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1、大连民族学院2007届通信工程专业本科毕业论文第1章 绪论1.1课题背景与研究意义本课题来自远端水情数据自动采集系统。远程数据采集系统是采用现代科技对远程信息进行实时遥测、传送和处理的专门技术，是有效解决江河流域及水库洪水预报、防洪调度及水资源合理使用的先进手段。它综合地理、电子、电信、传感器和计算机等多学科的有关最新成果。改变了以往仅靠人工测量数据的落后状况，扩大了预报范围，对江河流域、水库安全度和电厂经济运行以及水资源合理利用等方面都能发将重大作用1。 水情数据采集系统的通信方式主要有短波通信、超短波通信和集群通信等专用通信系统。这些系统的缺点是用户需要自己组网，建网费用昂贵，同时需要大量
2、的维护人员和维护费用。而且，这些系统对用户的数量、服务区的覆盖范围也有限制。系统的可靠性得不到很好的保证，从而严重地制约了水情数据采集系统的推广使用。GSM（Global System for Mobile Communication）系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟、最完善、应用最广的一种系统。我国目前已经建成覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，用户已达3亿之多，可以提供话音业务、短信业务、数据业务以及彩信业务。随着使用GSM通讯协议的专用模块的推出，使得GSM的各项业务的应用范围已不仅仅应用于手机通信领域，也应用于其他领域的通信需求。而且这些模块都有益于开发通讯接口和协议，
3、这为短消息业务应用于远程数据采集系统的开发工作创造了很好的条件。虽然短消息业务一次最多只能传输140个字符信息，但用于水情数据的传输已经完全可以满足要求。对于水情数据自动采集系统来说，GSM系统是最值得利用的。GSM系统克服了传统的专用通信系统投资成本大、维护费用高、网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷，具有投资小、建设周期短、组网灵活方便、系统稳定可靠等特点，再加上GSM的SMS本身具备的数据传送功能，使得利用GSM系统进行远程数据采集与传输，特别是在水情数据自动采集系统中的应用成为一个新兴的研究领域4。水情数据自动采集系统是灌区用水只能化管理的基础，亦是数字化灌区建设的重要组成部分。它对
4、于即使准确掌握灌区水情、调度配置灌溉水量、提高灌区用水管理决策水平都有重要意义。在水资源越来越短缺的今天，如何提高水资源的有效利用率成一个迫在眉睫的问题。该项目利用GSM通信模块、单片机、水位传感器技术以及现有的GSM网络来实现对远端水情的检测。1.2本课题在国内的发展在自动水情数据测报系统的应用中，除超短波通信以外，基于各种通信网络的测报系统各项费用都是比较高的，而且各种设施的设计和安装都会花大量的人力物力，甚至有的技术的可靠性更是不高。在国内一般经济条件不太好的地区很难实现。基于超短波通信的测报系统实施起来虽然更加实际一些，各项费用相对比较低，但是由于它是一种自建的通信网络的特点和其本身的
5、局限性，使得它不能大面积的应用于任何地区，而且它的可靠性不是很高2。 针对上述通信方式的缺点，本课题开发了利用第二代移动通信技术GSM通信网络作为水情自动测报系统的通信媒介，以收发GSM短信息的通信方式进行远程分布式数据采集软件产品(控制中心软件。 GSM通信网络的特点是技术最为成熟及先进、通信方式多、手机接续速度快、通信质量好、安全保密性能强、抗干扰能力强、网络覆盖面特别广、可以实现国际自动漫游等诸多优点，全世界目前已有近百个国家和地区建立了GSM数字移动电话通信网络。 在水情数据采集现场，通过卫星虽然可以快捷、可靠地传输水情信息，但投资高，短时间内难以大面积推广，通过公用电话网络可以大范围
