地震數(shù)據(jù)傳輸中的3G無線通訊終端設(shè)計(jì)

葉世山，郭德順，李　敬

（廣東省地震局，廣州　510070）

地震數(shù)據(jù)傳輸中的3G無線通訊終端設(shè)計(jì)

葉世山，郭德順，李敬

（廣東省地震局，廣州510070）

針對(duì)2G網(wǎng)絡(luò)速度慢，且在很多偏遠(yuǎn)山區(qū)信號(hào)弱并逐漸被3G、4G網(wǎng)絡(luò)取代的現(xiàn)實(shí)，作者設(shè)計(jì)了一款基于3G網(wǎng)絡(luò)的無線通訊終端，具有良好的可擴(kuò)展性，經(jīng)實(shí)際使用證明數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，解決了區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)偏遠(yuǎn)山區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸問題。

3G無線模塊；EM660模塊；地震數(shù)據(jù)傳輸

葉世山 ，郭德順，李敬.地震數(shù)據(jù)傳輸中的3G無線通訊終端設(shè)計(jì)［J］.華南地震，2016，36（2）：84-88.［YE Shishan，GUO Deshun，LI Jing. Design of 3G Wireless Communication Terminal in Seismic Data Transmission［J］.South china journal of seismology，2016，36（2）：84-88.］

0　引言

由于地震監(jiān)測(cè)站大多地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，有線通訊網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋，地震數(shù)據(jù)傳輸只能采用無線模式。廣東省地震局在 “十五”、“十一五”期間建設(shè)的地震監(jiān)測(cè)站大多采用基于2G無線網(wǎng)絡(luò)的無線通訊模塊傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)，但隨著3G、4G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和通信基站2G設(shè)備的老化，運(yùn)營商逐漸停止了對(duì)2G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊設(shè)備的維護(hù)，越來越多地方的2G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)逐漸暫停，使得這些地方的地震數(shù)據(jù)傳輸受到很大影響甚至完全終斷。當(dāng)前階段偏遠(yuǎn)山區(qū)4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)尚未得到很好覆蓋，而3G網(wǎng)絡(luò)則已普及得很好，并且比2G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、傳輸速度快，所以作者選擇基于3G網(wǎng)絡(luò)的華為EM660模塊，設(shè)計(jì)了一款適合廣東省地震局IP數(shù)據(jù)傳輸終端使用的3G網(wǎng)絡(luò)無線通訊終端，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)的地震數(shù)據(jù)傳輸問題。

1　IP數(shù)據(jù)傳輸終端介紹

早期廣東省地震局使用的IP數(shù)據(jù)傳輸終端是基于嵌入式Linux下的地震數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，集成了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，屏蔽了鏈路建立、數(shù)據(jù)打包等網(wǎng)絡(luò)通信細(xì)節(jié)，可使用GPRS、CDMA 2000 1xRTT （2G）和ADSL等多種鏈路傳輸?shù)卣鹩^測(cè)數(shù)據(jù)［1］。IP數(shù)據(jù)傳輸終端可向因特網(wǎng)上的服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而可以迅速、簡(jiǎn)捷地建立網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)傳輸敏感數(shù)據(jù)，需要更高安全性時(shí)，還可以構(gòu)建虛擬私有網(wǎng)絡(luò)VPN（Virtual Private Network），保證數(shù)據(jù)的安全性［1］。IP數(shù)據(jù)傳輸終端主要有嵌入式Linux控制器和通訊終端組成，IP數(shù)據(jù)傳輸終端系統(tǒng)框架圖如圖1所示。但早期的IP數(shù)據(jù)傳輸終端在無線傳輸方式上只支持2G無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，現(xiàn)在越來越多偏遠(yuǎn)的地震監(jiān)測(cè)站2G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)逐漸給3G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)代替，出現(xiàn)在同一地方2G網(wǎng)絡(luò)無法使用上網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而3G網(wǎng)絡(luò)卻可以的現(xiàn)象，為此有必要升級(jí)我們的IP數(shù)據(jù)傳輸終端，適應(yīng)新的無線傳輸環(huán)境。

