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GPRS數(shù)據(jù)傳送服務(wù)的無線通信控制器設(shè)計
摘要：GPRS數(shù)據(jù)傳送服務(wù)作為GSM網(wǎng)絡(luò)的一種新業(yè)務(wù)，已得到越來越多的系統(tǒng)運(yùn)營商和系統(tǒng)開發(fā)商的重視。以GSM網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以開發(fā)出多種前景極其樂觀的各類應(yīng)用。本文提出一個基于GPRS數(shù)據(jù)傳送服務(wù)的通信控制器的設(shè)計，并詳細(xì)闡述該控制器的實(shí)現(xiàn)原理。關(guān)鍵詞：通用分組無線業(yè)務(wù) TCP/IP協(xié)議 協(xié)議棧
引言
能用分組無線業(yè)務(wù)GPRS（General Packet Radio Service）是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。基于這種業(yè)務(wù)的各種應(yīng)用也蓬勃發(fā)展起來。以GSM網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以開發(fā)出多種前景極其樂觀的各類應(yīng)用，如無線數(shù)據(jù)的雙向傳送、無線遠(yuǎn)程檢測和控制等。典型的應(yīng)用有：工業(yè)控制、環(huán)境保護(hù)、道路交通、商務(wù)金融、移動辦公、零售服務(wù)等等。(范文先生網(wǎng)m.panasonaic.com收集整理)
GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，需不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源；從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。
本文設(shè)計的GPRS無線通信控制器（以下簡稱控制器），內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，采用工業(yè)級的GPRS模塊；適用于主機(jī)沒有TCP/IP協(xié)議棧，但使用串口通信的情況，例如單片機(jī)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。
1 GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)
終端設(shè)備通過串行方式接到控制器上并與GSM基站通道，但與電路交換或數(shù)據(jù)呼叫不同。GPRS數(shù)據(jù)分組是從基站發(fā)送到SGSN節(jié)點(diǎn)，而不是通過移動交換中心MSC連接到語音網(wǎng)絡(luò)上。SGSN與網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSM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)，見圖1。來自Internet、標(biāo)識有移動臺地址的IP包，由GGSN接收，再轉(zhuǎn)發(fā)到SGSN，繼而傳送到移動臺上。
控制器工作時，用戶上位系統(tǒng)向控制器發(fā)送工作指令和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由IP模塊進(jìn)行了TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換，打成IP數(shù)據(jù)包，再由MC35模塊以GPRS數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到SGSN。
由于GPRS網(wǎng)絡(luò)工作方式是以IP地址導(dǎo)址為基礎(chǔ)的，所以目標(biāo)服務(wù)器端并非接入控制器與終端設(shè)備進(jìn)行連接，只需要簡單接入Internet，并具備公網(wǎng)分配的IP地址即可。同時，因為GPRS終端產(chǎn)品本身由網(wǎng)絡(luò)提供商動態(tài)地分配IP地址，在未進(jìn)入連接待機(jī)狀態(tài)時，其本身是不具備IP地址的（在連接中，模塊的IP地址為移動骨干網(wǎng)內(nèi)局域網(wǎng)IP，無法被公網(wǎng)服務(wù)器解析，動態(tài)分配的制度使獲取比IP地址無意義）。因此在服務(wù)器與終端尚未建立連接前，目標(biāo)服務(wù)器難以（可將短信轉(zhuǎn)換為命令內(nèi)容）對終端設(shè)備及控制器進(jìn)行控制。必須先將控制器進(jìn)行相應(yīng)初始化，并由設(shè)備終端主動向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)行連接。
