基于SMS/WLAN的嵌入式Linux工控預警傳輸系統

劉青山，楊 著，袁 帥

（西南科技大學 計算機科學與技術學院，四川 綿陽 621010）

作為第二代主流通信技術之一的GSM系統，在國內占據著主導地位（中國移動GSM覆蓋率99.85%），其SMS短信息功能更是由于其接通率高 （中國移動SMS接通率99.75%），價格低廉等特點被廣泛應用于眾多監控平臺，如移動與聯通直放站監控平臺。WLAN[1]傳輸系統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。本系統在嵌入式Linux服務器系統的上采用SMS/GSM[2-4]系統作為工控預警遠程傳輸系統與WLAN內部傳輸系統結合的方式，保證內部高數據流量、遠程實時控制的需求。

1 概 述

現有工控預警傳輸系統，大多采用有線傳輸或無線局域網內部傳輸的方式，系統管理具有空間局限性。而本系統利用現有的成熟系統結構，構筑基于GSM網絡+WLAN的傳輸系統，實現數據信息的全球化無縫控制。

1.1 基于GSM網絡傳輸系統

基于GSM網絡的移動通信網絡傳輸，主要包括SMS短信平臺傳輸方式和GPRS通用分組無線服務傳輸方式[5]。

SMS 短信服務業務（Short Message Service）[6]，是 GSM 數字蜂窩系統提供的一種重要的存儲轉發電信業務。它應用十分廣泛，包括SMS企業群發系統、銀行短信服務、理財類短信、電力行業的短信查電表、通信行業直放站系統監控、運營商短信互動平臺等。在GSM的標準定義中，點-點短消息服務使得短消息能在移動臺和短消息服務中心之間傳遞，這些服務中心是通過稱為SMS-GMSC的特定MSC同GSM網絡聯系。SMS的管理如圖1所示。

圖1 SMS網絡體系結構Fig.1 SMS network architecture

圖中SME是短消息實體，它可以接收或改善短消息。SMSC是短消息服務中心，負責在基站和SME間中繼、儲存或轉發短消息。SMCGWMS是SMS網關，接收由SMSC發送的短消息，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號信令系統，主要用于為電話公司提供局間信令。HLR是歸屬位置寄存器，用于永久儲存管理用戶和服務記錄的數據庫。VLR是訪問位置寄存器。含有用戶臨時信息的數據庫。MSC是移動交換中心。負責系統切換管理并控制來自或發向其他電話或數據系統的撥叫。BSS是基站子系統，包括BSC與BTS，負責無線資源的管理與實施。MS是移動臺，即通常意義的手機。

GPRS作為GSM的延續，被稱為2.5 G系統。它在不改變原有GSM網絡體系結構的情況下，加入了SGSN（服務GPRS支持節點）與GGSN（網關GPRS支持節點）。并以封包（Packet）式在PS分組數據域傳輸，理論最大速率171.2 Kbps。由于本方案要求的數據流量較小，并且無連續性需求，所以選用SMS作為遠程傳輸方式更為適合。

1.2 WLAN傳輸系統

WLAN傳輸系統，即無線局域網絡（Wireless Local Area Networks），是一種重要的局域網組網方式。它取代舊式礙手礙腳的雙絞銅線，擺脫了鋪設電纜或是檢查電纜是否斷線這種耗時的工作，是相當便利的數據傳輸系統。它利用RF射頻（Radio Frequency）技術，基于IEEE802.11標準將計算機設備互聯起來，構成可以互相通信和實現資源共享的網絡體系。802.11主要有四大標準。802.11a標準使用5 GHz頻段，支持的最大速率為54 Mbps，而802.11b和802.11g標準使用2.4 GHz頻段，分別支持最大11 Mbps和54 Mbps的速度，并且在開放性區域，通訊距離可達305 m，在封閉性區域，通訊距離為76 m到122 m。常用WLAN設備包括：無線網卡、無線接入點（即AP）、交換機等。其組網方式也十分靈活，包括星型組網與鏈式組網。各個無線網絡終端，利用無線接入點，快速接入網絡，避免由于地理原因帶來的麻煩。近年來WLAN已在企業、工廠、醫院、學校等地廣泛使用，并大量運用于無線Internet接入，局域網管理控制等方面。

