基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊

摘 要：針對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對系統(tǒng)構(gòu)建的方便性與數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘囊?，提出了一種基于移動GPRS無線通信的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集方案。該方案利用GPRS的Internet接入功能，通過移動公司的網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊與遠(yuǎn)程主機(jī)之間的無線通信。分析了該數(shù)據(jù)采集模塊的原理與結(jié)構(gòu)，嵌入式TCP／IP／PPP協(xié)議的實現(xiàn)，以及GPRS模塊的驅(qū)動設(shè)計。并由此研制出一臺基于Winbond單片機(jī)與c；PRS模塊的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測試結(jié)果證明了訪采集模塊的穩(wěn)定性與可靠性。
關(guān)鍵詞：GPRS模塊；數(shù)據(jù)采集；TCP／IP／PPP協(xié)議；MC35i

0 引 言
    數(shù)據(jù)采集與工業(yè)生產(chǎn)和國民生活息息相關(guān)，大到電力部門各變電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控、礦業(yè)生產(chǎn)單位的安全生產(chǎn)，小到社區(qū)居民的電表、水表抄表系統(tǒng)，因此數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)直接關(guān)系到人們生活質(zhì)量的提高。傳統(tǒng)的電表、水表的數(shù)據(jù)采集多采取人工抄表的方式，不僅浪費了大量的人力物力，抄表精度也不高；當(dāng)前的卡式預(yù)付費表由于要將付費額與消費量存入IC卡中，作為電表、水表與監(jiān)控中心的通信媒介，安全性有待提高；工業(yè)生產(chǎn)中多采用Internet網(wǎng)絡(luò)通信或是RS 485總線來實現(xiàn)各監(jiān)測點與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信，對于采集點分布集中時尚可實現(xiàn)，但是像電力系統(tǒng)變電站等多分布在郊區(qū)且節(jié)點多的系統(tǒng)來說不僅通信線路的鋪設(shè)是一筆巨大的費用，受自然環(huán)境的影響也特別大，可靠性得不到保障。
    GPRS無線上網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展給數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展帶來了新的活力。GPRS(General Packet，RadioService)是當(dāng)前GSM網(wǎng)絡(luò)通信向3G標(biāo)準(zhǔn)的過渡階段，即2．5G標(biāo)準(zhǔn)。GPRS在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上引入分組交換的功能，支持TCP／IP協(xié)議，可以與Inter—net直接相通，因此已在消費電子中得到了廣泛的應(yīng)用。GPRS理論最高通信速率可達(dá)到171．2 Kb／s，且國內(nèi)外各大通信公司均推出了各自的GPRS通信模塊，穩(wěn)定性好，完全能夠滿足各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需要，因此，GPRS無線通信技術(shù)的應(yīng)用必將給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展帶來巨大的變化。

l GPRS通信原理及數(shù)據(jù)采集模塊的整體結(jié)構(gòu)
1．1 GPRS無線通信原理
    基于GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由三部分構(gòu)成：位于數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場的GPRS數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)運營商提供GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集模塊位于各個數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場，由于移動公司的通信范圍已覆蓋我國的絕大部分地區(qū)，各數(shù)據(jù)采集模塊可分散地安裝在各種復(fù)雜的地理環(huán)境中而不必考慮線路鋪設(shè)等復(fù)雜的問題。GPRS網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)交換的橋梁。數(shù)據(jù)采集模塊與測量儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將測量儀表產(chǎn)生的檢測數(shù)據(jù)通過移動基站實時發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商所提供的GGSN(Gateway GPRS Support Node)服務(wù)器，GGSN分配給GPRS數(shù)據(jù)采集終端相應(yīng)的IP地址，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集終端與Internet的連接，再通過In—ternet網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到位于監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。GPRS模塊可以是始終在線的，因此位于監(jiān)控中心的工作人員可以實時了解到終端設(shè)備的工作情況并做出相應(yīng)的工作指示。

1．2 數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)
    數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)檢測儀器與遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的無線數(shù)據(jù)傳輸，如圖2所示，模塊以Winbond的高性能單片機(jī)W77E58為控制核心，通過將串口采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)初步處理后傳送給GPRS模塊實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信。

