（控制理论与控制工程专业论文）基于gsm的嵌入式物流监控系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 现代物流系统是在传统物流的基础上，引入高科技手段，对物流信息进行科学管理， 从而使物流速度加快、准确率提高、库存减少、成本降低的数字化和高度集成化的一种 信息管理系统。随着嵌入式技术和移动通信技术的飞速发展，将微计算机技术应用到生 产、生活的各个领域已经成为人们的迫切需求。 本文即是根据现代物流仓储业的具体需求，结合当前先进的嵌入式研究成果，为管 理人员开发的嵌入式物流监控系统。本系统通过高性能的嵌入式终端设备和无线网络通 信技术为物流管理人员提供了一个经济实用、操作简单、方便灵活的物流监控工具。本 文所设计的嵌入式物流监控系统主要由嵌入式监控终端、g s m 无线通信模块和监控中 心( p c 机) 软件三部分组成。 论文首先对嵌入式系统的相关知识、g s m 无线通信技术原理及短消息功能作了简 要的说明，然后以嵌入式监控终端为主体，对它进行了较为深入的研究，包括硬件和软 件的设计与实现。在硬件设计中，主要介绍了核，t l , 处理器的分析和选择，并对处理器外 围的存储设备、人机交互接口、串行通信接口和电源电路等部分进行了设计和实现；接 下来在终端软件设计的过程中，主要利用a r m 公司推出的嵌入式编程开发工具 a d s l 2 ，编写和调试相关应用程序，并使用嵌入式操作系统对终端软硬件资源进行管理， 详细描述了操作系统的移植。 g s m 无线通信模块通过异步串行口与终端进行连接，通过应用程序控制使用，将 监控到的有效数据发送至监控中心，保证数据无线通信的畅通，文中对g s m 模块的接 口特性和使用方法作了一定的描述。监控中心的设计主要集中在软件丌发上，本文利用 j a 、，a 语言和数据库开发出一套可视化的管理软件，运行在p c 机w i n d o w s 操作系统下， 包括数据的接收、查询和显示，实现远程监控功能。论文最后对整个系统的设计开发过 程进行了总结，指出当前系统所具有的特点和性能，并对系统今后进一步的开发和应用 做出了展望。 关键词：现代物流系统，嵌入式技术，g s m 短消息，嵌入式监控终端，j a 、，a 语言 a b s t f a c t a b s t r a c t t h em o d e m l o g i s t i c ss y s t e mi sah i g hi n t e g r a t e di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e d o nt h et r a d i t i o n a ll o g i s t i c s ，w h i c ha p p l i e st h ea d v a n c e ds c i e n t i f i cm e t h o d st ob ea v a i l a b l et o s p e e du pl o g i s t i c s ，t oe n h a n c ea c c u r a c y ，t od e c r e a s es t o c k p i l e ，a n dt or e d u c ec o s t w i t ht h e f a s td e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , i ti s p e o p l e sa c t i v ed e m a n dt ou s et h em i c r oc o m p u t e rt e c h n o l o g yi n t ov a r i o u sp r o d u c i n ga n d l i v i n gf i e l d s a c c o r d i n gt ot h ec o n c r e t ed e m a n do ft h em o d e ml o g i s t i c ss t o r a g ea r e a ，a ne m b e d d e d l o g i s t i c sm o n i t o rs y s t e mi sd e v e l o p e df o rt h em a n a g e rw i t i la d v a n c e da c h i e v e m e n to fm o d e m e m b e d d e dt e c h n o l o g y b yt h eh i g hp e r f o r m a n c ee m b e d d e dt e r m i n a la n dt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , t h es y s t e mp r o v i d e sa ne c o n o m i c a la n dc o n v e n i e n tl o g i s t i c s m o n i t o rt o o lw h i c hi se a s yt oo p e r a t i o nf o rt h el o g i s t i c sm a n a g e r t h ee m b e d d e dl o g i s t i c s m o n i t o rs y s t e md e s i g n e di n t h i sp a p e rm