摘要：GPRS數據傳送服務作為GSM網絡的一種新業務，已得到越來越多的系統運營商和系統開發商的重視。以GSM網絡作為數據無線傳輸網絡，可以開發出多種前景極其樂觀的各類應用。本文提出一個基于GPRS數據傳送服務的通信控制器的設計，并詳細闡述該控制器的實現原理。

引言

能用分組無線業務GPRS（General Packet Radio Service）是在現有的GSM系統上發展出來的一種新的承載業務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數據業務。基于這種業務的各種應用也蓬勃發展起來。以GSM網絡作為數據無線傳輸網絡，可以開發出多種前景極其樂觀的各類應用，如無線數據的雙向傳送、無線遠程檢測和控制等。典型的應用有：工業控制、環境保護、道路交通、商務金融、移動辦公、零售服務等等。

GPRS允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，需不需要利用電路交換模式的網絡資源；從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務，特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。

本文設計的GPRS無線通信控制器（以下簡稱控制器），內嵌了TCP/IP協議棧，采用工業級的GPRS模塊；適用于主機沒有TCP/IP協議棧，但使用串口通信的情況，例如單片機數據采集傳輸系統。

1 GPRS網絡數據的收發

終端設備通過串行方式接到控制器上并與GSM基站通道，但與電路交換或數據呼叫不同。GPRS數據分組是從基站發送到SGSN節點，而不是通過移動交換中心MSC連接到語音網絡上。SGSN與網關支持節點GGSM進行通信。GGSN對分組數據進行相應的處理，再發送到目的網絡，如Internet或X.25網絡，見圖1。來自Internet、標識有移動臺地址的IP包，由GGSN接收，再轉發到SGSN，繼而傳送到移動臺上。

控制器工作時，用戶上位系統向控制器發送工作指令和數據，數據由IP模塊進行了TCP/IP協議轉換，打成IP數據包，再由MC35模塊以GPRS數據包的形式發送到SGSN。

由于GPRS網絡工作方式是以IP地址導址為基礎的，所以目標服務器端并非接入控制器與終端設備進行連接，只需要簡單接入Internet，并具備公網分配的IP地址即可。同時，因為GPRS終端產品本身由網絡提供商動態地分配IP地址，在未進入連接待機狀態時，其本身是不具備IP地址的（在連接中，模塊的IP地址為移動骨干網內局域網IP，無法被公網服務器解析，動態分配的制度使獲取比IP地址無意義）。因此在服務器與終端尚未建立連接前，目標服務器難以（可將短信轉換為命令內容）對終端設備及控制器進行控制。必須先將控制器進行相應初始化，并由設備終端主動向服務器發送數據，進行連接。

2 控制器內部的硬件實現

控制器內部由四部分構成：嵌入TCP/IP的單片機系統、MC35模塊、電源部分和外部接口部分。

在設計時，考慮到雙串口性能和高速的全靜態CMOS設計，嵌入式單片機系統選用***Winbond的W77E58芯片作為MCU模塊的處理器芯片。它是高速的、與MCS-51指令兼容的、沒有多余指令周期的微控制器，在相同時鐘頻率下，運行同樣的指令要比傳統的8051快1.5～3.0倍。它完全是靜態CMOS設計，工作電壓為4.5V～5.5V，有32KB的片內程序ROM，內部有1KB SRAM，最高時鐘頻率可達40MHz；有雙指針、雙串口，13個中斷源，3個16位定時器。單片機W77E58通過串口1直接與MC35模塊相連接，完成對MC35模塊的初始化和基于GPRS業務的數據收發功能；同時串口2擴展MAX232標準串口與其它嵌入式系統或PC機進行數據交換。圖2是系統的硬件框圖。

MC35模塊是西門子公司生產的GSM雙頻GSM900/GSM1800無線模塊。它支持2種操作模式：一種是電路交換數據模式CSD，支持語音、數據、SMS和FAX業務；一種是分組交換模式GPRS，采用多時隙，支持CS1-CS4編碼。兩者最大的區別是，GPRS傳輸數據時不需要再撥號。2種模式的選擇通過AT指令來實現。MC35模塊提供40線的ZIF接口方式。

