無線數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)膽?yīng)用范圍非常廣,，涉及行業(yè)有電力、水利,、公安,、交通、石油,、安防和金融等,。中國移動公司在2002年5月正式開通了通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS網(wǎng)絡(luò)。GPRS網(wǎng)絡(luò)支持TCP／IP協(xié)議并且覆蓋面廣,，比起使用短消息和超短波無線數(shù)傳電臺進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸,，GPRS無論在費(fèi)用、可靠性和可實(shí)施性等方面都具有很大的優(yōu)勢,。

       終端的系統(tǒng)組成

       無線數(shù)據(jù)采集與傳輸終端的設(shè)計可以有兩套方案：第一套為“單片機(jī)＋GPRS調(diào)制解調(diào)器”,，此方案雖然硬件成本較低，但功能比較有限,，在協(xié)議的開發(fā)和支持上都有一定難度,；第二套方案為“嵌入式CPU＋GPRS 模塊”,，此方案雖然硬件成本稍高，需要嵌入式CPU芯片來支持嵌入式操作系統(tǒng),，但可以實(shí)現(xiàn)豐富協(xié)議接口,，便于移植和向高端系統(tǒng)應(yīng)用升級，更加便于數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn),。

       圖1給出了一個無線數(shù)據(jù)采集和傳輸終端組成的原理參考圖，采用Motorola半導(dǎo)體(編者注,，現(xiàn)更名為：Freescale)嵌入式CPU MPC8xx加GPRS模塊CMS91的第二套實(shí)現(xiàn)方案,。 

圖1  終端組成原理參考圖

       終端工作原理為通過RS232/485口接收到用戶數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)打成IP包,，通過GPRS模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò),，再通過各種網(wǎng)關(guān)和路由將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心。

       下面對圖1中的組成原理進(jìn)行詳細(xì)介紹：

       嵌入式CPU芯片是整個數(shù)據(jù)采集終端的核心,，可以很好地支持嵌入式操作系統(tǒng),；考慮到嵌入式操作系統(tǒng)的移植方便性和性能要求，采用了當(dāng)前成熟的Motorola MPC8xx嵌入式CPU,。許多操作系統(tǒng)廠家都針對這種類型的CPU開發(fā)微碼和套件(BSP),，以方便用戶移植。

       GPRS模塊主要完成無線上網(wǎng)的功能,。在市場上有一些成熟的產(chǎn)品,，譬如說Sony/Ericsson的GM47；Simens的MC35等,。在這里選用Cellon公司的CMS91,。它是一種雙頻段GSM/GPRS 10級模塊，主要優(yōu)點(diǎn)有：低功耗,、接口簡單,、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS 10,、開發(fā)多媒體應(yīng)用,、價格較低等。同時,，它也提供SMS(短消息服務(wù))和語音功能,。GPRS模塊提供RS232接口，可以通過它來完成對模塊的控制,，譬如撥號和切換模式等,。一旦通過模塊連接上Internet，采集到的數(shù)據(jù)就可以用TCP/IP傳輸方式發(fā)送到任意一個具有公網(wǎng)IP地址的主機(jī)上去,，從而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸,。

       數(shù)據(jù)采集一般采用標(biāo)準(zhǔn)RS232或RS485接口,，采集壓力、溫度等傳感器數(shù)據(jù),。由CPU負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理,，然后交給GPRS模塊將其發(fā)送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

       Watchdog主要用來防止終端系統(tǒng)死機(jī),。通過軟件定時寫數(shù)據(jù)到WD硬件,，一旦系統(tǒng)死機(jī)，軟件工作不正常,，WD硬件由于接收不到數(shù)據(jù)而產(chǎn)生硬件中斷,，從而系統(tǒng)自動重啟。

       ROM主要用于保存嵌入式操作系統(tǒng),、應(yīng)用程序及相關(guān)配置參數(shù),，通過內(nèi)部總線直接與CPU通信。在這里選用了Intel公司的28F320-J3,，32M字節(jié),。可以在ROM上完成文件系統(tǒng),，但需要在操作系統(tǒng)中加入文件系統(tǒng)處理模塊,。

       LCD是可選模塊，用來顯示狀態(tài)信息等,。10Base-T也是可選模塊,，方便調(diào)試。也可以利用NAT技術(shù)和10Base-T端口將終端作為連接Internet的網(wǎng)關(guān),。

實(shí)施中的技術(shù)難點(diǎn) 

       CPU通信端口的配置

       在此設(shè)計中選用MPC850微處理器,， 它是一個多用途的通用芯片，內(nèi)部集成了微處理器和常用外圍組件,，可用于各種控制領(lǐng)域,。它是MPC860應(yīng)用于通信系統(tǒng)的低成本實(shí)現(xiàn)，提供了更高的性價比,，并在通信方面有所增強(qiáng),，比如通用串行總線(USB)的支持。MPC850集成了嵌入式PowerPC 核和一個為通信使用的專門的RISC通信處理器模塊(CPM),。MPC850 的 CPM 支持6個串行通道：一個串行通信控制器(SCC),，一個USB，兩個串行管理控制器(SMS),，一個I2C接口,，和一個串行外圍接口電路SPI。通?？蓪⒁粋€SCC和兩個SMS配置成為通用串口UART,，用以控制不同的模塊且速率可調(diào),。 

