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成都电子机械高等专科学校 通信工程系
摘 要：介绍了利用单片机控制GPRS调制解调器模块实现GSM网络GPRS业务数据接入的智能终端系统，详细介绍了系统的硬件电路实现、单片机与GPRS模块的接口方式，以及嵌入式TCP/IP协议在本系统中的应用和实现。
关键词：无线接入系统；数据传输终端；单片机；通用无线分组业务；调制解调器；TCP/IP协议
一、 引言
随着通信技术、微电子技术的进步和智能化建设的发展，越来越多的设备如家电、电表、工业终端等都有了联网的需求，并且有大量的数据需要传输，而在很多场合有线连接的方式已经不能满足人们的需要，无线接入以其方便、快捷和廉价的优势，弥补了有线方式的不足。覆盖全国的GPRS网络已成为一种可持续利用和开发的资源，因而在此基础上开发出满足需求的无线接入产品就成为可能。GPRS网络为GSM网络的升级结构，在GSM的基站子系统部分增加了分组控制单元，在网络子系统部分增加了服务GPRS支持节点（SGSN）和网关GPRS支持节点（GGSN），并且都进行了软件升级，从而实现了GSM网络平滑升级。目前GSM无线数据传输的方式主要有：基于电路交换的数据传输(CSD，即Circuit Switch Data），如短消息SMS、FAX等；基于分组交换的通用无线分组业务(GPRS，即General Packet Radio Service）。而其中以GPRS业务传输数据具有实时性好、费用低的优势，可以很容易地和其他带有GPRS接入能力的设备进行连接和通信，数据通过GPRS网络发送到任何在GSM公网覆盖范围内的远端服务器或类似的终端中。本系统就是利用单片机对GSM调制解调器G18模块进行控制，采用嵌入式TCP/IP协议软核实现GPRS业务数据的装帧和拆帧，从而实现GPRS业务数据接入。
二、GPRS业务的优势
GPRS是GSM Phase 2+阶段引入的一种基于分组的数据业务，是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准。GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构，因此它的一个较大的优势是能够充分利用现有的GSM网。GPRS是基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS充分利用共享无线信道，采用IP Over PPP实现数据终端的高速、远程接入。作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术 （2.5G），GPRS在许多方面都具有显著的优势。
GPRS业务具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性数据实时传输中有不可比拟的优势，特别适合于频发小数据量的实时传输，因而GPRS业务在某些行业上有特殊的应用，比如：运输业、GPS汽车定位；金融、证券和商业，无线POS、无线ATM、自动售货机、流动银行等；遥测、遥感、遥控，如气象、水文系统收集数据，对灾害进行遥测和告警，远程操作；城市公用事业实时监控维护系统，如水、电、气以及热水系统、污水管网等的实时监控和维护，等等。
虽然GPRS按照流量收费，但是当浏览有大量图片的网页时，费用同样大得惊人。因此GPRS更适合应用在小数据量、低实时性要求的场合，而本系统正是基于此而设计的。
三、系统的实现
1硬件实现
在本系统中，单片机P89C51RD2通过RS232数据口，利用MAX232完成TTL/CMOS电平转换后与G18模块相连接，单片机完成对G18模块的初始化和基于GPRS业务的数据收发功能。同时利用芯片16C550实现数据的串/并转换，扩展MAX232标准串口与其它嵌入式系统或PC机进行数据交换。同时在本系统中，利用P89C51RD2的串口和ISP功能，完成了系统的软件编程。图1是系统的硬件框图。
P89C51RD2是PHILIPS 公司内核基于8 位80C51 单片机的派生产品，它在完全保留80C51 指令系统和硬件结构的大框架外，做了多方面的加强、扩展、和创新，最大限度地利用了原有结构。它将原有的对外数据和程序存储器的16 位寻址机制加以利用，把片上的RAM 扩展到1K 字节、片上的FLASH EPROM 扩展到64K 字节，满足当今用嵌入式高级语言对片上大存储容量的需要。
