摘 要：隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)迅速發(fā)展起來。GPRS（General Packet Radio Service ）是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱，它是第2.5代移動通信系統(tǒng)，是在GSM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新技術(shù)。GPRS采用分組交換技術(shù)，其核心網(wǎng)絡(luò)層采用IP技術(shù)，底層可使用多種傳輸技術(shù)，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的連接。GPRS的應(yīng)用范圍很廣，可以用于開發(fā)互聯(lián)網(wǎng)、移動性管理以及無線監(jiān)控等方面。本文主要針對GPRS在無線監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用，提出了一種基于新興的GPRS技術(shù)在嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案。方案利用GPRS的Internet接入功能，在Internet上設(shè)置一個中心服務(wù)器，負(fù)責(zé)與GPRS終端設(shè)備的通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和傳輸。 關(guān)鍵詞：GPRS；無線監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集；嵌入式系統(tǒng) 　　遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的出現(xiàn)，是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與故障監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合的必然結(jié)果。早期遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)是非實(shí)時非在線監(jiān)控方式，而現(xiàn)代遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)是實(shí)時在線監(jiān)控方式，借助于計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)，操作者可以依靠安裝在現(xiàn)場的各種傳感器及音視頻設(shè)備，便可隨時了解現(xiàn)場的情況，對現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控、診斷與控制。遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的模式是與通信技術(shù)的發(fā)展密不可分的，伴隨著通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了三種遠(yuǎn)程監(jiān)控模式：（1）人工遠(yuǎn)程監(jiān)控。這種方式無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線監(jiān)控，存在很多弊端，這是比較原始的方式。（2）有線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控。這是現(xiàn)代一種遠(yuǎn)程監(jiān)控模式，它將現(xiàn)場各個采樣點(diǎn)通過通信線連成網(wǎng)，但這種方式在網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)上投資巨大，而且受距離限制，各數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離越遠(yuǎn)鋪網(wǎng)的投資就要上升，主要是由于需要增設(shè)路由器。（3）無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控。這類監(jiān)控的通信方式是依托遍布全球的GSM網(wǎng)，它的最大特點(diǎn)是打破了距離的限制，從而可以實(shí)現(xiàn)全國乃至全球漫游監(jiān)控。這類監(jiān)控主要是利用GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過Internet進(jìn)行通信。利用GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，通信速度快，建設(shè)和運(yùn)行成本低，因而具有廣闊的前景。 1、GPRS簡介 　　GPRS（General Packet Radio Service ）是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱，它是第2.5代移動通信系統(tǒng)，是在GSM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種技術(shù)。GPRS采用分組交換技術(shù)，其核心網(wǎng)絡(luò)層采用IP技術(shù)，底層可使用多種傳輸技術(shù)，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的連接。GPRS是GSM Phase 2+ 引入的非常重要的內(nèi)容之一，利用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸具有：“永遠(yuǎn)在線”、“按流量計費(fèi)”、“快捷登陸”、“自如切換”等優(yōu)點(diǎn)。圖1是GPRS系統(tǒng)原理圖。 [align=center] 圖1 GPRS系統(tǒng)原理圖[/align] 　?。ㄆ渲校篠GSN：GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn);PCU：分組控制單元;GGSN：GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn);PDN：分組數(shù)據(jù)網(wǎng)。） 　　