基于ＧＰＲＳ的無線數據傳輸終端的設計

摘 要：GPRS(通用分組無線業務)在當前遠程數據傳輸、遙測遙控中越來越受到人們的重視，特別是基于單片機的GPRS數據傳輸方案在GPS車載終端、自動抄表系統等遠程遙測遙控系統中的應用更是倍受關注。論述了基于WAVECOM的Q2406B無線模塊、AT89S5單片機的GPRS數據傳輸終端的設計方案，并提供了硬件電路圖，軟件流程圖及程序代碼。

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關鍵詞：GPRS模塊；RS 232；AT89S51單片機；AT指令

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0102503

Design of Wireless Data Transmission Terminal Based on GPRS

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LIU Ning，FENG Wei，LU Linsheng

(Information and Electrical Engineering College，China University of Mining Technology，Xuzhou，221000，China)

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Abstract：GPRS plays an important role in many fields such as remote data transmission and remote control system.The application of GPRS data transmission based on single chip has become the focus of GPS vehicle terminal and automatic reading meter system.This paper introduces a design which implements the GPRS data transmission using WAVECOMQ2406B modem and AT89S51 single chip，and provides corresponding hardware circuit diagram，software flow chart and program code.

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Keywords：GPRS modem;RS 232;AT89S51 single chip;AT command

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1 引 言

隨著無線通信技術的發展，移動運營商提供的無線網絡實現遠程監控和數據傳輸已被廣泛應用于各個領域。通用分組無線業務(General Packet Radio Service，GPRS)是在現有GSM系統上發展出來的一種分組數據承載業務，GPRS網絡具有以下優點：

實時在線，接入速度快;

傳輸速率高， 理論值最高可達 1712 kb/s;

計費合理，以流量計費;

快捷登錄，GPRS用戶開機后， 就始終附著在GPRS網絡上，每次使用時只需一個1~3 s的激活過程。

因此，GPS車載終端、自動抄表系統等遠程遙測遙控系統利用GPRS實現數據傳輸將成為今后發展的趨勢。本文以AT89S51單片機與WAVECOM的Q2406B無線通信模塊為例具體介紹實現GPRS數據傳輸的方法以及關鍵技術。

2 GPRS數據傳輸的協議分析和實現

GPRS無線數據傳輸終端利用網絡實現與上位機的全雙工數據通信。終端需附著GPRS網絡，登陸Internet與連接其上的任意一臺普通PC機建立數據鏈路并隨時進行數據傳輸。欲完成這一過程必須實現GPRS的附著和PDP(Packet Data Protoco1，分組數據協議)上下文的激活。通過GPRS的附著登記用戶信息，對用戶進行移動性管理，激活過程用于激活IP協議，保證數據能以IP報的形式進行傳送， 使移動臺與GGSN(Gateway GPRS Support Node，網關GPRS節點)建立一條邏輯通路，進行數據傳輸。可見，激活過程是系統實現的關鍵，他由中央控制器軟件來實現。分組數據協議的激活涉及到網絡的多個協議，如PPP協議、LCP(Link Control Protocol鏈路控制協議)、NCP(Network Control Protocol，網絡控制協議)、PAP(Password Authentication Protocol，密碼認證協議)和IPCP(Internet Protocol，Internet協議控制協議)等。

2.1 分組數據協議上下文激活過程

(1) 終端設備向移動終端發送AT指令激活IP協議，在指令中包含終端想要連接的APN(Access Point Name，訪問點名稱)。

(2) 終端設備向移動終端發送 PPPPLC幀給移動終端，表明PAP是在PDP激活過程中的身份認證協議。

(3) 終端設備開始進行PAP認證，認證通過后，移動終端將對終端設備給以回應，表明承認其身份，并且會將用戶ID和密碼儲存下來。

(4) 終端設備通過發送NCP-IPCP配置請求信息給移動終端，幀內IP地址為空， 表明請求動態分配IP地址。

(5) 移 動 終 端 向SGSN(Servicing GPRS Support Node，服務GPRS節點) 發送激活PDP上下文的請求信息，信息中包含如下信息：APN、PDP類型，PDP 地址為空，代表請求動態分配IP地址。

(6) SGSN請求DNS(Domain Name System，域名系統)服務器對APN進行解析，得到AON對應的GGSN的IP地址。

(7) SGSN發送建立PDP上下文的請求消息給被選定的GGSN，消息中應包含：APN、PDP類型，PDP地址為空，代表請求動態分配IP地址、用戶更改的 ＱｏＳ 和其他選項。