2 控制器內(nèi)部的硬件實(shí)現(xiàn)
控制器內(nèi)部由四部分構(gòu)成：嵌入TCP/IP的單片機(jī)系統(tǒng)、MC35模塊、電源部分和外部接口部分。
在設(shè)計時，考慮到雙串口性能和高速的全靜態(tài)CMOS設(shè)計，嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)選用臺灣Winbond的W77E58芯片作為MCU模塊的處理器芯片。它是高速的、與MCS-51指令兼容的、沒有多余指令周期的微控制器，在相同時鐘頻率下，運(yùn)行同樣的指令要比傳統(tǒng)的8051快1.5～3.0倍。它完全是靜態(tài)CMOS設(shè)計，工作電壓為4.5V～5.5V，有32KB的片內(nèi)程序ROM，內(nèi)部有1KB SRAM，最高時鐘頻率可達(dá)40MHz；有雙指針、雙串口，13個中斷源，3個16位定時器。單片機(jī)W77E58通過串口1直接與MC35模塊相連接，完成對MC35模塊的初始化和基于GPRS業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)收發(fā)功能；同時串口2擴(kuò)展MAX232標(biāo)準(zhǔn)串口與其它嵌入式系統(tǒng)或PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。圖2是系統(tǒng)的硬件框圖。
MC35模塊是西門子公司生產(chǎn)的GSM雙頻GSM900/GSM1800無線模塊。它支持2種操作模式：一種是電路交換數(shù)據(jù)模式CSD，支持語音、數(shù)據(jù)、SMS和FAX業(yè)務(wù)；一種是分組交換模式GPRS，采用多時隙，支持CS1-CS4編碼。兩者最大的區(qū)別是，GPRS傳輸數(shù)據(jù)時不需要再撥號。2種模式的選擇通過AT指令來實(shí)現(xiàn)。MC35模塊提供40線的ZIF接口方式。
電源部分為單片機(jī)系統(tǒng)和GPRS模塊提供合適的電源。外部接口部分包括一個8腳數(shù)據(jù)接口、SMA（射頻同軸連接器）天線接口、SIM（Subscriber Identity Module，用戶識別）卡座接口。表1是各引腳的詳細(xì)說明。
表1 外部接口引腳說明
功能 名稱 引腳號 I/O 信號電平 注 釋 強(qiáng)制復(fù)位 RST 1 I/O 當(dāng)模塊處于空閑或數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)時，該引腳下拉至0.45V以下（需至少0.1mA的下拉能力），持續(xù)3.5s可使系統(tǒng)復(fù)位。該引腳同時還作為系統(tǒng)看門狗信號輸出，可據(jù)此監(jiān)視系統(tǒng)工作狀態(tài)fout,min=0.16Hz fout,max=1.53Hz 正常情況下，該引腳處于看門狗信號輸出狀態(tài)并且輸出電流很微弱（0.01mA），因此必須使其處于高阻狀態(tài)；不得有外部上下拉電路 RS232 RXD 2 I 該組引腳系標(biāo)準(zhǔn)RS232電平信號，可直接與PC機(jī)連接 如果連接PC機(jī)上Internet網(wǎng)，則需要使用CTS和RTS，其它通信方式示不需要這兩個引腳 TxD 3 O CTS 4 O RTS 5 I SGGND 8 0 SGGND是RS232信號地，在模塊內(nèi)部與GND相連 RS485 A 6 I/O 該組引腳系標(biāo)準(zhǔn)RS485電平信號，模塊內(nèi)部已加120匹配電阻 模塊內(nèi)部光電隔離電路 B 7為使控制器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，對其看門狗電路進(jìn)行了精心設(shè)計。
3 控制器的軟件接口
在本設(shè)計中，需要利用TCP/IP協(xié)議來完成GPRS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的打包和解包。由于W77E58資源有限，怎樣在有限的資源上完成必需的功能，就是嵌入式TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的關(guān)系所在，也就是合理地簡化協(xié)議。
TCP/IP協(xié)議是一個為廣域網(wǎng)（WAN）設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議套件，可以用一個分成四個層次的模型來描述：數(shù)據(jù)鏈路層、互聯(lián)網(wǎng)層、傳輸層和應(yīng)用層。其分層模型及協(xié)議如表2所列。
表2 TCP/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)
