摘 要：GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù))在當(dāng)前遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、遙測遙控中越來越受到人們的重視，特別是基于單片機(jī)的GPRS數(shù)據(jù)傳輸方案在GPS車載終端、自動抄表系統(tǒng)等遠(yuǎn)程遙測遙控系統(tǒng)中的應(yīng)用更是倍受關(guān)注。論述了基于WAVECOM的Q2406B無線模塊、AT89S5單片機(jī)的GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端的設(shè)計(jì)方案，并提供了硬件電路圖，軟件流程圖及程序代碼。

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關(guān)鍵詞：GPRS模塊；RS 232；AT89S51單片機(jī)；AT指令

中圖分類號：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0102503

Design of Wireless Data Transmission Terminal Based on GPRS

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LIU Ning，F(xiàn)ENG Wei，LU Linsheng

(Information and Electrical Engineering College，China University of Mining Technology，Xuzhou，221000，China)

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Abstract：GPRS plays an important role in many fields such as remote data transmission and remote control system.The application of GPRS data transmission based on single chip has become the focus of GPS vehicle terminal and automatic reading meter system.This paper introduces a design which implements the GPRS data transmission using WAVECOMQ2406B modem and AT89S51 single chip，and provides corresponding hardware circuit diagram，software flow chart and program code.

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Keywords：GPRS modem;RS 232;AT89S51 single chip;AT command

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1 引 言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，移動運(yùn)營商提供的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸已被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，GPRS網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

實(shí)時在線，接入速度快;

傳輸速率高， 理論值最高可達(dá) 1712 kb/s;

計(jì)費(fèi)合理，以流量計(jì)費(fèi);

快捷登錄，GPRS用戶開機(jī)后， 就始終附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，每次使用時只需一個1~3 s的激活過程。

因此，GPS車載終端、自動抄表系統(tǒng)等遠(yuǎn)程遙測遙控系統(tǒng)利用GPRS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸將成為今后發(fā)展的趨勢。本文以AT89S51單片機(jī)與WAVECOM的Q2406B無線通信模塊為例具體介紹實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ㄒ约瓣P(guān)鍵技術(shù)。

2 GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議分析和實(shí)現(xiàn)

GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸終端利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的全雙工數(shù)據(jù)通信。終端需附著GPRS網(wǎng)絡(luò)，登陸Internet與連接其上的任意一臺普通PC機(jī)建立數(shù)據(jù)鏈路并隨時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。欲完成這一過程必須實(shí)現(xiàn)GPRS的附著和PDP(Packet Data Protoco1，分組數(shù)據(jù)協(xié)議)上下文的激活。通過GPRS的附著登記用戶信息，對用戶進(jìn)行移動性管理，激活過程用于激活I(lǐng)P協(xié)議，保證數(shù)據(jù)能以IP報(bào)的形式進(jìn)行傳送， 使移動臺與GGSN(Gateway GPRS Support Node，網(wǎng)關(guān)GPRS節(jié)點(diǎn))建立一條邏輯通路，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。可見，激活過程是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，他由中央控制器軟件來實(shí)現(xiàn)。分組數(shù)據(jù)協(xié)議的激活涉及到網(wǎng)絡(luò)的多個協(xié)議，如PPP協(xié)議、LCP(Link Control Protocol鏈路控制協(xié)議)、NCP(Network Control Protocol，網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議)、PAP(Password Authentication Protocol，密碼認(rèn)證協(xié)議)和IPCP(Internet Protocol，Internet協(xié)議控制協(xié)議)等。

2.1 分組數(shù)據(jù)協(xié)議上下文激活過程

(1) 終端設(shè)備向移動終端發(fā)送AT指令激活I(lǐng)P協(xié)議，在指令中包含終端想要連接的APN(Access Point Name，訪問點(diǎn)名稱)。

(2) 終端設(shè)備向移動終端發(fā)送 PPPPLC幀給移動終端，表明PAP是在PDP激活過程中的身份認(rèn)證協(xié)議。

(3) 終端設(shè)備開始進(jìn)行PAP認(rèn)證，認(rèn)證通過后，移動終端將對終端設(shè)備給以回應(yīng)，表明承認(rèn)其身份，并且會將用戶ID和密碼儲存下來。

