GPRS模塊的應(yīng)用技巧

精品文檔-下載后可編輯GPRS模塊的應(yīng)用技巧《電氣時(shí)代》2022年第五期

一、應(yīng)用技術(shù)和特點(diǎn)

目前，微控制器與GPRS模塊之間的互動(dòng)操作大部分采用通用異步串行數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)，微控制器通過(guò)串口發(fā)出AT指令，接收GPRS模塊的指令應(yīng)答和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的控制和數(shù)據(jù)傳輸。與早期GSM模塊不同，目前的GPRS模塊在實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和短信通信的基礎(chǔ)上，大部分都內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，可以直接實(shí)現(xiàn)與后臺(tái)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸功能。以數(shù)據(jù)傳輸為例，說(shuō)明GPRS模塊以TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，要經(jīng)過(guò)3個(gè)操作過(guò)程。1）建立連接。一般來(lái)說(shuō)都是客戶(hù)端主動(dòng)向服務(wù)器端的IP和端口發(fā)出連接請(qǐng)求，而服務(wù)器端偵聽(tīng)指定的端口，等待客戶(hù)端的連接請(qǐng)求并且進(jìn)行回應(yīng)建立連接。2）數(shù)據(jù)收發(fā)。利用已經(jīng)建立的鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)?？梢允褂脝螏瑪?shù)據(jù)包的傳輸，通常一幀可以包含1KB左右。也可以使用“透明傳輸”模式，將串口收到的所有字符和數(shù)據(jù)原封不動(dòng)地按照TCP/IP協(xié)議打包發(fā)送到遠(yuǎn)方服務(wù)器。3）連接釋放。當(dāng)所有數(shù)據(jù)都收發(fā)完成，就需要切斷與后臺(tái)服務(wù)器的連接，釋放通信信令和后臺(tái)服務(wù)器的資源。但在某些場(chǎng)合，也可一直保持與后臺(tái)的連接過(guò)程，即“永遠(yuǎn)在線”，但在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g隙內(nèi)，需要通過(guò)“心跳”數(shù)據(jù)包來(lái)維持與后臺(tái)的連接，否則在一定空閑后通信網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)回收空閑的資源。

二、軟件應(yīng)用方案

在使用GPRS模塊進(jìn)行設(shè)備開(kāi)發(fā)過(guò)程中，逐漸發(fā)現(xiàn)以下的幾個(gè)特點(diǎn)。1）使用串口與模塊的通信過(guò)程中，存在長(zhǎng)度不定的通信幀需要區(qū)分，如果不能可靠地分?jǐn)喔鲙瑪?shù)據(jù)就不可能正常運(yùn)行。2）由于涉及到外部網(wǎng)絡(luò)的通信過(guò)程，微控制器與GPRS模塊通信過(guò)程中存在應(yīng)答延遲的情況，而且延遲的時(shí)間長(zhǎng)短隨機(jī)。如果缺乏合理的應(yīng)對(duì)機(jī)制，則可能會(huì)影響到程序中其他進(jìn)程的工作。下面就遇到的兩個(gè)主要問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出一種可能的解決方案進(jìn)行討論。

1.分割數(shù)據(jù)幀對(duì)于來(lái)自GPRS模塊的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度不定的情況，一般有以下兩種方式解決。1）對(duì)于串口具備硬件緩存或DMA以及空閑中斷的微控制器，可以使用足夠長(zhǎng)度的緩存進(jìn)行接收，并配合空閑標(biāo)志進(jìn)行判斷，該方案可以最大程度地釋放CPU的資源，對(duì)于CPU負(fù)荷較重的場(chǎng)合比較合適。但該方案對(duì)MCU的外設(shè)資源有一定的要求，使得該方案受到一定的限制，而且對(duì)延時(shí)判斷時(shí)間的控制也缺乏靈活性。2）在硬件條件不成熟的情況下，借鑒Modbus協(xié)議的3.5字符時(shí)間作為幀分?jǐn)嗟乃悸?，以一定的延遲時(shí)間作為判斷數(shù)據(jù)幀完成的標(biāo)志。具體來(lái)說(shuō)，在串口接收到第一個(gè)字節(jié)后，啟動(dòng)已經(jīng)設(shè)定的定時(shí)器，并且在每次收到新的字節(jié)后都清空該定時(shí)器。幀數(shù)據(jù)接收完成后最后一次清除定時(shí)器，等待定時(shí)器溢出并產(chǎn)生中斷，報(bào)告一幀數(shù)據(jù)接收完成。由于大部分的微控制器都具備串口和定時(shí)器等外設(shè)，該方案具有更大的普遍意義。另外，在開(kāi)發(fā)調(diào)試過(guò)程中，同一條AT指令的應(yīng)答返回?cái)?shù)據(jù)，可能被分?jǐn)酁閮蓚€(gè)甚至三個(gè)段發(fā)送回來(lái)，中間的間隔可能比MCU串口的硬件產(chǎn)生的空閑中斷判據(jù)要大，可能存在接收不完整的情況。由于可以靈活設(shè)置定時(shí)器的超時(shí)范圍，對(duì)不同廠家的GPRS模塊具備更好的適應(yīng)能力。

