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近年來(lái)，通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，使得電力系統的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，GSM網(wǎng)絡(luò )出現后，技術(shù)人員很快把GSM模塊嵌入到各種儀器儀表中（如多功能電能表、故障測錄儀、抄表系統和用電負荷監控等），從而使這些儀器儀表具有遠程通信功能。 GPRS是在現有GSM系統上發(fā)展出來(lái)的一種新的數據承載業(yè)務(wù)，支持TCP/IP協(xié)議，可以與分組數據網(wǎng)（Internet等）直接互通。GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸系統的應用范圍非常廣泛。幾乎可以涵蓋所有的中低業(yè)務(wù)和低速率的數據傳輸，尤其適合突發(fā)的小流量數據傳輸業(yè)務(wù)。 本文設計的GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊，內嵌入了TCP/IP協(xié)議，采用工業(yè)級的GPRS模塊，適用于單片機數據采集傳輸系統沒(méi)有TCP/IP協(xié)議棧，但使用串口通信的情況。 GPRS通信原理及應用特點(diǎn) ◇ GPRS簡(jiǎn)介 GPRS是通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù)（General Pacpet Radio System）的縮寫(xiě)，是介于第二代和第三代之間的一種通信技術(shù)，通常稱(chēng)為2.5G。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結構、無(wú)線(xiàn)調制標準、調頻規則以及相同的TD-MA幀結構。因此，在GSM系統的基礎上構建GPRS系統時(shí)，GSM系統的絕大部分部件都不需要作硬件改動(dòng)，只需要作軟件升級，有了GPRS，用戶(hù)的呼叫建立時(shí)間大大縮短，幾乎可以做到“永遠在線(xiàn)”。此外，GPRS是以營(yíng)運商傳輸的數據量而不是連接時(shí)間為基準來(lái)計費，從而令每個(gè)用戶(hù)的服務(wù)成本更低。 ◇ 基本工作原理 GPRS是在原有的基于電路交換（CSD）方式的GSM網(wǎng)絡(luò )上引入兩個(gè)新的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)：GPRS服務(wù)支持節點(diǎn)（SG-SN）和網(wǎng)關(guān)支持節點(diǎn)（GGSN）。SGSN和MSC在同一等級水平，并跟蹤單個(gè)MS的存儲單元實(shí)現安全功能和接入控制，并通過(guò)幀中繼連接到基站系統，GGSN支持與外部分組交換網(wǎng)的互通，并經(jīng)由基于IP的GPRS骨干網(wǎng)和SGSN連通。圖1給出了GPRS與Internet進(jìn)行連接的原理框圖。 GPRS終端通過(guò)接口從客戶(hù)系統取得數據，處理后的GPRS分組數據發(fā)送到GSM基站，分組數據經(jīng)SGSN封裝后，SGSN通過(guò)GPRS骨干網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)支持接點(diǎn)GGSN進(jìn)行通信，GGSN對分組數據進(jìn)行相應的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò )，如Internet或X.25網(wǎng)絡(luò )。 若分組數據是發(fā)送到另一個(gè)GPRS終端，則一般將數據由GPRS骨干網(wǎng)發(fā)送到SGSN，再經(jīng)BSS發(fā)送到GPRS終端。 GPRS模塊的硬件設計 嵌入式GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊主要由嵌入TCP/IP的單片機（MSC1210Y5）、GPRS模塊、SIM卡座、外部接口和擴展數據存儲器等部分組成。圖2是其系統硬件框圖。 MSC1210主要用于控制GPRS模塊的信息接收和發(fā)送，并通過(guò)標準RS232串口和外部控制器（比如數據采集端）進(jìn)行數據通信，同時(shí)用軟件實(shí)現中斷，以完成數據轉發(fā)。 ◇ 單片機模塊 單片機采用美國德州儀器公司最新推出的基于8051內核的MCS1210Y5，該芯片具有很強的數據處理能力，時(shí)鐘頻率為33MHz，指令運行速度實(shí)際上與運行在99MHz時(shí)鐘頻率下的標準8051內核相當，32KB Flash程序存儲器，256B內部RAM和1024B片上SRAM，2KB啟動(dòng)ROM，支持串行和并行的在系統編程，雙數據指針DPTR0和DPTR1可加快數據塊的移動(dòng)速度，其主要實(shí)現過(guò)程如下： （1）通過(guò)AT指令初始化GPRS無(wú)線(xiàn)模塊，使之附著(zhù)在GPRS網(wǎng)絡(luò )上，以獲得網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商動(dòng)態(tài)分配的GPRS終端IP地址，并與目的終端建立連接。 （2）通過(guò)串口0擴展MAX232標準串口和外部控制器（例如數據采集端）連接，外部控制器端接出標準串口，按照約好的協(xié)議可很容易利用本設計的控制器進(jìn)行通信。 （3）復用P1.2和P1.3，也就是串口1分別和GPRS模塊的TXD0和RXD0連接，P1口的其他6個(gè)端口分別接到GPRS模塊對應的剩余RS232通信口。通過(guò)軟件置位完成對MC35的初始化和控制GPRS模塊的收發(fā)數據。 ◇ 擴展數據存儲器 MSC1210的Flash存儲器可全部作為Flash程序存儲器，也可以全部作為數據Flash程序，因為要嵌入實(shí)時(shí)操作系統和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，需要一定的空間，因此將其全部用作程序存儲器，而通過(guò)74HC573作為地址鎖存器，擴展6264作為外部數據存儲器，8KB的數據存儲空間足夠程序正常運行了，圖3所示是MSC1210與數據存儲器之間的硬件連接圖。 ◇ GPRS無(wú)線(xiàn)數傳模塊 GPRS無(wú)線(xiàn)模塊作為終端的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，把從單片機發(fā)送過(guò)來(lái)的IP包或基站轉來(lái)得的分組數據進(jìn)行相應的處理后再轉發(fā)。 GPRS模塊采用德國Simens公司生產(chǎn)的MC35模塊。MC35模塊主要由射頻天線(xiàn)，內部Flash、SRAM、GSM基帶處理器、匹配電源和一個(gè)40腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件，其作用相當于一個(gè)協(xié)議處理器，用來(lái)處理外部系統通過(guò)串口發(fā)送AT指令，射頻天線(xiàn)部分主要實(shí)現信號的調制和解調，以及外部射頻信號與內部基帶處理器之間的信號轉換，匹配電源為處理器基射頻部分提供所需的電源。MC35的外圍電路如圖4所示。 圖中，由AS2815將外部電壓轉換成3.3V工作電壓。系統中的啟動(dòng)電路由三極管和上電復位電路組成，模塊上電后，為使之正常工作，必須在15腳加至少100ms的低電平信號，啟動(dòng)后，15腳信號應保持高電平。 MC35在ZIF連接器上為SIM卡接口預留的引腳數為6個(gè)，要注意的是，CCIN引腳用來(lái)檢測SIM卡座是否插有SIM卡，當插入SIM卡，該引腳置為高電平時(shí)，系統方可進(jìn)入正常工作。 SYNC引腳有兩種工作模式：一種是指示發(fā)射狀態(tài)時(shí)的功率增長(cháng)情況，另一種是指示MC35的工組狀態(tài)，本設計中使用后一種模式，LED熄滅時(shí)，表明MC35處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài)；當LED為600ms亮/600ms熄時(shí)，表明SIM卡沒(méi)有插入或MC35正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )登陸；當LED為75ms為亮/3s熄時(shí)，表明MC35已登陸進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )，處于待機狀態(tài)。 單片機通信程序設計 該程序軟件中的所有代碼都用C語(yǔ)言編寫(xiě)，在Keil環(huán)境中編譯，Keil是Keil Software公司為8051及其兼容產(chǎn)品提供的專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)工具，它支持在系統調試，Keil中C51譯碼器很好地集成了RTX多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統，編寫(xiě)程序時(shí)，需在源代碼頭加入“#incluede rtx51.h”。所有代碼調試后經(jīng)由TI Downloader下載到存儲器中。 目前，絕大多數基于GPRS網(wǎng)絡(luò )應用系統所使用的GPRS模塊不支持TCP/IP協(xié)議，也就是說(shuō)，要想工作在相同的網(wǎng)絡(luò )層面上，其內部傳輸的數據必須都要采用相同的協(xié)議，所以除了利用GPRS模塊的功能外，必須在單片機系統中嵌入按TCP/IP和PPP協(xié)議標準編寫(xiě)的程序，從而使設計的終端設備能夠方便的應用GPRS數據分組業(yè)務(wù)。 ◇ TCP/IP協(xié)議的嵌入 有很多種方法可以完成協(xié)議轉換，本設計利用在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統RTX51中移植部分IP和PPP協(xié)議來(lái)增強系統的可擴展性和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的可延續性。 TCP/IP協(xié)議是一個(gè)標準協(xié)議套件，可以用分層模型來(lái)描述，數據打包處理數據時(shí)，每一層把自己的信息添加到一個(gè)數據頭中,而這個(gè)數據頭又被下一層中的協(xié)議包裝到數據體中。