基于GPRS 模塊的無線通信系統(tǒng)設(shè)計

陳 武

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

近年來，通信技術(shù)發(fā)展迅猛，成功縮短人與人之間的通信距離，已被廣泛應用到軍事、農(nóng)業(yè)、交通以及醫(yī)療等領(lǐng)域。基于GPRS模塊的無線通信系統(tǒng)的應用促使信息傳遞更加高速、快捷，且成本較低，可靠性強，可極大提升行業(yè)的工作效率。因此，分析基于GPRS模塊的無線通信系統(tǒng)設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義。

1 GPRS通信原理及應用特點

1.1 GPRS概述

GPRS，又稱通用無線數(shù)據(jù)分組業(yè)務，是在GSM技術(shù)的基礎(chǔ)上加工改進的無線傳輸系統(tǒng)，是2G網(wǎng)絡(luò)向3G網(wǎng)絡(luò)演變的關(guān)鍵技術(shù)。在運營商計費體系中，GPRS采用傳輸數(shù)據(jù)量的方式計費，相較于連接時間的計費方式，成本更為低廉[1]。

1.2 GPRS工作原理

GPRS不僅包含GSM的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能，在數(shù)據(jù)傳輸原理、帶寬頻段、標準以及規(guī)則都方面皆與GSM系統(tǒng)基本一致，且具有獨特的高傳輸速率性能。此外，GPRS融入了GPRS服務支持節(jié)點（SGSN）和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點（GGSN）。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，當GPRS模塊與客戶系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)通信時，相關(guān)數(shù)據(jù)在經(jīng)過處理后，首先發(fā)送至GSM基站，后利用GGSN和SGSN對分組數(shù)據(jù)進行處理，最終傳輸至目標GPRS終端[2]。

1.3 GPRS特點

相較于其他無線通信數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS的優(yōu)勢和特點更加突出，主要體現(xiàn)在如下方面：

（1）GPRS采用獨立的鏈路結(jié)構(gòu)，具有較靈活的信道變化能力。同時具有較快的傳輸速率，可實現(xiàn)對龐大信息量的快速、便捷傳輸[3]；

（2）支持語音和數(shù)據(jù)業(yè)務同信道傳輸，支持不同的通訊標準協(xié)議，支持點對點和點對多點的通訊業(yè)務；

（3）采用傳輸量計費方式，成本相對較低，且可以保持實時在線通訊，方便用戶在任何時間，都可以利用GPRS進行網(wǎng)絡(luò)連接通話。

圖1 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 基于GPRS模塊的無線通信系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)港口碼頭對減速機的自動化實時監(jiān)測，設(shè)計基于GPRS模塊的無線通信系統(tǒng)，有效降低現(xiàn)場人力監(jiān)測的成本投入，避免人員可能出現(xiàn)的意外損傷。結(jié)合港口碼頭的特點，要求無線通信系統(tǒng)在開啟后，不僅可以實時反饋當前碼頭減速機的狀態(tài)信息，還可以將采集的數(shù)據(jù)準確傳輸至數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)對港口碼頭減速機的遠程監(jiān)控。由于在對減速機進行溫度、壓力和油樣等相關(guān)狀態(tài)信息采集時，上述數(shù)據(jù)均屬于漸變數(shù)值，要求無線通信系統(tǒng)采用實時信號采集，定時發(fā)送的模式。

2.1 硬件系統(tǒng)的構(gòu)建

基于港口碼頭減速機自動化實施監(jiān)測裝置的設(shè)計要求，本設(shè)計方案的硬件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)中心處理三部分組成，如圖2所示。

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：實現(xiàn)對減速機設(shè)備的溫度、壓力、油樣等實時狀態(tài)信號相關(guān)信息的采集工作，并可對信息進行初步的放大和濾波處理。

（2）數(shù)據(jù)傳輸部分：通過GPRS模塊，定時發(fā)送信息，并將其傳送到網(wǎng)絡(luò)。

（3）數(shù)據(jù)中心：主要接收傳輸數(shù)據(jù)，并進行顯示和分析，判斷出引發(fā)港口碼頭減速機機械故障的原因與故障發(fā)生的頻次。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.2 采集模塊設(shè)計

利用信息采集模塊，可采集在港口碼頭減速機運行過程中各觸點的實時狀態(tài)信息，從而有效分析機械設(shè)備的工作效率與使用壽命。筆者主要借助振動傳感器、油位傳感器和溫度傳感器等傳感器設(shè)備，對港口碼頭的減速機進行實時監(jiān)測，并采集設(shè)備運行過程中的壓力、油樣和溫度等相關(guān)信息。

