基于单片机的GPRS无线数据采集与传输系统的设计

第20卷第5期四川理工学院学报（自然科学版）V ol．20 No．5JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY OF2007年10月 SCIENCE & ENGINEERING（NATURAL SCIENCE EDITION）Oct．2007文章编号：1673-1549（2007）05-0018-05基于单片机的GPRS无线数据采集与传输系统的设计张正平，夏 斌，刘 桥（贵州大学计算机科学与工程学院，贵阳 550025）摘 要：文章采用单片机嵌入式终端，通过GPRS无线方式，以TCP/IP协议为基础详细讨论了系统的硬件结构。

本系统也为现场工业控制提供了一种新的检测方法。

关键词：单片机；GPRS；数据采集与传输中图分类号：TP393 文献标识码：A前 言GPRS系统利用现有的GSM网络资源，发挥其系统传输特性好的优势，为现场数据采集提供了一种便利的无线传输方式。

同时，单片机具有功能多、软硬件容易裁剪、功耗小、价位低等优势，已经被广泛应用于各类工业或民用的嵌入式系统中。

目前，随着互联网技术的迅猛发展和快速普及，越来越多的智能化设备都需要在互联网上进行数据交换或传输数据。

针对单片机接入互联网，国内外厂商都进行了开发，推出了几类方案[1]：（1）采用专用的服务器，利用网络通信技术组成子网的单片机嵌入式系统，经过路由接入外部网络；（2）通过专用的网关，用网络通信技术组成的子网运行TCP/IP协议；（3）直接在单片机上实现TCP/IP协议，通过以太网接口控制芯片接入互联网。

以上这些方式都是采用有线的接入方式，使用在一些固定的工作场所，本文讨论的是通过GPRS 无线方式将单片机接入互联网的方案，在单片机上实现PPP协议和简化的TCP/IP协议，并用单片机驱动GPRS模块实现上网。

1 GPRS技术GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务）是在GSM系统的基础上发展而来的一种新的移动通信业务，它在移动用户和数据网络之间提供了一种连接，给移动用户提供高速无线IP。

GPRS采用分组交换技术，每个用户可以同时占用多个无线信道，同一个信道又可以为多个用户使用，以提高无线信道的利用率。

GPRS无线传输速率在理论上可以达到180Kbps（实际应用大约在10 Kbps-80 Kbps），特别适合于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适合偶尔的大量数据传输。

GPRS 网络覆盖范围广，无空间和距离限制。

使用GPRS技术实现数据分组收发，用户永远在线，保证数据传输的实时性，接入速度快，且按流量计费，可以有效降低服务成本[2]。

由此可见，采用GPRS方式是一种经济可行的单片机上网传输数据方案。

2 系统设计方案整个系统的硬件部分包括三个主要组成部分：收稿日期：2007-03-07基金项目：贵州省科技厅工业公关项目，黔科合GY字[2006]3020作者简介：张正平（1964-），男，贵州贵阳人，副教授，博士，主要从事信号处理和通信理论方面的研究。

第20卷第5期张正平等：基于单片机的GPRS无线数据采集与传输系统的设计19 （1）控制单片机（MCU），它是系统的控制核心，负责驱动GPRS模块与外网的连接，接收并处理GPRS模块上传来的数据报，组装或生成要发送数据报并传送给GPRS模块，控制其他串口外接模块的工作。

（2）GPRS模块，它是系统的通信功能模块，它是单片机与互联网交换数据报的桥梁，负责单片机与互联网的连接。

（3）其他外围工作单元，如LCD，采集数据的传感器，A/D转换器，继电器输出单元等，它们一般和单片机的串口相连。

如图1所示的硬件结构图。

图1数据采集终端硬件框图GPRS模块和单片机之间通过串口进行通信，除了串口发送Tx、串口接收Rx和地Gnd信号以外，还包括载波检测CD（Carrier Detect）、终端就绪DRT（Data Terminal Ready）等硬件握手信号。

对于单片机接入互联网，在软件协议上需要进行很多裁剪和简化，对于协议的取舍应遵循下面几个原则：一是协议实现的难易程度和协议的兼容性；二是实现协议所需的系统资源。

结合单片机无线上网的特点，可以对协议栈做如下选择[3]：（1）链路层选择PPP协议。

链路层的协议有串行互联网协议SLIP（Serial Line Internet Protocol）和点对点协议PPP（Point-to-Point Protocol）。

PPP协议是被广泛使用的简单的链路层协议，提供了互联网上对待实体之间建立连接传输数据报的一种方法。

PPP协议由链路控制协议LCP（Link Control Protocol）和网络控制协议NCP（Network Control Protocol）组成。

PPP协议在数据传输过程中有差错检测功能，通信双方可以协商数据报大小、认证方式、链路质量等[3]。

（2）网络层协议IP协议和ICMP协议。

IP协议的TCP/IP协议的核心部分，所有的上层数据报文，包括TCP、UDP、ICMP和IGMP报文都是以IP报封装传输的。

ICMP主要用来传送差错报文，在该系统中只实现类型为echo request和echo reply的两种报文（即我们通用的ping命令）即可，用来测试链路的连通性。

