毕业论文采用嵌入式移动网络的远程控制系统.doc
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毕业设计说明书(论文)
采用嵌入式移动网络的远程控制系统
序言
进入二一十一世纪以来,计算机网络、通信技术、自动化技术、遥感技术、传感器技术以及大规模集成电路无不飞速发展,而其中最为引人瞩目的当是无线通信技术及无线通信网络飞速普及和应用。
现今,无论国外还是国内通用的、覆盖广泛的无线网络已基本建设完成,例如中国移动的GSM网可实现全国及全球漫游,使手机等无线终端设备得以快速普及,可以说世界已经进入无线时代。
而无线通信不仅仅可以传输话音信号,从本质讲,它是数据通信技术与移动通信技术结合的产物,数据通信才是无线传输的核心内容。
近年来,移动通信的数据业务获得了迅猛发展,其年增长率远远高于电话业务,广阔的市场前景使得各大通信制造业巨头们纷纷投入到移动数据业务的竞争之中。
作为数字蜂窝系统的典范,GSM系统已在全球获得了巨大的成功,其广阔的覆盖范围和良好的漫游性、安全性,再加上各种基于GSM的数据传输技术的不断发展,使得在GSM上进行数据通信成为在3G(第三代移动通信的简称)到来之前最好的一种手段。
随着GSM无线通信技术的不断发展和成熟,可用于实现快速、准确、独立、经济的远程监控、读取、控制远方的调控测量仪器,例如无人值守加油站、家用电力用表、水表、煤气表等,正在被越来越广泛应用到各种新的系统,具有非常广阔的应用前景。
本课题是借助公共移动通信网络进行远程控制和数据传输,比使用专门无线电波段及设备、或者架设专线进行远程控制和数据传输,都有非常大的优势。
本课题把GSM模块作为信息传递的载体,使其与单片机和PC机结合起来构成的应用系统有着强大的生命力和广阔的应用空间,特别是在远程数据传输、远程监控领域更是受到人们的关注。
并且具有造价低、可靠性高、不受地域限制、实现方便快捷、运行费用低廉等特点。
我借助于本地手机和远端设备的GSM模块、利用移动通信公司的服务,通过本地手机对远端设备发送指令进行控制、数据采集。
远端设备是以单片机为核心,单片机对GSM模块和被控设备进行控制,并在上位机显示接收到的号码等数据。
本课题研究主要包括以下几方面的内容:
1.GSM网络的基本结构、SMS短消息协议和传输过程的简单介绍。
2.基于GSM网络数据传输系统设计方案。
主要包括数据发送终端系统结构设计和原理和GSMMODEM的设计。
3.数据传输系统的上下位机GSM通信接口部分,实现对被控对象实行监控。
第1章概述
1.1概述
我的课题主要由监控中心计算机、GSM(全球移动通信系统)模块、远端单片机控制板等部分构成。
该系统应用了计算机软件编程技术、硬件接口技术、移动通信网络数据传输技术等。
系统借助于控制中心和远端设备的GSM模块、利用移动通信公司的服务,通过本地手机对远端设备发送短信指令进行控制。
远端设备是以单片机为核心,单片机对GSM模块和被控设备进行控制,并在监控中心计算机上显示接收的数据。
该系统是借助于公共移动通信网络进行远程控制和数据传输,比使用专门无线电波段及设备、或者架设专线进行远程控制和数据传输,都有非常大的优势,具有造价低、可靠性高、不受地域限制、实现方便快捷、运行费用低等特点。
1.2硬件设计
硬件设计其核心是西门子公司的TC35模块,该模块功能强大,能够进行语音传输、数据传输等,并且获得有我们国家的通信入网证。
硬件主要由单片机、RS232、TC35模块、SIM卡、接口电路、天线、被控对象等组成。
其电路框图如下图1-1所示。
TC35
单片机
上位机
SIM
卡
本
地
手
机
被控
对象
图1-1
1.3软件设计
软件编程实现主要是以下几个方面:
(1)主程序开始要对模块进行初始化,并且设置异步串口通信方式,设置波特率9600bps,无校验位,8个数据位。
(2)通过串行口发送相应的AT指令进行操作。
(3)对PDU数据包的解码以及通过串行口发送到上位机。
1.4主要技术指标
该设计可以远程控制灯的亮灭以及电机的开启和停止,GSM相关的AT命令,GSM模块的使用。
计算机以及单片机串口通信技术等。
1.5应用
我的课题具有很广泛的应用。
