基于GPRS的無(wú)線(xiàn)數據采集與傳輸終端

2004年8月A版

摘  要：本文從系統上給出了一個(gè)無(wú)線(xiàn)數據采集和傳輸終端的實(shí)現方案，并且詳細討論了實(shí)現上的技術(shù)難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：GPRS；無(wú)線(xiàn)數據采集；傳輸終端

　　無(wú)線(xiàn)數據采集與傳輸的應用范圍非常廣，涉及行業(yè)有電力、水利、公安、交通、石油、安防和金融等。中國移動(dòng)公司在2002年5月正式開(kāi)通了通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)GPRS網(wǎng)絡(luò )。GPRS網(wǎng)絡(luò )支持TCP／IP協(xié)議并且覆蓋面廣，比起使用短消息和超短波無(wú)線(xiàn)數傳電臺進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據傳輸，GPRS無(wú)論在費用、可靠性和可實(shí)施性等方面都具有很大的優(yōu)勢。

終端的系統組成

　　無(wú)線(xiàn)數據采集與傳輸終端的設計可以有兩套方案：第一套為“單片機＋GPRS調制解調器”，此方案雖然硬件成本較低，但功能比較有限，在協(xié)議的開(kāi)發(fā)和支持上都有一定難度；第二套方案為“嵌入式CPU＋GPRS 模塊”，此方案雖然硬件成本稍高，需要嵌入式CPU芯片來(lái)支持嵌入式操作系統，但可以實(shí)現豐富協(xié)議接口，便于移植和向高端系統應用升級，更加便于數據采集與傳輸的實(shí)現。

　　圖1給出了一個(gè)無(wú)線(xiàn)數據采集和傳輸終端組成的原理參考圖，采用Motorola半導體(編者注，現更名為：Freescale)嵌入式CPU MPC8xx加GPRS模塊CMS91的第二套實(shí)現方案。

　　終端工作原理為通過(guò)RS232/485口接收到用戶(hù)數據，然后將數據打成IP包，通過(guò)GPRS模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò )，再通過(guò)各種網(wǎng)關(guān)和路由將數據發(fā)送到數據處理中心。

　　下面對圖1中的組成原理進(jìn)行詳細介紹：

　　嵌入式CPU芯片是整個(gè)數據采集終端的核心，可以很好地支持嵌入式操作系統；考慮到嵌入式操作系統的移植方便性和性能要求，采用了當前成熟的Motorola MPC8xx嵌入式CPU。許多操作系統廠(chǎng)家都針對這種類(lèi)型的CPU開(kāi)發(fā)微碼和套件(BSP)，以方便用戶(hù)移植。

　　GPRS模塊主要完成無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)的功能。在市場(chǎng)上有一些成熟的產(chǎn)品，譬如說(shuō)Sony/Ericsson的GM47；Simens的MC35等。在這里選用Cellon公司的CMS91。它是一種雙頻段GSM/GPRS 10級模塊，主要優(yōu)點(diǎn)有：低功耗、接口簡(jiǎn)單、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS 10、開(kāi)發(fā)多媒體應用、價(jià)格較低等。同時(shí)，它也提供SMS(短消息服務(wù))和語(yǔ)音功能。GPRS模塊提供RS232接口，可以通過(guò)它來(lái)完成對模塊的控制，譬如撥號和切換模式等。一旦通過(guò)模塊連接上Internet，采集到的數據就可以用TCP/IP傳輸方式發(fā)送到任意一個(gè)具有公網(wǎng)IP地址的主機上去，從而實(shí)現采集數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。

　　數據采集一般采用標準RS232或RS485接口，采集壓力、溫度等傳感器數據。由CPU負責對采集到的數據進(jìn)行運算和處理，然后交給GPRS模塊將其發(fā)送給遠程數據中心。

　　Watchdog主要用來(lái)防止終端系統死機。通過(guò)軟件定時(shí)寫(xiě)數據到WD硬件，一旦系統死機，軟件工作不正常，WD硬件由于接收不到數據而產(chǎn)生硬件中斷，從而系統自動(dòng)重啟。

　　ROM主要用于保存嵌入式操作系統、應用程序及相關(guān)配置參數，通過(guò)內部總線(xiàn)直接與CPU通信。在這里選用了Intel公司的28F320-J3，32M字節?？梢栽赗OM上完成文件系統，但需要在操作系統中加入文件系統處理模塊。

　　LCD是可選模塊，用來(lái)顯示狀態(tài)信息等。10Base-T也是可選模塊，方便調試。也可以利用NAT技術(shù)和10Base-T端口將終端作為連接Internet的網(wǎng)關(guān)。

實(shí)施中的技術(shù)難點(diǎn)

CPU通信端口的配置

　　在此設計中選用MPC850微處理器， 它是一個(gè)多用途的通用芯片，內部集成了微處理器和常用外圍組件，可用于各種控制領(lǐng)域。它是MPC860應用于通信系統的低成本實(shí)現，提供了更高的性?xún)r(jià)比，并在通信方面有所增強，比如通用串行總線(xiàn)(USB)的支持。MPC850集成了嵌入式PowerPC 核和一個(gè)為通信使用的專(zhuān)門(mén)的RISC通信處理器模塊(CPM)。MPC850 的 CPM 支持6個(gè)串行通道：一個(gè)串行通信控制器(SCC)，一個(gè)USB，兩個(gè)串行管理控制器(SMS)，一個(gè)I2C接口，和一個(gè)串行外圍接口電路SPI。通?？蓪⒁粋€(gè)SCC和兩個(gè)SMS配置成為通用串口UART，用以控制不同的模塊且速率可調。

