使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)GPRS通信小系統(tǒng)的研究

GPRS(通用分組無線電業(yè)務(wù))是利用包交換的概念發(fā)展的一套無線傳輸方式。GPRS網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)有的GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)中需要增加一些節(jié)點(diǎn)，如GGSN(GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn))和SGSN(GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn))。SGSN的主要作用是記錄移動(dòng)終端的當(dāng)前位置信息，并且在移動(dòng)終端與GGSN之間完成移動(dòng)分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。GGSN主要起網(wǎng)關(guān)作用，可以與多種不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，如ISDN(綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng))、PSPDN(包交換公用數(shù)據(jù)網(wǎng))和LAN(局域網(wǎng))等。GGSN可以把GSM網(wǎng)中的GPRS分組數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而把這些分組數(shù)據(jù)包傳送到遠(yuǎn)端的TCP/IP或X.25網(wǎng)絡(luò)。

GPRS網(wǎng)不但具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高、永遠(yuǎn)在線和按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，而且其本身就是一個(gè)分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)，支持TCP/IP協(xié)議，可以直接與Internet互通。因此，CPRS在無線上網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測便攜型、交通監(jiān)控、移動(dòng)辦公等行業(yè)中具有無可比擬的性價(jià)比優(yōu)勢。

1 GPRS通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Sony Ericsson公司的內(nèi)部嵌有TCP/IP協(xié)議棧的GPRS通信模塊GR47和PIC18f6720單片機(jī)，二者的串口均支持RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)。

核心設(shè)計(jì)在于單片機(jī)與GR47的連接和軟件的編寫。PIC18f6720單片機(jī)具有兩個(gè)USART(通用異步串行接口)，其中一個(gè)與GR47模塊相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)和AT命令的傳輸；另一個(gè)與終端芯片的串口相連，與終端進(jìn)行通信。GR47模塊外部需要安裝天線。如圖1所示。

PIC18F6720單片機(jī)控制GR47模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，在軟件中采用串行口的中斷來實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

1.1 PICl8F6720簡介

PIC18F6720是Microchip公司生產(chǎn)的較為高檔的單片機(jī)。采用3.3 V供電，其大部分指令均為單周期指令，幾乎所有的相關(guān)硬件配置都映射成特殊寄存器，大大提高了運(yùn)行速度；具有A，B，C，D，E，F(xiàn)，G這7個(gè)可編程的I/O口；內(nèi)部除了3840B的RAM外，還有1024B的EEPROM和128 kB的Flash存儲(chǔ)器；擁有4個(gè)定時(shí)器和多個(gè)中斷源及2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，有2個(gè)USART，功能十分強(qiáng)大，是一款性價(jià)比很高的芯片。

1.2 GR47簡介

GR47是Sony Ericsson公司生產(chǎn)的一款雙頻段GSM900/GSM=1800的通信模塊。在此模塊基礎(chǔ)上，可進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)傳輸，具有支持短消息服務(wù)等功能。采用3.6 V電壓供電；對(duì)外可提供多種接口，如天線接口、模擬音頻接口、異步串行接口、SIM卡接口等，也支持I2C通信；內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，因此采用此芯片會(huì)大大降低微控制器編程工作的難度。

本方案中用到的GR47的端口并不多，對(duì)幾個(gè)重點(diǎn)的連接點(diǎn)作如下說明：

a)串行口TD：接單片機(jī)的RX2，RD接單片機(jī)的TX2。

b)DSR引腳：即DataSetReady，說明模塊準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，此引腳經(jīng)過三極管開關(guān)電路與單片機(jī)的RB0相連。DSR為高表示處在數(shù)據(jù)模式，為低表示處在命令模式。

c)DTR引腳：即Data Terminal Ready，說明終端設(shè)備準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，可以通過控制此引腳電平的高低時(shí)間來進(jìn)行GR47的數(shù)據(jù)態(tài)和命令態(tài)的切換。此引腳經(jīng)過三極管開關(guān)電路與單片機(jī)的RF2相連。

