GPRS的工作原理、主要特點:
引 言
近年來,通信技術和網絡技術的迅速發展,特别是無線通信技術的發展,使得電力系統的自動化程度進一步提高。GSM網絡出現後，技術人員很快把GSM子產品嵌入到各種儀表儀器中，如多功能電能表、故障測錄儀、抄表系統和用電負荷監控等，進而使這些儀表儀器具有遠端通信功能。
GPRS是在現有GSM系統上發展出來的一種新的資料承載業務,支援TCP/IP協定，可以與分組資料網（Internet等）直接互通。GPRS無線傳輸系統的應用範圍非常廣泛，幾乎可以涵蓋所有的中低業務和低速率的資料傳輸，尤其适合突發的小流量資料傳輸業務。
本文設計的GPRS無線通信子產品，内嵌了TCP/IP協定，采用工業級的GPRS子產品，适用于單片機資料采集傳輸系統沒有TCP/IP協定棧，但使用序列槽通信的情況。
1 GPRS通信原理及應用特點
1.1 GPRS簡介
GPRS是通用無線分組業務（General Packet Radio System）的縮寫，是介于第二代和第三代之間的一種技術，通常稱為2.5G。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發結構、無線調制标準、跳頻規則以及相同的TDMA幀結構。是以，在GSM系統的基礎上建構GPRS系統時，GSM系統中的絕大部分部件都不需要作硬體改動，隻需作軟體更新。有了GPRS，使用者的呼叫建立時間大大縮短，幾乎可以做到“永遠線上”。此外， GPRS是以營運商傳輸的資料量而不是連接配接時間為基準來計費，進而令每個使用者的服務成本更低。
1.2 基本工作原理
GPRS是在原有的基于電路交換（CSD）方式的GSM網絡上引入兩個新的網絡節點： GPRS服務支援節點(SGSN)和網關支援節點（GGSN）。SGSN和MSC在同一等級水準，并跟蹤單個MS的存儲單元實作安全功能和接入控制，并通過幀中繼連接配接到基站系統。GGSN支援與外部分組交換網的互通，并經由基于IP的GPRS骨幹網和SGSN連通。圖1給出了GPRS與Internet連接配接原理框圖。
GPRS終端通過接口從客戶系統取得資料，處理後的GPRS分組資料發送到GSM基站。分組資料經SGSN封裝後，SGSN通過GPRS骨幹網與網關支援接點GGSN進行通信。GGSN對分組資料進行相應的處理，再發送到目的網絡，如Internet或X.25網絡。
若分組資料是發送到另一個GPRS終端，則資料由GPRS骨幹網發送到SGSN，再經BSS發送到GPRS終端。
2 嵌入式GPRS通信系統的實作
2.1 GPRS子產品的硬體設計
嵌入式GPRS無線通信子產品主要由嵌入TCP/IP的單片機（MSC1210Y5）、GPRS子產品、SIM卡座、外部接口和擴充資料存儲器等部分組成。圖2是系統的硬體框圖。
MSC1210控制GPRS子產品接收和發送資訊，通過标準RS232序列槽和外部控制器（比如資料采集端）進行資料通信。用軟體實作中斷，完成資料的轉發。
2.1.1 單片機子產品
單片機采用美國德州儀器公司最新推出的基于8051核心的MSC1210Y5。該晶片具有很強的資料處理能力，時鐘頻率為33 MHz，指令運作速度實際上與運作在99 MHz時鐘頻率下的标準8051核心相當。32 KB Flash程式存儲器，256 B内部RAM和1024 B片上SRAM，2 KB啟動ROM，支援串行和并行的在系統程式設計。雙資料指針DPTR0和DPTR1可加快資料塊的移動速度。
其主要實作過程如下：
① 通過AT指令初始化GPRS無線子產品，使之附着在GPSR網絡上，獲得網絡營運商動态配置設定的GPRS終端IP位址，并與目的終端建立連接配接。
② 通過序列槽0擴充MAX232标準序列槽和外部控制器（例如資料采集端）連接配接，外部控制器端接出标準序列槽，按照約好的協定可很容易利用本設計的控制器進行通信。
③ 複用P1.2和P1.3，也就是序列槽1分别和GPRS子產品的TXD0和RXD0連接配接，P1口的其他6個端口分别接到GPRS子產品對應的剩餘RS232通信口，通過軟體置位完成對MC35的初始化和控制GPRS子產品的收發資料。
2.1.2 擴充資料存儲器部分
MSC1210的Flash存儲器可全部作為Flash程式存儲器，也可以全部作為資料Flash程式。因為要嵌入實時作業系統和網絡協定，需要一定的空間，是以将其全部用作程式存儲器，而通過74HC573作為位址鎖存器，擴充6264作為外部資料存儲器，8 KB的資料存儲空間足夠程式正常運作。
圖3給出了MSC1210與資料存儲器之間的硬體連接配接圖。
2.1.3 GPRS無線數傳子產品
GPRS無線子產品作為終端的無線收發子產品，把從單片機發送過來的IP包或基站傳來的分組資料進行相應的處理後再轉發。
GPRS子產品采用德國Simens公司生産的MC35子產品。MC35子產品主要由射頻天線、内部Flash、SRAM、GSM基帶處理器、比對電源和一個40腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件，其作用相當于一個協定處理器，用來處理外部系統通過序列槽發送AT指令。射頻天線部分主要實作信号的調制和解調，以及外部射頻信号與内部基帶處理器之間的信号轉換。比對電源為處理器基射頻部分提供所需的電源。MC35外圍電路如圖4所示。
AS2815将外部電壓轉換成3.3 V工作電壓。
啟動電路由三極管和上電複位電路組成，子產品上電後，為使之正常工作，必須在15腳加至少為100 ms的低電平信号。啟動後，15腳信号應保持高電平。 MC35在ZIF連接配接器上為SIM卡接口預留的引腳數為6個，要注意的是，CCIN引腳用來檢測SIM卡座是否插有SIM卡。當插入SIM卡，該引腳置為高電平時，系統方可進入正常工作。
SYNC引腳有兩種工作模式：一種是訓示發射狀态時的功率增長情況，另一種是訓示MC35的工組狀态。本設計中使用後一種模式，LED熄滅時，表明MC35處于關閉或睡眠狀态；當LED為600 ms亮/600 ms熄時，表明SIM卡沒有插入或MC35正在進行網絡登陸；當LED為75 ms亮/3 s熄時，表明MC35已登陸進網絡，處于待機狀态。
2.2 單片機通信程式設計
軟體中的所有代碼都用C語言編寫,在Keil環境中編譯。Keil是Keil Software公司為8051及其相容産品提供的專門開發工具，它支援在系統調試。Keil中C51編譯器很好地內建了RTX多任務實時作業系統，編寫程式時,需在源代碼頭加入“＃incluede rtx51.h”。所有代碼調試通過後經由TI Downloader下載下傳到存儲器中。
目前，絕大多數基于GPRS網絡應用系統所使用的GPRS子產品不支援TCP/IP協定。也就是說，要想工作在相同的網絡層面上,其内部傳輸的資料必須都要采用相同的協定，是以除了利用GPRS子產品的功能外，必須在單片機系統中嵌入按TCP/IP和PPP協定标準編寫的程式，進而使設計的終端裝置能夠友善的應用GPRS資料分組業務。
2.2.1 TCP/IP協定的嵌入
有很多種方法可以完成協定轉換，本設計利用在嵌入式實時作業系統RTX51中移值部分IP和PPP協定來增強系統的可擴充性和産品開發的可延續性。
TCP/IP協定是一個标準協定套件，可以用分層模型來描述。資料打包處理資料時，每一層把自己的資訊添加到一個資料頭中，而這個資料頭又被下一層中的協定包裝到資料體中。資料解包處理程式接收到GPRS資料時，把相應的資料頭剝離，并把資料包的其餘部分當作資料體對待。
考慮到嵌入式系統的特點，本設計采用了系統開銷較小的IP+UDP協定來實作GPRS通信。主機發送的UDP資料封包經GPRS通道傳送給GPRS通信子產品， GPRS通信子產品負責對資料報進行解析，解析後的資料按照一定的波特率串行傳送給使用者終端。
2.2.2 資料處理
資料包在主機和GPRS伺服器群中傳輸使用的是基于IP的分組，即所有的資料封包都要基于IP包。但明文傳送IP包不可取，故一般使用PPP協定進行傳輸。子產品向網關發送PPP封包都會傳送到Internet網中相應的位址，而從Internet傳送過來的應答幀也同樣會根據IP位址傳送到GPSR子產品,進而實作采集資料和Internet網絡通過GPRS子產品的透明傳輸。