可以应用于工业控制、数据采集系统;电信基站自动测量监控系统;高速公路收费系统、铁路系统;降雨量远程监测系统、地下水远程监测系统;电力系统数据采集与控制系统、变电站数据远程测控系统;各类量度表远程自动抄表系统;河道水位自动监测系统;油井在线生产数据采集与控制系统;家庭所有设备的控制等,应用领域极其广泛。
因此该项目有非常好的推广应用前景,并且能够产生极好的经效益。
第2章GSM系统的设计
2.1GSM系统提供的业务
GSM是以加入窄带综合数字业务网(ISDN),向其用户提供ISDN业务为目标的,它所支持的业务主要有三大类:
1.基本电信业务:
包括电话、短消息、紧急呼叫、传真、话音信箱、智能用户电报等,可以与PSTN(公共电话网),ISDN等互通。
2.数据传输业务:
包括300b/s和1200b/s异频双工数据传输,1200b/s,2400b/s,4800b/s,9600b/s同步双工数据传输,以及它们的分组式传输等,并与PSTN,ISDN和PDS(综合布线系统,PremisesDistributedSystem)等互通。
3.补充业务:
包括3方通话、会议电话、呼叫转移等。
2.2SIM卡
2.2.1SIM卡的功能
用户识别模块(SubscriberIdentityModule)是一种带微处理器的封装在塑料中的智能IC卡,它是GSM系统中不可缺少的一个重要部分,是用户进入GSM网络的登记凭证。
在SIM卡中,包含有用户识别信息,辅助业务信息、短消息、移动性信息和无线电资源信息等。
在GSM系统中,通过对SIM卡的物理接口、逻辑接口的明确定义,来完成与移动终端的连接和信息交换,同时在SIM卡内进行用户信息存储、执行鉴权算法和产生加密密钥等工作。
只有插入SIM卡,移动终端才能接入网络。
它由CPU(8位)、程序存储器(3-8bit)、工作存储器(6-16bit)、数据存储器(128-256kbit)和串行通信单元五部分组成。
SIM卡分为3V和5V两种。
手机最初使用的是5V的SIM卡;1998年后陆续使用3V的SIM卡;5V的SIM卡容量小且功耗大,容量一般在3K左右,能存储30个电话号码,3V的SIM卡容量大且省电,容量为8K,能存储100个电话号码及其对应的姓名文字,15组短消息等。
SIM卡正面图上有20值数码。
前面6位(898600)是中国的代号;第7位是业务接入号,在135,136,137,138,139中分别为5,6,7,8,9;第8位是SIM卡的功能位,一般为0,现在的预付费SIM卡为1;第9,10位是各省的编码;第11,12位是年号;第13位是供应商代码;第14~19位则是用户识别码;第20位是校验位。
SIM卡正面图如图2-1。
图2-1
2.2.2SIM卡的存储内容
SIM卡是GSM的用户资料卡,它存储着用户的个人电话资料和保密算法、密钥等,下面就SIM卡中所存储的主要内容加以说明:
1.国际移动用户识别码(IMSI)
IMSI是全球统一编码的唯一能识别移动用户的号码,一般由3个部分组成:
移动台国家识别码+长途区号+移动用户号码,其中移动国家识别码3位数,我国为460,后两项共7-12位数。
IMSI被存在SIM卡中,且IMSI与用户电话号码又一一对应地存储于网络的归属用户数据库里。
当移动台用户在归属地或漫游地进入系统时,网络系统均能首先从用户的SIM卡中获取用户识别码,从而识别用户归属于哪个国家,哪个电信部门,甚至哪一个移动业务服务区。
2.个人识别码((PIN)和SIM卡解锁密码(PUK)
PIN码是SIM卡上的个人密码,主要用来验证SIM卡使用者的身份是否有效。
为了防止他人擅用SIM卡,在移动台接通电源,将SIM卡插入移动台时,就会被要求输入4-8位的PIN码,否则将不能正常通信。
如果用户连续三次输入错误的PIN码,移动台就会提示用户卡己被锁住,这时用户需输入PUK码才能解开。
如果连续十次输错PUK码,SIM卡就将永久报废,无法再使用。
3.用户使用的存储空间
SIM卡中大部分信息是经营者或制卡者所输入且不能更改。
但SIM卡中也可存储部分个人信息,如固定的短消息、号码簿等,用户可以用移动台的键盘来完成个人情息的存储和读出。
这就是所谓SIM卡中的个人存储空间。
2.2.3SIM卡的物理结构
SIM卡的物理结构如图2-2所示。
SIM卡共有8个触点,通过这些触点与移动终端接口,进行相互间的信息传输,并提供SIM卡电路工作时所需的电源。
