基于GPRS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

1、基于GPRS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計摘要：GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的英文簡稱，是一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。GPRS與現(xiàn)有的GSM語音系統(tǒng)最根本的區(qū)別是，GSM是一種電路交換系統(tǒng)，而GPRS是一種分組交換系統(tǒng)。因此，GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。這一特點正適合大多數(shù)移動互聯(lián)的應(yīng)用。相對原來GSM的撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS是分組交換技術(shù)，具有“實時在線”、“按量計費”、“快捷登錄”、“高速傳輸”、“自如切換”的優(yōu)點。本文研究開發(fā)了一套基于GPRS技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，遠

2、端數(shù)據(jù)采集模塊將傳感器的輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過串行接口驅(qū)動無線modem經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet上的遠程監(jiān)控中心，并完成數(shù)據(jù)的存儲和顯示。本文從硬件和軟件兩方面描述了系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)方法，這種新型的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常適合于在邊遠地區(qū)或可移動系統(tǒng)中實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。關(guān)鍵詞： GPRS技術(shù)；PPP協(xié)議；數(shù)據(jù)采集1.前言 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是科學(xué)試驗中經(jīng)常用到的測量環(huán)節(jié)，通常由信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、顯示等幾個功能模塊組成。由于具體試驗環(huán)境千差萬別，對數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)的要求也有很大不同。例如對于邊遠地區(qū)或運動構(gòu)件上的傳感器輸出信號，通過電纜引出信號的有線數(shù)據(jù)

3、采集方案變得很困難，甚至根本不可能。本文所介紹的基于GPRS1的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解決了這一問題，實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)從采集終端 到遠程控制中心的無線傳輸。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 系統(tǒng)主要包含兩個模塊遠程控制中心和遠端數(shù)據(jù)采集模塊。遠端數(shù)據(jù)采集塊由傳感器、微處理器、無線modem等組成，以唯一的ID作為中心調(diào)度的標(biāo)識，完成數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。遠程控制中心通過Internet向各個遠端數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送 各種動作指令，使遠端模塊完成各種配置和數(shù)據(jù)采集工作，并對遠端模塊發(fā)送上來的數(shù)據(jù)進行分析和理。GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收 筆記本電腦通過串行或無線方式接到GPRS蜂窩電話或Modem上，GPRS

4、蜂窩電話或modem與GSM基站通信，但與電路交換或數(shù)據(jù)呼叫不同，GPRS分組是從基站發(fā)送到SGSN節(jié)點，而不是通過移動交換中心MSC連接到語音網(wǎng)絡(luò)上。SGSN與網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點GGSN進行通信，GGSN對分組數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)，如internet或X.25網(wǎng)絡(luò)2.硬件系統(tǒng)設(shè)計 硬件系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容主要是指遠端數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計，每個遠端數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器、信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換電路、微處理器、無線modem等組成。圖2為其電路原理圖。微處理器Rabbit3000通過串口將命令和數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS的數(shù)據(jù)傳送終端無線modem Q2403A，控制著Q2403A登陸GPRS網(wǎng)關(guān)（G

5、GSN），并獲得動態(tài)分配的IP地址。這樣，微處理器向GGSN發(fā)送的數(shù)據(jù)就會被傳送給Internet網(wǎng)中相應(yīng)的IP地址，從而完成數(shù)據(jù)采集模塊到遠程主機的無線數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)到達指定的Internet地點（可以是ftp站點、指定的郵箱地址或其他的方式等等）后再進行數(shù)據(jù)的處理和分析。 Rabbit 3000是美國Z-World公司推出的新一代嵌入式系統(tǒng)8位高性能微處理器，其程序存儲器中固化有當(dāng)前流行的Internet協(xié)議棧,具有客戶機功能，可以主動請求TCP連接遠方服務(wù)器通信,使得微處理器只要知道對方IP地址和端口號,就可以通過網(wǎng)絡(luò)進行通信。 GPRS（General Packet Radio Ser