如果链路出现意外，终端可以自动进行重新拨号。

（3）传输层可以根据应用要求选择UDP或TCP协议。

TCP提供了一种面向连接的可靠的双向数据传输服务。

TCP通过复杂的机制保证了传输的可靠性。

TCP连接建立和断开有严格的步骤，报问传输过程中有超时重传机制、滑动窗口机制、TCP校验机制等。

UDP提供的是一种无连接、不可靠的服务，它通过上层协议来保证连接的可靠。

UDP的实现相对简单，传送数据也较TCP快。

所以对于可靠性要求较高的应用就选用TCP，而对于实时性要求不太高的应用可以选用UDP。

2.1系统单片机电路图本系统是采用的AT98C51单片机来作为控制器的核心，鉴于文章的篇幅，文中没有给出单片机的内部结构图，模拟转换模块采用的是ADC0809芯片。

系统中还设计有继电器输出电路以及开关量输入20 四川理工学院学报（自然科学版） 2007年10月/输出电路。

图2表示的是单片机与外部模拟采集芯片的连接图。

3 系统的GPRS模块MC35i图2AT89C51与其他芯片的接线图系统的GPRS模块选用的是 MC35i，该模块是采用AT指令进行控制的，采用AT指令可以实现模块参数的设置，实现数据的发送与接收。

3.1系统的通信协议[4]MC35i模块有固定的传输参数：8位数据位和1位停止位，无校验位。

在监控中心和远程数据终端之间进行数据通信采取的主要方式为短消息，因此短消息中每个数据信息代表的具体意义以及短消息中数据的排列规则都需要通信的双方达成一致，所以通信双方必须具有数据协议。

硬件连接完成后，在进行GPRS上网操作之前，首先要对GPRS模块进行一定的设置。

主要的设置工作有：（1）设置通信波特率，可以使用AT+IPR=38400命令，把波特率设为38 400b/s或其它合适的波特率，默认的通信速度为9600b/s。

（2）设置接入网关，通过AT+ CGD CONT=1, “IP”, “CMNET”命令设置GPRS接入网关为移动梦网。

（3）设置移动终端的类别，通过AT+CGCLASS=“B”设置移动终端的类别为B类，即同时监控多种业务；但只能运行一种业务，即在同一时间只能使用GPRS上网，或者使用GSM的语音通信。

（4）测试GPRS服务是否开通，使用AT+CGACT=1,1命令激活GPRS功能。

如果返回OK，则GPRS连接成功；如果返回ERROR，则意味着GPRS失败。

这时应检查一下SIM卡的GPRS业务是否已经开通，GPRS模块天线是否安装正确等问题。

3.2 驱动程序编写首先是串行口驱动层。

它实现打开串口（Open Comm）、关闭串口（Close Comm）、读串口数据（Read Comm）、写串口数据（Write Comm）等函数。

例如Write Comm函数向串口发送一个字节的数据，而transmit函数向串口发送一个字符串的数据：void Write Comm(char c){ES = 0;SBUF = c;while(TI==0);TI=0;第20卷 第5期 张正平等：基于单片机的GPRS 无线数据采集与传输系统的设计 21ES = 1;}void transmit (char *data) {Delay (250);while (*data) {Write Comm (*data++);}}然后，在这些串口函数的基础上编写GPRS 模块的驱动函数。

微控制器通过串行口控制GPRS 模块，进行拨号、设置等操作。

控制的方法是采用AT 命令。

在控制GPRS 模块拨打移动通信网GGSN 的登录号码“*99***1#”之后，GPRS 模块就转入在线模式（On-Line ）。

此时微控制器向串行口发送的所有数据都透明地传送给了GGSN ，同样GGSN 的回答也传回单片机的串行口。

[4]当数据传送完成后，微控制器需要通知GPRS 模块结束会话，并从在线模式转回普通的命令模式，这可以通过置高DTR 线完成。

同时，如果线路由于异常断开，CD 线会回复到平常的低电平，所以处于在线模式下也要不断检测CD 线是否处于高电平。

4 系统效果测试在数据发送区，不管是以服务器端给DTU 或客户端发数据，还是客户端给服务器发数据，都必须在客户端的树结构中选择一个需发送的服务器或DTU 客户端，点击选择树结构的一个节点，在发送数据区的红色TCP 或UDP 目标地址就会出现，然后输入要发送的数据或命令，则点击数据发送按钮，数据就会发送出去，如图3所示：图3如果您对设备或DTU 需发送16 进制数据，则必须选择复选框的“Hex 发送”收，这时您就必须在发送数据区输入16 进制数据，如图4所示：图4图5发送数据区的默认发送是ASCII 码。

如果您需对DTU 或下位设备定时间隔发送数据，则需输入22 四川理工学院学报（自然科学版） 2007年10月间隔时间，并且选择“定时发送”。

在数据接收区显示所以网络连接信息和数据的接收信息，包括数据的来源地址和接收时间，以及DTU 或客户端的连接时间和断线时间信息，它可监视整个端口的数据进出详细记录，如图5所示：如果在数据发送区选择了16 进制为接收发送，则接收到的数据全部为16 进制数据，用户可根据DTU 连接的设备判读远程读回来的数据。

如图6所示。

图65 总 结论文设计了一种基于单片机的网络技术GPRS无线数据终端。

该GPRS无线数据采集终端在8位高性能微处理器和实时多线程操作系统的基础上设计实现。