基于SMS/WLAN的嵌入式Linux工控預(yù)警傳輸系統(tǒng)

劉青山，楊 著，袁 帥

（西南科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

作為第二代主流通信技術(shù)之一的GSM系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)占據(jù)著主導(dǎo)地位（中國(guó)移動(dòng)GSM覆蓋率99.85%），其SMS短信息功能更是由于其接通率高 （中國(guó)移動(dòng)SMS接通率99.75%），價(jià)格低廉等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于眾多監(jiān)控平臺(tái)，如移動(dòng)與聯(lián)通直放站監(jiān)控平臺(tái)。WLAN[1]傳輸系統(tǒng)作為無線傳輸解決方案，其效率高、低誤碼率、接入方式靈活被廣泛使用。本系統(tǒng)在嵌入式Linux服務(wù)器系統(tǒng)的上采用SMS/GSM[2-4]系統(tǒng)作為工控預(yù)警遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)與WLAN內(nèi)部傳輸系統(tǒng)結(jié)合的方式，保證內(nèi)部高數(shù)據(jù)流量、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制的需求。

1 概 述

現(xiàn)有工控預(yù)警傳輸系統(tǒng)，大多采用有線傳輸或無線局域網(wǎng)內(nèi)部傳輸?shù)姆绞?，系統(tǒng)管理具有空間局限性。而本系統(tǒng)利用現(xiàn)有的成熟系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑基于GSM網(wǎng)絡(luò)+WLAN的傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的全球化無縫控制。

1.1 基于GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

基于GSM網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，主要包括SMS短信平臺(tái)傳輸方式和GPRS通用分組無線服務(wù)傳輸方式[5]。

SMS 短信服務(wù)業(yè)務(wù)（Short Message Service）[6]，是 GSM 數(shù)字蜂窩系統(tǒng)提供的一種重要的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)電信業(yè)務(wù)。它應(yīng)用十分廣泛，包括SMS企業(yè)群發(fā)系統(tǒng)、銀行短信服務(wù)、理財(cái)類短信、電力行業(yè)的短信查電表、通信行業(yè)直放站系統(tǒng)監(jiān)控、運(yùn)營(yíng)商短信互動(dòng)平臺(tái)等。在GSM的標(biāo)準(zhǔn)定義中，點(diǎn)-點(diǎn)短消息服務(wù)使得短消息能在移動(dòng)臺(tái)和短消息服務(wù)中心之間傳遞，這些服務(wù)中心是通過稱為SMS-GMSC的特定MSC同GSM網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。SMS的管理如圖1所示。

圖1 SMS網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 SMS network architecture

圖中SME是短消息實(shí)體，它可以接收或改善短消息。SMSC是短消息服務(wù)中心，負(fù)責(zé)在基站和SME間中繼、儲(chǔ)存或轉(zhuǎn)發(fā)短消息。SMCGWMS是SMS網(wǎng)關(guān)，接收由SMSC發(fā)送的短消息，向HLR查詢路由信息，并將短消息傳送給接收者所在基站的交換中心。SS7是7號(hào)信令系統(tǒng)，主要用于為電話公司提供局間信令。HLR是歸屬位置寄存器，用于永久儲(chǔ)存管理用戶和服務(wù)記錄的數(shù)據(jù)庫(kù)。VLR是訪問位置寄存器。含有用戶臨時(shí)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。MSC是移動(dòng)交換中心。負(fù)責(zé)系統(tǒng)切換管理并控制來自或發(fā)向其他電話或數(shù)據(jù)系統(tǒng)的撥叫。BSS是基站子系統(tǒng)，包括BSC與BTS，負(fù)責(zé)無線資源的管理與實(shí)施。MS是移動(dòng)臺(tái)，即通常意義的手機(jī)。

GPRS作為GSM的延續(xù)，被稱為2.5 G系統(tǒng)。它在不改變?cè)蠫SM網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的情況下，加入了SGSN（服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）與GGSN（網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）。并以封包（Packet）式在PS分組數(shù)據(jù)域傳輸，理論最大速率171.2 Kbps。由于本方案要求的數(shù)據(jù)流量較小，并且無連續(xù)性需求，所以選用SMS作為遠(yuǎn)程傳輸方式更為適合。

1.2 WLAN傳輸系統(tǒng)

WLAN傳輸系統(tǒng)，即無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Local Area Networks），是一種重要的局域網(wǎng)組網(wǎng)方式。它取代舊式礙手礙腳的雙絞銅線，擺脫了鋪設(shè)電纜或是檢查電纜是否斷線這種耗時(shí)的工作，是相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。它利用RF射頻（Radio Frequency）技術(shù)，基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)將計(jì)算機(jī)設(shè)備互聯(lián)起來，構(gòu)成可以互相通信和實(shí)現(xiàn)資源共享的網(wǎng)絡(luò)體系。802.11主要有四大標(biāo)準(zhǔn)。802.11a標(biāo)準(zhǔn)使用5 GHz頻段，支持的最大速率為54 Mbps，而802.11b和802.11g標(biāo)準(zhǔn)使用2.4 GHz頻段，分別支持最大11 Mbps和54 Mbps的速度，并且在開放性區(qū)域，通訊距離可達(dá)305 m，在封閉性區(qū)域，通訊距離為76 m到122 m。常用WLAN設(shè)備包括：無線網(wǎng)卡、無線接入點(diǎn)（即AP）、交換機(jī)等。其組網(wǎng)方式也十分靈活，包括星型組網(wǎng)與鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)。各個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)終端，利用無線接入點(diǎn)，快速接入網(wǎng)絡(luò)，避免由于地理原因帶來的麻煩。近年來WLAN已在企業(yè)、工廠、醫(yī)院、學(xué)校等地廣泛使用，并大量運(yùn)用于無線Internet接入，局域網(wǎng)管理控制等方面。

