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摘要：随着计算机和通信技术的不断发展，嵌入式系统与网络技术的结合被越来越多的应用于工业领域。本文研究了GPRS 的远程数据传输，重点分析了系统的设计方案，选用嵌入式实时操作系统C/OS-II 为终端软件平台，采用C/S 模式和Winsock 技术设计了数据中心，实现了的数据的可靠传输，最后设计了系统的安全性。
关键词：GPRS;μC/OS-II; C/S 模式; Winsock
Abstract: with the development of computer and communications technologies, embedded systems and network technology is the combination of a growing number of applications in industrial fields. This article studies GPRS remote data transmission, focusing on analysis of the system design, selection of embedded real-time operating system C/OS-II as Terminal software platform, c/s mode, and Winsock to design a data center, enables reliable transmission of data, final design the system security.
Keyword: GPRS; μ C/OS-II; C/s mode; Winsock
[中图分类号] [O236.2][文献标识码]A [文章编号]
一、引言
由单片机构成的数据采集系统和PC 机通过串行口构成的微机系统已广泛应用于工业控制、环境监测等领域，这些系统大多采用RS-232，RS-485 或有线MODEM 的通信方式，虽然经济实用，但其有线数据传输方式在很大程度上限制了应用场合的拓展。嵌入式系统以其本身体积小，实时性高，稳定性好，支持以太网等优点，成为工控领域的新热点。GPRS（通用分组无线业务）是一种新的移动数据通信业务，采用分组交换技术，资源被有效的利用，数据传输速率高达160Kbps。GPRS 移动数据传输系统有很大的应用范围，几乎所有中低速率的数据传输业务都可以应用。GPRS在无线数据传输上有自身的优势，具有网络覆盖率高，传输特性好等优势，为现有数据应用业务提供了一种便捷的无线数据传输方式，这必将成为工业控制及现场监测等领域的发展趋势，并可广泛应用于电力监控、金融、矿山等行业。本文主要研究基于GPRS 网络和嵌入式的数据传输系统。
二、基于GPRS 的数据传输系统总体方案设计基于GPRS 远程数据传输系统由传输终端、GPRS 通信网络和数据中心三部分组成。
由嵌入式系统组成传输终端，通过Internet 和GPRS 网络系统的结构框图如下图1 所示。
在图1 中，系统组成部分的主要功能如下：
传输终端通过GPRS 模块接入移动公司的GPRS 网络，完成数据的透明传输。由Internet 和无线GPRS 通信网络组成数据的传输通道。数据中心是整个数据传输系统的通信核心，主要功能是接收和处理DTU 发送来的数据，同时把处理后的结果反馈给终端。包括服务器端的网络通信的数据接收和数据库的管理等部分，同时对整个网络状况进行管理。数据中心可以是PC 机，也可以是移动电话或移动终端。
三、GPRS DTU 终端设计
硬件方面，以Samsung 公司推出的基于ARM7TDMI 微处理器S3C44B0X 为平台核心，輔以Flash 存储器AM29LV160DB-90EC；SDRAM 存储单元HY57V641620HG、电源、晶振和复位电路以及调试用的JTAG 接口等外围接口。终端采用PIML-900/1800GPRS 模块，它是CENTEL 推出的GSM/DCS 双频模块，带GPRS 功能，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。PIML-900/1800 提供标准的RS-232 串行接口，用户可以通过串行口使用AT 命令[5]完成对模块的操作。其中GPRS模块与微控制器间是通过串行口进行通信的，通信速率最快可以达到115200b/s。软件方面，选择嵌入式实时操作系统μC/OS-II 作为系统的软件平台，使用英蓓特公司推出的集成开发工具Embest IDE Pro forARM 作为开发环境，在完成系统各个设备驱动程序设计的基础上，采用结构化程序设计方法开发系统的应用程序。