電源部分為單片機系統和GPRS模塊提供合適的電源。外部接口部分包括一個8腳數據接口、SMA（射頻同軸連接器）天線接口、SIM（Subscriber Identity Module，用戶識別）卡座接口。表1是各引腳的詳細說明。

表1 外部接口引腳說明

為使控制器運行穩定可靠，對其看門狗電路進行了精心設計。

3 控制器的軟件接口

在本設計中，需要利用TCP/IP協議來完成GPRS業務數據的打包和解包。由于W77E58資源有限，怎樣在有限的資源上完成必需的功能，就是嵌入式TCP/IP協議實現的關系所在，也就是合理地簡化協議。

TCP/IP協議是一個為廣域網（WAN）設計的標準協議套件，可以用一個分成四個層次的模型來描述：數據鏈路層、互聯網層、傳輸層和應用層。其分層模型及協議如表2所列。

表2 TCP/IP協議結構

應用層（application）負責處理特定的應用程序細節，在本系統中只實現HTTP協議。

傳輸層（transport）主要為2臺主機上的應用程序提供端到端的通信。TCP協議是為2臺主機提供高可靠性的數據通信，這里采用TCP傳輸控制協議。

互聯網層（Internet）的功能是尋址、定址、數據打包和安排路徑。Internet所有的數據都以IP數據報格式傳輸，其最大特別是提供不可靠的和無連接的數據包傳送服務。在GPRS業務中，每一次鏈接都會具體分配一個IP地址，因此用ARP/RARP協議完成IP地址與物理地址的映射（即地址解析），用ICMP協議判斷網絡是否連通。

數據鏈路層（link）的任務是把要發出的幀送到線路中去，把要接收的幀從線路中取出來。GPRS業務是采用IP Over PPP實現數據終端的接入。這部分功能由單片機控制MC35模塊，采用PPP協議實現。

數據打包處理程序處理數據時，每一層都把自己的信息添加到一個數據頭中，而這個數據頭又被下一層的協議包裝到數據體之中。數據解包處理程序接收到GPRS數據時，把相應的數據頭剝離，并把數據包的其余部分當作數據體對待。

在應用要求高的場合，通常需要支持完事的TCP/IP協議族，而在嵌入式系統中也是可以做到的；但是，考慮到成本和具體的應用場合，沒有必要包括所有的TCP/IP協議族。可以看到，采用TCP/IP協議需要對它進行合理的裁剪，以滿足小ROM系統的情況。

系統在利用MC35模塊的GPRS業務瀏覽HTTP等功能之前，必須先激活GPRS網的PDP連接。單片機通過正確的AT指令和GPRS命令集對MC35模塊進行初始化和數據的接收發送，其工作流程如圖3所示。

單片機上電復位后，首先對MAX232進行初始化，完成與外接模塊協商處理，如波特率、是否有奇偶校驗等。接著，通過串口1對MC35模塊進行初始化，檢查諸如SIM卡情況、GPRS網絡覆蓋情況、信號情況等。接下來，進行中斷掃描，監控是否有數據到來。有關數據時，如果是外部數據，就啟動數據打包處理過程；如果是GPRS數據，就啟動數據解包處理過程。如果沒有數據，系統則進入節電模式。在數據打包處理過程中，如果檢測到系統的信號不好，網絡連接不暢通，或者不是GPRS網絡覆蓋區，將進行數據發送緩存處理，同時將數據放進發送隊列等待發送。

結語

本文采用嵌入式TCP/IP協議，在高速的8位微控制器上實現了對MC35模塊的控制，并實現了GPRS業務的數據傳輸功能；具有外圍器件少、電路簡單、系統成本低等優點。本文設計的GPRS無線通信控制器，自2002年1月份起，在廣東省東莞市的環保污水綜合處理系統中使用至今，運行效果良好，實踐證明，產品工作穩定、可靠。