WLAN系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括：

1）覆蓋范圍廣 WLAN的有效覆蓋距離達(dá)到100 m，多點(diǎn)覆蓋下能完全滿足企業(yè)需求；

2）可靠性高 無線局域網(wǎng)的系統(tǒng)分組丟失率應(yīng)該低于10－5，誤碼率應(yīng)該低于 10－8；

3）靈活性 避免網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安放位置受網(wǎng)絡(luò)位置的限制；

4）易擴(kuò)展 無線局域網(wǎng)組網(wǎng)方式使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、終端的擴(kuò)展都十分方便。

因此，本方案CS層級(jí)結(jié)構(gòu)內(nèi)選用WLAN作為內(nèi)網(wǎng)傳輸方式。

2 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)以層級(jí)結(jié)構(gòu)分為 3層，即 MMU （Multi－data Monitoring Unit）綜合數(shù)據(jù)監(jiān)控單元、CSS（Central Server System）中央服務(wù)器系統(tǒng)、RMU（Remote Monitoring Unit）遠(yuǎn)程監(jiān)控單元。

1）MMU主要負(fù)責(zé)直接從現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控的多功能處理。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控、視頻采集、實(shí)時(shí)化自動(dòng)處理、以及與CSS通信等多種功能。

2）CSS作為中央服務(wù)器系統(tǒng)的CSS層，是各個(gè)MMU與RMS的中間載體，它管理著整個(gè)系統(tǒng)，對(duì)每個(gè)MMU所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，同時(shí)對(duì)不同服務(wù)請(qǐng)求做出不同的響應(yīng)。

3）RMU層是以GSM網(wǎng)絡(luò)短信系統(tǒng)為載體實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，并提供實(shí)時(shí)報(bào)警、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢等一系列功能。

本系統(tǒng)中的工控預(yù)警傳輸系統(tǒng)主要分為2部分：GSM傳輸網(wǎng)與WLAN傳輸網(wǎng)。各數(shù)據(jù)采集點(diǎn)MMU與CSS服務(wù)器之間采用WLAN內(nèi)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)，CSS服務(wù)器與RMU遠(yuǎn)程監(jiān)控單元之間使用公網(wǎng)GSM網(wǎng)絡(luò)的SMS傳輸系統(tǒng)經(jīng)行通信。

圖2 傳輸系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of transmission system

2.1 層級(jí)結(jié)構(gòu)中傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

MMU綜合數(shù)據(jù)采集單元：以嵌入式 Linux[3－5]系統(tǒng)為載體，添加WLAN功能模塊（引入無線網(wǎng)卡），并在內(nèi)核級(jí)嵌入其驅(qū)動(dòng)程序，終端系統(tǒng)啟動(dòng)后，WLAN驅(qū)動(dòng)程序自動(dòng)加載。編寫采集終端應(yīng)用程序（包括WLAN傳輸子程序），實(shí)現(xiàn)WLAN傳輸功能實(shí)體化。

CSS中央服務(wù)器：以Linux系統(tǒng)為載體[7]，GSM模塊、無線網(wǎng)卡為硬件平臺(tái)，編寫服務(wù)器應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一綜合管理。WLAN子程序完成與數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)與命令互傳，GSM傳輸子程序配合完成監(jiān)控人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控需求。

RMU遠(yuǎn)程監(jiān)控單元：利用GSM公共網(wǎng)絡(luò)，采用SMS短信收發(fā)系統(tǒng)，通過中央服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集終端的監(jiān)控。

2.2 傳輸系統(tǒng)應(yīng)用程序

2.2.1 GSM公網(wǎng)傳輸系統(tǒng)

在GSM傳輸網(wǎng)絡(luò)側(cè)，GSM模塊與服務(wù)器之間的通信協(xié)議采用AT指令集。AT指令是以AT作首，字符結(jié)束的字符串，AT指令的響應(yīng)數(shù)據(jù)包在中間。每個(gè)指令執(zhí)行成功與否都有相應(yīng)的返回。其他的一些非預(yù)期的信息（如撥號(hào)進(jìn)來、短信接收等），模塊都有對(duì)應(yīng)的一些信息提示，服務(wù)器端可根據(jù)GSM傳輸子程序做相應(yīng)的處理。

表1 常用AT命令集Tab.1 AT command set used

預(yù)警功能程序展示：

2.2.2 WLAN內(nèi)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用程序

在WLAN傳輸網(wǎng)絡(luò)側(cè)，首先實(shí)現(xiàn)Linux的USB驅(qū)動(dòng)移植，再實(shí)現(xiàn)USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)移植，通過ifconfig和ping命令測(cè)試WLAN的無線傳輸[8]情況，最后使用socket（套接字），使采集終端與中央服務(wù)器之間通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請(qǐng)求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的TCP/IP服務(wù)，socket函數(shù)有如下定義。

表2 socket函數(shù)集Tab.2 Socket functions

服務(wù)器連接程序展示：

3 結(jié)束語(yǔ)

WLAN內(nèi)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)與GSM公網(wǎng)SMS傳輸系統(tǒng)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是組網(wǎng)快，價(jià)格優(yōu)，性能穩(wěn)定。這樣的特點(diǎn)非常適用于小型局域網(wǎng)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)速率要求不高的小型遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，而工控預(yù)警系統(tǒng)正是這兩種系統(tǒng)融合的理想環(huán)境。以穩(wěn)定性著稱的Linux系統(tǒng)為載體，更能提升系統(tǒng)整體的可靠性。因此，基于SMS/WLAN的嵌入式Linux工控預(yù)警系統(tǒng)必將成為工控領(lǐng)域中不可或缺的生力軍。

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