基于SIM卡座的GPRS無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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模塊嵌入到各種儀器儀表中(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)，從而使這些儀器儀表具有遠(yuǎn)程通信功能。

GPRS是在GSM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(jì)的GPRS無線通信模塊，內(nèi)嵌入了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。

GPRS通信原理及應(yīng)用特點(diǎn)

◇ GPRS簡介

GPRS是通用無線分組業(yè)務(wù)(General Pacpet Radio System)的縮寫，是介于第二代和第三代之間的一種通信技術(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)、調(diào)頻規(guī)則以及相同的TD-MA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)的絕大部分部件都不需要作硬件改動，只需要作軟件升級，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(jì)費(fèi)，從而令每個用戶的服務(wù)成本更低。

◇ 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(diǎn)：GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SG-SN)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)。SGSN和MSC在同一等級水平，并跟蹤單個MS的存儲單元實(shí)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進(jìn)行連接的原理框圖。

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(diǎn)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，則一般將數(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。

GPRS模塊的硬件設(shè)計(jì)

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是其系統(tǒng)硬件框圖。

MSC1210主要用于控制GPRS模塊的信息接收和發(fā)送，并通過標(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，同時用軟件實(shí)現(xiàn)中斷，以完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

◇ 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MCS1210Y5,該芯片具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，時鐘頻率為33MHz,指令運(yùn)行速度實(shí)際上與運(yùn)行在99MHz時鐘頻率下的標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核相當(dāng)，32KB Flash程序存儲器，256B內(nèi)部RAM和1024B片上SRAM,2KB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(shí)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GPRS網(wǎng)絡(luò)上，以獲得網(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(jì)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)。

◇ 擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器

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?yàn)橐度雽?shí)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，8KB的數(shù)據(jù)存儲空間足夠程序正常運(yùn)行了，圖3所示是MSC1210與數(shù)據(jù)存儲器之間的硬件連接圖。

◇ 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包或基站轉(zhuǎn)來得的分組數(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(shí)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的外圍電路如圖4所示。

圖中，由AS2815將外部電壓轉(zhuǎn)換成3.3V工作電壓。系統(tǒng)中的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100ms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(jì)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600ms亮/600ms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75ms為亮/3s熄時，表明MC35已登陸進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，處于待機(jī)狀態(tài)。

單片機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

該程序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譯碼器很好地集成了RTX多任務(wù)實(shí)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(jì)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)。

◇ 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(jì)利用在嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)RTX51中移植部分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)做數(shù)據(jù)體對待。

考慮到嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用了系統(tǒng)開銷較小的IIP+UDP協(xié)議來實(shí)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。

◇ 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GPRS模塊，從而實(shí)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)透明的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

上位機(jī)監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心的功能是實(shí)現(xiàn)GPRS信息的接收和保存，設(shè)計(jì)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偵聽網(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(shí)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,用VC編制的界面窗口能推動AD()訪問Access中的數(shù)據(jù)，也可通過Socket接收網(wǎng)絡(luò)終端信息。

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)TCPIP網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序，VC中的MFC列提供了CAsyncSocket這樣一個套接字類，用它來實(shí)現(xiàn)Socket編程非常方便，本設(shè)計(jì)采用數(shù)據(jù)報文式的Socket,這是一種無連接的Socket,對應(yīng)于無連接的UDP服務(wù)應(yīng)用。

CAsyncSocket使用DoCallBack函數(shù)來處理MFC消息，一個網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時，DoCallBack函數(shù)按照網(wǎng)絡(luò)時間類型FD_READ、FD_WRITE、FD_ACCEPT和FD_CON-NECT來分別調(diào)用OnReceive、OnSend、OnAccept和OnCon-nect函數(shù)，以驅(qū)動相應(yīng)的事件，從而完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信。

結(jié)束語

本文采用嵌入式TCP/IP協(xié)議，通過高速8位單片機(jī)實(shí)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)，可移植性也較強(qiáng)。

基于GPRS的系統(tǒng)有有一定的缺點(diǎn)，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(shí)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)過精細(xì)設(shè)計(jì)是可以避免和解決的，所以基于GPRS的設(shè)計(jì)仍具有無可比擬的優(yōu)勢。