徐天旻

（安徽省聯(lián)通公司，　安徽　合肥　230000）

?

GPRS數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)設(shè)計(jì)

徐天旻

（安徽省聯(lián)通公司，安徽合肥230000）

介紹了GPRS通用數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)、以及GPRS通信技術(shù)、GPS定位技術(shù)和圖像壓縮技術(shù)；設(shè)計(jì)了基于AT命令方式實(shí)現(xiàn)的GSM通信和GPRS通信，設(shè)計(jì)主體包括GPRS模塊、GPS數(shù)據(jù)采集模塊、JPEG圖像數(shù)據(jù)采集模塊。

GPRS；無線傳輸

一、設(shè)計(jì)背景及系統(tǒng)框架

（一）GPRS通信技術(shù)

通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS（General Packet Radio Service）是一種基于GSM的移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，面向用戶提供移動(dòng)分組的IP或者X．25連接。是在目前現(xiàn)有的GSM數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)上發(fā)展起來的一種新型承載業(yè)務(wù)。

GPRS網(wǎng)絡(luò)引入了分組交換和分組傳輸?shù)母拍?，這樣使得GSM網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持從網(wǎng)絡(luò)體系上得到了加強(qiáng)。

（二）系統(tǒng)框架

本文介紹了一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)和MCU微處理器的嵌入式通用數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)了GPS定位數(shù)據(jù)，JPEG圖像數(shù)據(jù)和環(huán)境信息數(shù)據(jù)的采集傳輸，從而實(shí)現(xiàn)終端與監(jiān)控中心的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程交互式監(jiān)控傳輸。GPRS網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)由GPRS數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)、無線GPRS傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心三部分組成，整個(gè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　基于GPRS網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

GPRS數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)由MCU模塊、GPRS通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊三部分構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)采集模塊包括GPS定位數(shù)據(jù)模塊、JPEG圖像采集模塊和環(huán)境信息采集模塊。

MCU微控制模塊，主要起到控制外圍GPRS模塊實(shí)現(xiàn)通GPRS的連接和通信。通過I/O口，MCU可實(shí)現(xiàn)與GPS模塊、JPEG300圖像數(shù)據(jù)采集模塊和環(huán)境信息采集模塊的連接，并控制外圍模塊的工作狀態(tài)，根據(jù)監(jiān)控中心需求，控制不同模塊采集需求數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

無線GPRS網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)監(jiān)控中心與數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)之間的信息傳輸。

數(shù)據(jù)從含有GPRS模塊的終端傳輸?shù)絀nternet要經(jīng)過四個(gè)設(shè)備，MS（Mobile Station）、基站系統(tǒng)BSS （Base Station System）、服務(wù)GPRS節(jié)點(diǎn)SGSN（Serving GPRS Support Node） 和網(wǎng)關(guān)GPRS節(jié)點(diǎn)GGSN （Gateway GPRS Support Node）。通過以上四個(gè)設(shè)備將智能終端設(shè)備和Internet連接起來，完成了GPRS到Internet網(wǎng)絡(luò)的連接，并實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信。

監(jiān)控中心是連接到Internet的PC機(jī)，加載監(jiān)控中心的軟件平臺(tái)，它采用VC/C++、VB、JAVA等實(shí)現(xiàn)，采用SOCKET技術(shù)，對(duì)終端實(shí)時(shí)監(jiān)控。

二、模擬終端設(shè)計(jì)

通過Visuan Basic6．0界面設(shè)計(jì)環(huán)境，設(shè)計(jì)仿真數(shù)據(jù)終端設(shè)備與SIM300C模塊之間的數(shù)據(jù)通信，并通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互。

（一）通信實(shí)現(xiàn)

SIM300C模塊是美國(guó)SIMCOM公司生產(chǎn)的一種通用的GSM/GPRS模塊，與數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE（Data Terminal Equipment）或者終端設(shè)備TE（Terminal Equipment）進(jìn)行交互通信時(shí)，都必須用AT命令進(jìn)行預(yù)處理，才能實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信交互。

GSM模塊與計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議是一些AT指令集，從系統(tǒng)的角度來看，可以把SIM300C作為一個(gè)普通的調(diào)制解調(diào)器來操作。

（二）GPRS通信實(shí)現(xiàn)

