基于GPRS數(shù)據(jù)傳輸智能終端的實(shí)現(xiàn)

胡科，蔡方凱，胡蓉


成都電子機(jī)械高等�？茖W(xué)校 通信工程系


　　摘 要：介紹了利用單片機(jī)控制GPRS調(diào)制解調(diào)器模塊實(shí)現(xiàn)GSM網(wǎng)絡(luò)GPRS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入的智能終端系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)、單片機(jī)與GPRS模塊的接口方式，以及嵌入式TCP/IP協(xié)議在本系統(tǒng)中的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。


　　關(guān)鍵詞：無(wú)線接入系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸終端；單片機(jī)；通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)；調(diào)制解調(diào)器；TCP/IP協(xié)議��



一、 引言


　　隨著通信技術(shù)、微電子技術(shù)的進(jìn)步和智能化建設(shè)的發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)備如家電、電表、工業(yè)終端等都有了聯(lián)網(wǎng)的需求，并且有大量的數(shù)據(jù)需要傳輸，而在很多場(chǎng)合有線連接的方式已經(jīng)不能滿足人們的需要，無(wú)線接入以其方便、快捷和廉價(jià)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了有線方式的不足。覆蓋全國(guó)的GPRS網(wǎng)絡(luò)已成為一種可持續(xù)利用和開(kāi)發(fā)的資源，因而在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出滿足需求的無(wú)線接入產(chǎn)品就成為可能。GPRS網(wǎng)絡(luò)為GSM網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)結(jié)構(gòu)，在GSM的基站子系統(tǒng)部分增加了分組控制單元，在網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)部分增加了服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）和網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（GGSN），并且都進(jìn)行了軟件升級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)了GSM網(wǎng)絡(luò)平滑升級(jí)。目前GSM無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞街饕�有：基于電路交換的數(shù)據(jù)傳輸(CSD，即Circuit Switch Data），如短消息SMS、FAX等；基于分組交換的通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)(GPRS，即General Packet Radio Service）。而其中以GPRS業(yè)務(wù)傳輸數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性好、費(fèi)用低的優(yōu)勢(shì)，可以很容易地和其他帶有GPRS接入能力的設(shè)備進(jìn)行連接和通信，數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到任何在GSM公網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的遠(yuǎn)端服務(wù)器或類似的終端中。本系統(tǒng)就是利用單片機(jī)對(duì)GSM調(diào)制解調(diào)器G18模塊進(jìn)行控制，采用嵌入式TCP/IP協(xié)議軟核實(shí)現(xiàn)GPRS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的裝幀和拆幀，從而實(shí)現(xiàn)GPRS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入。


二、GPRS業(yè)務(wù)的優(yōu)勢(shì)


　　GPRS是GSM Phase 2+階段引入的一種基于分組的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，是歐洲電信協(xié)會(huì)GSM系統(tǒng)中有關(guān)分組數(shù)據(jù)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)，因此它的一個(gè)較大的優(yōu)勢(shì)是能夠充分利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)。GPRS是基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線IP連接。GPRS充分利用共享無(wú)線信道，采用IP Over PPP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)終端的高速、遠(yuǎn)程接入。作為現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動(dòng)通信演變的過(guò)渡技術(shù) （2.5G），GPRS在許多方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。


　　GPRS業(yè)務(wù)具有接入迅速、永遠(yuǎn)在線、流量計(jì)費(fèi)等特點(diǎn)，在遠(yuǎn)程突發(fā)性數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸中有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，特別適合于頻發(fā)小數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)傳輸，因而GPRS業(yè)務(wù)在某些行業(yè)上有特殊的應(yīng)用，比如：運(yùn)輸業(yè)、GPS汽車定位；金融、證券和商業(yè)，無(wú)線POS、無(wú)線ATM、自動(dòng)售貨機(jī)、流動(dòng)銀行等；遙測(cè)、遙感、遙控，如氣象、水文系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，對(duì)災(zāi)害進(jìn)行遙測(cè)和告警，遠(yuǎn)程操作；城市公用事業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)，如水、電、氣以及熱水系統(tǒng)、污水管網(wǎng)等的實(shí)時(shí)監(jiān)控和維護(hù)，等等。


