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前言 目前，GPS定位信息傳輸管理系統已廣泛應用在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，警車(chē)、救護車(chē)、運鈔車(chē)、長(cháng)途運輸車(chē)上都可以看到它的蹤影。這些定位信息傳輸系統大多是基于手機短消息業(yè)務(wù)的。但這種形式存在著(zhù)很多不足，首先它通信費用較高，通常每條短消息承載的坐標信息也不會(huì )太多；再者通過(guò)手機短消息發(fā)送延時(shí)不確定，這會(huì )導致定位跟蹤目標的丟失；另外一般短信息服務(wù)器端必須向電信公司申請專(zhuān)門(mén)的業(yè)務(wù)服務(wù)，才能利用自己的服務(wù)器進(jìn)行短消息的接受和處理。電信的此項業(yè)務(wù)價(jià)格不菲，一般單位負擔不起。 利用GPRS業(yè)務(wù)可以較為圓滿(mǎn)的解決上述問(wèn)題。首先GPRS系統費用較低。GPRS建立鏈路以后，相當于專(zhuān)線(xiàn)直接接入因特網(wǎng)，利用TCP/IP協(xié)議，數據可靠而且穩定。而且信息管理中心的服務(wù)器只需要是普通的接入因特網(wǎng)的主機，大大節省了服務(wù)器端的開(kāi)銷(xiāo)。 本文討論的就是就是利用GPRS業(yè)務(wù)傳送GPS定位信息的實(shí)例模型。當然，GPS定位信息只是整個(gè)信息傳輸管理系統的一個(gè)應用，通過(guò)更換不同的數據源模塊可實(shí)現不同的信息傳輸，從而構建不同的信息傳輸管理系統，如遠程抄表系統、水文數據采集系統等等。 圖1 移動(dòng)終端硬件組成框圖 系統構成 整個(gè)信息傳輸管理系統由移動(dòng)終端、GSM網(wǎng)絡(luò )、因特網(wǎng)、信息管理中心服務(wù)器四部分組成。 移動(dòng)終端將GPS數據組成GPRS數據分組，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )和因特網(wǎng)，上傳到信息管理中心服務(wù)器。服務(wù)器應當具備至少一個(gè)IP地址，并且擁有電子地圖。 信息管理中心也可以通過(guò)因特網(wǎng)和GPRS網(wǎng)絡(luò )向移動(dòng)終端發(fā)出各種指令。 移動(dòng)終端硬件組成 移動(dòng)終端的硬件部分主要有GPRS手機模塊、GPS模塊、MCU及電源四部分，連接關(guān)系如下圖1所示。其中的GPRS模塊為西門(mén)子的MC35，這是一個(gè)完整功能的手機模塊，通過(guò)串口可以實(shí)現對此模塊的控制和數據傳輸，包括短信、WAP、GPRS、CSD等。另外加上模擬部分電路，可實(shí)現GSM話(huà)音通信功能。對MC35的控制用的是AT命令方式。 GPS模塊是EverMore公司的EB-023CV-A/IV-A，它通過(guò)外接天線(xiàn)接收GPS信號，計算出所處位置的地理信息，通過(guò)串口將此信息傳送給MCU。 MCU采用ATMEL公司的ATMEGA128八位控制處理器，選擇此MCU是基于諸多考慮的。首先是功能強大，幾乎在單片中包容了所有常用的功能。其次，價(jià)格相對便宜。再者開(kāi)發(fā)容易，開(kāi)發(fā)裝置便宜，而且支持C語(yǔ)言源程序調試。 在此移動(dòng)終端中，我們采用了如下的一些必需的功能。 首先是它的兩個(gè)硬件串口，這兩個(gè)串口的波特率產(chǎn)生是獨立的，而且不占用芯片的定時(shí)器，使用起來(lái)相當靈活。這兩個(gè)串口分別對GPS模塊和GPRS模塊通信，對GPS模塊用4800bps或9600bps單收，對GPRS模塊用19200bps收發(fā)。GPS模塊把位置信息以固定的格式從串口發(fā)出，CPU接收GPS模塊送來(lái)的數據，解析出其中有用的數據進(jìn)行封裝，然后以規定的格式通過(guò)第二個(gè)串口交給GPRS模塊，將數據送上因特網(wǎng)。 其次，4K字節的EEPROM可用于存放一些可設置的參數如移動(dòng)終端的識別號或IP地址、信息管理中心服務(wù)器的IP地址等。 