6、vice）是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱，是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種分組交換的數(shù)據(jù)承載和傳輸方式。GPRS支持Internet上應(yīng)用最廣泛的IP協(xié)議和X.25協(xié)議,使得GPRS能提供Internet和其它分組網(wǎng)絡(luò)的全球性無線接入。wavecom Q2403A 是一款基于GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的無線modem，能夠?qū)崿F(xiàn)語音呼叫、短消息服務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。Q2403A對用戶提供了多種接口，包括電源接口，液晶顯示器接口，SIM卡接口，充電器接口，耳機接口，麥克風(fēng)接口，以及用于其他特殊目的的多種外圍設(shè)備接口。終端的微處理器Rabbit 3000通過串行接口控制Q2403A，完成上網(wǎng)、建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)等

7、功能。Q2403A通過GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)時的下載速度是26.8kbits/s，上傳速度為13.4kbits/s。3.軟件系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括控制中心子系統(tǒng)和遠端數(shù)據(jù)采集模塊子系統(tǒng)。圖3給出了整個軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。 31 遠程控制中心軟件設(shè)計 遠程控制中心軟件子系統(tǒng)的開發(fā)平臺采用NI公司的Labview 7.0，該軟件具有友好的用戶界面，可以把所有的采集數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并可實現(xiàn)波形的顯示和分析。按照功能可以分為以下幾個模塊： 通信管理模塊一方面將指令和SIM卡號等數(shù)據(jù)封裝成IP包經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠端數(shù)據(jù)采集模塊，啟動數(shù)據(jù)采集；另一方面接收遠端數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送上來的IP數(shù)據(jù)包，從中提取

8、數(shù)據(jù)包編號、SIM卡號、時間等固定信息以及測量所得數(shù)據(jù)。l 數(shù)據(jù)顯示模塊用三維動畫的形式直觀地顯示信號特征。 數(shù)據(jù)入庫模塊將通信管理模塊拆包得到的測量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。 數(shù)據(jù)查詢模塊支持已獲得授權(quán)的用戶進行歷史數(shù)據(jù)查詢。32 遠端數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計 GPRS的網(wǎng)絡(luò)特性是分組交換和internet識別，分組交換的基本過程是把數(shù)據(jù)先分成若干個小的數(shù)據(jù)包，可通過不同的路由，以存儲轉(zhuǎn)發(fā)的接力方式傳送到目的端，而組裝成完整的數(shù)據(jù)。分組交換基本上不是實時系統(tǒng)，延時也不固定，但可以使不同的數(shù)據(jù)傳輸共用傳輸帶寬：有數(shù)據(jù)時占用帶寬，無數(shù)據(jù)時不占用，從而分享資源。同時分組交換可以提供靈活的差錯控制和流量控制，主要

9、是在端到端的高層進行，以減少中間網(wǎng)絡(luò)低層環(huán)節(jié)不必要的開銷；也可以在網(wǎng)絡(luò)部分環(huán)節(jié)上增加控制，提高安全性。另外，通過設(shè)置服務(wù)等級QOS等手段，可以有效的控制和分配延時、帶寬等性能，所以分組交換非常適用于數(shù)據(jù)應(yīng)用。Internet識別原理： 典型的互聯(lián)網(wǎng)連接是用戶通過撥號接入某一ISP，通過ISP的網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng)。因此用戶需要付撥號電話費和網(wǎng)絡(luò)使用費兩部分費用，而GSM做無線接入時付無線網(wǎng)絡(luò)電話費。如果通過GPRS接入互聯(lián)網(wǎng)則有很大的不同，因為GPRS是無線分組數(shù)據(jù)系統(tǒng)，只要用戶一打開GPSS終端，就已經(jīng)附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，GPRS通過允許現(xiàn)存的internet和新的GPRS網(wǎng)絡(luò)的互通首次完全實現(xiàn)