SIM卡各触点的定义如下:
C1:
Vcc电源电压(3V),TC35模块提供过来的电压。
C2:
RST复位端。
C3:
CLK时钟,时钟速率通常由移动终端提供,SIM卡支持1~5MHz时钟,它在指定时间内运行监权过程时至少需要13/4MHz的时钟频率,其它情况下使用13/8MHz的时钟频率。
C4:
无定义,为将来使用保留。
C5:
GND地。
C6:
Vpp编程电压。
C7:
I/O输入输出。
C8:
无定义,为将来使用保留。
图2-2
SIM卡的电性能要求为使SIM卡能正常工作。
各触点的电性能以及电源开/关时的电性能都是有所要求的。
SIM卡开启电源期间,各触点的激活顺序为:
RST为低电平状态;Vcc加电;I/O处于接收状态;Vpp加电,提供稳定的时钟信号。
SIM卡关闭电源时,各触点的去活顺序为:
RST为低电平状态,CLK为低电平状态,Vpp去电;I/O为低电平状态;Vcc去电。
电源开启时,SIM卡有两种工作方式,即工作方式和空闲方式。
在工作方式时完成与移动终端之间的信息传输,在空闲方式时SIM卡将保留所有相关数据,并支持内部全休眠、指令休眠和时钟休眠三种休眠方式。
2.3短消息业务
SMS短消息是ShortMessageService的英文缩写,是通过移动网络用手机接收和发送有限长度文本信息的一种通信体制。
文本信息可以是汉字,数字,字母或符号以及它们的组合。
GSM的协议规范规定,一条短消息最多可以包含160个英文字母的7-bit编码或是70个汉字等Unicode编码。
世界上第一条短消息是在1992年12月从英国沃达丰(Vodafone)公司的GSM网络由电脑发送到一部手机上的,此后几年内短消息并未得到广泛应用。
直到1998年,欧洲的语音业务渐趋饱和,移动数据业务市场广大,运营商开始注意到短消息市场,Sonera,Vodafone,Mannesmann等公司大力发展短消息业务,使欧洲的短消息迅速火爆。
随着手机在中国的普及,2000年开始,中国移动和中国联通开始开发中国的短消息市场,在中国掀起短消息的热潮。
2.3.1短消息业务的特点
·短消息采用存储一转发的模式,防止了短消息的丢失。
短消息先发送并存储到短消息服务中心,然后由短消息服务中心转发给接收方。
如果接收方不在服务区内或是关机,则短消息服务中心先保存该短消息,等接收方处于服务区内再转发给他。
·短消息的收费十分低廉,这是短消息风靡的决定性因素。
无论距离的远近,接收方免费接收短消息,发送一条短消息网内收费0.1元,网间收费0.15元。
并且发送一定量的短消息运营商会给出一定的优惠政策,这对某些消费群体具有很大的吸引力。
·短消息的升级版本EMS和MMS能够承载多种数据。
它们的内容可以是文本、声音、图像等,更大程度的满足人们交流的方式。
·手机中的SIM卡可以对发送短消息进行加密,接收方的手机将信息解密,实现了传输中的安全可靠行。
·短消息可以与话音、数据、传真等业务同步传输。
短消息使用S7信令传输数据分组,是非对称业务,即使在业务信道处于高峰期时,仍然可以进行顺利通信。
2.3.2短消息业务的现状和前景
1.短消息业务的现状
短消息业务的广泛发展给各地的运营上带来了丰厚的利润,同时它方便了人们的生活,成为我们生活中必不可少的一部分。
但是它也带来了一些负面影响,例如现在的一些垃圾短信经常充斥我们的手机,严重防碍了我们的正常生活;再如一些不明不白的收费让很多人大伤脑筋。
2.短消息业务的前景
·SMS的升级版EMS:
EnhancedMessageService(EMS)增强消息业务是爱立信公司向ETSI/3GPP委员会提交的技术标准。
大多数手机制造商支持EMS经过稳步发展,EMS已成为3GPP技术规范的一个完整部分。
EMS和SMS的实现原理基本相同,也是存储一转发机制,使用信令信道,因此不用对基础网络升级。
EMS能够支持格式化文本、黑白图片、声音、简单的动画等媒体。
·SMS的下一代版本MMS:
MultimediaMessageService(MMS)多媒体信息服务支持移动图像、卡通、交互式视频等多媒体信息,可以把文本、声音、图像、视频等集成在一起,通过手机发送电子贺卡、屏保等。
从2002年开始,很多手机厂家推出了支持MMS的手机,更多的运营服务商参与MMS的研发。