(8) GGSN對用戶進行認證，認證通過后，使用RADIUS(Remote Authentication Dia-in User Service，遠程認證撥入用戶服務)服務器、DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，動態主機配置協議)服務器或直接由GGSN為用戶分配動態IP地址，GGSN向SGSN返回建立PDP上下文相應消息。

(9) SGSN向移動終端發送激活PDP、上下文接受消息。

(10) 移動終端發送NCP-IPCP配置回應幀給終端設備，回應幀包含了被動態分配的IP地址。

至此PDP上下文的激活過程全部完成，移動終端與外部數據網建立起數據通路， 數傳終端就可以和監控中心以IP數據報的形式進行通信。

2.2 協議實現過程

系統設計的主要思路是單片機通過發送AT指令控制GPRS模塊建立無線信道、完成數據傳輸。用AT指令實現以上協議并完成數傳的步驟如下：

(1) 設置接入網關：AT＋CGDCONT＝1，“IP”，“COMNET”;

(2) ＧＰＲＳ 網絡附著：AT＋CGATT＝1;

(3) 激活GPRS 模式：AT#GPRSMODE＝1;

(4) 設置網絡接入點名稱：AT#APNSERV＝“COMNET”;

(5) 請求網絡連接：AT＃COMNETIONSYART;

(6) 設置上位機的IP地址：AT#TCPSERV＝“202.207.28.43”;

(7) 設置上位機偵聽的端口準備與客戶端通信：AT#TCPPORT＝“6800”;

(8) 打開與上位機的連接：AT#OTCP;

(9) 斷開網絡連接：AT# COMNETIONSTOP;

(10) 取消 GPRS附著：AT+CGATT=0。

在完成GPRS數傳過程中，以上AT命令均必須設置，但相鄰AT命令間要有一定延時，經驗證約3 s即可。

3 數傳終端的硬件設計

在本系統中，單片機89S51串口利用MAX232完成TTL/CMOS電平轉換后與GPRS模塊相連接， 實現模塊初始化和數據收發，同時可擴展串口與其他嵌入式系統PC 機進行數據交換。圖1是系統的硬件框圖。

本終端的微控制器選用ATMEL公司的AT89S51。他是ATMEL公司在AC89C51 停產后推出的新款微處理器，他的工作頻率為33 MHz，具有全雙工UAET串行通道、看門狗計時器、雙數據指示器、電源關閉標識。

GPRS模塊選用WAVECOM的Q2406B，該模塊內置TCP/IP協議并提供了9針的標準RS 232接口。

4 數傳終端的軟件實現

系統軟件設計的核心部分是單片機與GPRS模塊的通信，兩者間需定義通信協議、規定幀格式， 通過AT指令實現GPRS網絡的附著、PDP激活、Interne的接入及數據傳輸。

4.1 AT指令的調試

單片機以一定的協議向模塊發送AT指令，接收模塊執行指令后的返回值，并進行相應校驗。單片機串口實質上是以位為單位完成收發， 由協議預定義的起始位、校驗位、停止位決定數據幀的封裝格式。

4.1.1 波特率的設置

在 Window自帶的超級終端中利用AT+IPR＝“波特率”指令設置無線通信模塊的波特率，并通過命令后加“；＆Ｗ”將所設值存儲在模塊E2PROM中，掉電后不會丟失(如：AT+IPR＝“115200”；＆Ｗ)。系統設計過程中通信的不暢通通常是由于波特率不匹配造成的。

4.1.2 AT指令的格式

用單片機發送AT指令時，字符格式的AT指令需按照ASCII編碼轉化為二進制數后才可存儲在ROM中，進而通過串口收發，但AT指令及其返回字符串中混有不可打印字符，所有的AT指令返回值并非以可打印字符起始，清楚掌握這些不可打印字符在指令中的出現位置及表示方法是用MC控制無線模塊的關鍵， 通過串口偵聽可知AT指令實質是以字節發送，回車符代表指令的結束，模塊接收到回車符后開始執行指令，指令發送過程中，字節間允許有任意間隔。模塊接收到指令字節后，會立即答復相應的握手信號。模塊執行指令后的一切返回值 (無論是指令執行后的OK還是報錯信息)都是以不可打印字符“0D0A”開始和結束。

4.1.3 屏蔽回顯

GPRS 模塊回復收到字符的握手信號又稱為回顯(Echo)，握手機制能確保指令收發的可靠性，但在實際的設計中，通過MCU實現對模塊的控制，需接收執行 AT指令的返回值，并需進行必須的字符校驗，每發送一字節指令后模塊所返回的握手信號須程控濾除，頻繁的開關串口中斷，降低了程序的可靠性。為簡化這一過程，需使用ATE0 指令屏蔽模塊回顯。