　　雖然GPRS按照流量收費(fèi)，但是當(dāng)瀏覽有大量圖片的網(wǎng)頁(yè)時(shí)，費(fèi)用同樣大得驚人。因此GPRS更適合應(yīng)用在小數(shù)據(jù)量、低實(shí)時(shí)性要求的場(chǎng)合，而本系統(tǒng)正是基于此而設(shè)計(jì)的。��


三、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)


1�庇布�實(shí)現(xiàn)


　　在本系統(tǒng)中，單片機(jī)P89C51RD2通過(guò)RS232數(shù)據(jù)口，利用MAX232完成TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換后與G18模塊相連接，單片機(jī)完成對(duì)G18模塊的初始化和基于GPRS業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)收發(fā)功能。同時(shí)利用芯片16C550實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串/并轉(zhuǎn)換，擴(kuò)展MAX232標(biāo)準(zhǔn)串口與其它嵌入式系統(tǒng)或PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時(shí)在本系統(tǒng)中，利用P89C51RD2的串口和ISP功能，完成了系統(tǒng)的軟件編程。圖1是系統(tǒng)的硬件框圖。��




　　P89C51RD2是PHILIPS 公司內(nèi)核基于8 位80C51 單片機(jī)的派生產(chǎn)品，它在完全保留80C51 指令系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)的大框架外，做了多方面的加強(qiáng)、擴(kuò)展、和創(chuàng)新，最大限度地利用了原有結(jié)構(gòu)。它將原有的對(duì)外數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器的16 位尋址機(jī)制加以利用，把片上的RAM 擴(kuò)展到1K 字節(jié)、片上的FLASH EPROM 擴(kuò)展到64K 字節(jié)，滿足當(dāng)今用嵌入式高級(jí)語(yǔ)言對(duì)片上大存儲(chǔ)容量的需要。


　　該芯片的２個(gè)最顯著特點(diǎn)是：ISP（In-System Programming）功能和IAP（In-ApplicationProgramming）功能。ISP 為在系統(tǒng)可編程，是指電路板上的空白器件可以編程寫(xiě)入最終用戶代碼，而不需要從電路板上取下器件，已經(jīng)編程的器件也可以用ISP 方式擦除或再編程。IAP 為在應(yīng)用中可編程，是指MCU可以在系統(tǒng)中獲取新代碼，并對(duì)自己重新編程，即可用程序來(lái)改變程序。在系統(tǒng)中我們利用P89C51RD2的串口實(shí)現(xiàn)了ISP功能，進(jìn)行系統(tǒng)的軟件編程。


　　G18模塊是摩托羅拉公司生產(chǎn)的GSM調(diào)制解調(diào)器，它支持２種操作模式，一種是電路交換數(shù)據(jù)模式CSD，支持語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、SMS和FAX業(yè)務(wù)；一種是分組交換模式GPRS，采用多時(shí)隙，支持CS1—CS4編碼。兩者最大的區(qū)別是GPRS傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不需要再撥號(hào)，2種模式的選擇是通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)。G18模塊提供9線的RS232接口和DSC總線接口2種方式。��


2．TCP/IP協(xié)議軟件實(shí)現(xiàn)


　　在本系統(tǒng)中，需要利用TCP/IP協(xié)議來(lái)完成GPRS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的裝幀和拆幀，而由于MCU資源有限，怎樣在有限的資源上完成必需的功能就是嵌入式TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在，也就是合理地簡(jiǎn)化協(xié)議。通常TCP/IP協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，其分層模型及協(xié)議如表1所示。



　　應(yīng)用層：就是負(fù)責(zé)處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)，在本系統(tǒng)中只實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議。


　　傳輸層：主要為２臺(tái)主機(jī)上的應(yīng)用程序提供端到端的通信，TCP協(xié)議是為２臺(tái)主機(jī)提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信，這里采用TCP傳輸控制協(xié)議。


