【正文】 畢業(yè)設計說明書 (論文 ) 第 1 頁 共 39 頁 采用 嵌入式移動網絡 的 遠程控制系統(tǒng) 序 言 進入二一十一世紀以來，計算機網絡、通信技術、自動化技術、遙感技術、傳感器技術以及大規(guī)模集成電路無不飛速發(fā)展，而其中最為引人矚目的當是無線通信技術及無線通信網絡飛速普及和應用?，F今，無論國外還是國內通用的、覆蓋廣泛的無線網絡已基本建設完成，例如中國移動的 GSM 網可實現全國及全球漫游，使手機等無線終端設備得以快速普及，可以說世界已經進入無線時代。而無線通信不僅僅可以傳輸話音信號，從本質講，它是數據通信技術與移動通信技術結合的 產物，數據通信才是無線傳輸的核心內容。近年來，移動通信的數據業(yè)務獲得了迅猛發(fā)展，其年增長率遠遠高于電話業(yè)務，廣闊的市場前景使得各大通信制造業(yè)巨頭們紛紛投入到移動數據業(yè)務的競爭之中。作為數字蜂窩系統(tǒng)的典范， GSM 系統(tǒng)已在全球獲得了巨大的成功，其廣闊的覆蓋范圍和良好的漫游性、安全性，再加上各種基于 GSM 的數據傳輸技術的不斷發(fā)展，使得在 GSM 上進行數據通信成為在 3G(第三代移動通信的簡稱 )到來之前最好的一種手段。 隨著 GSM 無線通信技術的不斷發(fā)展和成熟，可用于實現快速、準確、獨立、經濟的遠程監(jiān)控、讀取、控制遠方的 調控測量儀器，例如無人值守加油站、家用電力用表、水表、煤氣表等，正在被越來越廣泛應用到各種新的系統(tǒng)，具有非常廣闊的應用前景。 本課題是借助公共移動通信網絡進行遠程控制和數據傳輸，比使用專門無線電波段及設備 、或者架設專線進行遠程控制和數據傳輸，都有非常大的優(yōu)勢。本課題把 GSM 模塊作為信息傳遞的載體，使其與單片機和 PC 機結合起來構成的應用系統(tǒng)有著強大的生命力和廣闊的應用空間，特別是在遠程數據傳輸、遠程監(jiān)控領域更是受到人們的關注。并且具有造價低、可靠性高、不受地域限制、實現方便快捷、運行費用低廉等特點。 我 借助于 本地手機和遠端設備的 GSM 模塊、利用移動通信公司的服務，通過畢業(yè)設計說明書 (論文 ) 第 2 頁 共 39 頁 本地手機對遠端設備發(fā)送指令進行控制、數據采集。遠端設備是以單片機為核心，單片機對 GSM 模塊和被控設備進行控制，并在上位機顯示接收到的號碼等數據。 本課題研究主要包括以下幾方面的內容： 1. GSM 網絡的基本結構、 SMS 短消息協議和傳輸過程的簡單介紹。 GSM 網絡數據傳輸系統(tǒng)設計方案。主要包括數據發(fā)送終端系統(tǒng)結構設計和原理和 GSM MODEM 的設計。 GSM通信接口部分，實現對被控對象實行監(jiān)控。 畢業(yè)設計說明書 (論文 ) 第 3 頁 共 39 頁 第 1 章 概述 概述 我的課題 主要由監(jiān)控中心計算機、 GSM（全球移動通信系統(tǒng)）模塊、遠端單片機控制板等部分構成。該系統(tǒng)應用了計算機軟件編程技術、硬件接口技術、移動 通信網絡數據傳輸技術等。 系統(tǒng) 借助于控制中心和遠端設備的 GSM 模塊、利用移動通信公司的服務，通過本地手機對遠端設備發(fā)送短信指令進行控制。遠端設備是以單片機為核心，單片機對 GSM 模塊和被控設備進行控制，并在監(jiān)控中心計算機上顯示接收的數據。 該系統(tǒng)是借助于公共移動通信網絡進行遠程控制和 數據傳輸，比使用專門無線電波段及設備、或者架設專線進行遠程控制和數據傳輸，都有非常大的優(yōu)勢，具有造價低、可靠性高、不受地域限制、實現方便快捷、運行費用低等特點。 硬件設計 硬件設計其核心是西門子公司的 TC35 模塊，該模塊功能強大，能夠進行語音傳輸、數據傳輸等，并且獲得有我們國家的通信入網證。 硬件主要由單片機、 RS23 TC35 模塊、 SIM卡、接口電路、天線、被控對象等組成。其電路框圖如下圖 11所示。 圖 11 軟件設計 本 地 手 機 SIM 卡 TC35 單片機 上位機 被控 對象 畢業(yè)設計說明書 (論文 ) 第 4 頁 共 39 頁 軟件編程實現主要是以下幾個 方面： （ 1）主程序開始要對模塊進行初始化，并且設置異步串口通信方式，設置波特率 9600bps，無校驗位， 8個數據位。 （ 2）通過串行口發(fā)送相應的 AT 指令進行操作。 （ 3）對 PDU數據包的解碼以及通過串行口發(fā)送到上位機。 主要技術指標 該設計可以遠程控制燈的亮滅以及電機的開啟和停止， GSM 相關的 AT 命令，GSM 模塊的使用。計算機以及單片機串口通信技術等。 應用 我的課題具有很廣泛的應用?？梢?應用于工業(yè)控制、數據采集系統(tǒng)；電信基站自動測量監(jiān)控系統(tǒng)；高速公路收費系統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)；降雨量遠程監(jiān)測 系統(tǒng)、地下水遠程監(jiān)測系統(tǒng)；電力系統(tǒng)數據采集與控制系統(tǒng)、變電站數據遠程測控系統(tǒng)；各類量度表遠程自動抄表系統(tǒng)；河道水位自動監(jiān)測系統(tǒng)；油井在線生產數據采集與控制系統(tǒng)；家庭所有設備的控制等，應用領域極其廣泛。因此該項目有非常好的推廣應用前景，并且能夠產生極 好的經效益。 畢業(yè)設計說明書 (論文 ) 第 5 頁 共 39 頁 第 2 章 GSM 系統(tǒng)的設計 GSM 系統(tǒng)提供的業(yè)務 GSM 是以加入窄帶綜合數字業(yè)務網（ ISDN），向其用戶提供 ISDN 業(yè)務為目標的，它所支持的業(yè)務主要有三大類： ：包括電話、短消息、緊急呼叫、傳真、話 音信箱、智能用戶電報等，可以與 PSTN（公共電話網） , ISDN 等互通。 ：包括 300b/s 和 1200b/s 異頻雙工數據傳輸， 1200b/s， 2400b/s, 4800b/s, 9600b/s 同步雙工數據傳輸，以及它們的分組式傳輸等，并與 PSTN, ISDN和 PDS（綜合布線系統(tǒng)， Premises Distributed System）等互通。 ：包括 3 方通話、會議電話、呼叫轉移等。 SIM 卡 SIM 卡的功能 用戶識別模塊 (Subscriber Identity Module)是一種帶微處理器的封裝在塑料中的智能 IC 卡，它是 GSM 系統(tǒng)中不可缺少的一個重要部分，是用戶進入 GSM網絡的登記憑證。在 SIM 卡中，包含有用戶識別信息，輔助業(yè)務信息、短消息、移動性信息和無線電資源信息等。在 GSM 系統(tǒng)中，通過對 SIM 卡的物理接口、邏輯接口的明確定義，來完成與移動終端的連接和信息交換，同時在 SIM 卡內進行用戶信息存儲、執(zhí)行鑒權算法和產生加密密鑰等工作。只有插入 SIM 卡，移動終端才能接入網絡。它由 CPU(8 位 )、程序存儲器 (38bit )、工作存儲器(616bit )、數據存儲器 (128256kbit )和串行通信單元五部分組成。 SIM 卡分為 3V和 5V兩種。手機最初使用的是 5V的 SIM 卡； 1998 年后陸續(xù)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，能存儲 30 個電話號碼， 3V的 SIM 卡容量大且省電，容量為 8K，能存儲 100 個電畢業(yè)設計說明書 (論文 ) 第 6 頁 共 39 頁 話號碼及其對應的姓名文字， 15 組短消息等。 SIM 卡正面圖上有 20 值數碼。前面 6 位 (898600)是中國的代號；第 7 位是業(yè)務接入號，在 135, 136, 137, 138, 139 中分別為 5, 6, 7, 8, 9； 第 8 位是 SIM 卡的功能位，一般為 0，現在的預付費 SIM 卡為 1；第 9, 10 位是各省的編碼；第 11, 12 位是年號；第 13 位是供應商代碼；第 14～ 19 位則是用戶識別碼；第 20 位是校驗位。 SIM 卡正面圖如圖 21。 圖 21 SIM 卡的存儲內容 SIM 卡是 GSM 的用戶資料卡，它存儲著用戶的個人電話資料和保密算法、密鑰等，下面就 SIM 卡中所存儲的主要內容加以說明： (IMSI) IMSI 是全球統(tǒng)一編碼的唯一能識別移動用戶的號碼，一般由 3 個部分組成：移動臺國家識別碼 +長途區(qū)號 +移動用戶號碼，其中移動國家識別碼 3 位數，我國為 460，后兩項共 712 位數。 IMSI 被存在 SIM 卡中，且 IMSI 與用戶電話號碼又一一對應地存儲于網絡的歸屬用戶數據庫里。