基于SMS/WLAN的嵌入式Linux工控预警传输系统

刘青山，杨 著，袁 帅

（西南科技大学 计算机科学与技术学院，四川 绵阳 621010）

作为第二代主流通信技术之一的GSM系统，在国内占据着主导地位（中国移动GSM覆盖率99.85%），其SMS短信息功能更是由于其接通率高 （中国移动SMS接通率99.75%），价格低廉等特点被广泛应用于众多监控平台，如移动与联通直放站监控平台。WLAN[1]传输系统作为无线传输解决方案，其效率高、低误码率、接入方式灵活被广泛使用。本系统在嵌入式Linux服务器系统的上采用SMS/GSM[2-4]系统作为工控预警远程传输系统与WLAN内部传输系统结合的方式，保证内部高数据流量、远程实时控制的需求。

1 概 述

现有工控预警传输系统，大多采用有线传输或无线局域网内部传输的方式，系统管理具有空间局限性。而本系统利用现有的成熟系统结构，构筑基于GSM网络+WLAN的传输系统，实现数据信息的全球化无缝控制。

1.1 基于GSM网络传输系统

基于GSM网络的移动通信网络传输，主要包括SMS短信平台传输方式和GPRS通用分组无线服务传输方式[5]。

SMS 短信服务业务（Short Message Service）[6]，是 GSM 数字蜂窝系统提供的一种重要的存储转发电信业务。它应用十分广泛，包括SMS企业群发系统、银行短信服务、理财类短信、电力行业的短信查电表、通信行业直放站系统监控、运营商短信互动平台等。在GSM的标准定义中，点-点短消息服务使得短消息能在移动台和短消息服务中心之间传递，这些服务中心是通过称为SMS-GMSC的特定MSC同GSM网络联系。SMS的管理如图1所示。

图1 SMS网络体系结构Fig.1 SMS network architecture

图中SME是短消息实体，它可以接收或改善短消息。SMSC是短消息服务中心，负责在基站和SME间中继、储存或转发短消息。SMCGWMS是SMS网关，接收由SMSC发送的短消息，向HLR查询路由信息，并将短消息传送给接收者所在基站的交换中心。SS7是7号信令系统，主要用于为电话公司提供局间信令。HLR是归属位置寄存器，用于永久储存管理用户和服务记录的数据库。VLR是访问位置寄存器。含有用户临时信息的数据库。MSC是移动交换中心。负责系统切换管理并控制来自或发向其他电话或数据系统的拨叫。BSS是基站子系统，包括BSC与BTS，负责无线资源的管理与实施。MS是移动台，即通常意义的手机。

GPRS作为GSM的延续，被称为2.5 G系统。它在不改变原有GSM网络体系结构的情况下，加入了SGSN（服务GPRS支持节点）与GGSN（网关GPRS支持节点）。并以封包（Packet）式在PS分组数据域传输，理论最大速率171.2 Kbps。由于本方案要求的数据流量较小，并且无连续性需求，所以选用SMS作为远程传输方式更为适合。

1.2 WLAN传输系统

WLAN传输系统，即无线局域网络（Wireless Local Area Networks），是一种重要的局域网组网方式。它取代旧式碍手碍脚的双绞铜线，摆脱了铺设电缆或是检查电缆是否断线这种耗时的工作，是相当便利的数据传输系统。它利用RF射频（Radio Frequency）技术，基于IEEE802.11标准将计算机设备互联起来，构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。802.11主要有四大标准。802.11a标准使用5 GHz频段，支持的最大速率为54 Mbps，而802.11b和802.11g标准使用2.4 GHz频段，分别支持最大11 Mbps和54 Mbps的速度，并且在开放性区域，通讯距离可达305 m，在封闭性区域，通讯距离为76 m到122 m。常用WLAN设备包括：无线网卡、无线接入点（即AP）、交换机等。其组网方式也十分灵活，包括星型组网与链式组网。各个无线网络终端，利用无线接入点，快速接入网络，避免由于地理原因带来的麻烦。近年来WLAN已在企业、工厂、医院、学校等地广泛使用，并大量运用于无线Internet接入，局域网管理控制等方面。

WLAN系统的优点包括：

1）覆盖范围广 WLAN的有效覆盖距离达到100 m，多点覆盖下能完全满足企业需求；

2）可靠性高 无线局域网的系统分组丢失率应该低于10－5，误码率应该低于 10－8；

3）灵活性 避免网络设备的安放位置受网络位置的限制；

4）易扩展 无线局域网组网方式使得网络节点、终端的扩展都十分方便。

因此，本方案CS层级结构内选用WLAN作为内网传输方式。

2 系统方案

本系统以层级结构分为 3层，即 MMU （Multi－data Monitoring Unit）综合数据监控单元、CSS（Central Server System）中央服务器系统、RMU（Remote Monitoring Unit）远程监控单元。