到目前为止,MMS已有了广泛的应用。
2.3.3短消息业务的主要应用
短消息业务的应用十分广泛,总结如下:
1.最基本的手机用户之间的相互交流信息的功能。
2.资讯服务。
包括新闻、天气预报、股市行情、话费查询、火车、航班时刻查询等。
3.移动商务。
移动证券交易、移动银行、预订车票等。
4.E-mail应用。
E-mail主要信息提示和全部信息浏览、回复简单的E-mail。
5.娱乐。
铃声图片下载、智力问答、手机游戏。
6.远程监控。
对工业、地质、水文等数据采集和远程控制。
7.企业服务。
对企业内部信息进行交流和管理。
2.4GSM模块介绍及应用方法
2.4.1GSM模块的结构和特点
随着GSM应用的不断推广和深化,GSM无线技术和实现手段也在不断提高:
各种GSM无线终端模块的不断涌现,简化了用户端仪器的开发,同时也大大扩展了无线应用领域。
GSM模块基于GSM底层协议,实现了移动台所有功能。
这些模块不仅按照GSM移动台与终端设备(TE)的连接规则,提供相应引脚,同时按照上层应用协议规定,提供标准AT指令支持。
它们大多还集成了语音信号处理和编码,以及键盘、显示、天线、声音等接口,极大的降低了用户终端的开发难度和开发周期。
现在,许多大型通信公司都生产GSM模块,例如MOTOROLA公司的D10/D15,SIMENS公司的TC35/37,WAVECOM公司的WISMO2B/2C等等,支持不同等级要求的应用。
本系统采用的是SIMENS公司的TC35模块。
SIMENS公司的TC35模块。
它是西门子公司最新推出的无线通讯模块,可以快速安全的实现数据、语音等的传输,短信息服务SMS和传真,可以工作在GSM900kHz和1800kHz两个频段,RS232数据口符合ETSI标准GSM0707和GSM0705,且易于升级为GPRS模块。
该模块集射频电路和基带于一体,向用户提供标准的AT命令接口,为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输,方便用户的应用开发及设计。
1.主要功能和参数如下:
·可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务(ShortMessageService)和传真。
TC35模块的工作电压为3.3—4.8V,可以工作在900MHz和1800MHz两个频段,所在频段功耗分别为2w(900M)和1w(1800M)。
·通过一个ZIF(ZeroInsertionForce,零阻力插座)连接器引出40个引脚。
·短信息服务功能(GSM或GPRS状态):
支持中英文字及PDU,点对点(MT/MO),小区广播。
·可选波特率300bps~115kbps,支持数据、语音、短消息和传真
·电流消耗——休眠状态为3.5mA,空闲状态为25mA,发射状态为300mA(平均),2.5A峰值。
2.4.2AT指令
GSM模块通过AT命令与单片机通信。
所有的AT命令(除了重复命令A/以外)都由AT开头,除了发送短消息最后是以
响应形式都是
表2-1列出了AT命令的语法规则。
表2-1AT命令的语法规则
测试命令
AT+CXXX=?
模块返回由相应写命令或内部处理设置的参数和值范围列表
读命令
AT+CXXX?
模块返回当前设置的参数或参数值
写命令
AT+CXXX=?
<…>
模块返回用户定义的参数值
执行命令
AT+CXXX
读取在GSM内部处理器的不变参数
1.常用初始化指令
(1)设置单片机和GSM模块的通信波特率AT+IPR=
指令正确则模块返回
参数rate可以是300,600,1200,2400,4800,9600,19200,38400,57600,115200。
其中300至115200表示固定波特率的数值;当通信波特率超过1200时,可设为0,表示自适应波特率,模块根据单片机的串口数据的波特率调整本身与之相同。
本设计中参数rate设为0,单片机的串口的波特率为9600b/s。
(2)设置短消息中心号码AT+CSCA="+8613800519500"(常州市短消息中心)
短消息中心号码可能会因不同手机或不同区域而不同。
如果读取短消息服务中心则使用命令AT十CSCA=?
