基于GPRS/3G的遠程通信實驗系統(tǒng)組網(wǎng)方案實現(xiàn)

馮曉星，毛云祥

（電子工程學院，安徽合肥230037）

基于GPRS/3G的遠程通信實驗系統(tǒng)組網(wǎng)方案實現(xiàn)

馮曉星，毛云祥

（電子工程學院，安徽合肥230037）

針對遠程通信實驗對于系統(tǒng)組網(wǎng)的要求，提出了一種基于GPRS/3G技術的系統(tǒng)組網(wǎng)方案。系統(tǒng)設有多個外置的GSM模塊，中心和遠程設備通過串口控制各自的模塊，以實現(xiàn)網(wǎng)絡連接和SMS通信，傳遞實驗數(shù)據(jù)和各設備定位信息。對方案中GSM模塊、GPS模塊及其附屬電路、GPRS網(wǎng)絡連接和短消息編碼方式等關鍵技術進行了介紹，并給出了軟件流程圖和VC實現(xiàn)的部分代碼。

通用分組無線服務；全球定位系統(tǒng)；短信息；C語言

0 引言

遠程實驗是在Internet（或者Intranet）上采用遠程數(shù)據(jù)及圖像（聲音采集）、遠程控制技術、計算機仿真技術和虛擬現(xiàn)實等技術，使實驗者可從異地計算機設備上進行實驗操作和觀察，所得到的結果與本地得到的數(shù)據(jù)結果完全等價，如同真實操作實驗設備一樣。這些系統(tǒng)，不僅通信質(zhì)量要求高，而且涉及的終端數(shù)量大、地域跨度大、布線和組網(wǎng)環(huán)境復雜。如何可靠高效組網(wǎng)通信是該類系統(tǒng)面臨的首要問題。隨著網(wǎng)絡技術的日臻成熟，利用無線技術進行網(wǎng)絡連接已經(jīng)成為現(xiàn)實［1，2］。

目前，組網(wǎng)方案研究方法有以下幾類：自主架設相應的通信設備搭建地域通信網(wǎng)的組網(wǎng)方案安全可靠，但是成本過高。若在一個小范圍區(qū)域內(nèi)進行系統(tǒng)的研發(fā)與測試，選擇無線局域網(wǎng)絡組網(wǎng)也不失一個經(jīng)濟實用的辦法。

1 系統(tǒng)組成

遠程通信實驗系統(tǒng)主要由定位傳輸設備、復雜通信信號環(huán)境模擬器、遠程監(jiān)控與指揮管理中心及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡等構成，如圖1所示。

圖1 遠程實驗系統(tǒng)原理框圖

其中，定位傳輸設備主要完成對應儀器儀表工作數(shù)據(jù)及運行參數(shù)的采集、記錄、傳輸及接受管理中心的指揮控制等任務，內(nèi)置GPS模塊；管理中心負責信息收集，完成態(tài)勢感知和可視化，工作數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，資源調(diào)度與管理，計算機輔助決策；完成數(shù)據(jù)存儲、檢索、歸類、報表與報告等功能。

2 系統(tǒng)組網(wǎng)方案的實現(xiàn)

遠程實驗系統(tǒng)有最關鍵的2個裝置：定位傳輸設備和復雜通信信號環(huán)境生成器，它們都涉及到與管理中心的遠程通信需求。目前，采用方案是通過GPRS實現(xiàn)網(wǎng)絡互連，完成數(shù)據(jù)的安全傳輸。同時，這2部分都涉及到GPS接收機的數(shù)據(jù)處理與時統(tǒng)校時的要求。下面主要論述系統(tǒng)中通用的通信模塊的開發(fā)及其軟件實現(xiàn)設計方案。