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    W77E58是Winbond公司推出的一款快速8051兼容微控制器，它的內(nèi)核經(jīng)過重新設(shè)計，整體運行速度要比標(biāo)準(zhǔn)的8051快2．5倍。W77E58具有1 KB的片上外部數(shù)據(jù)存儲器和32 KB的FLASH EPROM，省去了外擴(kuò)SRAM所需的I／O引腳，從而用來擴(kuò)展鍵盤與液晶顯示屏。
    W77E58較為突出的特性是它具有兩個增強(qiáng)型全雙工串行口，在數(shù)據(jù)采集模塊中可將一個串口采用RS 232協(xié)議與GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，另外一個串口則采用RS 485協(xié)議接收檢測儀器發(fā)送的數(shù)據(jù)。RS 485是在工業(yè)檢測現(xiàn)場應(yīng)用非常廣泛的現(xiàn)場總線，總線上一臺主機(jī)可以與多達(dá)32臺從機(jī)進(jìn)行通信。在實際應(yīng)用中可將一臺GPRS數(shù)據(jù)采集模塊與多臺檢測設(shè)備通過RS 485總線相連，提高通信模塊的利用率，這在電表、水表等低成本的檢測儀表無線通信應(yīng)用中十分重要。
    GPRS無線通信模塊負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)，GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信需要TCP／IP／PPP協(xié)議支持，當(dāng)前常見的GPRS模塊可分為自帶TCP／IP協(xié)議棧與不帶協(xié)議棧的兩大類，自帶協(xié)議棧的模塊有Simcom的SIMl00，使用方便，用戶只需通過AT指令來控制數(shù)據(jù)傳輸就能實現(xiàn)無線通信，當(dāng)然價格相對較高；而不帶協(xié)議棧的模塊還需用戶自己在單片機(jī)中實現(xiàn)嵌入式TCP／IP／PPP協(xié)議棧來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。考慮到模塊的成本與W77E58高性能，這里選用了西門子的MC35i通信模塊。MC35i穩(wěn)定性及性價比都比較高，接口簡單，AT指令完善，支持GPRS CLASS 10。使用時只需自行設(shè)計外圍電路，包括電源供電、RS 232通信、SIM卡接口電路以及通信天線。該模塊不帶TCP／IP／PPP協(xié)議，需要自己編寫，在單片機(jī)中實現(xiàn)。

2 TCP／IP／PPP協(xié)議的實現(xiàn)
    通常的Internet網(wǎng)絡(luò)通信只需實現(xiàn)TCP／IP協(xié)議簇，但是對于無線網(wǎng)絡(luò)的接入還需實現(xiàn)PPP協(xié)議。TCP／IP／PPP協(xié)議其實是一系列網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的集合，為了能在資源有限的單片機(jī)中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，只能根據(jù)特定的功能來實現(xiàn)相應(yīng)的協(xié)議，這包括PPP，IP，ICMP，UDP，TCP等協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建應(yīng)用程序的API接口。
    網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，在GPRS無線通信模塊中采用了5層結(jié)構(gòu)。如圖3所示，位于最底層的是網(wǎng)絡(luò)硬件驅(qū)動程序，也就是GPRS模塊的驅(qū)動，MC35i與GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接、斷開以及數(shù)據(jù)通信都是通過一系列的AT指令來實現(xiàn)。
    接下來是數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)鏈路層控制互聯(lián)網(wǎng)上主機(jī)之間數(shù)據(jù)鏈路的建立，該層實現(xiàn)了精簡的PPP(Point—to—Point Protoco1)點到點協(xié)議。GPRS模塊在撥號后首先要與GPRS網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信鏈路的協(xié)商，即協(xié)商點到點的各種鏈路參數(shù)配置。協(xié)商過程遵守LCP(Link Control Protoco1)，PAP(Password Authen—tication Protoco1)和IPCP(Internet Protocol ControlProtoco1)等協(xié)議。其中LCP協(xié)議用于建立、構(gòu)造、測試鏈路連接；PAP協(xié)議用于處理密碼驗證部分；IPCP協(xié)議用于設(shè)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議環(huán)境，并分配IP地址。一旦協(xié)商完成，鏈路已經(jīng)創(chuàng)建，IP地址已經(jīng)分配就可以按照協(xié)商的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行IP報文的傳輸了。數(shù)據(jù)傳輸完成之后，單片機(jī)會向GGSN發(fā)送LCP的斷開連接報文，以終止網(wǎng)絡(luò)連接。

