基于無線網(wǎng)的GPRS嵌入式船舶終端控制器的設(shè)計(jì)

劉 學(xué) 彭立新

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050）

隨著工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)代化的發(fā)展和GSM 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的不斷拓展，應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生活方面的遠(yuǎn)程控制越來越廣泛，如空調(diào)、冰箱、工業(yè)終端設(shè)備測(cè)量、監(jiān)控等，控制的方式也越來越多樣化，常見的有基于Internet局域網(wǎng)、GSM 短消息、以太網(wǎng)、電話網(wǎng)、GPRS 網(wǎng)等?；贕SM 網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸GPRS具有控制對(duì)象夸大區(qū)域、可移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，并具有實(shí)時(shí)在線、登陸快捷、傳輸速度高、數(shù)據(jù)傳輸和話音傳輸切換自如、按流量計(jì)費(fèi)等特點(diǎn)。本文探討的控制器終端側(cè)重應(yīng)用于內(nèi)河或近海GSM網(wǎng)絡(luò)所覆蓋區(qū)域的船舶監(jiān)控，文中給出以S3C44B0X 芯片［1］作為MCU 對(duì)GPRS無線通信終端模塊GT47進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸控制的設(shè)計(jì)。

1 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與協(xié)議模型

GPRS是基于GSM 網(wǎng)絡(luò)增加了PCU（Packet Control Unit）、GGSN（Gateway GPRS Supporting Node）和SGSN（Serving GSN），以及其他一些輔助進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)管理和應(yīng)用的單元實(shí)現(xiàn)。GSN 有兩種：SGSN 和GGSN。典型GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PCU 與BSC 協(xié)同作用，提供邏輯鏈路與物理鏈路的映射、數(shù)據(jù)包的拆封、確認(rèn)、無線數(shù)據(jù)信道的分配等功能，并以幀中繼協(xié)議與SGSN 形成Gb接口。

圖1 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)

SGSN 用來記錄移動(dòng)終端的當(dāng)前位置信息，并在移動(dòng)終端和GGSN 之間完成移動(dòng)分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。它通過Gb接口提供與無線分組控制器PCU 的連接，進(jìn)行移動(dòng)數(shù)據(jù)的管理，如用戶身份識(shí)別、加密、壓縮等。通過Gn 接口與GGSN 相連，提供IP數(shù)據(jù)包到無線單元的傳輸通路和協(xié)議變換等功能。

GGSN 起網(wǎng)關(guān)作用，可以與ISDN、PSPDN和LAN 等多種不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，并把GSM網(wǎng)中的GPRS分組數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，傳送到遠(yuǎn)端的TCP／IP 或X.25 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送。

控制器與GPRS 模塊作為可移動(dòng)的控制終端MS，通過空中接口Um 經(jīng)MS 所在小區(qū)的基站BSS，將分組數(shù)據(jù)送到GSM 網(wǎng)絡(luò)中的SGSN服務(wù)節(jié)點(diǎn)。經(jīng)SGSN 數(shù)據(jù)封裝處理后通過GPRS骨干IP網(wǎng)絡(luò)送到網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN，GGSN 將GPRS的分組數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換傳送到遠(yuǎn)端的TCP／IP或X.25網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端控制信息和外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

GPRS協(xié)議模型既包含類似局域網(wǎng)技術(shù)中的邏輯鏈路控制子層（LLC）和媒體接入控制子層（MAC），又包含RLC和BSSGP等新引入的特定規(guī)程［2］。SGSN 與BSS側(cè)的Gb接口上采用幀中繼規(guī)程，與GGSN 側(cè)的Gn接口則采用TCP／IP規(guī)程。SGSN 中協(xié)議低層部分（如NS和BSSGP層）與無線管理相關(guān)，高層部分（如LLC 和SNDCP層）則與數(shù)據(jù)管理相關(guān)。

由于GPRS本身采用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的IP 應(yīng)用規(guī)程結(jié)構(gòu)可以理解應(yīng)用級(jí)的IP 協(xié)議及已經(jīng)嵌入IP 協(xié)議的GPRS 本身。由GPRS系統(tǒng)端到端的應(yīng)用協(xié)議結(jié)構(gòu)可知，GPRS網(wǎng)絡(luò)是作為應(yīng)用層之下的承載網(wǎng)絡(luò)，它用以承載IP 或X.25 等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。Um 接口是GSM 的空中接口。Um 接口上的通信協(xié)議有6層，協(xié)議模型的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GPRS協(xié)議模型結(jié)構(gòu)