2.1 嵌入式通信模塊開發(fā)設計

系統(tǒng)中存在監(jiān)控中心與定位傳輸設備、監(jiān)控中心與通信信號環(huán)境模擬器之間的遠程通信功能。也就是GPRS通信與GPS通信。本系統(tǒng)綜合考慮通信需求，設計開發(fā)了嵌入式GPRS/GPS通信模塊。選用SIM300模塊作為GSM模塊，選用GSTAR作為GPS接收機。其模塊功能如下所述：

①SIM300模塊

SIM300是具有三頻段的GSM/GPRS模塊，可在全球范圍內(nèi)的EGSM 900 MHz、DCS 1 800 MHz和PCS 1 900 MHz這3種頻率下工作，能夠提供GPRS多信道類型多達10個，并且支持CS－1、CS－2、CS－3 和CS－4這4種GPRS編碼方案。其內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，同時擴展了TCP/IP AT指令，用戶能夠簡單而方便地利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設備。通過使用AT指令，開啟GPRS功能，連入Internet網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸［3，4］。

②GPS模塊

GPS模塊采用GStar系列的GS－89，具有高精度、低電壓和自動導航等特點，支持標準的NMEA0183語句（美國國家海洋電子協(xié)會制定的導航通信標準語句）和SiRF二進制協(xié)議。通過軟件解析GPS模塊返回的定位數(shù)據(jù)，提取出經(jīng)緯度、時間和速度等重要定位導航數(shù)據(jù)信息，利用現(xiàn)有百度地圖服務商提供的地圖API開發(fā)包，實現(xiàn)導航定位功能。

SIM300與GPS模塊的硬件原理圖分別如圖2和圖3所示。開發(fā)出的嵌入式GPRS模塊使用串口通信的方式與上位機軟件進行通信，能夠很好地完成各項功能，具有SMS短信服務，能夠使用GPRS網(wǎng)絡連接監(jiān)控中心。同時，GPS模塊能夠接收GPS數(shù)據(jù)包提供給用戶進行使用。

圖2 SIM 300通信模塊電路原理

圖3 GPS通信電路原理

2.2 串口收發(fā)短消息（SMS）功能實現(xiàn)

2.2.1 SMS編碼方式

系統(tǒng)研究設計中，由于選用了中國電信3G網(wǎng)絡作為監(jiān)控管理中心的網(wǎng)絡服務，其IP地址為動態(tài)分配的，系統(tǒng)中各定位傳輸設備及環(huán)境模擬器無法預先知道監(jiān)控管理中心的IP地址，所以采用開機匯報登錄查詢的方式，來獲取監(jiān)控管理中心的IP地址，從而進一步實現(xiàn)網(wǎng)絡連接，完成遠程通信功能。

所以，若采用3G網(wǎng)絡，系統(tǒng)開機初始狀態(tài)存在短信通信的過程。因此，在系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中，針對已開發(fā)完成的嵌入式GPRS通信模塊，需要來實現(xiàn)通過串口收發(fā)短信的功能。本小節(jié)著重講解SMS短信在通信系統(tǒng)中的軟件開發(fā)應用。

SMS短消息是Short Message Service的英文縮寫，是通過移動網(wǎng)絡用手機接收和發(fā)送有限長度文本信息的一種通信體制。文本信息可以是漢字、數(shù)字、字母或符號以及它們的組合。GSM的協(xié)議規(guī)范規(guī)定，一條短消息最多可以包含160個英文字母的7 bit編碼或是70個漢字等Unicode編碼［5，6］。

由ESTI制定的SMS規(guī)范中，一共有3種方式來發(fā)送和接收SMS信息：Block Mode、Text Mode和PDU Mode。3種方式的區(qū)別在于：

Block Mode已是昔日黃花，目前很少用；Text Mode是純文本方式，可使用不同的字符集主要用于歐美地區(qū)，從技術上說也可用于發(fā)送中文短消息，但國內(nèi)手機基本不支持；PDU Mode被所有手機支持，可以使用任何字符集，這也是手機默認的編碼方式。

