引 言

近年來,通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展,特別是無線通信技術(shù)的發(fā)展,使得電力系統(tǒng)的自動化程度進(jìn)一步提高。gsm網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)后，技術(shù)人員很快把gsm模塊嵌入到各種儀表儀器中，如多功能電能表、故障測錄儀、抄表系統(tǒng)和用電負(fù)荷監(jiān)控等，從而使這些儀表儀器具有遠(yuǎn)程通信功能。

gprs是在現(xiàn)有g(shù)sm系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù),支持tcp/ip協(xié)議，可以與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（internet等）直接互通。gprs無線傳輸系統(tǒng)的應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸，尤其適合突發(fā)的小流量數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

本文設(shè)計的gprs無線通信模塊，內(nèi)嵌了tcp/ip協(xié)議，采用工業(yè)級的gprs模塊，適用于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)沒有tcp/ip協(xié)議棧，但使用串口通信的情況。

1 gprs通信原理及應(yīng)用特點

1.1 gprs簡介

gprs是通用無線分組業(yè)務(wù)（general packet radio system）的縮寫，是介于第二代和第三代之間的一種技術(shù)，通常稱為2.5g。gprs采用與gsm相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及相同的tdma幀結(jié)構(gòu)。因此，在gsm系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建gprs系統(tǒng)時，gsm系統(tǒng)中的絕大部分部件都不需要作硬件改動，只需作軟件升級。有了gprs，用戶的呼叫建立時間大大縮短，幾乎可以做到“永遠(yuǎn)在線”。此外， gprs是以營運(yùn)商傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量而不是連接時間為基準(zhǔn)來計費(fèi)，從而令每個用戶的服務(wù)成本更低。

1.2 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)上引入兩個新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點： gprs服務(wù)支持節(jié)點(sgsn)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點（ggsn）。sgsn和msc在同一等級水平，并跟蹤單個ms的存儲單元實現(xiàn)安全功能和接入控制，并通過幀中繼連接到基站系統(tǒng)。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連接原理框圖。

gprs終端通過接口從客戶系統(tǒng)取得數(shù)據(jù)，處理后的gprs分組數(shù)據(jù)發(fā)送到gsm基站。分組數(shù)據(jù)經(jīng)sgsn封裝后，sgsn通過gprs骨干網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)支持接點ggsn進(jìn)行通信。ggsn對分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)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(shù)據(jù)是發(fā)送到另一個gprs終端，則數(shù)據(jù)由gprs骨干網(wǎng)發(fā)送到sgsn，再經(jīng)bss發(fā)送到gprs終端。

2 嵌入式gprs通信系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 gprs模塊的硬件設(shè)計

嵌入式gprs無線通信模塊主要由嵌入tcp/ip的單片機(jī)（msc1210y5）、gprs模塊、sim卡座、外部接口和擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器等部分組成。圖2是系統(tǒng)的硬件框圖。

msc1210控制gprs模塊接收和發(fā)送信息，通過標(biāo)準(zhǔn)rs232串口和外部控制器（比如數(shù)據(jù)采集端）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。用軟件實現(xiàn)中斷，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

2.1.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)采用美國德州儀器公司最新推出的基于8051內(nèi)核的msc1210y5。該芯片具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，時鐘頻率為33 mhz，指令運(yùn)行速度實際上與運(yùn)行在99 mhz時鐘頻率下的標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核相當(dāng)。32 kb flash程序存儲器，256 b內(nèi)部ram和1024 b片上sram，2 kb啟動rom，支持串行和并行的在系統(tǒng)編程。雙數(shù)據(jù)指針dptr0和dptr1可加快數(shù)據(jù)塊的移動速度。

其主要實現(xiàn)過程如下：

① 通過at指令初始化gprs無線模塊，使之附著在gpsr網(wǎng)絡(luò)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商動態(tài)分配的gprs終端ip地址，并與目的終端建立連接。

② 通過串口0擴(kuò)展max232標(biāo)準(zhǔn)串口和外部控制器（例如數(shù)據(jù)采集端）連接，外部控制器端接出標(biāo)準(zhǔn)串口，按照約好的協(xié)議可很容易利用本設(shè)計的控制器進(jìn)行通信。