GPRS采用與GSM相同的頻段、相同的頻帶寬度、相同的突發(fā)結(jié)構(gòu)、相同的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、相同的跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。因此，在GSM基礎(chǔ)上構(gòu)建GPRS系統(tǒng)時GSM系統(tǒng)中的絕大部分部件都不需要做硬件改動，只需作軟件升級。構(gòu)建GPRS系統(tǒng)的方法是：（1）在GSM系統(tǒng)中引入三個主要組件，這三個主要組件是SGSN、GGSN和PCU，SGSN、GGSN又合稱GSN（GPRS支持節(jié)點(diǎn)）。（2）對GSM系統(tǒng)中的相關(guān)部件進(jìn)行升級。 2、嵌入式系統(tǒng)概述 　　嵌入式系統(tǒng)被定義為以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件相結(jié)合，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，目前已經(jīng)有大量的8，16，32位嵌入式微控制器在應(yīng)用中，成為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、減少人力資源的主要途徑，如制藥工業(yè)過程控制、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)等。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用的多樣性，對嵌入式軟件的要求也發(fā)生了相應(yīng)的變化，主要有以下幾點(diǎn)：1）操作系統(tǒng)的支持;2）多任務(wù)且具有實(shí)時性;3）強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)功能;4）窗口交互功能。 　　隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷擴(kuò)大，許多新型應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，汽車、電視、電話及游戲機(jī)的芯片都需要操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，這為嵌入式系統(tǒng)提供了更廣闊的發(fā)展舞臺。嵌入式系統(tǒng)在辦公設(shè)備，建筑物設(shè)計，制造和流程設(shè)計，醫(yī)療，監(jiān)視，衛(wèi)生設(shè)備，交通運(yùn)輸，通信，金融銀行等系統(tǒng)中也有著廣泛的應(yīng)用。 3、基于GPRS嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得過硬件總體設(shè)計方案 　　系統(tǒng)由微控制器W77E58，GPRS模塊電路，電源模塊，時鐘電路和RS232電平轉(zhuǎn)化電路組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。微控制器通過串口0擴(kuò)展232標(biāo)準(zhǔn)串口與采集設(shè)備、PC機(jī)或含有232接口的傳感器模塊進(jìn)行通訊。串口1直接與GPRS模塊相連，完成對Q2406B的初始化以及與GPRS網(wǎng)絡(luò)的協(xié)商。 [align=center] 圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)[/align] 　　SIM300C是英國SIMCOM公司生產(chǎn)的一款具備GSM/GPRS 900/1800/1900MHz功能的芯片。它以小尺寸和低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議。用戶可通過AT指令對模塊進(jìn)行操作，依次完成檢測GPRS信號強(qiáng)度，注冊GPRS網(wǎng)絡(luò)，建立數(shù)據(jù)傳輸透明通道等。它廣泛應(yīng)用在無線公話、商話、GSM汽車防盜、電力抄表、水務(wù)、油田、POS機(jī)、航運(yùn)等行業(yè)中。 　　W77E58是增強(qiáng)型MCS-51系列單片機(jī)，它與標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51系列單片機(jī)的指令和基本功能均兼容，并且擴(kuò)充了很多新的功能。它的工作時鐘頻率最大可達(dá)40MHz，片內(nèi)有32KB可多次擦除的ROM和1KB RAM，不用擴(kuò)展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，整個芯片采用靜態(tài)CMOS設(shè)計。 　　時鐘電路：W77E58的時鐘可采用無源晶振，W77E58提供了二個時鐘管腳XTAL1和XTAL2，XTAL1又稱CLKIN，是一個輸入管腳，而XTAL2是一個輸出管腳。我們可以使用4腳臥式晶振，此時XTAL2腳懸空，晶振輸出送入XTAL1腳，如圖3所示： [align=center] 圖3 W77E58時鐘電路原理圖[/align] 　　電源模塊：由于W77E58要求用3.3V供電，我們采用了TI公司TPS7XXX系列電源轉(zhuǎn)換芯片中的TPS7333，將電路板外接的+5V轉(zhuǎn)換成+3.3V。同時，TPS7333提供系統(tǒng)復(fù)位信號，實(shí)現(xiàn)電壓監(jiān)控。TPS7333內(nèi)部帶有一個比較器監(jiān)視輸出電平，對外實(shí)現(xiàn)RESET輸出信號，該信號在輸出電壓出現(xiàn)欠電壓時輸出低電平，當(dāng)欠電壓狀態(tài)結(jié)束后，RESET信號經(jīng)過一個約200ms 的延時后變?yōu)楦唠娖?。電源電路如圖4所示： [align=center] 圖4 W77E58電源電路[/align] 　　為了方便手工復(fù)位，在電路中使用了復(fù)位開頭SW1。當(dāng)SW1接通后，輸出電壓將出現(xiàn)欠電壓狀態(tài)，TPS7333監(jiān)視到這上變化后將在RESET端輸出一個寬度大于200ms 的低電平，迫使W77E58復(fù)位。 　　