2.GPRS模塊的操作機(jī)制嘗試了2種不同的處理架構(gòu)，分別是有限狀態(tài)機(jī)方式和優(yōu)先級(jí)消息方式。兩種方式各有千秋，分別適應(yīng)與不同的應(yīng)用模式，同時(shí)，作為一種設(shè)計(jì)思路，還可以應(yīng)用于更多的場(chǎng)合。（1）有限狀態(tài)機(jī)方式由于GPRS模塊的操作是由一系列的請(qǐng)求和應(yīng)答指令配合完成，部分操作流程中“指令-應(yīng)答”之間的順序存在嚴(yán)格要求。但在涉及與外部網(wǎng)絡(luò)通信的情況下，應(yīng)答的延遲情況難以判斷。為了嚴(yán)格遵循流程操作，同時(shí)為了避免由于不定延遲導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)長(zhǎng)等待而影響其他進(jìn)程的執(zhí)行，在GPRS模塊的操作中引入“有限狀態(tài)機(jī)”的方式，每一步操作成為一個(gè)狀態(tài)，包含：當(dāng)前狀態(tài)，當(dāng)前狀態(tài)下收到的各類(lèi)消息及轉(zhuǎn)向的下一狀態(tài)，和當(dāng)前狀態(tài)需要執(zhí)行的動(dòng)作。若干個(gè)操作形成的序列就轉(zhuǎn)換為一系列順序流轉(zhuǎn)的狀態(tài)，所有的狀態(tài)集合成為“狀態(tài)矩陣”，如下圖1所示。程序進(jìn)入狀態(tài)機(jī)，如果收到新的消息，則與已經(jīng)發(fā)出的指令的規(guī)定應(yīng)答相比較，判斷相同則可以按照“狀態(tài)矩陣”規(guī)定的路線轉(zhuǎn)移。直至正確收到本序列最后一條指令的應(yīng)答，結(jié)束本流程操作返回空閑狀態(tài)。以圖2為例進(jìn)行說(shuō)明。對(duì)于比較簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，本方案可以較好實(shí)現(xiàn)，尤其對(duì)于后續(xù)應(yīng)答或操作不明確的場(chǎng)合比較適合。例如，在人機(jī)交互過(guò)程中，由于操作人員可能隨意操作按鍵，對(duì)鍵盤(pán)的響應(yīng)過(guò)程可能出現(xiàn)大量不可預(yù)計(jì)的操作，利用狀態(tài)矩陣就可為每一個(gè)狀態(tài)下每一個(gè)按鍵消息進(jìn)行約束，可以從容地應(yīng)對(duì)各種可能出現(xiàn)的情況。對(duì)GPRS模塊的操作由于涉及到外部網(wǎng)絡(luò)的互動(dòng)過(guò)程，有時(shí)候也會(huì)存在一些“意料之外”的情況，采用該方案能較好地控制異常的流程。但對(duì)于需要雙向數(shù)據(jù)通信的需求來(lái)說(shuō)，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，即“流程交叉”的情況。舉例來(lái)說(shuō)，如果當(dāng)前正在執(zhí)行一次數(shù)據(jù)發(fā)送流程，其中進(jìn)行到第2步，此時(shí)如果收到一條短信數(shù)據(jù)，則可能驅(qū)動(dòng)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入短信接收流程。如果之后收到數(shù)據(jù)發(fā)送流程第2步的應(yīng)答，則狀態(tài)機(jī)可能陷入混亂。雖然發(fā)生這種極端情況的概率非常小，但系統(tǒng)中始終暗藏這種的風(fēng)險(xiǎn)。如果要避免發(fā)生這樣的混亂，就必須再進(jìn)一步加入狀態(tài)流程的掛起機(jī)制，必然會(huì)使得整個(gè)機(jī)制變得更加復(fù)雜。（2）優(yōu)先級(jí)消息方式結(jié)合“指令-應(yīng)答”結(jié)構(gòu)體（RA）及表達(dá)序列流程的RA數(shù)組，數(shù)據(jù)的組成方式如圖3所示。頂層的“操作流程”由一系列的RA組成，比如一次“透?jìng)髁鞒獭本桶ǎ捍蜷_(kāi)鏈接指令及應(yīng)答，啟動(dòng)透?jìng)髦噶罴皯?yīng)答，發(fā)起傳輸指令及應(yīng)答，關(guān)閉透?jìng)髦噶罴皯?yīng)答，關(guān)閉連接指令及應(yīng)答等5個(gè)步驟。且每一個(gè)步驟又涉及：發(fā)出的指令和各種情況的應(yīng)答。在程序方面，采用帶有優(yōu)先級(jí)的消息控制的方式，以一種簡(jiǎn)潔的方式高效實(shí)現(xiàn)四種不同操作：數(shù)據(jù)收/發(fā)與短信收/發(fā)。進(jìn)入GPRS處理流程，首先判斷是否收到新的消息，如果收到消息則按照一定順序判斷收到消息是否為收短信或收數(shù)據(jù)并按標(biāo)記掛起，然后判斷當(dāng)前是否存在正在執(zhí)行的流程，并將收到的應(yīng)答與RA中的正確應(yīng)答進(jìn)行比較判斷，并按序列推動(dòng)狀態(tài)在RA數(shù)組內(nèi)部流轉(zhuǎn)。如果沒(méi)有收到任何消息，且不存在任何正在執(zhí)行的流程，則按照：發(fā)數(shù)據(jù)，收短信，收數(shù)據(jù)和發(fā)短信的優(yōu)先級(jí)順序檢查是否存在掛起的事件，并啟動(dòng)相應(yīng)的流程。比如，如果存在正在執(zhí)行的流程而沒(méi)有收到應(yīng)答，則轉(zhuǎn)入對(duì)應(yīng)的流程超時(shí)管理機(jī)制，對(duì)不同的流程分別進(jìn)行超時(shí)控制，并在超時(shí)發(fā)生的時(shí)候產(chǎn)生標(biāo)記，然后清空當(dāng)前正在執(zhí)行流程的指針，轉(zhuǎn)入空閑等待狀態(tài)。消息處理的過(guò)程如圖4所示。

三、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用以上機(jī)制，以一種簡(jiǎn)