基于單片機的GPRS無線數據終端設計

【摘要】設計了1個基于單片機的GPRS無線數據終端，該終端以單片機微處理器為控制核心，利用無線模塊SIM900實現與遠程服務器的TCP連接及數據通信，進而實現遠程控制LED燈的點亮和熄滅。該終端克服了智能家居、遠程控制等領域一些設備工作環境受地域限制數據傳輸不便的問題。為遠距離通信提供可能。經測試，本系統具有實時性好，接入速度快，可靠性好，通信距離遠等優點。

【關鍵詞】單片機；TCP/IP協議；SIM900；無線數據終端；GPRS

1.前言

GPRS系統利用現有的GSM網絡資源，發揮其系統傳輸特性好的優勢，為現場數據采集提供了一種便利、實時、高速的無線數據傳輸方式。針對單片機接入Internet，國內外廠商都進行了開發，提出的方案有：（1）采用專用的服務器，利用網絡通信技術組成子網的單片機嵌入式系統，經過路由接入外部網絡；（2）通過專用的網關，用網絡通信技術組成的子網運行TCP/IP協議；（3）直接在單片機上實現TCP/IP協議，通過以太網接口控制芯片接入互聯網。[1]

以上方式都是采用有線的方式接入，使用在一些固定的工作場所，本文討論的是將單片機通過無線方式接入Internet的方案，在單片機上實現TCP/IP協議和PPP協議，并用單片機驅動GPRS模塊實現單片機接入Internet。

2.GPRS技術

GPRS在移動用戶和數據網絡之間提供了一種連接，常為APN（Access Point Name，接入點）連接，該連接可以給移動用戶提供高速無線IP。GPRS采用分組交換技術，每個用戶可以同時占用多個無線信道，同一個信道又可以為多個用戶使用，以提高無線信道的利用率。GPRS無線傳輸速率在理論上可以達到180Kbps（實際應用大約在10Kbps-80Kbps），特別適合于間斷的、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸，也適合偶爾的大量數據傳輸。GPRS網絡覆蓋范圍廣，無空間和距離限制。使用GPRS技術實現數據分組收發，用戶永遠在線，保證數據傳輸的實時性。GPRS網絡接入速度快，且按流量計費，可以有效降低服務成本。由此可見，采用GPRS方式是一種經濟可行的單片機上網傳輸數據方案。[2]

3.系統總體設計方案

無線數據終端系統包括兩個部分：主控部分和GPRS無線傳輸部分。主控部分將對接收到的數據經過一定的信息分析處理，如數據融合、數據加密、打包等，以串行通信的方式發送到無線傳輸部分。無線傳輸部分通過TCP/IP傳輸協議，將主控部分處理后的數據通過GPRS網絡發送到Internet網絡上，在Internet上通過查找遠程服務器的IP地址和端口號，實現與遠程服務器的數據通信。無線數據終端硬件框圖如圖1所示。

3.1 系統主控部分

單片機控制模塊（MCU），它是系統的控制核心，負責驅動GPRS模塊與Internet外網的連接，接收、解析并處理GPRS模塊上傳來的數據報，封裝成要發送的數據報并傳送給GPRS模塊，控制與其P0.0引腳相連的LED燈的亮、滅。

3.2 GPRS無線傳輸部分

SIM900模塊是SIMCOM公司推出的于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸。

GPRS模塊（SIM900）是系統的通信功能模塊，它是單片機與互聯網交換數據報的橋梁，負責單片機與互聯網的連接。對于單片機接入Internet，在軟件協議上需要進行很多裁剪和簡化，綜合協議的協議的兼容性和協議所需的系統資源，對協議棧做如下選擇[3]：（1）鏈路層選擇PPP協議。PPP協議在數據傳輸過程中有差錯檢測功能，通信雙方可以協商數據報大小、認證方式、鏈路質量等。（2）網絡層選擇協議IP協議。IP協議是TCP/IP協議的核心部分，所有的上層數據報文，包括TCP、UDP、ICMP和IGMP報文都是以IP報封裝傳輸的。（3）傳輸層選擇TCP協議。TCP提供了一種面向連接的可靠的雙向數據傳輸服務。TCP連接建立和斷開有嚴格的步驟，報文傳輸過程中有超時重傳機制、滑動窗口機制、TCP校驗機制等。UDP提供的是一種無連接、不可靠的服務，它通過上層協議來保證連接的可靠。UDP的實現相對簡單，傳送數據也較TCP快[4]。本系統采用TCP協議。由于無線模塊SIM900內嵌有TCP/IP協議，所以本次系統設計重點在于單片機驅動無線模塊SIM900上網的驅動程序的設計。

3.3 系統工作原理

終端連入GPRS網絡前，先進行TCP連接，連接成功后，終端（DTU）通過串口接收到遠程服務器發送的數據后控制與其相連接的LED燈的亮和，然后向服務器發送“LEDON”和“LEDOFF”字符串，實現與遠程服務器的數據通信。