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    GPRS模塊與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接成功后便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)際層實現(xiàn)了ICMP協(xié)議與IP協(xié)議。IC—MP協(xié)議是網(wǎng)際控制報文協(xié)議，負(fù)責(zé)傳遞網(wǎng)絡(luò)狀況信息。IP協(xié)議為TCP／IP協(xié)議中最為核心的協(xié)議，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)報路由的選擇，以及將上層協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包加上IP報頭后傳送給下層協(xié)議，并將下層協(xié)議接收到的IP數(shù)據(jù)包剝離包頭檢驗信息后接收或是丟棄。
    傳輸層實現(xiàn)了TCP和UDP協(xié)議。UDP是面向數(shù)據(jù)報的傳輸協(xié)議，不能保證可靠的數(shù)據(jù)交付，但開銷較小發(fā)送數(shù)據(jù)的時延也相對少。如果對可靠性要求高，可以選擇TCP協(xié)議，TCP為不可靠的IP連接提供可靠的、具有流量控制的、端到端的數(shù)據(jù)傳輸，但對系統(tǒng)資源的要求相應(yīng)增加。實際應(yīng)用時可根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容來選取傳輸協(xié)議。
    為了方便上層程序調(diào)用相關(guān)的協(xié)議進(jìn)行通信，可以建立一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將本地和遠(yuǎn)程的IP地址、端口號以及通信狀態(tài)封裝起來構(gòu)成一個Socket，并提供相應(yīng)的API函數(shù)供應(yīng)用程序調(diào)用，這就是應(yīng)用層接口。

3 MC35i驅(qū)動及AT指令的編寫
3．1 MC35i的開關(guān)機(jī)及初始化
    MC35i的開關(guān)機(jī)需要在模塊的0N／OFF引腳上加上脈寬1 s以上的低電平。當(dāng)模塊處于關(guān)機(jī)狀態(tài)檢測到0N／OFF引腳的下降沿并持續(xù)1 s以上的低電平時啟動整個模塊，同理，當(dāng)模塊啟動后檢測到持續(xù)1 s以上的低電平，則延時8 s關(guān)機(jī)。所有的AT指令操作都必須在開機(jī)狀態(tài)下才能執(zhí)行。
    開機(jī)后還要對MC35i進(jìn)行初始化來實現(xiàn)單片機(jī)對模塊的控制：首先要測試模塊串口的連接狀況，通過發(fā)送AT指令，等待模塊的回復(fù)，返回OK則連接成功，沒有響應(yīng)則表示模塊連接存在問題；接著還要向模塊發(fā)送ATEO指令來關(guān)閉回顯?；仫@功能主要用于串口調(diào)試，具體應(yīng)用時應(yīng)關(guān)閉該功能，防止回顯字符和返回參數(shù)混合。
3．2 MC35i的AT控制指令
    MC35i模塊是采用AT指令集進(jìn)行控制的，采用AT指令集可以實現(xiàn)模塊參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。AT指令集是調(diào)制解調(diào)器通信接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，指令由ASCII字符組成，除“A／”、“+++”指令外，所有指令都是以”AT”開頭，以<回車><換行>結(jié)束，絕大多數(shù)指令被執(zhí)行后都有返回參數(shù)。
    常見的AT指令有：
    設(shè)置通信波特率：使用AT+IPR=19200命令，把波特率設(shè)為19 200 b／s；
    設(shè)置接入網(wǎng)關(guān)：通過AT+CGD CONT=1，“IP”?！癈MNET”命令設(shè)置GPRS接入網(wǎng)關(guān)為移動夢網(wǎng)；
    設(shè)置移動終端的類別：通過AT+CGCLASS=“B”設(shè)置移動終端的類別為B類，即同時監(jiān)控多種業(yè)務(wù)，但只能運行一種業(yè)務(wù)，即在同一時間只能使用GPRS上網(wǎng)，或者使用GSM的語音通信；
    測試GPRS服務(wù)是否開通：使用AT+CGACT=1，1命令激活GPRS功能。如果返回OK，則GPRS連接成功；如果返回ERROR，則意味著GPRS失敗。中國移動在GPRS與Internet網(wǎng)中間建立了許多的網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(GGSN)，以連接GPRS網(wǎng)與外部的Internet網(wǎng)絡(luò)。GPRS模塊可以通過撥“*99***1#”登錄到GGSN上，并通過PPP協(xié)議獲取動態(tài)分配到In—ternet網(wǎng)的IP地址。