圖1　IP數(shù)據(jù)傳輸終端系統(tǒng)框架圖Fig.1 System framework diagram of IP data transmission terminal

2　EM660無線通訊模塊介紹

華為公司生產(chǎn)的EM660無線模塊，支持USB串行總線，網(wǎng)絡(luò)類型為 CDMA 2000 1xEV-DO （3G），同時(shí)還包含豐富的外設(shè)接口，最大上行速率為1.8 Mbps，最大下行速率為3.1Mbps，該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，支持AT指令。

3　3　G無線通訊終端電路設(shè)計(jì)

3G無線通訊終端通過USB接口與IP數(shù)據(jù)傳輸終端進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)3G無線上網(wǎng)；其連接方式如圖2所示。

圖2　3G無線終端與IP數(shù)據(jù)終端連接圖Fig.2 Connection diagram of 3G wireless terminal and IP data terminal

3G無線通訊終端主要由3G無線模塊和供電電路、RUIM卡接口電路和USB接口電路組成。EM660無線模塊的接口形態(tài)為通用MiniPCIEpress接口，接口電路圖如下圖3所示。

3.1供電電路的設(shè)計(jì)

EM660模塊外部供電電壓規(guī)格為 DC3V～DC3.6V的電源 （典型值 DC3.3V），本電路采用DC3.3V給EM660模塊供電。IP數(shù)據(jù)終端輸出電源是DC12V和DC5V，我們選用LM2576S-ADJ電源管理芯片設(shè)計(jì)電路，將IP數(shù)據(jù)終端輸出的DC12V電壓或DC5V電壓轉(zhuǎn)換成DC3.3V電壓，為EM660模塊供電，并提供2個(gè)LED顯示燈，顯示模塊工作情況和電路的供電情況，此外考慮到GSM大功率發(fā)射時(shí)候可能的電壓跌落，在模塊的電源端口處加上一個(gè)470 uF的電容，供電電路圖如下圖4所示。現(xiàn)在3G、4G移動(dòng)技術(shù)發(fā)展快，對(duì)應(yīng)的模塊更新也快，不同的模塊供電電壓不一定相同，我們可利用可調(diào)電阻R1將輸出電壓調(diào)到DC1.23V～DC10V適合對(duì)應(yīng)模塊的工作電壓，避免更新模塊而再次修改電路。

3.2RUIM卡接口電路的設(shè)計(jì)

EM660模塊可外接2.85V或1.8V的RUIM卡，接口電平為2.85 V或1.8 V。RUIM卡接口信號(hào)，如表1所示。

RUIM卡接口的速率典型在 3.25 Mhz左右，因此RUIM卡座應(yīng)該距離模塊接口較近的位置，避免因走線過長(zhǎng)（走線建議不要超過100 mm），使波形嚴(yán)重變形，從而影響信號(hào)的傳輸。在UIMPWR上加一個(gè)0.1uF的電容、其余的UIM_CLK、UIM_IO、UIM_RST上則加 33pF電容到信號(hào)地GND網(wǎng)絡(luò)，濾出天線信號(hào)的干擾；此外這4個(gè)信號(hào)還需要做ESD保護(hù)，否則ESD可能造成模塊工作異常、死機(jī)、甚至損壞并引發(fā)其他安全問題。我們采用TVS（瞬態(tài)電壓抑制二極管）管來實(shí)現(xiàn)防靜電設(shè)計(jì)。RUIM卡接口電路如下圖5所示。

圖3　EM660模塊MiniPCIEpress接口電路圖Fig.3 MiniPCIEpress interface circuit of EM660 module