1）MMU主要负责直接从现场采集数据，进行自动化监控的多功能处理。实现现场数据监控、视频采集、实时化自动处理、以及与CSS通信等多种功能。

2）CSS作为中央服务器系统的CSS层，是各个MMU与RMS的中间载体，它管理着整个系统，对每个MMU所提供的数据进行分类处理，同时对不同服务请求做出不同的响应。

3）RMU层是以GSM网络短信系统为载体实现远程监控功能，并提供实时报警、远程数据查询等一系列功能。

本系统中的工控预警传输系统主要分为2部分：GSM传输网与WLAN传输网。各数据采集点MMU与CSS服务器之间采用WLAN内网传输系统，CSS服务器与RMU远程监控单元之间使用公网GSM网络的SMS传输系统经行通信。

图2 传输系统示意图Fig.2 Schematic diagram of transmission system

2.1 层级结构中传输系统的实现

MMU综合数据采集单元：以嵌入式 Linux[3－5]系统为载体，添加WLAN功能模块（引入无线网卡），并在内核级嵌入其驱动程序，终端系统启动后，WLAN驱动程序自动加载。编写采集终端应用程序（包括WLAN传输子程序），实现WLAN传输功能实体化。

CSS中央服务器：以Linux系统为载体[7]，GSM模块、无线网卡为硬件平台，编写服务器应用程序，实现对数据的统一综合管理。WLAN子程序完成与数据采集终端的数据与命令互传，GSM传输子程序配合完成监控人员的实时监控需求。

RMU远程监控单元：利用GSM公共网络，采用SMS短信收发系统，通过中央服务器实现对数据采集终端的监控。

2.2 传输系统应用程序

2.2.1 GSM公网传输系统

在GSM传输网络侧，GSM模块与服务器之间的通信协议采用AT指令集。AT指令是以AT作首，字符结束的字符串，AT指令的响应数据包在中间。每个指令执行成功与否都有相应的返回。其他的一些非预期的信息（如拨号进来、短信接收等），模块都有对应的一些信息提示，服务器端可根据GSM传输子程序做相应的处理。

表1 常用AT命令集Tab.1 AT command set used

预警功能程序展示：

2.2.2 WLAN内网传输系统应用程序

在WLAN传输网络侧，首先实现Linux的USB驱动移植，再实现USB无线网卡驱动移植，通过ifconfig和ping命令测试WLAN的无线传输[8]情况，最后使用socket（套接字），使采集终端与中央服务器之间通过网络发出请求或者应答网络请求的方式实现数据传输。

对于一个简单的TCP/IP服务，socket函数有如下定义。

表2 socket函数集Tab.2 Socket functions

服务器连接程序展示：

3 结束语

WLAN内网传输系统与GSM公网SMS传输系统有一个共同的特点，就是组网快，价格优，性能稳定。这样的特点非常适用于小型局域网系统以及数据速率要求不高的小型远程监控系统，而工控预警系统正是这两种系统融合的理想环境。以稳定性著称的Linux系统为载体，更能提升系统整体的可靠性。因此，基于SMS/WLAN的嵌入式Linux工控预警系统必将成为工控领域中不可或缺的生力军。

[1]霍群松.关于WLAN组网和数据转发方式的研究[D].北京：北京邮电大学，2010.

[2]陈荣保，曹军.基于SMS远程控制的汽车防盗系统[J].中国仪器仪表，2008，（5）:70－72.

CHEN Rong-bao，CAO Jun.Remote control auto-guard system based on SMS[J].China Instrument and Control，2008，（5）:70－72.

[3]唐心德基于ARM芯片的嵌入式Linux智能通讯终端的设计[D].武汉：武汉理工大学，2005.

[4]陈文智.嵌入式系统开发原理与实践[M].北京：清华大学出版社，2005.

[5]张成伟，杜旭，杨宗凯.基于MiniGUI和嵌入式Linux的GSM/GPRS无线通信模块[J].计算机工程，2004，30（21）：173－175.

ZHANG Cheng-wei，DU Xu，YANG Zong-kai.GSM/GPRS wireless communication under embedded Linux and Mini GUI[J].Computer Engineering， 2004，30（21）：173－175.

[6]WAN Li-li，CHEN Tie-jun.Automobile anti-theft system design based on GSM [C]//International Conference on Advanced Computer Control，2009.

[7]Gradara J S.Investigating large software system evolution：theLinux kernel[C]//Proceeding of 26th Annual International Computer Software and Application Conference，2002：4.

[8]阴国富.无线局域网安全加密算法的研究[J].现代电子技术，2009（20）:91－92，106.

YIN Guo-fu.Research of WLAN security encryption algorithm[J].Modern Electronics Technique，2009（20）:91－92，106.