基于GPRS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于GPRS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的英文簡(jiǎn)稱，是一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。GPRS與現(xiàn)有的GSM語(yǔ)音系統(tǒng)最根本的區(qū)別是，GSM是一種電路交換系統(tǒng)，而GPRS是一種分組交換系統(tǒng)。因此，GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。這一特點(diǎn)正適合大多數(shù)移動(dòng)互聯(lián)的應(yīng)用。相對(duì)原來GSM的撥號(hào)方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS是分組交換技術(shù)，具有“實(shí)時(shí)在線”、“按量計(jì)費(fèi)”、“快捷登錄”、“高速傳輸”、“自如切換”的優(yōu)點(diǎn)。本文研究開發(fā)了一套基于GPRS技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，遠(yuǎn)

2、端數(shù)據(jù)采集模塊將傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過串行接口驅(qū)動(dòng)無線modem經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet上的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，并完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示。本文從硬件和軟件兩方面描述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法，這種新型的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常適合于在邊遠(yuǎn)地區(qū)或可移動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。關(guān)鍵詞： GPRS技術(shù)；PPP協(xié)議；數(shù)據(jù)采集1.前言 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是科學(xué)試驗(yàn)中經(jīng)常用到的測(cè)量環(huán)節(jié)，通常由信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、顯示等幾個(gè)功能模塊組成。由于具體試驗(yàn)環(huán)境千差萬(wàn)別，對(duì)數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)的要求也有很大不同。例如對(duì)于邊遠(yuǎn)地區(qū)或運(yùn)動(dòng)構(gòu)件上的傳感器輸出信號(hào)，通過電纜引出信號(hào)的有線數(shù)據(jù)

3、采集方案變得很困難，甚至根本不可能。本文所介紹的基于GPRS1的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解決了這一問題，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)從采集終端 到遠(yuǎn)程控制中心的無線傳輸。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 系統(tǒng)主要包含兩個(gè)模塊遠(yuǎn)程控制中心和遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊。遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集塊由傳感器、微處理器、無線modem等組成，以唯一的ID作為中心調(diào)度的標(biāo)識(shí)，完成數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。遠(yuǎn)程控制中心通過Internet向各個(gè)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送 各種動(dòng)作指令，使遠(yuǎn)端模塊完成各種配置和數(shù)據(jù)采集工作，并對(duì)遠(yuǎn)端模塊發(fā)送上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和理。GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收 筆記本電腦通過串行或無線方式接到GPRS蜂窩電話或Modem上，GPRS

4、蜂窩電話或modem與GSM基站通信，但與電路交換或數(shù)據(jù)呼叫不同，GPRS分組是從基站發(fā)送到SGSN節(jié)點(diǎn)，而不是通過移動(dòng)交換中心MSC連接到語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)上。SGSN與網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN進(jìn)行通信，GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)，如internet或X.25網(wǎng)絡(luò)2.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是指遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計(jì)，每個(gè)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器、信號(hào)調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換電路、微處理器、無線modem等組成。圖2為其電路原理圖。微處理器Rabbit3000通過串口將命令和數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS的數(shù)據(jù)傳送終端無線modem Q2403A，控制著Q2403A登陸GPRS網(wǎng)關(guān)（G

5、GSN），并獲得動(dòng)態(tài)分配的IP地址。這樣，微處理器向GGSN發(fā)送的數(shù)據(jù)就會(huì)被傳送給Internet網(wǎng)中相應(yīng)的IP地址，從而完成數(shù)據(jù)采集模塊到遠(yuǎn)程主機(jī)的無線數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)到達(dá)指定的Internet地點(diǎn)（可以是ftp站點(diǎn)、指定的郵箱地址或其他的方式等等）后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。 Rabbit 3000是美國(guó)Z-World公司推出的新一代嵌入式系統(tǒng)8位高性能微處理器，其程序存儲(chǔ)器中固化有當(dāng)前流行的Internet協(xié)議棧,具有客戶機(jī)功能，可以主動(dòng)請(qǐng)求TCP連接遠(yuǎn)方服務(wù)器通信,使得微處理器只要知道對(duì)方IP地址和端口號(hào),就可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。 GPRS（General Packet Radio Ser