圖4　EM660模塊供電電路圖Fig.4 Power circuit diagram of EM660 module

表1　RUIM卡管腳接口管腳描述Table 1 Pin description of RUIM card pin interface

3.3接口的設(shè)計(jì)

EM660模塊提供一路高速USB2.0接口連接需要無線通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，將該USB接口直接接到IP數(shù)據(jù)傳輸終端的USB接口上，電路如下圖6所示。

4　3　G無線通訊終端撥號(hào)上網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

IP數(shù)據(jù)傳輸終端使用的是嵌入式Linux系統(tǒng)，在嵌入式Linux系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)3G無線通訊終端撥號(hào)上網(wǎng)，需要編譯適合該系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)和協(xié)議。嵌入式Linux系統(tǒng)下的撥號(hào)流程圖如下圖7所示。華為公司只為 EM660模塊提供了在 Windows和Linux系統(tǒng)下的 USB驅(qū)動(dòng)，為此我們需要移植EM660模塊驅(qū)動(dòng)、移植PPP協(xié)議和編寫撥號(hào)腳本。

圖5　EM660模塊RUIM卡電路圖Fig.5 RUIM card circuit of EM660 module

圖6　EM660模塊USB接口電路圖Fig.6 USB interface circuit of EM660 module

圖7　嵌入式Linux系統(tǒng)撥號(hào)流程圖Fig.7 Dial flow chart of embedded Linux system

4.1移植EM660模塊驅(qū)動(dòng)

移植EM660模塊驅(qū)動(dòng)到嵌入式Linux系統(tǒng)下［2］，先需要獲得該模塊的VID、PID和Modem端口號(hào)，然后為嵌入式Linux添加內(nèi)核支持、修改USB轉(zhuǎn)串口高速支持，最后為嵌入式Linux系統(tǒng)重新編譯內(nèi)核及EM660模塊驅(qū)動(dòng)并下載到IP數(shù)據(jù)傳輸終端。

從EM660模塊的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知道，EM660模塊的VID是0x12D1，PID是0x1001，Modem端口號(hào)是ttyUSB0。

先配置Linux添加內(nèi)核支持，包含USB轉(zhuǎn)串口和PPP協(xié)議的支持，然后在Linux目錄drivers/ usb/serial/option.c下添加EM660模塊的Product號(hào)、Vendor和Product數(shù)組。option.c配置要點(diǎn)如下：

（1）添加EM660模塊Product號(hào)。

#define HUAWEI_VENDOR_ID

0x12D1#define HUAWEI_PRODUCT_EM660

0x1001

（2）添加Vendor和Product數(shù)組。

在 static struct usb_device_id option_ids［］結(jié)構(gòu)體數(shù)組內(nèi)添加對(duì)EM660模塊的支持。

｛USB_DEVICE_AND_INTERFACE_INFO（HU AWEI_VENDOR_ID，HUAWEI_PRODUCT_EM660，660，0xff，0xff，0xff）｝

Usbserial驅(qū)動(dòng)的源代碼是針對(duì)低速的串口設(shè)備編寫的，所以在應(yīng)到到高速3G終端設(shè)備之前，需要修改驅(qū)動(dòng)代碼以適應(yīng)高速3G終端設(shè)備。修改USB轉(zhuǎn)串口高速支持只需將Linux目錄下drivers/ usb/serial/usbserial.c文件里面的usb_serial_probe（）函數(shù)中的buffer_size的值修改為4 096。

4.2編寫撥號(hào)腳本

因IP數(shù)據(jù)傳輸終端已內(nèi)置PPP協(xié)議，在此就不詳細(xì)介紹PPP協(xié)議移植到嵌入式Linux系統(tǒng)。撥號(hào)腳本包含CDMA2000撥號(hào)腳本和CHAT腳本。

CHAT腳本主要用來設(shè)置撥號(hào)上網(wǎng)的APN、帳號(hào)、密碼；CHAT腳本有cdma-connect和cdmadisconnect兩個(gè)文件組成，這兩個(gè)腳本在嵌入式Linux系統(tǒng)的/etc/ppp/chat目錄下，cdma-connect腳本代碼如下：

TIMEOUT 10

ABORT'BUSY'

ABORT'NO ANSWER'

ABORT'NO CARRIER'

SAY'Starting CDMA connect script '

#Get the modem's attention and reset it.