當移動臺用戶在歸屬地或漫游地進入系統(tǒng)時，網絡系統(tǒng)均能首先從用戶的 SIM 卡中獲取用戶識別碼，從而識別用戶歸屬于哪個國家，哪個電信部門，甚至哪一個移動業(yè)務服務區(qū)。 ((PIN)和 SIM 卡解鎖密碼 (PUK) PIN 碼是 SIM 卡上的個人密碼，主要 用來驗證 SIM 卡使用者的身份是否有效。為了防止他人擅用 SIM 卡，在移動臺接通電源，將 SIM 卡插入移動臺時，就會被要求輸入 48 位的 PIN 碼，否則將不能正常通信。如果用戶連續(xù)三次輸入錯誤的 PIN 碼，移動臺就會提示用戶卡己被鎖住，這時用戶需輸入 PUK 碼才能解開。如果連續(xù)十次輸錯 PUK 碼， SIM 卡就將永久報廢，無法再使用。 畢業(yè)設計說明書 (論文 ) 第 7 頁 共 39 頁 SIM 卡中大部分信息是經營者或制卡者所輸入且不能更改。但 SIM 卡中也可存儲部分個人信息，如固定的短消息、號碼簿等，用戶可以用移動臺的鍵盤來完成個人情息的存儲和讀出。這就 是所謂 SIM 卡中的個人存儲空間。 SIM 卡的物理結構 SIM 卡的物理結構如圖 22 所示。 SIM 卡共有 8 個觸點，通過這些觸點與移動終端接口，進行相互間的信息傳輸，并提供 SIM 卡電路工作時所需的電源。 SIM 卡各觸點的定義如下： C1： Vcc 電源電壓（ 3V）， TC35 模塊提供過來的電壓。 C2： RST 復位端。 C3： CLK 時鐘，時鐘速率通常由移動終端提供， SIM 卡支持 1～ 5MHz 時鐘，它在指定時間內運行監(jiān)權過程時至少需要 13/4MHz 的時鐘頻率，其它情況下使用 13/8MHz 的時鐘頻率。 C4：無定 義，為將來使用保留。 C5： GND 地。 C6： Vpp 編程電壓。 C7： I/O 輸入輸出。 C8：無定義，為將來使用保留。 圖 22 SIM 卡的電性能要求為使 SIM 卡能正常工作。各觸點的電性能以及電源開 /關時的電性能都是有所要求的。 SIM 卡開啟電源期間，各觸點的激活順序為：RST 為低電平狀態(tài)； Vcc 加電； I/O 處于接收狀態(tài)； Vpp 加電，提供穩(wěn)定的時鐘信號。 SIM 卡關閉電源時，各觸點的去活順序為： RST 為低電平狀態(tài)， CLK 為低電平狀態(tài)， Vpp 去電； I/O 為低電平狀態(tài)； Vcc 去電。電源開啟時， SIM 卡有兩種工作方式，即工作方式和空閑方式。在工作方式時完成與移動終端之間的信息傳輸，在空閑方式時 SIM 卡將保留所有相關數據，并支持內部全休眠、指令休眠和時鐘休眠三種休眠方式。 畢業(yè)設計說明書 (論文 ) 第 8 頁 共 39 頁 短消息業(yè)務 SMS 短消息是 Short Message Service 的英文縮寫，是通過移動網絡用手機接收和發(fā)送有限長度文本信息的一種通信體制。文本信息可以是漢字，數字，字母或符號以及它們的組合。 GSM 的協議規(guī)范規(guī)定，一條短消息最多可以包含 160個英文字母的 7bit 編碼或是 70 個漢字等 Unicode 編碼。 世界上第一條短消息是在 1992 年 12 月從英國沃達豐 (Vodafone)公司的 GSM網絡由電腦發(fā)送到一部手機上的，此后幾年內短消息并未得到廣泛應用。直到1998 年，歐洲的語音業(yè)務漸趨飽和，移動數據業(yè)務市場廣大，運營商開始注意到短消息市場， Sonera, Vodafone, Mannesmann 等公司大力發(fā)展短消息業(yè)務，使歐洲的短消息迅速火爆。隨著手機在中國的普及， 2020 年開始，中國移動和中國聯通開始開發(fā)中國的短消息市場，在中國掀起短消息的熱潮。 短消息業(yè)務的特點 短消息采用存儲一轉發(fā)的模式，防止了短消息的丟失。短消息先發(fā)送并存儲到短消息服務中心，然后由短消息服務中心轉發(fā)給接收方。如果接收方不在服務區(qū)內或是關機，則短消息服務中心先保存該短消息，等接收方處于服務區(qū)內再轉發(fā)給他。 短消息的收費十分低廉，這是短消息風靡的決定性因素。無論距離的遠近，接收方免費接收短消息，發(fā)送一條短消息網內收費 元，網間收費 元。并且發(fā)送一定量的短消息運營商會給出一定的優(yōu)惠政策，這對某些消費群體具有很大的吸引力。 短消息的升級版本 EMS 和 MMS