4.系統硬件設計

本系統是采用STC89C52單片機作為主控電路芯片，鑒于文章的篇幅，文中沒有給出單片機的內部結構圖。系統主控電路除了單片機最小系統外，還和無線模塊SIM900連接，單片機和GPRS模塊之間通過串口進行通信，只需將單片機的串口發送端Txd、串口接收Rxd和地Gnd信號與GPRS模塊相應的相應的Rxd、Txd、Gnd引腳連接即可。

5.系統軟件設計

5.1 基于的AT指令的GPRS聯網設置

系統的GPRS模塊選用的是SIM900，該模塊是采用AT指令進行控制的，采用AT指令可以實現模塊參數的設置，實現數據的發送與接收。

串口基本設置如下：端口為COM3，波特率為9600，無校驗位，數據位為8，停止位為1。然后打開串口，按照下面的步驟給SIM900模塊發送AT指令，建立TCP連接。具體的設置步驟如下：第1步：ATE1設置無線模塊的回顯；第2步：AT+CSQ查詢當前信號質量；第3步：AT+CGREG？查詢模塊是否有注冊網絡；第4步：AT+CGATT？查詢模塊是否附著GPRS網絡；第5步：AT+CSTT設置APN連接；第6步：AT+CIICR激活移動場景；第7步：AT+CIFSR獲得本地IP地址；第8步：AT+CIPSTART=\"TCP\"，\"jlgprs.eicp.net\"，\"5000\"建立TCP/IP連接，此處為無線網卡的固定IP；第9步：AT+CIPSEND=37模塊向服務器發送數據（為37個數據長度的字符串）；第10步：服務器向模塊發送數據\"Please send LED control data package！\"；第11步：AT+CIPHEAD=1（來自遠程服務器的數據帶有IPD頭）。具體的GPRS聯網設置流程圖如圖2所示。

5.2 單片機驅動程序編寫

首先是串行口驅動層。它包括串口初始化、定時器初始化、接收中斷、讀串口函數receive_char（）、寫串口函數send_string（）等函數。然后，在這些串口函數的基礎上編寫GPRS模塊的驅動函數。微控制器通過串行口控制GPRS模塊，進行撥號、設置等操作?？刂频姆椒ㄊ遣捎肁T命令。

5.3 下行數據解析算法

當單片機串口檢測到RXD端有數據時，接收標志位RI置為1，進入中斷函數void comm（）interrupt 4，進入函數后判斷是否是以”OK”和“ROR”結尾的，如果是就將將發送標志位send_flag置1，利用strstr（）函數判斷接收到的數據是以或者”+IPD，14：”開頭的，然后向服務器發送：“LEDON”和“LEDOFF”，進而將遠程LED燈打開和關閉。具體的算法程序如下：（以\"+IPD，13：\"為例，\"+IPD，14：\"算法原理同\"+IPD，13：\"）

if（send_flag==1 strstr（TX_Buf，\"+IPD，13：\"））//TX_Buf為接收數據緩沖

{

send_flag=0；

send_string（“AT+CIPSEND=5＼r”）；//發送gprs命令符

send_string（“LEDON”）；//向服務器發送數據

LEDON=0；

count=0；send_flag=0；ES=1；//清除接收數據緩沖，標志位清零，開中斷

break；

}

6.系統數據通信效果測試

當無線數據終端（DTU）收到了來自服務器發送的數據：”+IPD，13：+IPD5：LEDONOK”后執行指令“LEDON=0”，將遠程LED燈打開，然后向服務器發送：“LEDON”。當接收到來自服務器發送的數據”+IPD，14：+IPD6：LEDOFFOK”后執行指令“LEDOFF=1”，將遠程LED燈關閉，然后向服務器發送：“LEDOFF”，具體的實物圖如圖3所示。遠程服務器接受到的數據將顯示在上位機軟件上，如圖4所示。

和“LEDOFF”數據在上位機軟件上的顯示

7.總結

該GPRS無線數據終端克服了傳統的有線傳輸，其最大特點就是使無線數據終端以快速、可靠、低廉的方式連入GPRS網絡和互聯網，使無線數據終端數據信息可以快速、實時的進行傳送，為無線數據終端安全穩定的運行提供了可靠的保證。如果擴展現在普遍流行的TPM（可信平臺模塊）可使系統有更高的安全性，為智能家居、電力抄表、遠程監控領域的進一步發展和應用提供了廣闊的前景。

參考文獻

[1]李明，康靜秋，賈智平.嵌入式TCP/IP協議棧的研究與開發[J].計算機工程與應用，2002，1（6）：1-2.

[2]鐘章隊，蔣文怡.GPRS通用分組無線業務[M].北京：北京人民郵電出版社，2001.

[3]安亞興，童小念.基于GPRS的單片機無線接入Internet方式[J].計算機與數字工程，2005，33：116-119.

[4]張正平，夏斌，劉橋.基于單片機的GPRS無線數據采集與傳輸系統的設計[J].四川理工學院學報（自然科學版），2007，10：19-22.

作者簡介：姜東東（1986—），男，河南漯河人，碩士研究生，現就讀于廣西師范大學電子工程學院，主要從事遠程電力抄表及無線通信方面的研究。