(4) 終端設(shè)備通過發(fā)送NCP-IPCP配置請求信息給移動終端，幀內(nèi)IP地址為空， 表明請求動態(tài)分配IP地址。

(5) 移 動 終 端 向SGSN(Servicing GPRS Support Node，服務(wù)GPRS節(jié)點(diǎn)) 發(fā)送激活PDP上下文的請求信息，信息中包含如下信息：APN、PDP類型，PDP 地址為空，代表請求動態(tài)分配IP地址。

(6) SGSN請求DNS(Domain Name System，域名系統(tǒng))服務(wù)器對APN進(jìn)行解析，得到AON對應(yīng)的GGSN的IP地址。

(7) SGSN發(fā)送建立PDP上下文的請求消息給被選定的GGSN，消息中應(yīng)包含：APN、PDP類型，PDP地址為空，代表請求動態(tài)分配IP地址、用戶更改的 ＱｏＳ 和其他選項(xiàng)。

(8) GGSN對用戶進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證通過后，使用RADIUS(Remote Authentication Dia-in User Service，遠(yuǎn)程認(rèn)證撥入用戶服務(wù))服務(wù)器、DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議)服務(wù)器或直接由GGSN為用戶分配動態(tài)IP地址，GGSN向SGSN返回建立PDP上下文相應(yīng)消息。

(9) SGSN向移動終端發(fā)送激活PDP、上下文接受消息。

(10) 移動終端發(fā)送NCP-IPCP配置回應(yīng)幀給終端設(shè)備，回應(yīng)幀包含了被動態(tài)分配的IP地址。

至此PDP上下文的激活過程全部完成，移動終端與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)建立起數(shù)據(jù)通路， 數(shù)傳終端就可以和監(jiān)控中心以IP數(shù)據(jù)報(bào)的形式進(jìn)行通信。

2.2 協(xié)議實(shí)現(xiàn)過程

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要思路是單片機(jī)通過發(fā)送AT指令控制GPRS模塊建立無線信道、完成數(shù)據(jù)傳輸。用AT指令實(shí)現(xiàn)以上協(xié)議并完成數(shù)傳的步驟如下：

(1) 設(shè)置接入網(wǎng)關(guān)：AT＋CGDCONT＝1，“IP”，“COMNET”;

(2) ＧＰＲＳ 網(wǎng)絡(luò)附著：AT＋CGATT＝1;

(3) 激活GPRS 模式：AT#GPRSMODE＝1;

(4) 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)名稱：AT#APNSERV＝“COMNET”;

(5) 請求網(wǎng)絡(luò)連接：AT＃COMNETIONSYART;

(6) 設(shè)置上位機(jī)的IP地址：AT#TCPSERV＝“202.207.28.43”;

(7) 設(shè)置上位機(jī)偵聽的端口準(zhǔn)備與客戶端通信：AT#TCPPORT＝“6800”;

(8) 打開與上位機(jī)的連接：AT#OTCP;

(9) 斷開網(wǎng)絡(luò)連接：AT# COMNETIONSTOP;

(10) 取消 GPRS附著：AT+CGATT=0。

在完成GPRS數(shù)傳過程中，以上AT命令均必須設(shè)置，但相鄰AT命令間要有一定延時，經(jīng)驗(yàn)證約3 s即可。

3 數(shù)傳終端的硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，單片機(jī)89S51串口利用MAX232完成TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換后與GPRS模塊相連接， 實(shí)現(xiàn)模塊初始化和數(shù)據(jù)收發(fā)，同時可擴(kuò)展串口與其他嵌入式系統(tǒng)PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。圖1是系統(tǒng)的硬件框圖。

本終端的微控制器選用ATMEL公司的AT89S51。他是ATMEL公司在AC89C51 停產(chǎn)后推出的新款微處理器，他的工作頻率為33 MHz，具有全雙工UAET串行通道、看門狗計(jì)時器、雙數(shù)據(jù)指示器、電源關(guān)閉標(biāo)識。

