李文峰 ，顧敦清

(西安科技大學通信與信息工程學院，西安710054)

隨著計算機、通信和網(wǎng)絡技術的高速發(fā)展，無線通信技術在不同行業(yè)和領域中已廣泛應用，在大型的煤礦、油田和工業(yè)自動化、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)中構建智能化、網(wǎng)絡化的信息化平臺來提升工作效率和管理水平已是必然要求。但是具有RS232 串行接口的數(shù)據(jù)采集終端和智能儀器設備無法實現(xiàn)快速的網(wǎng)絡接入和數(shù)據(jù)共享，不能滿足自動化設備集中式管理。

針對這種問題，本文設計了一種基于ARM11 平臺的雙網(wǎng)模塊;通過該模塊我們可以利用無線網(wǎng)絡實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)迅速聯(lián)網(wǎng)和轉(zhuǎn)發(fā)，當自己組建的WLAN網(wǎng)的信號無法覆蓋到所有區(qū)域時，我們可以自動切換到GPRS 網(wǎng)絡，實現(xiàn)無盲區(qū)的信息聯(lián)網(wǎng)和共享。以WLAN 網(wǎng)絡作為優(yōu)先網(wǎng)絡，當WLAN 網(wǎng)絡的信號低于某個值時，系統(tǒng)實現(xiàn)自動網(wǎng)絡切換，轉(zhuǎn)到GPRS 網(wǎng)上。這樣我們就可以實現(xiàn)雙網(wǎng)的優(yōu)勢融合。

1 模塊的總體設計

1.1 模塊數(shù)據(jù)傳輸示意圖

根據(jù)上述具體需求和目標，結合實際應用提出串口轉(zhuǎn)WiFi/GPRS 數(shù)據(jù)雙網(wǎng)模塊數(shù)據(jù)傳輸原理示意圖，如圖1 所示。

數(shù)據(jù)源為工業(yè)自動化和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中RS232串口上所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸終端在設計時，考慮到數(shù)據(jù)采集終端即插即用的快速網(wǎng)絡接入，設計RS232 串口，以便與原有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，提供透明的傳輸通道，可以在不對原有系統(tǒng)進行改造的基礎上，將各種工業(yè)自動化和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入到一個統(tǒng)一的平臺上。

圖1 雙網(wǎng)模塊數(shù)據(jù)傳輸原理圖

1.2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件部分主要包括核心處理器，WiFi 無線模塊，GPRS 無線模塊，RS232 串口，存儲部分，可擴展接口，電源和時鐘，其硬件組成框圖如圖2 所示。

圖2 硬件組成結構框圖

(1)S3C6410 核心處理器

S3C6410 是一個16/32 bit RISC 微處理器，旨在提供一個具有成本效益、功耗低，性能高的應用處理器解決方案，像移動電話和一般的應用。它為2.5G和3G 通信服務提供優(yōu)化的H/W 性能，S3C6410 采用了64/32 bit 內(nèi)部總線架構;該64/32 bit 內(nèi)部總線結構由AXI、AHB 和APB 總線組成。它還包括許多強大的硬件加速器，像視頻處理，音頻處理，二維圖形，顯示操作和縮放。

在本次的模塊設計方案中，S3C6410 核心處理器是起到控制和數(shù)據(jù)處理作用的。作為控制器，它主要是起到對網(wǎng)絡信號的檢測以及雙網(wǎng)工作的軟切換作用。在數(shù)據(jù)處理方面，它可以將串口接收來的數(shù)據(jù)進行解包、分組，然后將其進行打包成所需要的數(shù)據(jù)格式。

(2)WiFi 無線模塊及其接口設計

WiFi 無線模塊，我們采用USI 公司的WM－GMR－09，該模塊的內(nèi)核是Marvell 88W8686。它包含嵌入式高性能兼容ARM11 的處理器Marvell Ferocean;此處理器的工作頻率為128 MHz，兼容ARM9 32 bit 指令集，具有32 bit 位寬的數(shù)據(jù)線。該模塊有兩種類型的HOST 接口，分別是SPI 和SDIO 兩種接口。