10、了移動Internet功能。也就是用戶通過GPRS系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)GGSN連接到互聯(lián)網(wǎng)，GGSN還提供相應(yīng)的動態(tài)地址分配、路由、名稱解析、安全和計費等互聯(lián)網(wǎng)功能。目前任何一種在固定internet上的業(yè)務(wù)（如文件傳輸協(xié)議（FTP）、網(wǎng)頁瀏覽、交談、信函、遙信）通過利用GPRS將同樣能在移動網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)。所以，移動業(yè)務(wù)運營商同時也是互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的提供商。 遠端數(shù)據(jù)采集模塊的軟件開發(fā)平臺為Dynamic C語言，Dynamic C是由Z-World公司為Rabbit系列微處理器提供的軟件開發(fā)工具，適用于編寫嵌入式軟件，是擴展了的編程系統(tǒng)。遠端數(shù)據(jù)采集模塊主要實現(xiàn)以下幾個方面的功能： 微處理器初始化模塊主要包

11、括Rabbit3000的定時器初始化、中斷管理初始化、串口通信初始化等。 Q2403A初始化模塊是基于AT指令集完成的，微處理器Rabbitl 3000通過串行接口將設(shè)置波特率、設(shè)置接入網(wǎng)關(guān)等的AT指令發(fā)送給Q2403A，完成對Q2403A的初始化。 登陸網(wǎng)關(guān)GGSN模塊實現(xiàn)了Q2403A登錄GPRS網(wǎng)關(guān)GGSN的過程。該過程分為三個階段：創(chuàng)建階段、認(rèn)證階段和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商階段，并且二者通信時遵循PPP協(xié)議，具體過程如圖4所示。 PPP協(xié)議2中提供了一整套方案來解決鏈路建立、維護、拆除、上層協(xié)議協(xié)商、認(rèn)證等問題，主要包含LCP（Link Control Protocol）、PAP（Password

12、Authentication Protocol）和IPCP（Internet Protocol Control Protocol）等協(xié)議。Q2403A在撥號后首先要與GPRS網(wǎng)關(guān)進行通信鏈路的協(xié)商，即協(xié)商點到點的各種鏈路參數(shù)配置，其中LCP協(xié)議用于建立、構(gòu)造、測試鏈路連接；PAP協(xié)議用于處理密碼驗證部分；IPCP協(xié)議用于設(shè)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議環(huán)境，并分配IP地址。協(xié)商機制用有限狀態(tài)機的模型來實現(xiàn)。 一旦協(xié)商過程結(jié)束，ppp鏈路創(chuàng)建完成，Q2403A分配到了動態(tài)的IP地址，這樣數(shù)據(jù)采集模塊就可以按照協(xié)商的標(biāo)準(zhǔn)與遠程控制中心進行IP報文的傳輸了。 數(shù)據(jù)采集模塊的功能為在Rabbit3000的控制下，由A/D

13、轉(zhuǎn)換電路完成對傳感器輸出信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。l 通信管理模塊一方面接收控制中心發(fā)送過來的命令，啟動數(shù)據(jù)采集；另一方面將SIM卡號和測量所得數(shù)據(jù)等封裝成IP包經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制中心。4.結(jié)束語當(dāng)前，無線數(shù)據(jù)傳輸和處理已成為業(yè)界研究的熱點，本文所介紹的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以GPRS作為承載網(wǎng)絡(luò)，利用了GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，可靠性高，費用低廉等優(yōu)勢，具有良好的應(yīng)用前景和實際意義。該系統(tǒng)非常適合于在邊遠地區(qū)或可移動系統(tǒng)中實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。參考文獻：1. 吳青萍 GPRS技術(shù)及其應(yīng)用 河海大學(xué)常州分校學(xué)報2002年6月 54572. 關(guān)宇東等 嵌入式單片機PPP協(xié)議的應(yīng)用研究 電子技術(shù)應(yīng)用20

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