2.3 控制模塊設(shè)計

在進行港口碼頭減速機無線通信系統(tǒng)的主控芯片設(shè)計時，以ARM Cortex-M3系列的最高配置芯片STM32F103ZE作為核心。STM32F103ZE的主頻最高可以達到72MHz，共計擁有144個引腳，芯片的大小為8 mm×55 mm，需要3.3 V的電源對其供電。由于其具有高處理速度、運行功耗較低以及調(diào)試成本低的優(yōu)點，在無線通信系統(tǒng)設(shè)計中的應用較為廣泛，尤其是一些要求低功耗和低成本的嵌入式應用[4]。

2.4 通信模塊

在港口碼頭減速機無線通信設(shè)計過程中，GPRS通信模塊使用900 MHz頻段的西門子MC55，同時具有電話和短信功能，不僅可以實現(xiàn)中英文短信的發(fā)送，還具備實現(xiàn)接打電話和接受發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)等功能。在實際應用GPRS模塊時，首先應對西門子MC55模塊開展調(diào)式，主要分為以下步驟：

（1）在開發(fā)板的卡槽內(nèi)，放置SIM卡并進行固定；

（2）選擇對應的串口，利用P3和P4端口的模式，將GPRS模塊中的串口通過232連接至相應串口；

（3）啟動模式有自動和手動模式兩種，一般在進行測試時，選擇手動模式；

（4）加載12V的電源，并打開電源開關(guān)，確保設(shè)備處于正常工作狀態(tài)；

（5）根據(jù)相關(guān)要求，進行GPRS模塊的短信和語音功能測試，查看收發(fā)短信是否處于正常狀態(tài)。

2.5 軟件設(shè)計

作為整個無線通信系統(tǒng)設(shè)計的核心，軟件的設(shè)計應與硬件部分的設(shè)計同時進行，并確保無線通信系統(tǒng)的基本功能滿足港口碼頭減速機的實施監(jiān)控要求。傳統(tǒng)的匯編語言雖然應用較為廣泛，且編程簡單，但其可讀性較差。而C語言的結(jié)構(gòu)性良好，可讀性極佳，并具有較強的移植性和模塊化性能。因此，在軟件設(shè)計環(huán)節(jié)，采用C語言進行編程。無線通信系統(tǒng)軟件程序總流程圖如圖3所示。

（1）串口初始化：串口在數(shù)據(jù)發(fā)送和接受環(huán)節(jié)扮演著重要角色。在設(shè)計過程中，采用UART1串口實現(xiàn)主控芯片STM32F103ZE和數(shù)據(jù)采集器件的連接，提升現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的傳輸效率。為方便GPRS網(wǎng)絡(luò)開展數(shù)據(jù)傳輸，可將采集到的數(shù)據(jù)信息傳送至服務器，并將UART1串口與GPRS模塊MC55相連接。在利用串口進行數(shù)據(jù)的傳送和接收前，應對串口的各種標志位、緩存區(qū)、工作模式以及波特率等進行初始化操作。

圖3 無線通信系統(tǒng)主程序流程圖

（2）GPRS模塊初始化：GPRS模塊軟件設(shè)計流程如圖4所示。主控芯片STM32F103ZE通過發(fā)送AT指令，實現(xiàn)對GPRS模塊MC55的初始化控制以及數(shù)據(jù)的發(fā)送操作，GPRS模塊MC55在接受到相應的AT指令后，會根據(jù)內(nèi)部的相關(guān)程序模塊開展相應的指令操作，并輸出返回值。

圖4 GPRS軟件設(shè)計流程圖

（3）數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收：港口碼頭減速機無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送功能是利用串口實現(xiàn)的。在軟件設(shè)計過程中，為方便硬件的封裝與相關(guān)子程序的數(shù)據(jù)調(diào)用，可對數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受模塊分別進行程序設(shè)計，兩者互不干擾。

3 結(jié) 論

通過將具備可靠性高合成本低廉優(yōu)勢的GPRS模塊應用至無線通信系統(tǒng)，可使無線通信系統(tǒng)變得更加靈活。相關(guān)人員應當加強對GPRS模塊的了解，提升自身專業(yè)素質(zhì)能力，充分利用GPRS的優(yōu)點開展無線通信系統(tǒng)的設(shè)計，推動我國通訊行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。