RS232轉(zhuǎn)換電路：由于從W77E58產(chǎn)生的串口信號電平為非TTL的，所以與標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口連接前還就應(yīng)作電平轉(zhuǎn)換，典型的轉(zhuǎn)換芯片有MAX232等。我們采用如圖5所示的轉(zhuǎn)換電路： [align=center] 圖5 RS232轉(zhuǎn)換電路[/align] 　　通過以上接口電路，將W77E58的串行口轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)RS232口，然后與PC機(jī)的COM1口通過DB9的插頭進(jìn)行互連。 4、系統(tǒng)軟件流程 　　系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。 [align=center] 圖6 系統(tǒng)軟件流程圖[/align] 　　上電啟動后，首先初始化各項(xiàng)參數(shù)，然后開始檢測串口0是否收到數(shù)據(jù)，如果收到數(shù)據(jù)再檢測是否是預(yù)先所定義好的采集信息的數(shù)據(jù)格式，如果是，開始通過串口1啟動GPRS連接，建立透明通道之后，把從串口0收到的數(shù)據(jù)通過串口1發(fā)送到GPRS模塊，然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到所預(yù)定的目的IP地址上去。如果持續(xù)不斷從串口0接收采集信息數(shù)據(jù)，那么就不斷執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)程序，發(fā)送數(shù)據(jù)到GPRS網(wǎng)絡(luò)，如果超過3分鐘串口0還是沒有數(shù)據(jù)，就執(zhí)行斷開程序，斷開GPRS連接，讓系統(tǒng)進(jìn)入節(jié)電模式以降低能耗。GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送是軟件設(shè)計的關(guān)鍵，GPRS通過以下過程完成數(shù)據(jù)傳輸設(shè)置：1、通過AT +CGATT命令與GPRS網(wǎng)絡(luò)附著。2、通過AT #GPRSMODE 命令讓模塊切換到GPRS模式。3、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)名稱為CMNET。4、分別輸入APN的用戶名和密碼。5、通過AT #CONNECTIONSTART開始連接。6、設(shè)置TCP連接的服務(wù)器地址和端口號。7、打開TCP連接。 5、結(jié) 論 　　本系統(tǒng)的硬件設(shè)計本著低成本、低功耗、小體積和實(shí)時性的設(shè)計思想，采用了微控制器W77E58，實(shí)現(xiàn)了USB通信、GPRS通信等一些嵌入式應(yīng)用技術(shù)，使系統(tǒng)的整體性能上有了很大的提高。同時，GPRS模塊采用了SIM300C，它以小尺寸和低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的芯片。軟件按照分模塊設(shè)計，使軟件系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中更加高效、可靠。該系統(tǒng)的功能比較完善，適用性更強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于水利、監(jiān)控、POS、銀行等場合。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定。 　　本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：本系統(tǒng)比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積更小、功耗更低、成本更低。系統(tǒng)采用了英國SIMCOM公司新出的一款GPRS模塊SIM300C芯片，使得整個系統(tǒng)更加高效、可靠性和實(shí)時性強(qiáng)。該系統(tǒng)的功能比較完善，適用性更強(qiáng)。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 韓斌杰.GPRS原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社,2003. 　　[2] 胥靜. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)實(shí)例詳解[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2005 　　[3] Low Cost. Low Power Instrumentation Amplifier AD620[M].Analog Device Corporation. 2005 　　[4] 常 雄，周 旭. 基于GPRS的信息采集系統(tǒng)智能終端的設(shè)計[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展, 2006,12:154-158 　　[5] 楊健，張慧慧.一種面向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入研究與實(shí)現(xiàn)[J].微計算機(jī)信息，2006，3-2：137-139。 作者簡介： 　　李敏（1972-），女（漢族），湖北荊州人，博士，教授，長江大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院副院長，碩士研究生導(dǎo)師，目前主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。 　　王憑（1981-），男（漢族），廣東湛江人，長江大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院碩士研究生。 　　白凱（1980-），男（漢族），湖北荊州人，長江大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院講師。