用领域，将继续形成数亿元的更大的应用市场。五、研究内容与预期目标总体目标该系统性价比高。该项目具有自主知识产权，项目水平达到国内领先。通过本项目的实施, 企业资产规模达到450万元，从业生产人员将达到40-50人，该项目实施将新增就业人员15-25人。1) 经济目标项目完成后，年销售收入200万元,利税40万元，净利润30万元。2) 技术、质量指标项目计划完成时，技术指标和性能将达到国内
27、领先水平。1) 以通用稀疏分布式集群网关模型实现不同数据量的大小的分布式的堆叠、组合，形成网关集群应用。2) 嵌入式ARM7/ARM9通用核心单元，形成通用硬件平台。3) 网关具有无线网络、以太网接口，兼容并自适应各种网络设备。4) 无线模式采用CDMA/GPRS模块，接收灵敏度-104dBm，最大发射功率23dBm。5) 实现多路（8-16）串口、多路（8-16）模拟口、多路（8-16）IO口数据的采集，最高采样频率可达330KHz。通信速率以太网控制器10M/100M自适应；GPRS/CDMA专用串口(300-115200BPS)。LCD液晶显示。6) 端到中心智能平台（M2C），中心网关
28、软件支持LINUX和WINDOWS的跨平台应用。系统支持65535台无线终端。网络终端没有限制。7) 应用RCP可靠通信协议。采用流量控制措施来保证数据流量与实际网络相匹配。8) 网关平均无故障运行大于10000小时。质量指标按照ISO9000生产过程管理要求进行质量控制, 符合国家相关部门电子产品质量检测要求。形成1-2项国家专利和1项软件著作权。六、研究方案、技术路线1、 技术方案技术路线由于使用环境的特殊性, 必须设计成工业级产品，作为系统核心的处理器必须体积小、集成度高、功耗低、处理能力强、操作简单便捷。在性能指标上, 由于必须负担网络的高效、准确传输等具有较高实时性要求的任务, 因此
29、核心计算机必须具备足够的运算能力，其外形尺寸和功耗也要受到严格限制。我们选择嵌入式系统技术作为突破口，并形成嵌入式通用/高级应用的通用平台。作为普及计算的支撑技术，嵌入式实时系统正逐步应用到越来越多的领域。在UNIWAY嵌入式无线通信网关协同设计及应用系统中采用了嵌入式系统设计方案，采用移植适合网络应用和实时应用的LINUX和VxWorks操作系统基础上进行软件开发的方式。本系统可实现多路数据的采集，并可通过有线或无线的方式接入网络，实现信息的传送。系统包括：（1）ARM核心板：为了提高系统的兼容性，我们拟将最基本的嵌入式ARM最小系统单独抽象成一块核心板，并通过通用接口与功能扩展板相连接，以
30、此来实现外围电路的复合利用。（2）功能扩展板：提供对各种外设的端口支持（如UART/NET/USB/LCD CONTROL/IIC/IIS 等），并通过通用接口与核心板相连。例如UART选用16554工业级芯片。（3）采集控制模块：通过系统扩展板上提供的GPIO接口，采集外部信息并将其送至主控芯片，或者接受主控芯片的命令，对该模块下的设备进行有效的控制。（4）数传模块：负责数据的收发，其中又分为有线和无线两种。有线的方式，是通过扩展板上提供的网络接口，利用网络协议来进行的。而无线的方式是通过串口外接一个无线数传单元（GPRS/CDMA单元），由无线链路来实现信息收发。（5）指示模块：包含LED
31、指示灯和LCD液晶显示屏，指示系统所处的状态和当前的运行情况，使整个系统的操作接口更具人性化。（6）电源模块：系统的供电模块，为CPU和I/O口提供3.3V和2.5V两种电压以满足系统的需要。（7）融合上述系统的网络通信平台软件。 核心板具体设计：核心板主要包含ARM芯片和RAM以及FLASH。（1）ARM9 S3C2410板级设计：S3C2410 是三星公司的32位RISC嵌入式处理器，能满足嵌入式系统中的低成本低功耗高性能小体积的要求。为了尽可能减少系统的整体成本，S3C2410包括了以下组件：16KB的指令和数据CACHE，处理虚拟存储器管理的MMU，支持STN和TFT的LCD控制器，N
32、AND FLASH的系统引导器，SDRAM控制器，触摸屏接口，USB接口，PLL时钟产生器等等。S3C2410是利用ARM的ARM920T内核，采用0.18 微米标准CMOS技术制造的。它的小巧低功耗全静态设计特别适合于价格和功耗敏感的系统设计。（2）ARM7 S3C44B0X板级设计：S3C44B0X是SAMSUNG公司推出的一款性价比很高的基于RISC架构的16/32位微处理器。S3C44B0X的杰出特性是它的CPU核，是由ARM 公司设计的16/32位ARM7TDMI RISC处理器。如前所述，ARM7TDMI体系结构的特点是它集成了Thumb代码压缩器，片上的ICE断点调试支持，和一个32位的硬件乘法器。S3C44B0X采用了新的三星ARM CPU嵌入式微处理器总线结构SAMBA II，主频达到66MHZ。S3C44B0X提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而最小化系统的成本。扩展电路板具体设计：扩展板主要包括10M/100M以太网接口，GPRS/CDMA模块，串行接口电路，I2C接口