GPRS模塊選用WAVECOM的Q2406B，該模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議并提供了9針的標(biāo)準(zhǔn)RS 232接口。

4 數(shù)傳終端的軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心部分是單片機(jī)與GPRS模塊的通信，兩者間需定義通信協(xié)議、規(guī)定幀格式， 通過AT指令實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)的附著、PDP激活、Interne的接入及數(shù)據(jù)傳輸。

4.1 AT指令的調(diào)試

單片機(jī)以一定的協(xié)議向模塊發(fā)送AT指令，接收模塊執(zhí)行指令后的返回值，并進(jìn)行相應(yīng)校驗(yàn)。單片機(jī)串口實(shí)質(zhì)上是以位為單位完成收發(fā)， 由協(xié)議預(yù)定義的起始位、校驗(yàn)位、停止位決定數(shù)據(jù)幀的封裝格式。

4.1.1 波特率的設(shè)置

在 Window自帶的超級終端中利用AT+IPR＝“波特率”指令設(shè)置無線通信模塊的波特率，并通過命令后加“；＆Ｗ”將所設(shè)值存儲在模塊E2PROM中，掉電后不會丟失(如：AT+IPR＝“115200”；＆Ｗ)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中通信的不暢通通常是由于波特率不匹配造成的。

4.1.2 AT指令的格式

用單片機(jī)發(fā)送AT指令時，字符格式的AT指令需按照ASCII編碼轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)后才可存儲在ROM中，進(jìn)而通過串口收發(fā)，但AT指令及其返回字符串中混有不可打印字符，所有的AT指令返回值并非以可打印字符起始，清楚掌握這些不可打印字符在指令中的出現(xiàn)位置及表示方法是用MC控制無線模塊的關(guān)鍵， 通過串口偵聽可知AT指令實(shí)質(zhì)是以字節(jié)發(fā)送，回車符代表指令的結(jié)束，模塊接收到回車符后開始執(zhí)行指令，指令發(fā)送過程中，字節(jié)間允許有任意間隔。模塊接收到指令字節(jié)后，會立即答復(fù)相應(yīng)的握手信號。模塊執(zhí)行指令后的一切返回值 (無論是指令執(zhí)行后的OK還是報(bào)錯信息)都是以不可打印字符“0D0A”開始和結(jié)束。

4.1.3 屏蔽回顯

GPRS 模塊回復(fù)收到字符的握手信號又稱為回顯(Echo)，握手機(jī)制能確保指令收發(fā)的可靠性，但在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，通過MCU實(shí)現(xiàn)對模塊的控制，需接收執(zhí)行 AT指令的返回值，并需進(jìn)行必須的字符校驗(yàn)，每發(fā)送一字節(jié)指令后模塊所返回的握手信號須程控濾除，頻繁的開關(guān)串口中斷，降低了程序的可靠性。為簡化這一過程，需使用ATE0 指令屏蔽模塊回顯。

4.2 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序全部由標(biāo)準(zhǔn)C51進(jìn)行編寫，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要分為系統(tǒng)初始化模塊、建立連接模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、斷開連接模塊4部分。系統(tǒng)中定義了兩個字符型指針數(shù)組unsigned char*AT，unsigned char*Data分別作為AT命令緩存區(qū)以及欲發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)，編寫了單片機(jī)初始化函數(shù)Initialize()、字符串發(fā)送函數(shù) Send[CD#*2]string(unsigned char*ch)、串口接收中斷函Serial(void)interrupt 4 using 3、延時k秒鐘函數(shù)Delay(int k)、建立連接子函數(shù)void Send[CD#*2]AT(void)等。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。

4.2.1 初始化

單片機(jī)初始化部分將AT89S51串口設(shè)置為工作方式1， 即8位數(shù)據(jù)位和1位停止位；定時器選用定時器1的工作方式2即8位自動重裝定時器，波特率設(shè)為4 800 B(晶振頻率為12 MHz)，所以定時器1初值分別為TH1=0xF3，TL1=0xF3。初始化時先將串口中斷關(guān)閉，在與上位機(jī)建立連接后再打開。