6、vice）是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱，是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種分組交換的數(shù)據(jù)承載和傳輸方式。GPRS支持Internet上應(yīng)用最廣泛的IP協(xié)議和X.25協(xié)議,使得GPRS能提供Internet和其它分組網(wǎng)絡(luò)的全球性無線接入。wavecom Q2403A 是一款基于GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的無線modem，能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音呼叫、短消息服務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。Q2403A對(duì)用戶提供了多種接口，包括電源接口，液晶顯示器接口，SIM卡接口，充電器接口，耳機(jī)接口，麥克風(fēng)接口，以及用于其他特殊目的的多種外圍設(shè)備接口。終端的微處理器Rabbit 3000通過串行接口控制Q2403A，完成上網(wǎng)、建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)等

7、功能。Q2403A通過GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的下載速度是26.8kbits/s，上傳速度為13.4kbits/s。3.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括控制中心子系統(tǒng)和遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊子系統(tǒng)。圖3給出了整個(gè)軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。 31 遠(yuǎn)程控制中心軟件設(shè)計(jì) 遠(yuǎn)程控制中心軟件子系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)采用NI公司的Labview 7.0，該軟件具有友好的用戶界面，可以把所有的采集數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并可實(shí)現(xiàn)波形的顯示和分析。按照功能可以分為以下幾個(gè)模塊： 通信管理模塊一方面將指令和SIM卡號(hào)等數(shù)據(jù)封裝成IP包經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集；另一方面接收遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送上來的IP數(shù)據(jù)包，從中提取

8、數(shù)據(jù)包編號(hào)、SIM卡號(hào)、時(shí)間等固定信息以及測(cè)量所得數(shù)據(jù)。l 數(shù)據(jù)顯示模塊用三維動(dòng)畫的形式直觀地顯示信號(hào)特征。 數(shù)據(jù)入庫(kù)模塊將通信管理模塊拆包得到的測(cè)量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。 數(shù)據(jù)查詢模塊支持已獲得授權(quán)的用戶進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢。32 遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì) GPRS的網(wǎng)絡(luò)特性是分組交換和internet識(shí)別，分組交換的基本過程是把數(shù)據(jù)先分成若干個(gè)小的數(shù)據(jù)包，可通過不同的路由，以存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的接力方式傳送到目的端，而組裝成完整的數(shù)據(jù)。分組交換基本上不是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，延時(shí)也不固定，但可以使不同的數(shù)據(jù)傳輸共用傳輸帶寬：有數(shù)據(jù)時(shí)占用帶寬，無數(shù)據(jù)時(shí)不占用，從而分享資源。同時(shí)分組交換可以提供靈活的差錯(cuò)控制和流量控制，主要

9、是在端到端的高層進(jìn)行，以減少中間網(wǎng)絡(luò)低層環(huán)節(jié)不必要的開銷；也可以在網(wǎng)絡(luò)部分環(huán)節(jié)上增加控制，提高安全性。另外，通過設(shè)置服務(wù)等級(jí)QOS等手段，可以有效的控制和分配延時(shí)、帶寬等性能，所以分組交換非常適用于數(shù)據(jù)應(yīng)用。Internet識(shí)別原理： 典型的互聯(lián)網(wǎng)連接是用戶通過撥號(hào)接入某一ISP，通過ISP的網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng)。因此用戶需要付撥號(hào)電話費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)兩部分費(fèi)用，而GSM做無線接入時(shí)付無線網(wǎng)絡(luò)電話費(fèi)。如果通過GPRS接入互聯(lián)網(wǎng)則有很大的不同，因?yàn)镚PRS是無線分組數(shù)據(jù)系統(tǒng)，只要用戶一打開GPSS終端，就已經(jīng)附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，GPRS通過允許現(xiàn)存的internet和新的GPRS網(wǎng)絡(luò)的互通首次完全實(shí)現(xiàn)

