基于GPRS的无线数据采集与传输终端

无线数据采集与传输的应用范围非常广，涉及行业有电力、水利、公安、交通、石油、安防和金融等。中国移动公司在2002年5月正式开通了通用分组无线业务GPRS网络。GPRS网络支持TCP／IP协议并且覆盖面广，比起使用短消息和超短波无线数传电台进行无线数据传输，GPRS无论在费用、可靠性和可实施性等方面都具有很大的优势。
　　
　　终端的系统组成
　　无线数据采集与传输终端的设计可以有两套方案：第一套为"单片机＋GPRS调制解调器"，此方案虽然硬件成本较低，但功能比较有限，在协议的开发和支持上都有一定难度；第二套方案为"嵌入式CPU＋GPRS 模块"，此方案虽然硬件成本稍高，需要嵌入式CPU芯片来支持嵌入式操作系统，但可以实现丰富协议接口，便于移植和向高端系统应用升级，更加便于数据采集与传输的实现。
　　
　　图1给出了一个无线数据采集和传输终端组成的原理参考图，采用Motorola半导体(编者注，现更名为：Freescale)嵌入式CPU MPC8xx加GPRS模块CMS91的第二套实现方案。
　　
　　终端工作原理为通过RS232/485口接收到用户数据，然后将数据打成IP包，通过GPRS模块接入GPRS网络，再通过各种网关和路由将数据发送到数据处理中心。
　　

　　
　　下面对图1中的组成原理进行详细介绍：
　　
　　嵌入式CPU芯片是整个数据采集终端的核心，可以很好地支持嵌入式操作系统；考虑到嵌入式操作系统的移植方便性和性能要求，采用了当前成熟的Motorola MPC8xx嵌入式CPU。许多操作系统厂家都针对这种类型的CPU开发微码和套件(BSP)，以方便用户移植。
　　
　　GPRS模块主要完成无线上网的功能。在市场上有一些成熟的产品，譬如说Sony/Ericsson的GM47；Simens的MC35等。在这里选用Cellon公司的CMS91。它是一种双频段GSM/GPRS 10级模块，主要优点有：低功耗、接口简单、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS 10、开发多媒体应用、价格较低等。同时，它也提供SMS(短消息服务)和语音功能。GPRS模块提供RS232接口，可以通过它来完成对模块的控制，譬如拨号和切换模式等。一旦通过模块连接上Internet，采集到的数据就可以用TCP/IP传输方式发送到任意一个具有公网IP地址的主机上去，从而实现采集数据的无线传输。
　　
　　数据采集一般采用标准RS232或RS485接口，采集压力、温度等传感器数据。由CPU负责对采集到的数据进行运算和处理，然后交给GPRS模块将其发送给远程数据中心。
　　
　　Watchdog主要用来防止终端系统死机。通过软件定时写数据到WD硬件，一旦系统死机，软件工作不正常，WD硬件由于接收不到数据而产生硬件中断，从而系统自动重启。
　　
　　ROM主要用于保存嵌入式操作系统、应用程序及相关配置参数，通过内部总线直接与CPU通信。在这里选用了Intel公司的28F320-J3，32M字节。可以在ROM上完成文件系统，但需要在操作系统中加入文件系统处理模块。
　　
　　LCD是可选模块，用来显示状态信息等。10Base-T也是可选模块，方便调试。也可以利用NAT技术和10Base-T端口将终端作为连接Internet的网关。
　　
　　实施中的技术难点
　　CPU通信端口的配置
　　在此设计中选用MPC850微处理器， 它是一个多用途的通用芯片，内部集成了微处理器和常用外围组件，可用于各种控制领域。它是MPC860应用于通信系统的低成本实现，提供了更高的性价比，并在通信方面有所增强，比如通用串行总线(USB)的支持。MPC850集成了嵌入式PowerPC 核和一个为通信使用的专门的RISC通信处理器模块(CPM)。MPC850 的 CPM 支持6个串行通道：一个串行通信控制器(SCC)，一个USB，两个串行管理控制器(SMS)，一个I2C接口，和一个串行外围接口电路SPI。通常可将一个SCC和两个SMS配置成为通用串口UART，用以控制不同的模块且速率可调。
　　
　　ROM上文件系统的实现
　　普通的ROM操作只能以模块操作，维护起来很不方便，而且由于在读写的时候没有缓冲操作，数据很容易丢失和出错。在ROM上实现的文件系统 可以合理的分配和使用每一个区块，减少了区块迁移和区块过度使用。本设计中采用Intel J3系列(28F320J3)闪存做为存储设备， 实现了TrueFFS。首先在系统启动配置文件中配置TFFS的三层结构，修改MTD。系统启动时初始化文件系统和缺省路径。如果成功，就生成了可操作的文件设备符。自此，用户就可以使用一般的文件操作方式了(生成、读、写和删除)。要注意的是在读写完文件后，要显示关闭文件，以避免数据丢失。
　　
　　设备作为网关时的网络地址转换(NAT)实现
　　采用NAT接入Internet改变了原来使用代理软件接入Internet的方式，可采用两种NAT的设置(动态NAT和静态NAT)实现Internet的接入。动态NAT实现所有主机对Internet的访问。由于NAT具有隐藏网络内部拓扑结构的功能，外部主机不能直接访问内部网站或主机。但通过动、静态NAT的联合使用，既可以实现内外部互访，又可以隐藏网络内部拓扑结构，确保网络安全。在具体实现中，首先要通过PPP拨号上GPRS网络，得到分配地址。如果得到CPU通信端口上分配的网络通信内部IP地址，然后配置NAT参数，将其中的两个端口参数配置为GPRS网络地址和内部通讯地址。最后用配置好的NAT参数将NAT初始化。 GPRS模块工作模式的使用
　　
　　利用CMS91进行数据传输的主要方法有3种：
　　
　　1.SMS Messages -可以用来传输字符或者二进制数据，一般情况下每条SMS的字节长度是140字节，SMS适合数据量小的对实时性要求不高的场合。
　　
　　2.Data Calls-在数据链路建立以后可以进行透明或者非透明的数据传输。主要适合数据量比较大而传输次数较少的场合。
　　
　　3.GPRS数据传输-适合所有情况下的数据传输，是未来的发展趋势。
　　
　　利用CMS91 GPRS模块进行基于Internet的数据通信SMS和Data Call应用有很大的不同，无论是SMS还是Data Call都是有相应的AT指令支持的，使用都是比较简单的、无需了解实际的运作流程，但是对于GPRS的数据应用，牵涉的网络协议方面的知识要相对较多。
　　
　　在这种应用中，CMS91 GPRS模块相当于一个无线调制解调器用户的应用系统，需要通过PPP(LCP/PAP/IPCP)先和运营商的Internet接入服务器连接，然后才能应用TCP/IP、UDP或者更高一层的应用层程序http、FTP等进行通信。在目前的GPRS应用中，如果应用系统是基于操作系统的,由于系统功能比较强，可以采用完整的PPP协议，但是如果应用系统是采用MCU的，那么一般采用简化的PPP协议，将一些不兼容的信息拒绝掉。
　　
　　利用GPRS进行数据传输的结构有两种，主要区别在于服务器端的位置：
　　
　　服务器端采用普通Internet上的主机方式，或者服务器通过DDN(或其它高速连接的方式如ASDL)直接与中间移动网CMNET连接的方式。
　　
　　根据以上介绍的设计实施技术，不难写出一个完整的利用GPRS模块基于Internet的数据通信流程。