GPRS工作時(shí)，其路由管理表現(xiàn)為監(jiān)控中心向移動(dòng)終端發(fā)送數(shù)據(jù)或接受移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)，以及移動(dòng)終端處于漫游時(shí)3 種情形數(shù)據(jù)路由的建立。當(dāng)移動(dòng)終端產(chǎn)生一個(gè)PDU 分組數(shù)據(jù)單元時(shí)，這個(gè)PDU 經(jīng)過SNDCP層處理，再經(jīng)LLC 層處理為LLC幀，通過一些空中接口送到GSM 網(wǎng)中移動(dòng)終端所處的SGSN，SGSN 把數(shù)據(jù)傳到GGSN，GGSN 再把收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解裝，轉(zhuǎn)換為可在公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中傳送的格式（如PSPDN 的PDU），最終送給公用數(shù)據(jù)網(wǎng)的用戶。移動(dòng)終端接受數(shù)據(jù)時(shí)，先通過數(shù)據(jù)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，建立數(shù)據(jù)網(wǎng)和GGSN 之間的路由。數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶發(fā)出的數(shù)據(jù)單元如PSPDN 中的PDU，通過建立好的路由把數(shù)據(jù)單元PDU 送給GGSN。而GGSN 再把PDU 送給移動(dòng)終端所在的SGSN 上，GSN 把PDU 封裝成SNDC 數(shù)據(jù)單元，再經(jīng)過LLC 層處理為LLC幀單元，最終通過空中接口送給移動(dòng)終端。當(dāng)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心傳送數(shù)據(jù)給一個(gè)正在漫游的控制終端時(shí)，數(shù)據(jù)的傳送就必須經(jīng)過終端歸屬地的GGSN 進(jìn)行。

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 控制器硬件

系統(tǒng)的硬件主要由嵌入式控制器、串口、GPRS模塊組成。

控制器以S3C44B0X 為微處理器核心，該芯片具有高性價(jià)比、高占有率以及可編程8／16／32位的RISC處理器，并提供豐富的內(nèi)置部件，含有8KB Cache，5 通道定時(shí)器，8 通道A／D 轉(zhuǎn)換，看門狗和IIC、IIS總線接口等功能，能夠很好地滿足控制對(duì)象對(duì)系統(tǒng)的需求。同時(shí)因集成了眾多外設(shè)，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到很大提高，也便于所需功能的擴(kuò)展。

系統(tǒng)的串口則采用S3C44B0X 本身所具有的雙串口功能，串口1與GPRS模塊連接完成對(duì)控制中心的信息接入，串口0 與終端PC 機(jī)或者其它控制器的數(shù)據(jù)交流。

GPRS模塊選用SONY ERICSSON 公司的GT47完全透明傳輸模塊。GT47 是一個(gè)智能GSM／GPRS控制終端，它內(nèi)置了TCP／IP 協(xié)議棧，可以用作單獨(dú)功能強(qiáng)大的GPRS 調(diào)制解調(diào)器。還具有GSM／GPRS全套語音和數(shù)據(jù)功能。

GT47透?jìng)髂K由包含TCP／IP 協(xié)議棧的GR47模塊、SIM 卡插座和RS232串行接口等組成。GR47 的TCP／IP 協(xié)議棧存放了基本的TCP／IP協(xié)議規(guī)程，以實(shí)現(xiàn)模塊與網(wǎng)絡(luò)的鏈接協(xié)議握手。微處理器與GPRS模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 GT47相關(guān)AT 指令

控制器通過S3C44B0X 的UART 功能發(fā)送AT 指令控制GT47 模塊完成其所有功能。GT47模塊針對(duì)內(nèi)嵌的TCP／IP 協(xié)議棧有自己特有的AT 指令，該指令可以創(chuàng)建、解除UDP＼TCP Sockets，控制GPRS PDP上下文，來使模塊接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。GT47模塊有數(shù)據(jù)傳輸模式和在線命令模式兩種［3］。在線命令模式下，模塊把串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)作為指令解釋。而在數(shù)據(jù)傳輸模式下，模塊對(duì)發(fā)送來的數(shù)據(jù)不作解釋，直接傳送到線路上。一般，模塊建立連接后直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式。通過使用DTR 線讓用戶在兩種模式間切換。故在數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜魏螘r(shí)候，可以通過AT 指令來改變或查詢IP 的設(shè)置，然后通過輸入ATO重新設(shè)置DTR 返回?cái)?shù)據(jù)傳輸模式。AT 指令：

圖3 終端控制器硬件

（1）AT，測(cè)試模塊串口的連接情況，返回OK表示成功。

（2）AT＋CGDCONT＝1，”IP”，”CMNET”，如果模塊沒有運(yùn)行，使用該AT 指令設(shè)置PDP上，返回“OK”表示成功。

（3）AT＊E2IPA＝1，1，激活I(lǐng)P，確定PDP上的ID。

（4）AT＊E2IPRH＝“www.google.co.uk”，返回該網(wǎng)址IP地址，如返回：

＊E2IPRH：129.59.217.99OK

（5）AT＊E2IPO＝1，“202.114.175.121”，1001，模塊與IP地址連接，連接成功，返回CONNECT，則模塊進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式，DCD 已經(jīng)激活，發(fā)送的數(shù)據(jù)通過Google網(wǎng)址的80端口進(jìn)入Google的服務(wù)器。此時(shí)，可以通過改變DTR 線的狀態(tài)，使模塊切換到在線命令模式。如返回“OK”，表示切換成功，可以通過“AT＊E2IPI＝1”，“AT＊E2IPO？”來查詢當(dāng)前的狀態(tài)。