采用這種模塊，我們可以從硬件上完全分離了WiFi 主機與控制層，這樣大大簡化了我們的設計。所以在設計時，我們只要在系統(tǒng)控制層上做出一個HOST 接口的驅(qū)動，這樣就可以實現(xiàn)對WiFi 模塊的控制。在本次設計中，我們用的是SPI 接口實現(xiàn)WiFi 模塊和核心模塊的無縫連接;SPI 接口包括兩根數(shù)據(jù)線、一根時鐘線以及一根片選信號線。

(3)GPRS 模塊及其接口設計

我們采用的GPRS 通信模塊是SIM900A，該模塊帶有屏蔽罩，而且集成度非常高、體積也很小。它無需專用的通信接口來與主機相連，普通的I/O 口即可實現(xiàn)通信。核心處理器通過AT 指令來控制GPRS 模塊。SIM900A 集成了完整的射頻電路和GSM 的基帶處理器，適合于開發(fā)一些GSM/GPRS 的無線應用產(chǎn)品，如移動電話、PDA、PCMCIA 無線MODEM 卡、USB 無線MODEM、無線POS 機、無線抄表、無線數(shù)據(jù)傳輸單元，無線公用電話、無線商務電話、監(jiān)控、調(diào)度、車載、遙控、遠程測量、定位和導航等系統(tǒng)和產(chǎn)品，應用范圍十分廣泛。SIM900A 模塊為用戶提供了功能完備的系統(tǒng)接口，用戶只需投入少量的研發(fā)費用，在較短的研發(fā)周期內(nèi)，就可集成到自己的應用系統(tǒng)中。

(4)電源模塊設計

電源模塊主要分兩部分來設計，一部分是給核心模塊進行供電的電路，一部分是給兩個無線模塊進行供電的電路。對于S3C6410 的核心模塊主要有兩種數(shù)字電，分別是1.8 V 和3.3 V;而對于兩個無線模塊，SIM900A 需要4 V 來進行供電，WM－GMR－09 則需要3.3 V 來進行供電。所以整個電路設計中，我們需要用到3 種電。我們以5 V 的電源作為輸入，則需要3 種類型的DC－DC 電路來實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。因為模塊SIM900A 要求的電流比較大(峰值為2 A)，所以建議用能承受大電流的轉(zhuǎn)換芯片，例如EUP7967 系列。

1.3 系統(tǒng)軟件設計

從系統(tǒng)軟件框圖可以看出，系統(tǒng)軟件可分為嵌入式Linux 操作系統(tǒng)和應用程序兩大部分。其中，嵌入Linux 操作系統(tǒng)主要包括設備驅(qū)動程序、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng);應用程序主要包括以下模塊:WiFi通信程序、GPRS 通信程序、網(wǎng)絡檢測和自動切換程序。在正常通信狀態(tài)下，默認為WiFi 網(wǎng)絡進行通信，當檢測到無WiFi 網(wǎng)絡時，開始切換網(wǎng)絡使用GPRS 通信。系統(tǒng)軟件的組建框圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件框圖

雙網(wǎng)模塊和PC 之間通過串口通信的方式對模塊進行配置，在VC + +集成開發(fā)環(huán)境中，利用Windows 下的串行通信編程的ActiveX 控件設計完成了配置軟件。GPRS 和WIFI 軟件流程圖如圖4、圖5 所示。

圖4 GPRS 通信軟件流程圖

圖5 WIFI 通信軟件流程圖

MSComm 控件通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)為應用程序提供串行通信功能。提供了兩種處理通信問題的方法:一是事件驅(qū)動法，主要是利用OnComm事件捕獲并處理這些通信時間，也可以檢查和處理通信錯誤;二是查詢法，在這種情況下，每當應用程序執(zhí)行完一個串口操作后，將查看MSComm 控件的CommEvent 屬性以確定執(zhí)行結果或者檢查某一事件是否發(fā)生。GPRS 與WIFI 模式配置軟件界面如圖6、圖7 所示。