四、数据中心的设计
1.服务器端的设计。本系统采用的是中心对多点的模式，服务器端数据通信模块采用Socket[5]进行网络的通信。在设计过程中，由于IP 地址是随机分配的，当终端IP 地址变化后，服务器每次都要识别这些IP 地址来确认这些IP 地址是不是来自于同一个设备，这样，势必会影响系统的效率，而且在安全方面也很难控制。本文以终端设备的SIM（20 位）卡号作为识别，进行数据的接收和处理。服务器端监听端口和接收数据的流程图如下图2 所示。
图2 服务器端监听和接收数据的流程图
在实际的操作过程中，当长时间没有数据发送时，GPRS 链路一直处于空闲状态，就可能会被GPRS/GSM 网络断开链路，等下次有数据时就需要重新建立连接，这就不能满足用户一直在线的需求，因而设置“心跳”信息。当用户长时间没有数据发送时，数据处理任务负责产生并向网络发送一个没有用户信息的“心跳”信息来保持该无线链路。数据中心收到该“心跳”信息后会自动丢弃。鉴于数据在网络传输中的容易产生错误，服务器端数据通信模块采用了如下方法保证数据的可靠传输：首先设置一个计数变量和一个接收数据结束的标志位，每次接收100 个字符，当接收的字符大于100 或者等于零时，说明接收数据出现错误，重新接收数据；当接收的字符小于100 且大于零时，说明数据接收完成，并设置接收数据结束的标志位为有效；并把每次接收的数据放在一起存储在数据库中即可。
2.数据库设计中选用Microsoft Access 数据库，ODBC 技术进行
数据的管理。完成的基本功能包括：数据的添加、修改、删除、查询等。
五、系统安全性设计
在系统的安全性方面，除了采用防火墙技术、数字加密技术外，还可申请虚拟专用网(VPN)。
1.GPRS 的安全性
GPRS 网络在空中的全程通信中采用分组加密和矢量压缩处理，正反向通道密钥不对称，数据终端每激活一次，移动数据中心自动核对密钥，并更换密钥一次，密钥由数据中心随机给出，实行动态密钥管理，因此，用户的通信保密安全功能非常强。在进行数据传输时，GPRS 把一整份数据文件分割成若干定长的数据段，以“分组”为单位在移动通信网上进行传输，在目的端重新组装恢复成完整数据文件。出于可靠性的考虑，每一数据段都有一些附加部分，除了收发地址、动态密钥外，还包括CRC（Cyclic RedundancyCode，循环冗余码校验）纠错码、奇偶检验位等。
2.VPN 的安全性
2.1 VPN 概述
VPN，是Virtual Private Network 的缩写，即虚拟专用网络的简称。在虚拟专用网中，两点之间不是传统的专用网所需的物理链路，而是采用隧道技术，将客户或企业网的数据封装在隧道中进行传输。它主要由用户端、接入网、NAS,IP 骨干网和具有VPN 网关的企业专网组成。VPN 基本网络结构如图3 所示。
2.2 VPN 在GPRS 中的应用
VPN 中采用隧道技术、加解密技术和安全认证机制，为用户提供安全、可靠和透明的数据访问通道，使远程用户和企业内部网之间能安全通信；而GPRS 网络能提供“永远在线”的分组数据交换业务。VPN 与GPRS 网络的连接如图4 所示。
因此，将互联网与移动通信紧密联系起来，由GPRS 网络承载的VPN 业务是移动用户和企业内部网络之间实现远程数据通信的理想方式。
六、总结
本文选用GPRS 网络作为传输平台，以S3C44B0X 为硬件平台核心，选择嵌入式实时操作系统μC/OS-II 作为的软件平台设计了数据传输终端DTU 部分，完成了数据的透明传输；采用面向连接的TCP 服务，用Winsock 控件和ODBC 技术实现了数据中心的功能；同时从GPRS 网络和VPN 两方面设计了系统的安全性。GPRS 具有网络覆盖范围广，传输特性好等优势，嵌入式系统具有体积小，实时性高，稳定性好等特点，本文很好地将两者结合起来完成了数据的传输，具有很好的应用价值。
参考文献：
[1] GSM 02.60：Digital Cellular telecommunications system(Phase 2+)；
General Packet Radio Service(GPRS);Service description；Stage l社，2002.4: 1-36.
[2] 吕捷，GPRS 技术[M]，北京: 北京邮电大学出版社，2001.8:1-127.