a i n l yc o n s i s t so ft h ee m b e d d e dm o n i t o rt e r m i n a l ， g s mw i r e l e s sm o d u l ea n ds o f t w a r ei n s t a l l e do nt h em o n i t o rc e n t r e ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) f i r s t l y , t h ek n o w l e d g ea b o u t e m b e d d e ds y s t e m ，g s mw i r e l e s sc o n a r n u n l c a t i o n s t e c h n o l o g ya n ds h o r tm e s s a g ef u n c t i o nw e r ed e s c r i b e di nt h ep a p e r , a f t e rt h a tt h ee m b e d d e d m o n i t o rt e r m i n a li sf u r t h e rr e s e a r c h e da sap r i n c i p a l p a r t i n c l u d et h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h ep a p e rm a i n l y i n t r o d u c e s t h ea n a l y s i sa n ds e l e c t i o no fc o r ep r o c e s s o r , d i s c u s s e so nt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h em e m o r yd e v i c e ，m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ea n dp o w e rc i r c u i ta r o u n dt h ep r o c e s s o r i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h en e c e s s a r y p r o g r a mi sd e s i g n e da n dd e b u g g e db ya d s 1 2w h i c hi sa ne m b e d d e dw o r k b e n c hd e v e l o p e d b yt h ea r mc o m p a n y t h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mi su s e dt oa d m i n i s t e rt h es o f ta n dh a r d r e s o u r c eo ft h et e r m i n a l a n dt h e n ，t h ep r o c e d u r eo ft r a n s p l a n t i n go p e r a t i o ns y s t e mi s d e s c r i b e di nd e t a i l g s mm o d u l ei sc o n n e c t e dw i t ht h et e r m i n a lb ys e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e i ts e n d s t h ea v a i l a b l ed a t at ot h em o n i t o rc e n t e rb yt h ea p p l i c a t i o n ，k e e p st h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s m o o t h l y t h ep a p e rp a r t l yd e s c r i b e st h eg s m m o d u l ei n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i ca n du s em e t h o d t h em a i n l yp a r to ft h em o n i t o rc e n t e ri ss o f t w a r ed e s i g n t h ej a v al a n g u a g ea n dd a t a b a s e a r eu s et od e v e l o pt h ev i s u a lm a n a g e m e n ts o f t w a r e ，w h i c hi sr u no nap e r s o n a lc o m p u t e ru s e d t h ew i n d o w so p e r a t i o ns y s t e m ，c a nr e c e i v ea n dd i s p l a ya v a i l a b l ed a t a , t or e a l i z et h e f a