基于GPRS數據傳輸智能終端的實現

2019-11-03 09:15:37

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供稿：網友

胡科，蔡方凱，胡蓉

成都電子機械高等專科學校通信工程系

　　摘要：介紹了利用單片機控制GPRS調制解調器模塊實現GSM網絡GPRS業務數據接入的智能終端系統，詳細介紹了系統的硬件電路實現、單片機與GPRS模塊的接口方式，以及嵌入式TCP/ip協議在本系統中的應用和實現。

　　關鍵詞：無線接入系統；數據傳輸終端；單片機；通用無線分組業務；調制解調器；TCP/IP協議

一、引言

　　隨著通信技術、微電子技術的進步和智能化建設的發展，越來越多的設備如家電、電表、工業終端等都有了聯網的需求，并且有大量的數據需要傳輸，而在很多場合有線連接的方式已經不能滿足人們的需要，無線接入以其方便、快捷和廉價的優勢，彌補了有線方式的不足。覆蓋全國的GPRS網絡已成為一種可持續利用和開發的資源，因而在此基礎上開發出滿足需求的無線接入產品就成為可能。GPRS網絡為GSM網絡的升級結構，在GSM的基站子系統部分增加了分組控制單元，在網絡子系統部分增加了服務GPRS支持節點（SGSN）和網關GPRS支持節點（GGSN），并且都進行了軟件升級，從而實現了GSM網絡平滑升級。目前GSM無線數據傳輸的方式主要有：基于電路交換的數據傳輸(CSD，即Circuit Switch Data），如短消息SMS、FAX等；基于分組交換的通用無線分組業務(GPRS，即General Packet Radio Service）。而其中以GPRS業務傳輸數據具有實時性好、費用低的優勢，可以很容易地和其他帶有GPRS接入能力的設備進行連接和通信，數據通過GPRS網絡發送到任何在GSM公網覆蓋范圍內的遠端服務器或類似的終端中。本系統就是利用單片機對GSM調制解調器G18模塊進行控制，采用嵌入式TCP/IP協議軟核實現GPRS業務數據的裝幀和拆幀，從而實現GPRS業務數據接入。

二、GPRS業務的優勢

　　GPRS是GSM Phase 2+階段引入的一種基于分組的數據業務，是歐洲電信協會GSM系統中有關分組數據所規定的標準。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發結構、無線調制標準、跳頻規則以及相同的TDMA幀結構，因此它的一個較大的優勢是能夠充分利用現有的GSM網。GPRS是基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS充分利用共享無線信道，采用IP Over PPP實現數據終端的高速、遠程接入。作為現有GSM網絡向第三代移動通信演變的過渡技術（2.5G），GPRS在許多方面都具有顯著的優勢。

　　GPRS業務具有接入迅速、永遠在線、流量計費等特點，在遠程突發性數據實時傳輸中有不可比擬的優勢，特別適合于頻發小數據量的實時傳輸，因而GPRS業務在某些行業上有特殊的應用，比如：運輸業、GPS汽車定位；金融、證券和商業，無線POS、無線ATM、自動售貨機、流動銀行等；遙測、遙感、遙控，如氣象、水文系統收集數據，對災害進行遙測和告警，遠程操作；城市公用事業實時監控維護系統，如水、電、氣以及熱水系統、污水管網等的實時監控和維護，等等。

　　雖然GPRS按照流量收費，但是當瀏覽有大量圖片的網頁時，費用同樣大得驚人。因此GPRS更適合應用在小數據量、低實時性要求的場合，而本系統正是基于此而設計的。

三、系統的實現

1硬件實現

　　在本系統中，單片機P89C51RD2通過RS232數據口，利用MAX232完成TTL/CMOS電平轉換后與G18模塊相連接，單片機完成對G18模塊的初始化和基于GPRS業務的數據收發功能。同時利用芯片16C550實現數據的串/并轉換，擴展MAX232標準串口與其它嵌入式系統或PC機進行數據交換。同時在本系統中，利用P89C51RD2的串口和ISP功能，完成了系統的軟件編程。圖1是系統的硬件框圖。

　　P89C51RD2是PHILIPS 公司內核基于8 位80C51 單片機的派生產品，它在完全保留80C51 指令系統和硬件結構的大框架外，做了多方面的加強、擴展、和創新，最大限度地利用了原有結構。它將原有的對外數據和程序存儲器的16 位尋址機制加以利用，把片上的RAM 擴展到1K 字節、片上的Flash EPROM 擴展到64K 字節，滿足當今用嵌入式高級語言對片上大存儲容量的需要。