[3] 许海燕，付炎，嵌入式系统技术与应用[M]，北京:机械工业出版
作者简介：肖清滔，男，1984年，硕士，助教，研究方向：信息管理，基于信息系统的数据挖掘、数据集成，知识管理。
关键词：GPRS;μC/OS-II; C/S 模式; Winsock
Abstract: with the development of computer and communications technologies, embedded systems and network technology is the combination of a growing number of applications in industrial fields. This article studies GPRS remote data transmission, focusing on analysis of the system design, selection of embedded real-time operating system C/OS-II as Terminal software platform, c/s mode, and Winsock to design a data center, enables reliable transmission of data, final design the system security.
Keyword: GPRS; μ C/OS-II; C/s mode; Winsock
[中图分类号] [O236.2][文献标识码]A [文章编号]
一、引言
由单片机构成的数据采集系统和PC 机通过串行口构成的微机系统已广泛应用于工业控制、环境监测等领域，这些系统大多采用RS-232，RS-485 或有线MODEM 的通信方式，虽然经济实用，但其有线数据传输方式在很大程度上限制了应用场合的拓展。嵌入式系统以其本身体积小，实时性高，稳定性好，支持以太网等优点，成为工控领域的新热点。GPRS（通用分组无线业务）是一种新的移动数据通信业务，采用分组交换技术，资源被有效的利用，数据传输速率高达160Kbps。GPRS 移动数据传输系统有很大的应用范围，几乎所有中低速率的数据传输业务都可以应用。GPRS在无线数据传输上有自身的优势，具有网络覆盖率高，传输特性好等优势，为现有数据应用业务提供了一种便捷的无线数据传输方式，这必将成为工业控制及现场监测等领域的发展趋势，并可广泛应用于电力监控、金融、矿山等行业。本文主要研究基于GPRS 网络和嵌入式的数据传输系统。
二、基于GPRS 的数据传输系统总体方案设计基于GPRS 远程数据传输系统由传输终端、GPRS 通信网络和数据中心三部分组成。
由嵌入式系统组成传输终端，通过Internet 和GPRS 网络系统的结构框图如下图1 所示。
在图1 中，系统组成部分的主要功能如下：
传输终端通过GPRS 模块接入移动公司的GPRS 网络，完成数据的透明传输。由Internet 和无线GPRS 通信网络组成数据的传输通道。数据中心是整个数据传输系统的通信核心，主要功能是接收和处理DTU 发送来的数据，同时把处理后的结果反馈给终端。包括服务器端的网络通信的数据接收和数据库的管理等部分，同时对整个网络状况进行管理。数据中心可以是PC 机，也可以是移动电话或移动终端。
三、GPRS DTU 终端设计
硬件方面，以Samsung 公司推出的基于ARM7TDMI 微处理器S3C44B0X 为平台核心，輔以Flash 存储器AM29LV160DB-90EC；SDRAM 存储单元HY57V641620HG、电源、晶振和复位电路以及调试用的JTAG 接口等外围接口。终端采用PIML-900/1800GPRS 模块，它是CENTEL 推出的GSM/DCS 双频模块，带GPRS 功能，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。PIML-900/1800 提供标准的RS-232 串行接口，用户可以通过串行口使用AT 命令[5]完成对模块的操作。其中GPRS模块与微控制器间是通过串行口进行通信的，通信速率最快可以达到115200b/s。软件方面，选择嵌入式实时操作系统μC/OS-II 作为系统的软件平台，使用英蓓特公司推出的集成开发工具Embest IDE Pro forARM 作为开发环境，在完成系统各个设备驱动程序设计的基础上，采用结构化程序设计方法开发系统的应用程序。
四、数据中心的设计