r - d i s t a n c em o n i t o rf u n c t i o n f i n a l l y , t h ep a p e rm a k e ss u m m a r yt ot h ew h o l ep r o c e d u r eo f t h es y s t e m ，p o i n t so u tt h ef u n c t i o no ft h ec u r r e n ts y s t e ma n dp u t sf o r w a r do nt h ef u r t h e r d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h es y s t e mi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：m o d e ml o g i s t i c ss y s t e m ，e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y , g s ms h o r tm e s s a g e ， e m b e d d e dm o n i t o rt e r m i n a l ，j a v al a n g u a g e l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 丝：芒垒 导师签名： e l 期： 第一章绪论 第一章绪论 物流( l o g i s t i c s ) 是从二战后被引入业界的，随着世界经济的发展，物流业的兴起是 必然的。物流的时代演变过程可分为这样几个阶段：前物流时代( 1 9 5 5 1 9 6 4 ) 个别地 改善各项物流活动的时代；物流系统化时代( 1 9 6 5 1 9 7 4 ) 主要是引进并采用机器、器 材硬件，扩大物流能力的时代；物流管理时代( 1 9 7 5 年以后) 通过物流系统、物流制度、 信息系统等软件，提高物流效率的时代；物流社会系统化时代( 1 9 8 5 年开始) 推行将企 业看作是社会系统一部分的时代。目前，国际上公认的物流概念是美国物流管理协会 1 9 9 8 年所给出的全新定义，即：物流是供应链过程的一部分，是为了满足客户需求而对 商品、服务及相关信息从原产地到消费地的高效率、高收益的流动及储存进行的计划、 实施与控制过程【l 】。 1 1 现代物流概述 随着计算机信息技术和公共移动通信技术的飞速发展，使得物流业迅速成长，并成 为各国经济发展的重要推动力。与此同时，经济的全球化趋势和信息的现代化，对物流 信息管理也提出了更进一步的要求。物流管理是以满足客户需求为目的，对产品、服务 和相关信息从生成点到消费点有效率、有效果的正向逆向流动和存储进行计划、执行和 控制部分的供应链过程【舶。物流管理是一个综合的功能，它对所有物流活动包括营销、 销售、财务和信息技术在内的其它功能进行协调和优化【3 j 。 1 1 1 现代物流的定义 现代物流是在传统物流的基础上引入数字化高科技手段，对物流信息进行科学管 理，从而使物流速度加快、准确率提高、库存减少、成本降低。现代物流实际上就是对 物流全过程的信息进行数字化描述，从而使物流系统更高效、更可靠地处理复杂问题， 为人们提供方便、快捷的服务，因此现代物流亦可称为数字物流降刁( d i g i t a ll o g i s t i c s ) 。 当今，经济全球化、信息化和网络化已成为一种趋势，现代物流也成为发达国家和 发展中国家货物全球化生产、网络化配销的一项重要增值服务【8 母j ，它不仅改变了生产 贸易和运输方式，而且对生产运营和配销运输的传统思想提出了新的挑战。数字物流采 取了集采购、运输、仓储、分拨、包装、配送、代理与销售等环节为一体的组织方式， 应用现代高科技的电子计算机技术和信息技术，实现物流运作中的组织网络化、经营市 场化、信息电子化、反应快速化、功能集成化服务系列化、作业规范化、目标系统化 和手段现代化陟】。 1 1 2 现代物流的特点 1 信息化 电子商务时代，物流信息化是电子商务的必然要求，是物流现代化管理的基础，没 有物流的信息化，任何先进的技术设备都不可能应用于物流领域，物流的数字化趋势也 就无从谈起。物流信息化表现为物流信息的商品化、物流信息收集的数据库化和代码化、 江两入学坝一：学位论文 物流信息处理的电子化和计算机化、物流信息传递的标准化和实时化、物流信息存储的 数字化等【l2 1 ，相关的技术包括：条码技术、自动识别技术、数据库技术、电子订货系统、 电子数据交换、快速反应、有效的客户反映及企业资源计划等。 物流信息化的研究应着重从以下几方面展开【眩1 3 】： ( 1 ) 系统的集成技术，主要包括：技术集成、平台集成、信息集成、应用集成和软 支撑体系集成等。 ( 2 ) 在数据的处理中，要达到信息采集的在线化、信息存储的大型化、信息传播的 网络化、信息处理的智能化、信息输出的图形化。 ( 3 ) 完善友好开放型的人机交互系统，即在系统中科学地贯彻执行系统的管理指令， 对组织的人、财、物以及各种资源，如信息流、物流、资金流等进行管理和控制。 2 智能化 物流智能化是指利用集成智能化技术，使物流系统能够模仿人的智能，具有思维、 感知、学习推理判断和自行解决物流经营某些问题的能力。这里的集成智能化技术指的 是人工神经网络、人工智能、专家系统、模拟退火算法、进化算法、蚁群算法、控制理 论、小波变换法、混沌理论、分形、集理论、模糊逻辑等的综合集成【1 4 。