4.2 程序設計

系統程序全部由標準C51進行編寫，采用模塊化設計思想，主要分為系統初始化模塊、建立連接模塊、數據傳輸模塊、斷開連接模塊4部分。系統中定義了兩個字符型指針數組unsigned char*AT，unsigned char*Data分別作為AT命令緩存區以及欲發送數據緩存區，編寫了單片機初始化函數Initialize()、字符串發送函數 Send[CD#*2]string(unsigned char*ch)、串口接收中斷函Serial(void)interrupt 4 using 3、延時k秒鐘函數Delay(int k)、建立連接子函數void Send[CD#*2]AT(void)等。系統程序流程圖如圖2所示。

4.2.1 初始化

單片機初始化部分將AT89S51串口設置為工作方式1， 即8位數據位和1位停止位；定時器選用定時器1的工作方式2即8位自動重裝定時器，波特率設為4 800 B(晶振頻率為12 MHz)，所以定時器1初值分別為TH1=0xF3，TL1=0xF3。初始化時先將串口中斷關閉，在與上位機建立連接后再打開。

4.2.2 建立連接

為了方便程序設計， 增強程序可讀性， 將建立連接所需的AT命令以字符串形式存放于AT命令緩存區， 所需多條AT指令長度不一且發送順序不可改變，為了有效控制每條AT指令、提高CPU利用率需將AT指令緩存區設置為指針數組形式，在建立連接時通過循環調用字符串發送函數將這些AT命令發送， 相鄰AT命令間要有2~3 s的延時，所以每發送完一條AT命令都要調用一個3 s的延時子程序，然后通過串口中斷接收函數接收AT命令返回值來判斷連接是否成功。需要注意的是AT命令均以回車符作為結束標志，并以字符串形式傳送， 因此在定義AT命令緩存區時一定要注意轉義字符的使用。

4.2.3 數據傳輸

在與上位機連接成功后，通過字符串發送函數發送數據緩存區中的數據，數據緩存區仍需設置為指針數組形式，發送數據的原理與建立連接時的基本相同，但數據的接收是通過串口中斷接收函數完成的，同時將接收到的數據必須先放入接收緩存區以便作做顯示處理。需要指出的是串口中斷程序既要接收指令返回值又要接收上位機傳來的數據， 這兩種接收信息的處理方式不同， 所以在中斷函數中應通過設置兩個不同的標志來解決這一問題。接收中斷函數如下：



Void serial(void)interrupt 4 using 3

{ 

Unsigned char a；

If(RI)

{

RI=0；

a=SBUF；

if(m==0) //判斷接收指令返回值與接收數據的標志，初值為0，進入數傳狀態后置1

｛

If(isprint(a)) //判斷接收到的字符是否為可打印字符，是則放入接收緩存區

｛

Re[cont]=a；

cont++；

｝

If(cont==22) //[ZK(]判斷連接指令返回值( ……) 是否接收完整[ZK)]

｛

flag=1；//AT命令返回值接收完成標志置位

cont=0；

｝

｝

else if(a!=0x0D) //傳輸數據以回車符為結束符， 判斷該次數據是否接收完成

｛re[cont]=a；cont++｝//將接收數據放入接收緩存區

else{

d=1；//數據接收完成標志置位

n=cont；//接收數據個數

cont=0；

｝

｝

｝

4.2.4 斷開連接

數據鏈路的釋放可通過發送數傳結束標志“+++”實現， 但必須延時一定時間后再發送斷開連接指令：

5 結 語 

本文在介紹GPRS網絡應用技術的基礎上，為單片機實現GPRS數傳提供了一種通用的解決方案， 并通過以上單片機的軟硬件設計， 可以實時地發送和接收數據。文中所提供的代碼都通過了實際調試驗證， 此方案稍做修改便可移植到GPS車載終端、自動抄表工程中。

參 考 文 獻

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［4］http://www.mc21st.comltechfield/systech/gprs-system/g03-O1.htm.

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［7］溫泉，李炳煜，焦毅.基于GPRS的無線數據傳輸系統解決方案[J].現代電子技術，2006，29(23):15-17，20.

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作者簡介 劉 寧 中國礦業大學(徐州)信電學院05級碩士研究生，通信與信息系統專業。研究方向為GPRS技術。

馮 偉 中國礦業大學(徐州)信電學院副教授。

陸林生 中國礦業大學(徐州)信電學院05級碩士研究生，通信與信息系統專業。研究方向為GPRS技術。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”