再次，4K字節的SRAM相對其它的8位機來(lái)講是相當大了，可以滿(mǎn)足做組幀、數據緩沖的要求。 64K字的FLASH可以滿(mǎn)足較大程序量的要求。 64K字 的FLASH和4KRAM的組合可以完成對信息數據的加解密工作，可提供某些特定場(chǎng)合使用。 我們引出了某些I/O口，通過(guò)光電耦合器隔離后引至其它監測點(diǎn)，可以擴展相應的功能。 另外，我們留出了總線(xiàn)擴展口，可擴展64K字節的SRAM，一方面可以用于嵌入帶PPP協(xié)議棧的實(shí)時(shí)操作系統，另一方面可以用于使用ATMEGA128的在線(xiàn)自我編程功能來(lái)遠程刷新程序。 由于用于移動(dòng)設備，需要低功耗器件，所以我們實(shí)際采用的是ATMEGA128L，即該芯片的低壓、低功耗版本，工作電壓為2.7V~5V。 由于GPRS模塊和GPS模塊均使用3.3V供電，所以可以減少電源種類(lèi)，簡(jiǎn)化電源設計。設計時(shí)考慮該移動(dòng)終端主要作為車(chē)載應用，所以實(shí)際電路中設計了 從點(diǎn)煙器取電的電源電路�？紤]到GPRS模塊的瞬時(shí)工作電流（發(fā)射時(shí)）較大，可達2A，工作電壓較低，點(diǎn)煙器輸出電壓可能為12V或24V，壓差過(guò)大。如果采用線(xiàn)性降壓器件效率太低，而且發(fā)熱劇烈，工作不安全，所以采用了開(kāi)關(guān)電源變換芯片LM2596。該芯片電路簡(jiǎn)單，效率較高。移動(dòng)終端利用Atmega128芯片控制實(shí)現，不用另行擴展串口、ROM以及RAM。當然，此硬件結構并不僅僅局限在定位功能上，對于很多數據采集應用也可以滿(mǎn)足要求，只需改變程序代碼。正是由于A(yíng)TMEGA128的功能強大，使得硬件的組成和結構都變得非常簡(jiǎn)單。 圖2 PPP幀格式 軟件控制流程 由于采用了ATMEGA128作控制器，使得硬件的工作相對簡(jiǎn)單和通用，所以該系統實(shí)現的主要工作集中在軟件的實(shí)現上。 下面就主要的軟件控制流程做一介紹。 首先是數據源，GPS模塊不斷發(fā)送固定格式的串口數據，CPU利用一串口與之相連。一般單片機對串口數據的接受處理方式有兩種：輪尋和中斷。這里因為數據量很大，而且除了接收數據外其他的工作量并不很大，可以采用輪尋的方式。我們最終的目的是要把位置信息發(fā)送到因特網(wǎng)上，在此之前，最前言目前，GPS定位信息傳輸管理系統已廣泛應用在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，警車(chē)、救護車(chē)、運鈔車(chē)、長(cháng)途運輸車(chē)上都可以看到它的蹤影。這些定位信息傳輸系統大多是基于手機短消息業(yè)務(wù)的。但這種形式存在著(zhù)很多不足，首先它通信費用較高，通常每條短消息承載的坐標信息也不會(huì )太多；再者通過(guò)手機短消息發(fā)送延時(shí)不確定，這會(huì )導致定位跟蹤目標的丟失；另外一般短信息服務(wù)器端必須向電信公司申請專(zhuān)門(mén)的業(yè)務(wù)服務(wù)，才能利用自己的服務(wù)器進(jìn)行短消息的接受和處理。電信的此項業(yè)務(wù)價(jià)格不菲，一般單位負擔不起。 利用GPRS業(yè)務(wù)可以較為圓滿(mǎn)的解決上述問(wèn)題。首先GPRS系統費用較低。GPRS建立鏈路以后，相當于專(zhuān)線(xiàn)直接接入因特網(wǎng)，利用TCP/IP協(xié)議，數據可靠而且穩定。而且信息管理中心的服務(wù)器只需要是普通的接入因特網(wǎng)的主機，大大節省了服務(wù)器端的開(kāi)銷(xiāo)。 本文討論的就是就是利用GPRS業(yè)務(wù)傳送GPS定位信息的實(shí)例模型。當然，GPS定位信息只是整個(gè)信息傳輸管理系統的一個(gè)應用，通過(guò)更換不同的數據源模塊可實(shí)現不同的信息傳輸，從而構建不同的信息傳輸管理系統，如遠程抄表系統、水文數據采集系統等等。 圖3 軟件控制流程圖 系統構成 整個(gè)信息傳輸管理系統由移動(dòng)終端、GSM網(wǎng)絡(luò )、因特網(wǎng)、信息管理中心服務(wù)器四部分組成。 