要注意的是，GSM網絡無靜态IP位址，故其他通信裝置不能向它提出建立連接配接請求，監控中心必須擁有一個固定的IP，以便監測終端可以在登陸GSM網絡後通過該IP找到監控中心。關于這一點，很容易解決，隻需在電信申請相應的服務就可以了。
GPRS子產品登陸上GSM網絡後，自動連接配接到資料中心，向資料中心報告其IP位址，并保持和維護資料鍊路的連接配接。GPRS監測鍊路的連接配接情況，一旦發生異常，GPRS子產品自動重建立立鍊路，資料中心和GPRS子產品之間就可以通過IP位址通過UDP/IP協定進行雙向通信，實作透明的可靠資料傳輸。
3 上位機監控中心的設計
監控中心的功能是實作GPRS資訊的接收和儲存。設計語言采用Microsoft公司的Visual C++程式設計語言，C＋＋語言應用靈活，功能強大，并對網絡程式設計和資料庫有強大的支援。
由于通過GPRS，中心監控部分可以直接通路網際網路，是以監控部分并不需要再設定GPRS子產品。中心隻需通過中心軟體幀聽網絡，接收GPRS無線子產品傳來的UDP協定的IP包和發送上位機控制資訊，以實作與GPRS終端的IP協定通信。接收到的資訊要儲存到中心的資料庫中,以備查曆史記錄。資料庫采用SQL Server,VC編制的界面視窗通過ADO通路SQL Server中的資料。需要說明的是，筆者是通過Socket接收網絡終端資訊的。
Socket接口是TCP/IP網絡的API，Socket接口定義了許多函數和例程，程式員可以利用它來開發TCP/IP網絡上的應用程式。VC中的MFC類提供了CAsyncSocket這樣一個套接字類，用它來實作Socket程式設計非常友善。本設計中采用資料封包式的Socket，它是一種無連接配接的Socket，對應于無連接配接的UDP服務應用。
CAsyncSocket類用DoCallBack函數處理MFC消息，當一個網絡事件發生時，DoCallBack函數按照網絡事件類型：FD_REA D、FD_WRITE、FD_ACCEPT和FD_CONNECT分别調用OnReceive、OnSend、OnAccept和OnConnect函數，驅動相應的事件，完成網絡資料通信過程。
4 結論
本文采用嵌入式TCP/IP協定，通過高速8位單片機實作GPRS業務的資料傳輸功能，具有外圍電路少，電路簡單，系統成本低等優點。通過标準RS232序列槽和外部控制器連接配接，隻需按照預先規定的協定就可互相通信，通用性較強。系統軟體均使用C語言編寫，稍加改動就可以在各種控制器上實作，可移植性也較強。
基于GPRS的系統也有一定的缺點，例如，現在的GPRS網還不夠穩定，有丢包的現象；主要制器要實作IP協定，使用起來比較複雜；上位機基于網際網路的解決方案保密性較差等。上述問題經過精心設計是可以避免和解決的，是以基于GPRS的設計仍具有無可比拟的優勢。
GPRS的工作原理、主要特點
GPRS的工作原理、主要特點:
引 言
近年來,通信技術和網絡技術的迅速發展,特别是無線通信技術的發展,使得電力系統的自動化程度進一步提高。GSM網絡出現後，技術人員很快把GSM子產品嵌入到各種儀表儀器中，如多功能電能表、故障測錄儀、抄表系統和用電負荷監控等，進而使這些儀表儀器具有遠端通信功能。
GPRS是在現有GSM系統上發展出來的一種新的資料承載業務,支援TCP/IP協定，可以與分組資料網（Internet等）直接互通。GPRS無線傳輸系統的應用範圍非常廣泛，幾乎可以涵蓋所有的中低業務和低速率的資料傳輸，尤其适合突發的小流量資料傳輸業務。
本文設計的GPRS無線通信子產品，内嵌了TCP/IP協定，采用工業級的GPRS子產品，适用于單片機資料采集傳輸系統沒有TCP/IP協定棧，但使用序列槽通信的情況。
1 GPRS通信原理及應用特點
1.1 GPRS簡介
GPRS是通用無線分組業務（General Packet Radio System）的縮寫，是介于第二代和第三代之間的一種技術，通常稱為2.5G。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發結構、無線調制标準、跳頻規則以及相同的TDMA幀結構。是以，在GSM系統的基礎上建構GPRS系統時，GSM系統中的絕大部分部件都不需要作硬體改動，隻需作軟體更新。有了GPRS，使用者的呼叫建立時間大大縮短，幾乎可以做到“永遠線上”。此外， GPRS是以營運商傳輸的資料量而不是連接配接時間為基準來計費，進而令每個使用者的服務成本更低。