6、改善信息传输方式，但其数据传输速度低、受频带宽度限制，每个设备需要架设专用线路，实现一对一的传递模式，无法满足大数据量实时传输的要求，都不是解决水情数据理想的手段。目前，随着我国移动通讯技术的迅速发展，特别是近几年手机短信息技术（GSM技术）在数据传输、控制领域的大量应用，为解决大范围标准化水情信息传输问题提供了一个可行的途径。1.3本课题的主要工作与内容本课题的设计主要以单片机为核心，将由水位传感器采集的模拟信号，进行A/D转换，经单片机处理，若数据超出水位的上下限则产生警报。水情数据经单片机处理，使用GSM模块，以短信的形式，通过GSM网络向数据采集控制管理中心（上位机）发送。图1.1给出
7、了系统的整体框图，基于以上原理，此次设计的主要工作内容如下：1、设计制作以单片机为核心的数据采集、处理、报警、发送电路。2、熟悉GSM网络的协议和GSM网络的短信形式的通信过程。3、远端水情数据采集终端（下位机）的硬件编程。图 1.1 系统总体框图17第2章 GSM概述2.1 GSM技术简介及其技术特点计算机技术、网络通信技术的发展给水文检测技术提供了更加快捷、可靠、方便的数据采集、处理和远程传输的手段。GSM技术即是近几年受到人们普遍关注的新技术之一3。GSM(Global System for Mobile communications)系统是欧洲邮电管理委员会(CEPT)下属的移动通信特
8、别小组，从1992年起开始制定，并在1998年颁布实施的新的数字式蜂窝移动通信标准，也即我们目前所说的第二代移动通讯技术。它是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统。目前已建成的覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众通信网的主要方式。GSM 系统除了具有一般数字系统所有的容量大、业务类型多、设备小型化、成本低、服务质量好、安全性能好等优点外，还有本身的一些特点。其一，该标准允许移动用户进行全球漫游及非严格的小区交接。其二，GSM的协议使得呼叫控制过程类似ISDN(Integrated Services Digital Network)以便与ISDN 兼
9、容，并且又包括了与蜂窝通信有关的特别功能，如本地登记和小区交接。GSM 标准提供的数字化端到端的连接等。这一系统主要提供话音、短信息、数据等多种业务。目前水情数据的传输主要靠有线拨号通信、无线超短波通信以及卫星通信等通信方式进行传递。有线通信是利用电信公司的有线电话网络进行传递，传递过程中，若遇暴雨洪水等恶劣天气特殊情况会出现通信线路的中断等现象，水情数据将无法进行传递，另外通信费用比较高。无线通信主要用在丘陵和高原地区，依靠短波电台进行传递。这种传递方式靠电离层或地面的反射，也受天气情况、地理环境等因素影响，通信效果不够理想。在平原地区，主要靠超短波电台进行传递，是目前较为理想的传递方式，但
10、其投资费用较大、维护费用较高，若在丘陵和高原地区采用此种通信方式，须架设中继站，将增加投资费用。卫星通信是通信效果最为理想的传递方式，但其投资费用昂贵，需要国家统一考虑。那么就需要寻求一种通信方法既能降低水情数据传输的费用，又能克服各种不利因素的影响，于是我们采用了移动通信运营商提供的“短消息服务”，利用GSM网络的特点来完成水情数据的采集。在GSM网络内，两个GSM通信设备之间在全国乃至全球范围内可以通过短消息服务中心直接发送中、英文字符和数据。利用移动通信运营商提供的服务，建立水情数据传输网络。近年来，GSM网络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，拥护无需另外组网，在极大提
11、高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵的建网费用和维护费用。同时，它对用户的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大，维护费用高，且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。比起传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势，加上GSM的SMS本身具备的数据传送功能，都使得这些应用得到迅速的普及。因此，短信息服务（SMS）作为GSM网络的一种基本业务已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视4。市场上提供的GSM通信模块是经过多种实际应用而改进的通用产品，它具有成本低、功能强大、配置灵活、开发方便快捷和货源充足等优点，所以以GSM网络作为数据无线传输网络，以短消息作为数据传输方式，可