该芯片的２个最显著特点是：ISP（In-System Programming）功能和IAP（In-ApplicationProgramming）功能。ISP 为在系统可编程，是指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP 方式擦除或再编程。IAP 为在应用中可编程，是指MCU可以在系统中获取新代码，并对自己重新编程，即可用程序来改变程序。在系统中我们利用P89C51RD2的串口实现了ISP功能，进行系统的软件编程。
G18模块是摩托罗拉公司生产的GSM调制解调器，它支持２种操作模式，一种是电路交换数据模式CSD，支持语音、数据、SMS和FAX业务；一种是分组交换模式GPRS，采用多时隙，支持CS1—CS4编码。两者最大的区别是GPRS传输数据时不需要再拨号，2种模式的选择是通过硬件电路实现。G18模块提供9线的RS232接口和DSC总线接口2种方式。
2．TCP/IP协议软件实现
在本系统中，需要利用TCP/IP协议来完成GPRS业务数据的装帧和拆帧，而由于MCU资源有限，怎样在有限的资源上完成必需的功能就是嵌入式TCP/IP协议实现的关键所在，也就是合理地简化协议。通常TCP/IP协议采用分层结构，其分层模型及协议如表1所示。
应用层：就是负责处理特定的应用程序细节，在本系统中只实现HTTP协议。
传输层：主要为２台主机上的应用程序提供端到端的通信，TCP协议是为２台主机提供高可靠性的数据通信，这里采用TCP传输控制协议。
网络层：Internet所有的数据都以IP 数据报格式传输，其最大特点是提供不可靠的和无连接的数据包传送服务。在GPRS业务中，每一次链接都会具体分配一个IP地址，因此用ARP/RARP协议完成IP地址与物理地址的映射，即地址解析。用ICMP协议判断网络是否连通。数据链路层：GPRS业务是采用IP Over PPP实现数据终端的接入，这部分功能由单片机控制G18模块，采用PPP协议实现。
在应用要求高的场合，通常需要支持完整的TCP/IP协议族，而在嵌入式系统中也是可以做到的，但是考虑到成本和具体的应用场合，则没有必要包括所有的TCP/IP协议族。可以看到，采用TCP/IP协议需要对它进行合理的裁剪，以满足小ROM系统的情况。
3．工作原理
在利用G18模块的GPRS业务浏览HTTP等功能之前，必须先激活GPRS网的PDP连接，单片机通过正确的AT指令和GPRS命令集对G18模块进行初始化和数据的接收发送，其工作流程如图2所示。
当单片机上电复位后，首先对16C550进行初始化，完成与外接模块协商处理，如波特率、是否有奇偶校验等；接着通过P3口对G18模块进行初始化，检查诸如SIM卡情况、GPRS网络覆盖情况、信号情况等。接下来将对16C550实现中断扫描监控，一旦发现有数据来了，就启动数据处理过程；如果没有，系统则进入节电模式。在数据处理过程中，如果检测到系统的信号不好，网络连接不畅通，或者不是GPRS网络覆盖区，将进行不同的处理。
在调试过程中，可以看到要保证系统的稳健性是非常困难的，特别是考虑到实际系统的时候。
四、结束语
本系统采用嵌入式TCP/IP协议，在单片机上实现了对G18模块的控制，并实现了GPRS业务的数据传输功能，具有成本低、电路简单的特点。GPRS无线智能控制终端以GPRS网络为基础，它的无线数据系统有很广泛的应用：首先是支持传统的互联网应用，或者公司内部网(INTRANET)，或者基于IP的远程LAN接入；其次可以支持B2B、B2C的电子商务和电子支付、股票交易、银行转帐等应用；最后还可用于抄表、遥测、车辆交通工具定位、自动售货机控制管理。该智能终端将使得这些应用更容易、更广泛、更廉价。
参考文献
［１］ＧＰＲＳ技术讲座［ＥＢ／ＯＬ］．www.dei-son.com.
［２］罗嘉．网络化智能家居系统(第四届“Motorola杯”嵌入式处理器设计应用大奖赛MCU组参赛作品)［Ｚ］
［３］陈学泉，关宇东嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用.电子技术应用［Ｊ］．2002，（8）：48～49．
摘自 电讯技术