6 。物流智能化 是物流自动化、信息化的一种高层次应用，物流作业过程中大量的运筹和决策，如库存 水平的确定、运输路径的选择、自动导向车的运行轨迹和作业控制、自动分拣机的运行、 物流配送中心经营管理的决策支持等问题都需要借助大量的知识才能解决。在现代物流 的进程中，物流智能化是不可回避的技术难题，也是现代物流研究内容的一个方面。 3 网络化 物流网络化有两层含义：一是物流与配送网点的网络化，企业根据自身的营销范围 和目标，通过详细地分析、选择与优化，逐渐建立全国范围的物流和配送网络，提高物 流系统的服务质量和配送速度【1 7 j 。二是物流配送系统的计算机通信网络，包括外部网和 内部网，外部网主要用于物流配送中心与上游供应商或制造商的联系，以及与下游顾客 之间的联系；内部网主要用于企业内部各部门间的信息传输。物流的网络化是物流信息 化的必然，是现代物流的主要研究内容之一。当今世界i n t e m e t 等全球网络资源的可用 性以及网络技术的普及为物流的网络化提供了良好的外部环境，物流网络化大势所趋。 4 虚拟化 物流实体的网络化为物流虚拟化提供了平台基础，电子商务、信息通信技术的飞跃 式发展则提供了现代物流虚拟化趋势发展的技术基础，同时也正是这些高新技术的发展 引导了客户需求，推动了物流虚拟化的进程。虚拟化物流是指实际物流过程在计算机上 的本质体现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，建立物流 过程的三维全数字化模型，从而可以在物流设计阶段对物流过程进行分析和评价，其基 础是用计算机支持技术对全部有效的物流活动进行表述、建模和仿真，用信息技术对整 个物流过程进行分层管理。虚拟化物流应用人工虚拟现实技术，可以达到虚拟物流环境 的高度真实化，并使人与虚拟物流环境有着全面的接触与交融。虚拟物流是现实物流系 统在虚拟环境下的影射，既具有身临其境的真实性，又具有超越现实的虚拟性【l 引。 2 第一荦绪论 1 1 3 现代物流的组成 现代物流系统是一个复杂的系统，包含领域广，涵盖面宽，其主要由仓储管理系统、 运输管理系统、配送管理系统及跟踪管理系统四部分构成。 1 仓储管理系统( w a r e h o u s em a n a g es y s t e m ) 仓储管理系统w m s 是提升传统仓储企业进行货物管理和处理的系统，系统分为入 库、存货、出库、运输、账单结算、统计查询等功能模块【l9 1 。系统应同时支持多种类型 的入库、多个公司或仓库运作、多种类型的计费方式。系统还应配备模拟仓位示意图， 方便对货物存储和出货等进程进行计划。同时，系统应与客户建立数据接口，可以根据 客户的要求，实现客户的远程货物管理。总之，通过这一子系统可以实现仓储作业流程 的电子化。 2 运输管理系统( t r a n s p o r t a t i o nm a n a g es y s t e m ) 运输管理系统t m s 是基于网络环境开发的，是在全面衡量、分析、规范运输作业 流程的基础上，运用现代物流管理方法设计的先进的、标准的运输管理软件。系统主要 由议价、估价、调度、跟踪、委托、单证管理、账务管理、作业优化等功能模块组成。 系统良好的扩展性还可根据客户的具体需求进行个性化的定制。t m s 能够协助管理人 员进行资源分配、作业匹配、路线优化等操作，t m s 与r f i d ( r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) ，g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) ，g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 及 w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 系统可以实现无缝连接，在充分利用电子标签的系统内 可以实现全自动接单、配载、装运、跟踪掣1 9 j 。 3 配送中心管理系统( d i s t r i b u t i o nc e n t e rm a n a g es y s t e m ) 配送中心管理系统d c m s 是进行配送作业流程和物流管理的系统。系统除了实现： 基本的仓储管理功能外，还包括越库管理、自动补货、拣货、定单计划、定单拣取、包 装、库存控制、配送调度安排、线路优化和跟踪等功能模块【1 6 - 1 9 1 。系统可以与r f i d 系 统建立接口，实现配送中心的现代化物流管理和物流配送，系统还可以与供应商建立库 存管理接口，实现供应商主动补货功能。 4 跟踪管理系统( t r a c km a n a g es y s t e m ) 跟踪管理系统t m s 是集g i s 数据管理、g p s 卫星导航定位于身的功能性产品1 2 0 j 。 g p s 卫星定位跟踪系统以租用的方式为用户提供产品和技术服务，供运输企业查看监督 及管理调度。跟踪处理平台除了对集装箱及车辆实行全程监控，保护车辆的运输安全外， 还可以与货运公司的工作流程紧密结合，提供各种适用的贴身服务。 从以上论述可以看出，要保证信息流的及时与畅通，并将数据信息提交给物流信息 管理平台进行处理，就必须建立一个以仓储、运输、配送及跟踪为一体的数字物流体系 结构。 1 2 本课题的发展趋势 本课题所研究设计的系统只是现代数字物流组成体系中的一部分，是对传统仓储管 理系统的改进和提升。