4.2.2 建立連接

為了方便程序設(shè)計(jì)， 增強(qiáng)程序可讀性， 將建立連接所需的AT命令以字符串形式存放于AT命令緩存區(qū)， 所需多條AT指令長度不一且發(fā)送順序不可改變，為了有效控制每條AT指令、提高CPU利用率需將AT指令緩存區(qū)設(shè)置為指針數(shù)組形式，在建立連接時通過循環(huán)調(diào)用字符串發(fā)送函數(shù)將這些AT命令發(fā)送， 相鄰AT命令間要有2~3 s的延時，所以每發(fā)送完一條AT命令都要調(diào)用一個3 s的延時子程序，然后通過串口中斷接收函數(shù)接收AT命令返回值來判斷連接是否成功。需要注意的是AT命令均以回車符作為結(jié)束標(biāo)志，并以字符串形式傳送， 因此在定義AT命令緩存區(qū)時一定要注意轉(zhuǎn)義字符的使用。

4.2.3 數(shù)據(jù)傳輸

在與上位機(jī)連接成功后，通過字符串發(fā)送函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)緩存區(qū)仍需設(shè)置為指針數(shù)組形式，發(fā)送數(shù)據(jù)的原理與建立連接時的基本相同，但數(shù)據(jù)的接收是通過串口中斷接收函數(shù)完成的，同時將接收到的數(shù)據(jù)必須先放入接收緩存區(qū)以便作做顯示處理。需要指出的是串口中斷程序既要接收指令返回值又要接收上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)， 這兩種接收信息的處理方式不同， 所以在中斷函數(shù)中應(yīng)通過設(shè)置兩個不同的標(biāo)志來解決這一問題。接收中斷函數(shù)如下：



Void serial(void)interrupt 4 using 3

{ 

Unsigned char a；

If(RI)

{

RI=0；

a=SBUF；

if(m==0) //判斷接收指令返回值與接收數(shù)據(jù)的標(biāo)志，初值為0，進(jìn)入數(shù)傳狀態(tài)后置1

｛

If(isprint(a)) //判斷接收到的字符是否為可打印字符，是則放入接收緩存區(qū)

｛

Re[cont]=a；

cont++；

｝

If(cont==22) //[ZK(]判斷連接指令返回值( ……) 是否接收完整[ZK)]

｛

flag=1；//AT命令返回值接收完成標(biāo)志置位

cont=0；

｝

｝

else if(a!=0x0D) //傳輸數(shù)據(jù)以回車符為結(jié)束符， 判斷該次數(shù)據(jù)是否接收完成

｛re[cont]=a；cont++｝//將接收數(shù)據(jù)放入接收緩存區(qū)

else{

d=1；//數(shù)據(jù)接收完成標(biāo)志置位

n=cont；//接收數(shù)據(jù)個數(shù)

cont=0；

｝

｝

｝

4.2.4 斷開連接

數(shù)據(jù)鏈路的釋放可通過發(fā)送數(shù)傳結(jié)束標(biāo)志“+++”實(shí)現(xiàn)， 但必須延時一定時間后再發(fā)送斷開連接指令：

5 結(jié) 語 

本文在介紹GPRS網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，為單片機(jī)實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)傳提供了一種通用的解決方案， 并通過以上單片機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)， 可以實(shí)時地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。文中所提供的代碼都通過了實(shí)際調(diào)試驗(yàn)證， 此方案稍做修改便可移植到GPS車載終端、自動抄表工程中。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介 劉 寧 中國礦業(yè)大學(xué)(徐州)信電學(xué)院05級碩士研究生，通信與信息系統(tǒng)專業(yè)。研究方向?yàn)镚PRS技術(shù)。

馮 偉 中國礦業(yè)大學(xué)(徐州)信電學(xué)院副教授。

陸林生 中國礦業(yè)大學(xué)(徐州)信電學(xué)院05級碩士研究生，通信與信息系統(tǒng)專業(yè)。研究方向?yàn)镚PRS技術(shù)。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>