“8613800519500"
(3)设置短消息发送格式AT+CMGF=0
(4)保存当前的设置AT&W。
把前面设置的通信波特率、短消息中心号码和短消息发送格式写入模块。
2.常用短消息操作指令
(1)发送短消息指令。
PDU模式中,首先发送短消息数据的长度。
AT+CMGS=
等待GSM模块返回ASCII字符“>”,则可将PDU数据输入,PDU数据以
(2)设置短消息到达自动提示AT+CNMI=1,1,0,0,1
错误则返回+CMSERROR:
设置此命令可使模块在短消息到达后向单片机发送指令
"SM",INDEX(信息在SIM中的存储位置)
(3)读短消息指令。
模块接收到新的短消息时,向单片机发送字符串
"SM",INDEX
于是读取该短消息的AT命令为AT+CMGR=INDEX
(4)删除短消息。
由于SIM卡只能存储有限条短消息,为防止SIM卡中短消息存满而不再接收短消息,收到一条短消息后,在进行数据分析处理后,将此消息立刻删除,删除短消息的指令为AT+CMGD=INDEX
2.4.3短消息的模式与Unicode编码方式
ETSI制定短消息协议作为整个GSM标准中的一部分。
该协议为在MT(移动终端,相当于GSMMODEM)和TE(终端设备,相当于单片机或微机)之间传送短消息定义了三种接口协议。
分别为BlockMode(阻塞模式)、TextMode(ASCII模式)、PDUMode(二进制模式)。
阻塞模式是用来封装GSM3.40中定义的SMSPDU的二进制协议。
该协议包括差错检测,适合应用于终端间的链路受差错控制,连接不是非常可靠的情况。
这种模式常见于需要对远方设备控制的情况。
阻塞模式有着与另两种模式完全不同特性的协议,当进入此种模式,此状态就将一直保持下去,直到程序主动退出阻塞模式,退出阻塞模式以后将返回到V.25ter命令状态,或者在线命令状态。
应用部分组合的二进制串应包含报头和短消息PDU。
ASCII模式是基于AT命令的接口协议,适用于非智能的终端和仿真器,以及一些基于命令结构的应用软件。
在ASCII模式,所有的AT命令都是以ASCII码的形式回答的。
应用将消息按简单文本传递到MS组成TPDU。
ASCII模式提供功能比阻塞模式和PDU模式少。
ASCII模式不需支持或自动传送到达消息给应用,而仅仅是通知消息到达。
PDU模式是以16进制编码传输消息块的接口协议,在此模式中,短消息(包括短消息的头部分)都是经过16进制编码的,也即,只有0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F这些字符是允许的。
西文字符一般是以7位一个字节来表示的,最多有128种组合方式,最常用的表示方法是ASCII码。
对应ASCII码表得到相对应的字符为可见字符。
如果使用8个位形成一个字节,那么可能的组合就是256种,也就是ASCII码表上的256个字符。
英文只需用到ASCII码的前128个位置就足以表达全部的字符。
用PDU模式收发短消息可以使用三种编码:
7-bit编码、8-bit编码和UCS2编码。
7-bit编码用于发送普通的ASCII字符;8-bit编码通常用于发送数据消息,如图片或铃声等;UCS2编码用于发送Unicode字符。
由于在本系统中要实现中文短消息的发送,所以选择用UCS2编码,即中文Unicode码。
Unicode是一种统一字符编码标准,采用双字节对字符进行编码。
这是Apple和Xerox公司于1988年建立的一个技术标准。
Unicode提供了一种简单而又一致的表示字符串的方法。
由于Unicode用一个16位的值来表示每个字符串,因此总共可以得到65000个字符,这样,它就能够对世界各国的书面文字中的所有字符进行编码,远远超过了单字节字符集的256个字符的数目。
这种Unicode的特点是所有的字符是以两个字节表示、不仅中文使用两个字节。
而且英文也使用两个字节表示。
汉字的十六进制PDU编码直接采用汉字的Unicode编码,由于汉字的编码是十六位的,当中英文出现在同一短消息的时候,中文每个汉字是十六位的,但是字母和数字是八位的编码,这时统一采用十六位编码,也就是在八位的ASCII码前面补0。
61H是“a"的ASCII码,补齐十六位后的Unicode编码为0061H。
本系统采用PDU模式进行收发短消息,统一使用Unicode的编码形式。
下而举例说明PDU串的结构和编排方式。
例如,需要发送信息“1号开”到手机13915027490,单片机首先通过串口向模块发送数据串AT+CMGS=21
长度21不包括PDU数据中“0891683108509
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