目前，市场国际化和我国物流业不断发展，仓储管理己经成为物 垩塑茎兰堡：! ：兰垡笙茎 流过程中的重要一环，但随着仓储规模的不断扩大，传统的仓储管理方式与硬件设施已 经不能满足管理者的需求。近年来，嵌入式技术和无线通信技术的发展促进了仓储管理 的科学化和现代化，仓储管理必将突破传统的经营管理模式，增加仓储管理的科技含量， 依靠科技手段，推广应用仓储监控技术，提高仓储管理水平。从现代科技的发展来看， 物流仓储监控技术有如下发展趋势： 1 随着嵌入式技术的发展将会促进提高各种仓储监控专用设备的可靠性及智能化 程度： 2 根据实际情况选择合适的数据传输网络，实现监控信息传送手段的多样化，例 如采用无线网络传输数据； 3 将嵌入式技术、多媒体技术和网络技术相结合，使仓储监控系统的功能更强大、 内容更直观、运行更可靠； 4 仓储监控模式将由集中监视、集中控制向集中监视、集中管理、分散控制的方 向转变。 1 3 本文的研究意义乖内容 ，通过相关调查和有关资料表明，我国目前的物流仓储监控还存在较多不足，如仓储 拥有量大但管理水平较低，社会化程度较低，监控系统技术落后、设备陈旧等，尤其在 物流仓储监控方面，大多数部门都没有一套完整的监控机制，采用的通信技术和设备也 比较落后。本文所研究的系统是在对传统物流仓储监控系统的现状进行分析后，在其基 础上结合当前蓬勃发展的嵌入式技术和无线通信技术，为监控人员开发设计的一种新型 物流监控系统。 传统物流监控系统中监测器( 下位机) 与监控中心( 上位机) 之间的通信通常使用 的是基于i n t e m e t 、公用电话网或者局域网等有线数据传输方式，使用这种信息传输方 式的最大不足在于监测器需要和有线网络进行连接，一旦网络接口固定，监测器的位置 也就随之固定而无法灵活移动，如果在仓库数量较多而且相对分敖的情况下，需要在每 个仓库都铺设有线网络并配备一台监测器以便对货物信息进行出入库操作，从而提高了 整个监控系统的成本。 近年来随着移动通信技术的成熟，特别是g s m 公用网络的完善，物流监控系统也 可采用无线移动网络进行物流仓储的数据传输，现在的移动通信网络几乎覆盖了国内的 所有地区，因此一般不用考虑传输距离和范围的问题，而且由于是无线连接，系统能够 在实现对货物信息采集和仓储过程监控的同时，使得监控器可以灵活方便的移动，而不 必受到地理位置的限制，从而可以轻松实现多仓库间的货物信息采集监控，降低了整个 系统的成本，为管理人员提供了一个经济实用、操作简单、方便灵活的物流监控工具。 本文的研究目的是设计构建一个利用公用无线通信网络进行数据传输的嵌入式物 流监控系统。整个系统的构建如图1 1 所示，其中监控器被布放于远离监控中心的仓库 监控现场由物流人员控制，负责完成物流信息的采集：无线接入模块将监控器采集到的 4 第一章绪论 物流信息通过g s m 网络传送至监控中心；监控中心负责接收监控器上传的物流信息， 对数据进行处理显示，完成查询确认工作。 无尢 线线监 监 接接 控 控 l j 入入 l j 中 器 广_ 1 广 模 模心 块 块 图1 1 系统整体结构图 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo f t h es y s t e m 由此可以概括本文的研究内容主要包含以下几个方面： 1 研究基于a r m 处理器和嵌入式操作系统的物流监控终端的硬件平台与软件系 统，对硬件平台的结构以及各个组成部分实现的功能进行研究，并对软件系统的流程进 行分析。系统最大的特点是功能实用、功耗低、灵活方便可移动，并易于扩展其它更为 强大的功能，因此在设计系统时，考虑到系统升级，留有一定的功能扩展空间。 一， 2 研究g s m 无线通信技术，了解g s m 无线通信的流程以及与监控终端进行通信 的协议，研究无线通信模块与监控终端的接口电路特性，完成模块与终端的有效连接。： 在此基础上，进一步研究无线通信模块与监控终端的通信方式，完成物流监控终端的无 线通信功能。 3 研究物流监控中心( 上位机) 应用软件的开发，主要包括嵌入式监控终端与监 控中心p c 机的g s m 短消息通信、数据的接收和处理、查询与显示、相关信息录入等 功能。 江南人学硕i l ：学位论文 第二章嵌入式系统及应用领域 2 1 嵌入式系统 进入2 l 世纪，随着计算机技术特别是微处理器技术的飞速发展，将计算机技术应 用到各个领域，嵌入到各种设备、装置、产品当中己经成为人们同常工作与生活的迫切 需求。可以说，计算机微型化与嵌入化的趋势，j 下在广泛地影响着人们工作生活和娱乐 的各个方面。 一般的说，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统1 2 。它 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序等四个部分 组成，用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能【2 2 1 。由于具有专用性、实时性等 特点，嵌入式系统己经被广泛应用于信息电器、移动计算、工业控制、网络传输、医疗 仪器、教学设备等领域，其相关产品如掌上电脑、m p 3 、p d a 、数字电视、移动电话、 车载g i s 、数控机床，以及各种商业终端、教育终端、控制终端等，都与人们的日常工 作和生活密切相关。 和通用计算机系统相比，嵌入式系统具有如下一些特点： ( 1 ) 嵌入式系统是一个技术密集、资会密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 它集成了先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及各个行业的具体应用。 ( 2 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 大多都工作在为特定用户设计 的系统中，它通常具有功耗低、体积小、集成度高等特点，许多通用c p u 系统中由板 卡完成的任务集成在芯片内部，这使得嵌入式系统在设计趋于小型化的同时，移动能力 大大增强，与网络的结合也越来越紧密。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件配置是根据系统的性能指标选择的，其软硬件的结合十分紧 密。由于其应用领域的特殊要求，嵌入式系统软硬件体系结构的内部，各层次、模块的 耦合度比通用计算机要强。相比之下，通用计算机出于可扩展等要求更强调系统的层次 化、模块化和标准化。 ( 4 ) 由于资源有限，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计。无论是相对简单 的单片机系统，还是具有操作系统的复杂系统，都必须量体裁衣、去除冗余，力争在同 样的硅片面积上实现更高的性能。 ( 5 ) 嵌入式系统一般都具有较高的实时性要求。为了提高系统执行速度和可靠性， 系统软件一般都固化在处理器或存储器芯片中，而不是存储于磁盘等载体中。 ( 6 ) 嵌入式系统通常采用目标机一宿主机的开发模式，用户不具备自主开发能力。 即使设计完成后；用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须具备相应的丌发工 具和环境才能进行开发。 6 第二帚嵌入式系统及成用领域 2 2 嵌入式系统的硬件 从硬件方面来讲，嵌入式系统的核一t 5 部件是嵌入式处理器。据不完全统计，全世界 嵌入式处理器的品种数量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 多个【2 3 l 。目前嵌入式 处理器的寻址空间可以从6 4 k b 到2 5 6 m b ，处理速度从o 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s 。 如图2 1 所示，一般可以将嵌入式处理器分成4 类，即嵌入式微处理器、嵌入式微 控制器、嵌入式d s p 处理器和嵌入式片上系统l z 3 j 。 图2 1 嵌入式处理器分类 f i g 2 1s o r t so ft h ee m b e d d e dp r o c e s s o r 1 嵌入式微处理器( m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的，它的特征是具有3 2 位以上 的处理器，具有较高的性能，当然其价格也较高。但与计算机处理器不同的是，在实匾 嵌入式应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其它的冗余功能部分， 这样就以较低的功耗和资源实现了嵌入式应用的特殊要求。与工业控制计算机相比，嵌 入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。 2 嵌入式微控制器( m c u ) ： 嵌入式微控制器的典型代表是单片机。从2 0 世纪7 0 年代单片机出现到今天，虽然 已经经过了2 0 多年的历史，但这种8 位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其 广泛的应用。单片机芯片内部集成了r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计 数器、看门狗、i o 、串1 ：3 等各种必要功能和外设。与嵌入式微处理器相比，微控制器 的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器 是目前嵌入式系统工业的主流，微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制， 因此称为微控制器。 3 嵌入式d s p 处理器( d s p ) 。 嵌入式d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法 方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、f f t 、频谱 分析等仪器上，d s p 获得了大规模的应用。d s p 的理论算法在2 0 世纪7 0 年代就已经出 现，但是由于专门的d s p 处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过m p u 等分立组 件实现【2 4 】。m p u 较低的处理速度无法满足d s p 的算法要求，其应用领域仅仅局限于一 些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片【2 5 】，其运算速度比m p u 快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。 