移動(dòng)終端將GPS數據組成GPRS數據分組，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )和因特網(wǎng)，上傳到信息管理中心服務(wù)器。服務(wù)器應當具備至少一個(gè)IP地址，并且擁有電子地圖。 信息管理中心也可以通過(guò)因特網(wǎng)和GPRS網(wǎng)絡(luò )向移動(dòng)終端發(fā)出各種指令。 移動(dòng)終端硬件組成 移動(dòng)終端的硬件部分主要有GPRS手機模塊、GPS模塊、MCU及電源四部分，連接關(guān)系如下圖1所示。其中的GPRS模塊為西門(mén)子的MC35，這是一個(gè)完整功能的手機模塊，通過(guò)串口可以實(shí)現對此模塊的控制和數據傳輸，包括短信、WAP、GPRS、CSD等。另外加上模擬部分電路，可實(shí)現GSM話(huà)音通信功能。對MC35的控制用的是AT命令方式。 GPS模塊是EverMore公司的EB-023CV-A/IV-A，它通過(guò)外接天線(xiàn)接收GPS信號，計算出所處位置的地理信息，通過(guò)串口將此信息傳送給MCU。 MCU采用ATMEL公司的ATMEGA128八位控制處理器，選擇此MCU是基于諸多考慮的。首先是功能強大，幾乎在單片中包容了所有常用 的功能。其次，價(jià)格相對便宜。再者開(kāi)發(fā)容易，開(kāi)發(fā)裝置便宜，而且支持C語(yǔ)言源程序調試。 在此移動(dòng)終端中，我們采用了如下的一些必需的功能。 首先是它的兩個(gè)硬件串口，這兩個(gè)串口的波特率產(chǎn)生是獨立的，而且不占用芯片的定時(shí)器，使用起來(lái)相當靈活。這兩個(gè)串口分別對GPS模塊和GPRS模塊通信，對GPS模塊用4800bps或9600bps單收，對GPRS模塊用19200bps收發(fā)。GPS模塊把位置信息以固定的格式從串口發(fā)出，CPU接收GPS模塊送來(lái)的數據，解析出其中有用的數據進(jìn)行封裝，然后以規定的格式通過(guò)第二個(gè)串口交給GPRS模塊，將數據送上因特網(wǎng)。 其次，4K字節的EEPROM可用于存放一些可設置的參數如移動(dòng)終端的識別號或IP地址、信息管理中心服務(wù)器的IP地址等。 再次，4K字節的SRAM相對其它的8位機來(lái)講是相當大了，可以滿(mǎn)足做組幀、數據緩沖的要求。 64K字的FLASH可以滿(mǎn)足較大程序量的要求。 64K字 的FLASH和4KRAM的組合可以完成對信息數據的加解密工作，可提供某些特定場(chǎng)合使用。 我們引出了某些I/O口，通過(guò)光電耦合器隔離后引至其它監測點(diǎn)，可以擴展相應的功能。 另外，我們留出了總線(xiàn)擴展口，可擴展64K字節的SRAM，一方面可以用于嵌入帶PPP協(xié)議棧的實(shí)時(shí)操作系統，另一方面可以用于使用ATMEGA128的在線(xiàn)自我編程功能來(lái)遠程刷新程序。 由于用于移動(dòng)設備，需要低功耗器件，所以我們實(shí)際采用的是ATMEGA128L，即該芯片的低壓、低功耗版本，工作電壓為2.7V~5V。 由于GPRS模塊和GPS模塊均使用3.3V供電，所以可以減少電源種類(lèi)，簡(jiǎn)化電源設計。設計時(shí)考慮該移動(dòng)終端主要作為車(chē)載應用，所以實(shí)際電路中設計了從點(diǎn)煙器取電的電源電路�？紤]到GPRS模塊的瞬時(shí)工作電流（發(fā)射時(shí)）較大，可達2A，工作電壓較低，點(diǎn)煙器輸出電壓可能為12V或24V，壓差過(guò)大。如果采用線(xiàn)性降壓器件效率太低，而且發(fā)熱劇烈，工作不安全，所以采用了開(kāi)關(guān)電源變換芯片LM2596。該芯片電路簡(jiǎn)單，效率較高。移動(dòng)終端利用Atmega128芯片控制實(shí)現，不用另行擴展串口、ROM以及RAM。當然，此硬件結構并不僅僅局限在定位功能上，對于很多數據采集應用也可以滿(mǎn)足要求，只需改變程序代碼。正是由于A(yíng)TMEGA128的功能強大，使得硬件的組成和結構都變得非常簡(jiǎn)單。 軟件控制流程 由于采用了ATMEGA128作控制器，使得硬件的工作相對簡(jiǎn)單和通用，所以該系統實(shí)現的主要工作集中在軟件的實(shí)現上。 