'''ATZ'

#E0=No echo，V1=English result codes

OK'ATE0V1'

#Dial the number

SAY'Dialing... '

OK'ATD#777'

CONNECT''

CDMA2000撥號(hào)腳本主要用來撥號(hào)上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)3G無線上網(wǎng)，此腳本在嵌入式Linux系統(tǒng)的/ etc/ppp/peers目錄下，其腳本代碼如下：

ttyUSB0#device Modem port

#Thefollowingtwosettingsneeda corresponding entry in

#/etc/ppp/chap-secrets.

user"username"#for user of VPDN

remotename"password"#for password of VPDN

xx.xx.xx.xx:xx.xx.xx.xx#VPDN IP address

115200#speed

#debug

replacedefaultroute#use the cellular network for the default route

defaultroute#use the cellular network for the default route

usepeerdns#use the DNS servers from the remote network

nodetach#keep pppd in the foreground

crtscts#hardware flow control

lock#lock the serial port

noauth#don't expect the modem to authenticate itself

#lcp-echo-interval 30

#lcp-echo-failure 4

persist

holdoff 0

#idle 0

#demand

novj

novjccomp

#scripts for connection/disconnection

connect"/usr/sbin/chat-v-f/etc/ppp/chat/ cdma-connect"

disconnect"/usr/sbin/chat-v-f/etc/ppp/chat/ cdma-disconnect"

5　結(jié)語

3G無線通訊終端具有簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)，可直接配合廣東省地震局原有的IP數(shù)據(jù)傳輸終端實(shí)現(xiàn)3G無線網(wǎng)絡(luò)的地震數(shù)據(jù)傳輸，目前該終端已在廣東省部分無法使用2G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的地震監(jiān)測(cè)站使用，效果明顯；從運(yùn)行的情況來看該終端數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠，日后將逐漸代替原有的2G網(wǎng)絡(luò)傳輸終端。經(jīng)過實(shí)踐運(yùn)行，3G無線通訊終端具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）適用性強(qiáng)。解決了2G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)停用臺(tái)站的傳輸問題。

（2）傳輸速度快。解決了2G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸慢，延遲大的問題，最大上行速率1.8 Mbps，最大下行速率3.1Mbps。

（3）兼容性強(qiáng)。采用通用 MiniPCIEpress接口，供電電路采用可調(diào)電壓設(shè)計(jì)，可方便更換成其他3G、4G無線模塊。

（4）易用性。采用USB接口，可方便的移植到其他設(shè)備上使用。

［1］吳叔坤，林偉，吳永權(quán).廣州數(shù)字地震臺(tái)IP傳輸質(zhì)量分析［J］.地震地磁觀測(cè)與研究，2005，26（5）：106-113.

［2］韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊(cè)［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

Design of 3G Wireless Communication Terminal in Seismic Data Transmission

YE Shishan，GUO Deshun，LI Jing
（Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China）

In many mountainous areas the 2G signal is weaker，and its speed is slow，so the low speed traditional 2G mobile network is being replaced by 3G&4G gradually.To solve the problem of data transmission of regional seismic network in such mountainous area，the paper designs a wireless communication terminal based on 3G mobile network，which has a good expandable module，and is proved to be stable and reliable in data transmission.

3G wireless module；EM660 module；Seismic data transmission

TP277

A

1001-8662（2016）02-0084-05

10.13512/j.hndz.2016.02.013

2016-03-17

葉世山 （1985-），男，助理工程師，主要從事地震儀器維修工作.

E-mail：L143007@163.com.