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引 言
近年來,通信技術和網絡技術的迅速發(fā)展,特別是無線通信技術的發(fā)展,使得電力系統的自動化程度進一步提高。GSM網絡出現后，技術人員很快把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、抄表系統和用電負荷監(jiān)控等，從而使這些儀表儀器具有遠程通信功能。
GPRS是在現有GSM系統上發(fā)展出來的一種新的數據承載業(yè)務,支持TCP/IP協議，可以與分組數據網（Internet等）直接互通。GPRS無線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。
本文設計的GPRS無線通信模塊，內嵌了TCP/IP協議，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有TCP/IP協議棧，但使用串口通信的情況。
1 GPRS通信原理及應用特點
1.1 GPRS簡介
GPRS是通用無線分組業(yè)務（General Packet Radio System）的縮寫，是介于第二代和第三代之間的一種技術，通常稱為2.5G。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結構、無線調制標準、跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結構。因此，在GSM系統的基礎上構建GPRS系統時，GSM系統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“永遠在線”。此外， GPRS是以營運商傳輸的數據量而不是連接時間為基準來計費，從而令每個用戶的服務成本更低。
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網絡上引入兩個新的網絡節(jié)點： GPRS服務支持節(jié)點(SGSN)和網關支持節(jié)點（GGSN）。SGSN和MSC在同一等級水平，并跟蹤單個MS的存儲單元實現安全功能和接入控制，并通過幀中繼連接到基站系統。GGSN支持與外部分組交換網的互通，并經由基于IP的GPRS骨干網和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SGSN封裝后，SGSN通過GPRS骨干網與網關支持接點GGSN進行通信。GGSN對分組數據進行相應的處理，再發(fā)送到目的網絡，如Internet或X.25網絡。
若分組數據是發(fā)送到另一個GPRS終端，則數據由GPRS骨干網發(fā)送到SGSN，再經BSS發(fā)送到GPRS終端。
2 嵌入式GPRS通信系統的實現
2.1 GPRS模塊的硬件設計
嵌入式GPRS無線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是系統的硬件框圖。
MSC1210控制GPRS模塊接收和發(fā)送信息，通過標準RS232串口和外部控制器（比如數據采集端）進行數據通信。用軟件實現中斷，完成數據的轉發(fā)。
2.1.1 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MSC1210Y5。該芯片具有很強的數據處理能力，時鐘頻率為33 MHz，指令運行速度實際上與運行在99 MHz時鐘頻率下的標準8051內核相當。32 KB Flash程序存儲器，256 B內部RAM和1024 B片上SRAM，2 KB啟動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速度。
其主要實現過程如下：
�、� 通過AT指令初始化GPRS無線模塊，使之附著在GPSR網絡上，獲得網絡運營商動態(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，按照約好的協議可很容易利用本設計的控制器進行通信。
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個端口分別接到GPRS模塊對應的剩余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)數據。
2.1.2 擴展數據存儲器部分
MSC1210的Flash存儲器可全部作為Flash程序存儲器，也可以全部作為數據Flash程序。因為要嵌入實時操作系統和網絡協議，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，擴展6264作為外部數據存儲器，8 KB的數據存儲空間足夠程序正常運行。
圖3給出了MSC1210與數據存儲器之間的硬件連接圖。
2.1.3 GPRS無線數傳模塊
GPRS無線模塊作為終端的無線收發(fā)模塊，把從單片機發(fā)送過來的IP包或基站傳來的分組數據進行相應的處理后再轉發(fā)。
GPRS模塊采用德國Simens公司生產的MC35模塊。MC35模塊主要由射頻天線、內部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，其作用相當于一個協議處理器，用來處理外部系統通過串口發(fā)送AT指令。射頻天線部分主要實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外圍電路如圖4所示。
AS2815將外部電壓轉換成3.3 V工作電壓。
啟動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腳加至少為100 ms的低電平信號。啟動后，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，要注意的是，CCIN引腳用來檢測SIM卡座是否插有SIM卡。當插入SIM卡，該引腳置為高電平時，系統方可進入正常工作。
