基于GPRS業(yè)務(wù)的定位信息傳輸系統(tǒng)

前言

目前，GPS定位信息傳輸管理系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，警車、救護(hù)車、運(yùn)鈔車、長途運(yùn)輸車上都可以看到它的蹤影。這些定位信息傳輸系統(tǒng)大多是基于手機(jī)短消息業(yè)務(wù)的。但這種形式存在著很多不足，首先它通信費(fèi)用較高，通常每條短消息承載的坐標(biāo)信息也不會(huì)太多；再者通過手機(jī)短消息發(fā)送延時(shí)不確定，這會(huì)導(dǎo)致定位跟蹤目標(biāo)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門的業(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(xiàng)業(yè)務(wù)價(jià)格不菲，一般單位負(fù)擔(dān)不起。
利用GPRS業(yè)務(wù)可以較為圓滿的解決上述問題。首先GPRS系統(tǒng)費(fèi)用較低。GPRS建立鏈路以后，相當(dāng)于專線直接接入因特網(wǎng)，利用TCP/IP協(xié)議，數(shù)據(jù)可靠而且穩(wěn)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(jī)，大大節(jié)省了服務(wù)器端的開銷。
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(dāng)然，GPS定位信息只是整個(gè)信息傳輸管理系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用，通過更換不同的數(shù)據(jù)源模塊可實(shí)現(xiàn)不同的信息傳輸，從而構(gòu)建不同的信息傳輸管理系統(tǒng)，如遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等等。

圖1 移動(dòng)終端硬件組成框圖

系統(tǒng)構(gòu)成
整個(gè)信息傳輸管理系統(tǒng)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(shù)據(jù)組成GPRS數(shù)據(jù)分組，通過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(yīng)當(dāng)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(jī)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模塊為西門子的MC35，這是一個(gè)完整功能的手機(jī)模塊，通過串口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)此模塊的控制和數(shù)據(jù)傳輸，包括短信、WAP、GPRS、CSD等。另外加上模擬部分電路，可實(shí)現(xiàn)GSM話音通信功能。對(duì)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，它通過外接天線接收GPS信號(hào)，計(jì)算出所處位置的地理信息，通過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(qiáng)大，幾乎在單片中包容了所有常用的功能。其次，價(jià)格相對(duì)便宜。再者開發(fā)容易，開發(fā)裝置便宜，而且支持C語言源程序調(diào)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(dú)立的，而且不占用芯片的定時(shí)器，使用起來相當(dāng)靈活。這兩個(gè)串口分別對(duì)GPS模塊和GPRS模塊通信，對(duì)GPS模塊用4800bps或9600bps單收，對(duì)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模塊送來的數(shù)據(jù)，解析出其中有用的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后以規(guī)定的格式通過第二個(gè)串口交給GPRS模塊，將數(shù)據(jù)送上因特網(wǎng)。
其次，4K字節(jié)的EEPROM可用于存放一些可設(shè)置的參數(shù)如移動(dòng)終端的識(shí)別號(hào)或IP地址、信息管理中心服務(wù)器的IP地址等。
再次，4K字節(jié)的SRAM相對(duì)其它的8位機(jī)來講是相當(dāng)大了，可以滿足做組幀、數(shù)據(jù)緩沖的要求。
64K字的FLASH可以滿足較大程序量的要求。
64K字 的FLASH和4KRAM的組合可以完成對(duì)信息數(shù)據(jù)的加解密工作，可提供某些特定場合使用。
我們引出了某些I/O口，通過光電耦合器隔離后引至其它監(jiān)測點(diǎn)，可以擴(kuò)展相應(yīng)的功能。
另外，我們留出了總線擴(kuò)展口，可擴(kuò)展64K字節(jié)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(tǒng)，另一方面可以用于使用ATMEGA128的在線自我編程功能來遠(yuǎn)程刷新程序。
由于用于移動(dòng)設(shè)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，簡化電源設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)考慮該移動(dòng)終端主要作為車載應(yīng)用，所以實(shí)際電路中設(shè)計(jì)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(dá)2A，工作電壓較低，點(diǎn)煙器輸出電壓可能為12V或24V，壓差過大。如果采用線性降壓器件效率太低，而且發(fā)熱劇烈，工作不安全，所以采用了開關(guān)電源變換芯片LM2596。該芯片電路簡單，效率較高。

移動(dòng)終端利用Atmega128芯片控制實(shí)現(xiàn)，不用另行擴(kuò)展串口、ROM以及RAM。當(dāng)然，此硬件結(jié)構(gòu)并不僅僅局限在定位功能上，對(duì)于很多數(shù)據(jù)采集應(yīng)用也可以滿足要求，只需改變程序代碼。正是由于ATMEGA128的功能強(qiáng)大，使得硬件的組成和結(jié)構(gòu)都變得非常簡單。