2 GPRS通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，在MPLAB環(huán)境下編譯。由于本系統(tǒng)是遠(yuǎn)程管理終端的一個(gè)模塊，因此在程序的編寫中要遵守一定的協(xié)議，這樣才能保證正確通信。程序的主體是如何控制GR47的AT命令對(duì)GR47進(jìn)行初始設(shè)置和對(duì)信息數(shù)據(jù)的處理。程序總體上可以分為以下幾個(gè)塊：CPRS連接的初始設(shè)置、短消息的判斷處理、無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的心跳處理、數(shù)據(jù)判斷轉(zhuǎn)發(fā)等。主程序是把這些程序塊有機(jī)結(jié)合到一起，相互控制，無限循環(huán)。 2.1 連接的建立

GPRS模塊連接到Internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)過程如下：

a)單片機(jī)軟件控制GR47模塊開機(jī)，等待此模塊正常啟動(dòng)。

b)通過單片機(jī)和GR47模塊連接的串口，向GR47模塊寫入相應(yīng)的AT設(shè)置命令，進(jìn)行初始化，使模塊成功粘附在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行商分配的動(dòng)態(tài)IP地址，與目的終端建立連接。

2.2 數(shù)據(jù)的處理

數(shù)據(jù)包在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和GPRS服務(wù)器中的傳輸是基于IP數(shù)據(jù)包的，但明文傳送IP包不可取，因此大多選用PPP(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)通過GPRS模塊的數(shù)據(jù)和Internet網(wǎng)絡(luò)的透明傳輸。GR47內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，所以用戶對(duì)IP協(xié)議相關(guān)的程序就不必編寫，可以直接通過GR47傳遞數(shù)據(jù)。

a)模塊與Internet上PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸：要求PC機(jī)具有公網(wǎng)的IP地址和開放的端口以及監(jiān)視傳輸報(bào)文的運(yùn)行軟件。這樣，模塊與Intemet傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，報(bào)文就會(huì)顯示。在模塊成功聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)后，單片機(jī)只要將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)給GR47，GR47就會(huì)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的IP地址的PC機(jī)。

b)短消息數(shù)據(jù)的處理：GR47具有GSM的功能，可以與手機(jī)發(fā)送和接收短消息。短消息采用PDU格式，在程序中需要判斷短消息的到來和讀取短信內(nèi)容，并根據(jù)內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的功能，最后把結(jié)果構(gòu)造成PDU格式返回給相應(yīng)的發(fā)送者。

c)GPRS通信心跳信息：網(wǎng)絡(luò)連接建立后，在設(shè)定周期內(nèi)無數(shù)據(jù)通信時(shí)，GPRS模塊向數(shù)據(jù)服務(wù)中心發(fā)送心跳信息，數(shù)據(jù)服務(wù)中心收到心跳信息后，回應(yīng)應(yīng)答信號(hào)。

d)重要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)：程序中把一些重要的常用和易變的數(shù)據(jù)如計(jì)算機(jī)服務(wù)器的IP地址、端口號(hào)、終端地址、SIM卡號(hào)等存入單片機(jī)的EEPROM中。需要時(shí)從EEPROM中讀出或向EEPROM重新寫入數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。

2.3 主程序流程

主程序由模塊函數(shù)組成，模塊函數(shù)由基本函數(shù)嵌套組成。主程序流程大致如下：首先進(jìn)行單片機(jī)設(shè)置變量的初始化，一般均為0；進(jìn)行單片機(jī)相應(yīng)配置單元的初始化，比如設(shè)定端口方向、沒置中斷優(yōu)先級(jí)、定時(shí)器初始化等；然后由單片機(jī)控制GR47的電源，以決定是否開機(jī)；待開機(jī)成功后，查詢網(wǎng)絡(luò)是否注冊(cè)成功；成功后即可建立模塊與PC機(jī)服務(wù)器的連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和短消息處理；根據(jù)需要發(fā)送一定格式的心跳信息。見圖2。

3 結(jié)束語

本文給出了一種基于單片機(jī)和GPRS模塊的嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸終端的實(shí)現(xiàn)方案。以單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)為中心的小型GPRS通信系統(tǒng)成本低、設(shè)計(jì)周期短、便攜性好，尤其適用于遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸。