GPRS 數據傳送服務的無線通信控制器設計

    通用分組無線業務GPRS(General Packet Radio Service)是在現有GSM 系統上發展出來的一種新的承載業務，目的是為GSM 用戶提供分組形式的數據業務。基於這種業務的各種應用也蓬勃發展起來。以GSM 網路作為數據無線傳輸網路，可以開發出多種前景極其樂觀的各類應用，如無線數據的雙向傳送、無線遠程檢測和控制等。典型的應用有：工業控制、環境保護、道路交通、商務金融、移動辦公、零售服務等等。
    GPRS 允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網路資源；從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務，特別適用於間斷的、突發性的和頻繁的、少量的數據傳輸，也適用於偶爾的大數據量傳輸。
    本文設計的GPRS 無線通信控制器( 以下簡稱控制器)，內嵌了TCP/IP 協議棧，採用工業級的GPRS 模塊；適用於主機沒有TCP/IP 協議棧，但使用串口通信的情況，例如單片機數據採集傳輸系統。

1 GPRS 網路數據包的收發
    終端設備通過串列方式接到控制器上並與GSM 基站通信，但與電路交換或數據呼叫不同。GPRS 數據分組是從基站發送到SGSN 節點，而不是通過移動交換中心MSC 連接到語音網路上。SGSN 與網關支持節點GGSN進行通信。GGSN 對分組數據進行相應的處理，再發送到目的網路，如Internet 或X.25 網路，見圖1 。
 
    來自Internet、標識有移動台地址的IP 包，由GGSN 接收，再轉發到SGSN ，繼而傳送到移動台上。控制器工作時，用戶上位系統向控制器發送工作指令和數據，數據由IP 模塊進行TCP/IP 協議轉換，打成IP 數據包，再由MC35 模塊以GPRS 數據包的形式發送到SGSN。
    由於GPRS 網路工作方式是以IP 地址定址為基礎的，所以目標伺服器端並非接入控制器與終端設備進行連接，只需要簡單接入Internet，並具備公網分配的IP 地址即可。同時，因為GPRS 終端產品本身由網路提供商動態地分配IP 地址，在未進入連接待機狀態時，其本身是不具備IP 地址的( 在連接中，模塊的IP 地址為移動骨幹網內區域網IP ，無法被公網伺服器解析，動態分配的制度使獲取此IP 地址無意義) 。因此在伺服器與終端尚未建立連接前，目標伺服器難以( 可將簡訊轉換為命令內容) 對終端設備及控制器進行控制。必須先將控制器進行相應初始化，並由設備終端主動向伺服器發送數據，進行連接。

2 控制器內部的硬體實現
    控制器內部由四部分構成：嵌入TCP/IP 的單片機系統、MC35 模塊、電源部分和外部介面部分。在設計時，考慮到雙串口性能和高速的全靜態CMOS 設計，嵌入式單片機系統選用台灣Winbond 的W77E58 晶元作為MCU 模塊的處理器晶元。它是高速的、與MCS-51 指令兼容的、沒有多餘指令周期的微控制器，在相同時鐘頻率下，運行同樣的指令要比傳統的8051 快1.5~3.0 倍。它完全是靜態CMOS 設計，工作電壓為4.5V~5.5V，有32KB 的片內程序ROM，內部有1KB SRAM，最高時鐘頻率可達40MHz ；有雙指針、雙串口，13 個中斷源，3 個16 位定時器。單片機W77E58 通過串口1 直接與MC35 模塊相連接，完成對MC35 模塊的初始化和基於GPRS 業務的數據收發功能；同時串口2 擴展MAX232標準串口與其它嵌入式系統或PC 機進行數據交換。圖2 是系統的硬體框圖。
 