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(duì)簡單和通用，所以該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要工作集中在軟件的實(shí)現(xiàn)上。
下面就主要的軟件控制流程做一介紹。
首先是數(shù)據(jù)源，GPS模塊不斷發(fā)送固定格式的串口數(shù)據(jù)，CPU利用一串口與之相連。一般單片機(jī)對(duì)串口數(shù)據(jù)的接受處理方式有兩種：輪尋和中斷。這里因?yàn)閿?shù)據(jù)量很大，而且除了接收數(shù)據(jù)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(tǒng)已廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，警車、救護(hù)車、運(yùn)鈔車、長途運(yùn)輸車上都可以看到它的蹤影。這些定位信息傳輸系統(tǒng)大多是基于手機(jī)短消息業(yè)務(wù)的。但這種形式存在著很多不足，首先它通信費(fèi)用較高，通常每條短消息承載的坐標(biāo)信息也不會(huì)太多；再者通過手機(jī)短消息發(fā)送延時(shí)不確定，這會(huì)導(dǎo)致定位跟蹤目標(biāo)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門的業(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(xiàng)業(yè)務(wù)價(jià)格不菲，一般單位負(fù)擔(dān)不起。
利用GPRS業(yè)務(wù)可以較為圓滿的解決上述問題。首先GPRS系統(tǒng)費(fèi)用較低。GPRS建立鏈路以后，相當(dāng)于專線直接接入因特網(wǎng)，利用TCP/IP協(xié)議，數(shù)據(jù)可靠而且穩(wěn)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(jī)，大大節(jié)省了服務(wù)器端的開銷。
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(dāng)然，GPS定位信息只是整個(gè)信息傳輸管理系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用，通過更換不同的數(shù)據(jù)源模塊可實(shí)現(xiàn)不同的信息傳輸，從而構(gòu)建不同的信息傳輸管理系統(tǒng)，如遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等等。

圖3 軟件控制流程圖

系統(tǒng)構(gòu)成
整個(gè)信息傳輸管理系統(tǒng)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(shù)據(jù)組成GPRS數(shù)據(jù)分組，通過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(yīng)當(dāng)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(jī)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模塊為西門子的MC35，這是一個(gè)完整功能的手機(jī)模塊，通過串口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)此模塊的控制和數(shù)據(jù)傳輸，包括短信、WAP、GPRS、CSD等。另外加上模擬部分電路，可實(shí)現(xiàn)GSM話音通信功能。對(duì)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，它通過外接天線接收GPS信號(hào)，計(jì)算出所處位置的地理信息，通過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(qiáng)大，幾乎在單片中包容了所有常用的功能。其次，價(jià)格相對(duì)便宜。再者開發(fā)容易，開發(fā)裝置便宜，而且支持C語言源程序調(diào)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(dú)立的，而且不占用芯片的定時(shí)器，使用起來相當(dāng)靈活。這兩個(gè)串口分別對(duì)GPS模塊和GPRS模塊通信，對(duì)GPS模塊用4800bps或9600bps單收，對(duì)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模塊送來的數(shù)據(jù)，解析出其中有用的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后以規(guī)定的格式通過第二個(gè)串口交給GPRS模塊，將數(shù)據(jù)送上因特網(wǎng)。
其次，4K字節(jié)的EEPROM可用于存放一些可設(shè)置的參數(shù)如移動(dòng)終端的識(shí)別號(hào)或IP地址、信息管理中心服務(wù)器的IP地址等。
再次，4K字節(jié)的SRAM相對(duì)其它的8位機(jī)來講是相當(dāng)大了，可以滿足做組幀、數(shù)據(jù)緩沖的要求。
64K字的FLASH可以滿足較大程序量的要求。
64K字 的FLASH和4KRAM的組合可以完成對(duì)信息數(shù)據(jù)的加解密工作，可提供某些特定場合使用。
我們引出了某些I/O口，通過光電耦合器隔離后引至其它監(jiān)測點(diǎn)，可以擴(kuò)展相應(yīng)的功能。
另外，我們留出了總線擴(kuò)展口，可擴(kuò)展64K字節(jié)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(tǒng)，另一方面可以用于使用ATMEGA128的在線自我編程功能來遠(yuǎn)程刷新程序。
由于用于移動(dòng)設(shè)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，簡化電源設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)考慮該移動(dòng)終端主要作為車載應(yīng)用，所以實(shí)際電路中設(shè)計(jì)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(dá)2A，工作電壓較低，點(diǎn)煙器輸出電壓可能為12V或24V，壓差過大。如果采用線性降壓器件效率太低，而且發(fā)熱劇烈，工作不安全，所以采用了開關(guān)電源變換芯片LM2596。該芯片電路簡單，效率較高。

