名稱:基於GPRS的無線數據採集與傳輸終端
摘要：本文從系統上給出了一個無線數據採集和傳輸終端的實現方案，並且詳細討論了實現上的技術難點。
無線數據採集與傳輸的應用範圍非常廣，涉及行業有電力、水利、公安、交通、石油、安防和金融等。中國移動公司在 2002年 5月正式開通了通用分組無線業務 GPRS網路。 GPRS網路支持 TCP／ IP協議並且覆蓋面廣，比起使用短消息和超短波無線數傳電台進行無線數據傳輸， GPRS無論在費用、可靠性和可實施性等方面都具有很大的優勢。
終端的系統組成
無線數據採集與傳輸終端的設計可以有兩套方案：第一套為「單片機＋ GPRS數據機」，此方案雖然硬體成本較低，但功能比較有限，在協議的開發和支持上都有一定難度；第二套方案為「嵌入式 CPU＋ GPRS模塊」，此方案雖然硬體成本稍高，需要嵌入式 CPU晶元來支持嵌入式操作系統，但可以實現豐富協議介面，便於移植和向高端系統應用升級，更加便於數據採集與傳輸的實現。
圖 1給出了一個無線數據採集和傳輸終端組成的原理參考圖，採用 Motorola半導體 (編者注，現更名為： Freescale)嵌入式 CPU MPC8xx加 GPRS模塊 CMS91的第二套實現方案。
終端工作原理為通過 RS232/485口接收到用戶數據，然後將數據打成 IP包，通過 GPRS模塊接入 GPRS網路，再通過各種網關和路由將數據發送到數據處理中心。
圖 1終端組成原理參考圖
下面對圖 1中的組成原理進行詳細介紹：
嵌入式 CPU晶元是整個數據採集終端的核心，可以很好地支持嵌入式操作系統；考慮到嵌入式操作系統的移植方便性和性能要求，採用了當前成熟的 Motorola MPC8xx嵌入式 CPU。許多操作系統廠家都針對這種類型的 CPU開發微碼和套件 (BSP)，以方便用戶移植。
GPRS模塊主要完成無線上網的功能。在市場上有一些成熟的產品，譬如說 Sony/Ericsson的 GM47； Simens的 MC35等。在這裡選用 Cellon公司的 CMS91。它是一種雙頻段 GSM/GPRS 10級模塊，主要優點有：低功耗、介面簡單、 AT指令功能完善、可支持 GPRS CLASS 10、開發多媒體應用、價格較低等。同時，它也提供 SMS(短消息服務 )和語音功能。 GPRS模塊提供 RS232介面，可以通過它來完成對模塊的控制，譬如撥號和切換模式等。一旦通過模塊連接上 Internet，採集到的數據就可以用 TCP/IP傳輸方式發送到任意一個具有公網 IP地址的主機上去，從而實現採集數據的無線傳輸。
數據採集一般採用標準 RS232或 RS485介面，採集壓力、溫度等感測器數據。由 CPU負責對採集到的數據進行運算和處理，然後交給 GPRS模塊將其發送給遠程數據中心。
Watchdog主要用來防止終端系統死機。通過軟體定時寫數據到 WD硬體，一旦系統死機，軟體工作不正常， WD硬體由於接收不到數據而產生硬體中斷，從而系統自動重啟。
ROM主要用於保存嵌入式操作系統、應用程序及相關配置參數，通過內部匯流排直接與 CPU通信。在這裡選用了 Intel公司的 28F320-J3， 32M位元組。可以在 ROM上完成文件系統，但需要在操作系統中加入文件系統處理模塊。
LCD是可選模塊，用來顯示狀態信息等。 10Base-T也是可選模塊，方便調試。也可以利用 NAT技術和 10Base-T埠將終端作為連接 Internet的網關。
實施中的技術難點
CPU通信埠的配置
在此設計中選用 MPC850微處理器，它是一個多用途的通用晶元，內部集成了微處理器和常用外圍組件，可用於各種控制領域。它是 MPC860應用於通信系統的低成本實現，提供了更高的性價比，並在通信方面有所增強，比如通用串列匯流排 (USB)的支持。 MPC850集成了嵌入式 PowerPC核和一個為通信使用的專門的 RISC通信處理器模塊 (CPM)。 MPC850的 CPM支持 6個串列通道：一個串列通信控制器 (SCC)，一個 USB，兩個串列管理控制器 (SMS)，一個 I2C介面，和一個串列外圍介面電路 SPI。通常可將一個 SCC和兩個 SMS配置成為通用串口 UART，用以控制不同的模塊且速率可調。