下面就主要的軟件控制流程做一介紹。 首先是數據源，GPS模塊不斷發(fā)送固定格式的串口數據，CPU利用一串口與之相連。一般單片機對串口數據的接受處理方式有兩種：輪尋和中斷。這里因為數據量很大，而且除了接收數據外其他的工作量并不很大，可以采用輪尋的方式。我們最終的目的是要把位置信息發(fā)送到因特網(wǎng)上，在此之前，最為關(guān)鍵的就是將系統無(wú)線(xiàn)接入因特網(wǎng)，這個(gè)功能由GPRS提供，但我們必須對它進(jìn)行初始化，和鏈路控制。利用GPRS上網(wǎng)，和普通用戶(hù)通過(guò)PC機撥號上網(wǎng)原理相同，都是通過(guò)呼叫固定號碼的PPP服務(wù)器，進(jìn)行握手認證，以及協(xié)議的配置。正常情況下，完成握手以后，PPP鏈路建立。PPP 幀結構如圖3所示。此表未包括為同步而設置的字符和為透明性而設置的字符。傳送時(shí)由左向右傳送下圖的內容。 每個(gè)幀由一個(gè)標記序列開(kāi)始和結束。所有系統不斷檢測此標記，它用于對幀進(jìn)行同步。在兩幀之間只需要一個(gè)這樣的標記，兩上相繼的標記構成一個(gè)空幀，它被無(wú)響應拋棄，而不產(chǎn)生FC S錯誤。地址域是一個(gè)字節，也就是“所有站”地址。單獨站地址未被指定�！八姓尽钡刂繁仨毮軌蜃R別并被接受。不可識別的地址應該被無(wú)回應拋棄�？刂朴蚴且粋�(gè)字節，“未編號信息”（UI）命令和選舉/結果位被設置為零。不可識別的地址應該被無(wú)回應拋棄。幀檢查序列（FCS）域通常包括兩個(gè)字節（16位）。先傳送它的最低位，它指示的是最高系數項。也使用四個(gè)字節的FCS，此域是由地址、控制、協(xié)議、信息和填充域中的所有位運算得到的，不包括開(kāi)始和停止位或用于數據透明性而插入的位，也不包括標記序列和FCS域本身。在同步控制字符映射中標記的字節在接收時(shí)存在，但在計算FCS時(shí)會(huì )被拋棄。與PPP服務(wù)器建立鏈路以后，就可以進(jìn)行數據的傳輸了。 鏈路層之上就是IP層，IP層之上可選的協(xié)議主要有面向連接的TCP協(xié)議和非面向連接的UDP協(xié)議。當業(yè)務(wù)的數據要求高可靠性時(shí)，應該選用TCP協(xié)議，但TCP協(xié)議實(shí)現起來(lái)復雜，而且系統負荷較大。UDP協(xié)議沒(méi)有可靠性的保證，但它對網(wǎng)絡(luò )的負荷較小，比較適合實(shí)時(shí)數據的傳輸。本系統對數據的可靠性要求不是特別高，比較適合選擇UDP協(xié)議。 Atmega128處理器中含有128k字節的可編程flash memory，4k字節的EEPROM，4k字節的SRAM。對于此系統，如果不嵌入RTOS內核，這些資源就足夠了。但如果沒(méi)有RTOS，在寫(xiě)控制程序時(shí)就沒(méi)有協(xié)議棧的支持，也就是說(shuō)，必須自己實(shí)現PPP協(xié)議、IP協(xié)議和UDP協(xié)議。如果要嵌入其他的操作系統，就必須擴展SRAM。本文中采用直接實(shí)現協(xié)議的方式進(jìn)行描述。圖3就是系統的軟件控制流程。 如果需要更強大的網(wǎng)絡(luò )功能支持，可以嵌入RTOS內核，現在有不少系統支持Atmega128，有的甚至是為它量身訂做的，像NUT/OS，內嵌了對各種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的支持，當然也包括PPP協(xié)議。它甚至專(zhuān)門(mén)對Atmega128的各種擴展做了支持，例如SPI接口。此外，NUT/OS包括了一套函數專(zhuān)門(mén)用來(lái)讓Atmega128訪(fǎng)問(wèn)擴展的以太網(wǎng)芯片，大大的縮短了開(kāi)發(fā)周期和開(kāi)發(fā)成本。 結語(yǔ) 隨著(zhù)時(shí)代節奏的不斷加快，實(shí)時(shí)信息傳送的應用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，需求量與日俱增。GPRS業(yè)務(wù)的推出，更加推動(dòng)了這一方向的迅猛發(fā)展，更加預示了它的廣闊前景。 |