12、以开发出前景极其乐观的各类应用。2.2 SMS技术简介及其技术规范短消息服务(SMS)是GSM技术应用的一项重要内容，它具有一些突出特点如：一次可传输140个字节的数据，数据的内容可以是字符或数字；可以在GSM网络内端对端传输，还可以从GSM网络外(如互联网)发送短消息给一个端点站；短消息通过设在移动通信部门的短消息中心(MSC)用GSM系统的信令信道传送，与语音信道不冲突，即使终端处在通话状态下也可进行传送；在短消息传送过程中，不进行呼叫连接建立和释放的过程；MSC具有短消息的存储功能，在终端设备关机时，可以保持消息在一定时间内有效等。利用这些特点，及其双向传输的性能，可方便地实现对于采集站
13、设备的信息采集和远程控制，即实现遥测和遥控9。短消息业务是GSM/DCS1800系统中唯一不需要建立端到端业务通道服务。点对点短消息是以任意形式的字母数字串，通过数字控制信道传送的。空闲时占用独立专用控制信道(SDCCH)，信息速率为782b/s；通话时占用慢速随路控制信道 (SACCH)，信道速率为383b/s。为了避免时延过长，以及对这些争抢接入信道负荷过大，每条短消息最大帧长度为140个字节(按ASCII字符7bit编码为160个字符)。因此可以在任何时候发送或接收短消息的传输协议数据单元TPDU(Transport Protocol Data Unit)， 无论话音或数据通信是否正在进
14、行。由于公众GSM网络在全球范围内实现了联网和漫游，建立GSM系统不须再组建专用通信网络，所以具有实时传输数据功能的短消息应用将可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系统，可以广泛用于包括水文检测在内的远程监控、定位导航等。 按照短消息10的技术规范可分为小区广播短消息(CBS)和点到点短消息，通常提到的短消息业务主要是指点到点短消息。本文所提到的短消息业务就是指点对点短消息业务。点对点短消息（SMS）业务是在GSM Phasel标准中引入的，由于短消息业务采用的是存储转发模式，短消息被发送出去后先存储在短消息业务中心，再由短消息业务中心根据寻找的目标移动终端的路由信息发送非目
15、标移动终端。因此GSM短消息的传递是有保证的。即使一个目的移动终端不可达（比如关机），网络也会保留发给它的消息并当该移动终端又出现在网络中后传递信息。短消息的发送方式取决于网络中短信中心（SMSC）能支持的借口。欧洲电信标准化协会（ETSI）制定的短消息发送协议定义了三个接口协议：块模式、PDU模式和文本模式，用于移动台和终端设备之间通过异步接口传递短信息数据。块模式（BLOCK Mode）：块模式是一个二进制协议，用于移动台和SMSC之间的短消息传输的PDU封装。包括了差错检测，适用应用于移动台之间链路容易出错的情况。应用部分的二进制串应包含报头和短消息PDU。PDU模式（PDU Mode）
16、：PDU模式和文本模式很相似，区别只是它将组装短消息TP 以的任务留给应用系统完成。该模式使AT指令集能方便地组构更多复杂的PDU，例如既可以传递二进制数据又可以传送字符数据。这种模式给AT指令集带来了方便。文本模式（TEXT Mode）：文本模式是在为GSM修改的AT指令集的基础上定义的基于字符的协议。适合非智能终端或终端仿真器。应用软件把纯文本消息传给通信设备，由通信设备来构造TPDU。文本模式提供的功能比块模式和PDU模式少。在文本模式下，短消息对扩展字符的能力有限。Text模式只能发送普通的ASCII字符，而要发送图片、铃声、其他编码的字符（如中文）就必须采用PDU模式，对SMS的各种操作通过AT指令进行，AT指令是由Etsi为GSM通讯研制的通讯协议。2.4 AT 指令单片机与GSM模块之间采用GSM0