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)。本設計中使用后一種模式，LED熄滅時，表明MC35處于關閉或睡眠狀態(tài)；當LED為600 ms亮/600 ms熄時，表明SIM卡沒有插入或MC35正在進行網絡登陸；當LED為75 ms亮/3 s熄時，表明MC35已登陸進網絡，處于待機狀態(tài)。
2.2 單片機通信程序設計
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及其兼容產品提供的專門開發(fā)工具，它支持在系統調試。Keil中C51編譯器很好地集成了RTX多任務實時操作系統，編寫程序時,需在源代碼頭加入“＃incluede rtx51.h”。所有代碼調試通過后經由TI Downloader下載到存儲器中。
目前，絕大多數基于GPRS網絡應用系統所使用的GPRS模塊不支持TCP/IP協議。也就是說，要想工作在相同的網絡層面上,其內部傳輸的數據必須都要采用相同的協議，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協議標準編寫的程序，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。
2.2.1 TCP/IP協議的嵌入
有很多種方法可以完成協議轉換，本設計利用在嵌入式實時操作系統RTX51中移值部分IP和PPP協議來增強系統的可擴展性和產品開發(fā)的可延續(xù)性。
TCP/IP協議是一個標準協議套件，可以用分層模型來描述。數據打包處理數據時，每一層把自己的信息添加到一個數據頭中，而這個數據頭又被下一層中的協議包裝到數據體中。數據解包處理程序接收到GPRS數據時，把相應的數據頭剝離，并把數據包的其余部分當作數據體對待。
考慮到嵌入式系統的特點，本設計采用了系統開銷較小的IP+UDP協議來實現GPRS通信。主機發(fā)送的UDP數據報文經GPRS通道傳送給GPRS通信模塊， GPRS通信模塊負責對數據報進行解析，解析后的數據按照一定的波特率串行傳送給用戶終端。
2.2.2 數據處理
數據包在主機和GPRS服務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協議進行傳輸。模塊向網關發(fā)送PPP報文都會傳送到Internet網中相應的地址，而從Internet傳送過來的應答幀也同樣會根據IP地址傳送到GPSR模塊,從而實現采集數據和Internet網絡通過GPRS模塊的透明傳輸。
要注意的是，GSM網絡無靜態(tài)IP地址，故其他通信設備不能向它提出建立連接請求，監(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網絡后通過該IP找到監(jiān)控中心。關于這一點，很容易解決，只需在電信申請相應的服務就可以了。
GPRS模塊登陸上GSM網絡后，自動連接到數據中心，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(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，數據中心和GPRS模塊之間就可以通過I地址通過UDP/IP協議進行雙向通信，實現透明的可靠數據傳輸。
3 上位機監(jiān)控中心的設計
監(jiān)控中心的功能是實現GPRS信息的接收和保存。設計語言采用Microsoft公司的Visual C++編程語言，C＋＋語言應用靈活，功能強大，并對網絡編程和數據庫有強大的支持。
由于通過GPRS，中心監(jiān)控部分可以直接訪問互聯網，所以監(jiān)控部分并不需要再設置GPRS模塊。中心只需通過中心軟件幀聽網絡，接收GPRS無線模塊傳來的UDP協議的IP包和發(fā)送上位機控制信息，以實現與GPRS終端的IP協議通信。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,VC編制的界面窗口通過ADO訪問Access中的數據。需要說明的是，筆者是通過Socket接收網絡終端信息的。
Socket接口是TCP/IP網絡的API，Socket接口定義了許多函數和例程，程序員可以利用它來開發(fā)TCP/IP網絡上的應用程序。VC中的MFC類提供了CAsyncSocket這樣一個套接字類，用它來實現Socket編程非常方便。本設計中采用數據報文式的Socket，它是一種無連接的Socket，對應于無連接的UDP服務應用。
CAsyncSocket類用DoCallBack函數處理MFC消息，當一個網絡事件發(fā)生時，DoCallBack函數按照網絡事件類型：FD_REA D、FD_WRITE、FD_ACCEPT和FD_CONNECT分別調用OnReceive、OnSend、OnAccept和OnConnect函數，驅動相應的事件，完成網絡數據通信過程。
4 結論
本文采用嵌入式TCP/IP協議，通過高速8位單片機實現GPRS業(yè)務的數據傳輸功能，具有外圍電路少，電路簡單，系統成本低等優(yōu)點。通過標準RS232串口和外部控制器連接，只需按照預先規(guī)定的協議就可互相通信，通用性較強。系統軟件均使用C語言編寫，稍加改動就可以在各種控制器上實現，可移植性也較強。
基于GPRS的系統也有一定的缺點，例如，現在的GPRS網還不夠穩(wěn)定，有丟包的現象；主控制器要實現IP協議，使用起來比較復雜；上位機基于互聯網的解決方案保密性較差等。上述問題經過精心設計是可以避免和解決的，所以基于GPRS的設計仍具有無可比擬的優(yōu)勢。