4 使用需注意的問題
    由于GPRS網(wǎng)絡(luò)通信是以GSM網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，GSM網(wǎng)絡(luò)的語音通信優(yōu)先級較高，當(dāng)GPRS長時間在線但不產(chǎn)生流量時，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級會自動降低，GGSN服務(wù)器則會為了節(jié)省線路帶寬斷開其網(wǎng)絡(luò)連接，此時對于GPRS模塊來說，雖說IP地址還在，但已無法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為了防止這種情況導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的中斷，可在系統(tǒng)中設(shè)定“心跳”功能，通過單片機(jī)的定時器來實現(xiàn)，每隔一段時間向服務(wù)器發(fā)送一個TCP數(shù)據(jù)包，以保證系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接不斷線。“心跳”頻率應(yīng)根據(jù)實際情況來設(shè)定，頻率不宜過高，以免產(chǎn)生過高的額外流量。
    由于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)受天氣環(huán)境影響較大，當(dāng)出現(xiàn)雷雨等惡劣天氣或是信息擁塞時可能會發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失、掉線等現(xiàn)象。為了防止丟包的現(xiàn)象發(fā)生，可以根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性與否采取TCP或是UDP協(xié)議，TCP協(xié)議具有延時重發(fā)功能，對于UDP方式，則必須自行設(shè)計校驗和糾錯規(guī)則。對于受干擾掉線的問題則可定時測試網(wǎng)絡(luò)連通狀況，向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端發(fā)送ICMP回顯請求(即ping命令)，根據(jù)終端的應(yīng)答情況來判斷網(wǎng)絡(luò)狀況。當(dāng)多次請求未回應(yīng)時即啟動GPRS模塊重新連接。
    當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊處于電磁干擾特別強(qiáng)烈的電力變壓器、電力整流器、電力開關(guān)產(chǎn)生的火花等環(huán)境中時，GPRS模塊和SIM卡運行時間長了偶爾會出現(xiàn)死機(jī)的現(xiàn)象，因此要對GPRS模塊和SIM卡實時監(jiān)測。
    對GPRS模塊的監(jiān)測：每隔一定的時間對模塊進(jìn)行AT指令測試，如果模塊有返回數(shù)據(jù)則說明模塊運行正常，沒有死機(jī)；如果沒有返回，則模塊出現(xiàn)問題，此時用單片機(jī)控制關(guān)閉模塊電源，幾秒鐘后再打開電源，重新啟動模塊。
    對SIM卡的監(jiān)測：在模塊測試完畢后接著發(fā)送關(guān)于SIM卡的AT指令，如果返回OK則SIM卡工作正常，如果返回ERROR則SIM卡復(fù)位或者死機(jī)，此時可用AT指令重新啟動模塊。

5 結(jié) 語
    本套數(shù)據(jù)采集模塊采用GPRS方式接入Internet網(wǎng)絡(luò)，不受地點與空間的限制，克服了傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控布線困難或是抄表系統(tǒng)效率低，可靠性差的缺點，可廣泛應(yīng)用于電力工礦等生產(chǎn)行業(yè)設(shè)備運行監(jiān)控，居民生活區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，甚至于各種遠(yuǎn)程家居電器控制系統(tǒng)等小流量高實時性的通信系統(tǒng)中。隨著3G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的成熟與應(yīng)用，無線網(wǎng)絡(luò)通信的速度與可靠性將有變革性的提高，相信隨著新一代通信技術(shù)的發(fā)展，基于無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將有著更為廣闊的應(yīng)用前景。