要建立GPRS連接，要經(jīng)歷：定義PDP上下文、建立接入點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)附著、定義連接方式、連接目的IP和端口號(hào)幾個(gè)部分。但目前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商在開通GPRS服務(wù)以后，已經(jīng)完成了前幾部分的工作。所以，在GPRS實(shí)際連接過程中，基本上可以考慮后面幾部分即可。

1．AT+CIP START=＜1＞，＜2＞，＜3＞

參數(shù)＜1＞為建立GPRS連接的連接方式參數(shù)，可為UDP或者TCP；參數(shù)＜2＞為建立連接的目的地址，為IP地址或者域名；參數(shù)＜3＞為與目的地建立連接的連接端口號(hào)，一般采用1024-65535的動(dòng)態(tài)端口號(hào)。

2．AT+CIP SEND=＜n＞

GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)預(yù)處理。AT+CIP SEND發(fā)送數(shù)據(jù)前可以確定本次發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，也可以采用自適應(yīng)發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度處理。

三、傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

為較好的實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與終端設(shè)備的交互通信，提高數(shù)據(jù)傳的穩(wěn)定性、可靠性，在數(shù)據(jù)與監(jiān)控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的過程中，擬定以下協(xié)議。

（一）地理信息傳輸協(xié)議

地理信息主要是監(jiān)控中心實(shí)時(shí)接收終端GPS接收模塊的采集的經(jīng)度、緯度、高度、速度、時(shí)間和跟蹤衛(wèi)星數(shù)目。

（二）圖像數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

在傳輸圖像數(shù)據(jù)過程中，采用SIM300C模塊“面向非連接”的UDP（User Data Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）傳輸模式。

（三）環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸協(xié)議

環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)要求有較高的交互性，因而我們充分考慮中心與終端的可靠互動(dòng)性，制定以下傳輸協(xié)議。

監(jiān)控中心下發(fā)終端命令格式：

幀同步，2Bytes　命令類型，1Byte　信息負(fù)荷（數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與信息類型有關(guān)

終端發(fā)送到監(jiān)控中心信息格式：

頭信息2Bytes、終端ID 1Byte、信息類型 1Byte、信息負(fù)荷長(zhǎng)度由信息類型確定

四、硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)和MCU微處理器的嵌入式系統(tǒng)，其硬件框架如圖2所示。

圖2　基于GPRS通用數(shù)據(jù)平臺(tái)的邏輯框圖

系統(tǒng)主要由MCUC8051F020、SIM300C模塊、SIM卡、GPS模塊、JPEG300模塊和JTAG接口組成，通過MCU8051F020控制外圍模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與數(shù)據(jù)終端的交互式數(shù)據(jù)通信。

GPS模塊主要完成定位信息的采集，MCU通過UART1增強(qiáng)型串口與GPS模塊相連，獲取日期，時(shí)間，經(jīng)度，緯度，高度和跟蹤衛(wèi)星數(shù)目等信息；SIM300C模塊主要完成與GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線連接，提供傳輸數(shù)據(jù)的平臺(tái)；JPEG300是一種具備視頻捕捉和壓縮的攝像機(jī)，它將攝像、視頻捕捉、視頻壓縮、8位數(shù)據(jù)接口集成一體，單幀數(shù)據(jù)量最低可達(dá)3K （160*128分辨率）的JPEG圖片；環(huán)境信息采集模塊主要采集監(jiān)控環(huán)境的溫度、壓力、水位信息。采集模塊選用LEVELTROLL系列的水位監(jiān)測(cè)儀包含了水位及溫度傳感器、內(nèi)置記錄功能及內(nèi)置電池，所有功能都集成在直徑18．3mm的金屬外殼的儀器內(nèi)，適合各類型水環(huán)境，甚至深海環(huán)境的水位測(cè)量。采用RS-485接口通訊方式，易用的軟件使您可以快速的獲得數(shù)據(jù)，達(dá)到高精度、低漂移的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

通過MCU，此系統(tǒng)能夠通過GPRS通信與監(jiān)控中心連接，觀測(cè)終端的GPS地理信息和實(shí)時(shí)圖片信息，并可以監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)交互處理。能夠遠(yuǎn)程的實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息量的監(jiān)測(cè)和控制。當(dāng)然他只是一通用系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集端可以是諸如機(jī)房溫度、濕度、壓強(qiáng)，或者是POS機(jī)等無線終端設(shè)備。

五、外圍電路設(shè)計(jì)

