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

        2012-12-23 04:50:58彭立新
        關(guān)鍵詞:串口終端服務(wù)器

        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。基于GSM 網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸GPRS具有控制對象夸大區(qū)域、可移動等優(yōu)點,并具有實時在線、登陸快捷、傳輸速度高、數(shù)據(jù)傳輸和話音傳輸切換自如、按流量計費等特點。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。

        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 用來記錄移動終端的當(dāng)前位置信息,并在移動終端和GGSN 之間完成移動分組數(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)行移動數(shù)據(jù)的管理,如用戶身份識別、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。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),實現(xiàn)移動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,其路由管理表現(xiàn)為監(jiān)控中心向移動終端發(fā)送數(shù)據(jù)或接受移動終端的數(shù)據(jù),以及移動終端處于漫游時3 種情形數(shù)據(jù)路由的建立。當(dāng)移動終端產(chǎn)生一個PDU 分組數(shù)據(jù)單元時,這個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。移動終端接受數(shù)據(jù)時,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終端。當(dāng)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心傳送數(shù)據(jù)給一個正在漫游的控制終端時,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象對系統(tǒng)的需求。同時因集成了眾多外設(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透傳模塊由包含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 返回數(shù)據(jù)傳輸模式。AT 指令:

        圖3 終端控制器硬件

        (1)AT,測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,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實現(xiàn)信息傳輸,客戶機(jī)可隨機(jī)申請一個Winsock,系統(tǒng)為之分配一個唯一Winsock號,服務(wù)器擁有全局公認(rèn)的Winsock號,任何客戶端可以向它發(fā)出連接請求及信息請求。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,每個Winsock用一個串相關(guān)描述,即協(xié)議、本地地址和本地端口;一個完整的Winsock接口用一個相關(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。運行程序后輸入服務(wù)器的IP 地址和偵聽的端口號,點擊“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,點擊“發(fā)送”就可以實現(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

        GPRS透傳模塊接收從Internet傳送來的控制信息,控制器與透傳模塊GT47串行通信,通過對接收信息的提取識別,判斷有效的控制信息,以對控制對象進(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)的升級節(jié)點網(wǎng)絡(luò)GPRS作為遠(yuǎn)程終端控制器的信息傳遞媒質(zhì),實現(xiàn)跨區(qū)域、大范圍的控制對象的控制,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)實踐[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

        2 李繼弢,葉坤.GPRS安全體系結(jié)構(gòu)的硬件實現(xiàn)研究[J].微計算機(jī)信息,2006,22(3):4~6

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

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