江两人学颀：l ：学位论义 至8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进步与发展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片 应运而生，其存储容量和运算速度都得到了成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技 术的基础。到8 0 年代后期，d s p 的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大 到了通信和计算机方面。9 0 年代后，d s p 发展到了第五代产品，集成度更高，使用范 围也更加广洲2 5 j 。 4 嵌入式片上系统( s o c ) 嵌入式片上系统s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领 域的热门话题之一。s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内 嵌入操作系统的代码模块，而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞 大复杂的电路板，一点点地连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器 件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生 产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的 体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 2 3 嵌入式系统的软件 嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成。操作系统是连接计算机 硬件与应用程序的系统程序，它有两个基本功能：一个是令计算机硬件便于使用，另一 个是高效组织和f 确使用计算机的资源。操作系统有4 个主要任务：进程管理、进程间 通信与同步、内存管理和i o 资源管理【2 6 。 嵌入式操作系统可以分为实时操作系统和分时操作系统两类。实时操作系统是指具 有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。实时操作系统的首要任务是调度一切 可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机系统的使用效率，其重要特 点是通过任务调度来满足对于重要事件在规定的时间内做出正确的响应【2 6 1 。实时操作系 统和分时操作系统有着明显的区别。具体地说，对于分时操作系统，软件的执行在时间 上的要求并不严格，时间上的延迟或者时序上的错误，一般不会造成灾难性的后果，比 如w i n d o w sc e2 0 就是一个多任务分时系统，而g c o s i i 则是典型的实时操作系统。 对于实时操作系统，主要任务是对事件进行实时的处理，虽然事件可能在无法预知 的时刻到达，但是软件必须在事件随机发生时，在严格的时限内做出响应，即使是系统 处在尖峰负荷下也应如此，系统时间响应的超时就意味着致命的失败，另外实时操作系 统的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行的最好和最坏情况做出精确的估 计。实时系统又可分为“硬实时系统”和“软实时系统”。硬实时和软实时的区别就在 于对外界的事件做出反应的时间。硬实时系统必须是对事件做出及时的反应，绝对不能 错过事件处理的时限，如果出现了这种情况就意味着巨大的损失和灾难，比如说航天飞 机的控制系统，如果出现故障未及时进行处理，后果不堪想象。软实时系统是指如果在 系统负荷较重的时候，允许发生错过时限的情况而且不会造成太大的危害，比如液晶屏 刷新允许有短暂的延迟。一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级 8 笙三里堂全查墨竺丝生旦塑垫 管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。硬实时系 统和软实时系统实现的区别主要是在选择调度算法上。对于软实时系统，选择基于优先 级调度的算法足以满足软实时系统的需求，而且可以提供高速的响应和大的系统吞吐 量，而对硬实时系统来说，需要使用的算法就应该是调度方式简单，反应速度快的实时 调度算法【2 6 】。 2 4 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括【2 6 1 ： ( 1 ) 工业控制 基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前己经有大量的8 、1 6 、 3 2 位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备 检测、石油化工系统等领域。就传统的工业控制产品而言，低端产品往往采用8 位单片 机，但是随着技术的发展，3 2 位、6 4 位的微处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在 未来几年内必将获得更大的发展。 ( 2 ) 交通管理 随着物流监控、车辆导航、信息监测与汽车服务等方面的发展，嵌入式系统技术已 经获得了广泛的应用，内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端已经在各种运输业成 功使用。