WLAN系統的優點包括：

1）覆蓋范圍廣 WLAN的有效覆蓋距離達到100 m，多點覆蓋下能完全滿足企業需求；

2）可靠性高 無線局域網的系統分組丟失率應該低于10－5，誤碼率應該低于 10－8；

3）靈活性 避免網絡設備的安放位置受網絡位置的限制；

4）易擴展 無線局域網組網方式使得網絡節點、終端的擴展都十分方便。

因此，本方案CS層級結構內選用WLAN作為內網傳輸方式。

2 系統方案

本系統以層級結構分為 3層，即 MMU （Multi－data Monitoring Unit）綜合數據監控單元、CSS（Central Server System）中央服務器系統、RMU（Remote Monitoring Unit）遠程監控單元。

1）MMU主要負責直接從現場采集數據，進行自動化監控的多功能處理。實現現場數據監控、視頻采集、實時化自動處理、以及與CSS通信等多種功能。

2）CSS作為中央服務器系統的CSS層，是各個MMU與RMS的中間載體，它管理著整個系統，對每個MMU所提供的數據進行分類處理，同時對不同服務請求做出不同的響應。

3）RMU層是以GSM網絡短信系統為載體實現遠程監控功能，并提供實時報警、遠程數據查詢等一系列功能。

本系統中的工控預警傳輸系統主要分為2部分：GSM傳輸網與WLAN傳輸網。各數據采集點MMU與CSS服務器之間采用WLAN內網傳輸系統，CSS服務器與RMU遠程監控單元之間使用公網GSM網絡的SMS傳輸系統經行通信。

圖2 傳輸系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of transmission system

2.1 層級結構中傳輸系統的實現

MMU綜合數據采集單元：以嵌入式 Linux[3－5]系統為載體，添加WLAN功能模塊（引入無線網卡），并在內核級嵌入其驅動程序，終端系統啟動后，WLAN驅動程序自動加載。編寫采集終端應用程序（包括WLAN傳輸子程序），實現WLAN傳輸功能實體化。

CSS中央服務器：以Linux系統為載體[7]，GSM模塊、無線網卡為硬件平臺，編寫服務器應用程序，實現對數據的統一綜合管理。WLAN子程序完成與數據采集終端的數據與命令互傳，GSM傳輸子程序配合完成監控人員的實時監控需求。

RMU遠程監控單元：利用GSM公共網絡，采用SMS短信收發系統，通過中央服務器實現對數據采集終端的監控。

2.2 傳輸系統應用程序

2.2.1 GSM公網傳輸系統

在GSM傳輸網絡側，GSM模塊與服務器之間的通信協議采用AT指令集。AT指令是以AT作首，字符結束的字符串，AT指令的響應數據包在中間。每個指令執行成功與否都有相應的返回。其他的一些非預期的信息（如撥號進來、短信接收等），模塊都有對應的一些信息提示，服務器端可根據GSM傳輸子程序做相應的處理。

表1 常用AT命令集Tab.1 AT command set used

預警功能程序展示：

2.2.2 WLAN內網傳輸系統應用程序

在WLAN傳輸網絡側，首先實現Linux的USB驅動移植，再實現USB無線網卡驅動移植，通過ifconfig和ping命令測試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器之間通過網絡發出請求或者應答網絡請求的方式實現數據傳輸。

對于一個簡單的TCP/IP服務，socket函數有如下定義。

表2 socket函數集Tab.2 Socket functions

服務器連接程序展示：

3 結束語

WLAN內網傳輸系統與GSM公網SMS傳輸系統有一個共同的特點，就是組網快，價格優，性能穩定。這樣的特點非常適用于小型局域網系統以及數據速率要求不高的小型遠程監控系統，而工控預警系統正是這兩種系統融合的理想環境。以穩定性著稱的Linux系統為載體，更能提升系統整體的可靠性。因此，基于SMS/WLAN的嵌入式Linux工控預警系統必將成為工控領域中不可或缺的生力軍。

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