基于單片機的GPRS無線數(shù)據(jù)終端設(shè)計

【摘要】設(shè)計了1個基于單片機的GPRS無線數(shù)據(jù)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(xiàn)與遠程服務(wù)器的TCP連接及數(shù)據(jù)通信，進而實現(xiàn)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(lǐng)域一些設(shè)備工作環(huán)境受地域限制數(shù)據(jù)傳輸不便的問題。為遠距離通信提供可能。經(jīng)測試，本系統(tǒng)具有實時性好，接入速度快，可靠性好，通信距離遠等優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】單片機；TCP/IP協(xié)議；SIM900；無線數(shù)據(jù)終端；GPRS

1.前言

GPRS系統(tǒng)利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)資源，發(fā)揮其系統(tǒng)傳輸特性好的優(yōu)勢，為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集提供了一種便利、實時、高速的無線數(shù)據(jù)傳輸方式。針對單片機接入Internet，國內(nèi)外廠商都進行了開發(fā)，提出的方案有：（1）采用專用的服務(wù)器，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)組成子網(wǎng)的單片機嵌入式系統(tǒng)，經(jīng)過路由接入外部網(wǎng)絡(luò)；（2）通過專用的網(wǎng)關(guān)，用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)組成的子網(wǎng)運行TCP/IP協(xié)議；（3）直接在單片機上實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，通過以太網(wǎng)接口控制芯片接入互聯(lián)網(wǎng)。[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(xiàn)TCP/IP協(xié)議和PPP協(xié)議，并用單片機驅(qū)動GPRS模塊實現(xiàn)單片機接入Internet。

2.GPRS技術(shù)

GPRS在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(shù)，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(yīng)用大約在10Kbps-80Kbps），特別適合于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適合偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸。GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，無空間和距離限制。使用GPRS技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組收發(fā)，用戶永遠在線，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。GPRS網(wǎng)絡(luò)接入速度快，且按流量計費，可以有效降低服務(wù)成本。由此可見，采用GPRS方式是一種經(jīng)濟可行的單片機上網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)方案。[2]

3.系統(tǒng)總體設(shè)計方案

無線數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)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(shù)據(jù)經(jīng)過一定的信息分析處理，如數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)加密、打包等，以串行通信的方式發(fā)送到無線傳輸部分。無線傳輸部分通過TCP/IP傳輸協(xié)議，將主控部分處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò)上，在Internet上通過查找遠程服務(wù)器的IP地址和端口號，實現(xiàn)與遠程服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。無線數(shù)據(jù)終端硬件框圖如圖1所示。

3.1 系統(tǒng)主控部分

單片機控制模塊（MCU），它是系統(tǒng)的控制核心，負責驅(qū)動GPRS模塊與Internet外網(wǎng)的連接，接收、解析并處理GPRS模塊上傳來的數(shù)據(jù)報，封裝成要發(fā)送的數(shù)據(jù)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(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。

GPRS模塊（SIM900）是系統(tǒng)的通信功能模塊，它是單片機與互聯(lián)網(wǎng)交換數(shù)據(jù)報的橋梁，負責單片機與互聯(lián)網(wǎng)的連接。對于單片機接入Internet，在軟件協(xié)議上需要進行很多裁剪和簡化，綜合協(xié)議的協(xié)議的兼容性和協(xié)議所需的系統(tǒng)資源，對協(xié)議棧做如下選擇[3]：（1）鏈路層選擇PPP協(xié)議。PPP協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中有差錯檢測功能，通信雙方可以協(xié)商數(shù)據(jù)報大小、認證方式、鏈路質(zhì)量等。（2）網(wǎng)絡(luò)層選擇協(xié)議IP協(xié)議。IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議的核心部分，所有的上層數(shù)據(jù)報文，包括TCP、UDP、ICMP和IGMP報文都是以IP報封裝傳輸?shù)摹＃?）傳輸層選擇TCP協(xié)議。TCP提供了一種面向連接的可靠的雙向數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。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(wù)，它通過上層協(xié)議來保證連接的可靠。UDP的實現(xiàn)相對簡單，傳送數(shù)據(jù)也較TCP快[4]。本系統(tǒng)采用TCP協(xié)議。由于無線模塊SIM900內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議，所以本次系統(tǒng)設(shè)計重點在于單片機驅(qū)動無線模塊SIM900上網(wǎng)的驅(qū)動程序的設(shè)計。