ROM上文件系統的實(shí)現

　　普通的ROM操作只能以模塊操作，維護起來(lái)很不方便，而且由于在讀寫(xiě)的時(shí)候沒(méi)有緩沖操作，數據很容易丟失和出錯。在ROM上實(shí)現的文件系統 可以合理的分配和使用每一個(gè)區塊，減少了區塊遷移和區塊過(guò)度使用。本設計中采用Intel J3系列(28F320J3)閃存做為存儲設備， 實(shí)現了TrueFFS。首先在系統啟動(dòng)配置文件中配置TFFS的三層結構，修改MTD。系統啟動(dòng)時(shí)初始化文件系統和缺省路徑。如果成功，就生成了可操作的文件設備符。自此，用戶(hù)就可以使用一般的文件操作方式了(生成、讀、寫(xiě)和刪除)。要注意的是在讀寫(xiě)完文件后，要顯示關(guān)閉文件，以避免數據丟失。

設備作為網(wǎng)關(guān)時(shí)的網(wǎng)絡(luò )地址轉換(NAT)實(shí)現

　　采用NAT接入Internet改變了原來(lái)使用代理軟件接入Internet的方式，可采用兩種NAT的設置(動(dòng)態(tài)NAT和靜態(tài)NAT)實(shí)現Internet的接入。動(dòng)態(tài)NAT實(shí)現所有主機對Internet的訪(fǎng)問(wèn)。由于NAT具有隱藏網(wǎng)絡(luò )內部拓撲結構的功能，外部主機不能直接訪(fǎng)問(wèn)內部網(wǎng)站或主機。但通過(guò)動(dòng)、靜態(tài)NAT的聯(lián)合使用，既可以實(shí)現內外部互訪(fǎng)，又可以隱藏網(wǎng)絡(luò )內部拓撲結構，確保網(wǎng)絡(luò )安全。在具體實(shí)現中，首先要通過(guò)PPP撥號上GPRS網(wǎng)絡(luò )，得到分配地址。如果得到CPU通信端口上分配的網(wǎng)絡(luò )通信內部IP地址，然后配置NAT參數，將其中的兩個(gè)端口參數配置為GPRS網(wǎng)絡(luò )地址和內部通訊地址。最后用配置好的NAT參數將NAT初始化。

GPRS模塊工作模式的使用

　　利用CMS91進(jìn)行數據傳輸的主要方法有3種：

　　1.SMS Messages —可以用來(lái)傳輸字符或者二進(jìn)制數據，一般情況下每條SMS的字節長(cháng)度是140字節，SMS適合數據量小的對實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合。

　　2.Data Calls—在數據鏈路建立以后可以進(jìn)行透明或者非透明的數據傳輸。主要適合數據量比較大而傳輸次數較少的場(chǎng)合。

　　3.GPRS數據傳輸—適合所有情況下的數據傳輸，是未來(lái)的發(fā)展趨勢。
　
　　利用CMS91 GPRS模塊進(jìn)行基于Internet的數據通信SMS和Data Call應用有很大的不同，無(wú)論是SMS還是Data Call都是有相應的AT指令支持的，使用都是比較簡(jiǎn)單的、無(wú)需了解實(shí)際的運作流程，但是對于GPRS的數據應用，牽涉的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議方面的知識要相對較多。

　　在這種應用中，CMS91 GPRS模塊相當于一個(gè)無(wú)線(xiàn)調制解調器用戶(hù)的應用系統，需要通過(guò)PPP(LCP/PAP/IPCP)先和運營(yíng)商的Internet接入服務(wù)器連接，然后才能應用TCP/IP、UDP或者更高一層的應用層程序http、FTP等進(jìn)行通信。在目前的GPRS應用中，如果應用系統是基于操作系統的,由于系統功能比較強，可以采用完整的PPP協(xié)議，但是如果應用系統是采用MCU的，那么一般采用簡(jiǎn)化的PPP協(xié)議，將一些不兼容的信息拒絕掉。

　　利用GPRS進(jìn)行數據傳輸的結構有兩種，主要區別在于服務(wù)器端的位置：

　　服務(wù)器端采用普通Internet上的主機方式，或者服務(wù)器通過(guò)DDN(或其它高速連接的方式如ASDL)直接與中間移動(dòng)網(wǎng)CMNET連接的方式。

　　根據以上介紹的設計實(shí)施技術(shù)，不難寫(xiě)出一個(gè)完整的利用GPRS模塊基于Internet的數據通信流程。

結語(yǔ)

　　本文從系統結構和實(shí)現方式上介紹了一個(gè)基于GPRS的無(wú)線(xiàn)數據采集和傳輸終端的實(shí)現方法，尤其著(zhù)重描述了如何利用GPRS進(jìn)行數據通信。一般無(wú)線(xiàn)數據采集終端都用在專(zhuān)用系統中，如電力、水利等，特別適合小數據量低速數據傳輸要求，對工作穩定性的要求一般較高。在這里再提出一些成本和兼容性方面的設想：1.嵌入式CPU芯片由MPC8xx轉換為ARM芯片。2.網(wǎng)絡(luò )支持從GPRS升級到CDMA，可以通過(guò)更換無(wú)線(xiàn)通信模塊來(lái)實(shí)現。

參考文獻：

1.      陳凱旋、謝海滔，‘GPRS原理及其應用，鐵道通信信號’，2003年7月，Vol.39，No.7