③ 復(fù)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個端口分別接到gprs模塊對應(yīng)的剩余rs232通信口，通過軟件置位完成對mc35的初始化和控制gprs模塊的收發(fā)數(shù)據(jù)。

2.1.2 擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器部分

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(shù)據(jù)flash程序。因為要嵌入實時操作系統(tǒng)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74hc573作為地址鎖存器，擴(kuò)展6264作為外部數(shù)據(jù)存儲器，8 kb的數(shù)據(jù)存儲空間足夠程序正常運(yùn)行。

圖3給出了msc1210與數(shù)據(jù)存儲器之間的硬件連接圖。

2.1.3 gprs無線數(shù)傳模塊

gprs無線模塊作為終端的無線收發(fā)模塊，把從單片機(jī)發(fā)送過來的ip包或基站傳來的分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后再轉(zhuǎn)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、內(nèi)部flash、sram、gsm基帶處理器、匹配電源和一個40腳的zif插座組成。gsm基帶處理器是核心部件，其作用相當(dāng)于一個協(xié)議處理器，用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送at指令。射頻天線部分主要實現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào)，以及外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換。匹配電源為處理器基射頻部分提供所需的電源。mc35外圍電路如圖4所示。

as2815將外部電壓轉(zhuǎn)換成3.3 v工作電壓。

啟動電路由三極管和上電復(fù)位電路組成，模塊上電后，為使之正常工作，必須在15腳加至少為100 ms的低電平信號。啟動后，15腳信號應(yīng)保持高電平。

mc35在zif連接器上為sim卡接口預(yù)留的引腳數(shù)為6個，要注意的是，ccin引腳用來檢測sim卡座是否插有sim卡。當(dāng)插入sim卡，該引腳置為高電平時，系統(tǒng)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)時的功率增長情況，另一種是指示mc35的工組狀態(tài)。本設(shè)計中使用后一種模式，led熄滅時，表明mc35處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài)；當(dāng)led為600 ms亮/600 ms熄時，表明sim卡沒有插入或mc35正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)登陸；當(dāng)led為75 ms亮/3 s熄時，表明mc35已登陸進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，處于待機(jī)狀態(tài)。

2.2 單片機(jī)通信程序設(shè)計

軟件中的所有代碼都用c語言編寫,在keil環(huán)境中編譯。keil是keil software公司為8051及其兼容產(chǎn)品提供的專門開發(fā)工具，它支持在系統(tǒng)調(diào)試。keil中c51編譯器很好地集成了rtx多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，編寫程序時,需在源代碼頭加入“＃incluede rtx51.h”。所有代碼調(diào)試通過后經(jīng)由ti downloader下載到存儲器中。

目前，絕大多數(shù)基于gprs網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)所使用的gprs模塊不支持tcp/ip協(xié)議。也就是說，要想工作在相同的網(wǎng)絡(luò)層面上,其內(nèi)部傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(jī)系統(tǒng)中嵌入按tcp/ip和ppp協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)編寫的程序，從而使設(shè)計的終端設(shè)備能夠方便的應(yīng)用gprs數(shù)據(jù)分組業(yè)務(wù)。

2.2.1 tcp/ip協(xié)議的嵌入

有很多種方法可以完成協(xié)議轉(zhuǎn)換，本設(shè)計利用在嵌入式實時操作系統(tǒng)rtx51中移值部分ip和ppp協(xié)議來增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和產(chǎn)品開發(fā)的可延續(xù)性。

tcp/ip協(xié)議是一個標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議套件，可以用分層模型來描述。數(shù)據(jù)打包處理數(shù)據(jù)時，每一層把自己的信息添加到一個數(shù)據(jù)頭中，而這個數(shù)據(jù)頭又被下一層中的協(xié)議包裝到數(shù)據(jù)體中。數(shù)據(jù)解包處理程序接收到gprs數(shù)據(jù)時，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)頭剝離，并把數(shù)據(jù)包的其余部分當(dāng)作數(shù)據(jù)體對待。

考慮到嵌入式系統(tǒng)的特點，本設(shè)計采用了系統(tǒng)開銷較小的ip+udp協(xié)議來實現(xiàn)gprs通信。主機(jī)發(fā)送的udp數(shù)據(jù)報文經(jīng)gprs通道傳送給gprs通信模塊， gprs通信模塊負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)報進(jìn)行解析，解析后的數(shù)據(jù)按照一定的波特率串行傳送給用戶終端。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)包在主機(jī)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(shù)據(jù)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報文都會傳送到internet網(wǎng)中相應(yīng)的地址，而從internet傳送過來的應(yīng)答幀也同樣會根據(jù)ip地址傳送到gpsr模塊,從而實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和internet網(wǎng)絡(luò)通過gprs模塊的透明傳輸。