3.3 系統(tǒng)工作原理

終端連入GPRS網(wǎng)絡(luò)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(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)后控制與其相連接的LED燈的亮和，然后向服務(wù)器發(fā)送“LEDON”和“LEDOFF”字符串，實現(xiàn)與遠程服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。

4.系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)主控電路除了單片機最小系統(tǒng)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(fā)送端Txd、串口接收Rxd和地Gnd信號與GPRS模塊相應(yīng)的相應(yīng)的Rxd、Txd、Gnd引腳連接即可。

5.系統(tǒng)軟件設(shè)計

5.1 基于的AT指令的GPRS聯(lián)網(wǎng)設(shè)置

系統(tǒng)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(xiàn)模塊參數(shù)的設(shè)置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

串口基本設(shè)置如下：端口為COM3，波特率為9600，無校驗位，數(shù)據(jù)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(fā)送AT指令，建立TCP連接。具體的設(shè)置步驟如下：第1步：ATE1設(shè)置無線模塊的回顯；第2步：AT+CSQ查詢當前信號質(zhì)量；第3步：AT+CGREG？查詢模塊是否有注冊網(wǎng)絡(luò)；第4步：AT+CGATT？查詢模塊是否附著GPRS網(wǎng)絡(luò)；第5步：AT+CSTT設(shè)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(wǎng)卡的固定IP；第9步：AT+CIPSEND=37模塊向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)（為37個數(shù)據(jù)長度的字符串）；第10步：服務(wù)器向模塊發(fā)送數(shù)據(jù)\"Please send LED control data package！\"；第11步：AT+CIPHEAD=1（來自遠程服務(wù)器的數(shù)據(jù)帶有IPD頭）。具體的GPRS聯(lián)網(wǎng)設(shè)置流程圖如圖2所示。

5.2 單片機驅(qū)動程序編寫

首先是串行口驅(qū)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(shù)receive_char（）、寫串口函數(shù)send_string（）等函數(shù)。然后，在這些串口函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫GPRS模塊的驅(qū)動函數(shù)。微控制器通過串行口控制GPRS模塊，進行撥號、設(shè)置等操作。控制的方法是采用AT命令。

5.3 下行數(shù)據(jù)解析算法

當單片機串口檢測到RXD端有數(shù)據(jù)時，接收標志位RI置為1，進入中斷函數(shù)void comm（）interrupt 4，進入函數(shù)后判斷是否是以”O(jiān)K”和“ROR”結(jié)尾的，如果是就將將發(fā)送標志位send_flag置1，利用strstr（）函數(shù)判斷接收到的數(shù)據(jù)是以或者”+IPD，14：”開頭的，然后向服務(wù)器發(fā)送：“LEDON”和“LEDOFF”，進而將遠程LED燈打開和關(guān)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(shù)據(jù)緩沖

{

send_flag=0；

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

send_string（“LEDON”）；//向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)

LEDON=0；

count=0；send_flag=0；ES=1；//清除接收數(shù)據(jù)緩沖，標志位清零，開中斷

break；

}

6.系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信效果測試

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

和“LEDOFF”數(shù)據(jù)在上位機軟件上的顯示

7.總結(jié)

該GPRS無線數(shù)據(jù)終端克服了傳統(tǒng)的有線傳輸，其最大特點就是使無線數(shù)據(jù)終端以快速、可靠、低廉的方式連入GPRS網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，使無線數(shù)據(jù)終端數(shù)據(jù)信息可以快速、實時的進行傳送，為無線數(shù)據(jù)終端安全穩(wěn)定的運行提供了可靠的保證。如果擴展現(xiàn)在普遍流行的TPM（可信平臺模塊）可使系統(tǒng)有更高的安全性，為智能家居、電力抄表、遠程監(jiān)控領(lǐng)域的進一步發(fā)展和應(yīng)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(xié)議棧的研究與開發(fā)[J].計算機工程與應(yīng)用，2002，1（6）：1-2.

[2]鐘章隊，蔣文怡.GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)[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(shù)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(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的設(shè)計[J].四川理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)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(xiàn)就讀于廣西師范大學(xué)電子工程學(xué)院，主要從事遠程電力抄表及無線通信方面的研究。