應(yīng)用層 HTTP、Telnet、FIT、SMTP、SNMP 傳輸層 TCP、UDP 互聯(lián)網(wǎng)層 IP、ARP、RARP、ICMP、IGMP 數(shù)據(jù)鏈路層 Ethernet、X.25、SLIP、PPP應(yīng)用層（application）負(fù)責(zé)處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)，在本系統(tǒng)中只實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議。
傳輸層（transport）主要為2臺主機(jī)上的應(yīng)用程序提供端到端的通信。TCP協(xié)議是為2臺主機(jī)提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信，這里采用TCP傳輸控制協(xié)議。
互聯(lián)網(wǎng)層（Internet）的功能是尋址、定址、數(shù)據(jù)打包和安排路徑。Internet所有的數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)報格式傳輸，其最大特別是提供不可靠的和無連接的數(shù)據(jù)包傳送服務(wù)。在GPRS業(yè)務(wù)中，每一次鏈接都會具體分配一個IP地址，因此用ARP/RARP協(xié)議完成IP地址與物理地址的映射（即地址解析），用ICMP協(xié)議判斷網(wǎng)絡(luò)是否連通。
數(shù)據(jù)鏈路層（link）的任務(wù)是把要發(fā)出的幀送到線路中去，把要接收的幀從線路中取出來。GPRS業(yè)務(wù)是采用IP Over PPP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)終端的接入。這部分功能由單片機(jī)控制MC35模塊，采用PPP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。
數(shù)據(jù)打包處理程序處理數(shù)據(jù)時，每一層都把自己的信息添加到一個數(shù)據(jù)頭中，而這個數(shù)據(jù)頭又被下一層的協(xié)議包裝到數(shù)據(jù)體之中。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。
在應(yīng)用要求高的場合，通常需要支持完事的TCP/IP協(xié)議族，而在嵌入式系統(tǒng)中也是可以做到的；但是，考慮到成本和具體的應(yīng)用場合，沒有必要包括所有的TCP/IP協(xié)議族。可以看到，采用TCP/IP協(xié)議需要對它進(jìn)行合理的裁剪，以滿足小ROM系統(tǒng)的情況。
系統(tǒng)在利用MC35模塊的GPRS業(yè)務(wù)瀏覽HTTP等功能之前，必須先激活GPRS網(wǎng)的PDP連接。單片機(jī)通過正確的AT指令和GPRS命令集對MC35模塊進(jìn)行初始化和數(shù)據(jù)的接收發(fā)送，其工作流程如圖3所示。
單片機(jī)上電復(fù)位后，首先對MAX232進(jìn)行初始化，完成與外接模塊協(xié)商處理，如波特率、是否有奇偶校驗等。接著，通過串口1對MC35模塊進(jìn)行初始化，檢查諸如SIM卡情況、GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況、信號情況等。接下來，進(jìn)行中斷掃描，監(jiān)控是否有數(shù)據(jù)到來。有關(guān)數(shù)據(jù)時，如果是外部數(shù)據(jù)，就啟動數(shù)據(jù)打包處理過程；如果是GPRS數(shù)據(jù)，就啟動數(shù)據(jù)解包處理過程。如果沒有數(shù)據(jù)，系統(tǒng)則進(jìn)入節(jié)電模式。在數(shù)據(jù)打包處理過程中，如果檢測到系統(tǒng)的信號不好，網(wǎng)絡(luò)連接不暢通，或者不是GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)，將進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送緩存處理，同時將數(shù)據(jù)放進(jìn)發(fā)送隊列等待發(fā)送。
結(jié)語
本文采用嵌入式TCP/IP協(xié)議，在高速的8位微控制器上實(shí)現(xiàn)了對MC35模塊的控制，并實(shí)現(xiàn)了GPRS業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸功能；具有外圍器件少、電路簡單、系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計的GPRS無線通信控制器，自2002年1月份起，在廣東省東莞市的環(huán)保污水綜合處理系統(tǒng)中使用至今，運(yùn)行效果良好，實(shí)踐證明，產(chǎn)品工作穩(wěn)定、可靠。
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