　　網(wǎng)絡(luò)層：Internet所有的數(shù)據(jù)都以IP 數(shù)據(jù)報(bào)格式傳輸，其最大特點(diǎn)是提供不可靠的和無(wú)連接的數(shù)據(jù)包傳送服務(wù)。在GPRS業(yè)務(wù)中，每一次鏈接都會(huì)具體分配一個(gè)IP地址，因此用ARP/RARP協(xié)議完成IP地址與物理地址的映射，即地址解析。用ICMP協(xié)議判斷網(wǎng)絡(luò)是否連通。��數(shù)據(jù)鏈路層：GPRS業(yè)務(wù)是采用IP Over PPP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)終端的接入，這部分功能由單片機(jī)控制G18模塊，采用PPP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。


　　在應(yīng)用要求高的場(chǎng)合，通常需要支持完整的TCP/IP協(xié)議族，而在嵌入式系統(tǒng)中也是可以做到的，但是考慮到成本和具體的應(yīng)用場(chǎng)合，則沒(méi)有必要包括所有的TCP/IP協(xié)議族�？梢钥吹剑�采用TCP/IP協(xié)議需要對(duì)它進(jìn)行合理的裁剪，以滿足小ROM系統(tǒng)的情況。��


3．工作原理


　　在利用G18模塊的GPRS業(yè)務(wù)瀏覽HTTP等功能之前，必須先激活GPRS網(wǎng)的PDP連接，單片機(jī)通過(guò)正確的AT指令和GPRS命令集對(duì)G18模塊進(jìn)行初始化和數(shù)據(jù)的接收發(fā)送，其工作流程如圖2所示。


　　當(dāng)單片機(jī)上電復(fù)位后，首先對(duì)16C550進(jìn)行初始化，完成與外接模塊協(xié)商處理，如波特率、是否有奇偶校驗(yàn)等；接著通過(guò)P3口對(duì)G18模塊進(jìn)行初始化，檢查諸如SIM卡情況、GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況、信號(hào)情況等。接下來(lái)將對(duì)16C550實(shí)現(xiàn)中斷掃描監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)來(lái)了，就啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理過(guò)程；如果沒(méi)有，系統(tǒng)則進(jìn)入節(jié)電模式。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，如果檢測(cè)到系統(tǒng)的信號(hào)不好，網(wǎng)絡(luò)連接不暢通，或者不是GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)，將進(jìn)行不同的處理。


　　在調(diào)試過(guò)程中，可以看到要保證系統(tǒng)的穩(wěn)健性是非常困難的，特別是考慮到實(shí)際系統(tǒng)的時(shí)候。��



四、結(jié)束語(yǔ)


　　本系統(tǒng)采用嵌入式TCP/IP協(xié)議，在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)G18模塊的控制，并實(shí)現(xiàn)了GPRS業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸功能，具有成本低、電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。GPRS無(wú)線智能控制終端以GPRS網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，它的無(wú)線數(shù)據(jù)系統(tǒng)有很廣泛的應(yīng)用：首先是支持傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，或者公司內(nèi)部網(wǎng)(INTRANET)，或者基于IP的遠(yuǎn)程LAN接入；其次可以支持B2B、B2C的電子商務(wù)和電子支付、股票交易、銀行轉(zhuǎn)帳等應(yīng)用；最后還可用于抄表、遙測(cè)、車輛交通工具定位、自動(dòng)售貨機(jī)控制管理。該智能終端將使得這些應(yīng)用更容易、更廣泛、更廉價(jià)。��



參考文獻(xiàn)



［１］ＧＰＲＳ技術(shù)講座［ＥＢ／ＯＬ］．www.dei-son.com.


［２］羅嘉．網(wǎng)絡(luò)化智能家居系統(tǒng)(第四屆“Motorola杯”嵌入式處理器設(shè)計(jì)應(yīng)用大獎(jiǎng)賽MCU組參賽作品)［Ｚ］


［３］陳學(xué)泉，關(guān)宇東�鼻度胧絋CP/IP協(xié)議單片機(jī)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用.電子技術(shù)應(yīng)用［Ｊ］．2002，（8）：48～49．��




摘自　電訊技術(shù)