    MC35 模塊是西門子公司生產的GSM 雙頻GSM900/GSM1800 無線模塊。它支持2 種操作模式：一種是電路交換數據模式CSD ，支持語音、數據、SMS 和FAX 業務；一種是分組交換模式GPRS，採用多時隙，支持CS1-CS4 編碼。兩者最大的區別是，GPRS 傳輸數據時不需要再撥號。2 種模式的選擇通過AT 指令來實現。MC35 模塊提供40 線的ZIF 介面方式。
    電源部分為單片機系統和GPRS 模塊提供合適的電源。外部介面部分包括一個8 腳數據介面、SMA ( 射頻同軸連接器)天線介面、SIM(Subscriber Identity Module，用戶識別) 卡座介面。表1 是各引腳的詳細說明。為使控制器運行穩定可靠，對其看門狗電路進行了精心設計。
 

3 控制器的軟體介面
    在本設計中，需要利用TCP/IP 協議來完成GPRS 業務數據的打包和解包。由於W77E58 資源有限，怎樣在有限的資源上完成必需的功能，就是嵌入式TCP/IP 協議實現的關鍵所在，也就是合理地簡化協議。
    TCP/IP 協議是一個為廣域網(WAN) 設計的標準協議套件，可以用一個分成四個層次的模型來描述：數據鏈路層、互聯網層、傳輸層和應用層。其分層模型及協議如表2 所列。
 
    應用層(application)負責處理特定的應用程序細節。在本系統中只實現HTTP 協議。傳輸層(transport)主要為2 台主機上的應用程序提供端到端的通信。TCP 協議是為2 台主機提供高可靠性的數據通信，這裡採用TCP 傳輸控制協議。互聯網層(Internet)的功能是定址、定址、數據打包和安排路徑。Internet 所有的數據都以IP 數據報格式傳輸，其最大特點是提供不可靠的和無連接的數據包傳送服務。在GPRS 業務中，每一次鏈接都會具體分配一個IP 地址，因此用ARP/RARP 協議完成IP 地址與物理地址的映射( 即地址解析) ，用ICMP 協議判斷網路是否連通。數據鏈路層(link)的任務是把要發出的幀送到線路中去，把要接收的幀從線路中取出來。GPRS 業務是採用IP Over PPP 實現數據終端的接入。這部分功能由單片機控制MC35 模塊，採用PPP 協議實現。
    數據打包處理程序處理數據時，每一層都把自己的信息添加到一個數據頭中，而這個數據頭又被下一層中的協議包裝到數據體之中。數據解包處理程序接收到GPRS 數據時，把相應的數據頭剝離，並把數據包的其餘部分當作數據體對待。
    在應用要求高的場合，通常需要支持完整的TCP/IP協議族，而在嵌入式系統中也是可以做到的； 但是，考慮到成本和具體的應用場合，沒有必要包括所有的TCP/IP 協議族。可以看到，採用TCP/IP 協議需要對它進行合理的裁剪，以滿足小ROM系統的情況。
    系統在利用MC35 模塊的GPRS 業務瀏覽HTTP 等功能之前，必須先激活GPRS 網的PDP 連接。單片機通過正確的AT 指令和GPRS 命令集對MC35 模塊進行初始化和數據的接收發送，其工作流程如圖3 所示。
 
    單片機上電複位后，首先對MAX232 進行初始化，完成與外接模塊協商處理，如波特率、是否有奇偶校驗等。接著，通過串口1 對MC35 模塊進行初始化，檢查諸如SIM 卡情況、GPRS 網路覆蓋情況、信號情況等。接下來，進行中斷掃描，監控是否有數據到來。有關數據時，如果是外部數據，就啟動數據打包處理過程；如果是GPRS 數據，就啟動數據解包處理過程。如果沒有數據，系統則進入節電模式。在數據打包處理過程中，如果檢測到系統的信號不好，網路連接不暢通，或者不是GPRS 網路覆蓋區，將進行數據發送緩存處理，同時將數據放進發送隊列等待發送。

結語
    本文採用嵌入式TCP/IP 協議，在高速的8 位微控制器上實現了對MC35 模塊的控制，並實現了GPRS 業務的數據傳輸功能；具有外圍器件少、電路簡單、系統成本低等優點。本文設計的GPRS 無線通信控制器，自2002年1 月份起，在廣東省東莞市的環保污水綜合處理系統中使用至今，運行效果良好。實踐證明，產品工作穩定、可靠。