目前g p s 设备已经从尖端产品进入了普通百姓得家庭，只需要几千元，就可 以随时随地找到需要查找的位置。 ( 3 ) 信息家电 信息家电业将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将 引领人们的生活步入一个崭新的空间，即使不在家罩，也可以通过电话线、网络进行艘 程控制。就远程家电控制而言，除了开发出支持t c p i p 的嵌入式系统之外，家电产品 的控制协议也需要制订和统一，这需要家电生产厂家来完成。同样的道理，所有基于网 络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现互连，然后再由嵌入式系统来控制并通 过网络实现。 ( 4 ) 家庭智能管理系统 水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌入的专用控制芯片 将代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。目前在监测服务领域中， 一些手持设备已经体现出嵌入式系统的优势。 ( 5 ) p o s 网络及电子商务 公共交通无接触智能卡发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机、各种智能 a t m 终端将全面走入人们的生活，今后只要手持一张卡就能行遍天下。 ( 6 ) 环境监测 环境监测包括水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝安全、地震监测 网、实时气象信息网、水源和空气污染监测等。在很多环境恶劣、地况复杂的地区，嵌 入式系统将实现无人监测。 9 江两人学硕一1 ：学位论文 ( 7 ) 机器人 嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、智能化方面的优势更加明显，同时会大幅 度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广阔的应用。 除了以上这些应用领域，嵌入式系统还有其它方面的应用。可以毫不夸张地说，嵌 入式系统己经进入到现代社会中人们生活的方方面面，可以说是“无处不在”，尤其是 在控制方面的应用。所以，开发和探讨基于嵌入式技术的系统有着十分深远的意义。本 文所设计的系统属于嵌入式系统在物流监控领域的应用。 1 0 第三章g s m 无线通信技术及短消息功能 第三章g s m 无线通信技术及短消息功能 在物流监控系统中，数据采集监测器与监控中心之间的数据通信是一个至关重要的 问题，系统的可靠性和灵活性在很大程度上是由这个通信网络决定的，若使用传统的有 线网络通信，一定程度上会造成监测器成本提高并受限于地理位置，为了使系统具备更 好的灵活性方便移动监测，采用g s m 移动通信系统公用网是最好的办法，该网络不仅 覆盖范围广，而且基本可达到实时传输的效果。 本文所设计的物流监控系统中，监测器与监控中心之间的通信就是通过彼此连接的 g s m 模块来实现的，采用g s m 系统的短消息功能，把数据打包成一个适合短消息功能 传输的数据块，在两者之间以短消息的形式进行数据传输。 3 1g s m 移动通信系统 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 是目前全球性的移动通信标准，系 统内的g s m 终端通过服务中，i , ( s e r v i c ec e n t e r ) 可以与任何g s m 终端或者p s t n 网内的 终端进行数据通信，其主要的业务以话音为主，可以提供低速的电路型数据业务【2 7 j 。目 前g s m 全球移动通信市场占有率为4 2 ，全球共有1 4 0 多个国家，3 5 0 个运营者使用， 它标准化程度高，进入市场早，是目前最成熟的移动通信技术。 g s m 数字蜂窝移动通信系统是完全依据欧洲通信标准化委员会( e t s i ) 制定的g s m 技术规范研制而成的，任何一家厂商提供的g s m 设备必须符合g s m 技术规范。g s m 系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统具有下列主要特点： f 1 ) g s m 系统是由几个分系统组成的，明确和详细定义了标准化接口规范，保证任 何厂商提供的g s m 系统或子系统能互联； ( 2 ) 提供穿越国界的自动漫游功能； ( 3 ) 除了语音业务，还可以开放各种承载业务、补充业务和与i s d n 相关的业务； ( 4 ) 具有灵活和方便的主网结构，频率重复利用率高； ( 5 ) 加密和鉴权功能，确保用户保密和网络安全； ( 6 ) 抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高； ( 7 ) 用户终端设备( 手机、监测器和g s m 模块) 可以向更小型、多功能和智能化方向 发展。 3 2g s m 系统结构和组成 g s m 系统的结构如图3 1 所示。由图可见，g s m 系统的主要组成部分可分为移 动台、基站子系统和网络子系统。基站子系统( 简称基站b s ) 由基站收发台( b t s ) 和基站控制器( b c s ) 组成；网络子系统由移动交换中心( m s c ) 、操作维护中心( o m c ) 、 原籍位置寄存器( h l r ) 、访问位置寄存器( v l r ) 、鉴权中心( a u c ) 和移动设备识别 寄存器(