　　該芯片的２個最顯著特點是：ISP（In-System Programming）功能和IAP（In-applicationProgramming）功能。ISP 為在系統可編程，是指電路板上的空白器件可以編程寫入最終用戶代碼，而不需要從電路板上取下器件，已經編程的器件也可以用ISP 方式擦除或再編程。IAP 為在應用中可編程，是指MCU可以在系統中獲取新代碼，并對自己重新編程，即可用程序來改變程序。在系統中我們利用P89C51RD2的串口實現了ISP功能，進行系統的軟件編程。

　　G18模塊是摩托羅拉公司生產的GSM調制解調器，它支持２種操作模式，一種是電路交換數據模式CSD，支持語音、數據、SMS和FAX業務；一種是分組交換模式GPRS，采用多時隙，支持CS1—CS4編碼。兩者最大的區別是GPRS傳輸數據時不需要再撥號，2種模式的選擇是通過硬件電路實現。G18模塊提供9線的RS232接口和DSC總線接口2種方式。

2．TCP/IP協議軟件實現

　　在本系統中，需要利用TCP/IP協議來完成GPRS業務數據的裝幀和拆幀，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協議實現的關鍵所在，也就是合理地簡化協議。通常TCP/IP協議采用分層結構，其分層模型及協議如表1所示。

　　應用層：就是負責處理特定的應用程序細節，在本系統中只實現HTTP協議。

　　傳輸層：主要為２臺主機上的應用程序提供端到端的通信，TCP協議是為２臺主機提供高可靠性的數據通信，這里采用TCP傳輸控制協議。

　　網絡層：Internet所有的數據都以IP 數據報格式傳輸，其最大特點是提供不可靠的和無連接的數據包傳送服務。在GPRS業務中，每一次鏈接都會具體分配一個IP地址，因此用ARP/RARP協議完成IP地址與物理地址的映射，即地址解析。用ICMP協議判斷網絡是否連通。數據鏈路層：GPRS業務是采用IP Over PPP實現數據終端的接入，這部分功能由單片機控制G18模塊，采用PPP協議實現。

　　在應用要求高的場合，通常需要支持完整的TCP/IP協議族，而在嵌入式系統中也是可以做到的，但是考慮到成本和具體的應用場合，則沒有必要包括所有的TCP/IP協議族。可以看到，采用TCP/IP協議需要對它進行合理的裁剪，以滿足小ROM系統的情況。

3．工作原理

　　在利用G18模塊的GPRS業務瀏覽HTTP等功能之前，必須先激活GPRS網的PDP連接，單片機通過正確的AT指令和GPRS命令集對G18模塊進行初始化和數據的接收發送，其工作流程如圖2所示。

　　當單片機上電復位后，首先對16C550進行初始化，完成與外接模塊協商處理，如波特率、是否有奇偶校驗等；接著通過P3口對G18模塊進行初始化，檢查諸如SIM卡情況、GPRS網絡覆蓋情況、信號情況等。接下來將對16C550實現中斷掃描監控，一旦發現有數據來了，就啟動數據處理過程；如果沒有，系統則進入節電模式。在數據處理過程中，如果檢測到系統的信號不好，網絡連接不暢通，或者不是GPRS網絡覆蓋區，將進行不同的處理。

　　在調試過程中，可以看到要保證系統的穩健性是非常困難的，特別是考慮到實際系統的時候。

四、結束語

　　本系統采用嵌入式TCP/IP協議，在單片機上實現了對G18模塊的控制，并實現了GPRS業務的數據傳輸功能，具有成本低、電路簡單的特點。GPRS無線智能控制終端以GPRS網絡為基礎，它的無線數據系統有很廣泛的應用：首先是支持傳統的互聯網應用，或者公司內部網(INTRANET)，或者基于IP的遠程LAN接入；其次可以支持B2B、B2C的電子商務和電子支付、股票交易、銀行轉帳等應用；最后還可用于抄表、遙測、車輛交通工具定位、自動售貨機控制管理。該智能終端將使得這些應用更容易、更廣泛、更廉價。

參考文獻

［１］ＧＰＲＳ技術講座［ＥＢ／ＯＬ］．www.dei-son.com.

［２］羅嘉．網絡化智能家居系統(第四屆“Motorola杯”嵌入式處理器設計應用大獎賽MCU組參賽作品)［Ｚ］

［３］陳學泉，關宇東嵌入式TCP/IP協議單片機技術在網絡通信中的應用.電子技術應用［Ｊ］．2002，（8）：48～49．

摘自　電訊技術

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