       ROM上文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

       普通的ROM操作只能以模塊操作，維護(hù)起來很不方便,，而且由于在讀寫的時候沒有緩沖操作,，數(shù)據(jù)很容易丟失和出錯。在ROM上實(shí)現(xiàn)的文件系統(tǒng) 可以合理的分配和使用每一個區(qū)塊,，減少了區(qū)塊遷移和區(qū)塊過度使用,。本設(shè)計中采用Intel J3系列(28F320J3)閃存做為存儲設(shè)備， 實(shí)現(xiàn)了TrueFFS,。首先在系統(tǒng)啟動配置文件中配置TFFS的三層結(jié)構(gòu),，修改MTD。系統(tǒng)啟動時初始化文件系統(tǒng)和缺省路徑,。如果成功,，就生成了可操作的文件設(shè)備符,。自此,，用戶就可以使用一般的文件操作方式了(生成、讀,、寫和刪除),。要注意的是在讀寫完文件后，要顯示關(guān)閉文件,，以避免數(shù)據(jù)丟失,。

       設(shè)備作為網(wǎng)關(guān)時的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)實(shí)現(xiàn)

       采用NAT接入Internet改變了原來使用代理軟件接入Internet的方式，可采用兩種NAT的設(shè)置(動態(tài)NAT和靜態(tài)NAT)實(shí)現(xiàn)Internet的接入,。動態(tài)NAT實(shí)現(xiàn)所有主機(jī)對Internet的訪問,。由于NAT具有隱藏網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功能，外部主機(jī)不能直接訪問內(nèi)部網(wǎng)站或主機(jī),。但通過動,、靜態(tài)NAT的聯(lián)合使用，既可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部互訪,，又可以隱藏網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，確保網(wǎng)絡(luò)安全。在具體實(shí)現(xiàn)中,，首先要通過PPP撥號上GPRS網(wǎng)絡(luò),，得到分配地址。如果得到CPU通信端口上分配的網(wǎng)絡(luò)通信內(nèi)部IP地址,，然后配置NAT參數(shù),，將其中的兩個端口參數(shù)配置為GPRS網(wǎng)絡(luò)地址和內(nèi)部通訊地址。最后用配置好的NAT參數(shù)將NAT初始化,。

       GPRS模塊工作模式的使用

       利用CMS91進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕椒ㄓ?種：

       1.SMS Messages —可以用來傳輸字符或者二進(jìn)制數(shù)據(jù),，一般情況下每條SMS的字節(jié)長度是140字節(jié),，SMS適合數(shù)據(jù)量小的對實(shí)時性要求不高的場合。

       2.Data Calls—在數(shù)據(jù)鏈路建立以后可以進(jìn)行透明或者非透明的數(shù)據(jù)傳輸,。主要適合數(shù)據(jù)量比較大而傳輸次數(shù)較少的場合,。

       3.GPRS數(shù)據(jù)傳輸—適合所有情況下的數(shù)據(jù)傳輸，是未來的發(fā)展趨勢,。

       利用CMS91 GPRS模塊進(jìn)行基于Internet的數(shù)據(jù)通信SMS和Data Call應(yīng)用有很大的不同,，無論是SMS還是Data Call都是有相應(yīng)的AT指令支持的，使用都是比較簡單的,、無需了解實(shí)際的運(yùn)作流程,，但是對于GPRS的數(shù)據(jù)應(yīng)用，牽涉的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面的知識要相對較多,。

       在這種應(yīng)用中,，CMS91 GPRS模塊相當(dāng)于一個無線調(diào)制解調(diào)器用戶的應(yīng)用系統(tǒng)，需要通過PPP(LCP/PAP/IPCP)先和運(yùn)營商的Internet接入服務(wù)器連接,，然后才能應(yīng)用TCP/IP,、UDP或者更高一層的應(yīng)用層程序http、FTP等進(jìn)行通信,。在目前的GPRS應(yīng)用中,，如果應(yīng)用系統(tǒng)是基于操作系統(tǒng)的,由于系統(tǒng)功能比較強(qiáng)，可以采用完整的PPP協(xié)議,，但是如果應(yīng)用系統(tǒng)是采用MCU的,，那么一般采用簡化的PPP協(xié)議，將一些不兼容的信息拒絕掉,。

       利用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)有兩種,，主要區(qū)別在于服務(wù)器端的位置： 服務(wù)器端采用普通Internet上的主機(jī)方式，或者服務(wù)器通過DDN(或其它高速連接的方式如ASDL)直接與中間移動網(wǎng)CMNET連接的方式,。 根據(jù)以上介紹的設(shè)計實(shí)施技術(shù),，不難寫出一個完整的利用GPRS模塊基于Internet的數(shù)據(jù)通信流程。 

       結(jié)語

       本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式上介紹了一個基于GPRS的無線數(shù)據(jù)采集和傳輸終端的實(shí)現(xiàn)方法,，尤其著重描述了如何利用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,。一般無線數(shù)據(jù)采集終端都用在專用系統(tǒng)中，如電力,、水利等,，特別適合小數(shù)據(jù)量低速數(shù)據(jù)傳輸要求，對工作穩(wěn)定性的要求一般較高,。在這里再提出一些成本和兼容性方面的設(shè)想：1.嵌入式CPU芯片由MPC8xx轉(zhuǎn)換為ARM芯片,。2.網(wǎng)絡(luò)支持從GPRS升級到CDMA，可以通過更換無線通信模塊來實(shí)現(xiàn),。

參考文獻(xiàn)：
1.      陳凱旋,、謝海滔,，‘GPRS原理及其應(yīng)用，鐵道通信信號’,，2003年7月,，Vol.39，No.7