要注意的是，gsm網(wǎng)絡(luò)無靜態(tài)ip地址，故其他通信設(shè)備不能向它提出建立連接請求，監(jiān)控中心必須擁有一個固定的ip，以便監(jiān)測終端可以在登陸gsm網(wǎng)絡(luò)后通過該ip找到監(jiān)控中心。關(guān)于這一點，很容易解決，只需在電信申請相應(yīng)的服務(wù)就可以了。

gprs模塊登陸上gsm網(wǎng)絡(luò)后，自動連接到數(shù)據(jù)中心，向數(shù)據(jù)中心報告其ip地址，并保持和維護(hù)數(shù)據(jù)鏈路的連接。gprs監(jiān)測鏈路的連接情況，一旦發(fā)生異常，gprs模塊自動重新建立鏈路，數(shù)據(jù)中心和gprs模塊之間就可以通過i地址通過udp/ip協(xié)議進(jìn)行雙向通信，實現(xiàn)透明的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

3 上位機(jī)監(jiān)控中心的設(shè)計

監(jiān)控中心的功能是實現(xiàn)gprs信息的接收和保存。設(shè)計語言采用microsoft公司的visual c++編程語言，c＋＋語言應(yīng)用靈活，功能強(qiáng)大，并對網(wǎng)絡(luò)編程和數(shù)據(jù)庫有強(qiáng)大的支持。

由于通過gprs，中心監(jiān)控部分可以直接訪問互聯(lián)網(wǎng)，所以監(jiān)控部分并不需要再設(shè)置gprs模塊。中心只需通過中心軟件幀聽網(wǎng)絡(luò)，接收gprs無線模塊傳來的udp協(xié)議的ip包和發(fā)送上位機(jī)控制信息，以實現(xiàn)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(shù)據(jù)庫中,以備查歷史記錄。數(shù)據(jù)庫采用access,vc編制的界面窗口通過ado訪問access中的數(shù)據(jù)。需要說明的是，筆者是通過socket接收網(wǎng)絡(luò)終端信息的。

socket接口是tcp/ip網(wǎng)絡(luò)的api，socket接口定義了許多函數(shù)和例程，程序員可以利用它來開發(fā)tcp/ip網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序。vc中的mfc類提供了casyncsocket這樣一個套接字類，用它來實現(xiàn)socket編程非常方便。本設(shè)計中采用數(shù)據(jù)報文式的socket，它是一種無連接的socket，對應(yīng)于無連接的udp服務(wù)應(yīng)用。

casyncsocket類用docallback函數(shù)處理mfc消息，當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時，docallback函數(shù)按照網(wǎng)絡(luò)事件類型：fd_rea d、fd_write、fd_accept和fd_connect分別調(diào)用onreceive、onsend、onaccept和onconnect函數(shù)，驅(qū)動相應(yīng)的事件，完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信過程。

4 結(jié)論

本文采用嵌入式tcp/ip協(xié)議，通過高速8位單片機(jī)實現(xiàn)gprs業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸功能，具有外圍電路少，電路簡單，系統(tǒng)成本低等優(yōu)點。通過標(biāo)準(zhǔn)rs232串口和外部控制器連接，只需按照預(yù)先規(guī)定的協(xié)議就可互相通信，通用性較強(qiáng)。系統(tǒng)軟件均使用c語言編寫，稍加改動就可以在各種控制器上實現(xiàn)，可移植性也較強(qiáng)。

基于gprs的系統(tǒng)也有一定的缺點，例如，現(xiàn)在的gprs網(wǎng)還不夠穩(wěn)定，有丟包的現(xiàn)象；主控制器要實現(xiàn)ip協(xié)議，使用起來比較復(fù)雜；上位機(jī)基于互聯(lián)網(wǎng)的解決方案保密性較差等。上述問題經(jīng)過精心設(shè)計是可以避免和解決的，所以基于gprs的設(shè)計仍具有無可比擬的優(yōu)勢。