PDU串表面上是一串ASCII碼，由0～9、A～F這些數(shù)字和字母組成。它們是8位字節(jié)的十六進制數(shù)，或者BCD碼十進制數(shù)。PDU串不僅包含可顯示的消息本身，還包含很多其他信息，如SMS服務中心號碼、目標號碼、回復號碼、編碼方式和服務時間等。發(fā)送和接收的PDU串，結構是不完全相同的［3］。

2.2.2 串口編程實現(xiàn)SMS

軟件對系統(tǒng)中的嵌入式GPRS模塊的操作主要是通過串口向SIM300模塊寫AT指令，來實現(xiàn)對模塊的操作。

本系統(tǒng)軟件開發(fā)是基于Windows XP系統(tǒng)，VC＋＋6.0平臺的。在Windows系統(tǒng)環(huán)境下，對串口的操作除了利用MSComm控件和現(xiàn)有的第3方串口類外，也可以簡單地調(diào)用Windows API來實現(xiàn)。使用Win32 API函數(shù)來操作串口，主要具有操作簡單、方便直接等特點。對于SIM300的控制，綜合考慮，采用了Windows API函數(shù)來完成，最主要的2個函數(shù)為：WriteComm（）和ReadComm（），其中，WriteComm（）為寫串口函數(shù)，ReadComm（）為讀串口函數(shù)。部分參考代碼如下所示：

∥返回：實際寫入的數(shù)據(jù)長度

intWriteComm（void*pData，int nLength）

{

DWORD dwNumWrite；∥串口發(fā)出的數(shù)據(jù)長度

WriteFile（hComm，pData，（DWORD）nLength，＆dwNumWrite，NULL）；

return（int）dwNumWrite；

}

∥返回：實際讀出的數(shù)據(jù)長度

int ReadComm（void*pData，int nLength）

{

DWORD dwNumRead；∥串口收到的數(shù)據(jù)長度

ReadFile（hComm，pData，（DWORD）nLength，＆dwNumRead，NULL）；

return（int）dwNumRead；

}

使用串口處理SIM300來接收與發(fā)送短信息，主要是對PDU串進行編碼與解碼，其中，PDU串具有7 bit、8 bit和UCS2 3種編碼方式。

定義短消息參數(shù)結構體如下：

typedef struct{

char SCA［16］；∥短消息服務中心號碼（SMSC地址）

char TPA［16］；∥目標號碼或回復號碼（TP－DA 或TP－RA）

char TP_PID；∥用戶信息協(xié)議標識（TP－PID）

char TP_DCS；∥用戶信息編碼方式（TP－DCS）

char TP_SCTS［16］；∥服務時間戳字符串（TP_ SCTS），接收時用到

char TP_UD［160］；∥原始用戶信息（編碼前或解碼后的TP－UD）

short index；∥短消息序號，在讀取時用到

}SM_PARAM；

依照GSM07.05通信協(xié)議，發(fā)送短消息用AT＋CMGS命令，閱讀短消息用AT＋CMGR，列出短消息用AT＋CMGL命令，刪除短消息用AT＋CMGD命令［7，8］。所以軟件設計中編寫通用發(fā)送、接收和刪除短消息函數(shù)如下：

int gsmSendMessage（SM_PARAM*pSrc）{}

int gsmReadMessage（SM_PARAM*pSrc）{}

int gsmDeleteMessage（int index）{}。

2.2.3網(wǎng)絡連接與在線檢測設計

（1）GPRS網(wǎng)絡連接功能實現(xiàn)

GPRS通信主要完成與監(jiān)管中心的數(shù)據(jù)通信，可以實現(xiàn)接收監(jiān)管中心的控制命令，向監(jiān)管中心上傳監(jiān)測結果數(shù)據(jù)包以及GPS數(shù)據(jù)信息，接收監(jiān)控管理中心的信號生成預案等。

