基于GPRS 模塊的無線通信系統設計

陳 武

（湖南省郵電規劃設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

近年來，通信技術發展迅猛，成功縮短人與人之間的通信距離，已被廣泛應用到軍事、農業、交通以及醫療等領域。基于GPRS模塊的無線通信系統的應用促使信息傳遞更加高速、快捷，且成本較低，可靠性強，可極大提升行業的工作效率。因此，分析基于GPRS模塊的無線通信系統設計具有重要的現實意義。

1 GPRS通信原理及應用特點

1.1 GPRS概述

GPRS，又稱通用無線數據分組業務，是在GSM技術的基礎上加工改進的無線傳輸系統，是2G網絡向3G網絡演變的關鍵技術。在運營商計費體系中，GPRS采用傳輸數據量的方式計費，相較于連接時間的計費方式，成本更為低廉[1]。

1.2 GPRS工作原理

GPRS不僅包含GSM的網絡系統性能，在數據傳輸原理、帶寬頻段、標準以及規則都方面皆與GSM系統基本一致，且具有獨特的高傳輸速率性能。此外，GPRS融入了GPRS服務支持節點（SGSN）和網關支持節點（GGSN）。其網絡結構圖如圖1所示，當GPRS模塊與客戶系統之間進行數據通信時，相關數據在經過處理后，首先發送至GSM基站，后利用GGSN和SGSN對分組數據進行處理，最終傳輸至目標GPRS終端[2]。

1.3 GPRS特點

相較于其他無線通信數據傳送方式，GPRS的優勢和特點更加突出，主要體現在如下方面：

（1）GPRS采用獨立的鏈路結構，具有較靈活的信道變化能力。同時具有較快的傳輸速率，可實現對龐大信息量的快速、便捷傳輸[3]；

（2）支持語音和數據業務同信道傳輸，支持不同的通訊標準協議，支持點對點和點對多點的通訊業務；

（3）采用傳輸量計費方式，成本相對較低，且可以保持實時在線通訊，方便用戶在任何時間，都可以利用GPRS進行網絡連接通話。

圖1 GPRS網絡結構圖

2 基于GPRS模塊的無線通信系統設計

為實現港口碼頭對減速機的自動化實時監測，設計基于GPRS模塊的無線通信系統，有效降低現場人力監測的成本投入，避免人員可能出現的意外損傷。結合港口碼頭的特點，要求無線通信系統在開啟后，不僅可以實時反饋當前碼頭減速機的狀態信息，還可以將采集的數據準確傳輸至數據中心，實現對港口碼頭減速機的遠程監控。由于在對減速機進行溫度、壓力和油樣等相關狀態信息采集時，上述數據均屬于漸變數值，要求無線通信系統采用實時信號采集，定時發送的模式。

2.1 硬件系統的構建

基于港口碼頭減速機自動化實施監測裝置的設計要求，本設計方案的硬件系統主要由數據采集、數據傳輸和數據中心處理三部分組成，如圖2所示。

（1）數據采集系統：實現對減速機設備的溫度、壓力、油樣等實時狀態信號相關信息的采集工作，并可對信息進行初步的放大和濾波處理。

（2）數據傳輸部分：通過GPRS模塊，定時發送信息，并將其傳送到網絡。

（3）數據中心：主要接收傳輸數據，并進行顯示和分析，判斷出引發港口碼頭減速機機械故障的原因與故障發生的頻次。

圖2 系統硬件框圖

2.2 采集模塊設計

利用信息采集模塊，可采集在港口碼頭減速機運行過程中各觸點的實時狀態信息，從而有效分析機械設備的工作效率與使用壽命。筆者主要借助振動傳感器、油位傳感器和溫度傳感器等傳感器設備，對港口碼頭的減速機進行實時監測，并采集設備運行過程中的壓力、油樣和溫度等相關信息。

2.3 控制模塊設計

在進行港口碼頭減速機無線通信系統的主控芯片設計時，以ARM Cortex-M3系列的最高配置芯片STM32F103ZE作為核心。STM32F103ZE的主頻最高可以達到72MHz，共計擁有144個引腳，芯片的大小為8 mm×55 mm，需要3.3 V的電源對其供電。由于其具有高處理速度、運行功耗較低以及調試成本低的優點，在無線通信系統設計中的應用較為廣泛，尤其是一些要求低功耗和低成本的嵌入式應用[4]。

2.4 通信模塊

在港口碼頭減速機無線通信設計過程中，GPRS通信模塊使用900 MHz頻段的西門子MC55，同時具有電話和短信功能，不僅可以實現中英文短信的發送，還具備實現接打電話和接受發送GPRS數據等功能。在實際應用GPRS模塊時，首先應對西門子MC55模塊開展調式，主要分為以下步驟：

（1）在開發板的卡槽內，放置SIM卡并進行固定；

（2）選擇對應的串口，利用P3和P4端口的模式，將GPRS模塊中的串口通過232連接至相應串口；

（3）啟動模式有自動和手動模式兩種，一般在進行測試時，選擇手動模式；

（4）加載12V的電源，并打開電源開關，確保設備處于正常工作狀態；

（5）根據相關要求，進行GPRS模塊的短信和語音功能測試，查看收發短信是否處于正常狀態。

2.5 軟件設計

作為整個無線通信系統設計的核心，軟件的設計應與硬件部分的設計同時進行，并確保無線通信系統的基本功能滿足港口碼頭減速機的實施監控要求。傳統的匯編語言雖然應用較為廣泛，且編程簡單，但其可讀性較差。而C語言的結構性良好，可讀性極佳，并具有較強的移植性和模塊化性能。因此，在軟件設計環節，采用C語言進行編程。無線通信系統軟件程序總流程圖如圖3所示。

（1）串口初始化：串口在數據發送和接受環節扮演著重要角色。在設計過程中，采用UART1串口實現主控芯片STM32F103ZE和數據采集器件的連接，提升現場數據采集的傳輸效率。為方便GPRS網絡開展數據傳輸，可將采集到的數據信息傳送至服務器，并將UART1串口與GPRS模塊MC55相連接。在利用串口進行數據的傳送和接收前，應對串口的各種標志位、緩存區、工作模式以及波特率等進行初始化操作。

圖3 無線通信系統主程序流程圖

（2）GPRS模塊初始化：GPRS模塊軟件設計流程如圖4所示。主控芯片STM32F103ZE通過發送AT指令，實現對GPRS模塊MC55的初始化控制以及數據的發送操作，GPRS模塊MC55在接受到相應的AT指令后，會根據內部的相關程序模塊開展相應的指令操作，并輸出返回值。

圖4 GPRS軟件設計流程圖

（3）數據的發送與接收：港口碼頭減速機無線通信系統的數據發送功能是利用串口實現的。在軟件設計過程中，為方便硬件的封裝與相關子程序的數據調用，可對數據的發送和接受模塊分別進行程序設計，兩者互不干擾。

3 結 論

通過將具備可靠性高合成本低廉優勢的GPRS模塊應用至無線通信系統，可使無線通信系統變得更加靈活。相關人員應當加強對GPRS模塊的了解，提升自身專業素質能力，充分利用GPRS的優點開展無線通信系統的設計，推動我國通訊行業的持續發展。