圖6 GPRS 模式配置軟件界面

圖7 WiFi 模式配置軟件界面

2 測試

依據(jù)上述測試方案，接下來將按照以下步驟進行具體測試，圖8 為測試現(xiàn)場照片。

圖8 測試現(xiàn)場

(1)雙網(wǎng)模塊參數(shù)配置

先運行雙網(wǎng)模塊配置軟件“cfgWiFi－GPRS”，再給模塊上電，看到“狀態(tài)”框為彩色滑動條時，分別對WiFi 和GPRS 模塊所要用到的參數(shù)進行配置，WiFi 的相關參數(shù)參考無線路由器的有關配置，具體配置如圖9 和圖10 所示。

圖9 WiFi 參數(shù)配置

圖10 GPRS 參數(shù)配置

(2)在無WiFi 網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域，通過給計算機串口發(fā)送測試數(shù)據(jù)“data from WiFi_mode”，在數(shù)據(jù)服務中心使用TCP/UDP Sockett 調(diào)試工具進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，數(shù)據(jù)服務中心的測試數(shù)據(jù)“data from server”，測試結果如圖11 和圖12 所示。

(3)在有WiFi 網(wǎng)絡覆蓋的條件下，通過給計算機串口發(fā)送數(shù)據(jù)“data from GPRS_mode”，在數(shù)據(jù)服務中心使用TCP/UDP Sockett 調(diào)試工具進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，數(shù)據(jù)服務中心的測試數(shù)據(jù)為“data from server”，心跳包數(shù)據(jù)位“GD—Heart”。測試結果如圖13 和圖14 所示。

從以上3 項測試的過程和結果可以看出，本次課題設計的雙網(wǎng)模塊實現(xiàn)了串口到WiFi/GPRS 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，可以使串口設備快速接入WiFi 和GPRS網(wǎng)絡，在恢復網(wǎng)絡故障后，能實現(xiàn)網(wǎng)絡重新連接，具有較好的可靠性。

圖11 串口設備數(shù)據(jù)收發(fā)

圖12 WiFi 模式下數(shù)據(jù)服務中心數(shù)據(jù)收發(fā)

圖13 GPRS 網(wǎng)絡連接

圖14 GPRS 模式下數(shù)據(jù)服務中心數(shù)據(jù)收發(fā)

3 結束語

本文設計實現(xiàn)了串口轉(zhuǎn)WiFi/GPRS 數(shù)據(jù)雙網(wǎng)模塊，完成了串口數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡的發(fā)送，實現(xiàn)了WiFi 和GPRS 網(wǎng)絡的雙網(wǎng)自主切換，解決了對串口設備集中化管理不足問題，滿足高效率數(shù)據(jù)傳輸和共享。串口WiFi/GPRS 數(shù)據(jù)雙網(wǎng)模塊是串口設備連接具有非常廣闊的應用前景。

［1］ William Stallings，何軍.無線通信與網(wǎng)絡［M］. 北京:清華大學出版社，2004.

［2］ 怯肇乾.嵌入式網(wǎng)絡通信開發(fā)應用［M］. 北京:北京航空航天大學出版社，2010.

［3］ 王瑞.串口設備無線聯(lián)網(wǎng)服務器的研究與設計［D］. 大連:大連理工大學，2009.

［4］ 林思成.基于ARM 處理器的嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸技術［D］.南京:南京理工大學，2010.

［5］ 張鑫鋒.嵌入式多媒體終端的WiFi 功能研究與設計［D］. 上海:華東師范大學，2009.

［6］ 姜春茂，段瑩，黃春梅. 嵌入式Linux 文件系統(tǒng)裁剪方法研究［J］.計算機科學，2008.35(9): － .

［7］ 李新峰，何廣生，趙秀文.基于ARM9 的嵌入式Linux 開發(fā)技術［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008:118－127.

［8］ 周伯健.嵌入式GPRS 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)及應用［D］.南京:東南大學，2009.

［9］ (Bud)Bates R J.通用分組無線業(yè)務(GPRS)技術與應用［M］.朱洪波，沈越泓，蔡躍明，譯.北京:人民郵電出版社，2004.