1.服务器端的设计。本系统采用的是中心对多点的模式，服务器端数据通信模块采用Socket[5]进行网络的通信。在设计过程中，由于IP 地址是随机分配的，当终端IP 地址变化后，服务器每次都要识别这些IP 地址来确认这些IP 地址是不是来自于同一个设备，这样，势必会影响系统的效率，而且在安全方面也很难控制。本文以终端设备的SIM（20 位）卡号作为识别，进行数据的接收和处理。服务器端监听端口和接收数据的流程图如下图2 所示。
图2 服务器端监听和接收数据的流程图
在实际的操作过程中，当长时间没有数据发送时，GPRS 链路一直处于空闲状态，就可能会被GPRS/GSM 网络断开链路，等下次有数据时就需要重新建立连接，这就不能满足用户一直在线的需求，因而设置“心跳”信息。当用户长时间没有数据发送时，数据处理任务负责产生并向网络发送一个没有用户信息的“心跳”信息来保持该无线链路。数据中心收到该“心跳”信息后会自动丢弃。鉴于数据在网络传输中的容易产生错误，服务器端数据通信模块采用了如下方法保证数据的可靠传输：首先设置一个计数变量和一个接收数据结束的标志位，每次接收100 个字符，当接收的字符大于100 或者等于零时，说明接收数据出现错误，重新接收数据；当接收的字符小于100 且大于零时，说明数据接收完成，并设置接收数据结束的标志位为有效；并把每次接收的数据放在一起存储在数据库中即可。
2.数据库设计中选用Microsoft Access 数据库，ODBC 技术进行
数据的管理。完成的基本功能包括：数据的添加、修改、删除、查询等。
五、系统安全性设计
在系统的安全性方面，除了采用防火墙技术、数字加密技术外，还可申请虚拟专用网(VPN)。
1.GPRS 的安全性
GPRS 网络在空中的全程通信中采用分组加密和矢量压缩处理，正反向通道密钥不对称，数据终端每激活一次，移动数据中心自动核对密钥，并更换密钥一次，密钥由数据中心随机给出，实行动态密钥管理，因此，用户的通信保密安全功能非常强。在进行数据传输时，GPRS 把一整份数据文件分割成若干定长的数据段，以“分组”为单位在移动通信网上进行传输，在目的端重新组装恢复成完整数据文件。出于可靠性的考虑，每一数据段都有一些附加部分，除了收发地址、动态密钥外，还包括CRC（Cyclic RedundancyCode，循环冗余码校验）纠错码、奇偶检验位等。
2.VPN 的安全性
2.1 VPN 概述
VPN，是Virtual Private Network 的缩写，即虚拟专用网络的简称。在虚拟专用网中，两点之间不是传统的专用网所需的物理链路，而是采用隧道技术，将客户或企业网的数据封装在隧道中进行传输。它主要由用户端、接入网、NAS,IP 骨干网和具有VPN 网关的企业专网组成。VPN 基本网络结构如图3 所示。
2.2 VPN 在GPRS 中的应用
VPN 中采用隧道技术、加解密技术和安全认证机制，为用户提供安全、可靠和透明的数据访问通道，使远程用户和企业内部网之间能安全通信；而GPRS 网络能提供“永远在线”的分组数据交换业务。VPN 与GPRS 网络的连接如图4 所示。
因此，将互联网与移动通信紧密联系起来，由GPRS 网络承载的VPN 业务是移动用户和企业内部网络之间实现远程数据通信的理想方式。
六、总结
本文选用GPRS 网络作为传输平台，以S3C44B0X 为硬件平台核心，选择嵌入式实时操作系统μC/OS-II 作为的软件平台设计了数据传输终端DTU 部分，完成了数据的透明传输；采用面向连接的TCP 服务，用Winsock 控件和ODBC 技术实现了数据中心的功能；同时从GPRS 网络和VPN 两方面设计了系统的安全性。GPRS 具有网络覆盖范围广，传输特性好等优势，嵌入式系统具有体积小，实时性高，稳定性好等特点，本文很好地将两者结合起来完成了数据的传输，具有很好的应用价值。
参考文献：
[1] GSM 02.60：Digital Cellular telecommunications system(Phase 2+)；
General Packet Radio Service(GPRS);Service description；Stage l社，2002.4: 1-36.
[2] 吕捷，GPRS 技术[M]，北京: 北京邮电大学出版社，2001.8:1-127.
[3] 许海燕，付炎，嵌入式系统技术与应用[M]，北京:机械工业出版
作者简介：肖清滔，男，1984年，硕士，助教，研究方向：信息管理，基于信息系统的数据挖掘、数据集成，知识管理。