ROM上文件系統的實現
普通的 ROM操作只能以模塊操作，維護起來很不方便，而且由於在讀寫的時候沒有緩衝操作，數據很容易丟失和出錯。在 ROM上實現的文件系統可以合理的分配和使用每一個區塊，減少了區塊遷移和區塊過度使用。本設計中採用 Intel J3系列 (28F320J3)快閃記憶體做為存儲設備，實現了 TrueFFS。首先在系統啟動配置文件中配置 TFFS的三層結構，修改 MTD。系統啟動時初始化文件系統和預設路徑。如果成功，就生成了可操作的文件設備符。自此，用戶就可以使用一般的文件操作方式了 (生成、讀、寫和刪除 )。要注意的是在讀寫完文件后，要顯示關閉文件，以避免數據丟失。
設備作為網關時的網路地址轉換 (NAT)實現
採用 NAT接入 Internet改變了原來使用代理軟體接入 Internet的方式，可採用兩種 NAT的設置 (動態 NAT和靜態 NAT)實現 Internet的接入。動態 NAT實現所有主機對 Internet的訪問。由於 NAT具有隱藏網路內部拓撲結構的功能，外部主機不能直接訪問內部網站或主機。但通過動、靜態 NAT的聯合使用，既可以實現內外部互訪，又可以隱藏網路內部拓撲結構，確保網路安全。在具體實現中，首先要通過 PPP撥號上 GPRS網路，得到分配地址。如果得到 CPU通信埠上分配的網路通信內部 IP地址，然後配置 NAT參數，將其中的兩個埠參數配置為 GPRS網路地址和內部通訊地址。最後用配置好的 NAT參數將 NAT初始化。
GPRS模塊工作模式的使用
利用 CMS91進行數據傳輸的主要方法有 3種：
1.SMS Messages—可以用來傳輸字元或者二進位數據，一般情況下每條 SMS的位元組長度是 140位元組， SMS適合數據量小的對實時性要求不高的場合。
2.Data Calls—在數據鏈路建立以後可以進行透明或者非透明的數據傳輸。主要適合數據量比較大而傳輸次數較少的場合。
3.GPRS數據傳輸—適合所有情況下的數據傳輸，是未來的發展趨勢。
利用 CMS91 GPRS模塊進行基於 Internet的數據通信 SMS和 Data Call應用有很大的不同，無論是 SMS還是 Data Call都是有相應的 AT指令支持的，使用都是比較簡單的、無需了解實際的運作流程，但是對於 GPRS的數據應用，牽涉的網路協議方面的知識要相對較多。
在這種應用中， CMS91 GPRS模塊相當於一個無線數據機用戶的應用系統，需要通過 PPP(LCP/PAP/IPCP)先和運營商的 Internet接入伺服器連接，然後才能應用 TCP/IP、 UDP或者更高一層的應用層程序 http、 FTP等進行通信。在目前的 GPRS應用中，如果應用系統是基於操作系統的 ,由於系統功能比較強，可以採用完整的 PPP協議，但是如果應用系統是採用 MCU的，那麼一般採用簡化的 PPP協議，將一些不兼容的信息拒絕掉。
利用 GPRS進行數據傳輸的結構有兩種，主要區別在於伺服器端的位置：
伺服器端採用普通 Internet上的主機方式，或者伺服器通過 DDN(或其它高速連接的方式如 ASDL)直接與中間移動網 CMNET連接的方式。
根據以上介紹的設計實施技術，不難寫出一個完整的利用 GPRS模塊基於 Internet的數據通信流程。
結語
本文從系統結構和實現方式上介紹了一個基於 GPRS的無線數據採集和傳輸終端的實現方法，尤其著重描述了如何利用 GPRS進行數據通信。一般無線數據採集終端都用在專用系統中，如電力、水利等，特別適合小數據量低速數據傳輸要求，對工作穩定性的要求一般較高。在這裡再提出一些成本和兼容性方面的設想： 1.嵌入式 CPU晶元由 MPC8xx轉換為 ARM晶元。 2.網路支持從 GPRS升級到 CDMA，可以通過更換無線通信模塊來實現。