1.2 基本工作原理
GPRS是在原有的基于電路交換（CSD）方式的GSM網絡上引入兩個新的網絡節點： GPRS服務支援節點(SGSN)和網關支援節點（GGSN）。SGSN和MSC在同一等級水準，并跟蹤單個MS的存儲單元實作安全功能和接入控制，并通過幀中繼連接配接到基站系統。GGSN支援與外部分組交換網的互通，并經由基于IP的GPRS骨幹網和SGSN連通。圖1給出了GPRS與Internet連接配接原理框圖。
GPRS終端通過接口從客戶系統取得資料，處理後的GPRS分組資料發送到GSM基站。分組資料經SGSN封裝後，SGSN通過GPRS骨幹網與網關支援接點GGSN進行通信。GGSN對分組資料進行相應的處理，再發送到目的網絡，如Internet或X.25網絡。
若分組資料是發送到另一個GPRS終端，則資料由GPRS骨幹網發送到SGSN，再經BSS發送到GPRS終端。
2 嵌入式GPRS通信系統的實作
2.1 GPRS子產品的硬體設計
嵌入式GPRS無線通信子產品主要由嵌入TCP/IP的單片機（MSC1210Y5）、GPRS子產品、SIM卡座、外部接口和擴充資料存儲器等部分組成。圖2是系統的硬體框圖。
MSC1210控制GPRS子產品接收和發送資訊，通過标準RS232序列槽和外部控制器（比如資料采集端）進行資料通信。用軟體實作中斷，完成資料的轉發。
2.1.1 單片機子產品
單片機采用美國德州儀器公司最新推出的基于8051核心的MSC1210Y5。該晶片具有很強的資料處理能力，時鐘頻率為33 MHz，指令運作速度實際上與運作在99 MHz時鐘頻率下的标準8051核心相當。32 KB Flash程式存儲器，256 B内部RAM和1024 B片上SRAM，2 KB啟動ROM，支援串行和并行的在系統程式設計。雙資料指針DPTR0和DPTR1可加快資料塊的移動速度。
其主要實作過程如下：
① 通過AT指令初始化GPRS無線子產品，使之附着在GPSR網絡上，獲得網絡營運商動态配置設定的GPRS終端IP位址，并與目的終端建立連接配接。
② 通過序列槽0擴充MAX232标準序列槽和外部控制器（例如資料采集端）連接配接，外部控制器端接出标準序列槽，按照約好的協定可很容易利用本設計的控制器進行通信。
③ 複用P1.2和P1.3，也就是序列槽1分别和GPRS子產品的TXD0和RXD0連接配接，P1口的其他6個端口分别接到GPRS子產品對應的剩餘RS232通信口，通過軟體置位完成對MC35的初始化和控制GPRS子產品的收發資料。
2.1.2 擴充資料存儲器部分
MSC1210的Flash存儲器可全部作為Flash程式存儲器，也可以全部作為資料Flash程式。因為要嵌入實時作業系統和網絡協定，需要一定的空間，是以将其全部用作程式存儲器，而通過74HC573作為位址鎖存器，擴充6264作為外部資料存儲器，8 KB的資料存儲空間足夠程式正常運作。
圖3給出了MSC1210與資料存儲器之間的硬體連接配接圖。
2.1.3 GPRS無線數傳子產品
GPRS無線子產品作為終端的無線收發子產品，把從單片機發送過來的IP包或基站傳來的分組資料進行相應的處理後再轉發。
GPRS子產品采用德國Simens公司生産的MC35子產品。MC35子產品主要由射頻天線、内部Flash、SRAM、GSM基帶處理器、比對電源和一個40腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件，其作用相當于一個協定處理器，用來處理外部系統通過序列槽發送AT指令。射頻天線部分主要實作信号的調制和解調，以及外部射頻信号與内部基帶處理器之間的信号轉換。比對電源為處理器基射頻部分提供所需的電源。MC35外圍電路如圖4所示。
AS2815将外部電壓轉換成3.3 V工作電壓。