10、了移動(dòng)Internet功能。也就是用戶通過GPRS系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)GGSN連接到互聯(lián)網(wǎng)，GGSN還提供相應(yīng)的動(dòng)態(tài)地址分配、路由、名稱解析、安全和計(jì)費(fèi)等互聯(lián)網(wǎng)功能。目前任何一種在固定internet上的業(yè)務(wù)（如文件傳輸協(xié)議（FTP）、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、交談、信函、遙信）通過利用GPRS將同樣能在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)。所以，移動(dòng)業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商同時(shí)也是互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的提供商。 遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊的軟件開發(fā)平臺(tái)為Dynamic C語(yǔ)言，Dynamic C是由Z-World公司為Rabbit系列微處理器提供的軟件開發(fā)工具，適用于編寫嵌入式軟件，是擴(kuò)展了的編程系統(tǒng)。遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的功能： 微處理器初始化模塊主要包

11、括Rabbit3000的定時(shí)器初始化、中斷管理初始化、串口通信初始化等。 Q2403A初始化模塊是基于AT指令集完成的，微處理器Rabbitl 3000通過串行接口將設(shè)置波特率、設(shè)置接入網(wǎng)關(guān)等的AT指令發(fā)送給Q2403A，完成對(duì)Q2403A的初始化。 登陸網(wǎng)關(guān)GGSN模塊實(shí)現(xiàn)了Q2403A登錄GPRS網(wǎng)關(guān)GGSN的過程。該過程分為三個(gè)階段：創(chuàng)建階段、認(rèn)證階段和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商階段，并且二者通信時(shí)遵循PPP協(xié)議，具體過程如圖4所示。 PPP協(xié)議2中提供了一整套方案來解決鏈路建立、維護(hù)、拆除、上層協(xié)議協(xié)商、認(rèn)證等問題，主要包含LCP（Link Control Protocol）、PAP（Password

12、Authentication Protocol）和IPCP（Internet Protocol Control Protocol）等協(xié)議。Q2403A在撥號(hào)后首先要與GPRS網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信鏈路的協(xié)商，即協(xié)商點(diǎn)到點(diǎn)的各種鏈路參數(shù)配置，其中LCP協(xié)議用于建立、構(gòu)造、測(cè)試鏈路連接；PAP協(xié)議用于處理密碼驗(yàn)證部分；IPCP協(xié)議用于設(shè)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議環(huán)境，并分配IP地址。協(xié)商機(jī)制用有限狀態(tài)機(jī)的模型來實(shí)現(xiàn)。 一旦協(xié)商過程結(jié)束，ppp鏈路創(chuàng)建完成，Q2403A分配到了動(dòng)態(tài)的IP地址，這樣數(shù)據(jù)采集模塊就可以按照協(xié)商的標(biāo)準(zhǔn)與遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行IP報(bào)文的傳輸了。 數(shù)據(jù)采集模塊的功能為在Rabbit3000的控制下，由A/D

13、轉(zhuǎn)換電路完成對(duì)傳感器輸出信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。l 通信管理模塊一方面接收控制中心發(fā)送過來的命令，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集；另一方面將SIM卡號(hào)和測(cè)量所得數(shù)據(jù)等封裝成IP包經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制中心。4.結(jié)束語(yǔ)當(dāng)前，無線數(shù)據(jù)傳輸和處理已成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)，本文所介紹的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以GPRS作為承載網(wǎng)絡(luò)，利用了GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，可靠性高，費(fèi)用低廉等優(yōu)勢(shì)，具有良好的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。該系統(tǒng)非常適合于在邊遠(yuǎn)地區(qū)或可移動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。參考文獻(xiàn)：1. 吳青萍 GPRS技術(shù)及其應(yīng)用 河海大學(xué)常州分校學(xué)報(bào)2002年6月 54572. 關(guān)宇東等 嵌入式單片機(jī)PPP協(xié)議的應(yīng)用研究 電子技術(shù)應(yīng)用20

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