（6）ATO，通過該指令返回到數(shù)據(jù)傳輸模式。返回“CONNECT”表示連接成功。如此刻遠(yuǎn)程服務(wù)器已關(guān)閉，模塊進(jìn)入命令模式，返回“NO CARRIER”。

（7）AT＊E2IPA＝0，1，關(guān)閉當(dāng)前的IP。

2.3 GPRS與監(jiān)控中心服務(wù)器的通訊

實(shí)現(xiàn)GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，監(jiān)控中心的服務(wù)器上必須有相應(yīng)的軟件來負(fù)責(zé)服務(wù)器與終端模塊的通訊。在監(jiān)控中心服務(wù)器上利用Winsock進(jìn)行socket網(wǎng)絡(luò)編程。

Winsock規(guī)范定義并記錄了如何使用API與Internet協(xié)議族CIPS。應(yīng)用程序調(diào)用Winsock的API實(shí)現(xiàn)信息傳輸，客戶機(jī)可隨機(jī)申請(qǐng)一個(gè)Winsock，系統(tǒng)為之分配一個(gè)唯一Winsock號(hào)，服務(wù)器擁有全局公認(rèn)的Winsock號(hào)，任何客戶端可以向它發(fā)出連接請(qǐng)求及信息請(qǐng)求。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，每個(gè)Winsock用一個(gè)串相關(guān)描述，即協(xié)議、本地地址和本地端口；一個(gè)完整的Winsock接口用一個(gè)相關(guān)描述：協(xié)議、本地地址、本地端口、遠(yuǎn)地地址和遠(yuǎn)地端口。Winsock 定義了三類型的套接字：流式套接字（stream socket）、數(shù)據(jù)報(bào)套接字（datagram socket）和原始套接字（raw socket）。它們分別支持TCP／IP 及UDP 協(xié)議。Winsock的編程原理是基于套接字的系統(tǒng)調(diào)用完成。

遠(yuǎn)程控制器GPRS 監(jiān)控中心服務(wù)器端軟件如圖4所示。運(yùn)行程序后輸入服務(wù)器的IP 地址和偵聽的端口號(hào)，點(diǎn)擊“偵聽”，當(dāng)遠(yuǎn)程控制器與服務(wù)器連接成功后，可以在消息欄輸入要發(fā)送的控制信息，點(diǎn)擊“發(fā)送”就可以實(shí)現(xiàn)GPRS無線網(wǎng)絡(luò)控制。

圖4 GPRS監(jiān)控中心服務(wù)器端軟件界面

3 GPRS控制軟件設(shè)計(jì)

GPRS透?jìng)髂K接收從Internet傳送來的控制信息，控制器與透?jìng)髂KGT47串行通信，通過對(duì)接收信息的提取識(shí)別，判斷有效的控制信息，以對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制?？刂破鱃PRS 遠(yuǎn)端控制方式的程序流程圖如圖5所示。

遠(yuǎn)端控制器GPRS 控制方式所包含的主要函數(shù)有模塊初始化函數(shù)、模塊登陸網(wǎng)絡(luò)函數(shù)等。模塊登陸Internet后，服務(wù)器通過Internet傳輸?shù)臄?shù)據(jù)透明的傳輸給模塊，模塊在串行中斷服務(wù)函數(shù)中讀取服務(wù)器傳過來的數(shù)據(jù)。所謂透明即模塊完成了數(shù)據(jù)的解包操作，只把接收到的數(shù)據(jù)傳給主板。

圖5 GPRS遠(yuǎn)程控制器程序流程圖

（1）模塊初始化函數(shù)

（2）模塊登陸GPRS網(wǎng)并連接服務(wù)器函數(shù)void AttachGPRS（void）

4 結(jié) 語

本文介紹了使用基于GSM 網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)GPRS作為遠(yuǎn)程終端控制器的信息傳遞媒質(zhì)，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、大范圍的控制對(duì)象的控制，不僅可用于家電等設(shè)備的信息遙控，還可用于船舶等工業(yè)領(lǐng)域的終端信息監(jiān)控，使用快捷方便。

1 陳賾，劉振興.ARM 嵌入式技術(shù)實(shí)踐［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

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3 宋宏達(dá).如何使用GR47在GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)［J］.移動(dòng)通信，2005（12）：85～88