①GPRS通信是通過外置的GSM模塊來實現(xiàn)的。裝置軟件通過AT指令控制GSM模塊，連接網(wǎng)絡，實現(xiàn)遠程的數(shù)據(jù)傳輸功能。GPRS通信連接需要有外網(wǎng)IP地址，對于監(jiān)控中心的動態(tài)IP地址，設計裝置軟件時是無法按照固定的IP地址來連接中心的，因此采用一種基于GSM的短消息的方式完成數(shù)據(jù)的交換，即通過短信來傳遞IP地址，定位傳輸設備根據(jù)接收的短消息，解析出監(jiān)控中心提供的服務IP地址與服務端口PORT，然后通過串口寫AT指令，連接到目標地址，實現(xiàn)網(wǎng)絡的互聯(lián)［9，10］。為系統(tǒng)完成通信連接的流程如圖4所示。

圖4 基于GPRS/3G公網(wǎng)系統(tǒng)通信連接過程

②對于GSM模塊的控制，則主要是以向串口寫AT指令實現(xiàn)。GPRS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)牧鞒倘鐖D5所示，詳細表明了GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的原理。其中，使用到得AT指令主要如下：

圖5 基于GPRS/3G公網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸流程

AT＋CIPCLOSE：關閉所有TCP/UDP連接；AT＋CIPSHUT：關閉GPRS PDP環(huán)境；AT＋CIPSTART：啟動TCP或UDP連接；AT＋CIPSTATUS：查詢GPRS連接狀態(tài)；AT＋CIPSEND：通過TCP或UDP發(fā)送數(shù)據(jù)［4］。

（2）GPRS網(wǎng)絡連接在線檢測

系統(tǒng)網(wǎng)絡連接是否正常關系到正常數(shù)據(jù)收發(fā)。監(jiān)控中心建立3個基于TCP的Socket通信子服務，分別處理GPS定位數(shù)據(jù)、GPRS網(wǎng)絡測試數(shù)據(jù)包和其他系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)使用了獨立的服務端口接收網(wǎng)絡測試數(shù)據(jù)包，若系統(tǒng)連接異常，則關閉現(xiàn)有連接，重新建立新連接，從而保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)正常接收［11，12］。

3 結束語

利用現(xiàn)在成熟的移動通信基礎設施，提出一種基于GPRS/3G公網(wǎng)的組網(wǎng)方案，是一個可以優(yōu)先選擇的方案。系統(tǒng)由于利用已有的移動通信基礎設施，降低了開發(fā)的成本，并且使開發(fā)人員集中精力開發(fā)系統(tǒng)。成熟先進的無線數(shù)傳技術使得傳輸更加可靠，目前，系統(tǒng)已投入使用，運行良好，各項指標均達標。

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Implementation of Networking Scheme for Remote Communication Experiment System Based on GPRS/3G

FENG Xiao－xing，MAO Yun－xiang
（Electronic Engineering Institute，Hefei Anhui230037，China）

According to the network requirements for remote communication experiment system，a scheme is presented based on GPRS/3G technology.The system has several external GSM modules.The center and remote devices control each module respectively through serial port to realize the network connection and SMS communication，and the transfer of experimental data and GPS information.This paper introduces the key technologies of GSM module，GPSmodule and its subsidiary circuit，GPRS network connection and shortmessage codingmethod，etc.At last it gives software flow chart and code implementation with VC.

GPRS；GPS；SMS；C Language

TP277

A

1003－3114（2015）04－96－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.25

馮曉星，毛云祥.基于GPRS/3G的遠程通信實驗系統(tǒng)組網(wǎng)方案實現(xiàn)［J］.無線電通信技術，2015，41（4）：96－99.

2015－03－01

馮曉星（1982―），男，碩士研究生，講師，主要研究方向：信號與信息處理。毛云祥（1973—），男，碩士研究生，講師。主要研究方向：信號與信息處理。