（一）SIM300CGPRS模塊

SIM300C是小體積即插即用模組中完善的三頻/四頻GSM/GPRS解決方案。在本系統(tǒng)中，模塊外圍接口主要與MCU、SIM卡、揚(yáng)聲器接口、麥克風(fēng)接口、蜂鳴器等進(jìn)行連接。選取模塊的串口0的RXD和TXD分別與與MCU的P0．0、P0．1相連，進(jìn)行交互式串口通信，SIM300C模塊工作于串口0時(shí)，可進(jìn)行語音、SMS、GPRS等通信，而接串口1時(shí)，模塊只能進(jìn)行AT命令調(diào)試，且對(duì)于SIM300C模塊不能同時(shí)使用兩個(gè)串口，串口0工作的波特率是一種自適應(yīng)的波特率，隨外界輸入波特率的變化，可隨時(shí)進(jìn)行同步，但最高波特率不能超過115200bps。

（二）GPS數(shù)據(jù)采集模塊

JIUPITER GPS接收板是GPS衛(wèi)星制造商ROCKWELL公司產(chǎn)品，它具有捕獲衛(wèi)星速度快，無靜態(tài)漂移，自動(dòng)檢測(cè)天線狀態(tài)，首次定位時(shí)間TTFF短，動(dòng)態(tài)性能好，可進(jìn)行多種設(shè)置，得到多種數(shù)據(jù)，自動(dòng)冷啟動(dòng)定位處理，有極強(qiáng)的抗遮擋能力；提供載波相位輸出；非常適合在各種導(dǎo)航定位設(shè)備及車/船等移動(dòng)目標(biāo)中使用。

JIUPITER接收板將采集的GPS定位數(shù)據(jù)輸入到MCU進(jìn)行處理。TMARK（PIN19）與MCU外部中斷/ INT1相連，TMARK的上升沿與UTC時(shí)間同步，誤差在1us之內(nèi)。因此我們可以有充足的時(shí)間來標(biāo)明TMARK的時(shí)刻。

（三）JPEG300圖像采集模塊

JPEG300模塊采用30萬像素的CMOS傳感技術(shù)，具有自動(dòng)曝光、自動(dòng)增益調(diào)節(jié)、自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能，是一種具備視頻捕捉和壓縮的攝像機(jī)，它將攝像機(jī)、視頻捕捉、視頻壓縮、8位數(shù)據(jù)接口集成一體，能夠較為方便的與各種單片機(jī)相連，可簡(jiǎn)單的與DSP、PC104總線連接，亦可直接與PC機(jī)EPP并口直接相連。JPEG300具有高大25倍的圖像壓縮比例，圖像效果仍能比較清晰。其單幀數(shù)據(jù)量最低可達(dá)3K（160*128分辨率）的JPEG圖片。

（四）外部擴(kuò)展SRAM存儲(chǔ)模塊

由于串口數(shù)據(jù)的傳輸速度115200bps低于JPEG300的圖像輸出速度，所以必須在MCU外圍擴(kuò)展SRAM。選擇32K非易失性鐵電存儲(chǔ)器FM18L08。

六、軟件設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)采用Silicon Labs集成開發(fā)環(huán)境IDE，軟件設(shè)計(jì)過程中，我們重點(diǎn)對(duì)MCU的軟件配置和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行編程。數(shù)據(jù)采集部分重點(diǎn)分析了項(xiàng)目中GPS定位數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)和環(huán)境信息數(shù)據(jù)的采集過程。

（一）C8051F020的應(yīng)用設(shè)計(jì)

采用Cygnal公司的C8051F020MCU作為數(shù)據(jù)采集模塊的微控制器。設(shè)計(jì)中使用了UART0（TX0、RX0）、UART1（TX1、RX1）、/INT0、/INT1。

要對(duì)系統(tǒng)擴(kuò)展外部XRAM，選擇高端口P4～P7通過總線實(shí)現(xiàn)CPU與XRAM之間的通信；P7口作為數(shù)據(jù)地址復(fù)用AD0～AD7；P6作為地址高8位A8～A15；P4提供ALE、/WR、/RD控制總線信號(hào)。與外部存儲(chǔ)器接口相關(guān)2個(gè)特殊功能寄存器，接口控制寄存器EMI0CF=0x24，外部存儲(chǔ)器接口時(shí)序控制寄存器EMI0TC=0x6D。