移動(dòng)終端利用Atmega128芯片控制實(shí)現(xiàn)，不用另行擴(kuò)展串口、ROM以及RAM。當(dāng)然，此硬件結(jié)構(gòu)并不僅僅局限在定位功能上，對(duì)于很多數(shù)據(jù)采集應(yīng)用也可以滿足要求，只需改變程序代碼。正是由于ATMEGA128的功能強(qiáng)大，使得硬件的組成和結(jié)構(gòu)都變得非常簡單。

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(duì)簡單和通用，所以該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要工作集中在軟件的實(shí)現(xiàn)上。
下面就主要的軟件控制流程做一介紹。
首先是數(shù)據(jù)源，GPS模塊不斷發(fā)送固定格式的串口數(shù)據(jù)，CPU利用一串口與之相連。一般單片機(jī)對(duì)串口數(shù)據(jù)的接受處理方式有兩種：輪尋和中斷。這里因?yàn)閿?shù)據(jù)量很大，而且除了接收數(shù)據(jù)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(tǒng)無線接入因特網(wǎng)，這個(gè)功能由GPRS提供，但我們必須對(duì)它進(jìn)行初始化，和鏈路控制。利用GPRS上網(wǎng)，和普通用戶通過PC機(jī)撥號(hào)上網(wǎng)原理相同，都是通過呼叫固定號(hào)碼的PPP服務(wù)器，進(jìn)行握手認(rèn)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(jié)構(gòu)如圖3所示。此表未包括為同步而設(shè)置的字符和為透明性而設(shè)置的字符。傳送時(shí)由左向右傳送下圖的內(nèi)容。
每個(gè)幀由一個(gè)標(biāo)記序列開始和結(jié)束。所有系統(tǒng)不斷檢測此標(biāo)記，它用于對(duì)幀進(jìn)行同步。在兩幀之間只需要一個(gè)這樣的標(biāo)記，兩上相繼的標(biāo)記構(gòu)成一個(gè)空幀，它被無響應(yīng)拋棄，而不產(chǎn)生FCS錯(cuò)誤。地址域是一個(gè)字節(jié)，也就是“所有站”地址。單獨(dú)站地址未被指定?！八姓尽钡刂繁仨毮軌蜃R(shí)別并被接受。不可識(shí)別的地址應(yīng)該被無回應(yīng)拋棄。控制域是一個(gè)字節(jié)，“未編號(hào)信息”（UI）命令和選舉/結(jié)果位被設(shè)置為零。不可識(shí)別的地址應(yīng)該被無回應(yīng)拋棄。幀檢查序列（FCS）域通常包括兩個(gè)字節(jié)（16位）。先傳送它的最低位，它指示的是最高系數(shù)項(xiàng)。也使用四個(gè)字節(jié)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(yùn)算得到的，不包括開始和停止位或用于數(shù)據(jù)透明性而插入的位，也不包括標(biāo)記序列和FCS域本身。在同步控制字符映射中標(biāo)記的字節(jié)在接收時(shí)存在，但在計(jì)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(shù)據(jù)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(dāng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)要求高可靠性時(shí)，應(yīng)該選用TCP協(xié)議，但TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)起來復(fù)雜，而且系統(tǒng)負(fù)荷較大。UDP協(xié)議沒有可靠性的保證，但它對(duì)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷較小，比較適合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸。本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)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(jié)的可編程flash memory，4k字節(jié)的EEPROM，4k字節(jié)的SRAM。對(duì)于此系統(tǒng)，如果不嵌入RTOS內(nèi)核，這些資源就足夠了。但如果沒有RTOS，在寫控制程序時(shí)就沒有協(xié)議棧的支持，也就是說，必須自己實(shí)現(xiàn)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(tǒng)，就必須擴(kuò)展SRAM。本文中采用直接實(shí)現(xiàn)協(xié)議的方式進(jìn)行描述。圖3就是系統(tǒng)的軟件控制流程。
如果需要更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能支持，可以嵌入RTOS內(nèi)核，現(xiàn)在有不少系統(tǒng)支持Atmega128，有的甚至是為它量身訂做的，像NUT/OS，內(nèi)嵌了對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，當(dāng)然也包括PPP協(xié)議。它甚至專門對(duì)Atmega128的各種擴(kuò)展做了支持，例如SPI接口。此外，NUT/OS包括了一套函數(shù)專門用來讓Atmega128訪問擴(kuò)展的以太網(wǎng)芯片，大大的縮短了開發(fā)周期和開發(fā)成本。

結(jié)語
隨著時(shí)代節(jié)奏的不斷加快，實(shí)時(shí)信息傳送的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，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(yù)示了它的廣闊前景。

參考文獻(xiàn)
1 RFC1661 The Point-to-Point Protocol (PPP)
2 NUT/OS手冊
3 Atmel Atmega128 用戶手冊