數據解包處理程序接收到GPRS數據時(shí)，把相應的數據頭剝離，并把數據包的其余部分當做數據體對待。 考慮到嵌入式系統的特點(diǎn)，本設計采用了系統開(kāi)銷(xiāo)較小的IIP+UDP協(xié)議來(lái)實(shí)現GPRS通信，主機發(fā)送的UDP數據報文經(jīng)GPRS通道傳送給GPRS通信模塊，GPRS通信模塊負責對數據報進(jìn)行解析，解析后的數據按照一定的波特率串行傳送給用戶(hù)終端。 ◇ 數據處理 數據包在主機和GPRS服務(wù)器群中傳輸使用的是基于IP的分組，即所有的數據報文都要基于IP包，但明文傳送IP包不可取。故一般使用PPP協(xié)議進(jìn)行傳輸，模塊向網(wǎng)關(guān)發(fā)送PPP報文都會(huì )傳送到Internet網(wǎng)中相應的地址。而從Internet傳送過(guò)來(lái)的應答幀也同樣會(huì )根據IP地址傳送到GPRS模塊，從而實(shí)現采集數據和Internet網(wǎng)絡(luò )通過(guò)GPRS模塊的透明傳輸。 要注意的是，GSM網(wǎng)絡(luò )無(wú)靜態(tài)IP地址，故其他通信設備不能向它提出建立連接請求，監控中心必須擁有一個(gè)固定的IP，以便監測終端可以在登陸GSM網(wǎng)絡(luò )后通過(guò)該IP找到監控中心，關(guān)于這一點(diǎn)，很容易解決，只需在電信申請相應的服務(wù)就可以了。 GPRS模塊登陸上GSM網(wǎng)絡(luò )后，自動(dòng)連接到數據中心，向數據中心報告其IP地址，并保持和維護數據鏈路的連接，GPRS監測鏈路的連接情況，一旦發(fā)生異常，GPRS模塊自動(dòng)重新建立鏈路，數據中心和GPRS模塊之間就可以通過(guò)I地址通過(guò)UDP/IP協(xié)議進(jìn)行雙向通信，實(shí)現透明的可靠數據傳輸。 上位機監控中心的設計 監控中心的功能是實(shí)現GPRS信息的接收和保存，設計語(yǔ)言采用Microsoft公司的Visual C++編程語(yǔ)言，C++語(yǔ)言應用靈活，功能強大，并對網(wǎng)絡(luò )編程和數據庫有強大的支持。 由于通過(guò)GPRS中心監控部分可以直接訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，所以監控部分并不需要再設置GPRS模塊，中心只需通過(guò)中心軟件偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )，接收GPRS無(wú)線(xiàn)模塊傳來(lái)的UDP協(xié)議的IP包和發(fā)送上位機控制信息，以實(shí)現與GPRS終端的IP協(xié)議通信。接收到的信息要保存到中心的數據庫中，以備查歷史記錄。數據庫采用Access，用VC編制的界面窗口能推動(dòng)AD（）訪(fǎng)問(wèn)Access中的數據，也可通過(guò)Socket接收網(wǎng)絡(luò )終端信息。 Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò )的API，Socket接口定義了許多函數和例程，程序員可以利用它來(lái)開(kāi)發(fā)TCPIP網(wǎng)絡(luò )上的應用程序，VC中的MFC列提供了CAsyncSocket這樣一個(gè)套接字類(lèi)，用它來(lái)實(shí)現Socket編程非常方便，本設計采用數據報文式的Socket，這是一種無(wú)連接的Socket，對應于無(wú)連接的UDP服務(wù)應用。 CAsyncSocket使用DoCallBack函數來(lái)處理MFC消息，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )事件發(fā)生時(shí)，DoCallBack函數按照網(wǎng)絡(luò )時(shí)間類(lèi)型FD_READ、FD_WRITE、FD_ACCEPT和FD_CON-NECT來(lái)分別調用OnReceive、OnSend、OnAccept和OnCon-nect函數，以驅動(dòng)相應的事件，從而完成網(wǎng)絡(luò )數據通信。 結束語(yǔ) 本文采用嵌入式TCP/IP協(xié)議，通過(guò)高速8位單片機實(shí)現GPRS業(yè)務(wù)的數據傳輸功能，具有外圍電路少，電路簡(jiǎn)單，系統成本低等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)標準RS232串口和外部控制器連接，只需按照預先規定的協(xié)議就可互相通信，通用性較強，系統軟件均使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，稍加改動(dòng)就可以在各種控制器上實(shí)現，可移植性也較強。 基于GPRS的系統有有一定的缺點(diǎn)，例如，現在的GPRS網(wǎng)還不夠穩定，有丟包的現象，主控制器要實(shí)現IP協(xié)議，使用起來(lái)比較復雜；上位機基于互聯(lián)網(wǎng)的解決方案保密性較差等，上述問(wèn)題經(jīng)過(guò)精細設計是可以避免和解決的，所以基于GPRS的設計仍具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢。 |