（二）GPS數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

GPS數(shù)據(jù)采集子程序GPS Data（）軟件流程如圖3所示。

圖3　GPS數(shù)據(jù)采集流程圖

（三）JPEG圖像采集軟件設(shè)計(jì)

無線圖像傳輸數(shù)據(jù)采集模塊JPEG300用于圖像的采集、存儲(chǔ)和發(fā)送。

JPEG300集成了CMOS傳感器、JPEG壓縮芯片以及串行接口，壓縮比高，傳輸速率理想。由于JPEG300發(fā)送給單片機(jī)的數(shù)據(jù)是已經(jīng)壓縮的JPG文件，單片機(jī)不需要對(duì)圖像作過多的處理，只需要將采集的圖像存于存儲(chǔ)芯片，再通過串口把需要發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊，然后GPRS模塊將圖像發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上去。

JPEG300只有在預(yù)備狀態(tài)才會(huì)查詢CAPEN引腳，只要發(fā)現(xiàn)CAPEN=1就啟動(dòng)采集過程。即使隨后CAPEN=0，整個(gè)采集過程也會(huì)持續(xù)完成而不被終止。

（四）環(huán)境信息數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

Level Troll系列的水位監(jiān)測(cè)儀采用Mod bus協(xié)議，此協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用協(xié)議，通過Mod bus，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以完成數(shù)據(jù)交換。

Level Troll水位監(jiān)測(cè)儀外圍采用的RS485接口，控制器能采用RTU模式。

針對(duì)上述采集輸出格式，在軟件設(shè)計(jì)中調(diào)用了Environ Data（）子函數(shù)，用來實(shí)現(xiàn)底層水位監(jiān)測(cè)儀采集數(shù)據(jù)的提取。

七、結(jié)論

整套項(xiàng)目的設(shè)計(jì)重點(diǎn)：用Visual Basic完成模擬終端的設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)基于GPRS數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)，精心選擇傳輸平臺(tái)所使用的器件和模塊；反復(fù)調(diào)試SIM300C模塊，精簡(jiǎn)GPRS網(wǎng)絡(luò)連接步驟，消除GPRS連接過程中的冗余AT命令，簡(jiǎn)化軟件連接步驟；充分考慮節(jié)能問題。

［1］Digital cell ulartele communications system（phase2+）ETSITS101297：123～130．

［2］徐紹銓．GPS測(cè)量原理及應(yīng)用［M］．湖北：武漢大學(xué)出版社．2008．

［3］胡友?。蚨ㄎ幌到y(tǒng)（GPS）原理與應(yīng)用［M］．地質(zhì)大學(xué)出版社．

［4］武漢萬德數(shù)碼技術(shù)有限公司．JPEG300數(shù)碼相機(jī)模塊使用手冊(cè)．2003：5～8．

［5］韓斌杰．GPRS原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2004．

［6］劉光斌，單片機(jī)實(shí)用抗干擾技術(shù)［M］．人民郵電出版社，2003．

［7］姜末岐，林偉．Protel2004原理與PCB設(shè)計(jì)．2006．

［8］彭瑜．一種低功耗、低成本、高可靠性、低復(fù)雜度的無線電通信協(xié)議-ZigBee［J］．自動(dòng)化儀表，2005，（5）．

［9］Texas Instruments．UserManualRev1．2Smart RFCC2430 ZDK ZigBee Development KitPro［DB/OL］．http：//www．TI．com/，2005，12．25-26．

［10］Texas Instruments．Z-Stack User’s Guide For Chipcon CC2430 ZDK［DB/OL］．http：//www．TI．com/，2006，2．3-4．

（責(zé)任編輯：袁媛）

A Design of Data Transmission Platform Based on GPRS

XU Tian-min
（Anhui Branch of China Unicom，Hefei 230000，China）

The overall structure of data transmission platform based on GPRS is presented．The GPRS communications technology，GPS positioning technology and image compression technology are also introduced．Based on the AT Command，a design is made to realize the GSM communications and GPRS communications．The design consists of the GPRS module，GPS data acquisition module，and JPEG image data acquisition module．

GPRS；wireless transmission

TN914

B

1671-802X（2016）03-0054-04

2016-03-12

徐天旻（1982-），男，安徽合肥人，助理工程師，碩士，研究方向：數(shù)字通信技術(shù)。E-mail：xuwenpu@21cn．com．